WO2013023647A2 - Anordnung und verfahren zur steuerung einer induktiven energieversorgungseinrichtung für elektrofahrzeuge - Google Patents

Anordnung und verfahren zur steuerung einer induktiven energieversorgungseinrichtung für elektrofahrzeuge Download PDF

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Detlef Tenhagen
Peter Feldmann
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Harting Electric Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a power supply device for feeding a drive of at least one electric vehicle, in particular a rail-bound electric vehicle, wherein the energy supply device comprises a plurality of provided for feeding the drive of the electric vehicle induction loops, and wherein the arrangement comprises at least one arranged on the electric vehicle transmitter, which is adapted to a emit electromagnetic wave, and that the power supply device comprises at least one evaluation unit which is adapted to detect the electromagnetic wave.
  • the term “electric vehicle” refers to a vehicle which has an electric drive Inductive energy supply devices are used to drive electric vehicles in the form of a large number of induction loops, for example in rail transport.
  • Inductive energy supply devices are used to drive electric vehicles in the form of a large number of induction loops, for example in rail transport.
  • the document DE4405907A1 discloses a drive of road vehicles by means of an electromagnetic traveling field (linear motor).
  • EP1726084B1 describes the inductive feeding of a magnetic levitation railway.
  • the publication DE102006017220A1 describes a method for detecting the presence of a rail vehicle in a track section on the basis of a track circuit forming resonant circuit, in which a transmitter feeds a modulated test AC voltage, the resonant circuit detuned in the case of the presence of a rail vehicle and the amplitude of the test AC voltage is attenuated accordingly. This is registered by a signal processing receiver with a downstream computer. Time points of the modulation change generated by the transmitter are used as a time base for the signal processing by the receiver and the computer.
  • the power supply is switched off again via the respective induction loop.
  • a drawback in the current state of the art is that the automatic switching on and off of the induction loops is not precise enough to ensure such protection.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement and a method which are suitable for increasing the accuracy of switching on and off the induction loops of such an inductive power supply device.
  • This object is achieved with a power supply device of the kind mentioned in that at least one of the induction loops is connected to such an evaluation unit. Furthermore, the object is achieved in that the electromagnetic wave emitted by the transmitter generates in one of the induction loops at least one electrical effect which is used to switch on one of the induction loops, in particular that induction loop in which the electrical effect is generated.
  • turning on the induction loop means that the induction loop starts to transmit energy to drive the electric vehicle drive
  • turning off the induction loop means that the induction loop ends this energy transfer process
  • the invention relates to an apparatus and a method for controlling a power supply device for electric vehicles, ie electrically powered vehicles, in particular electrically driven rail vehicles, wherein the power supply device is adapted to inductively feed the electric vehicles, namely in the travel path of the respective electric vehicle , in particular embedded in the rails induction loops, which are operated with a sufficiently large alternating current at a sufficiently high frequency.
  • the power supply device is adapted to inductively feed the electric vehicles, namely in the travel path of the respective electric vehicle , in particular embedded in the rails induction loops, which are operated with a sufficiently large alternating current at a sufficiently high frequency.
  • a dedicated energy receiving device which for example in a receiving induction loop associated with the electric vehicle is located directly above the switched-on induction loop, thereby enabling optimum energy transfer.
  • The are in the Travel path of the electric vehicle arranged induction loops by the moving electric vehicle successively switched on and off.
  • Receiver of the electromagnetic wave assumes, because thereby an optimal geometric match and thus a particularly accurate localization of the electric vehicle, in particular its Empfangsindutationsschleife on the induction loop to be turned on, is made possible. This also the efficiency and reliability of
  • the evaluation unit can be electrically connected to the induction loop, i. be electrically connected to the induction loop, whereby a robust signal transmission between the induction loop and the evaluation unit is ensured.
  • the evaluation unit may be inductively connected to the induction loop, i. be inductively coupled to the induction loop, whereby DC signals and / or certain frequency components can be suppressed.
  • the induction loop may be in the direction of travel of the electric vehicle a length of 1 to 20 m, preferably 2 to 1 6 m, in particular 4 to 12 m, more preferably 6 to 10 m and in a very particularly preferred embodiment 8 m, which in each case by individual Criteria particularly advantageous compromise between the installation effort and the operating principle can be created.
  • the electromagnetic wave On entry of the transmitter into a geometric region above the induction loop, the electromagnetic wave can be coupled in and out at a first time into a first subregion of the induction loop and thus generate a first electrical effect in the induction loop. Thereafter, the electromagnetic wave at the exit of the transmitter from this geometric region at a second time in a second portion of the induction loop and decouple again and thus produce a second electrical effect in the induction loop.
  • the induction loop may have in their dimensions at right angles to the direction of travel of the electric vehicle has a width which is an integer multiple of half the wavelength of the electromagnetic wave.
  • a width which is an integer multiple of half the wavelength of the electromagnetic wave.
  • the induction loop is designed meandering. Then arise in the induction loop advantageously more than two electrical effects that can be evaluated.
  • an output of the evaluation unit is connected via a transmission path, in particular via a radio transmission path, to a switching element which is provided for switching the induction loop on and off.
  • the transmission path can also be a signal line, for example an electrical signal line.
  • the output of the evaluation unit can be connected via the transmission path, in particular via the signal line, to a special switch-on input of the switching element.
  • the switching element can have an additional switch-off input.
  • Switching input for example, a second evaluation unit, which belongs to an adjacent induction loop, be connected via a second transmission path. This has the advantage that the induction loop is automatically switched off as soon as the adjacent induction loop is switched on.
  • the switching element can be electrically conductively connected to a power supply which is provided for supplying the induction loop.
  • the switching element may be connected to the induction loop via a so-called frequency converter.
  • the frequency converter can be connected via the switching element to the power supply device and on the other hand be electrically conductively connected to the induction loop and supply the induction loop by closing the switching element with a sufficiently high-frequency alternating current, so as to the inductive energy transfer between the induction loop and to ensure the electric vehicle.
  • the frequency converter is characterized by the fact that it from the current of the power supply, which may be in the form of an alternating current with 1 6.3 Hz, for example, to enable the inductive energy transfer an alternating current with a sufficiently high for inductive energy transfer frequency in the range of 30 to 45 kHz is generated.
  • an electrically conductive connection between the power source and the frequency converter To turn off the induction loop, this electrically conductive connection can be interrupted by the switching element again.
  • a required switching signal for switching on can the switching element via the first transmission path from the evaluation unit.
  • This switching signal for switching on can generate the evaluation unit in particular by evaluating the second electrical effect. This has the advantage over the use of the first electrical effect that a transmitter mounted on the front of the electric vehicle switches on the induction loop when the induction loop is completely covered by the electric vehicle.
  • the first electrical effect of the adjacent induction loop can be used to turn on the induction loop.
  • This also has the advantage that a front mounted on the electric vehicle transmitter turns on the induction loop with complete coverage of the induction loop by the electric vehicle.
  • the evaluation unit may also have a further output which is connected to the turn-off input of the switching element. Then the first electrical effect in the induction loop for switching on and the second electrical effect in the induction loop for switching off this induction loop can be used. Then, a switching signal of the evaluation unit, which results from the evaluation of the second electrical effect of the induction loop, can be used to close a second switching element, namely the switching element of the adjacent induction loop, via its turn-on input and thus to turn on the adjacent induction loop.
  • both the first and the second electrical effect must be detected so that the induction loop is switched on.
  • first the first electrical effect is detected.
  • Information about this detection of the first electrical effect can, for example, be stored in a memory provided for this purpose. block for a specific period of time.
  • the second electrical effect is detected and, simultaneously with this detection of the second electrical effect, the induction loop is switched on as a function of the previous detection of the first electrical effect.
  • This frequency generator can generate a sinusoidal signal having the carrier frequency fo of the electromagnetic wave.
  • a measurement signal is produced which no longer has a carrier frequency and is therefore particularly well suited for detection.
  • the evaluation unit may comprise both analog and digital components, namely an input amplifier, in particular a differential amplifier, particularly preferably an operational amplifier, a rectifier, which may be part of the input amplifier, a bandpass filter, which is also part of the input amplifier may be at least one, preferably two differentiators, a comparator, in particular a Schmidt trigger, and a logic device, which is in particular a "TTL” (transistor-transistor-logic) device, an "ECL” ( Emmitter-Coupled-Logic) logic device or to a "CMOS” (Complementary Metal Oxide Semiconductor Engine) logic device can act.
  • an input amplifier in particular a differential amplifier, particularly preferably an operational amplifier, a rectifier, which may be part of the input amplifier, a bandpass filter, which is also part of the input amplifier may be at least one, preferably two differentiators, a comparator, in particular a Schmidt trigger, and a logic device, which is in particular a "TTL” (transistor-transistor
  • the evaluation unit it is possible with such an evaluation unit to robustly and precisely detect the point in time at which the transmitter exceeds the first or the second subregion of the induction loop.
  • the maximum of an envelope of the associated first and the second electrical effect by detecting the zero crossing of the first derivative, i. of the output signal of the first differentiator are detected with a simultaneous negative edge by the Schmidt trigger.
  • the zero crossing of the second derivative e.g. with a positive or negative edge, are evaluated by the Schmidt trigger, whereby a slight time shift of the switching on of the induction loop can be achieved, so as to optimize the timing of switching on the induction loop, for example, for improved energy transfer.
  • the at least one carrier frequency is in the "High Frequency” (HF) range, in the “Very High Frequency” (VHF) range and / or in the "Ultra High Frequency” (UHF) range RF range from 3 MHz to 30 MHz, the VHF range from 30 MHz to 300 MHz and the UHF range from 300 MHz to 3 GHz.
  • HF High Frequency
  • VHF Very High Frequency
  • UHF Ultra High Frequency
  • the transmitter can switch the carrier frequency of the electromagnetic wave during the transmission process at defined time intervals, ie at different time intervals. use different carrier frequencies, so that by the resulting temporal frequency jumps a coding is produced, which can be detected via the appropriately executed evaluation using an associated frequency demodulator and thus allows a unique assignment of the transmission and the electric vehicle.
  • This frequency pattern can include a corresponding encryption in the form of a so-called "frequency hopping key.”
  • This frequency hopping key can be stored both in the transmitter and in the evaluation unit in order to switch on the induction loop from the coincidence of the frequency hopping key This is particularly advantageous because it can ensure that only eligible electric vehicles are supplied with the energy of the induction loop provided for their supply, which can also inadvertently switch on an induction loop The energy supply device can thus be protected against unauthorized removal of energy.It is of particular advantage if the transmitter connected to the electric motor can be protected by an electric vehicle that travels for example on an adjacent track is arranged to be a "Radio Frequency Identification Device” (RFID) reader, as described for example in ETSI EN 302 208-1 and ETSI EN 302 208-2, because such RFI D-Reader is already standardized and are available in the market.
  • RFID Radio Frequency Identification Device
  • a plurality of suitable RFI D transponders are arranged in and / or between the induction loops and can, for example, be used to identify the correct track when using RFID readers ensure and / or transmit via their sensor output the identification of the electric vehicle, for example, to the evaluation unit.
  • RFI D transponders can also be redundant to the already described detection of Electromagnetic wave can be used by the receiving unit by both the evaluation of the electrical effect and a signal of each RFI D transponder to turn on the induction loop is necessary.
  • the RFID transponder can be protected by a special code, ie with a password or a code from the authorized RFID
  • Readers are switched to increase operational safety and / or prevent sabotage and / or to ensure that only eligible electric vehicles receive the appropriate power supply.
  • the latter can also be used for payment services, in particular in private transport, by granting the right to supply energy from the corresponding
  • a timer can be arranged, for example in the evaluation unit or in the switching element, by which it is ensured that the induction loop does not remain switched on for longer than a period to be defined. This is advantageous in order to compensate for any detection errors and thus to provide for increased security for the protection of endangered persons, in particular persons who possess a pacemaker.
  • the induction loops and the optional RFID transponders, as well as other above-mentioned components of the arrangement can be integrated into prefabricated components, in particular prefabricated concrete components, which has the advantage of simple construction.
  • prefabricated components then need to be installed only in the desired infrastructure. If necessary, then
  • Rails are laid on it.
  • the rails can already be integrated into the prefabricated components.
  • a prefabricated component may in the intended direction of travel of the electric vehicle, for example, a length between 1 and 20 m, preferably between 2 to 1 6 m, in particular between 4 to 12 m, more preferably between 6 to 10 m and in a very particularly preferred embodiment, a length 8 m each, thus providing an advantageous compromise between the simple habitat and the desire to reduce production costs individually.
  • FIG. 1 shows an inductive power supply device for electric vehicles with an associated arrangement for the control thereof
  • FIG. 2 is a block diagram of an associated evaluation unit
  • FIG. 3 a shows the temporal voltage curve of a measurement signal at an input of the evaluation unit
  • FIG. 3 d shows the temporal voltage curve of the measuring signal at an output of a Schmidt trigger
  • FIG. 1 shows an arrangement for controlling an inductive power supply device for electric vehicles.
  • This arrangement comprises a plurality of induction loops 2, 2 ' provided for feeding a drive of an electric vehicle 1, in particular a first induction loop 2 and a to adjacent second induction loop 2 ' and other induction loops not shown in the drawing, which are arranged in the track of the electric vehicle, and at least one front of the electric vehicle 1 arranged transmitter 3, which emits an electromagnetic wave 4.
  • the first induction loop 2 is electrically conductively connected to an input of a first evaluation unit 5.
  • the first evaluation unit 5 has an output, which is connected to a first switching element 7 via a first transmission path 6, which may consist, for example, in a first signal line.
  • the first evaluation unit 5 is connected via the first signal line to a first switch-on input 71 of the first switching element 7.
  • a current source 10 for example a power plant, is connected to the first induction loop 2 via a first frequency converter 8, so that the first switching element 7 electrically connects the current source 10 to the first frequency converter 8 in the closed state.
  • the first evaluation unit 5 can thus switch on the first induction loop 2 via the first switching element 7. Furthermore, the first switching element 7 has a first Ausschalteingang
  • the first switch-off input 72 is connected via a second transmission path 6 ' to a second evaluation unit 5 ' , which belongs to the second induction loop 2 ' .
  • the second induction loop 2 ' is electrically connected to an input of the second evaluation unit 5 ' .
  • the second evaluation unit 5 'an output which via the second transmission path 6' is, which can consist, for example, in a second signal line in connection with a second power switching element 7 '.
  • the second evaluation unit 5 ' is connected via the second signal line to a second turn-on input 71 ' of the second switching element 7 ' .
  • the current source 10 is connected via a second frequency converter 8 ' to the second induction loop 2 ' , so that the second switching element 7 ' in the closed state, the power source 10 is electrically connected to the second frequency converter 8 ' connects.
  • the second evaluation unit 5 ' with a single signal on the second transmission path 6 ' both the first induction loop 2 off and simultaneously turn on the second induction loop 2 ' .
  • a second electrical effect is generated in the first induction loop 2. This is also evaluated by the evaluation unit 5. Depending on the previous detection of the first electrical effect, a switching signal is transmitted to the turn-on input 71 of the switching element 7 as a result of the second electrical effect through the evaluation unit 5, the switching element 7 is then closed and the first induction loop 2 becomes thereby turned on.
  • a second switching signal which is generated in the same way by the second evaluation unit 5 ' and which is provided to close the second switching element 7 ' via its turn-on input 71 ' via the second transmission path 6 ' second induction loop 2 ' , simultaneously used to open the first switching element 7 via the first turn-off input 72 and thus turn off the first induction loop 2.
  • the second switching element 7 'on a second Ausschalteingang 72 ' which can be used in the same way by using a third induction loop not shown in the drawing and a corresponding third evaluation unit for switching off the second induction loop 2 ' .
  • the switching element 7 may have a timer, which ensures that the induction loop 2 is not turned on for more than a period of time to be determined. If the switching signal at the turn-off input 72 fails, the induction loop 2 is switched off after a period to be determined by the switching element 7.
  • the respective frequency converter 8, 8 ' Enables an inductive output by generating a correspondingly high-frequency alternating current having a frequency, for example, in the range from 30 to 45 kHz
  • the induction loop 2 has in its dimensions a width B at right angles to the direction of travel of the electric vehicle 1. This width B is an integral multiple of half the wavelength of the electromagnetic wave 4th
  • FIG. 2 shows the evaluation unit 5 as a block diagram. This comprises an input differential amplifier 51, preferably an operational amplifier with an integrated rectifier, and a separate bandpass filter 51 1, a first differentiating element 52, a second one
  • Differentiator 53, a Schmidt trigger 54, and a logic device 55 may be a "TTL" (transistor-transistor logic) block, an “ECL” (Emmitter-Coupled-Logic) logic device or Furthermore, the evaluation unit 5 comprises a selector switch 56 which makes it possible, optionally, an output of the first differentiator 52 or an output of the second differentiator 53 to an input of the Schmidt trigger
  • the differential amplifier 51 has an input which simultaneously represents the input of the evaluation unit 5. Furthermore, the differential amplifier has an output which is connected to an input of the bandpass filter 51 1.
  • the bandpass filter 51 1 has an output which is connected to an input of the first differentiating element 52, the first differentiating element 52 has an output which is connected to an input of the first differentiating element 52 second
  • Differentiator 53 is connected; the output of the first differentiator 52 is additionally connected to a first input of the selector switch 56; the output of the second differentiator 53 is connected to a second input of the selector switch 56; the output selector switch 56 has an output which is connected to an input of the
  • Schmidttriggers 54 is connected.
  • the Schmidt trigger 54 has an output which is connected to an input of the logic module 55.
  • the logic module 55 has an output which simultaneously represents the output of the evaluation unit 5.
  • the measuring signal passes through the evaluation unit 5 and accordingly exists as a switching signal at the output of the evaluation unit 5:
  • the measurement signal in the form of the voltage waveform of the input signal Uin is present, which, if necessary, reduced by a possibly present DC component, in Fig. 3a.
  • the voltage curve of this input signal Uin runs in
  • Shape of the envelope of the respectively to be evaluated first and second electrical effect which is formed by the approach, crossing and removal of the transmitter 3 to the first portion 21 and second portion 22 of the first induction loop 2.
  • the time at which the first 21 or second subarea 22 is exceeded is designated as to.
  • the differential amplifier 51 serves to reduce a possibly present DC component of the measurement signal and, if appropriate, to amplify the measurement signal to a suitable operating level for further processing and, if appropriate, to rectify it via a rectifier integrated in the differential amplifier 51.
  • the two differentiating elements 52 and 53 serve to form a first and a second derivative of the measuring signal, whereby a signal curve is produced, which is shown in FIGS. 3b and 3c.
  • the measuring signal no longer has a DC voltage component.
  • the Schmidt trigger 54 can evaluate the zero crossing of the output signal Ui of the first differentiator 52 with a simultaneous negative edge. This allows a particularly accurate detection of the time to, at which the transmitter 3 exceeds the first partial area 21 or the second partial area 22 of the first induction loop 2.
  • the Schmidt trigger 54 generates at its output in the case of the evaluation of the zero crossing at the time to a voltage waveform, which is shown in Fig. 3d.
  • the TTL module 55 adapts this signal to the requirements of the switching device 7 and passes it on to the output of the evaluation unit 5 as a switching signal UOUT, which is shown in FIG. 3e.

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Abstract

Es ist bekannt, elektrisch betriebene Fahrzeuge, z.B. Schienenfahrzuge induktiv zu speisen, nämlich über in den Fahrweg, z.B. in die Schienen, eingelassene Induktionsschleifen. Zur Vermeidung von Elektrosmog, insbesondere zum Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, sowie zur Energieeinsparung und zur Betriebssicherheit ist es dabei vorteilhaft, diese Induktionsschleifen genau dann zu betreiben, wenn sich das Fahrzeug direkt über der jeweiligen Induktionsschleife befindet. Dazu ist es bekannt, an dem Elektrofahrzeug einen Sender anzuordnen, der eine elektromagnetische Welle mit mindestens einer Trägerfrequenz aussendet. Zum exakten Ein- und Ausschalten der Induktionsschleife wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die elektromagnetische Welle direkt in die zur Speisung vorgesehene Induktionsschleife einkoppelt und dort einen elektrischen Effekt erzeugt, der mit einer an die Induktionsschleife angeschlossenen Auswerteinheit detektiert wird.

Description

Anordnung und Verfahren zur Steuerung
einer induktiven Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung zur Speisung eines Antriebs mindestens eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines schienengebundenen Elektrofahrzeugs, wobei die Energieversorgungseinrichtung mehrere zur Speisung des Antriebs des Elektrofahrzeugs vorgesehene Induktionsschleifen aufweist, und wobei die Anordnung mindestens einen am Elektrofahrzeug angeordneten Sender umfasst, der dazu geeignet ist, eine elektromagnetische Welle auszusenden, und dass die Energieversorgungseinrichtung mindestens eine Auswerteinheit umfasst, welche dazu geeignet ist, die elektromagnetische Welle zu detektieren.
Dabei und im Folgenden bezeichnet der Begriff „Elektrofahrzeug" ein Fahrzeug, das einen elektrischen Antrieb aufweist. Induktive Energieversorgungseinrichtungen werden zum Antrieb von Elektro- fahrzeugen in Form einer Vielzahl von Induktionsschleifen beispielsweise im Schienenverkehr eingesetzt. Stand der Technik
Es ist bekannt, den elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs induktiv zu speisen.
Die Druckschrift DE4405907A1 offenbart einen Antrieb von Straßenfahrzeugen mit Hilfe eines elektromagnetischen Wanderfelds (Linearmotor).
Die Druckschrift EP1726084B1 beschreibt die induktive Speisung einer Mag- netschwebebahn.
Die Druckschrift DE102006017220A1 beschreibt ein Verfahren zur Feststellung der Präsenz eines Schienenfahrzeuges in einem Gleisabschnitt auf der Grundlage eines einen Gleiskreis bildenden Schwingkreises, in den ein Sen- der eine modulierte Prüfwechselspannung einspeist, wobei der Schwingkreis im Falle der Präsenz eines Schienenfahrzeuges verstimmt und die Amplitude der Prüfwechselspannung dementsprechend bedämpft wird. Dies wird von einem signalverarbeitenden Empfänger mit nachgeschaltetem Rechner registriert. Vom Sender generierte Zeitpunkte des Modulationswechsels wer- den dabei als Zeitbasis für die Signalverarbeitung durch den Empfänger und den Rechner verwendet.
Weiterhin sind beispielsweise von der Gesellschaft Bombardier Inc. bereits Prototypen von Straßenbahnsystemen und Eisenbahnsystemen bekannt und werden auch in der Druckschrift GB2476497A sowie in der Druckschrift
DE102008048822A1 beschrieben. Dabei werden Elektrofahrzeuge über in die Straße bzw. in die Gleise integrierte Induktionsschleifen gespeist und kommen dadurch ohne die optisch unschönen und in ihrem elektrischen Kontakt nicht immer zuverlässigen Oberleitungen aus. Diese induktive Energie- Übertragung ist wetterunabhängig und funktioniert aus diesem Gesichtspunkt besonders zuverlässig. Zum Ein- und Ausschalten der Energieversorgung über die jeweilige Induktionsschleife ist es bekannt, das entsprechende Fahrzeug mit einem Sender für elektromagnetische Wellen zu versehen und einen Empfänger in der Nähe der jeweiligen Induktionsschleife anzuordnen. Dabei kann der Empfänger zum Empfang der elektromagnetischen Welle geeignet sein. Empfängt der Empfänger die elektromagnetische Welle mit einer Amplitude, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, dann wird die Energieversorgung über die dazugehörige Induktionsschleife eingeschaltet.
Sobald der Empfänger die elektromagnetische Welle nicht mehr, oder nur noch mit einer Amplitude, welche den vorgegebenen Wert unterschreitet, empfängt, wird die Energieversorgung über die jeweilige Induktionsschleife wieder ausgeschaltet.
Dabei ist die Genauigkeit dieses Ein- und Ausschaltens sehr wichtig, weil nur durch exaktes Ein- und Ausschalten gewährleistet werden kann, dass die Speisung über die einzelnen Induktionsschleifen ausschließlich dann erfolgt, wenn sich das Elektrofahrzeug über der jeweiligen Induktionsschleife befin- det. Dies ist notwendig, um entsprechenden Elektrosmog zu vermeiden. Insbesondere spielt dabei der Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, eine große Rolle.
Ein Nachteil im derzeitigen Stand der Technik besteht darin, dass das auto- matische Ein- und Ausschalten der Induktionsschleifen nicht exakt genug erfolgt, um einen solchen Schutz zu gewährleiten.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, die dazu geeignet sind, die Genauigkeit des Ein- und Ausschaltens der Induktionsschleifen einer solchen induktiven Energieversorgungseinrichtung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit einer Energieversorgungseinrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine der Induktionsschleifen an eine solche Auswerteinheit angeschlossen ist. Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die vom Sender ausgestrahlte elektromagnetische Welle in einer der Induktionsschleifen mindestens einen elektrischen Effekt erzeugt, der zum Einschalten einer der Induk- tionsschleifen, insbesondere derjenigen Induktionsschleife, in welcher der elektrische Effekt erzeugt wird, genutzt wird.
Dabei und im Folgenden bedeutet der Begriff „Einschalten der Induktionsschleife", dass die Induktionsschleife beginnt, Energie zum Betrieb des An- triebs des Elektrofahrzeugs zu übertragen. Der Begriff „Ausschalten der Induktionsschleife" bedeutet, dass die Induktionsschleife diesen Energieübertragungsvorgang beendet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteran- Sprüchen angegeben.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge, d.h. elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere elektrisch angetriebene Schienenfahrzuge, wobei die Energieversorgungseinrichtung dazu geeignet ist, die Elektrofahrzeuge induktiv zu speisen, nämlich über in den Fahrweg des jeweiligen Elektrofahrzeugs, insbesondere in die Schienen eingelassene Induktionsschleifen, die mit einem ausreichend großen Wechselstrom mit einer ausreichend hohen Frequenz betrieben werden. Zur Vermeidung von Elektrosmog, insbesondere zum Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, sowie zur Betriebssicherheit und zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist es dabei vorteilhaft, diese Induktionsschleifen genau dann zu betreiben, wenn sich das Elektrofahrzeug insbesondere mit einer dafür vorgesehenen Energieempfangseinrichtung, welche beispielsweise in einer zum Elektrofahrzeug gehörenden Empfangsinduktionsschleife besteht, direkt über der eingeschalteten Induktionsschleife befindet, wodurch eine optimale Energieübertragung ermöglicht wird. Dabei werden die in dem Fahrweg des Elektrofahrzeugs angeordneten Induktionsschleifen durch das fahrende Elektrofahrzeug nacheinander ein- und ausgeschaltet.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die jeweilige Induktionsschleife dabei zusätzlich zur Funktion der Energieübertragung auch die Funktion eines
Empfängers der elektromagnetischen Welle übernimmt, weil dadurch eine optimale geometrische Übereinstimmung und damit eine besonders exakte Lokalisierung des Elektrofahrzeugs, insbesondere dessen Empfangsinduktionsschleife über der einzuschaltenden Induktionsschleife, ermöglicht wird. Dadurch werden auch der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit der
Energieversorgung verbessert, was jeweils einen zusätzlichen Vorteil darstellt.
Die Auswerteinheit kann elektrisch an die Induktionsschleife angeschlossen, d.h. elektrisch leitend mit der Induktionsschleife verbunden sein, wodurch eine robuste Signalübertragung zwischen der Induktionsschleife und der Auswerteinheit gewährleistet ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die Auswerteinheit induktiv an die Induktionsschleife angeschlossen, d.h. induktiv mit der Induktionsschleife gekoppelt sein, wodurch Gleichspannungssignale und/oder bestimmte Frequenzanteile unterdrückt werden können.
Die Induktionsschleife kann in Fahrrichtung des Elektrofahrzeugs eine Länge von 1 bis 20 m, bevorzugt 2 bis 1 6 m, insbesondere 4 bis 12 m, besonders bevorzugt 6 bis 10 m und in einer sehr besonders bevorzugten Ausgestaltung 8 m betragen, wodurch jeweils ein nach individuellen Kriterien besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen dem Installationsaufwand und dem Wirkprinzip geschaffen werden kann.
Die elektromagnetische Welle kann beim Eintritt des Senders in einen geometrischen Bereich über der Induktionsschleife zu einem ersten Zeitpunkt in einen ersten Teilbereich der Induktionsschleife ein- und wieder auskoppeln und somit in der Induktionsschleife einen ersten elektrischen Effekt erzeugen. Danach kann die elektromagnetische Welle beim Austritt des Senders aus diesem geometrischen Bereich zu einem zweiten Zeitpunkt in einen zweiten Teilbereich der Induktionsschleife ein- und wieder auskoppeln und somit in der Induktionsschleife einen zweiten elektrischen Effekt erzeugen.
Die Induktionsschleife kann in ihren Abmessungen rechtwinklig zur Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs eine Breite aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle beträgt. Da- bei und im Folgenden ist unter der Wellenlänge der elektromagnetischen
Welle die zu einer Trägerfrequenz dieser elektromagnetischen Welle gehörende Wellenlänge zu verstehen. Diese Abmessungen sind von besonderem Vorteil, weil der jeweilige elektrische Effekt dadurch besonders stark ausgeprägt ist und sich so von der Auswerteinheit besonders gut auswerten lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsschleife mäander- förmig ausgeführt. Dann entstehen in der Induktionsschleife vorteilhafterweise mehr als zwei elektrische Effekte, die ausgewertet werden können. Vorteilhafterweise ist ein Ausgang der Auswerteinheit über eine Übertragungsstrecke, insbesondere über eine Funkübertragungsstrecke, an ein Schaltelement, das zum Ein- und Ausschalten der Induktionsschleife vorgesehen ist, angeschlossen. Alternativ zur Funkübertragung kann es sich bei der Übertragungsstrecke auch um eine Signalleitung, beispielsweise um eine elektrische Signalleitung, handeln.
Insbesondere kann der Ausgang der Auswerteinheit über die Übertragungsstrecke, insbesondere über die Signalleitung, an einen speziellen Einschalteingang des Schaltelements angeschlossen sein. Weiterhin kann das Schaltelement einen zusätzlichen Ausschalteingang aufweisen. An diesen
Ausschalteingang kann beispielsweise eine zweite Auswerteinheit, welche zu einer benachbarten Induktionsschleife gehört, über eine zweite Übertragungsstrecke angeschlossen sein. Dies hat den Vorteil, dass die Induktions- schleife automatisch ausgeschaltet wird, sobald die benachbarte Induktionsschleife eingeschaltet wird.
Das Schaltelement kann einerseits mit einer Stromversorgung, die zur Spei- sung der Induktionsschleife vorgesehen ist, elektrisch leitend verbunden sein. Andererseits kann das Schaltelement über einen sogenannten Frequenzumrichter an die Induktionsschleife angeschlossen sein. Durch ein über die Übertragungsstrecke von der Auswerteinheit an das Schaltelement übertragenes Schaltsignal kann somit die elektrische Verbindung zwischen der Stromversorgung und der Induktionsschleife durch das Schaltelement geschlossen oder geöffnet werden, um die Induktionsschleife ein- oder auszuschalten.
Mit anderen Worten kann der Frequenzumrichter einerseits über das Schalt- element an die Stromversorgungseinrichtung angeschlossen sein und kann andererseits elektrisch leitend mit der Induktionsschleife verbunden sein und die Induktionsschleife durch Schließen des Schaltelements mit einem ausreichend hochfrequenten Wechselstrom versorgen, um so die induktive Energieübertragung zwischen der Induktionsschleife und dem Elektrofahrzeug zu gewährleisten.
Der Frequenzumrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er aus dem Strom der Stromversorgung, welcher in Form eines Wechselstroms mit beispielsweise 1 6,3 Hz vorliegen kann, zur Ermöglichung der induktiven Energieüber- tragung einen Wechselstrom mit einer zur induktiven Energieübertragung ausreichend hohen Frequenz, die beispielsweise im Bereich von 30 bis 45 KHz liegt, erzeugt.
Zum Einschalten der Induktionsschleife kann über das Schaltelement somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Stromquelle und dem Frequenzumrichter hergestellt werden. Zum Ausschalten der Induktionsschleife kann diese elektrisch leitende Verbindung durch das Schaltelement wieder unterbrochen werden. Ein erforderliches Schaltsignal zum Einschalten kann das Schaltelement über die erste Übertragungsstrecke von der Auswerteinheit erhalten.
Dieses Schaltsignal zum Einschalten kann die Auswerteinheit insbesondere durch Auswerten des zweiten elektrischen Effekts erzeugen. Dies hat gegenüber der Verwendung des ersten elektrischen Effekts den Vorteil, dass ein vorne am Elektrofahrzeug angebrachter Sender die Induktionsschleife bei vollständiger Überdeckung der Induktionsschleife durch das Elektrofahrzeug einschaltet.
In einer anderen Ausgestaltung kann der erste elektrische Effekt der benachbarten Induktionsschleife zum Einschalten der Induktionsschleife genutzt werden. Auch dies hat den Vorteil, dass ein vorne am Elektrofahrzeug angebrachter Sender die Induktionsschleife bei vollständiger Überdeckung der Induktionsschleife durch das Elektrofahrzeug einschaltet.
Alternativ dazu kann die Auswerteinheit auch einen weiteren Ausgang besitzen, der an den Ausschalteingang des Schaltelements angeschlossen ist. Dann kann der erste elektrische Effekt in der Induktionsschleife zum Ein- schalten und der zweite elektrische Effekt in der Induktionsschleife zum Ausschalten dieser Induktionsschleife verwendet werden. Dann kann auch ein Schaltsignal der Auswerteinheit, welches durch die Auswertung des zweiten elektrischen Effekts der Induktionsschleife entsteht, dazu genutzt werden, ein zweites Schaltelement, nämlich das Schaltelement der benachbarten Induk- tionsschleife, über dessen Einschalteingang zu schließen und damit die benachbarte Induktionsschleife einzuschalten.
Um eine besonders große Sicherheit des korrekten Einschaltens zu gewährleisten, ist folgendes Verfahren vorteilhaft: Es müssen sowohl der erste als auch der zweite elektrische Effekt detektiert werden, damit die Induktionsschleife eingeschaltet wird. Dazu wird zunächst der erste elektrische Effekt detektiert. Eine Information über diese erfolgte Detektion des ersten elektrischen Effekts kann beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Speicher- baustein für einen bestimmten Zeitraum vorgehalten werden. Daraufhin wird der zweite elektrische Effekt detektiert und gleichzeitig mit dieser Detektion des zweiten elektrischen Effekts wird in Abhängigkeit von der zuvor erfolgten Detektion des ersten elektrischen Effekts die Induktionsschleife eingeschal- tet. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders hohe Sicherheit gegen Fehlde- tektionen existiert. Auch ist dies besonders vorteilhaft, falls der Sender in Fahrtrichtung vorne am Elektrofahrzeug angebracht ist, weil das Elektrofahr- zeug die Induktionsschleife bei deren Einschalten dann vollständig überdeckt.
Letztlich ist es sinnvoll, die endgültige Konfiguration je nach den individuellen Gegebenheiten, beispielsweise den Abmessungen des Elektrofahrzeugs und der geeigneten Position des Senders am Elektrofahrzeug, festzulegen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermöglichung der
Auswertung vorteilhafterweise einen Frequenzgenerator aufweisen. Dieser Frequenzgenerator kann ein sinusförmiges Signal generieren, das die Trägerfrequenz fo der elektromagnetischen Welle aufweist. Durch Zusammenmischen des elektrischen Effekts und des Signals des Frequenzgenerators entsteht unter Verwendung zumindest eines elektronischen Bauteils, welches eine nichtlineare Kennlinie aufweist, ein Messsignal, das keine Trägerfrequenz mehr aufweist, und sich dadurch besonders gut zur Detektion eignet.
Die Auswerteinheit kann sowohl analoge als auch digitale Komponenten um- fassen, nämlich einen Eingangsverstärker, insbesondere handelt es sich dabei um einen Differenzverstärker, besonders bevorzugt um einen Operationsverstärker, einen Gleichrichter, der Bestandteil des Eingangsverstärkers sein kann, einen Bandpassfilter, der ebenfalls Bestandteil des Eingangsverstärkers sein kann, mindestens ein, bevorzugt zwei Differenzierglieder, einen Komparator, insbesondere einen Schmidt-Trigger, und ein Logik-Baustein, bei dem es sich insbesondere um einen„TTL" (Transistor-Transistor-Logik)- Baustein, einen „ECL" (Emmitter-Coupled-Logic)-Logik-Baustein oder um einen„CMOS" (Complementary Metal Oxide Semiconduotor) -Logik-Baustein handeln kann.
Insbesondere kann mit einer solchen Auswerteinheit robust und genau der Zeitpunkt detektiert werden, an dem der Sender den ersten, bzw. den zweiten Teilbereich der Induktionsschleife überschreitet. Dazu kann beispielsweise das Maximum einer Hüllkurve des dazugehörigen ersten bzw. des zweiten elektrischen Effekts durch Detektion des Nulldurchgangs dessen erster Ableitung, d.h. des Ausgangssignals des ersten Differenzierglieds bei gleichzeiti- ger negativer Flanke durch den Schmidt-Trigger detektiert werden. Alternativ dazu kann der Nulldurchgang der zweiten Ableitung, z.B. mit positiver oder negativer Flanke, durch den Schmidt-Trigger ausgewertet werden, wodurch eine geringfügige zeitliche Verschiebung des Einschaltens der Induktionsschleife erreicht werden kann, um so den Zeitpunkt des Einschaltens der In- duktionsschleife, beispielsweise zur verbesserten Energieübertragung, zu optimieren. Beide Auswertverfahren haben als Nulldurchgangsdetektionen insbesondere den Vorteil, dass sie Amplitudenunabhängig funktionieren, also nicht auf einen bestimmten Signalpegel angewiesen sind. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Sender eine stark begrenzte und dadurch gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise sehr genau definierte Reichweite besitzt, weil dadurch der geometrische Bezug zu der einzuschaltenden Induktionsschleife sehr genau gegeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die mindestens eine Trägerfrequenz im„High Frequency"(HF)-Bereich, im„Very High Frequency" (VHF)- Bereich und/oder im„Ultra High Frequency" (UHF)-Bereich. Dabei erstreckt sich der HF-Bereich von 3 MHz bis 30 MHz, der VHF-Bereich von 30 MHz bis 300 MHz und der UHF Bereich von 300 MHz bis 3 GHz.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Sender die Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle während des Sendevorgangs in definierten Zeitintervallen umschalten, d.h. in verschiedenen Zeitintervallen un- terschiedliche Trägerfrequenzen verwenden, so dass durch die dadurch entstehenden zeitlichen Frequenzsprünge eine Kodierung entsteht, die über die entsprechend ausgeführte Auswerteinheit unter Verwendung eines dazugehörigen Frequenzdemodulators detektiert werden kann und die somit eine unverwechselbare Zuordnung des Sendes und des Elektrofahrzeugs ermöglicht. Dieses Frequenzmuster kann eine entsprechende Verschlüsselung in Form eines sogenannten„Frequency Hopping Keys" beinhalten. Dieser Fre- quency Hopping Key kann sowohl im Sender als auch in der Auswerteinheit hinterlegt sein, um das Einschalten der Induktionsschleife von der Überein- Stimmung des Frequency Hopping Keys des Senders und eines entsprechenden in der Auswerteinheit hinterlegten Frequency Hopping Keys abhängig zu machen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch sichergestellt werden kann, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge mit der Energie der zu ihrer Speisung vorgesehenen Induktionsschleife versorgt werden. Dadurch kann auch ein unbeabsichtigtes Einschalten einer Induktionsschleife durch ein Elektrofahrzeug, das beispielsweise auf einem benachbarten Gleis fährt, ausgeschlossen werden. Weiterhin kann die Energieversorgungseinrichtung so vor unberechtigter Energieentnahme geschützt werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn es sich bei dem Sender, der am Elektrofahrzeug angeordnet ist, um einen„Radio Frequency Identification Device" (RFID)-Reader handelt, wie er beispielsweise in der ETSI EN 302 208-1 und der ETSI EN 302 208-2 beschrieben wird, weil solche RFI D-Reader bereits standardisiert und auf dem Markt verfügbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich mehrere geeignete RFI D-Transponder, beispielsweise RFI D-Transponder, welche einen integrierten Sensorausgang aufweisen, in und/oder zwischen den Induktionsschleifen angeordnet und können bei der Verwendung von RFID- Readern beispielsweise für die Identifizierung des richtigen Gleises sorgen und/oder über ihren Sensorausgang die Identifikation des Elektrofahrzeugs beispielsweise an die Auswerteinheit übermitteln. Weiterhin können diese RFI D-Transponder auch redundant zur bereits beschriebenen Detektion der elektromagnetischen Welle durch die Empfangseinheit genutzt werden, indem sowohl die Auswertung des elektrischen Effektes als auch ein Signal des jeweiligen RFI D-Transponders zum Einschalten der Induktionsschleife notwendig ist. Der RFID-Transponder kann durch einen speziellen Code ge- schützt, d.h. mit einem Passwort oder einem Code vom berechtigten RFID-
Reader geschaltet werden, um die Betriebssicherheit zu erhöhen und/oder Sabotage zu verhindern und/oder um sicherzustellen, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge die entsprechende Energieversorgung erhalten. Letzteres kann auch für Bezahldienste insbesondere im Individualverkehr genutzt wer- den, indem die Berechtigung zur Energieversorgung von der entsprechenden
Bezahlung abhängig ist. Auch kann dadurch die Energieversorgungseinrichtung vor unberechtigter Energieentnahme geschützt werden.
Weiterhin kann, beispielsweise in der Auswerteinheit oder in dem Schaltele- ment, ein Zeitglied angeordnet sein, durch welches sichergestellt wird, dass die Induktionsschleife nicht länger als einen festzulegenden Zeitraum eingeschaltet bleibt. Dies ist vorteilhaft, um etwaige Detektionsfehler auszugleichen und so für eine erhöhte Sicherheit zum Schutz gefährdeter Personen, insbesondere Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, zu sorgen.
Die Induktionsschleifen und die optionalen RFID-Transponder sowie weitere oben genannte Bestandteile der Anordnung können in Fertigbauteile, insbesondere in Fertigbauteile aus Beton, integriert sein, was den Vorteil der einfachen Konstruktion hat. Die Fertigbauteile brauchen dann lediglich in dem gewünschten Fahrweg verlegt zu werden. Gegebenenfalls können dann
Schienen darauf verlegt werden. Alternativ dazu können auch die Schienen bereits in die Fertigbauteile integriert sein. Ein solches Fertigbauteil kann in der vorgesehenen Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs beispielsweise eine Länge zwischen 1 und 20 m, bevorzugt zwischen 2 bis 1 6 m, insbesondere zwischen 4 bis 12 m, besonders bevorzugt zwischen 6 bis 10 m und in einer sehr besonders bevorzugten Ausführung eine Länge von 8 m besitzen, wodurch jeweils ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der einfachen Hand- habbarkeit und dem Wunsch nach einer Verringerung der Herstellungskosten individuell entsprochen werden kann.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 eine induktive Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge mit einer dazugehörigen Anordnung zu deren Steuerung,
Fig.2 ein Blockschaltbild einer dazugehörigen Auswerteinheit, Fig.3a den zeitlichen Spannungsverlauf eines Messsignals an einem Eingang der Auswerteinheit,
Fig.3b einen zeitlichen Spannungsverlauf des Messsignals an einem Ausgang eines ersten Differenzierglieds der Auswerteinheit,
Fig.3c den zeitlichen Spannungsverlauf des Messsignals an einem Ausgang eines zweiten Differenzierglieds der Auswerteinheit,
Fig.3d den zeitlichen Spannungsverlauf des Messsignals an einem Ausgang eines Schmidt-Triggers,
Fig.3e den zeitlichen Spannungsverlauf eines Ausgangssignals eines darauffolgenden Logikbausteins. Fig.1 stellt eine Anordnung zur Steuerung einer induktiven Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge dar. Diese Anordnung umfasst mehrere zur Speisung eines Antriebs eines Elektrofahrzeugs 1 vorgesehene Induktionsschleifen 2,2',... insbesondere eine erste Induktionsschleife 2 und eine dazu benachbarte zweite Induktionsschleife 2' sowie weitere nicht in der Zeichnung dargestellte Induktionsschleifen, welche im Fahrweg des Elektro- fahrzeugs angeordnet sind, und mindestens einen vorne am Elektrofahrzeug 1 angeordneten Sender 3, der eine elektromagnetische Welle 4 aussendet. Die erste Induktionsschleife 2 ist elektrisch leitend mit einem Eingang einer ersten Auswerteinheit 5 verbunden. Weiterhin weist die erste Auswerteinheit 5 einen Ausgang auf, der über eine erste Übertragungsstrecke 6, die beispielsweise in einer ersten Signalleitung bestehen kann, in Verbindung mit einem ersten Schaltelement 7 steht. Insbesondere ist die erste Auswertein- heit 5 über die erste Signalleitung an einen ersten Einschalteingang 71 des ersten Schaltelements 7 angeschlossen. Über das erste Schaltelement 7 ist eine Stromquelle 10, beispielsweise ein Kraftwerk, über einen ersten Frequenzumrichter 8 an die erste Induktionsschleife 2 angeschlossen, so dass das erste Schaltelement 7 im geschlossenen Zustand die Stromquelle 10 elektrisch leitend mit dem ersten Frequenzumrichter 8 verbindet.
Über das erste Schaltelement 7 kann die erste Auswerteinheit 5 somit die erste Induktionsschleife 2 einschalten. Weiterhin besitzt das erste Schaltelement 7 einen ersten Ausschalteingang
72. Der erste Ausschalteingang 72 ist über eine zweite Übertragungsstrecke 6' an eine zweite Auswerteinheit 5', welche zu der zweiten Induktionsschleife 2' gehört, angeschlossen. Die zweite Induktionsschleife 2' ist elektrisch leitend mit einem Eingang der zweiten Auswerteinheit 5' verbunden. Weiterhin weist die zweite Auswerteinheit 5' einen Ausgang auf, der über die zweite Übertragungsstrecke 6', die beispielsweise in einer zweiten Signalleitung bestehen kann, in Verbindung mit einem zweiten Leistungsschaltelement 7' steht. Insbesondere ist die zweite Auswerteinheit 5' über die zweite Signalleitung an einen zweiten Einschalteingang 71 ' des zweiten Schaltelements 7' angeschlossen. Über das zweite Schaltelement 7' ist die Stromquelle 10 über einen zweiten Frequenzumrichter 8' an die zweite Induktionsschleife 2' angeschlossen, so dass das zweite Schaltelement 7' im geschlossenen Zustand die Stromquelle 10 elektrisch leitend mit dem zweiten Frequenzumrichter 8' verbindet.
Dadurch kann die zweite Auswerteinheit 5' mit einem einzigen Signal über die zweite Übertragungsstrecke 6' sowohl die erste Induktionsschleife 2 aus- und gleichzeitig die zweite Induktionsschleife 2' einschalten.
Sobald das Elektrofahrzeug 1 mit seinem Sender 3 einen ersten Teilbereich
21 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet, wird in der ersten Indukti- onsschleife 2 ein erster elektrischer Effekt erzeugt und von der Auswerteinheit 5 ausgewertet. Diese Detektion kann beispielsweise in einem nicht in der Zeichnung dargestellten Speichersegment für einen bestimmten Zeitraum vorgehalten werden. Sobald das Elektrofahrzeug 1 mit seinem Sender 3 einen zweiten Teilbereich
22 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet, wird in der ersten Induktionsschleife 2 ein zweiter elektrischer Effekt erzeugt. Dieser wird von der Auswerteinheit 5 ebenfalls ausgewertet. In Abhängigkeit von der zuvor erfolgten Detektion des ersten elektrischen Effekts wird als Folge des zweiten elektrischen Effekts durch die Auswerteinheit 5 über die erste Übertragungsstrecke 6 ein Schaltsignal an den Einschalteingang 71 des Schaltelements 7 übertragen, das Schaltelement 7 wird daraufhin geschlossen und die erste Induktionsschleife 2 wird dadurch eingeschaltet. Zum Ausschalten der ersten Induktionsschleife 2 wird ein zweites Schaltsignal, das in gleicher Weise von der zweiten Auswerteinheit 5' generiert wird und das dazu vorgesehen ist, über die zweite Übertragungsstrecke 6' das zweite Schaltelement 7' über dessen Einschalteingang 71 ' zu schließen um somit die zweite Induktionsschleife 2' einzuschalten, gleichzeitig verwendet, um das erste Schaltelement 7 über den ersten Ausschalteingang 72 zu öffnen und somit die erste Induktionsschleife 2 auszuschalten. Ebenso weist das zweite Schaltelement 7'einen zweiten Ausschalteingang 72' auf, der in gleicher Weise durch Verwendung einer in der Zeichnung nicht dargestellten dritten Induktionsschleife und einer dazugehörigen dritten Auswerteinheit zum Ausschalten der zweiten Induktionsschleife 2' genutzt werden kann.
Optional kann das Schaltelement 7 ein Zeitglied besitzen, durch welches sichergestellt wird, dass die Induktionsschleife 2 nicht länger als einen festzulegenden Zeitraum eingeschaltet bleibt. Falls das Schaltsignal am Ausschalt- eingang 72 ausbleibt, wird die Induktionsschleife 2 nach einem festzulegendem Zeitraum vom Schaltelement 7 ausgeschaltet.
Weiterhin ist jeweils ein Frequenzgenerator 9,9',... vorgesehen, der letztlich dazu dient, am Eingang der jeweiligen Auswerteinheit 5,5',... ein geeignetes Messsignal UIN zur Verfügung zu stellen, das frei von der Trägerfrequenz fo ist.
Der jeweilige Frequenzumrichter 8,8',... ermöglicht durch die Erzeugung eines entsprechend hochfrequenten Wechselstroms, der eine Frequenz be- sitzt, die beispielsweise im Bereich von 30 bis 45 KHz liegt, eine induktive
Energieübertragung zwischen der jeweiligen Induktionsschleife 2,2',... und dem Elektrofahrzeug 1 .
Die Induktionsschleife 2 weist in ihren Abmessungen eine Breite B rechtwink- lig zur Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs 1 auf. Diese Breite B beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle 4.
Weiterhin sind zwischen den Induktionsschleifen RFID-Transponder
1 1 , 1 1 ',... angeordnet. Diese können den Sender 3 , bei dem es sich um einen RFID-Reader handelt, identifizieren und somit dafür sorgen, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge 1 eine entsprechende Energieversorgung erhalten. Fig. 2 stellt die Auswerteinheit 5 als Blockschaltbild dar. Diese umfasst einen eingangsseitigen Differenzverstärker 51 , bevorzugt einen Operationsverstärker mit einem integrierten Gleichrichter, sowie einen, im vorliegenden Fall separaten Bandpassfilter 51 1 , ein erstes Differenzierglied 52, ein zweites
Differenzierglied 53, einen Schmidt-Trigger 54, und einen Logikbaustein 55, insbesondere kann es sich dabei um einen„TTL" (Transistor-Transistor- Logik)-Baustein, einen „ECL" (Emmitter-Coupled-Logic)-Logik-Baustein oder einen„CMOS" (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -Logik-Baustein handeln. Weiterhin umfasst die Auswerteinheit 5 einen Auswahlschalter 56, der es ermöglicht, wahlweise einen Ausgang des ersten Differenzierglieds 52 oder einen Ausgang des zweiten Differenzierglieds 53 auf einen Eingang des Schmidt-Triggers 54 zu schalten. Der Differenzverstärker 51 weist einen Eingang auf, der gleichzeitig den Eingang der Auswerteinheit 5 darstellt. Weiterhin weist der Differenzverstärker einen Ausgang auf, der an einen Eingang des Bandpassfilters 51 1 angeschlossen ist; Der Bandpassfilters 51 1 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des ersten Differenzierglieds 52 angeschlossen ist; das erste Diffe- renzierglied 52 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des zweiten
Differenzierglieds 53 angeschlossen ist; der Ausgang des ersten Differenzierglieds 52 ist zusätzlich an einen ersten Eingang des Auswahlschalters 56 angeschlossen; der Ausgang des zweiten Differenzierglieds 53 ist an einen zweiten Eingang des Auswahlschalters 56 angeschlossen; der Ausgangs- wahlschalter 56 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des
Schmidttriggers 54 angeschlossen ist. Der Schmidttrigger 54 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des Logikbausteins 55 angeschlossen ist. Der Logikbaustein 55 weist einen Ausgang auf, der gleichzeitig den Ausgang der Auswerteinheit 5 darstellt.
Das Messsignal durchläuft wie im Folgenden beschrieben die Auswerteinheit 5 und liegt dementsprechend als Schaltsignal an dem Ausgang der Auswerteinheit 5 vor: Am Eingang des Differenzverstärkers 51 liegt das Messsignal in Form des Spannungsverlaufs des Eingangssignals Uin vor, der, gegebenenfalls um einen möglicherweise vorhandenen Gleichstromanteil reduziert, in Fig. 3a dargestellt ist. Der Spannungsverlauf dieses Eingangssignals Uin verläuft in
Form der Hüllkurve des jeweils auszuwertenden ersten bzw. zweiten elektrischen Effekts, welcher durch das Annähern, Überschreiten und Entfernen des Senders 3 zu dem ersten Teilbereich 21 bzw. zweiten Teilbereich 22 der ersten Induktionsschleife 2 entsteht. Dabei ist der Zeitpunkt des Überschrei- tens des ersten 21 bzw. zweiten Teilbereichs 22 als to bezeichnet.
Der Differenzverstärker 51 dient dazu, einen möglicherweise vorhandenen Gleichstromanteil des Messsignals zu reduzieren sowie das Messsignal gegebenenfalls zur weiteren Verarbeitung auf einen geeigneten Arbeitspegel zu verstärken und gegebenenfalls über einen in den Differenzverstärker 51 integrierten Gleichrichter gleichzurichten.
Die beiden Differenzierglieder 52 und 53 dienen dazu, eine erste und eine zweite Ableitung des Messsignals zu bilden, wodurch ein Signalverlauf ent- steht, der in Fig. 3b bzw. 3c dargestellt ist. Spätestens nach dem ersten Differenzierglied 52 und insbesondere nach dem zweiten Differenzierglied 53 weist das Messsignal keinen Gleichspannungsanteil mehr auf.
In einer ersten Schalterstellung, in welcher der Auswahlschalter 56 den Aus- gang des ersten Differenzierglieds 52 mit dem Eingang des Schmidttriggers elektrisch leitend verbindet, kann der Schmidt-Trigger 54 den Nulldurchgang des Ausgangssignals Ui des ersten Differenzierglieds 52 mit gleichzeitiger negativer Flanke auswerten. Dies ermöglicht jeweils eine besonders genaue Detektion des Zeitpunkts to, an dem der Sender 3 den ersten Teilbereich 21 bzw. den zweiten Teilbereich 22 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet. In einer zweiten Schalterstellung, in welcher der Auswahlschalter 56 den Ausgang des zweiten Differenzierglieds 52 mit dem Eingang des Schmidt- Triggers elektrisch leitend verbindet, in der kann der Schmidt-Trigger 54 auch einen der Nulldurchgänge des Ausgangssignal U2 des zweiten Differenzierglieds 53 mit positiver oder negativer Flanke auswerten, und somit je nach Bedarf einen gegenüber to vorgezogenen Zeitpunkt ti oder verzögerten Zeitpunkt t2 detektieren.
Der Schmidt-Trigger 54 erzeugt an seinem Ausgang im Falle der Auswertung des Nulldurchgangs zum Zeitpunkt to einen Spannungsverlauf, der in Fig. 3d dargestellt ist. Der TTL-Baustein 55 passt dieses Signal an die Erfordernisse der Schalteinrichtung 7 an und gibt es an den Ausgang der Auswerteinheit 5 als Schaltsignal UOUT weiter, das in Fig.3e dargestellt ist.
Bezugszeichenliste
Anordnung und Verfahren zur Steuerung
einer induktiven Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge
Az. : P21 1 -42 WO P H
1 Elektrofahrzeug
2,2',... erste / zweite / ... Induktionsschleife
21 erster Teilbereich der ersten Induktionsschleife
22 zweiter Teilbereich der ersten Induktionsschleife 3 Sender
4 elektromagnetische Welle
5,5',... erste / zweite / ... Auswerteinheit
51 Differenzverstärker mit integriertem Gleichrichter 51 1 Bandpassfilter
52 erstes Differenzierglied
53 zweites Differenzierglied
54 Schmidt-Trigger
55 Logikbaustein
56 Auswahlschalter
6,6',... erste / zweite / ... Übertragungsstrecke
7,7',... erstes / zweites / ... Schaltelement
71 ,71 ' Einschalteingang des ersten / zweiten Schaltelements 72,72' Ausschalteingang des ersten / zweiten Schaltelements
8,8',... erster / zweiter / ... Frequenzumrichter
9,9',... erster / zweiter / ... Frequenzgenerator
10 Stromquelle
1 1 ,1 1 ' ,... RFID-Transponder

Claims

Ansprüche
Energieversorgungseinrichtung zur Speisung eines Antriebs mindestens eines Elektrofahrzeugs (1 ), insbesondere eines schienengebundenen Elektrofahrzeugs, wobei die Energieversorgungseinrichtung mehrere zur Speisung des Antriebs des Elektrofahrzeugs (1 ) vorgesehene Induktionsschleifen (2) aufweist, und wobei die Anordnung mindestens einen am Elektrofahrzeug (1 ) angeordneten Sender (3) um- fasst, der dazu geeignet ist, eine elektromagnetische Welle (4) auszusenden, und dass die Energieversorgungseinrichtung mindestens eine Auswerteinheit (5) umfasst, welche dazu geeignet ist, die elektromagnetische Welle (4) zu detektieren dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der Induktionsschleifen (2) an eine solche Auswerteinheit (5) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) mit der jeweiligen Auswerteinheit (5) elektrisch leitend verbunden oder induktiv an die Auswerteinheit (5) gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) mäanderförmig ausgeführt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschliefe eine Breite (B) aufweist, die ein ganz- zahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle (4) beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (5) mindestens ein, bevorzugt zwei Differenzierglieder (52, 53) und einen Komparator, bevorzugt einen
Schmidt-Trigger (54), aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (5) einen Ausgang aufweist, der über eine Übertragungsstrecke (6) an ein Schaltelement (7), angeschlossen und dadurch in der Lage ist, die Induktionsschleife (2) über dieses Schaltelement (7) einzuschalten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle (4) im„High Frequency" (HF)- Bereich und/oder im„Very High Frequency" (VHF)-Bereich und/oder im„Ultra High Frequency" (UHF)-Bereich liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sender (3) um einen„Radio Frequency Identification Device"(RFID)-Reader handelt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder zwischen den Induktionsschleifen (2) RFID-Transponder (1 1 ) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sender (3) ausgestrahlte elektromagnetische Welle (4) in einer der Induktionsschleifen (2) mindestens einen elektrischen Effekt erzeugt, der zum Einschalten einer der Induktionsschleifen (2,2',...), insbesondere derjenigen Induk- tionsschleife (2), in der der elektrische Effekt erzeugt wird, genutzt wird.
1 1 Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Welle (4) zum Erzeugen des elektrischen Effekts (2) in einen Teilbereich (21 ,22) der Induktionsschleife (2) ein- und wieder auskoppelt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Effekt eine Hüllkurve besitzt und dass die Auswerteinheit (5) eingangsseitig ein Eingangssignal (Uin) empfängt, das die Form der Hüllkurve des elektrischen Effekts besitzt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektion des elektrischen Effekts an einer ersten, zweiten oder dritten Ableitung des Eingangssignals (Uin) insbesondere des mittels eines Differenzverstärkes (51 ) verstärkten Eingangssignals (Uin) durchgeführt wird. 14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Detektion des elektrischen Effekts an der ersten oder zweiten Ableitung des Eingangssignals (Uin), bevorzugt an einem Ausgangssignal (Ui) des ersten Differenzierglieds (52) oder an einem Ausgangssignal (U2) des zweiten Differenzierglieds (53), in Form einer Nulldurch- gangsdetektion, insbesondere mit gleichzeitiger Auswertung einer negativen Flankensteilheit, durchgeführt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Detektion der elektromagnetischen Welle (4) das Schaltelement (7) geschlossen wird, wodurch die Induktionsschleife (2) eingeschaltet wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sender (3) ausgestrahlte elektromagnetische Welle (4) in einer der Induktionsschleifen (2) zwei elektrische Effekte, nämlich einen ersten und einen zweiten elektrischen Effekt, erzeugt, die beide detektiert werden müssen, damit diese Induktionsschleife (2) eingeschaltet wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Detektieren des ersten elektrischen Effekts;
- Detektieren des zweiten elektrischen Effekts;
- Einschalten der Induktionsschleife (2) zum Zeitpunkt der Detektion des zweiten elektrischen Effekts.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) eine Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle (4) in definierten Zeitintervallen gemäß einer festzulegenden Kodierung umschaltet, wodurch das Elektrof ahrzeug (1 ), beispielsweise von der Auswerteinheit (5), identifiziert werden kann.
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