WO2020002218A1 - Induktive leistungsübertragung mit schwingkreis und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

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transmission
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Lukas Böhler
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of inductive charging.
  • the present invention relates to an oscillating circuit device and a method for operating an oscillating circuit device.
  • a system for inductive energy transfer can be used if the charging should be done contactless.
  • an alternating magnetic field is generated in the frequency range of 25 ... 150 kHz. It should be noted that outside of this frequency band, the limit values for the emission of electromagnetic waves are defined by internationally applicable standards. Because although in principle a magnetic field is used for energy transmission, due to the fact that the magnetic field changes inherently, it is an electromagnetic wave. Because of the slow
  • electromagnetic wave however, has a wavelength of several kilometers.
  • Coupling elements to each other is via a positioning signal e.g. WLAN (Wireless Local Area Network) measured and set.
  • a positioning signal e.g. WLAN (Wireless Local Area Network) measured and set.
  • an oscillating circuit device a vehicle and an operating method for operating an oscillating circuit device are specified.
  • an oscillating circuit device is provided.
  • the resonant circuit device has a transmission / reception coil or transmission and
  • Receiving coil for transmitting and / or receiving magnetic energy a coupling capacitor, a tuning capacitor and a switching device.
  • the switching device is connected in series with the coupling capacitor and the tuning capacitor.
  • a transformer comprising a primary coil and the resonant circuit device with the transmission / reception coil.
  • the transmit / receive coil is magnetically coupled to the primary coil as a secondary coil.
  • a vehicle comprising the resonant circuit device and / or the transformer.
  • the transmitting / receiving coil is set up for the bidirectional transmission of magnetic energy.
  • This magnetic energy may be transmitted with an electromagnetic wave with a very long wavelength of, for example, several kilometers.
  • Energy transmission resonant circuit can be achieved in a positioning resonant circuit. In other words, this means that by detuning one
  • Energy transmission resonant circuit can be used as a positioning resonant circuit.
  • the positioning signal may be transmitted as an amplitude-modulated signal, in which the information about the positioning is encoded in the amplitude. Both in the transmission of energy and in the transmission of the positioning signal
  • Positioning signal resulting electromagnetic wave may be shorter than that
  • the positioning signal may be in a different frequency band than the energy transfer signal. Because of the different frequency bands the two signals can also excite different resonances.
  • another electromagnetic signal can be used that is in another frequency band, such as a WLAN signal.
  • the energy transmission and the transmission of the positioning signal may take place at different times. So the transmission channel for that
  • Energy transmission or the positioning signal transmission can be used. Like the direction of energy transmission and the transmission of the positioning signal
  • the information of the positioning signal is encoded in the amplitude of the magnetic field, it may be desirable for the decoding of the signal to recover the original signal. It may therefore be desirable that preceding signal components do not interfere with subsequent signal components. Such interference can be prevented if signals that have already been transmitted are attenuated so that they do not protrude into other signals. In the case of resonance peaks at resonance frequencies, signals could build up and interfere with one another. It may therefore be desirable for signal transmission to attenuate transmitted signals. Since high damping can be achieved by means of a detuned resonant circuit, it may be desirable to use the resonant circuit during a
  • the positioning signal can also use phase modulation for information transmission.
  • the switching device is switched on, the exclusivity of the magnetic channel or the magnetic transmission path can be ensured.
  • the switching device has a resistor which is set up to detune the quality factor of the resonant circuit device.
  • the quality factor or the quality Q of the resonant circuit device may be adjustable such that it is in the range from 8 to 16 or in the range [8 ... 16] when the signal generator is switched on. In the case of energy transmission, when the signal generator is disconnected, a higher quality is set, for example a quality Q that is greater than 100.
  • the quality factor required may depend on the signal frequency and also on the signal structure, that is to say whether an amplitude-modulated signal or a phase-modulated signal is used.
  • the switching device has electrical isolation.
  • this electrical isolation may be arranged between the switching device and the signal generator.
  • the switching device thus has electrical isolation from the signal generator.
  • the galvanic isolation can ensure that no energy reaches the signal generator from the resonant circuit and destroys it.
  • the switching device further has a control device, the control device being set up to ensure that the signal generator is only operated when the signal generator is switched on and / or that no further energy is transmitted.
  • the control device may be operated by means of a program element and may be connected to the switching device.
  • the control device can also have sensors in order to recognize a set state. By means of the switching device, the control device can switch back and forth between at least two operating states.
  • control device can also be set up in such a way that it detects a sufficient coupling of the transmitting / receiving coil to a primary coil and only begins to transmit energy when this sufficient coupling is ensured. Adequate coupling may be recognizable by measuring a magnetic coupling factor k. Such a test behavior may also be prescribed by an international guideline.
  • the bridge rectifier or bridge circuit can ensure that energy transmitted during energy transmission is passed on to an HVDC (High Voltage Direct Current) circuit or an intermediate circuit.
  • HVDC High Voltage Direct Current
  • the voltage of the HVDC circuit is chosen such that it is generated during the positioning signal, is present at the bridge rectifier and is greater than the one generated
  • the HVDC voltage is defined by the HV (high voltage) battery or the traction battery of the vehicle.
  • the HVDC voltage is, for example, in a range between 170 - 440V.
  • the voltage cannot essentially be changed by the inductive charging system, but rather is defined by the state of charge of the battery. In other words, the HV battery used has an influence on the
  • the condition that the HVDC voltage applied to the bridge rectifier while the positioning signal is being generated is greater than the generated positioning signal. Fluctuations in the HV battery voltage are also in a range that is essentially irrelevant for the positioning signal.
  • the control device can ensure the presence of the HVDC voltage during the generation of the positioning signal.
  • Tuning capacitor dimensioned so that the resonant circuit device has a predeterminable resonance frequency, especially when the switching device is open.
  • This resonance frequency may correspond, for example, to the transmission frequency of a positioning signal.
  • the frequency of the positioning signal is through the keyless entry
  • the positioning signal can essentially have three signal sections and in particular time sections.
  • the positioning signal can have a 125 kHz sinusoidal time period through which the signal receiver can determine the distance to the signal transmitter.
  • the positioning signal can have a wake-up period within which a wake-up signal pattern is transmitted, which puts a receiver into a receive mode, for example to initiate the distance measurement.
  • Positioning signal have a burst that can be, for example, 10 ms long.
  • the resonant circuit device is designed as a car pad module (CPM) and / or as a ground pad module (GPM).
  • the components of the resonant circuit device are in one
  • Plastic housing housed which can be attached to the underside of a vehicle.
  • This plastic housing can have a standardized size.
  • a floppy disc, hard disk, USB (Universal Serial Bus) storage device, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory) or EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) may be used as a computer-readable storage medium.
  • An ASIC (application-specific integrated circuit) or an FPGA (field-programmable gate array) can also be used as a storage medium, as can SSD (solid-state drive) technology or a flash-based storage medium.
  • a web server or a cloud can also be used as a storage medium.
  • Computer-readable storage medium may also be viewed as a communication network, such as the Internet, which may allow program code to be downloaded. It can be a radio-based network technology and / or one
  • wired network technology can be used.
  • Program element created which, when executed by a processor, executes the method for operating the resonant circuit device.
  • FIG. 1 shows a transmission path for inductive charging for a better understanding of the present invention.
  • FIG. 2 shows a resonant circuit device of a CPM according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a resonant circuit device of a CPM with a galvanically isolated coupling circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 4 shows a flowchart for a method for operating the
  • Oscillating circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram for coupling a positioning signal into a main coil L1 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a transmission link for inductive charging according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • capacitor and “capacitance” as well as “coil” or “choke” and “inductance” may be used interchangeably and, unless otherwise stated, should not be interpreted restrictively.
  • the transmission path essentially has the stationary ground pad module (GPM) 101 coupled via an air interface and the mobile car pad module (CPM) 102.
  • the main supply is supplied via the connection 103 in the form of a voltage.
  • An AC mains voltage with 50 or 60 Hz can be used as the main supply.
  • the main supply is converted into an AC voltage via the inverter 104.
  • a floor transceiver 105 which may have a floor control device, a Separation in energy transmission 107 and signal transmission 106. Die
  • Signal transmission serves to transmit a positioning signal and takes place via the positioning signal channel 106, 106a.
  • Positioning signal can be 125kHz or 135kHz or any value in the range of [125kHz; 135 kHz].
  • the ground transceiver 105 can be a control device and / or various components for separating and / or combining the signals on the channels 106, 107. The separation into different channels of the
  • the reception coil L2 can be used both for receiving the energy during a charging process and as a transmission coil for a positioning signal.
  • Resonance frequency at something 125kHz is designed as the infrastructure for that
  • the receiving infrastructure for determining the position of the position in space may differ from the charging infrastructure.
  • the primary coil L1 can also receive the positioning signal while the energy transmission is switched off and the positioning is carried out. This positioning signal received in the primary coil L1 can be used to measure the distance of the GPM 101 from the CPM 102 and / or to measure the coupling factor k between GPM 101 and CPM 102 using the components required for the
  • Energy transmission is already present, for example a current and / or voltage measuring device for the coil L1.
  • the energy transmission which essentially derives from the energy source connected to the connection 103, takes place via the energy transmission channel 107, 107a.
  • the energy provided in the form of an alternating voltage is transferred via a
  • the frequency of the magnetic field for energy transmission can be, for example, from a range of [25 kHz; 150kHz] can be selected. This frequency range may pass through international standards or guidelines must be specified. Consequently, that is
  • Frequency bands By temporally switching the positioning signal on and off, a temporal separation of the signals can also be achieved, so that the two signals can be easily avoided.
  • the time-varying magnetic field has a very large one
  • a positioning signal can be
  • Positioning signal channel 106, 106b are transmitted. Even the transfer of the
  • Positioning signal via the positioning signal channel 106 takes place wirelessly.
  • the transmission of the positioning signal can use the keyless entry technology and in particular the frame structure specified by the keyless protocol or the keyless go protocol.
  • the positioning signal may essentially enable a receiver to determine its distance from a transmitter. During that
  • a WLAN signal may also be sent, which use WLAN technology.
  • the WLAN signal may already be in front of the
  • Switching on the positioning signal can be switched on and only switched off after the positioning signal has been switched off.
  • both signals, WLAN signal and positioning signal may be present at the same time. This coexistence of the WLAN signal and the positioning signal may be possible because the two signals are different
  • the WLAN signal may be used for bidirectional communication between transmitter 102 and receiver 101, while the positioning signal is sent unidirectionally from the transmitter to the receiver, for example from a CPM to a GPM.
  • the positioning signal in the positioning signal channel 106 can either be as a pure magnetic field and / or as
  • the two channels 106, 107 or transmission paths 106, 107 can be separate channels 106, 107.
  • the two channels 106, 107 or transmission paths 106, 107 can be separate channels 106, 107.
  • Energy transmission channel 107 and the positioning signal channel can also be combined, so that the energy transmission and the signal transmission take place via the same channel.
  • the use of the same channel may describe a situation in which the energy transmission takes place via the same components as the signal transmission, essentially via the same transmitter / receiver device L1, L2.
  • a communication channel can be set up via the energy transmission channel 107 during the energy transmission, which enables rapid feedback from the CPM to the GPM, for example if a crowbar or clamp switching device is actuated due to a load shedding and the GPM must be switched off quickly.
  • FIG. 2 shows a resonant circuit device 200 of a CPM 102 ′ according to one
  • Oscillating circuit device 200 has the transmitting / receiving coil L2 for transmitting and / or receiving magnetic energy.
  • This transmission / reception coil L2 or transmission / reception device L2 can be used both for signal transmission
  • the positioning signal which is emitted by the secondary coil L2, is measured in the GPM by the main coil L1 or primary coil L1 in order to determine the coupling and in particular the coupling factor k between the primary coil L1 and the secondary coil L2.
  • the distance between transmitter L2 and receiver L1 is thus also indirectly determined by means of the positioning signal. For a more precise positioning determination, more can be done
  • Sensor coils (not shown in FIG. 1) can be provided in the GPM 101, which in addition to the primary coil L1 also receive and evaluate the positioning signal.
  • an additional six sensor coils can be arranged in different orientations to one another in order to be able to determine an exact position of the GPM 101 relative to the CPM 102.
  • These six sensor coils can be understood as the positioning channel 106, 106a, 106b.
  • the measurement of the voltage induced in the opposite main coil can also be used for the coordinates or distance determination.
  • Main coil L1 also send such a positioning signal.
  • the resonant circuit device 200 has the coupling capacitor C2.1, C2.2.
  • this is designed as two capacitors, namely an upper coupling capacitor C2.1 and a lower coupling capacitor C2.2. However, it is sufficient if only one of the two capacitors is provided, for example C2.1. Training the
  • Coupling capacitor as two capacitors is a design variant that offers good insulation resistance. At this point, it does not necessarily have to meet the criteria for electrical isolation. The capacities used do not have to be designed as insulation either.
  • C2.1, C2.2 is a
  • the switching device S1 is for switching on and / or switching off one
  • Signal generator 201 generated signal in the resonant circuit L2, C2.1, C2.2, C4
  • the signal generator 201 ' is connected in series with the resistor R1 and connected in parallel with the switch S1.
  • the resonance frequency can be varied by means of the switching device S1 without a coil having to be switched. It may be cheaper to use switchable capacitors instead of switchable coils to adjust the resonant frequency.
  • resistor R1 and signal generator 201 ' are connected in series with tuning capacitor C4.
  • the resonant circuit of the resonant circuit device 200 which is now formed from L2, C2.1, C2.2, C4 and R1, is detuned.
  • the quality factor Q of the resonant circuit device 200 is changed compared to the resonant circuit when the switch position is closed.
  • the signal generator 201 'and the resistor R1 are short-circuited and the resonant circuit of the resonant circuit device is formed from L2, C2.1, C2.2 and C4.
  • opening the switch S1 detunes an energy transmission resonant circuit in a positioning resonant circuit.
  • an energy transmission resonant circuit becomes one
  • An energy transmission resonant circuit is a
  • Oscillating circuit the resonance frequency of which is set to the resonance frequency suitable for energy transmission.
  • a positioning resonant circuit is an oscillating circuit whose resonance frequency is suitable for the signal transmission
  • Resonance frequency is installed, the signal being a positioning signal.
  • the switchover of the switch S1 may make it possible to couple a positioning signal or positioning signal into an energy transmission circuit.
  • the damping takes place by inserting the resistor R1 into the resonant circuit device 200.
  • the damping and / or the resonance detuning serve to improve the signal quality and to increase the reception quality. However, there is no high requirement for the
  • Reception quality, damping and / or the resonance detuning can also be omitted.
  • the attenuation can prevent preceding signal components from interfering with subsequent signal components through superimpositions or reflections. Interference can be prevented if signals that have already been transmitted are attenuated so that they do not protrude into other signals.
  • the coupling circuit 202 ' has the switch S1, the resistor R1 and the signal generator 201'.
  • the coupling circuit 202 ' couples directly into the
  • the positioning signal 206b can be coupled into the main coil L2 or vehicle transmission / reception coil L2 into the signal transmission channel 106b' and to a GPM (not shown in FIG.
  • the coupling can be done by the
  • Resonance frequency of the resonant circuit device 200 is changed.
  • the resonance frequency is used by the capacitor C4, with the aid of which the resonant circuit quality of the resonant circuit device 200 is changed and thus the
  • Oscillating circuit device 200 is detuned.
  • the detuning takes place by opening switch S1, which essentially turns on resistor R1 as a damping element.
  • the traction circuit 110 of the vehicle is connected to the connector 110 and is not shown in FIG. 2.
  • the HVDC voltage is present at the traction circuit 110 or intermediate circuit 110.
  • This HVDC voltage is defined by the vehicle battery and its contactor. A fuse can also be provided in the vehicle.
  • the vehicle can decide to switch off the HV battery. In the event that the vehicle has disconnected or disconnected the HV battery from the HVDC connection 1 10, no positioning signal can be generated using the resonant circuit device 200 and the ICS system with the GPM 101 and CPM 102 cannot position. If the switch S1 is open, the coupling circuit 202 'is not bridged and is therefore effective. If at the same time the voltage HV DC of the intermediate circuit 1 10 or
  • Traction circuit is present at the output of the rectifier 203, an influence of the rectifier 203 and / or the influence of other components on the traction circuit 110 on the resonance frequency and / or damping of the main resonant circuit L2, C2.1, C2.2, C4 and R1 can be neglected , Then the capacitor C4
  • the capacitance C4 is a necessary element in the design of the energy path 107 107a, 107b and for the energy transmission. Energy transmission systems without C4 are conceivable, but the design according to FIGS. 1 -3 C4 for the special use of energy transmission. C4 is thus provided by the design of the energy transfer component of the system according to FIG. 1, independently of the positioning system 201 ′′, 202 ′′. In other words, it could mean that even without providing the functionality of the positioning, the C4 capacity would be here to enable the energy transfer. Furthermore, C4 reduces the EMC of the energy transmission. In particular, the
  • the resonance frequency and quality of the main resonant circuit L2, C2.1, C2.2, C4 and R1 are adapted to the frequency and requirements of the signal provided by the signal generator 20T, for example a keyless entry signal.
  • the capacity of the main resonant circuit L2, C2.1, C2.2, C4 and R1 are adapted to the frequency and requirements of the signal provided by the signal generator 20T, for example a keyless entry signal.
  • Tuning capacitor C4 is dimensioned so that the resonant circuit device 200 has a predeterminable resonance frequency f rsis , which corresponds to the transmission frequency of the positioning signal 206b, at approximately 125 kHz.
  • the rectifier 203 is made up of a parallel connection of two in each case
  • the diodes are arranged so that the diodes connected in series each form a branch of the parallel connection.
  • the anode of one diode is connected to the cathode of the other diode involved in the series connection at a respective row connection point 108A, 108B.
  • the parallel branches are connected to each other in a parallel connection point 109A, 109B.
  • Two anodes are connected in the first parallel connection point 109A and two cathodes of the diodes are connected to one another in the second parallel connection point 109B.
  • the main resonant circuit L2, C2.1, C2.2, C4 is connected to the series connection points 108A, 108B, so that the rectifier 203 lies in parallel with the capacitors C4 and S1.
  • the HVDC circuit 110 is connected to the parallel connection points 109A, 109B, so that the rectifier 203 is parallel to the output of the HVDC circuit 110.
  • the rectifier 203 and / or further components on the traction circuit 110 can be prevented from influencing the resonance frequency f rg and damping of the resonant circuit. If the voltage HVDC is present and is greater than the positioning signal 206b generated by the signal generator 201 ', an energy flow through the bridge rectifier 203 into the HV battery can be prevented.
  • Ren the frequency for the power transmission and the frequency f determined for the alternating magnetic field and can be made of the range of 25kHz to 150kHz or in the range [25kHz; 150kHz] can be selected. This frequency range can also be specified by international guidelines.
  • Positioning signal is related to the positioning signal, the size of the coupling capacitors C2.1, C2.2 and inductance of the transmitting / receiving coil L2 is predetermined by the energy transfer with an operating frequency of 85 kHz.
  • the capacitance of the tuning capacitor C4 is selected so that the resonant circuit frequencies for the transmission of the positioning signal and the energy transmission are matched to one another.
  • the control device (not shown in FIG. 1) is set up in such a way that it can distinguish between two states.
  • the first state is the positioning state, which is active when the CPM and GPM are aligned. In this state, the control device must ensure that there is no energy transmission and switch S1 is open.
  • the channel 106b 'can thus be used exclusively for the transmission of the
  • Positioning signal can be used.
  • the second state is that
  • Coupling circuit 202 before the transmitted energy.
  • Switch S1 is opened during the positioning process in the positioning state.
  • the resonance frequency is determined in that the energy flow received via L2 is conducted into the traction circuit 110 with the HVDC voltage. Because the energy received in L2 is introduced into the traction circuit 110, the resonance frequency is dependent on the HVDC voltage and charging power.
  • Another equivalent circuit diagram is therefore formed, which is additionally not linear, since rectifier 203 forces C4 clamping, by means of which capacitance C4 remains at a fixed voltage, which is predetermined by traction circuit 110.
  • the capacitance of the capacitor C4 can be chosen so that this
  • Positioning state results in a capacitance of the equivalent resonance capacitor C p such that the desired resonance frequency f rg results for the positioning signal .
  • the resonance frequency results in the positioning state according to the formula:
  • C4 is chosen to be 21 nF.
  • the inductance of the secondary coil L2 is first specified, which results from the mechanical structure, for example the size of the CPM 102.
  • C2.1, C2.2 is defined by the desired energy transfer.
  • C4 is optimized for positioning so that the desired resonance frequency f rMg results.
  • the desired quality of the resonant circuit can be set by selecting the damping resistor R1 and thus enabling information to be transmitted in the positioning signal.
  • R1 results in 3.3 W.
  • the quality Q can be selected from a value range from 8 to 16.
  • the value for the quality can be obtained by requesting a
  • Positioning module specified, for example, by the signal generator 201 become. If C4 fulfills the requirements of energy transmission and positioning, a complex impedance Z1 can also be installed at point R1.
  • FIG. 3 shows an oscillating circuit device 200 “of a CPM 102“ with a galvanically isolated coupling circuit 202 “according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the coupling circuit 202 "has the electrically isolated interface T 1, via which the positioning signal 206b" is coupled from the signal generator 201 into the resonant circuit.
  • the galvanically isolated interface T 1 is formed by a transformer T 1.
  • the signal generator 201 which generates the positioning signal, is connected to the primary coil of the transformer T1 via a resistor R2.
  • the galvanically isolated coupling circuit has the resistors R1 and R2 and in the positioning state the sum of the damping resistors R1 and R2 must be taken into account in order to calculate the quality of the main resonant circuit.
  • the coupling circuit 202 is by means of the
  • transformer T1 If no stray field transformer is used as transformer T1, it can essentially be ensured that its inductances do not act on the signal and influence the resonance frequency and / or quality.
  • Transformer T 1 is to be provided when the signal generator 201 'is at LV (low voltage) potential, for example when the signal generator 201' is operated by the 12 V voltage of the vehicle battery. Versions are conceivable in which the
  • Signal generator is installed on the HV side in the traction circuit 1 10 and no galvanic isolation is necessary.
  • Oscillating circuit device 200, 200 accordinging to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the method begins in an initial state S400.
  • state S401 it is ensured that the signal generator 201 by means of the
  • Switching device S1 is switched on by opening switch S1.
  • the open switch S1 prevents the energy transmission while the signal generator 201 is active by detuning the resonant circuit 200, 200 ′′. If it is ensured that the switch is open, the signal generator is operated in state S402. The method is ended in state S403.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram for coupling a positioning signal into a main coil L1 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the secondary coil L2 and the primary coil L1 or main coil L1 move relative to one another.
  • the positioning signal 502 or positioning signal 502 is emitted by the secondary coil L2 and penetrates the primary coil L1 in
  • Positioning signal 502. The positioning signal 502 is in the secondary coil L2
  • a current and / or voltage measuring device 503 is already present on the primary coil for power control during energy transmission. This current and / or voltage measuring device 503 within the main resonant circuit and / or on
  • the main resonant circuit filter elements can be operated by a control device such that they can be used not only for power measurement, but also directly to determine the magnetic coupling k of the energy transfer. It is therefore possible to use the
  • Positioning signal 502 at the same time to determine the magnetic coupling k for the coils L1, L2, which are used for the energy transmission.
  • the measurement of the voltage induced in the main coil L1 by the positioning signal 502 can also be used to determine the coordinates of the GPM to the CPM and / or Distance determination of the GPM to the CPM can be used if the corresponding control device is set up for this.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a transmission link for inductive charging according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the CPM 102 "transmits the positioning signal 502 from the secondary coil L2 to the primary coil L1 of the GPM 101". During this transmission, the CPM 102 "and the GPM 101" are loosely coupled via a magnetic field with the same coupling factor k as a later energy transmission.
  • the secondary coil L2 forms, together with the capacitors C2.1, C2.2 and C4, the secondary resonant circuit, the resonance frequency of which is adjusted by the capacitor C4 in such a way that it is not shown in FIG. 6
  • Positioning signal sensors fit, for example 125kHz. Even if the
  • the resonance frequency of the main resonant circuit or the primary resonant circuit which is formed from the primary coil L1 and the capacitors C1.2 and C2.2 and is, for example, at 85 kHz, deviates from the resonant frequency of the secondary resonant circuit, the positioning signal 502 excites an oscillation in the primary resonant circuit.
  • Vibration can be evaluated by means of the current and / or voltage measuring device 503 and a signal measurement connected thereto in order to carry out the coordinate determination of the GPM 101 “to the CPM 102” and / or the distance determination of the GPM 101 “to the CPM 102”. That needed for the energy transfer
  • Adaptation network 601 influences the resonance frequency of the
  • the additional capacitor C4 or tuning capacitor C4 has a benefit for the EMC (electromagnetic compatibility) reduction, since it harmonics
  • the tuning capacitor C4 is set up so that it not only ensures the adaptation of the resonance frequency to special positioning sensors (not shown in FIG. 6) during the transmission of a positioning signal 502 when the switch S1 is open, but also, that if it is integrated in the secondary resonant circuit by means of switch S1 during the energy transmission, it ensures an EMC reduction.
  • “comprehensive” and “showing” do not exclude other elements or steps, and “one” or “one” does not exclude a large number.
  • features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Reference signs in the claims are not as

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Abstract

Eine induktive Leistungsübertragung mit Schwingkreis (200, 200"), die eine Sende-/Empfangsspule (L2) oder Sende- und Empfangsspule zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischer Energie, einen Koppelkondensator, einen Abstimmkondensator (C4) und eine Schalteinrichtung (S1) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (S1) mit dem Koppelkondensator und dem Abstimmkondensator in Reihe geschaltet ist und wobei außerdem die Schalteinrichtung (S1) zum Zuschalten und/oder Wegschalten eines Signalgenerators (201', 202") und zum Verändern eines Gütefaktors oder zur Veränderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (200, 200") eingerichtet ist.

Description

INDUKTIVE LEISTUNGSÜBERTRAGUNG MIT SCHWINGKREIS UND VERFAHREN ZUM BETRIEB DER VORRICHTUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet des induktiven Ladens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schwingkreisvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Schwingkreisvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Zum elektrischen Laden eines reinen Elektrofahrzeugs (EV, Electric Vehicle) oder eines Hybridfahrzeugs (PHEV, Plug-in Hybrid-Electric Vehicle), welches mit einer Kombination aus Treibstoff und elektrischer Energie betrieben wird, kann ein System für die induktive Energieübertragung genutzt werden, wenn das Laden kontaktlos erfolgen soll. In einem solchen System wird ein magnetisches Wechselfeld im Frequenzbereich von 25...150kHz erzeugt. Dabei muss beachtet werden, dass außerhalb dieses Frequenzbandes die Grenzwerte für die Emission elektromagnetischer Wellen durch international gültige Normen festgelegt sind. Denn obwohl prinzipiell ein Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird, handelt es sich jedoch aufgrund der Tatsache, dass sich das Magnetfeld ändert inhärent um eine elektromagnetische Welle. Wegen der langsamen
Veränderungen der Feldstärken weist die beim induktiven Laden genutzte
elektromagnetische Welle allerdings eine Wellenlänge von mehreren Kilometern auf.
Um diese Grenzwerte für die Emission einzuhalten ist darauf zu achten, dass das zur Energieübertragung genutzte magnetische Wechselfeld mit einer Grundschwingung im Bereich 25...150kHz arbeitet und nur sehr geringe Oberwellen enthält. Daher kommen Filter zum Einsatz, die störende Oberwellen möglichst entfernen. Außerdem muss, um die international gültigen Normen und Richtlinien einzuhalten, dafür gesorgt werden, dass eine Energieübertragung nur dann erfolgt, wenn eine bestimmte Qualität der Kopplung zueinander erreicht ist, indem eine bestimmte Ausrichtung der Koppelelemente zueinander eingestellt wird, beispielsweise durch ein Positionierungssystem wie beispielsweise in der Druckschrift EP 3 103 674 A1 beschrieben ist. Als Koppelelement für die Energieübertragung wird auf der stationären Seite ein GPM (Ground Pad Module) mit einer Primärspule und fahrzeugseitig ein CPM (Car Pad Module) mit einer Sekundärspule genutzt. GPM und CPM bilden für die Koppelung und
Energieübertragung einen Transformator. Die physikalische Ausrichtung der
Koppelelemente zueinander wird über ein Positioniersignal z.B. WLAN (Wireless Local Area Network) gemessen und eingestellt. Für die Energieübertragung und die
Übertragung des Positionierungssignals kommen unterschiedliche Übertragungsstrecken und unterschiedliche Übertragungstechniken zum Einsatz.
Es mag als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine effektive Übertragung von Energie und eines Positionierungssignals zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend wird eine Schwingkreisvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben zum Betreiben einer Schwingkreisvorrichtung angegeben.
Der Gegenstand der Erfindung wird von den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche angegeben. Ausführungsbeispiele und weitere Aspekte der Erfindung werden von den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Schwingkreisvorrichtung bereitgestellt. Die Schwingkreisvorrichtung weist eine Sende-/Empfangsspule oder Sende- und
Empfangsspule zum Senden und/oder Empfangen von magnetischer Energie, einen Koppelkondensator, einen Abstimmkondensator und eine Schalteinrichtung auf. In dieser Schwingkreisvorrichtung ist die Schalteinrichtung mit dem Koppelkondensator und dem Abstimmkondensator in Reihe geschaltet. Außerdem ist die Schalteinrichtung zum
Zuschalten und/oder Wegschalten eines Signalgenerators und zum Verstimmen eines Gütefaktors der Schwingkreisvorrichtung eingerichtet. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Transformator angegeben, aufweisend eine Primärspule und die Schwingkreisvorrichtung mit der Sende- /Empfangsspule. Die Sende-/Empfangsspule ist als Sekundärspule mit der Primärspule magnetisch gekoppelt.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug beschrieben, aufweisend die Schwingkreisvorrichtung und/oder den Transformator.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben der Schwingkreisvorrichtung angegeben. Das Verfahren weist auf,
sicherzustellen, dass der Signalgenerator mittels der Schalteinrichtung zugeschaltet ist und das Betreiben des Signalgenerators.
Die Sende-/Empfangsspule ist zum bidirektionalen Übertragen einer magnetischen Energie eingerichtet. Diese magnetische Energie mag mit einer elektromagnetischen Welle mit einer sehr großen Wellenlänge von beispielsweise mehreren Kilometern übertragen werden. Mittels der Schalteinrichtung kann eine Verstimmung eines
Energieübertragungsschwingkreises in einem Positionierschwingkreis erreicht werden. In anderen Worten bedeutet das, dass mittels der Verstimmung eines
Energieübertragungsschwingkreises erreicht werden kann, dass dieser
Energieübertragungsschwingkreis als ein Positionierschwingkreis genutzt werden kann.
Während die Energie mit im Wesentlichen konstanter Amplitude übertragen wird, mag das Positionierungssignal als ein amplitudenmoduliertes Signal übertragen werden, bei dem die Information über die Positionierung in die Amplitude kodiert wird. Sowohl bei der Energieübertragung als auch bei der Übertragung des Positioniersignals mag ein
Magnetfeld zum Einsatz kommen. Jedoch mag die Wellenlänge der sich für das
Positionierungssignal ergebenden elektromagnetischen Welle kürzer sein als die
Wellenlänge des elektromagnetischen Signals, das sich für die Energieübertragung ergibt. Dementsprechend mag das Positionierungssignal in einem anderen Frequenzband liegen als das Energieübertragungssignal. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzbänder können die beiden Signale auch unterschiedliche Resonanzen anregen. Zusätzlich zu dem Positionierungssignal, das beispielsweise ein Keyless Protokoll nutzen kann, kann ein weiteres elektromagnetisches Signal genutzt werden, welches in noch einem anderen Frequenzband liegt, wie beispielsweise ein WLAN-Signal.
Die Energieübertragung und die Übertragung des Positionierungssignals mögen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. So kann der Übertragungskanal für das
Magnetfeld oder die sich ergebende elektromagnetische Welle exklusiv für die
Energieübertragung oder die Positioniersignalübertragung genutzt werden. Die Richtung der Energieübertragung und der Übertragung des Positioniersignals mögen
entgegengesetzt sein.
Da die Information des Positionierungssignals in der Amplitude des Magnetfelds kodiert wird, mag es für das Dekodieren des Signals wünschenswert sein, das ursprüngliche Signal wiederzugewinnen. Daher mag es wünschenswert sein, dass vorausgehende Signalanteile nachfolgende Signalanteile nicht stören. Solche Störungen können verhindert werden, wenn Signale, die bereits gesendet worden sind, gedämpft werden, so dass sie nicht in andere Signale hineinragen. Im Falle von Resonanzüberhöhungen bei Resonanzfrequenzen könnten sich Signale aufschaukeln und gegenseitig stören. Daher mag es für die Signalübertragung wünschenswert sein, ausgesendete Signale zu dämpfen. Da eine hohe Dämpfung mittels eines verstimmten Schwingkreises erreicht werden kann, mag es wünschenswert sein, den Schwingkreis während einer
Signalübertragung zu Verstimmen oder die Güte Q des Schwingkreises während der Signalübertragung zu reduzieren. Bei der Energieübertragung mag hingegen eine hohe Güte wünschenswert sein. Alternativ zu der Nutzung der Amplitudenmodulation kann das Positionierungssignal auch die Phasenmodulation zur Informationsübertragung nutzen.
Durch Überprüfen, dass der Betreib des Signalgenerators für das Positionierungssignal erst dann erfolgt, wenn sichergestellt ist, dass der Signalgenerator mittels der
Schalteinrichtung zugeschaltet ist, kann die Exklusivität des magnetischen Kanals oder der magnetischen Übertragungsstrecke sichergestellt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schalteinrichtung einen Widerstand auf, der zum Verstimmen des Gütefaktors der Schwingkreisvorrichtung eingerichtet ist.
In einem Beispiel mag der Gütefaktor oder die Güte Q der Schwingkreisvorrichtung so einstellbar sein, dass sie, wenn der Signalgenerator zugeschaltet ist, im Bereich von 8 bis 16 oder im Bereich [8 ... 16] liegt. Bei der Energieübertragung, wenn der Signalgenerator abgekoppelt ist, wird eine höhere Güte eingestellt, beispielsweise eine Güte Q, die grösser als 100 ist. Die benötigte Güte mag von der Signalfrequenz und auch vom Signalaufbau abhängig sein, also ob ein amplitudenmoduliertes Signal oder ein phasenmoduliertes Signal genutzt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schalteinrichtung eine galvanische Trennung auf.
Diese galvanische Trennung mag in einem Beispiel zwischen der Schalteinrichtung und dem Signalgenerator angeordnet sein. Somit weist die Schalteinrichtung eine galvanische Trennung zum Signalgenerator auf. Die galvanische Trennung kann sicherstellen, dass keine Energie von dem Schwingkreis zu dem Signalgenerator gelangt und ihn zerstört.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schalteinrichtung weiter eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, sicher zu stellen, dass der Signalgenerator nur betrieben wird, wenn der Signalgenerator zugeschaltet ist und/oder dass keine weitere Energie übertragen wird. Die
Steuereinrichtung mag mittels eines Programmelements betrieben werden und mit der Schalteinrichtung verbunden sein. Die Steuereinrichtung kann auch Sensoren aufweisen, um einen eingestellten Zustand zu erkennen. Mittels der Schalteinrichtung kann die Steuereinrichtung zwischen zumindest zwei Betriebszuständen hin- und herschalten.
Durch das Sicherstellen, dass entweder eine Energie übertragen wird oder das von dem Signalgenerator erzeugte Signal, beispielsweise das Positioniersignal, können Vorgaben durch internationale Normen oder Richtlinien erfüllt werden. Die Steuereinrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie eine ausreichende Kopplung der Sende- /Empfangsspule mit einer Primärspule erkennt und erst wenn diese ausreichende Kopplung sichergestellt ist, mit der Energieübertragung zu beginnen. Eine ausreichende Kopplung mag durch das Messen eines magnetischen Koppelfaktors k erkennbar sein. Solch ein Prüfverhalten mag auch durch eine internationale Richtlinie vorgegeben sein.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist parallel zu der Reihenschaltung des Abstimmkondensators und der Schalteinrichtung ein
Brückengleichrichter angeschlossen.
Der Brückengleichrichter oder Brückenkreis kann dafür sorgen, dass eine bei der Energieübertragung übertragene Energie an einen HVDC (High Voltage Direct Current) Schaltkreis oder einen Zwischenkreis weitergegeben wird. Die Spannung des HVDC Schaltkreises wird in einem Beispiel so gewählt, dass sie während das Positioniersignal erzeugt wird, an dem Brückengleichrichter anliegt und grösser als das erzeugte
Positioniersignal ist. Die HVDC Spannung ist durch die HV (High Voltage) Batterie oder die Traktionsbatterie des Fahrzeugs definiert. Die HVDC Spannung liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 170 - 440V. Die Spannung ist durch das induktive Ladesystem im Wesentlichen nicht änderbar, sondern durch den Ladezustand der Batterie definiert. In anderen Worten hat somit die Eingesetzte HV Batterie einen Einfluss auf die
Dimensionierung der Schwingkreisvorrichtung. Da jedoch die HVDC Spannung in der Regel wesentlich größer als die für das Positioniersignal genutzte Spannung ist, kann die Bedingung, dass die HVDC Spannung, die an dem Brückengleichrichter anliegt während das Positioniersignal erzeugt wird, grösser als das erzeugte Positioniersignal ist, erfüllt werden. Auch Schwankungen der HV Batteriespannung liegen in einem Bereich, der für das Positioniersignal im Wesentlichen keine Rolle spielt.
Durch die Wahl einer Spannung an dem Ausgang des Brückenkreises, die größer ist als die Spannung des erzeugten Positioniersignals kann ein Energiefluss durch den
Brückengleichrichter in eine an dem Ausgang des HVDC Schalkreis angeschlossene Batterie verhindert werden. Für das Vorhandensein der HVDC Spannung während der Erzeugung des Positioniersignals kann die Steuereinrichtung sorgen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kapazität des
Abstimmkondensators so dimensioniert, dass die Schwingkreisvorrichtung eine vorgebbare Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere wenn die Schalteinrichtung geöffnet ist. Diese Resonanzfrequenz mag beispielsweise der Sendefrequenz eines Positioniersignals entsprechen.
In einem Beispiel ist die Frequenz des Positioniersignals durch die Keyless Entry
Technologie vorgegeben, beispielsweise durch KEYLESS GO™ und liegt bei 125kHz oder 135kHz. Das Positioniersignal kann im Wesentlichen drei Signalabschnitte und insbesondere Zeitabschnitte aufweisen. Beispielsweise kann das Positioniersignal einen 125 kHz sinusförmigen Zeitabschnitt aufweisen, durch den der Signalempfänger die Distanz zu dem Signalsender bestimmen kann. Weiter kann das Positionierungssignal einen Wakeup-Zeitabschnitt aufweisen, innerhalb dessen ein Wakeup-Signalmuster übertragen wird, welches einen Empfänger in einen Empfangsmodus versetzt, um beispielsweise die Distanzmessung zu initiieren. Darüber hinaus kann das
Positioniersignal einen Burst aufweisen, der beispielweise 10 ms lang sein kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schwingkreisvorrichtung als Car Pad Modul (CPM) und/oder als Ground Pad Modul (GPM) ausgestaltet.
Beispielsweise sind die Komponenten der Schwingkreisvorrichtung in einem
Plastikgehäuse untergebracht, welches an der Unterseite eines Fahrzeugs angebracht werden kann. Dieses Plastikgehäuse kann eine normierte Größe aufweisen.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein Programmcode
gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben der Schwingkreisvorrichtung ausführt. Die Steuereinrichtung kann solch einen Prozessor nutzen. Als ein computerlesbares Speichermedium mag eine Floppy Disc, eine Festplatte, ein USB (Universal Serial Bus) Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) genutzt werden. Als Speichermedium kann auch ein ASIC (application-specific integrated Circuit) oder ein FPGA (field-programmable gate array) genutzt werden sowie eine SSD (Solid-State-Drive) Technologie oder ein Flash-basiertes Speichermedium. Ebenso kann als Speichermedium ein Web-Server oder eine Cloud genutzt werden. Als ein
computerlesbares Speichermedium mag auch ein Kommunikationsnetz angesehen werden, wie zum Beispiel das Internet, welches das Herunterladen eines Programmcodes zulassen mag. Es kann eine funkbasierte Netzwerktechnologie und/oder eine
kabelgebundene Netzwerktechnologie genutzt werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Programmelement geschaffen, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben der Schwingkreisvorrichtung ausführt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Übertragungsstrecke für induktives Laden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Schwingkreisvorrichtung eines CPM gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Schwingkreisvorrichtung eines CPM mit einer galvanisch getrennten Einkoppelschaltung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zum Betreiben der
Schwingkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zum Einkoppeln eines Positioniersignals in eine Hauptspule L1 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Übertragungsstrecke für induktives Laden gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibung der Fig. 1 bis Fig. 4 werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet.
In diesem Text mögen die Begriffe„Kondensator“ und„Kapazität“ sowie„Spule“ oder „Drossel“ und„Induktivität“ gleichbedeutend verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden.
Fig. 1 zeigt eine Übertragungsstrecke für induktives Laden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die Übertragungsstrecke weist im Wesentlichen das über eine Luftschnittstelle gekoppelte stationäre Ground Pad Modul (GPM) 101 und das mobile Car Pad Modul (CPM) 102 auf. Die Hauptversorgung wird über den Anschluss 103 in Form einer Spannung zugeführt Als Hauptversorgung (Mains) kann eine AC Netzspannung mit 50 oder 60Hz eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich als Mains eine DC
Spannung aus einer zentralen DC Quelle zu nutzen und lokal nur die Umrichter in 85kHz für die induktive Energieübertragung zu betreiben.
Die Hauptversorgung wird über den Inverter 104 in eine Wechselspannung gewandelt.
Um die 85kHz für die induktive Übertragung zu erreichen. Über eine Boden-Sende- /Empfangseinrichtung 105, die eine Boden-Steuereinrichtung aufweisen kann, erfolgt eine Trennung in der Energieübertragung 107 und der Signalübertragung 106. Die
Signalübertragung dient der Übertragung eines Positioniersignals und erfolgt über den Positioniersignal-Kanal 106, 106a. Die Frequenz für die Übertragung des
Positioniersignals kann 125kHz oder 135kHz oder einen beliebigen Wert aus dem Bereich von [125kHz; 135kHz] betragen. Die Boden-Sende-/Empfangseinrichtung 105 kann eine Steuereinrichtung und/oder diverse Komponenten zum Trennen und/oder vereinigen der Signale auf den Kanälen 106, 107. Die Trennung in unterschiedliche Kanäle der
Energieübertragung 107 und des Positioniersignals 106 in Fig. 1 soll verdeutlichen, dass es sich hierbei um logisch getrennte funktionale Einheiten handelt. Um jedoch Kosten und Material zu sparen kann es sinnvoll sein möglichst viele Komponenten gemeinsam zu nutzen. So kann zumindest auf der Sekundärseite 102 die Empfangsspule L2 sowohl zum Empfangen der Energie während eines Ladevorgangs genutzt werden als auch als Sendespule für ein Positioniersignal. Es mag jedoch möglich sein, für diese gemeinsame Nutzung der Infrastruktur, Anpassungen vorzunehmen. So mag zu berücksichtigen sein, dass eine Empfangsinfrastruktur für das Positioniersignal für eine andere
Resonanzfrequenz bei etwas 125kHz ausgelegt ist, als die Infrastruktur für die
Energieübertragung, bei etwa 85kHz. Es kann auch ausgenutzt werden, dass das Laden und Positionieren nicht gleichzeitig erfolgt und sich die Signale somit nicht überschneiden. Die Empfangsinfrastruktur für die Positionsbestimmung der Lage im Raum, ausgedrückt durch x, y, z Koordinaten mag sich zwar von der Ladeinfrastruktur unterscheiden. Jedoch kann die Primärspule L1 während die Energieübertragung abgeschaltet ist und die Positionierung durchgeführt wird auch das Positioniersignal empfangen. Dieses in der Primärspule L1 empfangene Positioniersignal kann zu einer Distanzmessung des GPM 101 von dem CPM 102 und/oder Messung des Koppelfaktors k zwischen GPM 101 und CPM 102 unter Ausnutzung der Komponenten genutzt werden, die für die
Energieübertragung bereits vorhanden sind, beispielsweise einer Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung für die Spule L1.
Die Energieübertragung, die sich im Wesentlichen aus, der an dem Anschluss 103 angeschlossenen Energiequelle speist, erfolgt über den Energieübertragungs-Kanal 107, 107a. Die in Form einer Wechselspannung bereitgestellte Energie wird über eine
Primärspule L1 oder Boden-Sende-/Empfangsspule in ein Magnetfeld gewandelt. Die Frequenz des Magnetfeldes zur Energieübertragung kann beispielsweise aus einem Bereich von [25kHz; 150kHz] gewählt werden. Dieser Frequenzbereich mag durch internationale Normen oder Richtlinien vorgegeben sein. Folglich liegen das
Energieübertragungssignal und das Positioniersignal in unterschiedlichen
Frequenzbändern. Durch das zeitliche Zu- und Abschalten des Positioniersignals kann auch eine zeitliche Trennung der Signale erreicht werden, so dass gut vermieden werden kann, dass sich die beiden Signale stören.
Das von der Wechselspannung (AC) erzeugte Magnetfeld durchdringt die Sekundärspule L2 des CPM 102. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld weist eine sehr große
Wellenlänge auf und wird in der Sekundärspule L2 oder Fahrzeug-Sende-/Empfangsspule L2 wieder in eine Wechselspannung gewandelt, die der Fahrzeug-Sende- /Empfangseinrichtung 104 zugeführt wird. Ein Positioniersignal kann über den
Positioniersignal-Kanal 106, 106b übertragen werden. Auch die Übertragung des
Positioniersignals über den Positioniersignal-Kanal 106 erfolgt drahtlos. Beispielsweise kann die Übertragung des Positioniersignals die Keyless Entry Technologie und insbesondere die von dem Keyless Protokoll oder dem Keyless go Protokoll vorgegebene Rahmenstruktur nutzen. Das Positioniersignal mag es im Wesentlichen einem Empfänger ermöglichen, seinen Abstand zu einem Sender zu ermitteln. Während das
Positioniersignal ausgesendet wird, mag auch ein WLAN Signal gesendet werden, welches die WLAN Technologie nutzen. Das WLAN Signal mag bereits vor dem
Einschalten des Positioniersignal eingeschaltet werden und erst nach dem Abschalten des Positioniersignals abgeschaltet werden. Folglich mögen beide Signale, WLAN Signal und Positioniersignal, gleichzeitig vorhanden sein. Diese Koexistenz des WLAN Signals und des Positioniersignals mag möglich sein, da beide Signale unterschiedliche
Frequenzbänder nutzen. Das WLAN Signal mag der bidirektionalen Kommunikation zwischen Sender 102 und Empfänger 101 dienen, während das Positioniersignal unidirektional vom Sender zum Empfänger schickt wird, beispielsweise von einem CPM zu einem GPM.
Im Gegensatz zu der Energieübertragung über den Energieübertragungskanal 107, die als ein im Wesentlichen reines Magnetfeld erfolgt, kann das Positioniersignal in dem Positioniersignal-Kanal 106 entweder als reines Magnetfeld und/oder als
elektromagnetisches Feld erfolgen. Es kann sich bei den beiden Kanälen 106, 107 oder Übertragungswegen 106, 107 um getrennte Kanäle 106, 107 handeln. Um beispielsweise Kosten und/oder Gewicht zu sparen, können jedoch der
Energieübertragungskanal 107 und der Positioniersignalkanal auch kombiniert werden, so dass die Energieübertragung und die Signal Übertragung über den selben Kanal erfolgt. In diesem Zusammenhang mag das Nutzen desselben Kanals einen Sachverhalt umschreiben, bei dem die Energieübertragung über dieselben Komponenten wie die Signalübertragung erfolgt, im Wesentlichen über die selbe Sende-/Empfangseinrichtung L1 , L2. Insbesondere kann über den Energieübertragungskanal 107 während der Energieübertragung ein Kommunikationskanal aufgebaut werden, der eine schnelle Rückmeldung von dem CPM zu dem GPM ermöglicht, beispielsweise, wenn aufgrund eines Lastabwurfs eine Crowbar oder Klemmschalteinrichtung betätigt wird und das GPM schnell abgeschaltet werden muss.
Fig. 2 zeigt eine Schwingkreisvorrichtung 200 eines CPM 102‘ gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die
Schwingkreisvorrichtung 200, weist die Sende-/Empfangsspule L2 zum Senden und/oder Empfangen von magnetischer Energie auf. Diese Sende-/Empfangsspule L2 oder Sende- /Empfangseinrichtung L2 kann sowohl für die Signalübertragung als
Signalübertragungskanal 106b‘ als auch für die Energieübertragung als
Energieübertragungskanal 107b‘ genutzt werden. Das Positionierungssignal, welches von der Sekundärspule L2 ausgesendet wird, wird in dem GPM von der Hauptspule L1 oder Primärspule L1 gemessen, um die Kopplung und insbesondere den Koppelfaktor k zwischen Primärspule L1 und Sekundärspule L2 zu bestimmen. Somit wird mittels des Positioniersignals indirekt auch die Distanz zwischen Sender L2 und Empfänger L1 bestimmt. Für eine genauere Positionierungsbestimmung können noch weitere
Sensorspulen (nicht in Fig. 1 dargestellt) in dem GPM 101 vorgesehen sein, die zusätzlich zu der Primärspule L1 auch das Positioniersignal empfangen und auswerten.
Beispielsweise können im Bereich der Primärspule L1 zusätzliche sechs Sensorspulen in unterschiedlicher Ausrichtung zueinander angeordnet sein, um eine genaue Position des GPM 101 relativ zu dem CPM 102 bestimmen zu können. Diese sechs Sensorspulen können als der Positionierkanal 106, 106a, 106b verstanden werden. Zusätzlich kann die Messung der in der gegenüberliegenden Hauptspule induzierte Spannung auch für die Koordinaten oder Distanzbestimmung benutzt werden. Die in Fig. 2 und Fig. 3
beschriebene Einkoppelung des Positioniersignals in die Spule L2 ist nur Sekundärseitig ausgeführt. Es wäre jedoch auch denkbar, von dem GPM 101 aus über die GPM
Hauptspule L1 auch ein solches Positionierungssignal zu senden.
Die Schwingkreisvorrichtung 200 weist den Koppelkondensator C2.1 , C2.2 auf. Dieser ist in Fig. 2 als zwei Kondensatoren ausgeführt, nämlich ein oberer Koppelkondensator C2.1 und ein unterer Koppelkondensator C2.2. Es ist jedoch ausreichend, wenn ein einziger der beiden Kondensatoren vorgesehen ist, zum Beispiel C2.1. Die Ausbildung des
Koppelkondensators als zwei Kondensatoren ist eine Designvariante, die eine gute Isolationsfestigkeit bietet. Sie muss an dieser Stelle nicht unbedingt die Kriterien einer galvanischen Trennung erfüllen. Die verwendeten Kapazitäten müssen auch nicht als Isolation ausgelegt sein. In Reihe zu dem Koppelkondensator C2.1 , C2.2 ist ein
Abstimmkondensator C4 und eine Schalteinrichtung S1 oder ein Schalter S1 geschaltet. Die Schalteinrichtung S1 ist zum Zuschalten und/oder Wegschalten eines
Signalgenerators 201‘ und somit indirekt auch zum Ein- und Ausschalten des
Positioniersignals vorgesehen.
Durch das Zu- und/oder Wegschalten des Signalgenerators 201‘ kann ein von dem
Signalgenerator 201‘ erzeugtes Signal in den Schwingkreis L2, C2.1 , C2.2, C4
eingekoppelt werden. Der Signalgenerator 201‘ ist mit dem Widerstand R1 in Reihe geschaltet und parallel zu dem Schalter S1 angeschlossen. Durch die Anordnung des Kondensators C4 in Reihe zu der Parallelschaltung der Schalteinrichtung S1 und der Einkoppelschaltung 202‘ wird dafür gesorgt, dass C4 in beiden Schaltzuständen des Schalters S1 einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des gebildeten Schwingkreises hat. Mittels der Schalteinrichtung S1 kann die Resonanzfrequenz variiert werden, ohne dass eine Spule geschaltet werden muss. Es mag billiger sein, schaltbare Kondensatoren statt schaltbarer Spulen zu nutzen, um die Resonanzfrequenz anzupassen.
Wird der Schalter S1 geöffnet, liegt der Widerstand R1 und der Signalgenerator 201‘ in Reihe mit dem Abstimmkondensator C4. In dieser geöffneten Schalterstellung wird der nun aus L2, C2.1 , C2.2, C4 und R1 gebildete Schwingkreis der Schwingkreisvorrichtung 200 verstimmt. Beim Verstimmen wird der Gütefaktors Q der Schwingkreisvorrichtung 200 gegenüber dem Schwingkreis bei geschlossener Schalterstellung verändert. In der geschlossenen Schalterstellung wird der Signalgenerator 201‘ und der Widerstand R1 kurzgeschlossen und der Schwingkreis der Schwingkreisvorrichtung wird aus L2, C2.1 , C2.2 und C4 gebildet.
In anderen Worten erfolgt durch das Öffnen des Schalters S1 eine Verstimmung eines Energieübertragungsschwingkreises in einen Positionierschwingkreis. Somit wird durch Öffnen des Schalters S1 ein Energieübertragungsschwingkreis in einen
Positionierschwingkreis gewandelt, wobei beide Schwingkreise unterschiedliche
Resonanzeigenschaften haben. Ein Energieübertragungsschwingkreis ist ein
Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die für die Energieübertragung geeignete Resonanzfrequenz eingestellt ist. Ein Positionierschwingkreis ist ein Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die für die Signalübertragung geeignete
Resonanzfrequenz eingestallt ist, wobei es sich bei dem Signal um ein Positioniersignal handelt.
Das Umschalten des Schalters S1 mag die Einkoppelung eines Positioniersignals oder Positionierungssignals in einen Energieübertragungsschaltkreis ermöglichen. Zur
Einkoppelung wird die Resonanzfrequenzverstimmung und die Dämpfung des
sekundären Schwingkreises L2, C2.1 , C2.2. C4 genutzt. Die Dämpfung erfolgt durch das Einfügen des Widerstands R1 in die Schwingkreisvorrichtung 200. Die Dämpfung und/oder die Resonanzverstimmung dienen der Verbesserung der Signalqualität und Erhöhung der Empfangsqualität. Wird jedoch keine hohe Anforderung an die
Empfangsqualität gestellt, kann Dämpfung und/oder die Resonanzverstimmung auch weggelassen werden. Die Dämpfung kann verhindern, dass vorausgehende Signalanteile nachfolgende Signalanteile durch Überlagerungen oder Reflexionen stören. Störungen können verhindert werden, wenn Signale, die bereits gesendet worden sind, gedämpft werden, so dass sie nicht in andere Signale hineinragen.
Die Einkoppelungsschaltung 202‘ weist den Schalter S1 , den Widerstand R1 und den Signalgenerator 201‘ auf. Die Einkoppelungsschaltung 202‘ koppelt direkt in den
Schwingkreis L2, C2.1 , C2.2, C4 ein. Mittels der Einkoppelungsschaltung 202‘ kann das Positionierungssignal 206b in die Hauptspule L2 oder Fahrzeug-Sende-/Empfangsspule L2 in den Signal-Übertragungskanal 106b‘ eingekoppelt und zu einem GPM (nicht in Fig.
2 dargestellt) übertragen werden. Die Einkoppelung kann erfolgen, indem die
Resonanzfrequenz der Schwingkreisvorrichtung 200 geändert wird. Zur Änderung der Resonanzfrequenz wird der Kondensator C4 genutzt, mit dessen Hilfe die Schwingkreisgüte der Schwingkreisvorrichtung 200 geändert und somit die
Schwingkreisvorrichtung 200 verstimmt wird. Die Verstimmung erfolgt durch das Öffnen des Schalters S1 , wodurch im Wesentlichen der Widerstand R1 als Dämpfungselement zugeschaltet wird.
Der Traktionskreis 1 10 des Fahrzeugs ist am Anschluss 1 10 angeschlossen und in Fig. 2 nicht dargestellt. An dem T raktionskreis 1 10 oder Zwischenkreis 1 10 liegt die HVDC Spannung an. Diese HVDC Spannung wird durch die Batterie des Fahrzeuges und deren Schütz definiert. Im Fahrzeug kann auch eine Sicherung vorgesehen sein. Das Fahrzeug kann entscheiden die HV Batterie wegzuschalten. Im Fall, dass das Fahrzeug die HV Batterie von dem HVDC Anschluss 1 10 weggeschaltet oder getrennt hat, kann mittels der Schwingkreisvorrichtung 200 kein Positioniersignal erzeugt werden und das ICS System mit dem GPM 101 und CPM 102 kann nicht positionieren. Wenn der Schalter S1 geöffnet ist, ist die Einkoppelungsschaltung 202‘ nicht überbrückt und somit wirksam. Wenn gleichzeitig die Spannung HV DC des Zwischenschaltkreises 1 10 oder des
Traktionskreises an dem Ausgang des Gleichrichters 203 anliegt, kann ein Einfluss des Gleichrichters 203 und/oder der Einfluss weiterer Komponenten am Traktionskreis 1 10 auf die Resonanzfrequenz und/oder Dämpfung des Hauptschwingkreises L2, C2.1 , C2.2, C4 und R1 vernachlässigt werden. Dann wird mit dem Kondensator C4 die
Resonanzfrequenz und Güte des Hauptschwingkreises L2, C2.1 , C2.2, C4 und R1 spezifisch für die Positionierung angepasst Die Kapazität C4 ist in der Auslegung des Energiepfades 107 107a, 107b und für die Energieübertragung ein notwendiges Element. Es sind zwar Energieübertragungssysteme ohne C4 denkbar, jedoch sieht die Auslegung gemäß Figs. 1 -3 C4 für den besonderen Einsatz der Energieübertragung vor. Somit ist C4 durch die Auslegung des Energieübertragungsanteils des Systems nach Fig. 1 vorgesehen, unabhängig von der Positionierungssystems 201‘, 202‘. In anderen Worten mag das bedeuten, dass auch ohne dem Vorsehen der Funktionalität des Positionierens die C4 Kapazität an dieser Stelle wäre, um die Energieübertragung zu ermöglichen. Des Weiteren reduziert C4 die EMV der Energieübertragung. Insbesondere wird die
Resonanzfrequenz und Güte des Hauptschwingkreises L2, C2.1 , C2.2, C4 und R1 an die Frequenz und Anforderungen des von dem Signalgenerator 20T bereitgestellten Signals angepasst, beispielsweise eines Keyless Entry Signals. Die Kapazität des
Abstimmkondensators C4 ist dabei so dimensioniert, dass die Schwingkreisvorrichtung 200 eine vorgebbare Resonanzfrequenz frsis aufweist, die der Sendefrequenz des Positioniersignals 206b entspricht, bei etwa 125 kHz.
Der Gleichrichter 203 ist aus einer Parallelschaltung von jeweils zwei in Reihe
geschalteten Dioden gebildet. Die Dioden sind so angeordnet, dass die in Reihe geschalten Dioden jeweils einen Zweig der Parallelschaltung bilden. In jeweils einem Reihen-Anschaltpunkt 108A, 108B ist die Anode einer Diode mit der Kathode der anderen an der Reihenschaltung beteiligten Diode verbunden. In jeweils einem Parallel- Anschaltpunkt 109A, 109B sind die Parallelzweige miteinander verbunden. In dem ersten Parallel-Anschaltpunkt 109A sind zwei Anoden und in dem zweiten Parallel-Anschaltpunkt 109B sind zwei Kathoden der Dioden miteinander verbunden. Mit den Reihenanschalt- Punkten 108A, 108B ist der Hauptschwingkreis L2, C2.1 , C2.2, C4 verbunden, so dass der Gleichrichter 203 parallel zu dem Kondensator C4 und S1 liegt. Mit den Parallel- Anschaltpunkten 109A, 109B ist der HVDC Schaltkreis 1 10 verbunden, so dass der Gleichrichter 203 parallel zu dem Ausgang des HVDC Schaltkreises 1 10 liegt.
Wenn die Spannung HVDC während der Einkoppelung am Gleichrichter anliegt, also wenn der Schalter S1 geöffnet ist, kann verhindert werden, dass der Gleichrichter 203 und/oder weitere Komponenten am Traktionskreis 1 10 die Resonanzfrequenz fr g und Dämpfung des Schwingkreises beeinflusst. Wenn die Spannung HVDC anliegt und grösser ist als das von dem Signalgenerator 201‘ erzeugte Positioniersignal 206b kann ein Energiefluss durch den Brückengleichrichter 203 in die HV Batterie verhindert werden.
Die Frequenz, die für das Positionierungssignal 206b genutzt wird, ist beispielsweise durch die Keyless Entry Technologie vorgegeben und kann bei fr g = 125kHz oder fr g = 135kHz liegen.
Die Kapazitäten der Kondensatoren C2.1 , C2.2 und der Sekundärspule L2 sind durch die Energieübertragung vorgegeben und sorgen bei geschlossenem Schalter S1 für eine Resonanzfrequenz /,.en oder Arbeitsfrequenz vonf en = 85kHz. Die Kapazität des Abstimmkondensators C4 wird so gewählt, dass durch das Öffnen des Schalters S1 die Resonanzfrequenz der Energieübertragung frem = 85kHz zu der Resonanzfrequenz für die Positionierung fr g = 125kHz angepasst wird. Die Frequenz für die Energieübertragung fren bestimmt auch die Frequenz für das magnetische Wechselfeld und kann aus dem Bereich von 25kHz bis 150kHz oder aus dem Bereich [25kHz; 150kHz] gewählt werden. Dieser Frequenzbereich kann auch durch internationale Richtlinien vorgegeben sein.
Im Unterschied dazu, dass die Resonanzfrequenz während der Übertragung des
Positioniersignals mit dem Positioniersignal zusammenhängt, wird die Größe der Koppelkondensatoren C2.1 , C2.2 und Induktivität der Sende-/Empfangsspule L2 durch die Energieübertragung mit 85kHz Arbeitsfrequenz vorgegeben. Die Kapazität des Abstimmkondensators C4 wird so gewählt, dass die Schwingkreisfrequenzen für die Übertragung des Positioniersignals und die Energieübertragung aneinander angepasst werden.
Die Steuereinrichtung (nicht gezeigt in Fig. 1 ) ist so eingerichtet, dass sie zwei Zustände unterscheiden kann. Der erste Zustand ist der Positionierzustand, der aktiv ist, wenn das CPM und das GPM gegenseitig ausgerichtet werden. In diesem Zustand muss die Steuereinrichtung sicherstellen, dass keine Energieübertragung erfolgt und der Schalter S1 geöffnet ist. Somit kann der Kanal 106b‘ exklusiv für die Übertragung des
Positionierungssignals genutzt werden. Der zweite Zustand ist der
Energieübertragungszustand oder Tankzustand. In diesem Zustand muss die
Steuereinrichtung sicherstellen, dass keine Übertragung des Positioniersignals erfolgt und Schalter S1 geschlossen ist. Somit kann der Kanal 107b‘ exklusiv für die Übertragung der Energie genutzt werden. Das Schließen des Schalters S1 schützt die
Einkoppelungsschaltung 202‘ vor der übertragenen Energie.
Während des Positioniervorgangs im Positionierzustand wird der Schalter S1 geöffnet.
Am Schwingkreis L2, C2.1 , C2.2, C4 und insbesondere an der Spule L2 liegt nach dem Öffnen des Schalters S1 ein kleinerer Ersatz-Resonanz-Kondensator Cp an, welcher sich aus der Reihenschaltung der Kondensatoren C2.1 , C2.2, C4 insbesondere der
Reihenschaltung deren Kapazitäten C2.1 , C2.2, C4 wie folgt berechnen lässt:
Figure imgf000019_0001
Während der Energieübertragung ist die Resonanzfrequenz dadurch bestimmt, dass der über L2 empfangene Energiefluss in den Traktionskreis 1 10 mit der HVDC Spannung geleitet wird. Wegen dem Einleiten der in L2 empfangenen Energie in den Traktionskreis 1 10 ist die Resonanzfrequenz abhängig von HVDC Spannung und Ladeleistung. Deshalb bildet sich ein anderes Ersatzschaltbild aus, welches zusätzlich nicht linear ist, da durch den Gleichrichter 203 ein C4 Clamping erzwungen wird, durch das die Kapazität C4 auf einer festen Spannung bleibt, die durch den Traktionskreis 1 10 vorgegeben ist.
Die Kapazität des Kondensator C4 kann so gewählt werden, dass sich in diesem
Positionierzustand eine Kapazität des Ersatz-Resonanz-Kondensator Cp so ergibt, dass sich die gewünschte Resonanzfrequenz fr g für das Positioniersignal ergibt. Die
Resonanzfrequenz ergibt sich im Positionierzustand nach der Formel:
Figure imgf000020_0001
In dem Beispiel mit fTrSig = 125kHz wird C4 zu 21 nF gewählt. Die übrigen Komponenten werden zu C2.1 =C2.2=62nF und L2= 129uH gewählt.
Um das CPM 102 zu dimensionieren wird zunächst die Induktivität der Sekundärspule L2 vorgegeben, welche sich durch den mechanischen Aufbau ergibt, beispielsweise die Größe des CPM 102. Anhand einer weiteren komplexen Analyse wird C2.1 , C2.2 durch die angestrebte Energieübertragung definiert. Danach wird C4 so für die Positionierung optimiert, dass sich die gewünschte Resonanzfrequenz frMg ergibt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten direkten Einkoppelung lässt sich durch Auswahl des Dämpfungswiderstands R1 die gewünschte Güte des Schwingkreises einstellen und somit eine Übertragung von Informationen im Positioniersignal ermöglichen.
Figure imgf000020_0002
In einem Beispiel ergibt sich R1 zu 3,3 W. Die Güte Q kann aus einem Wertebereich von 8 bis 16 gewählt werden. Der Wert für die Güte kann durch Anforderung eines
Positionierungsbausteins beispielsweise durch den Signalgenerator 201 vorgegeben werden. Falls C4 die Anforderungen der Enerigeübertragung und der Positionierung erfüllt, kann an der Stelle R1 auch eine Komplexe Impedanz Z1 verbaut werden.
Durch das Schließen des Schalter S1 wird nach dem Positioniervorgang wieder in den Energieübertragungszustand geschaltet und die Energieübertragung ermöglicht.
Fig. 3 zeigt eine Schwingkreisvorrichtung 200“ eines CPM 102“ mit einer galvanisch getrennten Einkoppelschaltung 202“ gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich mit, der in Fig. 1 dargestellten Schaltung 200 weist die Einkoppelungsschaltung 202“ die galvanisch getrennte Schnittstelle T 1 auf, über welche das Positioniersignal 206b“ aus dem Signalgenerator 201 in den Schwingkreis gekoppelt wird. Die galvanisch getrennte Schnittstelle T 1 wird von einem Transformator T 1 gebildet. Der Signalgenerator 201 , der das Positionierungssignal generiert, ist mit der Primärspule des Transfomator T1 über einen Widerstand R2 verbunden.
Somit weist die galvanisch getrennte Einkoppelschaltung die Widerstände R1 und R2 auf und im Positionierzustand muss zur Berechnung der Güte des Hauptschwingkreises die Summe der Dämpfungswiderständen R1 und R2 berücksichtigt werden.
Im Energieübertragungszustand ist die Einkoppelschaltung 202“ mittels des
geschlossenen Schalter S1 überbrückt und die sich ergebende Resonanzfrequenz /r e,B entspricht der Resonanzfrequenz der Schwingkreisvorrichtung 200 mit der direkt gekoppelten Einkoppelschaltung 202
Wird als Transformator T1 kein Streufeldtransformator genutzt, kann im Wesentlichen sichergestellt werden, dass dessen Induktivitäten nicht auf das Signal einwirken und die Resonanzfrequenz und/oder Güte beeinflussen. Die galvanische Trennung mit
T ransformator T 1 ist vorzusehen, wenn der Signalgenerator 201‘ auf LV (Low Voltage) Potential liegt, beispielsweise wenn der Signalgenerator 201‘ von der 12 V Spannung der Fahrzeugbatterie betrieben wird. Es sind Ausführungen denkbar bei denen der
Signalgenerator auf der HV Seite im Traktionskreis 1 10 verbaut ist und keine galvanische Trennung notwendig ist.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zum Betreiben der
Schwingkreisvorrichtung 200, 200“ gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt in einem Ausgangszustand S400. Im Zustand S401 wird sichergestellt, dass der Signalgenerator 201 mittels der
Schalteinrichtung S1 zugeschaltet ist, indem der Schalter S1 geöffnet wird. Der geöffnete Schalter S1 verhindert durch die damit erreichte Verstimmung des Schwingkreises 200, 200“ eine Energieübertragung, während der Signalgenerator 201 aktiv ist. Wenn sichergestellt ist, dass der Schalter geöffnet ist, erfolgt im Zustand S402 das Betreiben des Signalgenerators. Im Zustand S403 wird das Verfahren beendet.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zum Einkoppeln eines Positioniersignals in eine Hauptspule L1 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Während dem Positionieren oder Ausrichten des CPM 102 gegenüber dem GPM 1 10 bewegen sich die Sekundärspule L2 und die Primärspule L1 oder Hauptspule L1 relativ zueinander. Das Positioniersignal 502 oder Positionierungssignales 502 wird von der Sekundärspule L2 ausgesendet und durchdringt die Primärspule L1 in
Abhängigkeit von dem Koppelfaktor k, beispielsweise über den logischen Positionierkanal 106. Beim Einkoppeln des Positioniersignal 502 in die Hauptspule L1 wird dieses über die selbe mechanische Kopplung oder die selbe Spule L2 gesendet, über die auch die Energieübertragung stattfindet, und somit über den Energieübertragungskanal 107, der mit dem Positionierkanal 106 zusammenfällt. Lediglich unterscheiden sich die
Ausbreitungsrichtung der Energieübertragung und die Ausbreitungsrichtung des
Positioniersignals 502. Das Positioniersignal 502 wird in die Sekundärspule L2
eingekoppelt und von L1 empfangen, sowie auch von speziellen weiteren
Positionierungssensoren, die jedoch in Fig. 5 nicht dargestellt sind.
Zur Leistungsregelung bei der Energieübertragung ist bereits an der Primärspule eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 503 vorhanden. Diese Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 503 innerhalb des Hauptschwingkreises und/oder am
Hauptschwingkreis vorhandene Filterelemente können durch eine Steuereinrichtung derart betrieben werden, dass sie nicht nur zur Leistungsmessung, sondern auch direkt zur Bestimmung der magnetischen Kopplung k der Energieübertragung genutzt werden können. Somit ist es möglich bereits während der Positionierung mit dem
Positionierungssignal 502 gleichzeitig auch die magnetische Kopplung k für die Spulen L1 , L2 zu bestimmen, die für die Energieübertragung genutzt werden. Zusätzlich kann die Messung der in der Hauptspule L1 durch das Positioniersignal 502 induzierten Spannung auch für die Koordinatenbestimmung des GPM zu dem CPM und/oder zur Distanzbestimmung des GPM zu dem CPM genutzt werden, wenn die entsprechende Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Übertragungsstrecke für induktives Laden gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das CPM 102“ überträgt das Positioniersignal 502 von der Sekundärspule L2 zu der Primärspule L1 der GPM 101“. Während dieser Übertragung sind das CPM 102“ und das GPM 101“ über ein Magnetfeld mit demselben Koppelfaktor k wie eine spätere Energieübertragung lose gekoppelt. Die Sekundärspule L2 bildet zusammen mit den Kondensatoren C2.1 , C2.2 und C4 den Sekundärschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch den Kondensator C4 so angepasst ist, dass sie zu den in Fig. 6 nicht dargestellten
Positioniersignalsensoren passt, beispielsweise 125kHz. Auch wenn die
Resonanzfrequenz des Hauptschwingkreises oder des Primärschwingkreises, der aus der Primärspule L1 und den Kondensatoren C1.2 und C2.2 gebildet wird und beispielsweise bei 85 kHz liegt, von der Resonanzfrequenz des Sekundärschwingkreises abweicht, regt das Positioniersignal 502 in dem Primärschwingkreis eine Schwingung an. Diese
Schwingung kann mittels der Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 503 und einer damit verbundenen Signalmessung ausgewertet werden, um die Koordinatenbestimmung des GPM 101“ zu dem CPM 102“ und/oder die Distanzbestimmung des GPM 101“ zu dem CPM 102“ durchzuführen. Das für die Energieübertragung benötigte
Anpassungsnetzwerk 601 beeinflusst zwar die Resonanzfrequenz des
Primärschwingkreises, wird jedoch ebenso wie die für die Energieübertragung
vorhandene Treiberstufe 602 für die Positionsbestimmung nicht genutzt, da während der Positionierung die Energieübertragung nicht aktiv ist.
Der Zusatzkondensator C4 oder Abstimmkondensator C4 hat einen Nutzen für die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) Reduktion, da er die Oberwellen der
Energieübertragung reduziert und ist dadurch auch ein für die Energieübertragung nutzbares Element. Oder in anderen Worten ist der Abstimmkondensator C4 so eingerichtet, dass er nicht nur während einer Übertragung eines Positioniersignals 502, wenn der Schalter S1 geöffnet ist, für die Anpassung der Resonanzfrequenz an spezielle Positioniersensoren (nicht in Fig. 6 dargestellt) sorgt, sondern auch, dass er, wenn er während der Energieübertragung mittels Schalter S1 in den Sekundärschwingkreis integriert ist, für eine EMV Reduktion sorgt. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ und„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als
Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“), aufweisend:
eine Sende-/Empfangsspule (L2) zum Senden und/oder Empfangen von magnetischer Energie;
einen Koppelkondensator (C2.1 , C2.2);
einen Abstimmkondensator (C4);
eine Schalteinrichtung (S1 ); und
wobei die Schalteinrichtung (S1 ) in Reihe mit dem Koppelkondensator (C2.1 , C2.2) und dem Abstimmkondensator (C4) geschaltet ist; und
wobei die Schalteinrichtung (S1 ) zum Zu- und/oder Wegschalten eines
Signalgenerators (201‘) und zum Verstimmen eines Gütefaktors (Q) der
Schwingkreisvorrichtung eingerichtet ist.
2. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach Anspruch 1 , wobei die Schalteinrichtung (S1 ) zum Verstimmen des Gütefaktors (Q) einen Widerstand (R1 , R2) aufweist.
3. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Schalteinrichtung (S1 ) eine galvanische Trennung (T1 ) aufweist.
4. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter aufweisend
eine Steuereinrichtung;
wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, sicher zu stellen, dass der
Signalgenerator (201‘) nur betrieben wird, wenn der Signalgenerator zugeschaltet ist und/oder dass keine weitere Energie übertragen wird.
5. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei parallel zu der Reihenschaltung des Abstimmkondensators (C4) und der
Schalteinrichtung (S1 ) ein Brückengleichrichter (203) geschaltet ist.
6. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kapazität des Abstimmkondensators (C4) so dimensioniert ist, dass die
Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) eine vorgebbare Resonanzfrequenz (/r sr) aufweist, die der Sendefrequenz eines Positioniersignals entspricht.
7. Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) als Car Pad Modul und/oder als Ground Pad Modul ausgestaltet ist.
8. T ransformator (L1 , L2) aufweisend
eine Primärspule (L1 );
die Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Sende-/Empfangsspule (L2) als Sekundärspule mit der Primärspule (L1 ) magnetisch gekoppelt ist.
9. Fahrzeug, aufweisend eine Schwingkreisvorrichtung (200, 200“) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einen Transformator (L1 , L2) nach Anspruch 8.
10. Verfahren zum Betreiben einer Schwingkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend:
Sicherstellen, dass der Signalgenerator mittels der Schalteinrichtung zugeschaltet ist;
Betreiben des Signalgenerators.
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