Die vorliegende Erfindung betrifft eine primärseitige Vorrichtung für ein Energieübertragungssystem zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie auf mindestens ein stehendes oder fahrendes Fahrzeug, wobei an dem Fahrzeug mindestens ein Sekundärelement angeordnet ist, welches induktiv mittels mindestens einer Spule mit der primärseitigen Vorrichtung koppelbar ist, wobei die Spulen der primärseitigen Vorrichtung mit mindestens einer Energiequelle, insbesondere in Form eines In- verters, verbunden oder verbindbar sind.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Über- tragung elektrischer Energie mittels Induktion bekannt. So sind zum einen Systeme bekannt, bei denen sich Primärleiter längs der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs erstrecken, wobei durch die Primärleiter ein mittelfre- quenter Starkstrom fließt und an dessen elektrisches Feld Pick-Up- Spulen, welche an Fahrzeugen montiert, induktiv angekoppelt sind um vom Primärleitersystem elektrische Energie über die Pick-Up-Spule in das Fahrzeug zu leiten. Die Primärleiter können sowohl in der Fahrbahn als auch mittels entsprechender Haltevorrichtungen oberirdisch verlegt werden. Sofern die Primärleiter gesondert geführt werden, können sie zur besseren Ankoppelung von einer e-förmigen Pick-Up umgriffen werden. Sofern die Primärleiter im Boden verlegt sind, wie es z. B. aus der DE 197 46 919 vorbekannt ist, besteht ein Luftspalt zwischen Primärspule und am Fahrzeug befestigter Pick-Up-Spule.

Bei Elektrofahrzeugen ist es stets notwendig, die im Fahrzeug befindli- chen elektrischen Energiespeicher entweder während der Fahrt oder während des Stillstandes, z. B. in der Garage oder auf einem sonstigen Parkplatz aufzuladen. Die Aufladung erfolgt vorzugsweise Nachts, wo das Fahrzeug nicht benötigt wird und elektrischer Strom günstiger als am Tag ist.

Aus der DE 42 36 286 ist eine Vorrichtung zum Laden eines stillstehenden Fahrzeugs vorbekannt, wobei im Boden, z. B. in einer Garage, die primärseitige Vorrichtung mit einer Primärspule angeordnet ist, welche mittels einer Hebevorrichtung zur Verringerung des Luftspaltes zur unterhalb des Fahrzeugs angeordneten Pick-Up-Spule hochschwenkbar ist. Bei dieser Anordnung ist es erforderlich, dass das Fahrzeug exakt über der primärseitigen Vorrichtung geparkt wird, damit eine Energieübertragung mit hohem Wirkungsgrad erfolgen kann.

Zur genauen Positionierung des Fahrzeugs sind optische und akustische Systeme bekannt, die dem Fahrer des Fahrzeugs anzeigen, ob und wann das Fahrzeug an der richtigen Parkposition angelangt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der ein exaktes Parkieren an einer bestimmten Stelle nicht notwendig ist und dennoch eine Energieübertragung mit einem hohen Wirkungsgrad erfolgen kann.

Eine weitere Aufgabe ist es ein induktives Energieübertragungssystem für fahrende Fahrzeuge bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels einer primärseitigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße primärseitige Vorrichtung ist derart gestaltet, dass mehrere Spulen nebeneinander oder in Zeiien und Spaiten (matrix- förmig) angeordnet sind und lediglich die Spule bzw. Spulen induktive Energie zum Sekundärelement, welches als aus dem Stand der Technik bekannte Pick-Up mit entsprechender Spule ausgebildet sein kann, des Fahrzeugs übertragen, die sich in der Nähe der Pick-Up-Spule bzw. des Sekundärelementes befinden. Dabei können die primärseitigen Spulen aktiv mittels einer Schaltvorrichtung mit einem Inverter verschaltet wer- den, so dass durch sie ein resonanter Strom fließt. Dieses System wird als aktives System bezeichnet. Ebenso ist es möglich, dass sämtliche Spulen der primärseitigen Vorrichtung parallel zueinander unter Berücksichtigung der notwendigen Kapazitäten zur Bildung entsprechender Schwingkreise an einem Inverter angeschlossen sind. Die einzelnen Schwingkreise sind dabei derart verstimmt eingestellt, dass es der zusätzlichen Impedanz der sekundärseitigen Spule bedarf, dass ein resonanter Strom durch die jeweilige Spule bzw. den Schwingkreis fließt und somit ein hinreichend starkes Magnetfeld aufgebaut wird, mit dem sich genügend elektrische Leistung zum Fahrzeug übertragen lässt. Ein derar- tiges System wird als passives System bezeichnet, da keine aktiven Schaltelemente benötigt werden. Aufgrund der Verstimmung der einzelnen Schwingkreise fließt durch alle übrigen Spulen, die sich nicht in unmittelbarer Nähe des Sekundärelementes befinden, nur ein geringer Strom der den Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung nur unwesentlich verschlechtert. Bei dem passiven System, bei dem der Primärkreis stark induktiv ist, wird die primärseitige Induktivität beim Auftreten des eher kapazitiven Sekundärkreises kompensiert. Somit ist stets das Sekundärelement vonnöten, welches die Impedanz der primärseitigen Spule aus Sicht der Speiseeinheit so verändert, dass das System aus primär- und sekundärseitiger Spule optimal in Resonanz mit der von der Speiseeinheit verwendeten Systemfrequenz gebracht wird und damit ein der Leistung entsprechendes Magnetfeld aufgebaut wird, wobei die anderen primärsei- tigen Spulen sich in der Impedanz von der Resonanzsituation unterscheiden, so dass entweder die nicht in Resonanz befindlichen primärseitigen Spulen aufgrund des großen Blindwiderstandes und sich daraus ergebenden geringen primärseitigen Stroms nach außen ein geringes bis kein magnetisches Feld haben oder aber die Veränderung der Impedanz messtechnisch detektiert werden kann und zu einer partiellen Abschaltung der nicht in Resonanz befindlichen Spulen mittels entsprechender Schaltelemente führen kann.

Die Spulen werden bevorzugt an einen Inverter angeschlossen, der eine Spannung bzw. Strom von 10 bis 100 kHz erzeugt. Der Luftspalt zwi- sehen der Primär- und Sekundärspulen sollte in der Größenordnung von 0-100 mm liegen. Je kleiner der Luftspalt ist, desto besser ist selbstverständlich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

Sofern die Spulen in einer Reihe angeordnet sind, können die Spulen als längsgezogene Spulen ausgebildet sein, die entweder quer oder parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs nebeneinander angeordnet werden können. Bevorzugt werden die Spulen quer zur Fahrtrichtung angeordnet, damit sich ein leichtes Parkieren, insbesondere in der Garage ergibt. Sofern die primärseitigen Spulen auf den Kreuzungspunkten von Zeilen und Spalten angeordnet sind, werden sie vorteilhaft kreisförmig ausgebildet. Es ist ebenso möglich, dass die Spulen länglich ausgedehnt sind und sich entlang der Zeilen und Spalten erstrecken und einander kreuzen. Bei allen vorbeschriebenen Vorrichtungen können die primärseitigen Spulen eine oder mehrere Windungen aufweisen.

Die primärseitige Vorrichtung kann entweder im Boden, z. B. dem Gara- genboden oder einer Fahrbahn, angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die primärseitigen Spulen in einem flachen Gehäuse anzuordnen, welches derart ausgebildet ist, dass ein Fahrzeug darüber fahren kann. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in einer Garage oder einem Stellplatz einzusetzen. Das Gehäuse kann so stabil ausgebil- det sein, dass ein Fahrzeug mit seinen Reifen darüber fahren kann. Es ist jedoch auch möglich, die Abmessung des Gehäuses so auszulegen, dass das Gehäuse genau zwischen die Reifen passt und somit der Abstand der Oberkante des Gehäuses zum Unterboden des Fahrzeugs, in dessen Bereich sich die sekundärseitige Anordnung des Energieübertragungssystems befindet, verringert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht darauf beschränkt, dass lediglich ein Fahrzeug über ihr parkt oder fährt. Selbstverständlich ist es möglich, die primärseitige Anordnung großflächig auszubilden, wobei hinreichend primärseitige Spulen vorzusehen sind, so dass mehr als ein Fahrzeug oberhalb der primärseitigen Vorrichtung parken/fahren und Aufgeladen werden kann. Dies ist z. B. in öffentlichen Parkhäusern oder für Straßen sinnvoll, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet sind. Für eine derartige Vorrichtung kann eine oder mehrere zentrale Energiezufuhrstationen und Schalteinrichtung vorgesehen werden.

Selbstverständlich ist es möglich über die primärseitigen Spulen induktiv neben der elektrischen Energie auch Daten zu übertragen, wie es bereits aus dem Stand der Technik vorbekannt ist. Hierdurch ist eine Kommunikation ohne zusätzliche Kommunikationsmittel zwischen Fahrzeug und der primärseitigen Steuereinrichtung möglich. So können nach vollendetem Ladevorgang die zur Übertragung verwendeten primärseitigen Spulen vom Inverter abgeschaltet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass z. B. über Funkübertragungsstrecken eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und primärseitiger Schalteinrichtung erfolgt.

Selbstverständlich ist es möglich, dass eine individuelle Abrechnung für jedes Fahrzeug, welches mit elektrischer Energie über die erfindungsgemäße Vorrichtung versorgt worden ist, vorgenommen wird.

Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen primärseitigen Vorrichtung und des Gesamtsystems anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 : Draufsicht und Vorderansicht eines parkenden Fahrzeugs mit darunter befindlicher primärseitiger Vorrichtung;

Figur 2: erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen pri- märseitigen Vorrichtung mit darüber angeordneten Sekundär- εierπεπi.;

Figur 3: zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen primärseitigen Vorrichtung;

Figur 4: elektrische Beschaltung der Einzelkomponenten der primärseitigen Vorrichtung für ein passives

Energieübertragungssystem;

Figur 5: Beschaltung der primärseitigen Spulen für ein aktives Sys- tem;

Figur 6: elektrisches Gesamtschaltbild für Primär- und Sekundärseite für ein aktives System;

Figur 7: elektrisches Gesamtschaltbild für Primär- und Sekundärseite für ein passives System ohne Schaltelemente zum Ausschal- ten der einzelnen primärseitigen Schwingkreise;

Figur 8: eine dritte mögliche Ausführungsform, bei der die primärseitigen Spulen sich in der Richtung von Zeilen und Spalten erstrecken und einander kreuzen;

Figur 9: elektrische Beschaltung der Einzelkomponenten der primärseitigen Vorrichtung gem. Figur 8 für ein passives

Energieübertragungssystem;

Figur 10: elektrische Beschaltung der Einzelkomponenten der primärseitigen Vorrichtung gem. Figur 8 für ein aktives Energieübertragungssystem.

Die Figur 1 zeigt verschiedene Ansichten eines Fahrzeugs F mit Rädern R, welches auf einem Boden Bo parkt. Auf dem Boden Bo ist die primärseiti- ge Vorrichtung 1 angeordnet über die das Fahrzeug F zur Erreichung der Parkposition fahren muss. Am Fahrzeugboden ist das Sekundärelement 2 angeordnet, welches die sekundärseitige Spule Sp enthält. Das Fahrzeug

F kann mit seinem Sekundärelement 2 prinzipiell beliebig parken. Einzige Voraussetzung ist, dass das Sekundärelement 2 sich oberhalb der pri- märseitigen Vorrichtung 1 befindet. Je mehr Spulen und je größer die Vorrichtung 1 in ihren Abmessungen ist, desto weniger präzise muss das Fahrzeug, z. B. in einer Garage, geparkt werden.

Die Figur 2 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der primärseitigen Vorrichtung 1, welche ein Gehäuse 10 aufweist, in dem die primärseitigen

Spulen S1-S4 angeordnet sind. Die einzelnen Anschlüsse S/\j, Sßj der einzelnen Spulen sind bei dieser Ausführungsform einzeln aus dem Gehäuse 10 herausgeführt. Es ist selbstverständlich möglich, dass lediglich ein einziges Kabel mit mehreren elektrischen Zu- und Ableitungen aus der Vorrichtung 1 heraus zum Schaltschrank bzw. Inverter herausgeführt ist. Selbstverständlich ist es möglich, dass die notwendigen Kapazitäten zur Bildung der Schwingkreise ebenfalls in dem Gehäuse 10 angeordnet werden. Auch ist es möglich, den bzw. die notwendigen Inverter bzw. die speisenden Spannungs- oder Stromquellen und eventuell erforderliche Schaltmittel ebenfalls mit in dem Gehäuse 10 anzuordnen.

Die primärseitige Vorrichtung 1 kann sowohl als passives als auch als aktives System verwendet werden. Sofern die Vorrichtung als aktives System ausgebildet ist, kann durch Messung der Resonanzbedingungen diejenige bzw. diejenigen Spule(n) detektiert werden, welche zur Energie- Übertragung eine hinreichende Kopplung zur sekundärseitigen Spule Sp des Sekundärelementes 2 aufweist bzw. -weisen. Das Sekundärelement 2 befindet sich im Abstand d zur Oberseite des Gehäuses 10.

Bei dem aktiven System sind die Primärspulen für sich schwach induktiv abgestimmt, wodurch sich eine geringe Verstimmung ergibt. Die Einspei- sung kann mittels Konstantspannung oder eingeprägtem Strom erfolgen.

Auch können die Primärspulen und sekundärseitigen Spulen mit Ferritma- terial hinterlegt sein, wie es bereits aus dem Stand der Technik vorbekannt ist. Durch die Verlegung der primärseitigen Spulen S1-S4 quer zur

Fahrtrichtung X ergibt sich eine hohe seitliche Lagetoleranz des Sekundärelementes. Durch die Verwendung von Ferritplatten unterhalb der primärseitigen Spulen ergibt sich keine oder nur eine geringe Beeinflus- sung durch Eisen unterhalb des Gehäuses 10, welches z. B. als Bewährung im Boden Bo verlegt ist. Durch eine Bündelung des Magnetfeldes kann vorteilhaft eine Steigerung der Übertragungseffizienz und Reduzierung der Steuerinduktivität erzielt werden. Aufgrund der Anordnung unterhalb des Fahrzeuges ist stets eine hinreichende Bodenfreiheit gewähr- leist. Zudem ergibt sich eine geringe Verlustleistung, da der Stromverbrauch von der Last abhängig ist. Die einspeisende Schaltung ist einfach, da keine Blindleistung im aktiven Zweig vorhanden ist. Sofern das System als aktives System betrieben wird, fließt in den nicht benötigten Spulen kein Strom, da diese mittels der Steuervorrichtung und der Schaltmittel aktiv von den Spannungsquellen abgetrennt sind. Aufgrund der Erkennung der Lage der Sekundärspule ergibt sich somit eine hohe Positioniertoleranz in Fahrzeuglängsrichtung. Um die Positioniertoleranz weiter zu erhöhen, können viele schmale Spulen, nebeneinander angeordnet werden, so dass letztendlich die Auflösung in X-Richtung durch die Anzahl der nebeneinander und/ oder teilweise überlappenden Spulen erhöht wird. Selbstverständlich ist es möglich, die sich längserstreckenden Spulen auch parallel zur Fahrtrichtung X nebeneinander anzuordnen.

Auch ist es möglich, die primärseitige Vorrichtung gemäß Figur 2 als passives System auszubilden, wobei dann die Schaltung gemäß Figur 4 mit parallel zueinander geschalteten Primärschwingkreisen ausgebildet ist. Die Primärspulen sind dabei für sich jeweils stark induktiv abgestimmt, wodurch sich eine hohe Verstimmung ergibt. Erst durch die Anwesenheit mindestens der sekundärseitigen Spule Sp wird dann aus Sicht der Speiseeinheit die Impedanz der primärseitigen Spule so verändert, dass das System aus primär- und sekundärseitiger Spule optimal in Resonanz mit der von der Speiseeinheit verwendeten Systemfrequenz gebracht wird und damit ein der Leistung entsprechendes Magnetfeld aufgebaut wird. Die anderen primärseitigen Spulen unterscheiden sich in der Impedanz von der Resonanzsituation so stark, dass entweder die nicht in Resonanz befindlichen primärseitigen Spulen aufgrund des großen Blindwiderstandes und sich daraus ergebenden geringen primärseitigen Stromes nach außen ein geringes bis kein magnetische Feld haben oder aber die Verän- derung der Impedanz messtechnisch detektiert wird und ein partielles Abschalten der nicht in Resonanz befindlichen Spulen mittels Schaltmitteln erfolgt.

Die Figur 3 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der primärseitigen erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die primärseitigen Spulen matrix-förmig nebeneinander parallel zur Bodenoberfläche angeordnet sind. Dabei sind die Spulen S11-S55 in fünf Zeilen Z1-Z5 und fünf Spalten Spi-Sp5 an den Kreuzungspunkten der Spalten und Zeilen angeordnet. Die Anschlussleitungen der einzelnen Spulen S11-S55 sind nicht dargestellt. Das Gehäuse 10 weist schräge Seitenflächen auf, so dass ein versehentliches Darüberfahren mit den Reifen des Fahrzeuges weder zur Beschädigung des Gehäuses 10 noch der Reifen selbst führt. Auch diese Ausführungsform der primärseitigen Vorrichtung 1' kann entweder als aktives oder als passives System betrieben werden. Hierzu wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.

Die Figur 4 zeigt die Beschaltung eines passiven Systems mit Inverter 4, Zuleitungen 5, 6 sowie den daran parallel angeschlossenen Serienschwingkreise Ci, Si bis C _n , Sn, wobei die Spulen Si-S _n für sich stark induktiv abgestimmt sind, so dass sich eine hohe Verstimmung ergibt. Erst durch die Induktivität Lpu der Pick-Up-Spule Sp (siehe Figur 7) kommt es zur Resonanzbedingung für die jeweilige(n) Spule(n) Sj, oberhalb derer sich die Pick-Up-Spule Sp des Fahrzeugs befindet.

Selbstverständlich ist es möglich, dass auch bei der Parallelschaltung beim passiven System die einzelnen Serienschwingkreise mittels nicht dargestellter Schaltelemente vom Inverter 4 abgekoppelt werden können. Hierzu sind gesonderte Sensorschaltungen oder Strommessungen not- wendig, damit die Veränderung der Impedanz des Serienschwingkreises messtechnisch detektiert werden kann.

Die Figur 5 zeigt die Beschaltung eines aktiven Systems, wobei die Zuführleitungen 5i bis 5 _n mittels nicht dargestellter Schaltmittel selektiv auftrennbar sind, so dass lediglich eine oder bestimmte Spulen Si-S _n zur Übertragung der elektrischen Energie verwendet werden.

Die Figuren 6 und 7 zeigen die Gesamtschaltbilder für Primärseite und Sekundärseite für ein aktives System (Figur 6) und ein passives System (Fig. 7).

Die Figur 8 zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei der die längsgestreckte Spulen SIx bis S4x parallel zu den Zeilen Zl bis Z4 und die längsgestreckten Spulen SIy bis S4y parallel zu den Spalten SpI bis Sp4 angeordnet sind. Selbstverständlich können beliebig viele Zeilen und Spalten und somit Spulen vorgesehen werden. Auch ist die Breite der längsgestreckten Spulen und deren Länge frei wählbar. Ebenso ist die Windungsanzahl jeder Spule den Systemanforderungen anzupassen. Auch diese Ausführungsform kann als aktives oder passives System betrieben werden. Die schematischen Schaltbilder hierfür sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt. Ein besonders starkes Magnetfeld kann dabei im Bereich der sich überlagernden Spulen, erzeugt werden. So kann bei- spielsweise das Magnetfeld im Feld B ₃ i durch die selektive Bestromung der Spulen S3x und SIy erzeugt werden, sofern das System als aktives System ausgelegt ist. Bei einem passiven System sind die Schwingkreise derart auszulegen, dass sich die Resonanzbedingung für die Spulen S3x und SIy einstellt, sobald sich das Sekundärelement über dem Feld B ₃ i befindet.

Die Zeilen und Spalten sind nicht unbedingt im 90°-Winkel zueinander anzuordnen. So ist es auch möglich, dass die Zeilen und Spalten im spitzen oder stumpfen Winkel zusammenlaufen. So können die einzelnen Spulen auch diagonal zur Fahrbahn oder im Gehäuse 10 verlaufen bzw. angeordnet sein. Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Versorgung sich bewegender Fahrzeuge, z.B. auf einer Straße, verwendet wird, bewegt sich das Sekundärelement über die primärseitige Vorrichtung. Dabei müssen selbstverständlich bei einem aktiven System die Spulen unter Anpassung an die Fahrgeschwindigkeit angesteuert bzw. geschaltet werden. Bei ei- nem passiven System reduziert sich der schaltungstechnische Aufwand, da sich die Resonanzbedingungen systembedingt immer dort einstellen, wo sich das Sekundärelement befindet.