Magnetoresonante Energie- und Informationsübertragung im Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbaugruppe mit einer Energieversorgungs-Vorrichtung zur Energieversorgung mindestens eines Steuergeräts. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Energieversorgung eines Steuergeräts für ein Kraftfahrzeug.

Ein Kraftfahrzeug enthält üblicherweise eine Vielzahl von elektrischen Steuergeräten. Zur Energieversorgung derselben werden in der Regel zu Kabelbäumen zusammengefasste Verbindungsleitungen verlegt. Dies ist insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen des Kraftfahrzeugs mit einem hohen Aufwand verbunden. Außerdem erhöhen die Kabelbäume das Gewicht des Kraftfahrzeugs. Schließlich können derartige Kabel beispielsweise durch Marderverbiss beschädigt werden, was zu Funktionsstörungen und Unfällen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung eines Steuergeräts für ein Kraftfahrzeug zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, einen Empfänger drahtlos, in energieübertragender Weise an eine Sende-Einrichtung zu koppeln.

Ein Sender zur Erzeugung eines oszillierenden Magnetfelds gemäß Anspruch 2 ist besonders vorteilhaft, da die meisten Materialien nicht mit Magnetfeldern wechselwirken.

Es hat sich gezeigt, dass die resonante Ankopplung des Empfängers an das oszillierende Magnetfeld des Senders gemäß Anspruch 3 eine besonders effiziente Energieübertragung ermöglicht.

Eine Senderfrequenz im Megahertz-Bereich gemäß Anspruch 4 ist besonders an die in einem Fahrzeug auftretenden Abstände angepasst.

Durch die Anordnung von mehr als einem Sender mit der gleichen Senderfrequenz gemäß Anspruch 5 lässt sich die zum Steuergerät übertragene Leistung weiter erhöhen.

Durch die Anordnung mehrerer Sender unterschiedlicher Frequenz gemäß Anspruch 6 ist eine Energie- und/oder Informationsübertragung in mehreren voneinander unabhängigen Kanälen möglich.

Eine Relaisstation gemäß Anspruch 7 ermöglicht eine Energieübertragung über größere Abstände. Sie ermöglicht außerdem ein Umgehen von elektromagnetischen Hindernissen und verbessert somit die Effizienz der Energieübertragung weiter.

Mittels eines Gleichrichters gemäß Anspruch 8 kann am magnetresonanten Empfänger-Kreis eine Gleichstrom- Versorgungsspannung abgegriffen werden.

Eine Modulationsvorrichtung zur Modulation der Senderfrequenz gemäß Anspruch 9 ermöglicht zusätzlich zur Energie- eine Informationsübertragung.

Mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 10 ist die drahtlose Energieversorgung eines Steuergeräts für ein Kraftfahrzeug möglich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- Schreibung mehrerer Ausfuhrungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer weiteren Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer drit- ten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Senders gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines Senders gemäß einem zweiten

Ausfuhrungsbeispiel,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild eines Senders gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel,

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild eines Senders gemäß einem vierten Ausfuhrungsbeispiel,

Fig. 8 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem vierten

Ausfuhrungsbeispiel,

Fig. 12 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem fünften

Ausführungsbeispiel und

Fig. 13 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers gemäß einem sechsten

Ausführungsbeispiel .

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung beschrieben. In einem Fahrzeug 1 ist eine Fahrzeugbaugruppe 2 vorgesehen, welche mindestens ein Steuergerät 3 und mindestens eine Energieversorgungs-Vorrichtung 4 zur drahtlosen Energieversorgung des mindestens einen in den Figuren nur schematisch dargestellten Steuergeräts 3 umfasst. Als Steuergeräte kommen alle Systeme in Frage, die eine eigene, autarke Energieversorgung benötigen. Das Steuergerät 3 kann insbesondere eine Fernbedienung, ein Messsystem, beispielsweise ein Reifendruckmesssystem, oder auch Steuergeräte mit Pulsweitenmodulation, beispielsweise ein Antiblockiersystem, ein elektronisches Bremssystem oder Fahrzeugdämpfer sein.

Die Energieversorgungs-Vorrichtung 4 weist mindestens einen an eine Energiequelle 7 gekoppelten Sender 5 sowie mindestens einen Empfänger 6 auf, wobei der mindestens eine Empfänger 6 mit dem mindestens einen Sender 5 drahtlos, in energieübertragender Weise verbunden ist. Die Energieübertragung von der Energieversorgungs-Vorrichtung 4 zum Steuergerät erfolgt somit vollständig kabellos. Dies senkt die Kosten und erhöht die Lebensdauer.

Mittels des Senders 5 ist ein oszillierendes Magnetfeld mit einer Senderfrequenz f _s und einer Senderamplitude erzeugbar. Hierzu umfasst der Sender 5 eine Induktivität, insbesondere eine Rahmenantenne oder eine Magnetfeldantenne.

Außerdem umfasst der Sender 5 eine Kapazität. Die Senderfrequenz fs liegt im Bereich von 1 bis 100 MHz. Die Induktivität und die Kapazität des Senders 5 bilden zusammen einen Sende-Schwingkreis.

Entsprechend dem Sender 5 weist der Empfänger 6 einen Resonanzkreis mit einer Induktivität und einer Kapazität auf. Der Resonanzkreis hat eine Resonanzfrequenz f ^* _R , welche im Bereich der Senderfrequenz fs liegt. Der Resonanzkreis ist insbesondere abstimmbar, sodass die Resonanzfrequenz f _R genau an die Senderfrequenz f _s angepasst werden kann. Außerdem umfasst der Empfänger 6 einen Gleichrichter 8.

Schließlich ist eine Modulationsvorrichtung 9 zur Modulation der Senderfrequenz fs und/oder insbesondere der Senderamplitude vorgesehen. Hierdurch ist die Energieversorgungs-Vorrichtung 4 gleichzeitig zur Informati-

ons-übertragung vom Sender 5 zum Empfänger 6 und somit zum Steuergerät 3 geeignet.

Beim Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist außerdem eine Relaisstation 10 vorgesehen. Die Relaisstation 10 umfasst einen Resonanzkreis 11 mit einer Induktivität und einer Kapazität, welcher eine auf die Senderfrequenz fs abstimmbare Resonanzfrequenz aufweist. Die Relaisstation 10 kann außerdem eine Frequenzabstimmungseinrichtung 12 umfassen. Die Relaisstation 10 dient insbesondere zur Umgehung eines elektromagnetischen Hinder- nisses 13.

Im Allgemeinen sind der mindestens eine Sender 5 und der mindestens eine Empfänger 6 parallel zueinander angeordnet, insbesondere so, dass ihre magnetischen Feldvektoren parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch wird die Effizienz der Energieübertragung verbessert.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Fahrzeugbaugruppe 2. Der zentrale Unterschied zum Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht darin, dass der Resonanzkreis 11 der Relaisstation 10 eine Reso- nanzschleife 14 aufweist, welche wie eine „8" geformt ist, wobei ein Kreis der „8" zum anderen um einen Winkel, insbesondere um 90°, verdreht ist. Hierdurch kann die Ausrichtung eines magnetischen Feldvektors und damit die Ausbreitung des oszillierenden Magnetfelds beeinflusst werden. Die eine Schleife der „8" der Relaisstation 10 ist vorzugsweise optimal auf den Sender 5 ausgerichtet, während die zweite der „8" der Relaisstation optimal zum Empfänger 6 hin orientiert ist. Durch Ausstatten der Relaisstation 10 mit Abstimmkreisen nach Vorbild der Empfänger 6 lässt sich deren Effizienz noch erhöhen.

Um höhere Energien zu übertragen, können auch mehrere Sender 5 vorgesehen sein. Diese können insbesondere miteinander synchronisiert sein. Vorteilhafterweise dient einer der Sender 5 als Master, welcher die anderen Sender steuert, insbesondere moduliert und/oder synchronisiert.

Außerdem ist es möglich, mehrere Sender 5 vorzusehen, welche unterschiedliche Senderfrequenzen f§ aufweisen, wobei die Senderfrequenzen f _s insbesondere so weit auseinander liegen, dass die Sender 5 als gegenseitig entkoppelt gelten. In diesem Fall ist zu jedem Sender 5 mit Senderfrequenz f _s mindestens ein entsprechender Empfänger 6 mit einer entsprechenden Resonanzfrequenz vorgesehen. Wenn nötig, können die Empfänger 6 parallel geschaltet werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel des Senders 5 beschrieben. Der Sender 5 ist an die Energiequelle 7 gekoppelt, welche beispielsweise durch eine Autobatterie und/oder einen Generator gebildet sein kann. Es handelt sich insbesondere um eine 12V-, eine 24V- oder eine 100V- bis 400V-Spanmmgsquelle. Bei dem Sender 5 handelt es sich um einen Parallelresonanz-Sender.

Der Sender 5 umfasst ein Filter 14. Bei dem Filter 14 handelt es sich um ein ein- oder mehrstufiges Filter. Das Filter 14 ist als LC-Filter ausgebildet mit einer ersten Induktivität L ₁ und einer ersten Kapazität C ₁ . Alternative Filterschaltungen sind selbstverständlich möglich.

Des Weiteren umfasst der Sender 5 einen Zwischenkreiskondensator 15 mit einer Kapazität C ₂ .

Femer ist ein von einem Steuerelement 16 gesteuerter Schalter 17 vorgesehen. Das Steuerelement 16 ist vorteilhafterweise als Mikroprozessor ausgebildet.

Zur Energieversorgung des Steuergeräts 16 ist dieses über einen Spannungsregler 18 an die Energiequelle 7 gekoppelt. Der Spannungsregler 18 umfasst einen Gleichrichter.

Den Kern des Senders 5 bildet der Resonanzkreis 11. Dieser umfasst einen Resonanzkreis-Kondensator 19 mit Kapazität C _r und eine Resonanzkreis- Spule 20 mit Induktivität L _r . Beim Betrieb des Senders 5 erzeugt die Resonanzkreis-Spule 20 einen magnetischen Fluss φ _r . Außerdem umfasst der Resonanzkreis 11 einen ersten Sensor 21 zur Detektion der Amplitude des Stroms im kapazitiven Resonanzteilkreis und einen zweiten Sensor 22 zur Detektion der Amplitude des Stroms im induktiven Resonanzteilkreis. Bei den Sensoren 21, 22 handelt es sich somit um Strommesser. Die beiden Sensoren 21, 22 sind in daten- und/oder stromübertragender Weise an das Steuerelement 16 gekoppelt. Das Steuerelement 16 ist derart ausgebildet, dass es aus einem Vergleich der Daten von den beiden Sensoren 21, 22 die Frequenz zur Steuerung des Schalters 17 auf die Resonanzfrequenz des Parallelkreises abstimmt. Der Sender 5 ist somit automatisch, fortlaufend selbstabstimmend ausgebildet. Resonanzfrequenzverstimmungen aufgrund von Toleranzen, Alterungs- und/oder Temperatureinflüssen oder aufgrund von externen Einwirkungen werden somit automatisch ausgeglichen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des Senders 5 a beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der Unterschied zum Sender 5

gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass es sich um einen Serienresonanzkreis handelt und über eine reine AC- Ankopplung an die Energiequelle 7 gekoppelt ist. Da beim Schließen des Schalters 17 kein Kurzschlussstrom fließen kann, kann ein zweiter, in Serie liegender Sicherheitsschalter eingespart werden. Die Sensoren 21, 22 sind als Spannungsmesser ausgebildet. Unabhängig hiervon ist das Steuerelement 16 derart ausgebildet, dass es die Frequenz des Schalters 17 derart abstimmt, dass die Spannungsamplituden im kapazitiven und im induktiven Resonanzteilkreises übereinstimmen.

Außerdem ist im Resonanzkreis 1 Ia eine Freilaufdiode D _f vorgesehen.

Bei dem Sender 5a handelt es sich um einen Serienresonanz-Sender.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel des Senders 5b beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 besteht darin, dass der Resonanzkreis 1 Ib als so genannter gemischtresonanter Kreis ausgebildet ist. Im Resonanzkreis 1 Ib ist ein weiterer Kondensator C _f vorgesehen, welcher mit dem Resonanzkreis -Kondensator 19 in Reihe geschaltet ist. Die Kapazität des Kondensators C _f liegt in der gleichen Größenordnung wie die Kapazität des Resonanzkreis-Kondensators 19.

Im Resonanzkreis 1 Ib ist nur der zweite Sensor 22 vorgesehen, welcher als Strommesser ausgebildet ist. Das Steuerelement 16 regelt die Frequenz des Schalters 17 so lange, bis das Maximum der Amplitude des vom zweiten Sensor 22 gemessenen Stroms im induktiven Resonanzteilkreis erreicht ist.

Prinzipiell ist diese Alternative auch bei den anderen Ausführungsformen verwendbar. Entsprechend kann im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 6 auch ein erster Sensor 21 zur Messung des Stroms im kapazitiven Teilkreis vorgesehen sein.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 ein viertes Ausfuhrungsbeispiel des Senders 5c beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 6, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 6 besteht darin, dass der Schalter 17c einen DC-Entkoppelkondensator C _k umfasst. Dieser stellt sicher, dass bei Kurzschluss oder Anlegen einer externen Spannung kleiner als einer spezifizierten Spannung U _Ck des Entkoppelkondensators C _k keine sicherheitskritischen Zustände im Steuergerät 3 auftreten können. Si- cherheits-Maßnahmen müssen getroffen werden, wenn der Resonanzkreis 1 Ib, insbesondere wenn die Resonanzkreis-Spule 20 über Stecker an das Steuergerät 3 angeschlossen ist. Der Entkoppel-Kondensator C _k kann auch vorteilhaft bei den alternativen Ausführungsformen eingesetzt werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel des Empfängers 6 beschrieben. Der Empfänger 6 umfasst einen parallelresonanten Empfangskreis 24, welcher mittels zuschaltbarer Kapazitäten C _m auf die Frequenz des magnetischen Resonanzfeldes fein- abstimmbar ist. Selbstverständlich umfasst der Empfangskreis 24 eine Empfangs-Spule 25 mit Induktivität L _re und einen Empfangs-Kondensator 26 mit Kapazität C _rl . Die zuschaltbaren Kondensatoren C _m sind parallel zum Empfangs-Kondensator 26 geschaltet. Ihre Zuschaltung ist mittels Schalter S _m erreichbar, welche von einem Prozessor 27 steuerbar sind, wobei der Prozessor 27 in datenübertragender Weise an einen Empfangssen-

sor 28 gekoppelt ist. Beim Empfangs-Sensor 28 handelt es sich beispielsweise um einen Strommesser zur Messung des Stroms in der Empfangs- Spule 25. Der Prozessor 27 ist als Mikrocontroller ausgebildet. Entsprechend dem Sender 5 ist der Empfänger 6 fortlaufend selbstabstimmend.

Außerdem umfasst der Empfänger 6 den Gleichrichter 8. Der Gleichrichter umfasst eine Graetz-Schaltung. Ferner umfasst der Gleichrichter 8 einen Speicherkondensator Cs und einen Entkoppelwiderstand R ₃ . Letzterer dient dem Erhalt der Resonanzgüte beim Aufladen des Speicherkondensators Cs und wird bei Erreichen der Betriebsspannung mittels eines Schalters S _s überbrückt. Das Erreichen der Betriebsspannung wird mittels eines Spannungs-Sensors 29 überprüft. Der Spannungs-Sensor 29 ist außerdem an ein Aktivierungs-Element 30 zum Wecken, d. h. Aktivieren, des Steuergeräts 3 gekoppelt.

Des Weiteren ist im Empfangskreis 24 ein weiterer Kontakt des Schalters S _s vorgesehen, welcher bei Erreichen der Betriebsspannung geöffnet wird, um einen Schwingkreiskondensator Cs vom Empfangskreis 24 abzutrennen. Der Schwingkreiskondensator C _s hat die gleiche Kapazität wie der Speicherkondensator Cs- Somit wird die Resonanzfrequenz des Empfangskreises 24 unabhängig von der Stellung des Schalters S _s im Gleichrichter 8 konstant gehalten. Durch Steuerung der Zuschaltung der Kapazitäten C _m mittels des Prozessors 27 ist der Strom im Empfangskreis 24 fortlaufend, automatisch maximierbar. Hierzu ist in einer Minimalvariante der Strom in der Empfangs-Spule 25 vom Empfangs-Sensor 28 messbar. Alternativ hierzu kann selbstverständlich auch der Gesamtstrom im Empfangskreis 24 gemessen werden. Als Startfrequenz f _Emp f _änger , d. h. vor Zuschalten der zusätzlichen Kondensatoren C _m ergibt sich „ 1 // _{r r} \ _τ \~

J Empfänger ~ ^~ λ VV ^rI ⁺ ^s ) ^{' L} re ) ²

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 9 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel des Empfängers 6a beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 besteht darin, dass zur Feinabstimmung der Frequenz des Empfangskreises 24a auf die Frequenz des magnetischen Resonanzfeldes seriell angeordnete, zuschaltbare Induktivitäten L _m vorgesehen sind. Deren Zuschaltung ist wiederum mittels Schalter S _m vom Prozessor 27 steuerbar.

Selbstverständlich kann die Abstimmung der Frequenz des Empfangskreises 24a auch durch eine Kombination von zuschaltbaren Kapazitäten gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 und zuschaltbaren Induktivitäten gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 realisiert werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 ein drittes Ausführungsbeispiel des Empfängers 6b beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Speicher-Kondensator C _s in den Schwingkreis des Empfangskreises 24b integriert. Hierbei ist der Speicher-Kondensator C _s mit der Graetz-Schaltung des Gleichrichters 8 in Reihe geschaltet. Eine Abstimmung ist durch zuschaltbare Kondensatoren Q _n entsprechend der Feinabstimmung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 möglich.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 11 ein viertes Ausführungsbeispiel des Empfängers 6c beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10,

auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel besteht darin, dass es sich um einen serienresonanten Empfänger 6c handelt, d. h. dass die Last in Serie zum Empfangkreis 24c liegt. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel hat der Speicher-Kondensator C _s eine Kapazität, welche mindestens dreimal so groß ist wie die Summe der Empfangs-Kondensatoren 26, C ₅ ≥ 3 • (C _rl + C _r2 + ...) . Somit ist die Summe der Kapazitäten C _m der Empfangs-Kondensatoren 26 zusammen mit der Induktivität L _re der Empfangs- Spule 25 im Wesentlichen resonanzbestimmend.

Da die Last in Serie zum Empfangkreis 24 geschaltet ist, sollte sie eine möglichst kleine Impedanz aufweisen. Somit kann das Steuergerät 3 kontinuierlich zugeschaltet bleiben. Der Empfänger 6c eignet sich daher insbesondere für Verbraucher höheren Strombedarfs. Wie bei den vorhergehen- den Ausfuhrungsbeispielen erfolgt die Abstimmung der Frequenz des Empfangskreises 24c mittels des Prozessors 27 kontinuierlich.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 12 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Empfängers 6d beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 besteht darin, dass der Empfangskreis 24d zwei Resonanzkreise aufweist. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 können die Empfangs-Kapazitäten eine Viel- zahl abstimmbarer Empfangs-Kondensatoren 26d mit Kapazitäten C _1n bzw. C _2n aufweisen. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ist die Kapazität des Speicher-Kondensators C _s mindestens dreimal so groß wie die Summe der Kapazitäten der Empfangs-Kondensatoren 26,

C _s ≥ 3 • (C _n + C _n + ... ) bzw. C ₅ > 3 • (C ₂₁ + C ₂₂ +... ) . Außerdem ist die

Summe der Kapazitäten der Empfangs-Kondensatoren 26d im ersten Resonanzkreis wesentlich größer als die Summe der Kapazitäten der Empfangs- Kondensatoren 26d im zweiten Resonanzkreis, σC _lB > 100 -σC ₂ „ . d. h. die Resonanzkreise gelten filtertechnisch als entkoppelt.

Des Weiteren weist das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 12 ein Hochpass- Filter 31 und ein Tiefpass-Filter 32 auf. Diese ermöglichen die Trennung der Amplituden der beiden Resonanzkreise. Somit sind Signale unter- schiedlicher Frequenzen mit einem einzigen Empfänger 6d empfang- und weiterverarbeitbar.

Eine Erweiterung durch Hinzufügen weiterer Resonanzkreise und Gleichrichter ist selbstverständlich möglich. In diesem Fall sind Bandpass-Filter zur Filterung des Stromsignals vorgesehen. Hierbei sind die Frequenzbänder, in welchen die Filter durchlässig sind, überlappungsfrei und so weit voneinander entfernt, dass die einzelnen Signale jeweils voneinander entkoppelt sind.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Empfängers 6e beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Zusätzlich zu den Elementen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels umfasst der Empfänger 6e zwei Demodulatoren, die vorteilhafterweise durch die Greatz - Gleichrichter realisiert sind, zur Demodulation von auf die jeweilige Trägerfrequenz modulierten Informationen. Hierbei ist vorgesehen, dass die beiden niederfrequenten Informationen in ihrer Frequenz soweit voneinander sepa-

riert liegen, dass sie durch ein Hochpassfilter 33 und ein Tiefpassfilter 34 voneinander getrennt werden können. Wie zuvor kann auch eine größere Anzahl an Informations-Kanälen vorgesehen sein, wobei die Filter in diesem Fall jeweils als Bandpassfilter ausgebildet sind. Der Empfänger 6e weist somit mindestens zwei Kanäle zur Energieübertragung (fR.es 1, fRes2) und mindestens zwei Kanäle zur Informationsübertragung (Infol , Info2) auf.

Eine Kombination der Bestandteile der beschriebenen Ausführungsbeispie- Ie ist selbstverständlich möglich.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung des Steuergeräts 3 beschrieben. Mittels des Senders 5 wird ein oszillierendes Magnetfeld mit einer Senderfrequenz fs erzeugt. Sodann wird der Schwingkreis des Empfängers 6 an das oszillierende Magnetfeld resonant angekoppelt. Hierzu wird die Resonanzfrequenz f _R des Empfängers 6 auf die Senderfrequenz fs abgestimmt. Es ist auch möglich, dass die Resonanzfrequenz f _R des Empfängers 6 gerade der Senderfrequenz f _s des Senders 5 entspricht, wodurch ein spezielles Abstimmen der Resonanzfrequenz f _R des Empfängers 6 entfallen kann. Zur Energieversorgung des Steuergeräts 3 wird der mittels des oszillierenden Magnetfeldes vom Sender 5 im Resonanzkreis des Empfängers 6 induzierte Wechselstrom mittels des Gleichrichters 8 gleichgerichtet. Das Steuergerät 3 wird somit vom Empfänger 6 mit Gleichstrom beziehungsweise mit Gleichspannung versorgt. Zwischen den Sender 5 und den Empfänger 6 können eine oder mehrere Relaisstationen zur Richtungsänderung angeordnet sein.

Zur Abstimmung des Senders 5 wird die Frequenz des Schalters 17 vom Steuerelement 16 so lange geregelt, bis die Amplituden im kapazitiven und

im induktiven Resonanzteilkreis gerade gleich sind. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise Resonanzfrequenzverstimmungen automatisch und fortlaufend ausgleichen.

Der Empfangskreis 24 des Empfängers 6 wird durch gesteuertes Zuschalten der Empfangs-Kondensatoren 26 auf die Frequenz des magnetischen Resonanzfeldes fein-abgestimmt. Dies kann entweder durch eine Maximie- rung des Stroms im induktiven Teilkreis, d. h. in der Empfangs-Spule 25 oder durch ein Abgleichen des Stroms im induktiven Teilkreis auf den Strom im kapazitiven Teilkreis des Empfangskreises 24 des Empfängers 6 geschehen.

Nachdem der Empfangskreis 24 derart auf die Frequenz des vom Sender 5 erzeugten Magnetfeldes abgestimmt ist, wird das Steuergerät 3 nach Errei- chen der Betriebsspannung im Spannungs-Sensor 29 mittels des Aktivierungs-Elements 30 aktiviert. Vor Erreichen der Betriebsspannung befindet sich das Steuergerät 3 im Standby-Modus. Es ist somit mithilfe des Senders und des Empfängers 6 auf einfache Weise je nach Bedarf aktivierbar.

Selbstverständlich kann der Empfänger 6 in das Steuergerät 3 integriert sein.

Zur zusätzlichen Informationsübertragung ist vorgesehen, das vom Sender 5 erzeugte oszillierende Magnetfeld mit einer Modulationsfrequenz f^, welche wesentlich geringer ist als die Senderfrequenz fs, zu modulieren. Dies kann beispielsweise durch Amplitudenmodulation, insbesondere durch änderung der Güte des Resonanzkreises, beispielsweise über einen Parallel- oder Serienresonanzkreis erfolgen. Andere bekannte Modulationsverfahren sind ebenfalls denkbar.

Insbesondere können zwei phasengleiche, mit gleicher Senderfrequenz f _s oszillierende Sender 5 vorgesehen sein. Hierbei erzeugt der eine Sender 5 ein oszillierendes Magnetfeld konstanter Amplitude, während der andere Sender 5 ein oszillierendes Magnetfeld mit Amplitudenmodulation erzeugt. Vorteilhafterweise überträgt der Sender 5 mit konstanter Amplitude eine größere Energiemenge an den Empfänger 6 als der Sender 5 mit Amplitudenmodulation. Die beiden phasengleichen Magnetfelder überlagern sich konstruktiv und werden von demselben Empfänger 6 aufgenommen. Zur Rückgewinnung der Information ist im Fall der Amplitudenmodulation ein Spitzenwertgleichrichter vorgesehen.

Alternativ hierzu ist denkbar, zur Informationsübertragung einen Sender 5 mit einer zweiten Senderfrequenz f _S2 , welche von der Senderfrequenz f _s des ersten Senders 5 verschieden ist, vorzusehen. Hierdurch lassen sich auch verschiedene Elemente des Steuergeräts 3 voneinander entkoppeln.

Im Folgenden wird die Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben.

Als Anwendung der magnetresonanten Energieübertragung im Kraftfahrzeug bieten sich auf den ersten Blick alle Systeme an, die eine eigene, autarke Energieversorgung benötigen. Dies sind alle Fernbedienungen, wie zum Beispiel Schlüssel aber ebenso Reifendruckmesssysteme. Stößt man das Tor der Möglichkeiten auf, so fällt auf, dass alle Steuergeräte im Fahrzeug für diese Art der Energieversorgung geeignet sind, solange sichergestellt werden kann, dass immer genügend Energie zur Verfügung steht. Vorteil ist, dass keine Kabelbäume oder zumindest weniger verlegt werden

müssen. Einige Steuergeräte sollten vollkommen ohne Kabel und damit Stecker auskommen, was die Kosten senkt und die Lebensdauer erhöht.

Geht man vom derzeitigen Stand aus, können so genannte Zentralsteuerge- rate mit Sensorik mit diesem System versorgt werden. Auch Steuergeräte mit Pulsweitenmodulations-Stufen, deren Aktuatorik dezentral im Fahrzeug verteilt ist, zum Beispiel Antiblockiersystem, elektronische Bremssysteme und Fahrzeugdämpfer sind prädestiniert für den Einsatz des Systems. Dazu teilt man das Steuergerät 3 für zum Beispiel die Fahrzeugdämpferre- gelung in vier intelligente Steuergeräte 3 vor Ort, oder in ein zentrales, intelligentes Steuergerät 3 und vier dumme Aktuatorsteuergeräte vor Ort auf. Somit benötigt jedes Steuergerät 3 deutlich weniger Energie und vereinfacht eine sichere Versorgung. Sind alle Steuergeräte 3 vor Ort intelligent, könnte eines der Generator nahen Steuergeräte 3 die Funktion der Energie- emission übernehmen. Dadurch entfiele ein Steuergerät 3.

Sollten Steuergeräte 3 mit höherer Energie versorgt werden, kann man auch mehrere Sender 5 nutzen. Um den Aufwand der Sicherstellung der Gleichphasigkeit zu reduzieren oder zu vermeiden, muss entweder die Re- sonanzfrequenz so klein gewählt werden, dass der Abstand der Sender 5 zueinander deutlich kleiner als 1/10 der aus der Resonanzfrequenz resultierenden Wellenlänge ist, oder man lässt die Sender auf verschiedenen Frequenzen arbeiten.

Im Fall gleicher Frequenz kann die Gleichphasigkeit durch Erheben eines der Steuergeräte 3 oder Sender 5 zum Master geschehen. Der Master erwacht zum Beispiel bei Zündung und weckt die anderen Energiesender 5 über das magnetoresonante Feld. Dabei entsteht automatisch eine Synchronisation. Die anderen geweckten Steuergeräte 3 schalten von Empfang auf

Senden um und behalten dabei die Phasenlage bei. Sobald alle Steuergeräte 3 online sind, moduliert der Master die Resonanzfrequenz mit einem Bruchteil, zum Beispiel ein Viertel der Resonanzfrequenz mit festem Phasenbezug zu dieser. Das Signal wird von den anderen Sendern 5 zur Syn- chronisation genutzt.

Im Fall des Nutzens verschiedener Frequenzen bedingt dies, dass das empfangende Steuergerät 3 ebenfalls über zwei entsprechende Empfangskreise verfügt. Die beiden Resonanzfrequenzen müssen soweit auseinander He- gen, dass beide Systeme filtertechnisch als gegenseitig entkoppelt gelten. Wenn nötig, kann eine Addition der beiden Energieversorgungssysteme auf der DC Seite mittels parallel Schalten der Ausgänge der jeweiligen Gleichrichter 8 erfolgen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass für eine lange Strecke oder Strecken, die nur eine gering effiziente übertragung zulassen, Relaisstationen 10, ähnlich denen bei Richtfunkstrecken eingesetzt werden können. Damit kann eine lange Strecke besser überbrückt, beziehungsweise eine Energieführung um die Ecke erzwungen werden. Ebenso können geometrisch nicht optimal zueinander ausgerichtete Systeme, jeweils optimal zu beiden Partnern ausgerichtete Relaisstationen 10 zur Effizienzsteigerung nutzen. Weiterhin erreicht man eine höhere Flexibilität während der Entwicklung, da Anpassungen bezüglich Ausrichtung und Ort noch bis zu späten Entwicklungsstadien möglich wären.

Die Gewinnung der Gleichspannung (DC) Versorgungsspannung erfolgt mit üblichen Mitteln, zum Beispiel Graetz Gleichrichtung und Elkos (eventuell Goldcaps) zur Energiespeicherung. bei reinen Aktuatorsteuergeräten ist eine Einbeziehung des Aktuators in den Resonanzkreis denkbar, d. h.

der Laststrom wird direkt aus dem primären oder durch magnetoresonante oder transformatorische Koppelung einem sekundären, resonanten Kreis entnommen. Den Maximalstrom entnimmt man, wenn primär und Lastkreis beziehungsweise primär, sekundär und Lastkreis mit der gleichen Re- sonanzfrequenz und hoher Güte schwingen. Der Strom verringert sich, wenn die Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des sekundären und/oder des Lastkreises verstimmt wird, und/oder deren Güte verändert wird. Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass keine Gleichrichtungsverluste und deutlich geringere Schaltverluste in den Aktuator-Treibern auftreten. Für den Rech- ner musst trotzdem noch eine DC-Energieversorgung, allerdings mit deutlich geringerer Leistung, realisiert werden.

Neben der Energie- benötigt man noch die Informationsübertragung. Um kabellos zu bleiben, erscheinen Funksysteme nahe liegend. Diese sind je- doch anfällig für alle Arten von elektromagnetischen Störungen. Im Fall der resonanten, über lange Distanzen gekoppelten Magnetfelder, bieten sich diese selbst hervorragend als Träger an. Moduliert man die Magnetresonanz mit einer geringeren Frequenz, so prägt man ihr eine Information auf. Der einfachste Fall der Amplitudenmodulation könnte zum Beispiel durch Manipulation der Güte des Resonanzkreises, zum Beispiel über einen parallelen Transistor beim Parallelresonanzkreis beziehungsweise einem in Serie geschalteten beim Serienresonanzkreis, erfolgen. Aber auch alle anderen bekannten Modulationsverfahren sind denkbar.

Als Beispiel sei die Nutzung des Schalters 17 der Sender 5 herangezogen. Durch Steuerung derselben lässt sich ein Signal einer Trägerfrequenz mit einem Signal im Zeitbereich überlagern. Hierdurch entstehen Seitenbänder im Frequenzspektrum, die als logische Signale detektiert und interpretiert werden können. Durch Ein- und Ausschalten der Modulation in einem zeit-

synchronen Raster lässt sich so eine logische Folge darstellen. Eine derartige Frequenzmodulation lässt sich durch Ansteuerung des Schalters 17 mittels des Steuer-Elements 16 einfach und kostengünstig realisieren. Das Trägersignal hat hierbei beispielsweise eine Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 10.000 kHz, die Modulationsfrequenz liegt dann insbesondere im Bereich von 10 kHz bis 1000 kHz. Dies würde den heutigen LIN und CAN übertragungsfrequenzen entsprechen. Um mindestens die übertragungrate des Flexray zu realisieren, kann das Trägersignal auch im Bereich von 30 MHz bis 300MHz und die Modulationsfrequenz im Bereich von 5 MHz bis 50 MHz liegen.

Durch Filterung des modulierten Signals mit einem Bandpassfϊlter um die Trägerfrequenz kann festgestellt werden, ob auf dieser Frequenz gerade gesendet wird.

Um die Verlustleistung bei der Modulation zu verringern, könnte der Sen- demagnetkreis aus zwei phasengleichen bei der gleichen Resonanzfrequenz schwingenden Teilsystemen bestehen. Dabei soll der nicht modulierte Teilkreis den größeren Anteil des Stromes zum Beispiel 2/3 und der modu- lierte Teilkreis den geringen Teil des Stromes zum Beispiel 1/3 übernehmen. Damit übertrüge der 2. Teilkreis nur noch 1/9 der Gesamtenergie. Die beiden phasengleichen Magnetfelder überlagerten sich konstruktiv und könnten von ein und demselben Empfangskreis aufgenommen werden. Im Fall der Amplitudenmodulation genügte ein Spitzenwertgleichrichter zum Abtrennen/Rückgewinnen der Information. Die Grenze dieses Verfahrens wird durch die Dynamik gegeben, die man benötigt, um die Informationen zurück zu gewinnen. Es handelt sich bei dieser Idee quasi um eine andere Art der Realisierung einer bestimmten Modulationstiefe mit dem Vorteil geringerer Verluste.

Ein weiterer Weg zur Informationsübertragung ist, dass man sich einer 2. Trägerfrequenz bedient. Darüber ließen sich im übrigen ganze Systeme auf ein und demselben Steuergerät entkoppeln, zum Beispiel Prozessor mit Sensorik gegen Treiber für Aktuatorik beziehungsweise Hoch- gegen Niederspannungssysteme.

Um einen magnetoresonanten Kreis zu erzeugen, benötigt man zum einen eine Induktivität, zum Beispiel eine Art Rahmenantenne und eine Kapazi- tat, zum Beispiel als Bauteil 100 nF. Nun kann durch Hinzufugen einer weiteren Induktivität und/oder Kapazität eine zweite tiefer oder höher liegende Resonanzfrequenz erzeugt werden, je nach dem ob eine Induktivität in Reihe oder parallel zu der ersten Induktivität und/oder eine Kapazität parallel oder in Reihe zur ersten Kapazität hinzugefügt wird. Dabei muss die zweite Resonanzfrequenz genügend weit von der ersten entfernt liegen, sodass sie diese weder verstimmt, noch deren Güte merklich verändert. Somit können zwei magnetoresonante Felder verschiedener Frequenz über zum Beispiel ein Spulensystem, insbesondere ein Rahmenantennenpärchen, übermittelt werden, sodass eine Resonanzfrequenz zum Beispiel zur Leistungsübertragung, die andere zur Informationsübertragung genutzt wird. Ebenso ist es denkbar, dass eine oder beide Resonanzfrequenzen sowohl zur Energie und beide zur Informationsübertragung genutzt werden. Mit weiteren Resonanzfrequenzen ließen sich weitere derartige Kanäle hinzufügen.

Mehr Informationskanäle erhielte man auch durch Einsatz verschiedener Modulationsverfahren zum Beispiel Amplituden und Phasenmodulation ein und derselben Trägerfrequenz.

Entscheidend für den Datendurchsatz beziehungsweise Baudrate ist die zur Verfügung gestellte Bandbreite des übertragungskanals. Während für lokale Netzwerke, Lin-Systeme, einige zehn kHz ausreichen, benötigt man für ein asynchrones, serielles Bussystem, wie beispielsweise CAN, 500 kHz und für Flexray 5 MHz. Entsprechend hoch muss die jeweilige Trägerfrequenz gewählt werden.

Um nicht in die niedrigen Grenzwerte oberhalb 30 MHz zu rutschen, ist es ratsam, zum Beispiel ein Flexray adaptives System bei ca. 24 MHz Träger- frequenz zu betreiben. Dadurch erhält man Seitenbänder im Bereich von 29 MHz und 19 MHz. Auch Frequenzbänder, die nicht gemessen werden, bieten sich für eine derartige Nutzung an. Da sich im gewählten Beispiel Träger und Modulationsfrequenz nur gering, etwa Faktor 5, unterscheiden, liegen Träger und Seitenbänder relativ weit voneinander entfernt. Dadurch wird das Informationssignal durch das Resonanzfilter schon relativ stark gedämpft. Sollte die Dynamik nicht ausreichen, legt man die Eigenfrequenz des magnetoresonanten Systems auf eines der Seitenbänder zum Beispiel 29 MHz. Damit wird die Information wieder optimal übertragen und gleichzeitig das zweite ungenutzte „Störseitenband" sowie der Träger besser unterdrückt. Selbstverständlich kann die Information auch über eine Phasenmodulation oder Amplitudenmodulation übertragen werden. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass die Seitenbänder fest sind, d. h. die Resonanzfrequenz des Senders 5 und des jeweiligen Empfängers 6 kann in das jeweils bevorzugte Seitenband gelegt werden und die Filterbandbreite so schmal wie technisch- wirtschaftlich möglich ausgelegt werden. Hierdurch ist eine Unterdrückung des Trägersignals und des unerwünschten Seitenbandes im Informationskanal leichter realisierbar.

Der Vorteil ist, dass die durch die mittels der Magnetresonanzen gekoppelten Systeme sehr schmalbandig sind. Dadurch emittieren sie außerhalb der Resonanzfrequenz kaum Energie, ebenso sind sie nur im Resonanzbereich sensibel. Folglich muss dafür gesorgt werden, dass der Energiegehalt der übertragenen Information bei Resonanzfrequenz möglichst dominant ist. Des Weiteren kann man sich auch korrelativer Verfahren wie „matched filter" bedienen, wenn mit relativ geringen Pegeln gearbeitet werden muss. Wenn die Steuergeräte 3 zudem keinen Kabelbaum mehr benötigen, schrumpft ihre elektrische Größe beträchtlich um etwa Faktor 10 bis 30, d. h. die Antenne wird ineffizienter. Weiterhin nehmen die Gleichtaktströme ab, die das Hauptproblem bei der Abstrahlung darstellen.

Eine weitere Anwendung der Informationsübertragung mittels magnetore- sonanter Kreise ist die Entkoppelung zwischen Hoch- und Mederspan- nungssystemen in einem Steuergerät. Im MHz-Bereich betrieben, wäre die jeweilige magnetoresonante Spule als Leiterplattenspule ausführbar, abgestimmt mittels Kondensator.