NL1037029C2 - Werkwijze en inrichting voor het draadloos opladen van elektrische voertuigen. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het draadloos opladen van elektrische voertuigen

Onderhavige vinding betreft een werkwijze of inrichting voor het opladen van elektrische voertuigen gekenmerkt door een eerste bij voorkeur spiraalgewonden spoel, middelen om een wisselend magnetisch en / of elektrisch veld op te wekken, een tweede bij voorkeur 5 spiraalgewonden spoel die aan een voertuig is bevestigd, middelen om een wisselend magnetisch en / of elektrisch veld om te zetten in een wisselspanning, middelen om de wisselspanning gelijk te richten, tenminste een accu of een condensator en middelen om tenminste een accu of condensator op te laden. De eerste en tweede spoel zijn galvanisch van elkaar gescheiden en indien gewenst treedt energie-overdracht op van de eerste spoel 10 naar de tweede spoel. De naar de tweede spoel overgedragen energie wordt aangewend om tenminste een condensator of accu op te laden. De in de accu opgeslagen elektrische energie wordt vervolgens gebruikt als energiebron voor een elektrisch voertuig.

Inleiding 15 In de toekomst zal de automobiliteit voor een groot deel zo niet geheel verzorgd gaan worden door elektrische voertuigen. Een van de kenmerken van elektrische auto's is dat de accu's in deze auto's periodiek opgeladen moeten worden. Men denkt dit nu te verzorgen door de aanleg van een netwerk van oplaadpunten waarbij de verbinding tussen auto en het net wordt verzorgd door een elektrische draad via een stopcontact.

20 Huidige uitvinding voorziet in het draadloos laden van accu's. Een draadloos concept heeft een aantal grote voordelen ten opzichte van een klassiek concept met draden en stopcontact: het is veiliger, de oplaadpunten kunnen in het wegdek of andere objecten worden verwerkt, indien een voertuig stilstaat kan het opladen ogenblikkelijk via een geautomatiseerd protocol geheel automatisch verlopen, het opladen kan in 25 verkeerssituaties gebeuren zoals bijvoorbeeld een bus die bij een bushalte stilstaat of een taxi bij een taxistandplaats en een auto kan desgewenst automatisch elektriciteit aan het net leveren.

Onderhavige vinding wordt nu in detail beschreven. Volgens een eerste aspect bestaat onderhavige vinding uit een eerste bij voorkeur spiraalgewonden spoel. Deze spoel is bij 30 voorkeur plat zodat deze kan worden ingebouwd in objecten die tevens een andere functie vervullen zoals een wegdek of een wand van een gebouw. Volgens een tweede aspect bestaat onderhavige vinding uit een functiegenerator en een versterker waarvan de uitgang is aangesloten op de eerste spoel. De frequentie van de wisselspanning die door de functiegenerator en de versterker wordt geleverd is bij voorkeur afgestemd op de 35 eigenschappen van de spoel i.e., de inductiviteit van de spoel en indien relevant ook de eigencapaciteit van de spoel. Volgens een derde aspect bestaat onderhavige vinding uit een tweede bij voorkeur spiraalgewonden spoel die bij voorkeur ook plat is zodat deze 1037029 2 eenvoudig kan worden ingebouwd in bijvoorbeeld een voertuig. Onder voertuig wordt in dit geval onder andere een auto verstaan. De afmetingen van de tweede spiraalgewonden spoel alsmede het aantal windingen zijn afgestemd op de frequentie van de wisselspanning.· die door de functiegenerator en versterker wordt geleverd aan de eerste spoel. Volgens 5 een vierde aspect zijn de eerste en tweede spoel galvanisch van elkaar gescheiden. Volgens een vijfde aspect is in onderhavige vinding de tweede spoel elektrisch verbonden met middelen om de wisselspanning die in de tweede spoel wordt opgewekt gelijk te richten. Volgens een een zesde aspect van onderhavige vinding wordt de gelijkgerichte wisselspanning rechtstreeks of indirect aangesloten op tenminste een supercondensator of 10 een accu. Onder indirecte aansluiting van de gelijkspanning op een supercondensator of een accu wordt in dit verband een microprocessor gestuurde oplader van een supercondensator of accu verstaan. Volgens een zevende aspect van onderhavige vinding wordt indien gewenst energie overgedragen van de eerste spoel naar de tweede spoel en wordt deze energie na gelijkrichting aangewend om tenminste een accu of condensator op 15 te laden die het vervolgens mogelijk maakt om een verbruiker van elektrische energie te voorzien.

Nu de kern van onderhavige vinding is beschreven volgt een aantal voorkeuruitvoeringsvormen.

In een eerste voorkeuruitvoeringsvorm bestaat de functiegenerator uit een microprocessor 20 zodat de frequentie en amplitude afhankelijk van de belasting op de tweede spiraalgewonden spoel softwarematig kunnen worden ingesteld. Als niet limiterend voorbeeld van een microprocessor die voor dit doeleinde kan worden aangewend is de PIC16F84A. Bij toepassing van een microprocessor als functiegenerator wordt de klokfrequentie van de microprocessor als tijdsbasis gebruikt. Vervolgens wordt 25 softwarematig alternerend tenminste een uitgang hoog of laag gezet. Bij voorkeur worden 2 uitgangen alternerend hoog en laag gezet. De uitgangen zijn vervolgens op een tussenversterker aangesloten, bijvoorbeeld een BC547B NPN transistor. De uitgang van de transistor wordt gebruikt om een FET, bijvoorbeeld van het type IRF540, te voeden. De FETs zijn middels een single ended of push pull schakeling aangesloten op een 30 spiraalgewonden spoel. Deze spiraalgewonden spoel heeft bij toepassing van een push pull schakeling als driver een middenaftakking waar de spanningsbron op wordt aangesloten zoals dit volgens klassieke push pull schakeltechnieken gebruikelijk is. Het is voor de vakman duidelijk dat een op deze wijze verkregen functiegenerator en versterker eenvoudig is, tegen lage kosten kan worden geproduceerd en zeer flexibel is omdat de 35 eigenschappen van de functiegenerator softwarematig ingesteld kunnen worden.

In een tweede voorkeuruitvoeringsvorm bestaat onderhavige vinding uit tenminste een platte spiraalgewonden spoel met aan weerszijden van een platte houder, zoals een 3 printplaat, een deel van het aantal windingen. De richting waarin de windingen zijn gewikkeld aan weerszijden van de spoel is zodanig gekozen dat het door beide spoeldelen opgewekte veld in dezelfde richting loopt. Het aantal windingen van de stukken spoel aan weerszijden van de platte houder alsmede de geometrie van deze spoeldelen is bijvoorkeur 5 aan beide zijden gelijk. De spoeldelen aan elke zijde van de houder zijn middels een doorverbinding van de bovenkant naar de onderkant van de platte houder met elkaar verbonden. In een push pull toepassing wordt deze doorverbinding bij voorkeur gebruikt als middenaftakking van de spoel.

In een derde voorkeuruitvoeringsvorm bevat de technologie volgens onderhavige vinding 10 tenminste een afgestemde kring. Deze afgestemde kring wordt gerealiseerd door tenminste een condensator in serie met of parallel aan de eerste of de tweede bij voorkeur spiraalgewonden spoel te schakelen. Opgemerkt wordt dat deze condensator achterwege kan worden gelaten indien een zodanige spoelgeometrie gekozen wordt dat de eigencapaciteit van de spoel voldoet om een afgestemde kring te realiseren bij de 15 frequentie waarop de functiegenerator is ingesteld.

In een vierde voorkeuruitvoeringsvorm bevat de technologie volgens onderhavige vinding tenminste een diode en bij voorkeur een diodebrug en condensator om de in de tweede spoel gegenereerde wisselspanning gelijk te richten en af te vlakken. Indien met hoogspanning wordt gewerkt kan desgewenst gekozen worden voor een gepulseerde 20 gelijkspanning die niet of slechts beperkt middels een condensator wordt afgevlakt. Het is voor de vakman duidelijk dat een gepulseerde hoogspanning met voldoende hoge frequentie minder gevaarlijk is dan een afgevlakte hoogspanning waarbij een grote hoeveelheid energie in hoogspanningscondensators wordt opgeslagen. Opgemerkt wordt dat deze werkwijze vanuit energetisch oogpunt bijzonder voordelig kan zijn in combinatie 25 met het opladen van een accu middels gelijkstroompulsen. Indien een accu wordt opgeladen treedt enerzijds een chemische reaktie op en vindt anderzijds ionentransport en concentratiepolarisatie plaats. Tijdens het oplaadproces gedraagt een accu zich hierdoor als een belastingsweerstand met een capaciteit. Deze capaciteit kan worden aangewend om op efficiënte manier zeer kortstondig elektrische energie op te slaan wanneer de accu 30 via een gepulseerde gelijkstroom wordt opgeladen.

In een vijfde voorkeuruitvoeringsvorm bevat de technologie volgens onderhavige vinding een microprocessor die middels software regelt hoeveel elektrisch vermogen via de eerste spoel draadloos wordt afgenomen en die eveneens een oplaadprofiel van een op de tweede spoel aangesloten condensator of accu regelt. Het is voor de vakman duidelijk dat 35 dit relatief eenvoudig mogelijk is aangezien de eerste en tweede spoel gekoppeld zijn en de belasting op de tweede spoel direct tot uiting komt in een groter vermogen dat door de versterker aan de eerste spoel wordt afgegeven.

4

In een zesde voorkeuruitvoeringsvorm bevat de technologie volgens onderhavige vinding een intelligent communicatiesysteem zoals Wifi or RFID technologie zodat een verbruiker automatisch wordt herkend zodra deze in de buurt van een elektrisch oplaadstation komt. Desgewenst wordt automatisch een oplaadproces gestart zodra dit geometrisch en vanuit 5 optiek van energie-efficiency mogelijk is. Opgemerkt wordt dat, naast Wifi of RFID technologie, het ook heel goed mogelijk is om draadloze communicatie tussen verbruiker en laadstation te realiseren middels telefonie i.e., middels GSM technologie of middels portofoons. Daarnaast is ook de toepassing van ultrasone trillingen, meer specifiek gemoduleerde ultrasone trillingen, uitermate geschikt voor communicatie tussen verbruiker 10 en oplaadstation. Verder kan ook op het inductiesignaal dat de energie overdraagt van de eerste naar de tweede spoel een informatiedrager gesuperponeerd worden bijvoorbeeld door het inductiesignaal amplitude te moduleren met een kleine modulatiediepte. Het is de vakman duidelijk dat de communicatiedichtheid van een gegevensuitwisseling tussen verbruiker en oplaadstation gering kan blijven.

15 In een zevende voorkeuruitvoeringsvorm bevat de technologie volgens onderhavige vinding middelen om de stroom die wordt overgedragen te meten en een schakeling die de stroom begrensd of de stroomlevering uitschakelt indien teveel vermogen wordt gevraagd. Middelen om de stroom te meten kunnen bijvoorbeeld bestaan uit een spoel die het magnetisch veld met om een stroomvoerende draad, een zeer kleine serieweerstand 20 waarover de spanning wordt gemeten of een ultrasone sensor die de amplitude van de ultrasone trillingen meet die door de wisselstroom in de draad of door wervelstromen in een metalen sensor ontstaan.

In een achtste uitvoeringsvorm worden onder een voertuig middelen aangebracht die voorkomen dat de efficiency van de energie-overdracht van de eerste spoel naar de 25 tweede spoel wordt beperkt doordat wervelstromen in het metalen chassis van het voertuig, met name het plaatwerk onder de auto, gaan lopen. Enerzijds kunnen dergelijke wervelstromen worden beperkt door de keuze van de juiste frequentie van de wisselspanning. Een andere methode die al dan niet in combinatie met een slimme keuze van de frequentie van de wisselspanning kan worden toegepast is het vergroten van de 30 koppeling tussen de eerste en de tweede spoel waartussen de energie-overdracht plaatsvindt. De koppeling tussen de eerste en de tweede spoel kan worden vergroot door bijvoorbeeld gebruik te maken van ferriet dat zich rondom en ten dele tussen beide spoelen bevindt. Door de geometrie van de ferrietmiddelen volgens stand der techniek van transformatortechnologie te kiezen of door een dergelijke situatie zoveel mogelijk te 35 benaderen kan de energieoverdracht van de eerste spoel zoveel mogelijk gericht worden op de tweede spoel waardoor wervelstromen in het chassis van de auto beperkt blijven. Opgemerkt wordt dat wervelstromen in het chassis van de auto in sommige gevallen juist 5 gewenst zijn. Zo is het mogelijk om met de technologie volgens onderhavige vinding in zeer koude gebieden, i.e., in gebieden waar het risico bestaat dat diesel of andere brandstof bevriest, op een volledig automatische manier de brandstof in een voertuig op de juiste temperatuur te houden ofte brengen. Hiertoe wordt, bijvoorbeeld ondereen parkeerplaats, 5 een eerste spoel aangebracht. Wanneer een auto op de parkeerplaats wordt geparkeerd wordt vervolgens een hoeveelheid energie via de eerste spoel op het chassis van de auto overgedragen. De maximale hoeveelheid energie die wordt overgedragen wordt middels een beveiliging beperkt maar is voldoende om de temperatuur van het chassis van de auto boven het vriespunt van de brandstof te houden. Aangezien het chassis van de auto in dit 10 geval wordt verwarmd door middel van de wervelstromen in het metaal, is een tweede spoel niet nodig. Kort gezegd houdt dit in dat een auto geen aanpassingen behoeft om gebruikt te worden in combinatie met onderhavige vinding. Een brandstof verwarmingssysteem zoals in deze aanvrage beschreven maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding.

15 In een negende uitvoeringsvorm wordt de eerste spoel met een gepulseerde wisselspanning aangestuurd. Vervolgens worden aan de secundaire spoel verschillende microprocessoren gekoppeld die elk individueel op een zorgvuldig gekozen tijdstip ten opzichte van elkaar individuele schakelingen aansturen die energie aan de secundaire spoel onttrekken. Hierdoor ontstaat een situatie dat verschillende verbruikers waaronder 20 accu's en / of condensators gelijktijdig van stroom kunnen worden voorzien terwijl toch de belasting van spoel 2 op elk tijdstip optimaal is.

In een tiende uitvoeringsvorm wordt middels een veiligheidscode en middels draadloze protocollen voorkomen dat ongeoorloofd gebruik kan worden gemaakt van de draadloze energievoorziening en wordt informatie uitgewisseld op basis waarvan de verbruiker, al dan 25 niet automatisch, voor een oplaadsessie kiest, gefaktureerd wordt, elektriciteit gaat leveren aan het net indien dat gewenst is of zich inert gedraagt ten opzichte van het draadloze energiesysteem.

In een elfde uitvoeringsvorm wordt vanuit een centrale energievoorziening i.e., een centrale voeding uit het net, een netwerk van eerste spoelen van wisselspanning voorzien. De 30 amplitude van de wisselspanning die aan elke spoel wordt aangeboden is zeer klein en elke spoel bevindt zich in een "standby toestand". Middels een sensorsysteem, dat in de meest rudimentaire vorm uit een serieweerstand per spoelaansluiting bestaat, wordt gemeten van welke spoelen elektrische energie wordt afgenomen. Indien een significante hoeveelheid energie van een spoel wordt afgenomen is dit een teken dat een 35 energieverbruikend object op een parkeerplaats is neergezet. Vervolgens wordt middels een veiligheidscode en middels draadloze communicatie vastgesteld of het geparkeerde object in aanmerking komt om te worden opgeladen. Indien dit zo is wordt middels een 6 microprocessor vanuit de centrale energievoorziening het vermogen naar de energie-overdragende spoel opgevoerd en wordt het voertuig van energie voorzien. Op deze wijze wordt zowel een veilige energie-overdracht gerealiseerd omdat de elektrische en / of magnetische en / of elektromagnetische straling zich tijdens het opladen concentreert 5 tussen de zendspoel (de eerste spoel) en de ontvangstspoel (de tweede spoel). De straling die in de standby toestand wordt geproduceerd is zo klein dat deze niet schadelijk is. Deze op zich al niet schadelijke hoeveelheid straling kan nog verder worden gereduceerd door in zeer kleine tijdsintervallen, bijvoorbeeld elke vijf seconden gedurende 5 microseconden, de standby meting te doen en het systeem de rest van de tijd uit te schakelen.

10 In een twaalfde uitvoeringsvorm wordt middelen in combinatie met de technologie volgens onderhavige vinding toegepast ter voorkoming van storing in elektrische circuits van de auto onder invloed van het elektrische en / of magnetische en / of elektromagnetische veld dat wordt opgewekt door de eerste spoel(en). Als niet limiterende opsomming van middelen ter voorkoming van storing zijn: bandfilters in de eindtrap van de versterker volgens 15 onderhavige vinding, een kooi van Faraday of een benadering daarvan, energie-overdracht in een frequentiegebied dat de elektrische circuits van de auto alsmede de afstandsbediening van de auto niet beïnvloedt. De energie-overdracht kan worden gerealiseerd door middel van een wisselspanning met een frequentie in het gebied van 1 Hz tot 10 GHz, bij voorkeur in het gebied van 1 kHz tot 100 MHz, nog meer bij voorkeur in 20 het gebied van 10 kHz tot 20 MHz en het meest bij voorkeur in het gebied van 20 kHz tot 10 MHz. Ook energie-overdracht bij meerdere frequenties gelijktijdig maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding.

In een dertiende uitvoeringsvorm wordt de technologie volgens onderhavige vinding toegepast in combinatie met een of meerdere cylindrische eerste spoelen en / of 25 spiraalgewonden eerste spoelen en / of toroide eerste spoelen en / of netwerken van deze eerste spoelen bovenelkaar en / of netwerken van deze eerste spoelen onderelkaar en / of individuele eerste spoelen bovenelkaar en / of individuele eerste spoelen naast elkaar en / of een of meerdere cylindrische tweede spoelen en / of spiraalgewonden tweede spoelen en / of toroide tweede spoelen en / of netwerken van deze tweede spoelen bovenelkaar 30 en / of netwerken van deze tweede spoelen onderelkaar en / of individuele tweede spoelen bovenelkaar en / of individuele tweede spoelen naast elkaar.

Verder wordt opgemerkt dat de technologie volgens onderhavige vinding ook kan worden toegepast in combinatie met meer klassieke technologieën. Zo kan de wisselspanning worden opgewekt met klassieke oscillatoren waaronder een Colpitts oscillator, een Hartley 35 oscillator, een oscillator op basis van een 555 timer IC maar niet daartoe beperkt.

Tot slot wordt opgemerkt dat het begrip voertuig in onderhavige vinding ruim geïnterpreteerd dient te worden i.e.als verplaatsbare objecten. Stofzuigers, grasmaaiers, 7 schoonmaakapparatuur voor zwembaden, verkenningsvliegtuigjes, golfkarretjes, elektrische boten, kermisattracties, laptops, PDA's, mobiele telefoons, elektrisch gereedschap, heftrucks en reinigingsapparatuurzijn niet limiterende voorbeelden van voertuigen volgens de definitie van onderhavige vinding.

5 10 15 20 25 30 35 1 0 3 7 0 2 9

Claims (7)

1. Inrichting voor het draadloos overdragen van elektrische energie naar een voertuig gekenmerkt door: • Middelen om een wisselspanning of een gepulseerde gelijkspanning of een 5 combinatie hiervan op te wekken • Een versterker met tenminste een vermogenstransistor waaronder een FET in de eindtrap • Een eerste spoel die elektrisch verbonden is met de eindtrap van de versterker

10. Een tweede spoel die galvanisch gescheiden is van de eerste spoel en die verbonden is met een belastingsweerstand • Middelen om de wisselspanning over de tweede spoel gelijk te richten • Een belastingsweerstand die tenminste ten dele bestaat uit een condensator of een accu of beiden

2. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij de versterker tenminste uit een push pull eindtrap bestaat.

3. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 waarbij de middelen om de wisselspanning of gepulseerde gelijkspanning op te wekken tenminste een microprocessor bevatten.

4. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij de microprocessor alternerend tenminste 2 logische uitgangen in- en uitschakelt en in een signaal voorziet om volgens een push pull principe stroom door een spoel te sturen.

5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 4 waarbij via een 25 draadloos protocol informatie wordt uitgewisseld tussen de inrichting die met de eerste spoel is verbonden en de inrichting die met de tweede spoel is verbonden en waarbij de aard van de energie-overdracht tussen beide inrichtingen wordt bepaald op basis van de uitgewisselde informatie.

6. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 5 met sensoren die 30 meten bij welke eerste spoel een energieverbruiker aanwezig is waarna communicatie tussen energieverbruiker en centraal energiesysteem wordt gestart met als resultaat een besluit tot wel of geen energielevering vanuit het centraal energiesysteem naar de verbruiker.

7. Werkwijze voor het draadloos overdragen van elektrische energie naar voertuigen 35 volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 6. 1 0 370 29