DE102014109944A1

DE102014109944A1 - Induktives Energieübertragungssystem mit mehrphasigem Primärkreis

Info

Publication number: DE102014109944A1
Application number: DE102014109944.3A
Authority: DE
Inventors: Faical Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2016008663A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Primäranordnung (1) eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Primäranordnung mindestens zwei erste elektrische Leiter (La, Lb, Lc) aufweist, die jeweils Bestandteil von ersten elektrischen Schwingkreisen (Sa, Sb, Sc) sind, und Spulenwicklungen bilden, welche mäanderförmig oder entsprechend eines Rechteckspannungsverlaufes in Fahrtrichtung (F) verlegt sind und jeweils quer zur Fahrtrichtung (F) angeordnete Leiterabschnitte (Laq, Lbq, Lcq) aufweisen, wobei die ersten elektrischen Leiter (La, Lb, Lc) der Schwingkreise (Sa, Sb, Sc) von ihren Abmessungen und ihrer Verlegung gleich ausgebildet sind, jedoch in Fahrtrichtung (F) um eine Länge (L) zueinander verschoben angeordnet sind, und dass die durch die Schwingkreise (Sa, Sb, Sc) fließenden Ströme (Ia, Ib, Ic) zueinander, insbesondere um 90° oder 120°, elektrisch phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäranordnung mindestens einen weiteren Leiter (Ld, Ld') aufweist, der Bestandteil eines weiteren Schwingkreises (Sd) ist, wobei der weitere Leiter (Ld) mindestens einen in Fahrtrichtung (F) verlegten geraden Hinleiter (LdH, Ld'H) und mindestens einen parallel dazu angeordneten geraden Rückleiter (LdR, Ld'R) aufweist, und dass eine Phaseneinstelleinrichtung (PI) die Phasenverschiebung (φ) zwischen dem durch die weitere Leiterschleife (Ld) erzeugten und in einer Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) und dem durch die Ströme (Ia, Ib, Ic) erzeugten und ebenfalls in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Gesamtflusses (Φges = Φa + Φb + Φc), insbesondere auf 90°, einstellt oder regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Primäranordnung eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Primäranordnung mindestens zwei elektrische Leiter aufweist, die Bestandteil von elektrischen Schwingkreisen sind, und welche mäanderförmig oder entsprechend eines Rechteckspannungsverlaufes in Fahrtrichtung verlegt sind und jeweils quer zur Fahrtrichtung angeordnete Leiterabschnitte aufweisen, wobei die beiden elektrischen Leiter der beiden Schwingkreise von ihren Abmessungen und ihrer Verlegung gleich ausgebildet sind, jedoch in Fahrtrichtung um eine Länge zueinander verschoben angeordnet sind, und dass die durch die beiden Schwingkreise fließenden Ströme zueinander, insbesondere um 90°, elektrisch phasenverschoben sind.
Aus WO2011/145953 A1 ist eine gattungsgemäße Primäranordnung bekannt, welche in 1 dargestellt ist, und bei der zwei mäanderförmig verlegte Leiterschleifen LSa und LSb, bestehend jeweils aus den Hinleitern La_H und Lb_H, welche am Endpunkt E mit dem jeweils zugehörigen Rückleiter La_R bzw. Lb_R verbunden sind, in Fahrtrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Die Hinleiter La_H, Lb_H und die Rückleiter La_R, Lb_R weisen jeweils quer zur Fahrbahnlängserstreckungsrichtung F angeordnete Leiterabschnitte La_Q und Lb_Q auf, die durch in Fahrbahnrichtung F verlaufende Leiterabschnitte La_L und Lb_L miteinander verbunden sind. Die durch die beiden Leiterschleifen LSa und LSb fließenden elektrischen Ströme i_a und i_b sind um 90° zueinander phasenverschoben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Primäranordnung mit einer hohen Leistungsdichte und magnetisch entkoppelten Kreisen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Primäranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung dient ein weiterer Leiter bzw. eine weitere Leiterschleife, welche in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht oder parallel zur Fahrbahnoberfläche ausgerichtet ist, zur Bildung einer weiteren Spule. Diese Spule soll einen in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Fluss generieren, welcher senkrecht zum durch die ersten Leiter bzw. ersten Spulenanordnungen erzeugten in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Gesamtflusses Φ_ges ist. Der weitere Leiter bzw. die weitere Spulenanordnung erzeugt einen in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Fluss Φ_d der um 90° phasenverschoben zum in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Gesamtfluss Φ_ges eingestellt bzw. geregelt wird, wodurch sich der weitere Leiter bzw. die weitere Spulenanordnung ebenfalls zur Energieübertragung nutzen lässt. Da die magnetischen in der Sekundäranordnung fließenden Flüsse Φ_ges und Φ_d orthogonal zueinander ausgerichtet sind, beeinflussen sich die von diesen magnetischen Flüssen induzierten sekundärseitigen Spannungen nicht gegenseitig. Die Primärseitige Anordnung kann somit sowohl zur induktiven Energieübertragung mit einer sekundärseitigen Spulenanordnung zusammenwirken, welche ein- oder mehrphasig ausgebildet ist. So kann die sekundärseitige Pickup als normale Solenoid-Spule mit einer oder mehreren Phasen ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die sekundärseitige Spulenanordnung eine Quadropol-Spulenanordnung mit mehreren Spulenfelder ist.
Sofern im Folgenden von magnetischen Flüssen gesprochen wird, so sind hiermit die in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Flüsse gemeint, welche abhängig von der relativen Lage der Sekundäranordnung zur Primäranordnung sind.
Mit der erfindungsgemäßen Primäranordnung lässt sich ein induktives Energieübertragungssystem mit einer vorteilhaft hohen Leistungsdichte realisieren, wobei aufgrund der magnetisch entkoppelten Kreise Φ_ges und Φ_d ein einfacher Abgleich möglich ist.
Im Gegensatz zu den ersten Leitern, welche mäanderförmig verlegt sind, ist der weitere Leiter bzw. die weitere Leiterschleife durch gerade entlang der Fahrbahnlängserstreckung verlaufende Leiterabschnitte gebildet, die als Hin- und Rückleiter bezeichnet werden können, wobei Hinleiter und Rückleiter in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Bei der Ausführungsform, bei der die Hinleiter und Rückleiter übereinander angeordnet sind, ist deren Abstand zueinander so zu wählen, dass das Magnetfeld des unteren Leiters nicht mit der sekundären Energieübertragungseinrichtung, welche sich oberhalb der Fahrbahnoberfläche befindet bzw. bewegt, koppelt.
Für eine magnetische Entkopplung der durch die ersten Leiter erzeugten Magnetfeldes und des durch die weitere Leiterschleife bzw. Spulenanordnung erzeugten Magnetfeldes ist es notwendig, dass die Phase des durch die weitere Leiterschleife bzw. Spulenanordnung erzeugten magnetischen Flusses Φ_d senkrecht bzw. 90° zur der Phase des magnetischen Gesamtflusses Φ_ges ausgerichtet ist, welcher durch die durch die ersten Leiter bzw. Spulenanordnungen fließenden elektrischen Ströme erzeugt wird. Damit die Primärseite Kenntnis von der Phasenlage des Gesamtflusses hat, werden die Amplituden der den magnetischen Gesamtfluss hervorrufenden Primärströme gemessen. Aus den Amplituden P_a,b,c kann die Phasenlage φ(Φ_ges) des magnetischen Gesamtflusses Φ_ges = Φ_a + Φ_b + Φ_c berechnet werden. Mit φ(Φ_ges) + 90° erhält man die benötigte Phasenlage φ(Φ_d) des durch den weiteren Leiter bzw. die weitere Spulenanordnung zu generierenden magnetischen Flusses Φ_d und damit auch die Phasenlage des durch den weiteren Leiter bzw. die weitere Spulenanordnung zu fließenden Sollstromes id.
Die Phasenlage des in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Gesamtflusses Φges = Φa + Φb + Φc und/oder der durch den Gesamtfluss induzierten sekundärseitgen Spannung U_ges,ind kann auch von der Sekundäranordnung ermittelt und an die Primäranordnung übermittelt werden, so dass anhand dieser übermittelten Daten die Phaseneinstelleinrichtung die Soll-Phasenlage des in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Flusses Φd einstellen oder einregeln kann.
Auch kann die Phaseneinstelleinrichtung die Phasenlage des in der Sekundäranordnung zu fließenden magnetischen Flusses Φd in Abhängigkeit der Rückwirkung der Sekundäranordnung auf die Primäranordnung einstellen bzw. einregeln. Eine messbare Rückwirkung ergibt sich durch die transienten Vorgänge der sekundärseitigen Gleichrichterelemente, welche insbesondere höherfrequente, primärseitig induzierte Spannungen hervorgerufenen. Diese können z. B. mittels eines Hochpassfilters herausgefiltert und zur Steuerung bzw. Regelung der Phasenlage von Φd genutzt werden.
Sofern die Primäranordnung lediglich zwei erste Leiter bzw. Spulenanordnungen A und B aufweist, reicht es prinzipiell aus, lediglich die Amplituden der Phasenleistungen P_a,b zu ermitteln. Durch das Verhältnis des gemessenen Phasenleistungen P_a,b kann die Phasenlage des in der Sekundäranordnung fließenden magnetische Gesamtflusses Φ_ges ermittelt werden.
Die ersten elektrischen Leiter, welche in einer Ebene verlegt sind, welche parallel zur Fahrbahnoberfläche ist, bilden Leiterschleifen mit mindestens einer, insbesondere mehreren Windungen, die jeweils durch einen mäanderförmigen oder entsprechend einer Rechteckspannung verlaufenden Hinleiter und einen sich entgegen der Fahrtrichtung erstreckenden entsprechend des Hinleiters geformten elektrischen Rückleiter gebildet sind. Hinleiter und Rückleiter sind dabei am vom Speisepunkt der Leiterschleife entferntesten Ort miteinander verbunden, wobei ein Hinleiter und ein Rückleiter aus mehreren gegeneinander isolierten Leitern bzw. Litzen bestehen kann, welche die einzelnen Windungen bilden.
Vorteilhaft weisen die Hin- und Rückleiter jeweils quer zur Fahrtrichtung der Fahrbahn angeordnete, insbesondere im Wesentlichen gerade, Leiterabschnitte auf, die durch in Fahrbahnrichtung verlaufende, ebenfalls überwiegend gerade Leiterabschnitte miteinander verbunden sind. Die quer zur Fahrbahnrichtung angeordneten Leiterabschnitte bilden dabei zusammen mit den in Fahrbahnrichtung verlaufenden Leiterabschnitten einer Leiterschleife nebeneinander angeordnete Ringstromschleifen. Dabei sind immer ein quer angeordneter Leiter des Hinleiters und der Rückleiters eng zusammen angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen.
Die Ringstromschleifen haben eine Breite AB, welche durch den Abstand der quer zur Fahrbahnrichtung angeordneten Leiterabschnitte bestimmt ist. Die Hinleiter der beiden ersten elektrischen Leiter sind dabei vorteilhaft um die Versatzlänge L in Fahrbahnrichtung gegeneinander verschoben angeordnet.
Sofern die ersten Leiter lediglich ein zweiphasiges System bilden, ist die Versatzlänge gleich der Hälfte des Abstandes AB der quer zur Fahrbahnrichtung angeordneten Leiterabschnitte ist (L = AB/2). Die durch die beiden Phasen A und B fließenden elektrischen Ströme sind dabei um 90° elektrisch zueinander phasenverschoben.
Sofern die ersten Leiter ein dreiphasiges System bilden, ist die Versatzlänge gleich einem Drittel des Abstandes AB der quer zur Fahrbahnrichtung angeordneten Leiterabschnitte ist (L = AB/3). Die durch die drei Phasen A, B und C fließenden elektrischen Ströme sind dabei um 120° elektrisch zueinander phasenverschoben.
Die Leiter der Primäranordnung sind jeweils Bestandteil eines elektrischen Serien- oder Parallelschwingkreises, bestehend jeweils aus den elektrischen Leitern und zusätzlichen Kapazitäten, sofern nicht bereits durch die Leiteranordnung die notwendige Kapazität gebildet ist.
Anstatt die Hin- und Rückleiter des weiteren Leiters bzw. der weiteren Spulenanordnung übereinander in der Fahrbahn anzuordnen, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform auch möglich, Hin- und Rückleiter nebeneinander in einer Ebene parallel zur Fahrbahnoberfläche anzuordnen. Dabei kann die durch den weiteren Leiter gebildete Spulenanordnung z. B. die Form einer langgestreckten Acht aufweisen. Diese Spulenanordnung kann zwei außenliegende und zueinander beabstandete und sich entlang der Fahrbahnlängserstreckung erstreckende Leiter, welche auch als Hinleiter bezeichnet werden können, aufweisen, zwischen und parallel zu denen eng beieinander liegende Rückleiter, angeordnet sind. Die Hinleiter sind dabei durch gleichsinnige Ströme durchflossen. Ebenso sind die Rückleiter durch gleichsinnige Ströme durchflossen.
Da die Primäranordnung zur Energieübertragung längs einer Fahrbahn ausgebildet ist, ist es im Sinne der Erfindung, mehrere der erfindungsgemäßen Primäranordnungen hintereinander in Fahrbahnlängserstreckungsrichtung anzuordnen. Die einzelnen Leiter der Primäranordnungen werden mittels elektrischer Schaltvorrichtungen, welche insbesondere durch Wechselrichter gebildet sind, mit einer Spannungs- oder Stromversorgungseinrichtung verbunden, wobei mittels der Wechselrichter ein Energietransfer von der Versorgungseinrichtung hin zu Sekundäreinrichtung erfolgt. Es ist jedoch ebenso möglich, dass ein Energietransfer von der Sekundäreinrichtung, und damit dem Fahrzeug, in Richtung primärer Versorgungseinrichtung erfolgt.
Nachfolgend wird anhand von Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1: Zweiphasige Primäranordnung gemäß des Standes der Technik;
2: erste mögliche Ausführungsform einer dreiphasigen erfindungsgemäßen Primäranordnung;
3: Phasenlagen der magnetischen Flüsse, welche durch die durch die drei Leiter fließenden elektrischen Ströme erzeugt werden;
4: Zeigerdiagramm der elektrischen Ströme und magnetischen Flüsse bei einem dreiphasigen System gemäß 2;
5: Energieübertragungssystem mit mehreren in Fahrbahnrichtung hintereinander angeordneten Primäranordnungen zur kontinuierlichen Energieübertragung auf mindestens ein die Fahrbahn befahrendes Fahrzeug.
6: Querschnitt durch eine Fahrbahn quer zur Fahrbahnlängserstreckung;
7: Querschnitt durch eine Fahrbahn quer zur Fahrbahnlängserstreckung gemäß 6 mit einem den Hin- und Rückleiter des dritten Leiters auf Abstand haltenden Abstandselementes;
8: vierphasige Primäranordnung;
9: Zeigerdiagramm für die in 8 dargestellte vierphasige Primäranordnung;
10: weitere mögliche Ausführungsform einer vierphasigen Primäranordnung;
11: Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Fahrbahn mit darauf befindlichem Fahrzeug und einer in der Fahrbahn gemäß 10 ausgebildeten Primäranordnung.
Die 2 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform einer dreiphasigen erfindungsgemäßen Primäranordnung, welche die Phasen A, B und D aufweist. Die drei Phase A, B und D sind durch die Leiterschleifen LSa, LSb und LSd gebildet, die sich entlang einer Fahrbahn in Fahrbahnrichtung F erstrecken. Jede Leiterschleife kann dabei mehr als eine Windung aufweisen. Die Phasen A und B sind entsprechend der in 1 dargestellten Phasen A und B ausgebildet, wobei die Leiterschleifen LSa und LSb durch mäanderförmig verlegte Hinleiter La_H, Lb_H und ebenfalls mäanderförmig verlegte Rückleiter La_R, Lb_R gebildet sind, welche am vom Speisepunkt SP entfernten Ende E miteinander verbunden sind.
Die Hin- und Rückleiter La_H, Lb_H und La_R, Lb_R weisen jeweils quer zur Fahrbahnlängserstreckungsrichtung F angeordnete Leiterabschnitte La_Q und Lb_Q auf, die durch in Fahrbahnrichtung F verlaufende Leiterabschnitte La_L und Lb_L miteinander verbunden sind. Die quer zur Fahrbahnlängserstreckung F angeordneten Leiterabschnitte La_Q, Lb_Q bilden zusammen mit den in Fahrbahnlängserstreckungsrichtung F verlaufenden Leiterabschnitten La_L, Lb_L der jeweils zugehörigen Leiterschleife LSa, LSb in Fahrbahnlängserstreckung F nebeneinander angeordnete Ringstromschleifen S_i bilden, welche Fahrbahnlängserstreckung F eine Breite AB aufweisen. Die Leiterschleife LSa, LSb sind in Fahrbahnlängserstreckung F um die Länge L zueinander versetzt angeordnet, wobei L gleich AB/2 ist.
Die weitere Leiterschleife LSd ist durch den sich in Fahrbahnlängserstreckung F erstreckenden Hinleiter LdH und den dazu parallel und im Abstand A angeordneten Rückleiter Ld_R gebildet, wobei Hin- und Rückleiter am Endpunkt E miteinander elektrisch verbunden sind. Auch die Leiterschleife LSd kann mehr als eine Windung aufweisen. Der Hinleiter Ld_H ist oberhalb des Rückleiters LdR in der Fahrbahn angeordnet. Der Abstand A ist vorteilhaft so zu wählen, dass das vom Rückleiter LdR erzeugte Magnetfeld nicht mit der sekundärseitigen Anordnung des Energieübertragungssystems koppelt.
Die 3 zeigt die in der Sekundäranordnung fließenden magnetischen Flüsse Φa, Φb, Φa + Φb und Φd, welche durch die durch die drei Leiterschleifen LSa, LSb, LSd fließenden elektrischen Ströme i_a, i_b und i_c hervorgerufen werden. Eine Phaseneinstelleinrichtung stellt dabei die Phasenlage des Stromes i_d relativ zu den Phasenlagen der Ströme i_a und i_b so ein, dass der magnetische Gesamtfluss Φges = Φa + Φb um einen Winkel von 90° zum magnetischen Fluss Φd phasenverschoben ist.
Die 4 zeigt das zu 3 zugehörige Zeigerdiagramm der elektrischen Ströme i_a, i_b und i_c und magnetischen Flüsse Φa, Φb, Φa + Φb und Φd.
Die erzeugten magnetischen Flüsse Φa, Φb und Φd sind jeweils in Phase zu den sie erzeugenden Strömen i_a, i_b und i_d. Der von der Phaseneinstelleinrichtung einzustellende Winkel φ_d ergibt sich aus dem Phasenwinkel φ_a+b = Φ_ges zuzüglich 90° und lässt sich zum Beispiel aus den Amplituden der Phasenleistungen P_a und P_b ermitteln. Wie bereits oben beschrieben, kann die Sekundäranordnung auch der Primäranordnung den Phasenwinkel Φ_ges übermitteln, wobei dies über die Messung der durch den Gesamtfluss in der Sekundäranordnung induzierten Spannung U_ges,ind erfolgen kann. Ebenso kann der Phasenwinkel Φ_ges primärseitig über die Rückwirkungen der Sekundäranordnung auf die Primäranordnung ermittelt werden. Hier können z. B. die transienten Vorgäng des sekundärseitigen Gleichrichters genutzt werden, welche hochfrequente Spannungsänderungen primärseitig induzieren, die z. B. mittels eines Hochpassfilters herausfilterbar und zur Steuerung bzw. Regelung des Soll-Winkels φ_d nutzbar sind.
Die 5 zeigt ein Energieübertragungssystem mit mehreren in Fahrbahnrichtung F hintereinander angeordneten Primäranordnungen 1 zur kontinuierlichen Energieübertragung auf mindestens ein die Fahrbahn FB befahrendes Kraftfahrzeug Kfz. Das stationäre Energieübertragungssystem weist eine sich entlang der Fahrbahnrichtung F erstreckende Energieversorgungsleitung 3 auf, die eine erste Versorgungseinheit 4 speist. Mittels der elektrischen Schaltvorrichtungen 5 fließen wahlweise in den in der Fahrbahn FB in Fahrtrichtung F hintereinander verlegten Primärleiteranordnungen 1, 1' elektrische Ströme zur Erzeugung der magnetischen Flüsse, die wiederum in den Pickups 2 des Fahrzeuges Kfz Spannungen induzieren, die zur Versorgung z. B. einer nicht dargestellten Batterie oder Antriebes des Fahrzeuges Kfz genutzt werden.
Die 6 zeigt den Querschnitt A-A durch die Fahrbahn FB gemäß 2 mit einem darauf befindlichen Fahrzeug Kfz. In der Fahrbahn FB ist die erfindungsgemäße Primäranordnung 1 angeordnet, welche die beiden ersten Leiterschleifen LSa und LSb sowie die weitere Leiterschleife LSd umfasst. Die beiden ersten Leiterschleifen LSa und LSb bilden die Phasen A und B und sind in der Ebene EB₁ parallel zur und unter der Fahrbahnoberfläche Fo angeordnet. Die beiden ersten Leiterschleifen LSa und LSb sind durch die Hinleiter La_H und Lb_H sowie die Rückleiter La_R und Lb_R gebildet. Die weitere Leiterschleife LSd ist durch den Hinleiter Ld_H und den Rückleiter Ld_R gebildet, wobei der Hinleiter Ld_H oberhalb des Rückleiters Ld_R in einer Ebene EB angeordnet ist, welche senkrecht zur Fahrbahnoberfläche Fo und mittig zu den beiden ersten leiterschleifen LSa und LSb angeordnet ist. Der Hinleiter Ld_H erzeugt dabei das Magnetfeld Md welches von der Ferritanordnung 2a der Pickup 2 eingefangen wird und in der Spulenwicklung bzw. den Spulenwicklungen 2b der Pickup 2 eine Spannung induziert. Die Pickup 2 ist unterhalb des Fahrzeuges Kfz bzw. im Fahrzeugboden angeordnet bzw. integriert. Die Abschirmung 2c schirmt die Pickup 2 gegenüber dem Fahrzeug 1 ab, wobei die Abschirmung 2c auch in der Pickup 2 selbst angeordnet sein kann. Das Magnetfeld des unteren Rückleiters Ld_R ist nicht dargestellt, da es aufgrund des hinreichend groß gewählten Abstandes A nicht mit der Pickup 2 zusammenwirkt. Die von den Leiterschleifen LSa und LSb erzeugten Magnetfelder sind ebenfalls nicht dargestellt.
Der Abstand A darf jedoch nicht zu groß gewählt werden, damit die durch die Leiterschleife LSd bzw. durch die Hin- und Rückleiter Ld_H und Ld_R gebildete Induktivität nicht zu groß wird und die Stärke des seitlichen Magnetfeldes nicht die zulässigen Grenzwerte überschreitet.
Jede Leiterschleife LSa, LSb, LSd ist mittels der in 5 dargestellten elektrischen Schaltvorrichtungen oder Einrichtungen 4, 5 mit der Versorgungsleitung 3 verbindbar.
Die Begriffe Hinleiter und Rückleiter sind derart zu verstehen, dass der Hinleiter von der ersten Anschlussklemme A1, B1, C1, D1, welche beim Speisepunkt SP angeordnet ist, hin zum entferntesten Ende E verläuft, wohingegen sich der Rückleiter vom Ende E zurück zur zweiten Anschlussklemme A2 beim Speisepunkt erstreckt.
Der obere Hinleiter Ld_H wird vorteilhaft unterhalb der Fahrbahnoberfläche F_o der Fahrbahn FB angeordnet. Es ist auch möglich, dass der Hinleiter Ld_H in der obersten Fahrbahnschicht angeordnet ist.
Die 7 zeigt eine konkretere Ausgestaltung der Primäranordnung gemäß 6, bei der die weitere Leiterschleife LSd in einem senkrecht in die Fahrbahnmitte eingebrachten Schlitz S angeordnet ist, wobei der Hinleiter Ld_H und der Rückleiter Ld_R mittels eines Abstandselemente AE auf Abstand gehalten sind. Selbstverständlich ist es möglich, dass zumindest die Leiter der weiteren Leiterschleife LSd in dem Schlitz unmittelbar eingegossen sind oder in einem Gehäuse G angeordnet sind, welches zum Beispiel durch eine Vergussmasse gebildet oder mittels einer Vergussmasse ausgefüllt sein kann. Das Gehäuse kann in den zuvor ausgearbeiteten Schlitz S vorgefertigt mit den elektrischen Leitern und dem Abstandselement eingebracht werden. Sofern die Leiter in einer Vergussmasse eingegossen sind, kann auch auf das Abstandselement verzichtet werden.
Die 8 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Primäranordnung, welche vier Phasen A, B, C und D aufweist. Die drei ersten Phasen A, B, C erzeugen mittels der die drei Leiterschleifen LSa, LSb und LSc durchfließenden Ströme i_a, i_b und ic, welche jeweils 120° zueinander phasenverschoben sind, ein dreiphasiges Magnetfeld mit einem magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb + Φc
Die einzelnen Leiterschleifen LSa, LSb und LSc sind genauso ausgebildet, wie die ersten Leiterschleifen LSa und LSb gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform, jedoch um die Länge L = AB/3 zueinander in Fahrbahnrichtung F verschoben.
Die weitere Leiterschleife LSd ist konstruktiv identisch und elektrisch gleichwirkend zu der weiteren Leiterschleife LSd der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei lediglich, wie im Zeigerdiagramm der 9 gezeigt, die Phasenlage des Stromes i_d derart eingestellt wird, dass der magnetische Fluss Φd möglichst genau 90° phasenverschoben zum magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb + Φc ist und somit die durch den magnetische Fluss Φd induzierte Sekundärspannung U_d,ind ebenfalls um 90° phasenverschoben zu der vom magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb + Φc induzierten sekundären Spannung U_ges,ind ist. Die beiden induzierten Sekundärspannungen U_d,ind und U_ges,ind sind somit vorteilhaft voneinander entkoppelt.
Die 10 und 11 zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform einer Primäranordnung 1 die zwei erste Leiterschleifen LSa und LSb aufweist, welche einen magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb erzeugt, welcher sekundärseitig die Spannung U_ges,ind induziert. Die vierte Phase D ist durch sich in Fahrbahnrichtung F erstreckende gerade Hin- und Rückleiter Ld_H und Ld_R gebildet, wobei diese in einer Ebene EB angeordnet sind, welche parallel zur Fahrbahnoberfläche Fo und parallel zur Ebene EB₁, in der die Leiter der beiden ersten Phasen A und B angeordnet sind, angeordnet ist. Die Leiterschleife LSd ist in Form einer langgestreckten Acht angeordnet. Ein erster Hinleiter Ld_H erstreckt sich ausgehend von der Anschlussklemme D1 hin zum Ende E auf der rechten Seite der Primäranordnung 1, wobei er ungefähr unterhalb der rechten Leiterabschnitte La_L und Lb_L verläuft. Am Ende E wird er umgelenkt und wird zum Rückleiter Ld_R, welcher sich bis zum Speisepunkt SP ungefähr in der Mitte der Primäranordnung 1 erstreckt. Dort wird er wieder umgelenkt und verläuft als zweiter Hinleiter Ld'_H auf der linken Seite der Primäranordnung 1 wieder zum Ende E, wo er wiederum umgelenkt und zum zweiten Rückleiter Ld'_R wird, welche zurück zum Speisepunkt und der zweiten Anschlussklemme D2 verläuft. Wie bereits oben dargelegt, kann die Leiterschleife LSd mehr als eine Windung aufweisen, wobei dann der zweite Rückleiter Ld'_R erst am Ende der letzten Windung mit der zweiten Anschlussklemme D2 verbunden ist und bei allen vorherigen Windungen erneut umgelenkt und wieder zum ersten Hinleiter Ld_H wird. Die Rückleiter Ld_R und Ld'_R liegen, wie in den 10 und 11 dargestellt mittig zwischen den außen angeordneten Hinleitern Ld_H und Ld'_H. Auch bei dieser vierphasigen Primäranordnung 1 wird der Phasenwinkel φd des magnetischen Flusses Φd derart eingestellt, dass er möglichst genau 90° phasenverschoben zum magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb ist und somit die durch den in der Sekundäranordnung fließenden magnetische Fluss Φd induzierte Sekundärspannung U_d,ind ebenfalls um 90° phasenverschoben zu der vom magnetischen Gesamtfluss Φges = Φa + Φb induzierten sekundären Spannung U_ges,ind ist.
Es versteht sich von selbst, dass die in den 10 und 11 dargestellte Ausführungsform um eine vierte Phase C erweitert werden kann, wobei dann die ersten drei Phasen A, B und C jeweils elektrisch um 120° zueinander phasenverschoben und ihre Leiterschleifen LSa, LSb und LSc mechanisch in Fahrbahnrichtung F um L = AB/3 statt um L = AB/2 zueinander verschoben angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/145953 A1 [0002]

Claims

Primäranordnung (1) eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Primäranordnung mindestens zwei erste elektrische Leiter (La, Lb, Lc) aufweist, die jeweils Bestandteil von ersten elektrischen Schwingkreisen (Sa, Sb, Sc) sind, und Spulenwicklungen bilden, welche mäanderförmig oder entsprechend eines Rechteckspannungsverlaufes in Fahrtrichtung (F) verlegt sind und jeweils quer zur Fahrtrichtung (F) angeordnete Leiterabschnitte (La_q, Lb_q, Lc_q) aufweisen, wobei die ersten elektrischen Leiter (La, Lb, Lc) der Schwingkreise (Sa, Sb, Sc) von ihren Abmessungen und ihrer Verlegung gleich ausgebildet sind, jedoch in Fahrtrichtung (F) um eine Länge (L) zueinander verschoben angeordnet sind, und dass die durch die Schwingkreise (Sa, Sb, Sc) fließenden Ströme (Ia, Ib, Ic) zueinander, insbesondere um 90° oder 120°, elektrisch phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäranordnung mindestens einen weiteren Leiter (Ld, Ld') aufweist, der Bestandteil eines weiteren Schwingkreises (Sd) ist, wobei der weitere Leiter (Ld) mindestens einen in Fahrtrichtung (F) verlegten geraden Hinleiter (Ld_H, Ld'_H) und mindestens einen parallel dazu angeordneten geraden Rückleiter (Ld_R, Ld'_R) aufweist, und dass eine Phaseneinstelleinrichtung (P_I) die Phasenverschiebung (φ) zwischen dem durch die weitere Leiterschleife (Ld) erzeugten und in einer Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) und dem durch die Ströme (Ia, Ib, Ic) erzeugten und ebenfalls in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Gesamtflusses (Φges = Φa + Φb + Φc), insbesondere auf 90°, einstellt oder regelt.
Primäranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseneinstelleinrichtung (P_I) die Phasenlage des in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) in Abhängigkeit der abgegebenen Phasenleistungen (P_A, P_B, P_C) und/oder in Abhängigkeit von der relativen Position (POS_Pickup) der Sekundäranordnung (2), insbesondere in Form einer Pickup (3), zur Primäranordnung (1), einstellt.
Primäranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundäranordnung der Primäranordnung die aktuelle Phasenlage des in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) und/oder des in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Gesamtflusses (Φges = Φa + Φb + Φc) und/oder die Phasenlage von U_d,ind und/oder U_ges,ind übermittelt und die Phaseneinstelleinrichtung (P_I) anhand der übermittelten Daten die Soll-Phasenlage des in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) einstellt oder regelt.
Primäranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseneinstelleinrichtung (P_I) die Phasenlage des in der Sekundäranordnung (2) fließenden magnetischen Flusses (Φd) in Abhängigkeit von der Rückwirkung der Sekundäranordnung einstellt, insbesondere anhand der durch die transienten Vorgänge der sekundärseitigen Gleichrichterelemente hervorgerufenen, insbesondere höherfrequenten, primärseitig induzierten Spannungen.
Primäranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinleiter (Ld_H) oberhalb des Rückleiter (Ld_R) und in einem Abstand (A) zu diesem angeordnet ist.
Primäranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (La, Lb, Lc, Ld) Leiterschleifen (LSa, LSb, LSc, LSd) bilden.
Primäranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (LSa, LSb, LSc, LSd) jeweils durch einen mäanderförmigen oder entsprechend einer Rechteckspannung verlaufenden Hinleiter (La_H, Lb_H, Lc_H) und einen sich entgegen der Fahrtrichtung (F) erstreckenden und entsprechend des Hinleiters (La_H, Lb_H, Lc_H) geformten elektrischen Rückleiters (La_R, Lb_R, Lc_R) gebildet sind, wobei die Hinleiter (La_H, Lb_H, Lc_H) und die Rückleiter (La_R, Lb_R, Lc_R) am vom Speisepunkt (SP) entferntesten Ort (E) miteinander verbunden sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Rückleiter (La_H, Lb_H, Lc_H; La_R, Lb_R, Lc_R) jeweils quer zur Fahrbahn (F) angeordnete Leiterabschnitte (La_Q, Lb_Q, Lc_Q) aufweisen, die durch in Fahrbahnrichtung (F) verlaufende Leiterabschnitte (La_L, Lb_L, Lc_L) miteinander verbunden sind, wobei die quer zur Fahrbahn (F) angeordneten Leiterabschnitte (La_Q, Lb_Q, Lc_Q) zusammen mit den in Fahrbahnrichtung (F) verlaufenden Leiterabschnitten (La_L, Lb_L, Lc_L) einer Leiterschlauffe (LSa, LSbLSc) nebeneinander angeordnete Ringstromschleifen (S_i) bilden.
Primäranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Fahrbahn (F) angeordneten Leiterabschnitte (La_Q, Lb_Q, Lc_Q) der Hin- und Rückleiter (La_H, Lb_H, LC_H, La_R, Lb_R, Lc_R) einer Leiterschleife (LSa, LSb, LSc) jeweils zum benachbarten quer zur Fahrbahn (F) angeordneten Leiterabschnitt (La_Q, Lb_Q, Lc_Q) einen Abstand (AB) aufweisen.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei ersten Schwingkreisen (Sa, Sb) die Länge (L) gleich dem halben Abstand (AB) ist (L = AB/2) oder dass bei drei ersten Schwingkreisen (Sa, Sb, Sc) die Länge (L) gleich einem Drittel des Abstandes (AB) ist, d. h. (L = AB/3).
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hinleiter (Ld_H, LD'_H) und der mindestens eine Rückleiter (Ld_R, Ld'_R) des weiteren Leiters (Ld) bzw. Schwingkreises (Sd) in einer Ebene (EB) angeordnet sind, wobei die Ebene (EB) entweder senkrecht zur Fahrbahnoberfläche (F_o) oder parallel dazu angeordnet ist.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Leiter (Ld) zwei Hinleiter (Ld_H, LD'_H) aufweist, welche zueinander beabstandet angeordnet sind, und zwei dazwischen und zueinander benachbart angeordnete Rückleiter (Ld_R, Ld'_R) aufweist, wobei die durch die zwei Hinleiter (Ld_H, LD'_H) fließenden Ströme und auch die durch die zwei Rückleiter (Ld_R, LD'_R) fließenden Ströme gleichsinnig sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Leiter (La, Lb, Lc, Ld) Bestandteil jeweils eines elektrischen Serien- oder Parallelschwingkreises, insbesondere bestehend aus dem jeweiligen elektrischen Leiter (La, Lb, Lc, Lc) und mindestens einer Kapazität, ist.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter (La, Lb, Lc, Ld) mittels einer elektrischen Schaltvorrichtung (Wa, Wb, Wc, Wd) mit einer Spannungs- oder Stromversorgungseinrichtung (Qa, Qb, Qc, Qd) verbindbar ist.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (La, Lb, Lc, Ld) unterhalb der Fahrbahnoberfläche (F_o) in der Fahrbahn (F) angeordnet sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder alle Leiter (La, Lb, Lc) in einem Gehäuse (G) angeordnet oder in einer Vergussmasse (V) eingegossen sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der die weitere Leiterschleife (LSd) bildende Leiter (Ld) in einem von oben in die Fahrbahnoberfläche (F_o) der Fahrbahn (F) eingearbeiteten Längsschlitz (L) eingelegt und mittels mindestens einem Abstandselement (AE) auf Abstand gehalten sind und mittels einer Vergussmasse (V) eingegossen sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen dem Hinleiter (Ld_H) und dem Rückleiter (Ld_R) derart bemessen ist, dass allein oder im wesentlichen Maße nur vom magnetischen Feld (M_a) des oberen Hinleiters (Ld_H) eine Spannung in der am Fahrzeug (1) angeordneten sekundärseitigen Energieübertragungseinrichtung (2), insbesondere in Form einer Pick-Up, induziert und die Induktivität der dritten Leiterschleife (LSd) nicht zu groß wird.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Primäranordnungen (1) quer zur Fahrbahnlängserstreckung (F) nebeneinander und/oder in Fahrbahnlängserstreckung (F) versetzt zueinander angeordnet sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Längserstreckungsrichtung (F) der Fahrbahn mehrere Primäranordnungen (1) hintereinander angeordnet sind und mittels der Schaltvorrichtungen mit einer Spannungs- oder Stromversorgungseinrichtung (Q) verbindbar sind.
Primäranordnung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine übergeordnete Steuerung (OS) mittels der Schaltvorrichtung (5) nur in die Primäranordnungen (1) eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom einprägt bzw. einspeist, über denen sich ein Fahrzeug befindet oder demnächst befinden wird.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinleiter (Ld_H) und der Rückleiter (Ld_R) mittels mindestens einem Abstandselement (AE) auf Abstand (A) gehalten sind.
Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (La, Lb, Lc, Ld) bzw. Leiterschleifen (LSa, LSb, LSc, LSd) Spulenwicklungen bilden, wobei die Spulenwicklungen mindestens eine Windung aufweisen.
Straße mit mindestens einer Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Spur einer Fahrbahn (F) der ein- oder mehrspurigen Straße mindestens eine Primäranordnung (1) angeordnet ist.
Sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung (2) zur Bildung eines induktiven Energieübertragungssystem zusammen mit einer Primäranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung (2) mindestens einen, insbesondere flachen, scheibenförmigen, Spulenkern (2a), welcher insbesondere durch eine Ferritanordnung gebildet ist, aufweist, welcher von mindestens einer Wicklung (2b) an seiner Ober- und Unterseite umgriffen und parallel zur Fahrbahnoberfläche (F_o) ausgerichtet ist.
Sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung (2) zur Bildung eines induktiven Energieübertragungssystem zusammen mit einer Primäranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung (2) mindestens einen, insbesondere flachen, scheibenförmigen, Spulenkern (2a), insbesondere durch eine Ferritanordnung gebildet, aufweist, wobei an der Unterseite des Spulenkerns (2a) mindestens zwei benachbarte und in einer Ebene parallel zur Fahrbahnoberfläche (F_o) angeordnete Flachspulen angeordnet sind.
Sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der sekundärseitigen Energieübertragungseinrichtung (2) eine metallische Abschirmung (2c), welche insbesondere größere Abmessungen als die Ferritanordnung (2a) aufweist.
Sekundärseitige Energieübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wicklung Bestandteil eines elektrischen Serien- oder Parallelschwingkreises ist.