WO2016008608A1 - Bestimmung der lage einer pickup relativ zur primäranordnung eines induktiven energieübertragungssystems - Google Patents

Bestimmung der lage einer pickup relativ zur primäranordnung eines induktiven energieübertragungssystems Download PDF

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Faical Turki
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Definitions

  • the present invention relates to a device for determining the position of a secondary-side arrangement of an inductive energy transmission system relative to the primary-side arrangement of the inductive energy transmission system, wherein the secondary-side arrangement comprises at least one electrical resonant circuit which is electromagnetically coupled with at least two primary-side resonant circuits of the primary-side arrangement.
  • the primary-side arrangement and arranged on the vehicle secondary-side arrangement are positioned correctly relative to each other.
  • a variety of mechanical or electrical positioning devices are known, which help the driver to position the vehicle sufficiently well relative to the primary-side arrangement, so that there is a sufficiently good coupling between the primary-side and secondary-side resonant circuit arrangements.
  • the primary-side arrangement may have more than one resonant circuit, which are spatially arranged side by side in a plane or parallel planes to each other, with all or even only certain primary-side resonant circuits are used for subsequent energy transfer.
  • the object of the present invention is to provide a device for determining the position of a secondary-side arrangement of an inductive energy transmission system relative to the primary-side arrangement of the inductive energy transmission system, which manages with a low circuit complexity.
  • the invention is based on the idea, a signal, for. B. in the form of an applied sinusoidal voltage to the secondary-side resonant circuit or only its inductance, which is formed by the pickup coil to apply.
  • the frequency of the applied voltage can either be constant or be chosen differently at different time intervals.
  • the position determining device is at least known relative to one another the relative position of the primary-side oscillating circuits or of the primary coils.
  • the position-determining device optionally still the resonant circuit properties, such. B. resonant frequency or impedance, etc., the primary-side oscillating circuits, so that with the help of this information due to the changing of the vehicle when maneuvering and measured impedance change, the position of the vehicle relative to the primary-side arrangement can be determined.
  • the driver can be informed acoustically and / or visually of instructions or status information and / or displayed become.
  • acoustic instructions may be issued by the device.
  • Oscillating circuits or their coils The more primary-side arrangements are present, the better the relative position of the secondary-side arrangement to the primary-side arrangement can be determined.
  • the determination of the relative position is complex and possibly. not always possible.
  • the secondary-side resonant circuit couples only with a primary-side resonant circuit and the device is designed such that the secondary-side position determining device knows with which primary resonant circuit of the secondary-side resonant circuit just coupled.
  • z. B. by a primary side arranged control device and at least one controlled by their switching current flow through the primary-side resonant circuits are affected, so that at any time a current can flow only in a resonant circuit, which due to the in the primary-side coil of the respective resonant circuit induced voltage is caused.
  • the primary-side oscillation circuit is referred to as "active-switched,” through which a current can flow due to the controlled switching means.
  • the primary oscillation circuits, which can not flow due to the corresponding driving of the switching means, are referred to as" passively switched.
  • the secondary-side position-determining device it is necessary for the secondary-side position-determining device to know which primary-side oscillating circuit is currently in motion Is "active switched" and coupled to the secondary-side resonant circuit so that from the measured impedance, the distance between the location of each "actively switched" primary-side resonant circuit to the secondary-side resonant circuit and the secondary-side arrangement can be calculated.
  • the control device arranged on the primary side advantageously controls the at least one switching means in such a way that the individual primary-side oscillating circuits are "active.” This can be done, for example, by short-circuiting or disconnecting the primary-side oscillating circuits, depending on whether the primary-side oscillating circuits are parallel or series resonant circuits
  • the switching means When using primary side series resonant circuits for power transmission, the switching means must short circuit the series resonant circuit so that the capacitance (s) and inductance (s) of the series resonant circuit form a resonant circuit which can then couple to the secondary resonant circuit Switching means the parallel resonant circuit as long as no coupling between this primary-side parallel resonant circuit and the secondary-side resonant circuit is to take place.It is also possible that when used Un the primary side parallel resonant circuits, the switching means for decoupling short circuits only the primary-side coil of the respective resonant circuit.
  • the time sequence of the "active switching” and / or duration of the "active switching” and thus the duration of the coupling between the respective “actively switched" primary-side oscillating circuit and the secondary-side oscillating circuit can be specified the time intervals between the coupling intervals for the secondary-side position-determining device to be an indication of which primary-side resonant circuit is next "active", or previously "active” was.
  • the control device arranged on the primary side may begin periodically "activating" the primary-side oscillating circuits one after the other by means of the at least one switching means.
  • a primary-side arrangement which has at least two coils connected in series and at least two capacitors connected in series, wherein the two series circuits are connected in parallel and thus form a parallel resonant circuit.
  • the parallel resonant circuit can be converted into two series-connected parallel resonant circuits, wherein the two by means of the switching means connected in series parallel resonant circuits have different resonance frequencies by appropriate choice of the individual inductances of the coils and individual capacitances used.
  • the distance of the primary-side arrangement to the individual can be determined on the basis of the periodically measured impedances or couplings primary-side coils are determined.
  • the secondary-side signal is preferably a small signal, i. an oscillating voltage signal with low power.
  • the primary side can be disconnected from the primary source by means of the usually provided inverter or other switching means.
  • the device according to the invention can be used not only as a positioning aid for a driver of a motor vehicle, but also for an autonomously parking or driving vehicle.
  • Fig. 1 A schematic representation of a vehicle with arranged in the floor area secondary arrangement and including in the roadway arranged primary-side arrangement with two flat coils arranged side by side;
  • FIG. 2 equivalent circuit diagram for the inductive energy transmission arrangement illustrated in FIG. 1;
  • Fig. 3 schematic representation of an arrangement with four primary side arranged in quadrants flat coils and a secondary side flat coil of a pickup
  • Fig. 4a equivalent circuit diagram for a second possible embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 4b time chart for the embodiment shown in Figure 3a;
  • Fig. 5 equivalent circuit diagram for a third possible embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a vehicle F with a secondary arrangement SE arranged in the floor area.
  • the primary-side arrangement PR in the form of the two primary-side oscillating circuits K B and K c is arranged, wherein the two coils of the primary-side oscillating circuits K B and K c are formed as flat coils, which are arranged side by side.
  • the primary side at least two flat coils of two oscillating circuits must be laterally offset from one another, in particular next to one another. If more than 2, in particular 4 or more, oscillating circuits with their flat coils are arranged on the primary side, the more accurately and also in three dimensions the position of the vehicle F relative to the primary arrangement can be determined.
  • only one primary-side resonant circuit K B , K c is "active" in a certain time interval, ie only in each of the primary-side oscillating circuits K B , K c can a current flow, which due to the mutual inductance to one secondary-side impedance change leads.
  • all the primary-side oscillating circuits K B , K c can be "active" in a certain time interval, so that in all or more primary-side oscillating circuits K B , K c, a current can flow, which due to the mutual inductance to a sec
  • all the primary-side oscillating circuits K B , K c have different resonance frequencies, so that the primary-side oscillating circuits K B , K c also have a different influence on the secondary-side impedance.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram for the embodiment illustrated in Figure 1, inductive Ener ⁇ gieübertragungsan Aunt.
  • the primary side, the resonant circuits K B, K c are arranged to Ki, the coupling depends on the distance to the secondary side coil L A different with the secondary side, are designated between the individual coil assemblies with k AB, k A c, k A i, the couplers ⁇ averaging factors , With Ai, A 2 , Bi, B 2 , Ci, C 2 , ..., Ii, I 2 , the terminal poles of the primary-side and the secondary-side coils L A , L B , L c , .. designates.
  • the resonant circuits are each formed by the coils L A , L B , L c , .. and the capacitors C A , C B , C c , .. Ci.
  • switching means By means not shown switching means, the primary-side resonant circuits successively “active” or “passive” are switched, in the "active” state, a current can flow in the respective resonant circuit and in the "passive” state no current can flow in the resonant circuit.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an arrangement with four primary-side arrangements K B , K c , K D , K E , whose flat coils are arranged in one plane and in four different quadrants.
  • the relative position and the size of the primary-side arrangements K B , K c , K D , K E are known or stored in the memory of the device.
  • the primary-side arrays K B, K C, K D, K E affect function of the distance to the secondary locating K A, the secondary side impedance of each vary in size due dependent on the distance of coupling factors k Ai.
  • the secondary-side impedance measurement device IM can then the secondary side impedance ⁇ be determined for each coupling, and thus for each primary-side arrangement K B, K C, K D, K E. By periodically determining the secondary-side impedance and its time course can be determined.
  • the secondary-side position-determining device can assign the respectively measured impedance value to a specific primary-side resonant circuit
  • the individual distance vectors P Ai can thus be determined relative to each other and / or so that the device according to the invention can provide information about Which position the vehicle F is relative to the primary-side arrangement
  • acoustic and / or visual, instructions or signals can be generated which guide the driver to the optimal placement of the vehicle and / or by means of which the vehicle is automatically controlled to the optimum position leaves.
  • Fig. 4a shows a possible equivalent circuit diagram for a second possible embodiment of the device according to the invention, in which the primary-side arrangement comprises a series resonant circuit, which is formed by the capacitances C B and C c and the coils L B and L c .
  • the coils L B and L c are arranged in a plane next to one another and / or slightly overlapping.
  • the series resonant circuit is used, which is connected by means of the supply lines 1, 2 to the output of the inverter W P. To determine the position of the switch S M is closed.
  • the used for energy transmission series resonant circuit C B , Cc, L ß , Lc is split into two series resonant circuits K B and K c , wherein the series resonant circuit K B through the capacitance C B and the coil L B and series resonant circuit K c through the Capacitance C c and the coil L c is formed. If the switching elements S B and S c are so controlled that they are not turned on, the series resonant circuits K B and K c are open, so that no current can flow in them and the coils L B , L c no mutual inductance to the secondary resonant circuit Form K A.
  • the switching elements S B and S c can be switched either conductive or blocking, so that either one of the series resonant circuits K B or K c or both are short-circuited simultaneously.
  • a current can then flow through the corresponding resonant circuit (s), whereby the impedance of the secondary oscillatory circuit is influenced by the respective "actively" connected coupling k AB or k A c.
  • the other switching elements of the inverter should be controlled so that they lock.
  • the series resonant circuits K B and K c may have the same resonant frequency.
  • the superordinate position-determining device must know which primary series resonant circuit K B or K c is currently active and couples to the secondary oscillatory circuit K A.
  • only one primary series resonant circuit K B or K c may at any given time be "active", ie short-circuited.
  • series resonant circuits K B and K c have different resonant frequencies, as a result of which the higher-order position determining device can determine solely by virtue of the thus different coupling with which primary series resonant circuit K B or K c the secondary oscillating circuit is just coupling.
  • the primary series resonant circuits K B and K c are alternately "active" switched and thus the secondary resonant circuit K A always coupled only to a primary series resonant circuit K B , K c
  • both primary series resonant circuits K B , K c are permanently "active" for the duration of the positioning process.
  • the secondary resonant circuit K A which is formed by the capacitance C A and the coil L A , is acted upon by the small signal source U s with an AC voltage whose signal is amplified by means of the amplifier V.
  • the voltage applied to the output of the amplifier V and the internal resistance R are known.
  • the impedance of the resonant circuit K A By means of the voltage drop across the resonant circuit K A and measured voltage u A can be determined by the voltage divider, the impedance of the resonant circuit K A.
  • FIG. 4b shows a time diagram for the embodiment shown in FIG. 4a.
  • the switching elements S B and S c can be turned on periodically in succession.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram for a further possible embodiment of the device according to the invention, in which the energy transmission device primarily comprises a parallel resonant circuit KÜ, formed by the inductances of the coils L B , L c and the capacitors C B , C c connected in parallel therewith.
  • the parallel resonant circuit KÜ can be split into two series-connected parallel resonant circuits K B , K c , each having a different resonant frequency f resB , f res c.
  • the coils L B and L c are arranged in a plane next to one another and / or slightly overlapping.
  • the relative position ie. to determine the distance in the x-, y- and z-direction
  • the secondary-side arrangement SE to the primary-side arrangement PR. It is then not only possible to determine the distance in the x and y directions, but also the height or the distance (z direction) of the secondary-side arrangement SE above the road surface or the primary-side arrangement PR. If the height or the distance is known, their influence can be taken into account or compensated in the further calculation of the distance for the x and y directions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung (SE) eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) mindestens einen elektrischen Schwingkreis (KA) aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen (KB, KC, KD, KE) der primärseitigen Anordnung (SE) elektromagnetisch koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer sekundärseitigen Einspeisevorrichtung (US) ein Signal in den mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis (KA) einspeisbar ist, und dass die sekundärseitige Anordnung (SE) eine Einrichtung (IM) zur Bestimmung der Impedanz (Z) und/oder zeitlichen Impedanzänderung des mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreises (KA) aufweist, und anhand der ermittelten Impedanz (Z), der zeitlichen Impedanzänderung und/oder des Impedanzverlaufs eine übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung die relative Position (P) der sekundärseitigen Anordnung (SE) relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) bestimmt.

Description

Bestimmung der Lage einer Pickup relativ zur Primäranordnung eines induktiven Energieübertragungssystems
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung mindestens einen elektrischen Schwingkreis aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen der primärseitigen Anordnung elektromagnetisch koppelbar ist.
Für einen guten Wirkungsgrad der Energieübertragung bei induktiven Energieübertragungssystemen ist es wichtig, dass die primärseitige Anordnung und die am Fahrzeug angeordnete sekundärseitige Anordnung, meist in der Form einer Pickup, relativ zueinander richtig positioniert sind . Hierfür sind verschiedenste mechanische oder elektrische Positionierungsvorrichtungen bekannt, welche dabei dem Fahrzeugführer helfen, das Fahrzeug hinreichend gut relativ zur primärseitigen Anordnung zu positionieren, so dass sich eine hinreichend gute Kopplung zwischen den primärseitigen und sekundärseitigen Schwingkreisanordnungen ergibt.
Die primärseitige Anordnung kann über mehr als einen Schwingkreis verfügen, welche räumlich nebeneinander in einer Ebene oder parallelen Ebenen zueinander angeordnet sind, wobei sowohl alle oder auch nur bestimmte primärseitige Schwingkreise zur anschließenden Energieübertragung genutzt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur primärseitigen Anordnung des induktiven Energieübertragungssystems bereitzustellen, welche mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Signal, z. B. in Form einer angelegten Sinusspannung, an den sekundärseitigen Schwingkreis oder lediglich dessen Induktivität, welche durch die Pickup-Spule gebildet ist, anzulegen. Je nach Ausgestaltung der primärseitigen Schwingkreise kann die Frequenz der angelegten Spannung entweder konstant sein oder in verschiedenen Zeitintervallen verschieden gewählt werden. Durch die Kopplung der Pickup-Spule mit einem oder mehreren primärseitigen Schwingkreisen bzw. deren Induktivitäten, verändert sich die Impedanz des sekundärseitigen Schwingkreises bzw. der Pickup-Spule. Diese Impedanzänderung kann in kurzen zeitlichen Abständen fortwährend gemessen werden und von einer sekundärseitig angeordneten Positionsbestimmungseinrichtung zur Berechnung der Position der sekundärseitigen Anordnung relativ zur primärseitigen Anordnung verwendet werden. Dabei ist der Positionsbestimmungseinrichtung zumindest die relative Lage der primärseitigen Schwingkreise bzw. der Primärspulen zueinander bekannt. Zudem können in der Positionsbestimmungseinrichtung noch optional die Schwingkreiseigenschaften, wie z. B. Resonanzfrequenz oder Impedanz, etc., der primärseitigen Schwingkreise bekannt sein, so dass mit Hilfe dieser Informationen aufgrund der sich beim Rangieren des Fahrzeugs ändernden und gemessenen Impedanzänderung die Position des Fahrzeugs relativ zur primärseitigen Anordnung bestimmt werden kann.
Anhand der berechneten relativen Lage der primärseitigen und sekundärseitigen Anordnung zueinander können dem Fahrzeugführer akustisch und/oder visuell Anweisungen oder Statusinformationen mitgeteilt und/oder angezeigt werden. So ist es möglich, die primärseitige Anordnung und das Fahrzeug mit seiner sekundärseitigen Anordnung visuell darzustellen, so dass der Fahrzeugführer allein aus dieser Information das Fahrzeug richtig positionieren kann. Auch können akustische Anweisungen von der Vorrichtung ausgegeben werden.
Beim Überfahren der primärseitigen Anordnung ändert sich laufend die Kopplung zwischen der sekundärseitigen Anordnung und den primärseitigen
Schwingkreisen bzw. deren Spulen. Je mehr primärseitige Anordnungen vorhanden sind, desto besser kann die relative Position der sekundärseitigen Anordnung zur primärseitigen Anordnung bestimmt werden.
Sofern die sekundärseitige Anordnung gleichzeitig mit allen primärseitigen Schwingkreisen bzw. deren Spulen koppelt, ist das Bestimmen der relativen Lage komplex und evtl . nicht immer möglich.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn der sekundärseitige Schwingkreis jeweils nur mit einem primärseitigen Schwingkreis koppelt und die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung weiß, mit welchem primären Schwingkreis der sekundärseitige Schwingkreis gerade koppelt.
Um dies zu erreichen, kann z. B. durch eine primärseitig angeordnete Steuereinrichtung und mindestens ein von ihr angesteuertes Schaltmittel der Strom- fluss durch die primärseitigen Schwingkreise beeinflusst werden, so dass zu jeder Zeit immer nur in einem Schwingkreis ein Strom fließen kann, welcher aufgrund der in die primärseitige Spule des jeweiligen Schwingkreises induzierten Spannung hervorgerufen wird . Nachfolgend wird der primärseitige Schwingkreis als„aktiv geschaltet" bezeichnet, durch welchen aufgrund des bzw. der gesteuerten Schaltmittel ein Strom fließen kann. Die primären Schwingkreise, durch die aufgrund der entsprechenden Ansteuerung der Schaltmittel kein Strom fließen kann, werden als„passiv geschaltet" bezeichnet.
Zusätzlich ist es notwendig, dass die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung Kenntnis darüber hat, welcher primärseitige Schwingkreis gerade „aktiv geschaltet" ist und mit dem sekundärseitigen Schwingkreis koppelt, damit aus der gemessenen Impedanz die Entfernung zwischen dem Ort des jeweils„aktiv geschalteten" primärseitigen Schwingkreises zum sekundärseitigen Schwingkreis bzw. zur sekundärseitigen Anordnung berechenbar ist.
Die primärseitig angeordnete Steuereinrichtung steuert das mindestens eine Schaltmittel vorteilhaft derart an, dass zeitlich nacheinander die einzelnen primärseitigen Schwingkreise„aktiv geschaltet" sind. Dies kann z.B. durch Kurzschließen oder Auftrennen der primärseitigen Schwingkreise erfolgen, je nachdem, ob die primärseitigen Schwingkreise Parallel- oder Reihenschwingkreise sind. Bei Verwendung von primärseitigen Serienschwingkreisen zur Energieübertragung, muss das Schaltmittel den Serienschwingkreis kurzschließen, so dass die Kapazität(en) und Induktivität(en) des Serienschwingkreises einen Schwingkreis bilden, welcher dann mit dem sekundärseitigen Schwingkreis koppeln kann. Bei Verwendung von primärseitigen Parallelschwingkreisen muss das Schaltmittel den Parallelschwingkreis so lange auftrennen, wie keine Kopplung zwischen diesem primärseitigen Parallelschwingkreis und dem sekundärseitigen Schwingkreis erfolgen soll . Es ist aber auch möglich, dass bei Verwendung von primärseitigen Parallelschwingkreisen das Schaltmittel zur Entkopplung lediglich die primärseitige Spule des jeweiligen Schwingkreises kurzschließt.
Mittels der primärseitig angeordneten Steuereinrichtung kann nun die zeitliche Abfolge des„aktiv Schaltens" und/oder Dauer des„aktiv Schaltens" und somit die Dauer der Kopplung zwischen dem jeweils„aktiv geschalteten" primärseitigen Schwingkreises und dem sekundärseitigen Schwingkreis vorgegeben werden. Auch kann die Dauer der Zeitintervalle zwischen den Kopplungsintervallen für die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung ein Hinweis darauf sein, welcher primärseitige Schwingkreis als nächstes„aktiv geschaltet,, wird oder zuvor„aktiv geschaltet" war.
Sofern die primärseitige Anordnung erkennt, dass sich ein Fahrzeug nähert, kann die primärseitig angeordnete Steuereinrichtung beginnen, periodisch mittels des mindestens einen Schaltmittels die primärseitigen Schwingkreise nacheinander einzeln„aktiv zu schalten". Es ist ebenfalls möglich, eine primärseitige Anordnung zu verwenden, welche mindestens zwei in Reihe geschaltete Spulen sowie mindestens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die beiden Reihenschaltungen parallel geschaltet sind und somit einen Parallelschwingkreis bilden . Mittels mindestens einen Schaltmittels, kann der Parallelschwingkreis in zwei in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise umgewandelt werden, wobei durch entsprechende Wahl der einzelnen Induktivitäten der Spulen und einzelnen verwendeten Kapazitäten die beiden mittels des Schaltmittels in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der in Reihe geschalteten primärseitigen Parallelschwingkreise koppeln diese jeweils unterschiedlich mit dem sekundärseitig mit einer bestimmten Frequenz gespeisten Sekundärschwingkreis. Sofern die Frequenz der sekundärseitigen Quelle periodisch verändert wird, wobei die jeweils gewählte Frequenz nach Möglichkeit auf die einzelnen Resonanzfrequenzen der mittels des mindestens einen Schaltmittels erzeugten primärseitigen Parallelschwingkreise abgestimmt sind, kann aufgrund der periodisch gemessenen Impedanzen bzw. Kopplungen die Distanz der Primärseitigen Anordnung zu den einzelnen primärseitigen Spulen bestimmt werden.
Das sekundärseitig eingespeiste Signal ist bevorzugt ein Kleinsignal, d.h. ein oszillierendes Spannungssignal mit geringer Leistung. Hierdurch arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr energieeffizient. Die Primärseite kann mittels des in der Regel vorgesehenen Wechselrichters oder anderer Schaltmittel von der primärseitigen Quelle abgetrennt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nicht nur als Positionierungshilfe für einen Fahrzeugführer eines Kraftfahrzeuges, sondern auch für ein autonom einparkendes oder fahrendes Fahrzeug, verwendet werden.
Nachfolgend wird anhand von Schaltbildern die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 : Eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit im Bodenbereich angeordneter sekundärer Anordnung und darunter in der Fahrbahn angeordneter primärseitiger Anordnung mit zwei nebeneinander angeordneten Flachspulen;
Fig. 2 : Ersatzschaltbild für die in Figur 1 dargestellte induktive Energieübertragungsanordnung;
Fig. 3 : schematische Darstellung für eine Anordnung mit vier primärseitigen in Quadranten angeordneten Flachspulen sowie einer sekundärseiti- gen Flachspule einer Pickup
Fig. 4a : Ersatzschaltbild für eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4b: Zeitdiagramm für die in Figur 3a dargestellte Ausführungsform;
Fig. 5 : Ersatzschaltbild für eine dritte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung .
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs F mit im Bodenbereich angeordneter sekundärer Anordnung SE. In der Fahrbahn ist die primärseitige Anordnung PR in Form der beiden primärseitigen Schwingkreise KB und Kc angeordnet, wobei die beiden Spulen der primärseitigen Schwingkreise KB und Kc als Flachspulen ausgebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind . Im Sinne der Erfindung müssen primärseitig mindestens zwei Flachspulen zweier Schwingkreise seitlich zueinander versetzt, insbesondere nebeneinander, angeordnet sein. Sofern primärseitig mehr als 2, insbesondere 4 oder mehr, Schwingkreise mit ihren Flachspulen angeordnet sind, desto genauer und auch in drei Dimensionen kann die Position des Fahrzeugs F relativ zur Primäranordnung bestimmt werden.
Gemäß dem ersten Grundgedanken der Erfindung ist nur jeweils ein primärseitiger Schwingkreis KB, Kc in einem bestimmten Zeitintervall„aktiv" geschaltet, d.h. nur jeweils in einem der primärseitigen Schwingkreise KB, Kc kann ein Strom fließen, welcher aufgrund der Gegeninduktivität zu einer sekundärseiti- gen Impedanzänderung führt. Gemäß des zweiten Grundgedankens der Erfindung können alle primärseitigen Schwingkreise KB, Kc in einem bestimmten Zeitintervall„aktiv" geschaltet sein, so dass in allen oder mehreren primärseitigen Schwingkreisen KB, Kc ein Strom fließen kann, welcher aufgrund der Gegeninduktivität zu einer sekun- därseitigen Impedanzänderung führt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weisen jedoch sämtliche primärseitigen Schwingkreise KB, Kc unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, so dass die primärseitigen Schwingkreise KB, Kc ebenfalls die sekundärseitige Impedanz unterschiedlich beeinflussen.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in Figur 1 dargestellte induktive Ener¬ gieübertragungsanordnung. Primärseitig sind die Schwingkreise KB, Kc bis Ki angeordnet, die abhängig vom Abstand zur sekundärseitigen Spule LA unterschiedlich mit der Sekundärseite koppeln, wobei mit kAB, kAc, kAi die Kopp¬ lungsfaktoren zwischen den einzelnen Spulenanordnungen bezeichnet sind. Mit Ai, A2, Bi, B2, Ci, C2, ... , Ii, I2 sind die Anschlusspole der primärseitigen und der sekundärseitigen Spulen LA, LB, Lc, .. bezeichnet. Die Schwingkreise sind jeweils durch die Spulen LA, LB, Lc, .. und die Kondensatoren CA, CB, Cc, .. Ci gebildet. Mittels nicht dargestellter Schaltmittel können die primärseitigen Schwingkreise nacheinander„aktiv" bzw.„passiv" geschaltet werden, wobei im „aktiven" Zustand ein Strom in dem jeweiligen Schwingkreis fließen kann und im„passiven" Zustand kein Strom im Schwingkreis fließen kann.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung für eine Anordnung mit vier primärseitigen Anordnungen KB, Kc, KD, KE, deren Flachspulen in einer Ebene und in vier verschiedenen Quadranten angeordnet sind. Die relative Lage und die Größe der primärseitigen Anordnungen KB, Kc, KD, KE sind der Vorrichtung bekannt bzw. in deren Speicher abgelegt. Die primärseitigen Anordnungen KB, Kc, KD, KE beeinflussen in Abhängigkeit von der Entfernung zu der Sekundäranordnung KA die sekundärseitige Impedanz jeweils unterschiedlich groß aufgrund den von der Entfernung abhängigen Kopplungsfaktoren kAi. Mittels der sekundärseitigen Impedanzmessvorrichtung IM kann dann für jede Kopplung und damit für jede primärseitige Anordnung KB, Kc, KD, KE die sekundär¬ seitige Impedanz bestimmt werden. Durch das periodische Bestimmen der sekundärseitigen Impedanz kann auch deren zeitlicher Verlauf bestimmt werden. Da zu einer Zeit jeweils nur ein primärseitiger Schwingkreis„aktiv" ist und gleichzeitig die übrigen Schwingkreise„passiv" sind, und die sekundärseitige Positionsbestimmungseinrichtung den jeweils gemessenen Impedanzwert einem bestimmten primärseitigen Schwingkreis zuordnen kann, können somit die einzelnen Abstandsvektoren PAi relativ zueinander und/oder bestimmt werden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Auskunft darüber geben kann, in welcher Position sich das Fahrzeug F relativ zur primärseitigen Anordnung befindet. Somit sind, insbesondere akustische und/oder visuelle, Anweisungen oder Signale generierbar, die den Fahrer zur optimalen Platzierung des Fahrzeugs führen und/oder mittels derer sich das Fahrzeug automatisch in die optimale Position steuern lässt.
Die Fig. 4a zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild für eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die primärseitige Anordnung einen Serienschwingkreis aufweist, welcher durch die Kapazitäten CB und Cc sowie die Spulen LB und Lc gebildet ist. Die Spulen LB und Lc sind in einer Ebene nebeneinander und/oder leicht überlappend angeordnet. Zur Energieübertragung wird der Serienschwingkreis verwendet, welcher mittels der Zuführleitungen 1, 2 mit dem Ausgang des Wechselrichters WP verbunden ist. Zur Positionsbestimmung wird der Schalter SM geschlossen. Hierdurch wird der zur Energieübertragung genutzte Serienschwingkreis CB, Cc, Lß, Lc in zwei in Reihe geschaltete Serienschwingkreise KB und Kc aufgespalten, wobei der Serienschwingkreis KB durch die Kapazität CB und die Spule LB und Serienschwingkreis Kc durch die Kapazität Cc und die Spule Lc gebildet ist. Sofern die Schaltelemente SB und Sc so angesteuert sind, dass sie nicht leitend geschaltet sind, sind die Serienschwingkreise KB und Kc geöffnet, so dass in ihnen kein Strom fließen kann und die Spulen LB, Lc keine Gegeninduktivitäten zum sekundären Schwingkreis KA bilden. Durch entsprechendes Ansteuern können die Schaltelemente SB und Sc wahlweise leitend oder sperrend geschaltet werden, so dass wahlweise einer der Serienschwingkreise KB oder Kc oder beide gleichzeitig kurzgeschlossen sind . Durch das Kurzschließen kann dann ein Strom durch den/die entsprechenden Schwingkreis(e) fließen, womit die Impedanz des sekundären Schwingkreises durch die jeweils„aktiv" geschaltete Kopplung kAB bzw. kAc beeinflusst wird . Zur Entkopplung der Serienschwingkreise KB und Kc von der den Wechselrichter WP speisenden und in Figur 4a nicht dargestellten Quelle, sollten die übrigen Schaltelemente des Wechselrichters derart angesteuert werden, dass sie sperren.
Die Serienschwingkreise KB und Kc können die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. In diesem Fall muss die übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung wissen, welcher primäre Serienschwingkreis KB oder Kc gerade aktiv geschaltet ist und mit dem sekundären Schwingkreis KA koppelt. Bei dieser Ausführungsform darf jeweils nur ein primärer Serienschwingkreis KB oder Kc zu einer bestimmten zeit„aktiv", d.h. kurzgeschlossen sind.
Es ist jedoch auch möglich, dass Serienschwingkreise KB und Kc unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, wodurch die übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung allein aufgrund der hierdurch unterschiedlichen Kopplung ermitteln kann, mit welchem primären Serienschwingkreis KB bzw. Kc der sekundäre Schwingkreis gerade koppelt. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, dass wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die primären Serienschwingkreise KB und Kc abwechselnd„aktiv" geschaltet werden und somit der sekundäre Schwingkreis KA immer nur mit einem primären Serienschwingkreis KB, Kc koppelt. Es ist jedoch auch möglich, dass beide primäre Serienschwingkreise KB, Kc für die Dauer des Positionierungsvorganges dauerhaft„aktiv" geschaltet sind . In diesem Fall kann über das Einstellen der Frequenz der Spannungsquelle Us, welche abwechselnd auf die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der beiden primären Serienschwingkreise KB, Kc abgestimmt ist, eine Detektion des jeweils am besten ankoppelnden primären Serienschwingkreises KB bzw. Kc ermittelt werden, wobei dann über die Impedanzmessung bzw. den zeitlichen Impedanzverlauf die Abstandsvektoren PAi bestimmt werden können.
Der sekundäre Schwingkreis KA, welcher durch die Kapazität CA und die Spule LA gebildet ist, wird durch die Kleinsignalquelle Us mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Signal mittels des Verstärkers V verstärkt wird. Die am Ausgang des Verstärkers V anliegende Spannung sowie der Innenwiderstand R sind bekannt. Mittels der am Schwingkreis KA abfallenden und gemessenen Spannung uA kann über den Spannungsteiler die Impedanz des Schwingkreises KA ermittelt werden. Die Figur 4b zeigt ein Zeitdiagramm für die in Figur 4a dargestellte Ausführungsform . Die die Schaltelemente SB und Sc ansteuernde Steuereinrichtung schaltet jeweils nur ein Schaltelement SB oder Sc zu einer Zeit leitend, so dass nur der damit kurzgeschlossene Serienschwingkreis KB bzw. Kc mit dem sekundären Schwingkreis KA koppelt und dessen Impedanz Z = UA/ΪΑ beeinflusst. Wie in Figur 4b dargestellt, können die Schaltelemente SB und Sc periodisch nacheinander eingeschaltet werden .
Die Figur 5 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Energieübertragungsvorrichtung primär einen Parallelschwingkreis KÜ, gebildet durch die Induktivitäten der Spulen LB, Lc und die hierzu parallel geschalteten Kapazitäten CB, Cc, aufweist. Mittels des Schaltmittels SM kann der Parallelschwingkreis KÜ in zwei in Reihe geschaltete Parallelschwingkreise KB, Kc mit jeweils unterschiedlicher Resonanzfrequenz fresB, fresc aufgespalten werden . Die Spulen LB und Lc sind in einer Ebene nebeneinander und/oder leicht überlappend angeordnet. Somit kann durch die aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der gebildeten Parallelschwingkreise KB, Kc und die unterschiedlichen Orte der Spulen LB und Lc eine Positionsbestimmung mittels der sekundärseitig vorgenommenen Impedanzmessung erfolgen .
Wie bereits erläutert, ist es bei der Verwendung von mindestens drei versetzt zueinander angeordneten primärseitigen Schwingkreisen möglich, die relative Lage, d .h . den Abstand in x-, y- und z-Richtung, der sekundärseitigen Anordnung SE zur primärseitigen Anordnung PR zu bestimmen . Es ist dann nicht nur möglich, die Entfernung in x- und y-Richtung, sondern auch die Höhe bzw. den Abstand (z-Richtung) der sekundärseitigen Anordnung SE über der Fahrbahnoberfläche bzw. der primärseitigen Anordnung PR zu ermitteln . Bei Kenntnis der Höhe bzw. des Abstandes kann deren Einfluss bei der weiteren Berechnung des Abstandes für die x- und y-Richtungen berücksichtigt bzw. kompensiert werden .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer sekundärseitigen Anordnung (SE) eines induktiven Energieübertragungssystems relativ zur pri- märseitigen Anordnung (PR) des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitige Anordnung (SE) mindestens einen elektrischen Schwingkreis (KA) aufweist, der mit mindestens zwei primärseitigen Schwingkreisen (KB, Kc, KD, KE) der primärseitigen Anordnung (SE) elektromagnetisch koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer sekundärseitigen Einspeisevorrichtung (Us) ein Signal in den mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis (KA) einspeisbar ist, und dass die sekundärseitige Anordnung (SE) eine Einrichtung (IM) zur Bestimmung der Impedanz (Z) und/oder zeitlichen Impedanzänderung des mindestens einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreises (KA) aufweist, und anhand der ermittelten Impedanz (Z), der zeitlichen Impedanzänderung und/oder des Impedanzverlaufs eine übergeordnete Positionsbestimmungseinrichtung die relative Position (P) der sekundärseitigen Anordnung (SE) relativ zur primärseitigen Anordnung (PR) bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine primär- seitig angeordnete Steuereinrichtung (ST) mindestens ein Schaltmittel (SM, SB, Sc) ansteuert, mit dem zumindest einer der primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE) kurzschließbar, auftrennbar und/oder durch Zuschalten oder Kurzschließen von Komponenten des Schwingkreises hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz (fres) beeinflußbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ST) das mindestens eine Schaltmittel (SM, SB, Sc) derart ansteuert, dass jeweils nur ein primärseitiger Schwingkreis (KB, Kc, KD, KE) zur Zeit„aktiv geschaltet" ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im„aktiv geschalteten" Zustand durch den jeweiligen primärseitigen Schwingkreis (KB, Kc, KD, KE) ein Strom aufgrund einer in dessen Spule(n) (LB, Lc) induzierten Spannung fließen kann.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ST) die primärseitigen
Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE) nacheinander, insbesondere in einer vorgegebenen Reihenfolge,„aktiv schaltet", wobei die Reihenfolge für die Dauer der Positionierung des Fahrzeuges fortwährend wiederholt wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE) nacheinander für unterschiedlich lange Zeitintervalle (ΔΤΑΚί)„aktiv geschaltet" sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE) nacheinander für gleich lange Zeitintervalle (ΔΤΑ)„aktiv geschaltet" sind, wobei die Pausenintervalle (ΔΤΡκ,) zwischen den aktiven Zuständen unterschiedlich lang sind, wobei die sekundärseitige Positionierungseinrichtung (PO) den zuvor aktiv geschalteten oder als nächstes aktiv geschalteten primärseitigen Schwingkreis (KB, Kc, KD, KE) anhand des Pausenintervalls (ΔΤΡκ,) erkennt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE) unterschiedliche Resonanzfrequenzen (freSB, fresc) aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primär- seitige Anordnung (PR) mehrere in Reihe geschaltete Spulen (LB, Lc) und mehrere in Reihe geschaltete Kapazitäten (CB, Cc) aufweist, wobei die beiden Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind, wobei mindestens ein Verbindungspunkt (3) zweier Spulen (LB, Lc) mittels eines Schaltmittels (SM) mit einem Verbindungspunkt (4) zweier Kondensatoren (CB, Cc) wahlweise verbindbar ist, wobei die bei geschlossenem Schaltmittel (SM) erzeugten und in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise (KB, Kc) unterschiedliche Resonanzfrequenzen (freSB, fresc) aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisevorrichtung (Us) die Frequenz des eingespeisten Signals, insbesondere eine Wechselspannung, periodisch ändert, insbesondere die Frequenz in zeitlicher Abfolge nacheinander an die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (fresB, fresc) der in Reihe geschalteten Parallelschwingkreise (KB, Kc) derart anpasst, dass sich jeweils eine besonders gute Kopplung zu dem jeweiligen Parallelschwingkreis (KB, Kc) ergibt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die Reihenfolge der aktiv geschalteten primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc, KD, KE), die Zeitintervalle (ΔΤΑκ,) und/oder die Pausenintervalle (ΔΤΡκ,) gespeichert sind .
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die Resonanzfrequenzen (freSB, fresc) der primärseitigen Schwingkreise (KB, Kc) gespeichert sind .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher der sekundärseitigen Positionierungseinrichtung (PO) die relative Lage der Spulen (LB, Lc, LD, LE) der primärseitigen Schwingkreise gespeichert sind .
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Höhe der sekundärseitigen Einrichtung (SE) über der Fahrbahnoberfläche oder über der primärseitigen Anordnung (PR) bzw. deren Spulen (LB, Lc, LD, LE) ermittelt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtung (PO) die ermittelte Höhe bei der Berechnung der Abstand svektoren PAi und/oder der Kopplungsfaktoren kAi berücksichtigt.
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