EP3756268A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines magnetfelds, insbesondere für ein induktives ladesystem, und primäreinrichtung eines induktiven ladesystems zum dynamischen aufladen von fahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen eines magnetfelds, insbesondere für ein induktives ladesystem, und primäreinrichtung eines induktiven ladesystems zum dynamischen aufladen von fahrzeugen

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EP3756268A1
EP3756268A1 EP18707895.1A EP18707895A EP3756268A1 EP 3756268 A1 EP3756268 A1 EP 3756268A1 EP 18707895 A EP18707895 A EP 18707895A EP 3756268 A1 EP3756268 A1 EP 3756268A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
electrical conductors
primary
charging system
generating
Prior art date
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Pending
Application number
EP18707895.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen MEINS
Ralf EFFENBERGER
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IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Original Assignee
IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • Device for generating a magnetic field in particular for an inductive charging system, and primary device of an inductive charging system for
  • the invention relates to a device for generating a magnetic field, in particular for an inductive charging system, as well as a primary device of an inductive charging system for non-contact inductive energy transfer to means of transport.
  • the term "means of transport” means vehicles driven by a separate engine, such as motor vehicles, motorcycles and tractors, such vehicles may be tied to rails or not to rails
  • Electric motor or a combination of the two include.
  • inductive charging system is a system for
  • the system has a primary part or device (also referred to as a primary (charge) system) as the energy source and a secondary part or device (also called a secondary (charge) system) as an energy receiver; similar to a transformer device.
  • the primary device is formed, a
  • the secondary device is adapted to receive the alternating magnetic field and a
  • Electric vehicle reaches the same transport range as a gasoline-powered vehicle. Even additional batteries can not do the disadvantage
  • an electric vehicle is required to be charged more frequently on the same routes as compared with motor vehicles having internal combustion engines.
  • electric vehicles there are various ways to charge electric vehicles, such.
  • Inductive charging uses alternating magnetic fields instead of energy transmission via cables and plug-in connectors to transmit energy from a primary side to a secondary side (vehicle side) inductively.
  • contact protection is also provided.
  • the transformer technology is used with a primary-side excitation coil, which is traversed by alternating current from the power grid.
  • the decoupled in the vehicle-mounted induction coil AC converts the built-in charger in DC and charges the vehicle own battery or supplies the drive.
  • This charging process may be stationary, i. when the vehicle is not moving or parked.
  • primary coil and secondary coil can be positioned to each other in such a way to provide optimum energy transfer with low losses to the vehicle.
  • Vehicle stop includes lost travel time.
  • the disadvantage here is that even outside the transmission range, a magnetic field is created, which may have harmful effects on living beings, and that heat losses occur outside the transmission range, which worsen the transmission efficiency and that by the generation of magnetic fields outside the
  • Reactive power of the primary device and energy losses are minimized by the incomplete or incorrect alignment of primary and secondary side.
  • a device for generating a magnetic field for an inductive charging system with at least one electrical conductor for
  • This device is characterized by a communication unit for sending and receiving data to / from a similar device, wherein the device is designed to detect the feed unit by means of the detection unit and / or by means of the received data and thus the generation of the
  • This device has the advantage of being self-controlled and / or externally controlled and thus contributing to the generation of the magnetic field for energy transfer, even if the secondary charging system has not yet been detected by the device itself.
  • a further advantage is the possibility that the device determines, either by means of the detection unit and / or by means of the received data, which properties the alternating current to be generated must have in order to generate a magnetic field determined by the requirement of the secondary system.
  • the communication unit is configured to transmit and receive the data wirelessly and / or by cable, and wherein the
  • Detection unit is designed to identify the secondary charging system, in particular its nature and type, and to generate said data based on an identified secondary charging system.
  • the identification of the secondary charging system by the device is advantageous for determining the alternating current to be generated and / or generating data for other similar devices.
  • the device is designed to be supplied with a direct current, and wherein the supply unit, in particular with a half or full bridge circuit, is designed to convert the direct current into an alternating current.
  • the supply unit in particular with a half or full bridge circuit, is designed to convert the direct current into an alternating current.
  • no additional reactive power is required and there are no additional losses due to z. As eddy currents.
  • the detection unit is formed by means of a measurement of the impedance of the electrical conductor, a measurement of the voltage drop across the electrical conductor and / or a received by the electrical conductor Pilot signal to detect and / or identify a secondary charging system.
  • a measurement of the impedance of the electrical conductor a measurement of the voltage drop across the electrical conductor and / or a received by the electrical conductor Pilot signal to detect and / or identify a secondary charging system.
  • the detection unit may have another receiving means, in particular in the form of a detection coil, in order to detect and / or identify a secondary charging system.
  • the receiving means the signal from a
  • Secondary charging system can be received separately, whereby the detection and / or identification is improved.
  • a primary device of an inductive charging system for contactless inductive energy transfer to transport means, wherein the primary device can be arranged in a roadway plane.
  • the device has a plurality of devices for generating a
  • the device in particular according to one of claims 1 to 5, and is characterized in that the devices communicatively
  • the arrangement and the control of the electrical conductors of the devices are designed such that a magnetic field generated by a part of the electrical conductor and this magnetic field by a corresponding control of the electrical conductors with a steady movement, in particular in steps smaller than the extent of the generatable magnetic field , is displaceable.
  • An advantage of the primary device according to the invention is that a magnetic field can be generated and moved with virtually infinitesimal small steps;
  • the remaining devices are inactive and are only activated when the magnetic field has been moved to their position.
  • the primary device also has the advantage of providing high failure redundancy. Even if one or more of the devices for generating a magnetic field fails, the primary device can continue to be operated and a correspondingly adapted magnetic field for energy transmission can be generated.
  • the primary device is its ability to generate different magnetic fields both simultaneously, with different shapes, strengths and types - adapted to the requirements of different secondary systems.
  • the types include z. B. circular and transverse geometries of the magnetic fields.
  • the primary device of various secondary charging systems with z. B. circular coils or double coils (suitable for magnetic fields with transversal geometry) can be used.
  • control of the electrical conductors is dependent on the position, speed, shape and type of detected by at least one device secondary charging system.
  • This has the advantage of positioning the magnetic field generated to the secondary charging system and to accompany during the movement of the vehicle.
  • the type of generated magnetic field can be adjusted to optimize the energy transfer.
  • the electrical conductors are arranged parallel to one another and transversely to the direction of travel of the roadway plane. This arrangement and shape of the conductors is easy to manufacture, inexpensive and effective in magnetic field generation.
  • the control of the electrical conductors is designed such that a part of the electrical conductors after a certain pattern, with a certain alternating current and with a timed step by step is driven.
  • the alternating current itself can vary in frequency, phase and / or amplitude, wherein the individual electrical conductors can be supplied with different alternating currents.
  • different magnetic fields of different shapes can be generated and moved in different directions at different speeds.
  • the electrical conductors preferably consist of strands, solid conductors or tubes. These ladders have different designs due to their design
  • a further advantage resides in compensation of the reactance of the electrical conductors by capacitors integrated in the conductors or devices and / or by the arrangement of the electrical conductors and the resulting impedances. As a result, the conductor forms a
  • the primary device preferably has at least one arranged below the conductor, electrically conductive element in the form of z. As a sheet or an electrical connection to the switching unit. Furthermore, for bundling or shielding of
  • Magnetic magnetic material in the form of z As soft ferrite strips or plates, which are arranged below the primary conductor can be used.
  • the primary conductors may be rectilinear or arcuate and / or have a combination of both.
  • the primary conductors may be arranged at one or more different levels.
  • control of the primary conductor reference is made to the fact that, in addition to the step-by-step activation, in which the primary conductor which is next in one direction of movement is always supplied with an alternating current, others too
  • Every second, third or nth primary conductor could be controlled. It is likewise possible for one or more primary conductors to be switched off simultaneously for the movement of the magnetic field and / or one or more primary conductors to be connected or activated at the same time. This makes it possible to adapt the transmission power to the
  • the device for generating a magnetic field can be connected to one or more primary conductors, wherein the primary conductors can be supplied individually or jointly, in particular at the same time, with their own alternating current.
  • the invention relates to a method for generating a magnetic field, comprising the following steps:
  • the electrical conductors of the second set are identical to at least a portion of the electrical conductors of the first set and / or in their space covered by the electrical conductors of the first set and / or Lie face or are arranged.
  • step c) the electrical conductors of the first quantity are no longer supplied with the alternating current unless they are part of the second quantity.
  • This method is used in particular in connection with the primary device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a perspective view in particular of a
  • Figure 2a is a further perspective view of the primary device of
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 2b shows a perspective view of a primary device according to
  • Figure 3 is another perspective view of the primary device of
  • FIG. 1 with a secondary charging system
  • Figure 4a is a side view of the primary device of Figure 3, the
  • Circular mode is operated
  • FIG. 4b shows a side view of the primary device of FIG.
  • Figure 5a is a perspective view of an inventive, im
  • Magnetic field density is displayed in a plane parallel to and above the primary device
  • Figure 5b is a perspective view of an inventive, im
  • Figure 6 is a circuit diagram of a device for feeding of a
  • Figure 7 is a side view of the operated in the circular mode
  • Figure 8 is a side view of the operated in transversal mode
  • Figure 9 is another side view of the operated in transversal mode
  • FIG. 1 shows a perspective view of a primary device 1 as an exemplary embodiment according to the invention.
  • the primary device 1 has a plurality of electronic switching units 2, which are arranged along the X-axis (the direction of travel) and communicatively connected to each other for data exchange.
  • the data exchange can be wired or wireless, z. B. by radio.
  • Each switching unit 2 is electrically connected to a primary conductor 4, 6 which extend parallel to each other and from the respective switching unit 2 along the Y-axis.
  • the primary conductors 4, 6 may be formed as stranded wire, solid conductor and / or pipe. Furthermore, all the primary conductors 4, 6 have the same length and the same distance to their adjacent primary conductors. In the figure, four juxtaposed primary conductors 6 are active, i. it flows through an alternating current through this and a
  • ferrite strips 10 are arranged parallel to one another and along the X axis or transversely to the primary conductors 4, 6.
  • the ferrite strips 10 serve, among other things, to bundle, guide and / or conduct the magnetic flux of the conductors through which current flows with little loss
  • an electrically conductive sheet 8 is arranged as a grounding and / or return conductor.
  • the sheet 8 is trough-shaped or trough-shaped, that is, it has in this example along the X-axis aligned, rectangular, flat bottom plate 8a and two arranged on both sides of and perpendicular to the bottom plate
  • DC bus 14 has a voltage of +200 V, for example, and the lower DC bus 16 has a voltage of -200 V, for example.
  • Both rails 14, 16 are electrically powered by a DC power source 12 and extend parallel to each other and rectilinearly along the X-axis.
  • a ferrite plate 18 of a secondary charging system or receiving system (not shown) is indicated in FIG. This plate serves, similar to the ferrite strips 10, the bundling of the magnetic fields and the magnetic flux for the secondary charging system.
  • the active primary conductors 6 are arranged, which are activated depending on the position relative to the ferrite plate 10 and / or the secondary charging system to allow an inductive charging from the primary side to the secondary side.
  • the primary device 1 is designed to transmit an energy of preferably 20 kW, wherein the alternating current fed into the primary conductors 4, 6 can have a frequency of 85 kHz and a current amplitude of +/- 70 amperes.
  • the primary conductors 4, 6 may have a spacing between 50 to 100 mm and a length of 1 m.
  • the area of the ferrite plate is preferably 500 ⁇ 600 mm.
  • Figures 2a and 2b each show a perspective view of two
  • the first device 1 comes from Figure 1.
  • the second device 1a forms a further embodiment according to the invention. It essentially corresponds to the first system 1, but differs significantly in the formation of the primary conductor 4.
  • the second system la is provided instead of rectilinear primary conductors with conductor loops 5, each with a switching unit 2 at one end and with the sheet 8 at the other End are electrically connected.
  • the conductor loop 5 has substantially three straight lines in the illustrated example, of which the two forward lines 4a and 4c and above the ferrite strips 10 and the return line 4b below the ferrite strips 10 are arranged. All three lines 4a, 4b, 4c extend transversely to the
  • the conductor loop 5 has the advantage of being able to generate a stronger magnetic field above the ferrite strips 10 due to the double forward lines 4a and 4c.
  • Figure 3 shows a further perspective view of the primary device of Figure 1, wherein the ferrite plate 18 of the secondary charging system 17 is shown in more detail.
  • the secondary ferrite plate 18 by way of example, ten secondary conductors 20, 22 are arranged parallel to one another. Of these, the four secondary conductors 22 arranged in the middle are active in the transverse mode and thus ready to receive the magnetic field emitted by the primary device 1 and to transmit energy. The remaining six secondary conductors 20 are currently inactive and not ready for energy transfer at the moment, but could be activated to view the circular mode.
  • eight adjacent primary conductors 6 are controlled and are thus active in
  • FIGS. 4a and 4b each show a magnetic field emitted or generated by the primary conductors 6a and / or 6b of the primary device 1.
  • the first magnetic field 24 shown in FIG. 4a was formed in the so-called circular mode and the second magnetic field 26 shown in FIG. 4b is formed in the so-called transversal mode.
  • the ferrite plate 18 Above the respective magnetic fields 24, 26, the ferrite plate 18 is arranged and bundles the respective magnetic flux.
  • Below the primary conductors 6a, 6b the previously described ferrite strips 10 are arranged.
  • the two primary conductors 6a arranged on the left are active, the following four primary conductors 4 are inactive and the two primary conductors 6b arranged on the right are active.
  • the left active primary conductors 6a a current flows out of the plane of the drawing, and in the right active primary conductors 6b, a current flows in the plane of the drawing.
  • the two primary conductors 4 arranged on the left are inactive, the following four primary conductors 6a are active and the two primary conductors 4 arranged on the right are inactive. In this case, a current flows from the active primary conductors 6a
  • Figure 5a shows a perspective view of an inventive, in
  • Magnetic field 26 is displayed in a plane parallel to and above the primary device.
  • the ferrite plate 18 is arranged, which influences the magnetic field 26 accordingly.
  • the magnetic field 26 is parallel through two
  • Figure 5b shows a perspective view of an inventive, im
  • Magnetic field 26 is displayed in a plane perpendicular and along the road surface to the primary device.
  • the ferrite plate 18 is arranged, which, recognizable, the magnetic field 26 influenced accordingly or limits its extent to the plate 18.
  • Figure 6 shows a circuit diagram of a device 3 for feeding a conductor 4, 6 with an alternating current for generating a magnetic field, the device 3 as part of a primary device 1, la according to the invention.
  • the device 3 includes the switching unit 2, the primary conductor 4, 6 and optionally at least partially the ground rail 8, all of which have already been described in FIG.
  • the switching unit 2 is connected to the DC busbars 14 and 16 and is supplied with them by way of example with +/- 200V DC.
  • the switching unit 2 has in detail a control circuit 28 with integrated communication unit and detection unit, a feed unit or
  • the feed unit 30 has two controlled switches 31a and 31b, each electrically connected to a DC rail 14, 16.
  • the two switches 31a, 31b are controlled by the control circuit 28 and alternately connect a DC voltage with a positive voltage and a DC voltage with a negative voltage from the rails 14, 16 to the active primary conductor 6. If the primary conductor is inactive, both switches 31a, 31b and no current flows into the primary conductor 4.
  • the control circuit 28 is further configured such that a wireless and / or
  • control circuit 28 is designed such that via a measuring (signal) input 32, the current flow Ip and the supply voltage Up of the primary conductor 4, 6 can be measured.
  • the compensation capacitor 36 compensates for the leakage inductance of the primary conductor 4, 6 and allows the primary conductor 4, 6 to be resonated.
  • Secondary charging system 17 the secondary conductor 20, 22 is shown, which is magnetically coupled by means of a magnetic field (eg., In circular mode or transversal mode) with the primary conductor 4, 6. In this case, a voltage is induced, which is used to charge the vehicle containing the secondary charging system 17.
  • a magnetic field eg., In circular mode or transversal mode
  • Figure 7 shows a side view of the operated in circular mode
  • Primary device 1 of Figure 3 the connected to the primary conductors 6a, 6b switching units 2 and the voltage / current diagrams for the switching units, primary and secondary conductors.
  • the arrangement and the current connection of the active primary conductors 6a and 6b for generating the magnetic field 24 has already been explained in FIG. 4a.
  • each primary conductor 4, 6a, 6b is electrically connected to its own switching unit 2 (numbered 1 to 8).
  • the four signal diagrams on the right show the voltage of the inverter, the current of inverters numbered 1 and 2, the current of inverters numbered 7 and 8, and the secondary current received.
  • the current of the inverters 1 and 2 and the current of the inverters 7 and 8 are equal in amplitude and frequency, but have a mutual in the illustrated operating mode
  • Figure 8 shows a side view of the operated in transversal mode
  • Primary device 1 of Figure 3 the connected to the primary conductor 6a switching units 2 and the voltage / current diagrams for the switching units, primary and secondary conductors.
  • the arrangement and current connection of the active primary conductors 6a for generating the magnetic field 26 has already been explained in FIG. 4b.
  • each primary conductor 4, 6a is electrically connected to its own switching unit 2 (numbered 1 to 8).
  • the four right arranged signal diagrams are the voltage of the inverter or feed units, the current of the inverter or
  • Inverters 5 and 6 are the same, in particular phase, amplitude and frequency equal.
  • FIG. 9 shows a further side view of the transversal mode-operated primary device 1 of FIG. 3 connected to the primary conductors 4 and 6a
  • the alternating currents shown in the current diagrams are phase, amplitude and frequency equal and have been shown over a time of 1.5 ms to 2.5 ms.
  • the time to 2.0 ms (1st state) generate the switching units 2 with the numbers 3 to 6, the currents Ip3 to Ip6 and thus via the primary conductor 6a the magnetic field shown 26.
  • the inverter of the switching unit number begins 7 to provide the primary conductor 4 with the same alternating current.
  • the inverter of the switching unit number 3 is deactivated, whereby the alternating current Ip3 decays to zero amperes after a short time (about 0.5 ms settling time).
  • the time between 2.0 ms and 2.1 ms is considered to be a transitional period in which the current Ip3 settles and the current Ip7 settles. From 2.1 ms (2nd state), the switching units with the numbers 4 to 7 and the corresponding primary conductors 6a are now active and the magnetic field 26 has increased by one increment
  • control circuit (with communication and detection unit)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, insbesondere für eine Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems, sowie ein Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung an Transportmittel. Mit dem Ziel einer stetigen Magnetfelderzeugung entlang einer bestimmten Fahrrichtung, ist die Vorrichtung mit mindestens einem elektrischen Leiter zum Erzeugen des Magnetfelds, einer Speiseeinheit zum Erzeugen eines Wechselstroms für den mindestens einen elektrischen Leiter, und einer Detektionseinheit zum Detektieren eines Sekundärladesystems vorgesehen. Diese Vorrichtung ist durch eine Kommunikationseinheit zum Senden und Empfangen von Daten an/von einer gleichartigen Vorrichtung gekennzeichnet, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, die Signalsteuerungseinheit mittels der Detektionseinheit und/oder mittels der empfangenen Daten und somit die Erzeugung des Magnetfelds zur induktiven Energieübertragung zu steuern. Hinsichtlich der Primäreinrichtung weist diese eine Vielzahl von miteinander verbunden Vorrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfelds auf, wobei die Vorrichtungen eine Vielzahl von elektrischen Leitern zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweisen. Des Weiteren sind die Anordnung und die Ansteuerung der elektrischen Leiter der Vorrichtungen derart ausgebildet, dass ein vorbestimmtes Magnetfeld durch einen Teil der elektrischen Leiter erzeugbar und dieses Magnetfeld durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Leiter mit einer stetigen Bewegung verschiebbar ist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, insbesondere für ein induktives Ladesystem, und Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems zum
dynamischen Aufladen von Fahrzeugen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, insbesondere für ein induktives Ladesystem, sowie eine Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung an Transportmittel.
Im Folgenden sind unter dem Begriff„Transportmittel" durch einen eigenen Motor angetriebene Fahrzeuge, wie z. B. Kraftwagen, Krafträder und Zugmaschinen, zu verstehen. Derartige Fahrzeuge können an Schienen oder nicht an Schienen gebunden sein. Der Motor selbst kann einen Verbrennungsmotor, einen
Elektromotor oder eine Kombination der beiden beinhalten.
Unter dem Begriff„induktives Ladesystem" wird ein System zur
Energieübertragung mittels magnetischer Wechselfelder verstanden. Das System weist hierzu einen Primärteil bzw. -einrichtung (auch als Primär(lade)system bezeichnet) als Energiequelle und einen Sekundärteil bzw. -einrichtung (auch als Sekundär(lade)system bezeichnet) als Energieempfänger auf; ähnlich wie eine Transformatorvorrichtung. Die Primäreinrichtung ist ausgebildet, ein
magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, und die Sekundäreinrichtung ist ausgebildet, das magnetische Wechselfeld zu empfangen und einen
Induktionsstrom aus dem magnetischen Wechselfeld zu erzeugen bzw. zu gewinnen. Die Erzeugung des magnetischen Wechselfelds wird durch
Wechselstrom durchflossene elektrische Leiter, insbesondere Spulen, und die Erzeugung des Induktionsstroms durch elektrische Leiter, die im Magnetfeld positioniert sind, erreicht.
Mit der stetigen Weiterentwicklung der Elektromobilität werden Alternativen zu Transportmitteln, die mit fossilen Brennstoffen angetriebenen werden,
bereitgestellt, die bereits jetzt in Form von z. B. Hybrid- und Elektrofahrzeugen bekannt sind. Allerdings haben Elektrofahrzeuge im Vergleich zu benzinbetriebenen Fahrzeugen den Nachteil, dass derzeitige Stromakkumulatoren eine geringere Energiedichte zu Flüssigkraftstoffen haben. Die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus liegt mit 150 bzw. 200 Wh pro kg wesentlich niedriger als bei Benzin mit 12.800 Wh pro kg. Daher ist es kaum möglich, dass ein
Elektrofahrzeug die gleiche Transportreichweite wie ein benzinbetriebenes Fahrzeug erreicht. Selbst zusätzliche Akkus können den Nachteil nicht
ausgleichen, da durch das zusätzliche Gewicht der Akkus der Energiebedarf des Elektromotors wiederum steigt.
Somit ist ein Elektrofahrzeug genötigt, im Vergleich zu Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren auf gleichen Strecken öfters aufgeladen zu werden. Hierzu existieren verschiedene Möglichkeiten, um Elektrofahrzeuge aufzuladen, wie z. B. Batteriewechselstationen, Ladestationen (auch als Stromtankstellen oder
Ladesäulen bezeichnet) und induktives Laden.
Das induktive Laden verwendet anstelle der Energieübertragung über Kabel und Steckverbindungen magnetische Wechselfelder, um Energie von einer Primärseite auf eine Sekundärseite (Fahrzeugseite) induktiv zu übertragen. Neben der Vermeidung von verschleißenden Steckverbindungen an elektrisch leitenden Kontakten ist auch ein Berührungsschutz gegeben. Prinzipiell wird dabei die Transformatortechnik mit einer primärseitigen Erregerspule genutzt, die von Wechselstrom aus dem Stromnetz durchflossen wird. Den in der fahrzeugseitigen Induktionsspule ausgekoppelten Wechselstrom wandelt das im Fahrzeug eingebaute Ladegerät in Gleichstrom und lädt die Fahrzeug eigene Batterie bzw. versorgt den Antrieb.
Dieser Ladevorgang kann stationär erfolgen, d.h. wenn das Fahrzeug nicht in Bewegung bzw. geparkt ist. Dabei können Primärspule und Sekundärspule derart zueinander positioniert werden, um eine optimale Energieübertragung mit geringen Verlusten an das Fahrzeug bereitzustellen. Jedoch ist durch den
Fahrzeugstopp ein Reisezeitverlust mit inbegriffen.
Anstelle des stationären Ladevorgangs besteht die Möglichkeit des dynamischen Ladevorgangs, wobei das Fahrzeug während der Fahrt induktiv geladen werden kann. Auf diesem technischen Gebiet existieren bereits einige bekannte Verfahren und Systeme. In dem Artikel„A Review of Dynamic Wireless Power Transfer for In-Motion Electric Vehicles" (siehe https://www.intechopen.com/books/wireless-PQwer- transfer-fundamentals-and-technoloaies/a-review-of-dvnamic-wireless-power- transfer-for-in-motion-electric-vehicles') werden verschiedene Entwicklungen in der dynamischen drahtlosen Energieübertragung (engl. Dynamic Wireless Power Transfer - kurz DWPT) beschrieben.
Allerdings weisen diese Entwicklungen weiterhin Nachteile auf, die es zu überwinden bzw. zu lösen gilt. Diese Nachteile beziehen sich im Wesentlichen darauf, dass bei den bekannten und dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen ein räumlich größerer Bereich auf der ortsfesten Primärseite bestromt wird, als wie er für die eigentliche Energieübertragung entsprechend der
Baulänge des mit der Transporteinrichtung verbundenen Sekundärteils des Ladesystems erforderlich ist. Nachteilig hierbei ist, dass auch außerhalb des Übertragungsbereiches ein Magnetfeld entsteht, welches gefährdende Einflüsse auf Lebewesen aufweisen kann, und dass außerhalb des Übertragungsbereiches Wärmeverluste entstehen, die den Übertragungswirkungsgrad verschlechtern und, dass durch die Erzeugung von Magnetfeldern auch außerhalb des
Übertragungsbereiches zusätzliche Blindleistung bereitgestellt werden muss. Ein weiterer Nachteil der Lösungen entsprechend dem Stand der Technik ist, dass die geometrische Ausbildung des Magnetfeldes einzig durch die Geometrie der Primärspulensysteme definiert ist und nicht an unterschiedliche Anforderungen unterschiedlicher Sekundärsysteme flexibel angepasst werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein dynamisches Laden zu ermöglichen, wobei eine optimale Energieübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite erreicht wird. Zusätzlich sollen der Bedarf an Wirk- und
Blindleistung der Primäreinrichtung und Energieverluste durch die unvollständige oder inkorrekte Ausrichtung von Primärseite und Sekundärseite minimiert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds gemäß Anspruch 1 gelöst.
Hierbei ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds für ein induktives Ladesystem, mit mindestens einem elektrischen Leiter zum
Erzeugen des Magnetfelds, einer Speiseeinheit zum Erzeugen eines
Wechselstroms für den mindestens einen elektrischen Leiter, und einer Detektionseinheit zum Detektieren eines Sekundärladesystems vorgesehen. Diese Vorrichtung ist durch eine Kommunikationseinheit zum Senden und Empfangen von Daten an/von einer gleichartigen Vorrichtung gekennzeichnet, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, die Speiseeinheit mittels der Detektionseinheit und/oder mittels der empfangenen Daten und somit die Erzeugung des
Magnetfelds zur induktiven Energieübertragung zu steuern.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, sowohl selbst- und/oder fremdgesteuert zu werden und somit bei der Erzeugung des Magnetfelds für die Energieübertragung bereits beizutragen, selbst wenn das Sekundärladesystem von der Vorrichtung selbst noch nicht detektiert wurde.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, dass die Vorrichtung bestimmt, entweder mittels der Detektionseinheit und/oder mittels der empfangenen Daten, welche Eigenschaften der zu erzeugende Wechselstrom aufweisen muss, um ein durch die Anforderung des Sekundärsystems festgelegte mögliche unterschiedliche Geometrie bestimmtes Magnetfeld zu erzeugen.
Vorzugsweise ist die Kommunikationseinheit ausgebildet, die Daten drahtlos und/oder kabelgebunden zu senden und zu empfangen, und wobei die
Detektionseinheit ausgebildet ist, das Sekundärladesystem, insbesondere dessen Art und Typ, zu identifizieren und die genannten Daten basieren auf einem identifizierten Sekundärladesystem zu erzeugen. Neben der Detektion ist die Identifizierung des Sekundärladesystems durch die Vorrichtung von Vorteil, um den zu erzeugenden Wechselstrom zu bestimmen und/oder Daten für andere gleichartige Vorrichtungen zu erzeugen.
Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Vorrichtung ausgebildet ist, mit einem Gleichstrom versorgt zu werden, und wobei die Speiseeinheit, insbesondere mit einer Halb- oder Vollbrückenschaltung, ausgebildet ist, um den Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Bei einer Gleichstromversorgung ist keine zusätzliche Blindleistung erforderlich und es treten keine Zusatzverluste durch z. B. Wirbelströme auf.
Vorzugsweise ist die Detektionseinheit ausgebildet, mittels einer Messung der Impedanz des elektrischen Leiters, einer Messung des Spannungsabfalls am elektrischen Leiter und/oder eines durch den elektrischen Leiter empfangenen Pilotsignals ein Sekundärladesystem zu detektieren und/oder zu identifizieren. Hierbei handelt es sich um verschiedene konkrete Ausgestaltungsmöglichkeiten z. B. in Form einer elektronischen Modellnachbildung des Induktiv- Übertragesystems und der Detektion von Änderungen dieses Modelles durch das Sekundärsystem für die Detektion und Identifizierung des Sekundärladesystems.
Alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Leiter als Empfänger kann die Detektionseinheit ein anderes Empfangsmittel, insbesondere in Form einer Detektionsspule, aufweisen, um ein Sekundärladesystem zu detektieren und/oder zu identifizieren. Durch das Empfangsmittel kann das Signal von einem
Sekundärladesystem separat empfangen werden, wodurch die Detektion und/oder Identifizierung verbessert wird.
Des Weiteren wird die zuvor genannte Aufgabe durch eine Primäreinrichtung zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung an Transportmittel gemäß Anspruch 6 gelöst.
Hierbei ist erfindungsgemäß eine Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung an Transportmitteln vorgesehen, wobei die Primäreinrichtung in einer Fahrbahnebene anordbar ist.
Die Einrichtung weist eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Erzeugen eines
Magnetfelds, die Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen kommunikativ
miteinander verbunden sind und eine Vielzahl von elektrischen Leitern zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweisen. Des Weiteren sind die Anordnung und die Ansteuerung der elektrischen Leiter der Vorrichtungen derart ausgebildet, dass ein Magnetfeld durch einen Teil der elektrischen Leiter erzeugbar und dieses Magnetfeld durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Leiter mit einer stetigen Bewegung, insbesondere in Schritten kleiner der Ausdehnung des erzeugbaren Magnetfelds, verschiebbar ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Primäreinrichtung ist, dass ein Magnetfeld erzeugt und mit quasi infinitesimal kleinen Schritten bewegt werden kann;
abhängig von der Anordnung und/oder Ausgestaltung der elektrischen Leiter (z. B. der Abstand zwischen den Leitern) sowie deren Ansteuerung mit einem
Wechselstrom. Dadurch ist es möglich, das Magnetfeld an ein bestimmtes sekundärseitiges Ladesystem auszurichten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass nur ein Teil der Primäreinrichtung für die Erzeugung des Magnetfelds Strom benötigt und somit energieeffizient betrieben werden kann und dass der erforderliche Blindleistungsbedarf geringgehalten werden kann. Hierzu versorgt nur ein Anteil der Vorrichtungen die
entsprechenden elektrischen Leiter mit Wechselstrom, um das Magnetfeld zu erzeugen. Die übrigen Vorrichtungen sind inaktiv und werden erst dann aktiviert, wenn das Magnetfeld an deren Position bewegt wurde.
Die Primäreinrichtung hat ebenso den Vorteil, eine hohe Ausfallredundanz vorzuweisen. Selbst bei Ausfall einer oder mehrerer der Vorrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfelds, kann die Primäreinrichtung weiterhin betrieben und ein entsprechend angepasstes Magnetfeld zur Energieübertragung erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil der Primäreinrichtung ist dessen Fähigkeit, verschiedene Magnetfelder sowohl gleichzeitig, mit unterschiedlichen Formen, Stärken und Arten - angepasst an die Anforderungen unterschiedlicher Sekundärsysteme - zu erzeugen. Zu den Arten zählen z. B. zirkulare und transversale Geometrien der Magnetfelder. Dadurch kann die Primäreinrichtung von verschiedenartigen Sekundärladesystemen mit z. B. Zirkular-Spulen oder Doppel-Spulen (geeignet für Magnetfelder mit transversal Geometrie) genutzt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der elektrischen Leiter abhängig von der Position, Geschwindigkeit, Form und Typ des durch mindestens eine Vorrichtung detektierten Sekundärladesystems. Dies hat den Vorteil, das erzeugte Magnetfeld zum Sekundärladesystem zu positionieren bzw. auszurichten und während der Bewegung des Fahrzeugs zu begleiten. Ebenso kann die Art des erzeugten Magnetfelds eingestellt werden, um die Energieübertragung zu optimieren.
Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn die elektrischen Leiter parallel zueinander und quer zur Fahrtrichtung der Fahrbahnebene angeordnet sind. Diese Anordnung und Ausformung der Leiter ist einfach herstellbar, kostengünstig und effektiv bei der Magnetfelderzeugung.
Mit dem Ziel einer flexiblen Magnetfelderzeugung ist die Ansteuerung der elektrischen Leiter derart ausgebildet, dass ein Teil der elektrischen Leiter nach einem bestimmten Muster, mit einem bestimmten Wechselstrom und mit einer zeitlich bestimmten Schrittweise angesteuert wird. Der Wechselstrom selbst kann in seiner Frequenz, Phase und/oder Amplitude variieren, wobei die einzelnen elektrischen Leiter mit jeweils unterschiedlichen Wechselströmen versorgt werden können. Somit lassen sich verschiedene Magnetfelder mit unterschiedlichen Formen erzeugen und in unterschiedliche Richtungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen bzw. versetzen.
Vorzugsweise bestehen die elektrischen Leiter aus Litzen, Massivleitern oder Rohren. Diese Leiter haben auf Grund ihrer Ausgestaltung verschiedene
Eigenschaften und somit Einsatzmöglichkeiten hinsichtlich der Fahrbahnebene und Umwelteinflüsse wie z. B. Umgebungstemperatur.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, wenn eine Kompensation des Blindwiderstandes der elektrischen Leiter durch in die Leiter oder die Vorrichtungen integrierte Kondensatoren und/oder durch die Anordnung der elektrischen Leiter und der daraus resultierenden Impedanzen erfolgt. Dadurch bildet der Leiter eine
Resonanz und erfordert einen geringeren Blindleistungsbedarf bei
Wechselstromspeisung.
Um das Magnetfeld zu bündeln und die Rückführung des Wechselstromes der elektrischen Leiter zur Vorrichtung zu ermöglichen, weist die Primäreinrichtung vorzugsweise mindestens ein unterhalb der Leiter angeordnetes, elektrisch leitfähiges Element in Form z. B. eines Blechs oder eine elektrische Verbindung zur Schalteinheit auf. Weiterhin kann zur Bündelung bzw. Schirmung des
Magnetfeldes magnetisch leitfähiges Material in Form von z. B. Weichferritstreifen oder Platten, welche unterhalb der Primärleiter angeordnet sind, eingesetzt werden.
Hinsichtlich der Anordnung der Primärleiter wird darauf verwiesen, dass neben der quer ausgerichteten, auch eine diagonalausgerichtete, eine längs
ausgerichtete und/oder eine gemischt ausgerichtete Anordnung möglich ist.
Ebenso können die Primärleiter geradlinig oder bogenförmig sein und/oder eine Kombination beider Ausführungen aufweisen. Die Primärleiter können auf einer oder mehreren verschiedenen Ebenen angeordnete sein. Hinsichtlich der Ansteuerung der Primärleiter wird darauf verwiesen, dass neben der schrittweisen Ansteuerung, bei der immer der in eine Bewegungsrichtung nächste Primärleiter mit einem Wechselstrom versorgt wird, auch andere
Ansteuerungsverfahren möglich sind. So könnte jeder zweite, dritte oder n-te Primärleiter angesteuert werden. Ebenso ist es möglich, dass für die Bewegung des Magnetfelds ein oder mehrere Primärleiter gleichzeitig abgeschaltet und/oder ein oder mehrere Primärleiter gleichzeitig hinzugeschaltet bzw. aktiviert werden. Hierdurch ist es möglich eine Anpassung der Übertragungsleistung an den
Leistungsbedarf vorzunehmen. Des Weiteren ist die Ansteuerung der Primärleiter gemäß einem bestimmten Muster möglich.
Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds kann mit einer oder mehreren Primärleitern verbunden sein, wobei die Primärleiter einzeln oder gemeinsam, insbesondere gleichzeitig, mit einem eigenen Wechselstrom versorgt werden können.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfelds, das folgende Schritte aufweist:
a) Erzeugen mindestens eines Wechselstroms;
b) Versorgen einer ersten Menge von elektrischen Leitern mit dem mindestens einen Wechselstrom, um ein Magnetfeld zu erzeugen;
c) Versorgen einer zweiten Menge von elektrischen Leitern mit dem
mindestens einen Wechselstrom, um das Magnetfeld zu bewegen bzw. zu versetzen, wobei die elektrischen Leiter der zweiten Menge mit mindestens einem Teil der elektrischen Leiter der ersten Menge identisch sind und/oder in deren von den elektrischen Leitern der ersten Menge abgedeckten Raum und/oder Fläche liegen bzw. angeordnet sind.
Mit dem Schritt c) werden die elektrischen Leiter der ersten Menge nicht mehr mit dem Wechselstrom versorgt, sofern diese nicht Teil der zweiten Menge sind.
Dieses Verfahren wird insbesondere in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Primäreinrichtung verwendet.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, die nicht als Einschränkung, sondern lediglich als Teil der Lehre erachtet werden sollen. Es wird betont, dass eine Kombination der hierin beschriebenen Merkmale ohne weiteres möglich ist und explizit Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ist.
Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Ansicht insbesondere auf eine
Primäreinrichtung eines induktiven Ladesystems, die
Primäreinrichtung als ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Figur 2a eine weitere perspektivische Ansicht auf die Primäreinrichtung von
Figur 1;
Figur 2b eine perspektivische Ansicht auf eine Primäreinrichtung gemäß
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Figur 3 eine weitere perspektivische Ansicht auf die Primäreinrichtung von
Figur 1 mit einem Sekundärladesystem;
Figur 4a eine Seitenansicht auf die Primäreinrichtung von Figur 3, das im
Zirkular Modus betrieben wird;
Figur 4b eine Seitenansicht auf die Primäreinrichtung von Figur 3, das im
Transversal Modus betrieben wird;
Figur 5a eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße, im
Transversal Modus betriebene Primäreinrichtung, wobei die
Magnetfelddichte in einer Ebene parallel zur und oberhalb der Primäreinrichtung angezeigt wird;
Figur 5b eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße, im
Transversal Modus betriebene Primäreinrichtung, wobei die
Magnetfelddichte in einer Ebene senkrecht und entlang der
Fahrbahnebene zur Primäreinrichtung angezeigt wird;
Figur 6 einen Schaltplan von einer Vorrichtung zur Speisung von einem
elektrischen Leiter zum Erzeugen eines Magnetfelds, die Vorrichtung als Teil einer erfindungsgemäßen Primäreinrichtung; Figur 7 eine Seitenansicht auf die im Zirkular Modus betriebene
Primäreinrichtung von Figur 3, die an die Primärleiter angeschlossenen Schalteinheiten sowie die Spannungs- /Stromdiagramme für die Schalteinheiten, Primär- und Sekundärleiter;
Figur 8 eine Seitenansicht auf die im Transversal Modus betriebene
Primäreinrichtung von Figur 3, die an die Primärleiter angeschlossenen Schalteinheiten sowie die Spannungs- /Stromdiagramme für die Schalteinheiten, Primär- und Sekundärleiter; und
Figur 9 eine weitere Seitenansicht auf die im Transversal Modus betriebene
Primäreinrichtung von Figur 3, die an die Primärleiter angeschlossenen Schalteinheiten (in zwei verschiedenen Zuständen) sowie die Stromdiagramme für die Schalteinheiten bzw. Primärleiter.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Primäreinrichtung 1 als ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die Primäreinrichtung 1 weist eine Vielzahl von elektronischen Schalteinheiten 2 auf, die entlang der X-Achse (die Fahrtrichtung) angeordnet und zum Datenaustausch miteinander kommunikativ verbunden sind. Der Datenaustausch kann kabelgebunden oder kabellos, z. B. per Funk, erfolgen. Jede Schalteinheit 2 ist mit einem Primärleiter 4, 6 elektrisch verbunden, die sich parallel zueinander und von der jeweiligen Schalteinheit 2 entlang der Y-Achse erstrecken. Die Primärleiter 4, 6 können als Litze (engl stranded wire), Massivleiter und/oder Rohr ausgebildet sein. Des Weiteren weisen alle Primärleiter 4, 6 die gleiche Länge und den gleichen Abstand zu deren benachbarten Primärleitern auf. In der Figur sind vier nebeneinander angeordnete Primärleiter 6 aktiv, d.h. es fließt ein Wechselstrom durch diese und ein
Magnetfeld wird erzeugt, und die übrigen Primärleiter 4 inaktiv. Unterhalb der Primärleiter 4, 6 sind Ferritstreifen 10 parallel zueinander und entlang der X- Achse bzw. quer zu den Primärleitern 4, 6 angeordnet. Die Ferritstreifen 10 dienen unter anderem dazu, unter anderem den magnetischen Fluss der Strom durchflossenen Leiter verlustarm zu bündeln, zu führen und/oder deren
Induktivität zu erhöhen. Unterhalb der Ferritstreifen 10 ist ein elektrisch leitendes Blech 8 als Erdung und/oder Rückführungsleiter angeordnet. Das Blech 8 ist wannen-oder muldenförming ausgebildet, d.h. es weist in diesem Beispiel ein entlang der X-Achse ausgerichtetes, rechteckförmiges, ebenes Bodenblech 8a und zwei an beiden Seiten des und senkrecht zum Bodenblech angeordnete
Seitenbleche 8b, 8c auf. Die Breite des Blechs 8, insbesondere des Bodenblechs 8a, entspricht der Länge des Primärleiters 4, 6. An der oberen Kante des linken Seitenblechs 8b sind die jeweiligen Enden aller Primärleiter 4, 6 mit dem Blech 8 elektrisch verbunden. Während auf der einen Seite der Schalteinheiten 2 die Primärleiter 4, 6, die Ferritstreifen 10 und das Blech 8 angeordnet sind, sind auf der gegenüberliegenden Seite der Schalteinheiten 2 zwei Gleichstromschienen 14 und 16 angeordnet und mit jeder Schalteinheit 2 verbunden. Die obere
Gleichstromschiene 14 hat beispielhaft eine Spannung von +200V und die untere Gleichstromschiene 16 hat beispielhaft eine Spannung von -200V. Beide Schienen 14, 16 werden über eine Gleichstromquelle 12 elektrisch versorgt und erstrecken sich parallel zueinander und geradlinig entlang der X-Achse. Zusätzlich wird in der Figur 1 eine Ferritplatte 18 eines sekundären Ladesystems bzw. Empfangssystems (nicht dargestellt) angezeigt. Diese Platte dient, ähnlich wie die Ferritstreifen 10, der Bündelung der Magnetfelder bzw. des magnetischen Flusses für das sekundäre Ladesystem. Unterhalb der Ferritplatte 18 sind die aktiven Primärleiter 6 angeordnet, die abhängig von der Position relativ zur Ferritplatte 10 und/oder zum sekundären Ladesystem aktiviert werden, um einen induktiven Ladevorgang von der Primärseite an die Sekundärseite zu ermöglichen. Die Primäreinrichtung 1 ist ausgebildet, eine Energie von vorzugsweise 20 kW zu übertragen, wobei der in die Primärleiter 4, 6 eingespeiste Wechselstrom eine Frequenz von 85 kHz und eine Stromamplitude von +/- 70 Ampere aufweisen kann. Die Primärleiter 4, 6 können einen Abstand zwischen 50 bis 100 mm und eine Länge von lm haben.
Die Fläche der Ferritplatte beträgt vorzugsweise 500 x 600 mm.
Figuren 2a und 2b zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht auf zwei
verschiedene Primäreinrichtungen 1 und la, wobei die erste Einrichtung 1 (von Fig. 2a) aus Figur 1 stammt. Die zweite Einrichtung la (von Fig. 2b) bildet ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Es entspricht im Wesentlichen dem ersten System 1, unterscheidet sich aber maßgeblich in der Ausformung der Primärleiter 4. Das zweite System la ist anstelle von geradlinigen Primärleitern mit Leiterschlaufen 5 ausgestattet, die jeweils mit einer Schalteinheit 2 an einem Ende und mit dem Blech 8 am anderen Ende elektrisch verbunden sind. Die Leiterschlaufe 5 weist in dem dargestellten Beispiel im Wesentlichen drei geradlinige Leitungen auf, wovon die beiden Hinleitungen 4a und 4c und oberhalb der Ferritstreifen 10 und die Rückleitung 4b unterhalb der Ferritstreifen 10 angeordnet sind. Alle drei Leitungen 4a, 4b, 4c verlaufen quer zu den
Ferritstreifen 10. Die Leiterschlaufe 5 hat den Vorteil, ein stärkeres Magnetfeld oberhalb der Ferritstreifen 10 auf Grund der doppelten Hinleitungen 4a und 4c erzeugen zu können.
Figur 3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht auf die Primäreinrichtung von Figur 1, wobei die Ferritplatte 18 des Sekundärladesystems 17 detaillierter dargestellt wird. Unterhalb der Sekundär-Ferritplatte 18 sind beispielhaft zehn Sekundärleiter 20, 22 parallel zueinander angeordnet. Davon sind die in der Mitte angeordneten vier Sekundärleiter 22 im Transversalmodus aktiv und somit bereit zum Empfang des von der Primäreinrichtung 1 ausgesandten Magnetfelds und zur Energieübertragung. Die übrigen sechs Sekundärleiter 20 sind gerade inaktiv und in dem Moment nicht für die Energieübertragung bereit, könnten jedoch zur Betrachtung des Zirkular-Modus aktiviert werden. In der Primäreinrichtung 1 werden acht benachbarte Primärleiter 6 gesteuert und sind damit aktiv in
Abhängigkeit von dem Betrieb im Transversal- oder Zirkular-Modus.
Figuren 4a und 4b zeigen jeweils ein von den Primärleitern 6a und/oder 6b der Primäreinrichtung 1 ausgestrahltes bzw. erzeugtes Magnetfeld. Das in Fig. 4a gezeigte erste Magnetfeld 24 wurde im sogenannten Zirkular Modus gebildet und das in Fig. 4b gezeigte zweite Magnetfeld 26 im sogenannten Transversal Modus. Oberhalb der jeweiligen Magnetfelder 24, 26 ist die Ferritplatte 18 angeordnet und bündelt den jeweiligen Magnetfluss. Unterhalb der Primärleiter 6a, 6b sind die zuvor beschriebenen Ferritstreifen 10 angeordnet. Für die Erzeugung des ersten Magnetfelds 24 sind die beiden links angeordneten Primärleiter 6a aktiv, die nachfolgenden vier Primärleiter 4 inaktiv und die beiden rechts angeordneten Primärleiter 6b aktiv. Bei den linken aktiven Primärleitern 6a fließt ein Strom aus der Zeichnungsebene und bei den rechten aktiven Primärleitern 6b fließt ein Strom in die Zeichnungsebene. Für die Erzeugung des zweiten Magnetfelds 26 sind die beiden links angeordneten Primärleiter 4 inaktiv, die nachfolgenden vier Primärleiter 6a aktiv und die beiden rechts angeordneten Primärleiter 4 inaktiv. Hierbei fließt bei den aktiven Primärleitern 6a ein Strom aus der
Zeichnungsebene. Es wird darauf hingewiesen, dass die aktiven Primärleiter 6a, 6b mit einem Wechselstrom versorgt werden. Die Figuren zeigen somit
Momentaufnahmen, bei der der Wechselstrom eine bestimmte Phase und
Amplitude aufweist. Nach einer halben Schwingungsperiode zeigen die Stromrichtungen in den Primärleitern 6a, 6b in die entgegengesetzte Richtung und das Magnetfeld 24, 26 hat sich ebenfalls umgedreht.
Figur 5a zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße, im
Transversal Modus betriebene Primäreinrichtung 1, wobei die Dichte des
Magnetfelds 26 in einer Ebene parallel zur und oberhalb der Primäreinrichtung angezeigt wird. Zusätzlich ist die Ferritplatte 18 angeordnet, die das Magnetfeld 26 entsprechend beeinflusst. Das Magnetfeld 26 ist durch zwei parallel
angeordnete, sich länglich erstreckende Magnetfeldzentren charakterisiert.
Figur 5b zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße, im
Transversal Modus betriebene Primäreinrichtung 1, wobei die Dichte des
Magnetfelds 26 in einer Ebene senkrecht und entlang der Fahrbahnebene zur Primäreinrichtung angezeigt wird. Zusätzlich ist die Ferritplatte 18 angeordnet, die, gut erkennbar, das Magnetfeld 26 entsprechend beeinflusst bzw. dessen Ausdehnung bis zur Platte 18 einschränkt.
Figur 6 zeigt einen Schaltplan von einer Vorrichtung 3 zur Speisung eines Leiters 4, 6 mit einem Wechselstrom zum Erzeugen eines Magnetfelds, die Vorrichtung 3 als Teil einer erfindungsgemäßen Primäreinrichtung 1, la. Die Vorrichtung 3 beinhaltet die Schalteinheit 2, den Primärleiter 4, 6 und optional zumindest teilweise die Erdungsschiene 8, die alle bereits in der Figur 1 beschrieben wurden. Die Schalteinheit 2 ist mit den Gleichstromschienen 14 und 16 verbunden und wird von diesen beispielhaft mit +/-200V Gleichspannung versorgt. Die Schalteinheit 2 weist im Detail eine Steuerungsschaltung 28 mit integrierter Kommunikationseinheit und Detektionseinheit, eine Speiseeinheit bzw.
Wechselrichter 30 und einen Kompensationskondensator 36 für den Primärleiter 4, 6 auf. Die Speiseeinheit 30 weist zwei gesteuerte Schalter 31a und 31b auf, die jeweils mit einer Gleichstromschiene 14, 16 elektrisch verbunden sind. Die beiden Schalter 31a, 31b werden durch die Steuerungsschaltung 28 gesteuert und schalten abwechselnd eine Gleichspannung mit einer positiven Spannung und eine Gleichspannung mit einer negativen Spannung von den Schienen 14, 16 auf den aktiven Primärleiter 6. Ist der Primärleiter inaktiv, sind beider Schalter 31a, 31b geöffnet und kein Strom fließt in den Primärleiter 4. Die Steuerungsschaltung 28 ist des Weiteren derart ausgebildet, dass eine drahtlose und/oder
kabelgebundene Kommunikationsverbindung 34 mit einem anderen elektronischen Gerät, insbesondere mit einer benachbart angeordneten Schalteinheit 2 aufgebaut werden kann. Ebenso ist die Steuerungsschaltung 28 derart ausgelegt, dass über einen Mess(signal)eingang 32 der Stromfluss Ip und die Speisespannung Up des Primärleiters 4, 6 gemessen werden kann. Der Kompensationskondensator 36 kompensiert die Streuinduktion des Primärleiters 4, 6 und ermöglicht es, dass der Primärleiter 4, 6 in Resonanz betrieben werden kann. Auf der Seite des
Sekundärladesystems 17 ist der Sekundärleiter 20, 22 dargestellt, der mittels eines Magnetfelds (z. B. im Zirkular Modus oder Transversal Modus) mit dem Primärleiter 4, 6 magnetisch gekoppelt ist/wird. Hierbei wird eine Spannung induziert, die zum Aufladen des das Sekundärladesystem 17 beinhaltenden Fahrzeugs verwendet wird.
Figur 7 zeigt eine Seitenansicht auf die im Zirkular Modus betriebenen
Primäreinrichtung 1 von Figur 3, die an die Primärleiter 6a, 6b angeschlossenen Schalteinheiten 2 sowie die Spannungs-/Stromdiagramme für die Schalteinheiten, Primär- und Sekundärleiter. Die Anordnung und die Strombeschaltung der aktiven Primärleiter 6a und 6b zur Erzeugung des Magnetfelds 24 wurde bereits in Figur 4a erläutert. Zusätzlich ist dargestellt, dass jeder Primärleiter 4, 6a, 6b mit einer eigenen Schalteinheit 2 (mit den Nummerierungen 1 bis 8) elektrisch verbunden ist. In den vier rechts angeordneten Signaldiagrammen sind die Spannung des Wechselrichters, der Strom der Wechselrichter mit den Nummern 1 und 2, der Strom der Wechselrichter mit den Nummern 7 und 8 und der sekundärseitig empfangene Strom zu sehen. Der Strom der Wechselrichter 1 und 2 und der Strom der Wechselrichter 7 und 8 sind amplituden- und frequenzgleich, aber weisen in dem dargestellten Betriebsmodus eine gegenseitige
Phasenverschiebung von 180 Grad bzw. p auf.
Figur 8 zeigt eine Seitenansicht auf die im Transversal Modus betriebene
Primäreinrichtung 1 von Figur 3, die an die Primärleiter 6a angeschlossenen Schalteinheiten 2 sowie die Spannungs-/Stromdiagramme für die Schalteinheiten, Primär- und Sekundärleiter. Die Anordnung und die Strombeschaltung der aktiven Primärleiter 6a zur Erzeugung des Magnetfelds 26 wurde bereits in Figur 4b erläutert. Zusätzlich ist dargestellt, dass jeder Primärleiter 4, 6a mit einer eigenen Schalteinheit 2 (mit den Nummerierungen 1 bis 8) elektrisch verbunden ist. In den vier rechts angeordneten Signaldiagrammen sind die Spannung des Wechselrichters bzw. Speiseeinheiten, der Strom der Wechselrichter bzw.
Speiseeinheiten mit den Nummern 3 und 4, der Strom der Wechselrichter bzw. Speiseeinheiten mit den Nummern 5 und 6 und der sekundärseitig empfangene Strom zu sehen. Der Strom der Wechselrichter 3 und 4 und der Strom der
Wechselrichter 5 und 6 sind gleich, insbesondere phasen-, amplituden- und frequenzgleich.
Figur 9 zeigt eine weitere Seitenansicht auf die im Transversal Modus betriebene Primäreinrichtung 1 von Figur 3, die an die Primärleiter 4 und 6a
angeschlossenen Schalteinheiten 2 (in zwei verschiedenen Zuständen, 1. und 2.) sowie die Stromdiagramme Ip3 bis Ip7 von den Schalteinheiten 2 mit den
Nummern 3 bis 7 bzw. den Primärleitern 6a. Die in den Stromdiagrammen gezeigten Wechselströme sind phasen-, amplituden- und frequenzgleich und sind über eine Zeit von 1,5 ms bis 2,5 ms dargestellt worden. In der Zeit bis 2,0 ms (1. Zustand) erzeugen die Schalteinheiten 2 mit den Nummern 3 bis 6 die Ströme Ip3 bis Ip6 und somit über die Primärleiter 6a das gezeigte Magnetfeld 26. Ab 2,0 ms beginnt der Wechselrichter der Schalteinheit Nummer 7 den Primärleiter 4 mit dem gleichen Wechselstrom zu versorgen. Gleichzeitig wird der Wechselrichter der Schalteinheit Nummer 3 deaktiviert, wobei der Wechselstrom Ip3 nach einer kurzen Zeit (ca. 0,5 ms Abschwingzeit) auf Null Ampere abklingt. Die Zeit zwischen 2,0 ms und 2,1 ms wird als Übergangszeitraum erachtet, in dem der Strom Ip3 ausschwingt und der Strom Ip7 einschwingt. Ab 2,1 ms (2. Zustand) sind nun die Schalteinheiten mit den Nummern 4 bis 7 und die entsprechenden Primärleiter 6a aktiv und das Magnetfeld 26 hat sich um ein Inkrement
verschoben. Diese Schritte können von einer Schalteinheit zur nächsten
benachbarten Schalteinheit stets fortgesetzt werden. Das gleiche gilt für die Anordnung und Beschaltung der Primärleiter für ein Magnetfeld im Zirkularen Modus.
Bezugszeichen
1 Ladesystem Primärteil/Primäreinrichtung
la Ladesystem Primärteil/Primäreinrichtung (als weiteres Ausführungsbeispiel)
2 Elektronische Schalteinheit
3 Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds 4 elektrischer Primärleiter - inaktiv
4a erste Hinleitung (der Leiterschlaufe)
4b Rückleitung (der Leiterschlaufe)
4c zweite Hinleitung (der Leiterschlaufe)
5 Leiterschlaufe
6 elektrischer Primärleiter - aktiv
6a elektrischer Primärleiter (Strom fließt aus der Zeichnungsebene)
6b elektrischer Primärleiter (Strom fließt in die Zeichnungsebene)
8 elektrisch leitendes Blech / Erdung / Erdungsschiene
8a Bodenblech
8b Seitenblech
8c Seitenblech
10 Ferritstreifen
12 Gleichstromquelle
14 positive Gleichstromschiene
16 negative Gleichstromschiene
17 Ladesystem Sekundärteil/Sekundäreinrichtung
18 Ferritplatte (des Sekundärteiles des Ladesystems bzw. der Sekundärspule)
20 elektrischer Sekundärleiter - inaktiv
22 elektrischer Sekundärleiter - aktiv
24 Magnetfeld - Zirkular Modus
26 Magnetfeld - Transversal Modus
28 Steuerungsschaltung (mit Kommunikations- und Detektionseinheit)
30 Speiseeinheit (Wechselrichter)
31a Erster gesteuerter Schalter
31b Zweiter gesteuerter Schalter
32 Messsignaleingang
34 Kommunikationsverbindung
36 Kompensationskondensator (für Primärleiter)

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds für ein induktives
Ladesystem,
mit
mindestens einem elektrischen Leiter (4; 6) zum Erzeugen des Magnetfelds,
einer Speiseeinheit (30) zum Erzeugen eines Wechselstroms für den mindestens einen elektrischen Leiter (4; 6), und
einer Detektionseinheit zum Detektieren eines
Sekundärladesystems,
geken nzeich net d u rch
eine Kommunikationseinheit zum Senden und Empfangen von Daten an/von einer gleichartigen Vorrichtung,
wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, die Speiseeinheit (30) mittels der Detektionseinheit und/oder mittels der empfangenen Daten und somit die Erzeugung des Magnetfelds zur induktiven Energieübertragung zu steuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Kommunikationseinheit ausgebildet ist, die Daten drahtlos und/oder kabelgebundenen zu senden und zu empfangen, und wobei die
Detektionseinheit ausgebildet ist, das Sekundärladesystem, insbesondere dessen Art und Typ, zu identifizieren und die genannten Daten basierend auf einem identifizierten Sekundärladesystem zu erzeugen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Vorrichtung ausgebildet ist, mit einem Gleichstrom versorgt zu werden, und wobei die Speiseeinheit (30) insbesondere mit einer Halb- oder Vollbrückenschaltung ausgebildet ist, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dad u rch g eken nzeich net, dass die Detektionseinheit ausgebildet ist, mittels einer Messung der Impedanz des elektrischen Leiters (4; 6), einer Messung des Spannungsabfalls am elektrischen Leiter (4; 6) und/oder eines durch den elektrischen Leiter empfangen Pilotsignals ein Sekundärladesystem zu detektieren und/oder zu identifizieren.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Detektionseinheit ein Empfangsmittel, insbesondere in Form einer Detektionsspule, aufweist, um ein Sekundärladesystem zu detektieren und/oder zu identifizieren.
6. Primäreinrichtung (1) eines induktiven Ladesystems zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung an Transportmittel, wobei die
Primäreinrichtung (1) in einer Fahrbahnebene anordbar ist,
mit
einer Vielzahl von Vorrichtungen (3) zum Erzeugen eines Magnetfelds, die Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Vorrichtungen (3) kommunikativ miteinander verbunden sind und eine Vielzahl von elektrischen Leitern (4; 6) zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweisen,
wobei die Anordnung und die Ansteuerung der elektrischen Leiter (4; 6) derart ausgebildet sind, dass ein Magnetfeld (24; 26) durch mindestens einen Teil der elektrischen Leiter (4; 6) erzeugbar und dieses Magnetfeld durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Leiter mit einer stetigen Bewegung in Schritten kleiner der Ausdehnung des erzeugbaren Magnetfeldes verschiebbar ist.
7. Primäreinrichtung (1) nach Anspruch 6,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Ansteuerung der elektrischen Leiter (4; 6) abhängig von der Position, Geschwindigkeit, Form und Typ des durch mindestens eine Vorrichtung (3) detektierten Sekundärladesystems erfolgt.
8. Primäreinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dad u rch g eken nzeich net, dass
die elektrischen Leiter (4; 6) parallel zueinander und quer zu einer
Fahrtrichtung der Fahrbahnebene angeordnet sind.
9. Primäreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Ansteuerung der elektrischen Leiter (4; 6) derart ausgebildet ist, die elektrischen Leiter (4; 6) nach einem bestimmten Muster, mit einem bestimmten Wechselstrom und mit einer zeitlich bestimmten Schrittweise anzusteuern.
10. Primäreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die elektrischen Leiter (4; 6) aus Litzen, Massivleitern oder Rohren bestehen.
11. Primäreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dad u rch g eken nzeich net, dass
eine Kompensation des Blindwiderstandes der elektrischen Leiter (4; 6) durch in die Leiter oder die Vorrichtungen integrierte Kondensatoren (36) und/oder durch die Anordnung der elektrischen Leiter und der daraus resultierenden Impedanzen erfolgt.
12. Primäreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dad u rch g eken nzeich net, dass
die Rückführung des Wechselstromes der elektrischen Leiter (4; 6) zur Vorrichtung über mindestens ein unterhalb der Leiter angeordnetes, elektrisch leitfähiges Element (8) erfolgt, insbesondere in Form eines Blechs, eines Gitters und/oder einer Schiene.
13. Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfelds, insbesondere in Verbindung mit einer Primäreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Erzeugen mindestens eines Wechselstroms;
- Versorgen einer ersten Menge von elektrischen Leitern mit dem mindestens einen Wechselstrom, um ein Magnetfeld zu erzeugen; - Versorgen einer zweiten Menge von elektrischen Leitern mit dem mindestens einen Wechselstrom, um das Magnetfeld zu bewegen bzw. zu versetzen, wobei die elektrischen Leiter der zweiten Menge mit mindestens einem Teil der elektrischen Leiter der ersten Menge identisch sind oder in deren von den elektrischen Leitern der ersten
Menge abgedeckten Raum und/oder Fläche liegen bzw. angeordnet sind.
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