Beschreibung

Die Erfindung betrifft Energieübertragungssysteme zum kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung oder mittels kapazitiver Kopp- lung und insbesondere eine Sendevorrichtung für ein derartiges Energieübertra- gungssystem.

Kontaktlose elektrische Energieübertragungssysteme sind aus den Referenzen [1] bis [17] bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, derartige Energieübertra- gungssysteme zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sendevorrichtung zum kontaktlosen Übertragen von elektrischer Energie an ein oder mehrere Empfangsmodule, welche jeweils ein Feldempfangselement zum Empfangen von elektrischer Energie aufweisen, wobei die die Sendevorrichtung folgende Merkmale umfasst: eine Vielzahl von Sendemodulen, welche jeweils ein Felderzeugungselement zum Erzeugen eines Wechselenergiefeldes und eine elektrische Energiequelle zum drahtgebundenen Beaufschlagen des jeweiligen Felderzeugungselementes mit ei- ner elektrischen Wechselgröße umfassen; und eine Steuereinrichtung, welche in einem Energieübertragungsmodus zum derartigen Ansteuern der elektrischen Energiequellen ausgebildet ist, dass mehrere der Sen- demodule gleichzeitig jeweils eines der Wechselenergiefelder erzeugen, wobei in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen in Abhängigkeit von einer Kopplungsmatrix gesteuert sind, wobei die Kopplungsmatrix für mehrere oder für alle der Felderzeugungselemente Kopplungsfaktoren zu mehreren oder zu allen der Feldempfangselemente umfasst. Durch die Verwendung einer induktiven Kopplung, bei der die Energie im Wesentli- chen über ein elektrisches (Nah-)Feld übertragen wird, oder durch die Verwendung einer kapazitiven Kopplung, bei der die Energie im Wesentlichen über ein magneti- sches (Nah-)Feld übertragen wird, kann ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden, als bei der Verwendung einer Strahlungskopplung, bei der die Energie im Wesentli- chen über ein elektromagnetisches (Fern-)Feld übertragen wird.

Bei der elektrischen Wechselgröße kann es sich um einen Wechselstrom oder um eine Wechselspannung handeln. Dementsprechend kann es sich bei der Energie- quelle um eine Wechselstromquelle oder um eine Wechselspannungsquelle han- deln. Bevorzugt weisen die elektrischen Wechselgrößen der verschiedenen Sende- module dieselbe Winkelfrequenz auf.

Bei der Steuereinrichtung kann es sich insbesondere um eine elektronische Steuer- einrichtung handeln. Sie kann in Hardware ausgeführt sein oder in einer Kombina- tion von Hardware und Software.

Ein Kopplungsfaktor entspricht dabei dem Imaginäranteil der Streuimpedanz zwi- schen einem der Feldempfangselemente und einem der Felderzeugungselemente geteilt durch die Winkelgeschwindigkeit. Dabei ist die Streuimpedanz im Falle der induktiven Kopplung die Streuinduktivität und im Falle der kapazitiven Kopplung die Streukapazität zwischen einem der Feldempfangselemente und einem der Felder- zeugungselemente. Werden die Kopplungsfaktoren matrizenartig angeordnet, so entsteht hierdurch die Kopplungsmatrix.

Sofern lediglich ein Empfangsmodul vorgesehen ist, wird die Kopplungsmatrix eindi- mensional. Unter der Annahme, dass die Sendemodule baugleich sind, bzw. diesel- ben elektrischen Eigenschaften aufweisen, ist die optimale Verteilung der Ströme in den Sendemodulen dann proportional zu den Werten der eindimensionalen Kopp- lungsmatrix. Die Werte der Ströme ergeben sich dann aus der geforderten Leistung.

Auf diese Weise kann ein höherer elektrischer Wirkungsgrad erreicht werden, als dies bei Sendevorrichtungen der Fall ist, bei denen, wie in [1] beschrieben, während der Übertragung der elektrischen Energie lediglich eine von mehreren Sendemodu- len genutzt ist. Auch kann so ein höherer elektrischer Wirkungsgrad erreicht wer- den, als dies bei Sendevorrichtungen der Fall ist, bei denen, wie in [3] beschrieben, Metamaterialien verwendet werden. Darüber hinaus kann so ein höherer elektri- scher Wirkungsgrad erreicht werden, als dies bei Sendevorrichtungen der Fall ist, bei denen, wie in [9] beschrieben, eine durch Interferenzen bewirkte Strahlformung vorgenommen wird, was sowieso nur möglich ist, wenn die Wellenlänge des Wech- selenergiefeldes klein gegenüber dem Abstand zwischen der Sendevorrichtung und den Empfangsmodulen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zum derartigen Ansteuern der elektrischen Energiequellen ausgebildet ist, dass in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen in Abhängigkeit von einer Singulärwertzerlegung einer von einer Kopplungsmatrix abhängigen Mat- rix gesteuert sind ausgebildet.

Aus der Kopplungsmatrix kann unter Berücksichtigung der Verluste in den Sende- modulen, der Verluste in den Empfangsmodulen und der Lastwiderstände eine von der Kopplungsmatrix abhängige Matrix erzeugt werden, deren Singulärwertzerle- gung dazu genutzt werden kann, die elektrischen Wechselgrößen der einzelnen Sendemodule gleichzeitig so zu steuern, dass der elektrische Wirkungsgrad der Energieübertragung optimiert werden kann. Eine Singulärwertzerlegung (Abk.: SWZ oder SVD für Singular Value Decomposition) einer Matrix bezeichnet deren Darstel- lung als Produkt dreier spezieller Matrizen. Hierdurch kann für eine beliebige Anzahl von Empfangsmodulen der elektrische Wirkungsgrad optimiert werden, selbst wenn die Sendemodule unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung für jedes der Sendemodule zur Steuerung einer Amplitude der jeweiligen elektri- schen Wechselgröße ausgebildet. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- dung ist die Steuereinrichtung für jedes der Sendemodule zur Steuerung einer Phase der jeweiligen elektrischen Wechselgröße ausgebildet. Durch die oben be- schriebene Steuerung der Amplituden und/oder der Phasen der Wechselgrößen der einzelnen Sendemodule ergibt sich ein besonders hoher elektrischer Wirkungsgrad.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Felderzeugungsele- mente Spulen, welche jeweils das jeweilige Wechselenergiefeld in Form eines mag- netischen Wechselfeldes erzeugen. Auf diese Weise kann die elektrische Energie induktiv gekoppelt übertragen werden, sofern die Feldempfangselemente der Emp- fangsmodule ebenfalls Spulen sind. Die Kopplungsfaktoren entsprechen dabei dem Imaginäranteil der Streuinduktivitäten zwischen den Spulen der Sendevorrichtung und jeweils einer Spule eines der Empfangsmodule geteilt durch die Winkelfrequenz der zugehörigen Wechselgröße bzw. des zugehörigen Wechselenergiefeldes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Felderzeugungsele- mente Kapazitäten, welche jeweils das jeweilige Wechselenergiefeld in Form eines elektrischen Wechselfeldes erzeugen. Auf diese Weise kann die elektrische Energie kapazitiv gekoppelt übertragen werden, sofern die Feldempfangselemente der Emp- fangsmodule ebenfalls Kapazitäten sind. Die Kopplungsfaktoren entsprechen dabei dem Imaginäranteil der Streukapazitäten zwischen den Kapazitäten der Sendevor- richtung und jeweils einer Kapazität eines der Empfangsmodule geteilt durch die Winkelfrequenz der zugehörigen Wechselgröße bzw. des zugehörigen Wech- selenergiefeldes.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in dem Energieübertra- gungsmodus die von der Kopplungsmatrix abhängige Matrix abhängig von einer Kreuzkopplungsmatrix ist, wobei die Kreuzkopplungsmatrix für mehrere oder für alle der Feldempfangselemente Kreuzkopplungsfaktoren zu mehreren oder zu allen der anderen Feldempfangselemente umfasst. Hierdurch kann der elektrische Wirkungs- grad der Energieübertragung weiter erhöht werden, insbesondere wenn die Kreuz- kopplungsfaktoren im Verhältnis zu den Kopplungsfaktoren groß sind. Ein Kreuz- kopplungsfaktor entspricht dabei dem Imaginäranteil der Kreuzstreuimpedanz zwi- schen einem der Feldempfangselemente und einem der anderen Feldempfangsele- mente geteilt durch die Winkelgeschwindigkeit. Werden die Kreuzkopplungsfaktoren matrizenartig angeordnet, so entsteht hierdurch die Kreuzkopplungsmatrix. Sofern die Feldempfangselemente Spulen sind, entsprechen die Kreuzkopplungsfaktoren der Kreuzstreuinduktivität zwischen einer Spule der Empfangsmodule und einer an- deren Spule der Empfangsmodule geteilt durch die Winkelfrequenz des Wech- selenergiefeldes. Sofern die Feldempfangselemente Kapazitäten sind, entsprechen die Kreuzkopplungsfaktoren der Kreuzstreuinduktivität zwischen einer Kapazität der der Empfangsmodule und einer anderen Kapazität der Empfangsmodule geteilt durch die Winkelfrequenz des Wechselenergiefeldes. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Kopplungsfaktoren in der Steuereinrichtung hinterlegt. Diese Lösung ist besonders geeignet, wenn die geometrische Anordnung der Empfangsmodule in Bezug auf die Sendevorrichtung während der Energieübertragung zumindest ungefähr bekannt und gleichbleibend ist. In diesem Fall können die Kopplungsfaktoren vorab mittels geeigneter Simulationen ermittelt und in der Steuereinrichtung abgespeichert wer- den.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung in ei- nem Ermittlungsmodus zur Ermittlung wenigstens eines Teils der Kopplungsfaktoren ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung im Ermittlungsmodus zur sequentiellen Durchführung von Ermittlungssequenzen für mehrere oder für alle der Sendemodule ausgebildet ist, wobei bei jeder der Ermitlungssequenzen durch die Steuereinrich- tung ausschließlich die elektrische Energiequelle des jeweiligen Sendemoduls ange- steuert ist und durch die Steuereinrichtung von mehreren oder von allen der Feld- empfangselemente eine empfangsqualitätskennzeichnende Größe empfangen ist, um aus jeder der empfangsqualitätskennzeichnenden Größen einen der Kopplungs- faktoren für das Felderzeugungselement des jeweilige Sendemoduls zu ermitteln. Diese Lösung ist besonders geeignet, wenn die geometrische Anordnung der Emp- fangsmodule in Bezug auf die Sendevorrichtung während der Energieübertragung variabel ist. Der Ermittlungsmodus kann dabei vor dem Energieübertragungsmodus verwendet werden, um den elektrischen Wirkungsgrad in dem nachfolgenden Ener- gieübertragungsmodus zu optimieren. Weiterhin kann der Ermitlungsmodus ein o- der mehrfach wiederholt werden, um auf eine Änderung der geometrischen Anord- nung reagieren zu können.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Energieübertragungssystem zum kon- taktlosen Übertragen von elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung oder mit- tels kapazitiver Kopplung von einer Sendevorrichtung des Energieübertragungssys- tems an ein oder mehrere Empfangsmodule des Energieübertragungssystems; wobei die Empfangsmodule jeweils ein Feldempfangselement zum Empfangen des Wechselenergiefeldes aufweisen; wobei die Sendevorrichtung eine Vielzahl von Sendemodulen und eine Steuerein- richtung umfasst; wobei die Sendemodule jeweils ein Felderzeugungselement zum Erzeugen eines Wechselenergiefeldes und eine elektrische Energiequelle zum drahtgebundenen Beaufschlagen des jeweiligen Felderzeugungselementes mit einer elektrischen Wechselgröße umfassen; wobei die Steuereinrichtung in einem Energieübertragungsmodus zum derartigen Ansteuern der elektrischen Energiequellen ausgebildet ist, dass mehrere der Sen- demodule gleichzeitig jeweils eines der Wechselenergiefelder erzeugen, wobei in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen in Abhängigkeit von einer Kopplungsmatrix gesteuert sind, wobei die Kopplungsmatrix für mehrere oder für alle der Felderzeugungselemente Kopplungsfaktoren zu mehreren oder zu allen der Feldempfangselemente umfasst.

Es ergeben sich die oben genannten Vorteile.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung in einem Ermittlungsmodus zur Ermittlung der Kopplungsfaktoren ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung im Ermittlungsmodus zur sequentiellen Durchführung von Er- mittlungssequenzen für mehrere oder für alle der Sendemodule ausgebildet ist, wo- bei bei jeder der Ermittlungssequenzen durch die Steuereinrichtung ausschließlich die elektrische Energiequelle des jeweiligen Sendemoduls angesteuert ist, wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen alle oder mehrere der Feldempfangselemente eine empfangsqualitätskennzeichnende Größe an die Steuereinrichtung überträgt und wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen die Steuereinrichtung aus jeder der emp- fangsqualitätskennzeichnenden Größen einen der Kopplungsfaktoren für das Fel- derzeugungselement des jeweiligen Sendemoduls ermittelt.

Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens eines der Empfangsmodule einen einstellbaren Lastwiderstand auf, wobei das jeweilige Emp- fangsmodul zur Einstellung des jeweiligen Lastwiderstandes in Abhängigkeit von der Kopplungsmatrix ausgebildet ist.

Auf diese Weise kann der elektrische Wirkungsgrad weiter verbessert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Energieübertra- gungssystem mehrere Empfangsmodule auf, wobei wenigstens eines der Emp- fangsmodule ein parallel zum Feldempfangselement geschaltetes einstellbares Kompensationselement aufweist, wobei das jeweilige Empfangsmodul zur Einstel- lung des jeweiligen Kompensationselements in Abhängigkeit von einer Kreuzkopp- lungsmatrix ausgebildet ist, wobei die Kreuzkopplungsmatrix für mehrere oder für alle der Feldempfangselemente Kreuzkopplungsfaktoren zu mehreren oder zu allen der anderen Feldempfangselemente umfasst.

Bei den Kompensationselementen kann es sich um Spulen oder Kapazitäten han- deln. Auf diese Weise kann der elektrische Wirkungsgrad weiter verbessert werden, da so Kreuzstreuimpedanzen kompensiert werden können.

Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile anhand von Fi- guren näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energie- übertragungssystems zum kontaktlosen Übertragen von elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung oder mittels kapazitiver Kopplung in einer schematischen Darstellung, welches eine beispielhafte erfin- dungsgemäße Sendevorrichtung umfasst;

Figur 2 ein allgemeines beispielhaftes Ersatzschaltbild eines erfindungsge- mäßen Energieübertragungssystems;

Figur 3 ein weiteres allgemeines beispielhaftes Ersatzschaltbild eines erfin- dungsgemäßen Energieübertragungssystems;

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energie- übertragungssystems in einer vereinfachten Teildarstellung;

Figur 5 eine beispielhafte Darstellung der Imaginäranteile der Streuimpedan- zen des zweiten Ausführungsbeispiels; und Figur 6 eine beispielhafte Darstellung der durch die Steuereinrichtung der Sendevorrichtung eingestellten Ströme und Spannungen der Welt Er- zeugungselemente des zweiten Ausführungsbeispiels.

Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen verse- hen.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sendevorrichtung 1 zum kontakt- losen Übertragen von elektrischer Energie EE mittels induktiver Kopplung oder mit- tels kapazitiver Kopplung an ein oder mehrere Empfangsmodule 2, welche jeweils ein Feldempfangselement 3 zum Empfangen von elektrischer Energie EE aufwei- sen, wobei die Sendevorrichtung 1 folgende Merkmale umfasst: eine Vielzahl von Sendemodulen 4, welche jeweils ein Felderzeugungselement 5 zum Erzeugen eines Wechselenergiefeldes WE und eine elektrische Energiequelle 6 zum drahtgebundenen Beaufschlagen des jeweiligen Felderzeugungselementes 5 mit einer elektrischen Wechselgröße WG umfassen; und eine Steuereinrichtung 7, welche in einem Energieübertragungsmodus zum derarti- gen Ansteuern der elektrischen Energiequellen 5 ausgebildet ist, dass mehrere der Sendemodule 4 gleichzeitig jeweils eines der Wechselenergiefelder WE erzeugen, wobei in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen WG in Abhängigkeit von einer Kopplungsmatrix KM gesteuert sind, wobei die Kopplungs- matrix KM für mehrere oder für alle der Felderzeugungselemente 5 Kopplungsfakto- ren KF zu mehreren oder zu allen der Feldempfangselemente 3 umfasst.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 7 zum derartigen Ansteuern der elektrischen Energiequellen 5 ausgebildet ist, dass in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen WG in Abhängig- keit von einer Singulärwertzerlegung einer von einer Kopplungsmatrix KM abhängi- gen Matrix gesteuert sind ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 7 für jedes der Sendemodule 4 zur Steuerung einer Amplitude der jeweiligen elektri- schen Wechselgröße WG ausgebildet. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist wobei die Steuereinrich- tung 7 für jedes der Sendemodule 4 zur Steuerung einer Phase der jeweiligen elektrischen Wechselgröße ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Felderzeugungsele- mente 5 Spulen, welche jeweils das jeweilige Wechselenergiefeld WE in Form eines magnetischen Wechselfeldes erzeugen.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Felderzeugungsele- mente 5 Kapazitäten, welche jeweils das jeweilige Wechselenergiefeld 5 in Form ei- nes elektrischen Wechselfeldes erzeugen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in dem Energieübertra- gungsmodus die elektrischen Wechselgrößen WG die von der Kopplungsmatrix KM abhängige Matrix abhängig von einer Kreuzkopplungsmatrix KKM, wobei die Kreuz- kopplungsmatrix KKM für mehrere oder für alle der Feldempfangselemente 3 Kreuz- kopplungsfaktoren KKF zu mehreren oder zu allen der anderen Feldempfangsele- mente 3 umfasst.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Kopplungsfaktoren KF in der Steuereinrichtung 7 hinterlegt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 7 in einem Ermittlungsmodus zur Ermittlung wenigstens eines Teils der Kopplungsfakto- ren KF ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung 7 im Ermittlungsmodus zur sequen- tiellen Durchführung von Ermittlungssequenzen für mehrere oder für alle der Sende- module 4 ausgebildet ist, wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen durch die Steu- ereinrichtung 7 ausschließlich die elektrische Energiequelle 6 des jeweiligen Sende- moduls 4 angesteuert ist und durch die Steuereinrichtung 7 von mehreren oder von allen der Feldempfangselemente 3 eine empfangsqualitätskennzeichnende Größe empfangen ist, um aus jeder der empfangsqualitätskennzeichnenden Größen einen der Kopplungsfaktoren KF für das Felderzeugungselement 5 des jeweilige Sende- moduls 4 zu ermitteln. Figur 1 zeigt weiterhin ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energieübertragungs- systems 8 zum kontaktlosen Übertragen von elektrischer Energie EE mittels indukti- ver Kopplung oder mittels kapazitiver Kopplung von einer Sendevorrichtung 1 des Energieübertragungssystems 8 an ein oder mehrere Empfangsmodule 2 des Ener- gieübertragungssystems 8; wobei die Empfangsmodule 2 jeweils ein Feldempfangselement 3 zum Empfangen von elektrischer Energie EE aufweisen; wobei die Sendevorrichtung 1 eine Vielzahl von Sendemodulen 4 und eine Steuer- einrichtung 7 umfasst; wobei die Sendemodule 4 jeweils ein Felderzeugungselement 5 zum Erzeugen ei- nes Wechselenergiefeldes WE und eine elektrische Energiequelle 6 zum drahtge- bundenen Beaufschlagen des jeweiligen Felderzeugungselementes 5 mit einer elektrischen Wechselgröße WG umfassen; wobei die Steuereinrichtung 7 in einem Energieübertragungsmodus zum derartigen Ansteuern der elektrischen Energiequellen 6 ausgebildet ist, dass mehrere der Sen- demodule 4 gleichzeitig jeweils eines der Wechselenergiefelder WE erzeugen, wo- bei in dem Energieübertragungsmodus die elektrischen Wechselgrößen WG in Ab- hängigkeit von einer Kopplungsmatrix KM gesteuert sind, wobei die Kopplungs- matrix KM für mehrere oder für alle der Felderzeugungselemente 5 Kopplungsfakto- ren KF zu mehreren oder zu allen der Feldempfangselemente 3 umfasst.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 7 in einem Ermittlungsmodus zur Ermittlung der Kopplungsfaktoren KF ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung 7 im Ermitlungsmodus zur sequentiellen Durchführung von Ermittlungssequenzen für mehrere oder für alle der Sendemodule 4 ausgebildet ist, wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen durch die Steuereinrichtung 7 aus- schließlich die elektrische Energiequelle 5 des jeweiligen Sendemoduls 4 angesteu- ert ist, wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen mehrere oder alle der Feldemp- fangselemente 3 eine empfangsqualitätskennzeichnende Größe an die Steuerein- richtung 7 übertragen und wobei bei jeder der Ermittlungssequenzen die Steuerein- richtung 7 aus allen oder mehreren der empfangsqualitätskennzeichnenden Größen einen der Kopplungsfaktoren KF für das Felderzeugungselement 5 des jeweiligen Sendemoduls 4 ermitelt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens eines der Empfangsmodule 2 einen einstellbaren Lastwiderstand 9 auf, wobei das jeweilige Empfangsmodul 2 zur Einstellung des jeweiligen Lastwiderstandes 9 in Abhängig- keit von der Kopplungsmatrix KM ausgebildet ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist das Energieübertra- gungssystem 8 mehrere Empfangsmodule 2 auf, wobei wenigstens ein1s der Emp- fangsmodule 2 ein parallel zum Feldempfangselement 3 geschaltetes einstellbares Kompensationselement aufweist, wobei das jeweilige Empfangsmodul 2 zur Einstel- lung des jeweiligen Kompensationselements in Abhängigkeit von einer Kreuzkopp- lungsmatrix KKM ausgebildet ist, wobei die Kreuzkopplungsmatrix KKM für mehrere oder alle der Feldempfangselemente 3 Kreuzkopplungsfaktoren KKF zu mehreren oder allen der anderen Feldempfangselemente 3 umfasst.

Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Energieübertragungssystem 8 die Sen- devorrichtung 1, welche ihrerseits drei Sendemodule 4.1 , 4.2 und 4.3 umfasst. Das Sendemodul 4.1 umfasst das Felderzeugungselement 5.1 sowie die Energiequelle 6.1 und erzeugt das Wechselenergiefeld WE1. Das Sendemodul 4.2 umfasst das Felderzeugungselement 5.2 sowie die Energiequelle 6.2 und erzeugt das Wech- selenergiefeld WE2. Weiterhin umfasst das Sendemodul 4.3 das Felderzeugungs- element 5.3 sowie die Energiequelle 6.3 und erzeugt das Wechselenergiefeld WE3.

Dabei umfasst das Energieübertragungssystem 8 drei Empfangsmodule 2.1 , 2.2, und 2.3. Das Empfangsmodul 2.1 umfasst ein Feldempfangselement 3.1 und einen Lastwiderstand 9.1. Das Empfangsmodul 2.2 umfasst ein Feldempfangselement 3.2 und einen Lastwiderstand 9.2. Weiterhin umfasst das Empfangsmodul 2.3 ein Feld- empfangselement 3.3 und einen Lastwiderstand 9.3.

Jedes der Wechselenergiefelder WE1 , WE2 und WE3 überträgt dabei simultan elektrische Energie EE an jedes der Feldempfangselemente 3.1 , 3.2 und 3.3. Das Feldempfangselement 3.1 überträgt den empfangenen Teil der elektrischen Energie EE an den Lastwiderstand 9.1. Das Feldempfangselement 3.2 überträgt den emp- fangenen Teil der elektrischen Energie EE an den Lastwiderstand 9.2. Weiterhin überträgt das Feldempfangselement 3.3 den empfangenen Teil der elektrischen Energie EE an den Lastwiderstand 9.3.

Figur 2 zeigt ein allgemeines beispielhaftes Ersatzschaltbild eines erfindungsgemä- ßen Energieübertragungssystems 8. Gezeigt ist eine drahtlose Energieübertragung mit einer Sendevorrichtung 1 mit mehreren Sendemodulen 4.1 bis 4.n, welche je- weils ein als Sendespule ausgebildetes Felderzeugungselement 5.1 bis 5 aufweisen und mit einem oder mehreren Empfangsvorrichtungen mit jeweils einer oder mehre- ren Empfangsmodulen 2.1 bis 2.m, welche jeweils ein als Empfangsspule ausgebil- detes Feldempfangselement kann 3.1 bis 3,m aufweisen.

In den folgenden Betrachtungen werden monofrequente Signale betrachtet, die eine Phasenbeziehung zu einem festen Referenzsignal besitzen. Aus Gründen der Dar- stellung werden die Signale als komplexe Amplituden betrachtet. Alle Betrachtungen dienen der Maximierung der Effizienz der Energieübertragung.

Es wird lediglich die elektrische Effizienz betrachtet. Diese ist gleich dem Quotienten aus der in das System eingespeisten Energie und der dem System entnommenen Energie.

In den folgenden Betrachtungen wird die drahtlose Energieübertragung über Spulen betrachtet. Die gleichen Formeln gelten aber auch analog für die kapazitive Energie- übertragung. Die Energieübertragung wird resonant betrieben, dies dient in erster Linie der Energieübertragung über größere Distanzen. Jedoch ist dies nicht zwin- gend erforderlich für die Betrachtungen.

Aufgrund der Betrachtung von Spulen wird die Streuinduktivität M zwischen diesen betrachtet. Dabei ist M_{i,j} die Streuinduktivität zwischen Spule / und Spule j. M_{i,i} ist dabei die Selbstinduktivität der Spule i. Die Selbstinduktivität wird aber, sofern nicht anders erwähnt als kompensiert betrachtet.

Nichtsdestotrotz hat die Selbstinduktivität der Sendespulen keinen Einfluss auf die Effizienz des Energieübertragungssystems 8. Der Einfluss besteht lediglich auf die benötigte Blindleistung, welche aber keinen Einfluss auf den Spulen Wirkungsgrad oder auf den optimal gewählten Strom, besitzt. Für die kompakte Darstellung der Rechnungen wird die Selbstinduktivität daher als null angenommen.

Die Ströme werden mit / bezeichnet. Der Index gibt an welcher Strom betrachtet wird. Das Gleiche gilt auch für die Spannungen und Ohm’schen Verluste R in den Spulen.

Der Index r wird abkürzend für den Empfänger (eng. receiver) verwendet. Der Index t wird abkürzend für den Sender (eng. transmitter) verwendet.

Als Senke der Energieübertragung wird in dem System empfangsseitig R_L als Lastwiderstand 9 verwendet. Dieser steht stellvertretend für den Verbraucher in dem System.

Das Energieübertragungssystem 8 umfasst eine Sendevorrichtung 1 , welche n-Sen- demodule 4.1 bis 4.n umfasst. Darüber hinaus umfasst das Energieübertragungs- system 8 m-Empfangsmodule 2.1 bis 2.m.

Das Sendemodul 4.1 umfasst ein Felderzeugungselement 5.1, welches hier als Spule mit dem Wert L _t1 ausgebildet ist, eine Energiequelle 6.1, welche als Span- nungsquelle oder als Stromquelle ausgebildet sein kann, einen Verlustwiderstand 10.1 mit dem Wert R _t1 und eine Senderkapazität 11.1 mit dem Wert C _t1 . Dabei liegt an der Energiequelle 6.1 die Spannung U ₁ an und es fließt der Strom i ₁ . Das Sende- modul 4.n umfasst ein Felderzeugungselement 5.n, welches hier als Spule mit dem Wert L _tn ausgebildet ist, eine Energiequelle 6.n, welche als Spannungsquelle oder als Stromquelle ausgebildet sein kann, einen Verlustwiderstand 10.n mit dem Wert R _tn und eine Senderkapazität 11.n mit dem Wert Cm. Dabei liegt an der Energie- quelle 6.n die Spannung U _n an und es fließt der Strom i _n .

Das Empfangsmodul 2.1 umfasst ein Feldempfangselement 3.1 , welches hier als Spule mit dem Wert L _r1 ausgebildet ist, einen Lastwiderstand 11.1 mit dem Wert R _L1 , einen Verlustwiderstand 12.1 mit dem Wert R _r1 und eine Empfängerkapazität 13.1 mit dem Wert Cn. Dabei liegt an dem Lastwiderstand 9.1 die Spannung Un an und es fließt der Strom in. Das Empfangsmodul 2.m umfasst ein Feldempfangselement 3.m, welches hier als Spule mit dem Wert L _rm ausgebildet ist, einen Lastwiderstand 11.m mit dem Wert R _Lm , einen Verlustwiderstand 12.m mit dem Wert R _rm und eine Empfängerkapazität 13,m mit dem Wert C _rm . Dabei liegt an dem Lastwiderstand 9.m die Spannung U _rm an und es fließt der Strom i _rm .

M _r1.1 ist der Kopplungsfaktor KF.1.1 zwischen dem Sendemodul 4.1 und dem Emp- fangsmodul 2.1, M _rm.1 ist der Kopplungsfaktor KF.m.1 zwischen dem Sendemodul

4.1 und dem Empfangsmodul 2.m, M _r1.n ist der Kopplungsfaktor KF.I .n zwischen dem Sendemodul 4.n und dem Empfangsmodul 2.1 und M _rm.n ist der Kopplungsfak- tor KF.m.n zwischen dem Sendemodul 4.n und dem Empfangsmodul 2,m,

M _r1.m ist der Kreuzkopplungsfaktor KKF.I .m zwischen dem Empfangsmodul 2.1 und dem Empfangsmodul 2.m.

Figur 3 zeigt ein weiteres allgemeines beispielhaftes Ersatzschaltbild eines erfin- dungsgemäßen Energieübertragungssystems. Zur kompakten Darstellung werden mehrdimensionale Größen verwendet. So werden die Kopplungsfaktoren KF von den Sendemodulen 4.1 bis 4,n zu den Empfangsmodulen 2.1 bis 2.m zu M _t,r , zu- sammengefasst, was die Kopplungsmatrix KM ergibt. Die Werte der Kreuzkopp- lungsfaktoren zwischen den Empfangsmodulen 2.1 bis 2.m sind zu M _r zusammen- gefasst, was die Kreuzkopplungsmatrix KKM ergibt.

Die Werte der Felderzeugungselemente 5.1 bis 5.n sind zu dem Vektor Lt zusam- mengefasst. Die Werte der Verlustwiderstände 10.1 bis 10.n der Sendemodule 4.1 bis 4.n sind zum Vektor R _t zusammengefasst. Die Werte der Senderkapazitäten

11.1 bis 11.n sind zum Vektor C _t zusammengefasst. Die Werte der Spannungen und Ströme an den Energiequellen 6.1 bis 6,m sind zu den Vektoren U _t und I _t zu- sammengefasst.

Die Werte der Feldempfangselemente 3.1 bis 3.m sind zu dem Vektor L _r zusam- mengefasst. Die Werte der Lastwiderstände 9.1 bis 9.m der Empfangsmodule 2.1 bis 2,m sind zum Vektor R _r zusammengefasst. Die Werte der Verlustwiderstände

12.1 bis 12. m der Empfangsmodule 2.1 bis 2.m sind zum Vektor R _L zusammenge- fasst. Die Werte der Empfängerkapazitäten 13.1 bis 13.m sind zum Vektor C _r zu- sammengefasst. Die Werte der empfängerseitigen Spannungen und Ströme sind zu den Vektoren U _r und l _r zusammengefasst.

Es ergeben sich folgende Strom-Spannungsbeziehungen:

Der Wert PTE des Wirkungsgrads, welcher maximiert wird, ist folgender:

Die Singulärwertzerlegung kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: wobei die rechte Seite die von der Kopplungsmatrix KM abhängige Matrix ist, wobei U eine unitäre Matrix ist, wobei A eine reelle Diagonalmatrix ist und wobei V ^H eine Adjungierte einer unitären Matrix ist. Sofern die Kreuzkopplungsfaktoren KKF ver- nachlässigbar klein sind, kann der Term - jωM _r.r auch weggelassen werden.

Die optimale Verteilung der Ströme für die Sendemodule 4,1 bis 4,n ergeben sich durch folgende Beziehung: wobei u ₁ der erste Spaltenvektor der Matrix U ist. Die Werte der Ströme lassen sich dann aus der geforderten Leistung berechnen.

Falls die Sendemodule 4.1 bis 4.n baugleich sind, bzw. dieselben elektrischen Ei- genschaften aufweisen und lediglich ein Empfangsmodul 2 vorgesehen ist, verein- facht sich die Bestimmung der optimalen Stromverteilung. Die Stromverteilung ist dann proportional zu den Werten der dann eindimensionalen Kopplungsmatrix KM, wobei gilt: Die optimale Spannungsverteilung für die Sendemodule 4.1 bis 4.n kann aus der optimalen Stromverteilung errechnet werden:

Der optimale Lastwiderstand 9.1 bis 9.m für Empfangsmodule 2 ergibt sich nach fol- gender Formel:

Hierbei wurde aber angenommen, dass die Feldempfangselemente 3.1 bis 3.m eine Vernachlässigbare Kreuzstreuimpedanz zueinander haben. Diese Einschränkung kann fallengelassen werden, wenn ein weiteres Kompensationselement mit einer Impedanz mit Wert X verwendet wird. Diese können jeweils in Reihe zu einem der Feldempfangselemente 3.1 bis 3.m geschaltet werden. Die Werte X können für den den k-ten Empfänger aller m Empfänger wie folgt berechnet werden: wobei / _ri für den Strom im i-ten Empfangsmodul 2 bis 2.m steht, welcher fließt, wenn keine Kreuzstreuimpedanzen zwischen den Feldempfangselementen 3.1 bis 3.m existieren.

Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energie- übertragungssystems 8 in einer vereinfachten Teildarstellung. Dargestellt sind drei- zehn 5.1 bis 5.13, welche jeweils als Spulen ausgebildet sind. Weiterhin dargestellt ist ein Feldempfangselement 3, welches ebenfalls als Spule ausgebildet ist.

Figur 5 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Imaginäranteile der Streuimpedan- zen des zweiten Ausführungsbeispiels, welche mittels einer Simulation ermitelt wur- den. Im Beispiel soll eine Wirkleistung von 10 W bei einer Spannung von 10 V und einem Strom von 1 A übertragen werden. In der Spalte „TX“ sind die Bezeichnungen der Felderzeugungselemente 5.1 bis 5.13 sowie des Feldempfangselement 3 ange- geben. In der Spalte „omegaM“ sind die jeweils zugehörigen Imaginäranteile der Streuimpedanzen dargestellt. In der Spalte „U_{RX]/{I_TX}“ der berechnete Realteil und der berechnete Imaginäranteil des Verhältnisses der Spannung am Lastwider- stand 9 des Empfangsmoduls 2 und der Ströme in den Sendemodulen 4.1 bis 5.13 der Sendevorrichtung 1.

Figur 6 zeigt eine beispielhafte Darstellung der durch die Steuereinrichtung 7 der Sendevorrichtung 1 eingestellten Ströme und Spannungen des zweiten Ausfüh- rungsbeispiels, welche mittels einer Simulation ermittelt wurden. In der Spalte „Name“ sind die Bezeichnungen der Felderzeugungselemente 5.1 bis 5.13 sowie des Feldempfangselement 3 angegeben. In den Spalten „X“, „Y“ und „Z“ sind die Positionen der Felderzeugungselemente 5.1 bis 5.13 sowie des Feldempfangsele- ment 3 angegeben. Weiterhin sind in der Spalte „R“ die Verlustwiderstände 10.1 bis 10.13 der Felderzeugungselemente 5.1 bis 5.13 sowie der Verlustwiderstand 12 des Feldempfangselement 3 dargestellt. In der Spalte „RI“ ist der Lastwiderstand 9 des Empfangsmoduls 2 dargestellt. Weiterhin ist in der Spalte „Rl_opt" der optimale Lastwiderstand 9 des Empfangsmodul 2 dargestellt. In den Spalten „P“, „U“ und “I“ sind schließlich die Leistung, die Spannung und der Strom in den Modulen 2 und 4.1 bis 4.13 dargestellt. Es ergibt sich ein sehr hoher elektrischer Wirkungsgrad von 0,9.

In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Ver- ständnis der Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorlie- gende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale um- gesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen füh- ren würde.

Aspekte der Erfindung, welche im Zusammenhang mit einer Sendevorrichtung be- schrieben sind, betreffen auch das korrespondierende Energieübertragungssystem. Umgekehrt betreffen auch solche Aspekte der Erfindung, welche im Zusammen- hang mit dem Energieübertragungssystem beschrieben sind, auch die korrespon- dierende Sendevorrichtung. Bezugszeichen:

1 Sendevorrichtung

2 Empfangsmodul

3 Feldempfangselement

4 Sendemodul

5 Felderzeugungselement

6 Energiequelle

7 Steuereinrichtung

8 Energieübertragungssystem

9 Lastwiderstand

10 Verlustwiderstand

11 Senderkapazität

12 Verlustwiderstand

13 Empfängerkapazität

EE elektrische Energie

WE Wechselenergiefeld

WG elektrische Wechselgröße

KF Kopplungsfaktor

KM Kopplungsmatrix

KKF Kreuzkopplungsfaktor

KKM Kopplungsmatrix

Referenzen:

[1] DE102016221225A1

[2] DE102018219460A1

[3] US9013068B2

[4] EP2346136A1

[5] KR101916636B1

[6] WO2017171435A1

[7] CN104485507A

[8] KR102029919B1

[9] US10425837B2 [10] US000010230271 B2

[11] KR101932383B1

[12] EP3054559A1

[13] DOI: 10.1109/TII.2016.2516906 [14] DOI: 10.1109/TMTT.2015.2398422

[15] DOI: 10.1109/WPT.2014.6839600

[16] DOI: 10.1109/ICASSP.2016.7472415

[17] https://www.comm.utoronto.ca/~rsadve/Notes/BeamForming.pdf