DE102014109893B4

DE102014109893B4 - Bestimmung der Lage einer Pickup relativ zur Primäranordnung eines induktiven Energieübertragungssystems

Info

Publication number: DE102014109893B4
Application number: DE102014109893.5A
Authority: DE
Inventors: Faical Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: DE102014109893A1; WO2016008608A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung (SE) eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) mindestens einen elektrischen Schwingkreis (K_A) aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen (K_B, K_C, K_D, K_E) der primärseitigen Anordnung (PR) elektromagnetisch koppelbar ist, wobei mittels einer sekundärseitigen Einspeisevorrichtung (U_S) ein Signal in den mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis (K_A) einspeisbar ist, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) eine Einrichtung (IM) zur Bestimmung der Impedanz (Z) und/oder zeitlichen Impedanzänderung des mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreises (K_A) aufweist, und anhand der ermittelten Impedanz (Z), der zeitlichen Impedanzänderung und/oder des Impedanzverlaufs eine übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung die relative Position (P) der sekundärseitigen Anordnung (SE) relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) bestimmt, und wobei eine primärseitig angeordnete Steuereinrichtung (ST) mindestens ein Schaltmittel (S_M, S_B, S_C) ansteuert, mit dem zumindest einer der primärseitigen Schwingkreise durch Zuschalten oder Kurzschließen von Komponenten des Schwingkreises hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz (fres) beeinflußbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung mindestens einen elektrischen Schwingkreis aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen der primärseitigen Anordnung elektromagnetisch koppelbar ist.
Für einen guten Wirkungsgrad der Energieübertragung bei induktiven Energieübertragungssystemen ist es wichtig, dass die primärseitige Anordnung und die am Fahrzeug angeordnete sekundärseitige Anordnung, meist in der Form einer Pickup, relativ zueinander richtig positioniert sind. Hierfür sind verschiedenste mechanische oder elektrische Positionierungsvorrichtungen bekannt, welche dabei dem Fahrzeugführer helfen, das Fahrzeug hinreichend gut relativ zur primärseitigen Anordnung zu positionieren, so dass sich eine hinreichend gute Kopplung zwischen den primärseitigen und sekundärseitigen Schwingkreisanordnungen ergibt.
Die primärseitige Anordnung kann über mehr als einen Schwingkreis verfügen, welche räumlich nebeneinander in einer Ebene oder parallelen Ebenen zueinander angeordnet sind, wobei sowohl alle oder auch nur bestimmte primärseitige Schwingkreise zur anschließenden Energieübertragung genutzt werden.
JP 2010 - 183 813 A offenbart ein kontaktloses Ladesystem für eine Fahrzeugbatterie, wobei zwei primärseitige Schwingkreise und ein sekundärseitiger Schwingkreis vorgesehen sind, die aus Kapazitäten und Induktivitäten gebildet sind. Zur Distanzmessung zwischen den beiden Seiten werden unter anderem sekundärseitig Impedanzänderungen detektiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur sicheren Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung des induktiven Energieübertragungssystems bereitzustellen, welche mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Signal, z.B. in Form einer angelegten Sinusspannung, an den sekundärseitigen Schwingkreis oder lediglich dessen Induktivität, welche durch die Pickup-Spule gebildet ist, anzulegen. Je nach Ausgestaltung der primärseitigen Schwingkreise kann die Frequenz der angelegten Spannung entweder konstant sein oder in verschiedenen Zeitintervallen verschieden gewählt werden. Durch die Kopplung der Pickup-Spule mit einem oder mehreren primärseitigen Schwingkreisen bzw. deren Induktivitäten, verändert sich die Impedanz des sekundärseitigen Schwingkreises bzw. der Pickup-Spule. Diese Impedanzänderung kann in kurzen zeitlichen Abständen fortwährend gemessen werden und von einer sekundärseitig angeordneten Positionsbestimmungseinrichtung zur Berechnung der Position der sekundärseitigen Anordnung relativ zur primärseitigen Anordnung verwendet werden. Dabei ist der Positionsbestimmungseinrichtung zumindest die relative Lage der primärseitigen Schwingkreise bzw. der Primärspulen zueinander bekannt. Zudem können in der Positionsbestimmungseinrichtung noch optional die Schwingkreiseigenschaften, wie z.B. Resonanzfrequenz oder Impedanz, etc., der primärseitigen Schwingkreise bekannt sein, so dass mit Hilfe dieser Informationen aufgrund der sich beim Rangieren des Fahrzeugs ändernden und gemessenen Impedanzänderung die Position des Fahrzeugs relativ zur primärseitigen Anordnung bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß steuert zudem eine primärseitig angeordnete Steuereinrichtung mindestens ein Schaltmittel an, mit dem zumindest einer der primärseitigen Schwingkreise durch Zuschalten oder Kurzschließen von Komponenten des Schwingkreises hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz beeinflußbar ist. Aufgrund der so einstellbaren unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der primärseitigen Schwingkreise koppeln diese jeweils unterschiedlich mit dem sekundärseitig mit einer bestimmten Frequenz gespeisten Sekundärschwingkreis. Sofern die Frequenz der sekundärseitigen Quelle periodisch verändert wird, wobei die jeweils gewählte Frequenz nach Möglichkeit auf die einzelnen Resonanzfrequenzen der mittels des mindestens einen Schaltmittels erzeugten primärseitigen Parallelschwingkreise abgestimmt sind, kann aufgrund der periodisch gemessenen Impedanzen bzw. Kopplungen die Distanz der Primärseitigen Anordnung zu den einzelnen primärseitigen Spulen bestimmt werden.
Anhand der berechneten relativen Lage der primärseitigen und sekundärseitigen Anordnung zueinander können dem Fahrzeugführer akustisch und/oder visuell Anweisungen oder Statusinformationen mitgeteilt und/oder angezeigt werden. So ist es möglich, die primärseitige Anordnung und das Fahrzeug mit seiner sekundärseitigen Anordnung visuell darzustellen, so dass der Fahrzeugführer allein aus dieser Information das Fahrzeug richtig positionieren kann. Auch können akustische Anweisungen von der Vorrichtung ausgegeben werden.
Beim Überfahren der primärseitigen Anordnung ändert sich laufend die Kopplung zwischen der sekundärseitigen Anordnung und den primärseitigen Schwingkreisen bzw. deren Spulen. Je mehr primärseitige Anordnungen vorhanden sind, desto besser kann die relative Position der sekundärseitigen Anordnung zur primärseitigen Anordnung bestimmt werden.
Sofern die sekundärseitige Anordnung gleichzeitig mit allen primärseitigen Schwingkreisen bzw. deren Spulen koppelt, ist das Bestimmen der relativen Lage komplex und evtl. nicht immer möglich.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn der sekundärseitige Schwingkreis jeweils nur mit einem primärseitigen Schwingkreis koppelt und die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung weiß, mit welchem primären Schwingkreis der sekundärseitige Schwingkreis gerade koppelt.
Um dies zu erreichen, kann z.B. durch eine primärseitig angeordnete Steuereinrichtung und mindestens ein von ihr angesteuertes Schaltmittel der Stromfluss durch die primärseitigen Schwingkreise beeinflusst werden, so dass zu jeder Zeit immer nur in einem Schwingkreis ein Strom fließen kann, welcher aufgrund der in die primärseitige Spule des jeweiligen Schwingkreises induzierten Spannung hervorgerufen wird. Nachfolgend wird der primärseitige Schwingkreis als „aktiv geschaltet“ bezeichnet, durch welchen aufgrund des bzw. der gesteuerten Schaltmittel ein Strom fließen kann. Die primären Schwingkreise, durch die aufgrund der entsprechenden Ansteuerung der Schaltmittel kein Strom fließen kann, werden als „passiv geschaltet“ bezeichnet.
Zusätzlich ist es notwendig, dass die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung Kenntnis darüber hat, welcher primärseitige Schwingkreis gerade „aktiv geschaltet“ ist und mit dem sekundärseitigen Schwingkreis koppelt, damit aus der gemessenen Impedanz die Entfernung zwischen dem Ort des jeweils „aktiv geschalteten“ primärseitigen Schwingkreises zum sekundärseitigen Schwingkreis bzw. zur sekundärseitigen Anordnung berechenbar ist.
Die primärseitig angeordnete Steuereinrichtung steuert das mindestens eine Schaltmittel vorteilhaft derart an, dass zeitlich nacheinander die einzelnen primärseitigen Schwingkreise „aktiv geschaltet“ sind. Dies kann z.B. durch Kurzschließen oder Auftrennen der primärseitigen Schwingkreise erfolgen, je nachdem, ob die primärseitigen Schwingkreise Parallel- oder Reihenschwingkreise sind. Bei Verwendung von primärseitigen Serienschwingkreisen zur Energieübertragung, muss das Schaltmittel den Serienschwingkreis kurzschließen, so dass die Kapazität(en) und Induktivität(en) des Serienschwingkreises einen Schwingkreis bilden, welcher dann mit dem sekundärseitigen Schwingkreis koppeln kann. Bei Verwendung von primärseitigen Parallelschwingkreisen muss das Schaltmittel den Parallelschwingkreis so lange auftrennen, wie keine Kopplung zwischen diesem primärseitigen Parallelschwingkreis und dem sekundärseitigen Schwingkreis erfolgen soll. Es ist aber auch möglich, dass bei Verwendung von primärseitigen Parallelschwingkreisen das Schaltmittel zur Entkopplung lediglich die primärseitige Spule des jeweiligen Schwingkreises kurzschließt.
Mittels der primärseitig angeordneten Steuereinrichtung kann nun die zeitliche Abfolge des „aktiv Schaltens“ und/oder Dauer des „aktiv Schaltens“ und somit die Dauer der Kopplung zwischen dem jeweils „aktiv geschalteten“ primärseitigen Schwingkreises und dem sekundärseitigen Schwingkreis vorgegeben werden. Auch kann die Dauer der Zeitintervalle zwischen den Kopplungsintervallen für die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung ein Hinweis darauf sein, welcher primärseitige Schwingkreis als nächstes „aktiv geschaltet“ wird oder zuvor „aktiv geschaltet“ war.
Sofern die primärseitige Anordnung erkennt, dass sich ein Fahrzeug nähert, kann die primärseitig angeordnete Steuereinrichtung beginnen, periodisch mittels des mindestens einen Schaltmittels die primärseitigen Schwingkreise nacheinander einzeln „aktiv zu schalten“.
Es ist ebenfalls möglich, eine primärseitige Anordnung zu verwenden, welche mindestens zwei in Reihe geschaltete Spulen sowie mindestens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die beiden Reihenschaltungen parallel geschaltet sind und somit einen Parallelschwingkreis bilden. Mittels mindestens einen Schaltmittels, kann der Parallelschwingkreis in zwei in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise umgewandelt werden, wobei durch entsprechende Wahl der einzelnen Induktivitäten der Spulen und einzelnen verwendeten Kapazitäten die beiden mittels des Schaltmittels in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Das sekundärseitig eingespeiste Signal ist bevorzugt ein Kleinsignal, d.h. ein oszillierendes Spannungssignal mit geringer Leistung. Hierdurch arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr energieeffizient. Die Primärseite kann mittels des in der Regel vorgesehenen Wechselrichters oder anderer Schaltmittel von der primärseitigen Quelle abgetrennt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nicht nur als Positionierungshilfe für einen Fahrzeugführer eines Kraftfahrzeuges, sondern auch für ein autonom einparkendes oder fahrendes Fahrzeug, verwendet werden.
Nachfolgend wird anhand von Schaltbildern die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:

1: Eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit im Bodenbereich angeordneter sekundärer Anordnung und darunter in der Fahrbahn angeordneter primärseitiger Anordnung mit zwei nebeneinander angeordneten Flachspulen;
2: Ersatzschaltbild für die in 1 dargestellte induktive Energieübertragungsanordnung;
3: schematische Darstellung für eine Anordnung mit vier primärseitigen in Quadranten angeordneten Flachspulen sowie einer sekundärseitigen Flachspule einer Pickup
4a: Ersatzschaltbild für eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4b: Zeitdiagramm für die in 3a dargestellte Ausführungsform;
5: Ersatzschaltbild für eine dritte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs F mit im Bodenbereich angeordneter sekundärer Anordnung SE. In der Fahrbahn ist die primärseitige Anordnung PR in Form der beiden primärseitigen Schwingkreise K_B und K_C angeordnet, wobei die beiden Spulen der primärseitigen Schwingkreise K_B und K_C als Flachspulen ausgebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind. Im Sinne der Erfindung müssen primärseitig mindestens zwei Flachspulen zweier Schwingkreise seitlich zueinander versetzt, insbesondere nebeneinander, angeordnet sein. Sofern primärseitig mehr als 2, insbesondere 4 oder mehr, Schwingkreise mit ihren Flachspulen angeordnet sind, desto genauer und auch in drei Dimensionen kann die Position des Fahrzeugs F relativ zur Primäranordnung bestimmt werden.
Gemäß dem ersten Grundgedanken der Erfindung ist nur jeweils ein primärseitiger Schwingkreis K_B , K_C in einem bestimmten Zeitintervall „aktiv“ geschaltet, d.h. nur jeweils in einem der primärseitigen Schwingkreise K_B , K_C kann ein Strom fließen, welcher aufgrund der Gegeninduktivität zu einer sekundärseitigen Impedanzänderung führt.
Gemäß des zweiten Grundgedankens der Erfindung können alle primärseitigen Schwingkreise K_B , K_C in einem bestimmten Zeitintervall „aktiv“ geschaltet sein, so dass in allen oder mehreren primärseitigen Schwingkreisen K_B , K_C ein Strom fließen kann, welcher aufgrund der Gegeninduktivität zu einer sekundärseitigen Impedanzänderung führt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weisen jedoch sämtliche primärseitigen Schwingkreise K_B , K_C unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, so dass die primärseitigen Schwingkreise K_B , K_C ebenfalls die sekundärseitige Impedanz unterschiedlich beeinflussen.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in 1 dargestellte induktive Energieübertragungsanordnung. Primärseitig sind die Schwingkreise K_B , K_C bis K_I angeordnet, die abhängig vom Abstand zur sekundärseitigen Spule L_A unterschiedlich mit der Sekundärseite koppeln, wobei mit k_AB , k_AC , ..., k_AI die Kopplungsfaktoren zwischen den einzelnen Spulenanordnungen bezeichnet sind. Mit A₁ , A₂ , B₁ , B₂ , C₁ , C₂ , ... , I₁ , I₂ sind die Anschlusspole der primärseitigen und der sekundärseitigen Spulen L_A , L_B , L_C , .. L_I bezeichnet. Die Schwingkreise sind jeweils durch die Spulen L_A , L_B , L_C , .. L_I und die Kondensatoren C_A , C_B , C_C , .. C_I gebildet. Mittels nicht dargestellter Schaltmittel können die primärseitigen Schwingkreise nacheinander „aktiv“ bzw. „passiv“ geschaltet werden, wobei im „aktiven“ Zustand ein Strom in dem jeweiligen Schwingkreis fließen kann und im „passiven“ Zustand kein Strom im Schwingkreis fließen kann.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung für eine Anordnung mit vier primärseitigen Anordnungen K_B , K_C , K_D , K_E , deren Flachspulen in einer Ebene und in vier verschiedenen Quadranten angeordnet sind. Die relative Lage und die Größe der primärseitigen Anordnungen K_B , K_C , K_D , K_E sind der Vorrichtung bekannt bzw. in deren Speicher abgelegt. Die primärseitigen Anordnungen K_B , K_C , K_D , K_E beeinflussen in Abhängigkeit von der Entfernung zu der Sekundäranordnung K_A die sekundärseitige Impedanz jeweils unterschiedlich groß aufgrund den von der Entfernung abhängigen Kopplungsfaktoren k_Ai . Mittels der sekundärseitigen Impedanzmessvorrichtung IM kann dann für jede Kopplung und damit für jede primärseitige Anordnung K_B , K_C , K_D , K_E die sekundärseitige Impedanz bestimmt werden. Durch das periodische Bestimmen der sekundärseitigen Impedanz kann auch deren zeitlicher Verlauf bestimmt werden. Da zu einer Zeit jeweils nur ein primärseitiger Schwingkreis „aktiv“ ist und gleichzeitig die übrigen Schwingkreise „passiv“ sind, und die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung den jeweils gemessenen Impedanzwert einem bestimmten primärseitigen Schwingkreis zuordnen kann, können somit die einzelnen Abstandsvektoren P_Ai relativ zueinander und/oder bestimmt werden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Auskunft darüber geben kann, in welcher Position sich das Fahrzeug F relativ zur primärseitigen Anordnung befindet. Somit sind, insbesondere akustische und/oder visuelle, Anweisungen oder Signale generierbar, die den Fahrer zur optimalen Platzierung des Fahrzeugs führen und/oder mittels derer sich das Fahrzeug automatisch in die optimale Position steuern lässt.
Die 4a zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild für eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die primärseitige Anordnung einen Serienschwingkreis aufweist, welcher durch die Kapazitäten C_B und C_C sowie die Spulen L_B und L_C gebildet ist. Die Spulen L_B und L_C sind in einer Ebene nebeneinander und/oder leicht überlappend angeordnet. Zur Energieübertragung wird der Serienschwingkreis verwendet, welcher mittels der Zuführleitungen 1, 2 mit dem Ausgang des Wechselrichters W_P verbunden ist. Zur Positionsbestimmung wird der Schalter S_M geschlossen. Hierdurch wird der zur Energieübertragung genutzte Serienschwingkreis C_B , C_C , L_B , L_C in zwei in Reihe geschaltete Serienschwingkreise K_B und K_C aufgespalten, wobei der Serienschwingkreis K_B durch die Kapazität C_B und die Spule L_B und Serienschwingkreis K_C durch die Kapazität C_C und die Spule L_C gebildet ist. Sofern die Schaltelemente S_B und S_C so angesteuert sind, dass sie nicht leitend geschaltet sind, sind die Serienschwingkreise K_B und K_C geöffnet, so dass in ihnen kein Strom fließen kann und die Spulen L_B , L_C keine Gegeninduktivitäten zum sekundären Schwingkreis K_A bilden. Durch entsprechendes Ansteuern können die Schaltelemente S_B und S_C wahlweise leitend oder sperrend geschaltet werden, so dass wahlweise einer der Serienschwingkreise K_B oder K_C oder beide gleichzeitig kurzgeschlossen sind. Durch das Kurzschließen kann dann ein Strom durch den/die entsprechenden Schwingkreis(e) fließen, womit die Impedanz des sekundären Schwingkreises durch die jeweils „aktiv“ geschaltete Kopplung k_AB bzw. k_AC beeinflusst wird. Zur Entkopplung der Serienschwingkreise K_B und K_C von der den Wechselrichter W_P speisenden und in 4a nicht dargestellten Quelle, sollten die übrigen Schaltelemente des Wechselrichters derart angesteuert werden, dass sie sperren.
Die Serienschwingkreise K_B und K_C können die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. In diesem Fall muss die übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung wissen, welcher primäre Serienschwingkreis K_B oder K_C gerade aktiv geschaltet ist und mit dem sekundären Schwingkreis K_A koppelt. Bei dieser Ausführungsform darf jeweils nur ein primärer Serienschwingkreis K_B oder K_C zu einer bestimmten zeit „aktiv“, d.h. kurzgeschlossen sind.
Es ist jedoch auch möglich, dass Serienschwingkreise K_B und K_C unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, wodurch die übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung allein aufgrund der hierdurch unterschiedlichen Kopplung ermitteln kann, mit welchem primären Serienschwingkreis K_B bzw. K_C der sekundäre Schwingkreis gerade koppelt. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, dass wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die primären Serienschwingkreise K_B und K_C abwechselnd „aktiv“ geschaltet werden und somit der sekundäre Schwingkreis K_A immer nur mit einem primären Serienschwingkreis K_B , K_C koppelt. Es ist jedoch auch möglich, dass beide primäre Serienschwingkreise K_B , K_C für die Dauer des Positionierungsvorganges dauerhaft „aktiv“ geschaltet sind. In diesem Fall kann über das Einstellen der Frequenz der Spannungsquelle U_S , welche abwechselnd auf die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der beiden primären Serienschwingkreise K_B , K_C abgestimmt ist, eine Detektion des jeweils am besten ankoppelnden primären Serienschwingkreises K_B bzw. K_C ermittelt werden, wobei dann über die Impedanzmessung bzw. den zeitlichen Impedanzverlauf die Abstandsvektoren P_Ai bestimmt werden können.
Der sekundäre Schwingkreis K_A , welcher durch die Kapazität C_A und die Spule L_A gebildet ist, wird durch die Kleinsignalquelle U_S mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Signal mittels des Verstärkers V verstärkt wird. Die am Ausgang des Verstärkers V anliegende Spannung sowie der Innenwiderstand R_i sind bekannt. Mittels der am Schwingkreis K_A abfallenden und gemessenen Spannung u_A kann über den Spannungsteiler die Impedanz des Schwingkreises K_A ermittelt werden.
Die 4b zeigt ein Zeitdiagramm für die in 4a dargestellte Ausführungsform. Die die Schaltelemente S_B und S_C ansteuernde Steuereinrichtung schaltet jeweils nur ein Schaltelement S_B oder S_C zu einer Zeit leitend, so dass nur der damit kurzgeschlossene Serienschwingkreis K_B bzw. K_C mit dem sekundären Schwingkreis K_A koppelt und dessen Impedanz Z = u_A/i_A beeinflusst. Wie in 4b dargestellt, können die Schaltelemente S_B und S_C periodisch nacheinander eingeschaltet werden.
Die 5 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Energieübertragungsvorrichtung primär einen Parallelschwingkreis K_Ü , gebildet durch die Induktivitäten der Spulen L_B , L_C und die hierzu parallel geschalteten Kapazitäten C_B , C_C , aufweist. Mittels des Schaltmittels SM kann der Parallelschwingkreis K_Ü in zwei in Reihe geschaltete Parallelschwingkreise K_B , K_C mit jeweils unterschiedlicher Resonanzfrequenz f_resB , f_resC aufgespalten werden. Die Spulen L_B und L_C sind in einer Ebene nebeneinander und/oder leicht überlappend angeordnet. Somit kann durch die aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der gebildeten Parallelschwingkreise K_B , K_C und die unterschiedlichen Orte der Spulen L_B und L_C eine Positionsbestimmung mittels der sekundärseitig vorgenommenen Impedanzmessung erfolgen.
Wie bereits erläutert, ist es bei der Verwendung von mindestens drei versetzt zueinander angeordneten primärseitigen Schwingkreisen möglich, die relative Lage, d.h. den Abstand in x-, y- und z-Richtung, der sekundärseitigen Anordnung SE zur primärseitigen Anordnung PR zu bestimmen. Es ist dann nicht nur möglich, die Entfernung in x- und y-Richtung, sondern auch die Höhe bzw. den Abstand (z-Richtung) der sekundärseitigen Anordnung SE über der Fahrbahnoberfläche bzw. der primärseitigen Anordnung PR zu ermitteln. Bei Kenntnis der Höhe bzw. des Abstandes kann deren Einfluss bei der weiteren Berechnung des Abstandes für die x- und y-Richtungen berücksichtigt bzw. kompensiert werden.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung (SE) eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) mindestens einen elektrischen Schwingkreis (K_A) aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen (K_B, K_C, K_D, K_E) der primärseitigen Anordnung (PR) elektromagnetisch koppelbar ist, wobei mittels einer sekundärseitigen Einspeisevorrichtung (U_S) ein Signal in den mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis (K_A) einspeisbar ist, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) eine Einrichtung (IM) zur Bestimmung der Impedanz (Z) und/oder zeitlichen Impedanzänderung des mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreises (K_A) aufweist, und anhand der ermittelten Impedanz (Z), der zeitlichen Impedanzänderung und/oder des Impedanzverlaufs eine übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung die relative Position (P) der sekundärseitigen Anordnung (SE) relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) bestimmt, und wobei eine primärseitig angeordnete Steuereinrichtung (ST) mindestens ein Schaltmittel (S_M, S_B, S_C) ansteuert, mit dem zumindest einer der primärseitigen Schwingkreise durch Zuschalten oder Kurzschließen von Komponenten des Schwingkreises hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz (fres) beeinflußbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen Schaltmittel (S_M, S_B, S_C) zumindest einer der primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E) kurzschließbar und /oder auftrennbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ST) das mindestens eine Schaltmittel (S_M, S_B, S_C) derart ansteuert, dass jeweils nur ein primärseitiger Schwingkreis (K_B, K_C, K_D, K_E) zur Zeit „aktiv geschaltet“ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im „aktiv geschalteten“ Zustand durch den jeweiligen primärseitigen Schwingkreis (K_B, K_C, K_D, K_E) ein Strom aufgrund einer in dessen Spule(n) (L_B, L_C) induzierten Spannung fließen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ST) die primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E) nacheinander, insbesondere in einer vorgegebenen Reihenfolge, „aktiv schaltet“, wobei die Reihenfolge für die Dauer der Positionierung eines Fahrzeuges fortwährend wiederholt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E) nacheinander für unterschiedlich lange Zeitintervalle (ΔTA_Ki) „aktiv geschaltet“ sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E) nacheinander für gleich lange Zeitintervalle (ΔTA) „aktiv geschaltet“ sind, wobei die Pausenintervalle (ΔTP_Ki) zwischen den aktiven Zuständen unterschiedlich lang sind, wobei die sekundärseitige Positionierungseinrichtung (PO) den zuvor aktiv geschalteten oder als nächstes aktiv geschalteten primärseitigen Schwingkreis (K_B, K_C, K_D, K_E) anhand des Pausenintervalls (ΔTP_Ki) erkennt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E) unterschiedliche Resonanzfrequenzen (f_resB, f_resC) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige Anordnung (PR) mehrere in Reihe geschaltete Spulen (L_B, L_C) und mehrere in Reihe geschaltete Kapazitäten (C_B, C_C) aufweist, wobei die beiden Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind, wobei mindestens ein Verbindungspunkt (3) zweier Spulen (L_B, L_C) mittels eines Schaltmittels (S_M) mit einem Verbindungspunkt (4) zweier Kondensatoren (C_B, C_C) wahlweise verbindbar ist, wobei die bei geschlossenem Schaltmittel (S_M) erzeugten und in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise (K_B, K_C) unterschiedliche Resonanzfrequenzen (f_resB, f_resC) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisevorrichtung (U_S) die Frequenz des eingespeisten Signals, insbesondere eine Wechselspannung, periodisch ändert, insbesondere die Frequenz in zeitlicher Abfolge nacheinander an die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (f_resB, f_resC) der in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise (K_B, K_C) derart anpasst, dass sich jeweils eine besonders gute Kopplung zu dem jeweiligen Parallelschwingkreis (K_B, K_C) ergibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die Reihenfolge der aktiv geschalteten primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C, K_D, K_E), die Zeitintervalle (ΔTA_Ki) und/oder die Pausenintervalle (ΔTP_Ki) gespeichert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die Resonanzfrequenzen (f_resB, f_resC) der primärseitigen Schwingkreise (K_B, K_C) gespeichert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die relative Lage der Spulen (L_B, L_C, L_D, L_E) der primärseitigen Schwingkreise gespeichert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Höhe der sekundärseitigen Einrichtung (SE) über der Fahrbahnoberfläche oder über der primärseitigen Anordnung (PR) bzw. deren Spulen (L_B, L_C, L_D, L_E) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtung (PO) die ermittelte Höhe bei der Berechnung der Abstandsvektoren P_Ai und/oder der Kopplungsfaktoren k_Ai berücksichtigt.