System zur berührungslosen Energieübertragung und Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems.

Aus der DE 100 53 373 und insbesondere der Figur 1 sowie den dort zitierten Schriften ist ein System zur Berührungslosen Energieübertragung bekannt. Solche System weisen eine Einspeisung auf, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einprägt. Mobile Verbraucher sind entlang dem Primärleiter bewegbar und weisen eine an den Primärleiter induktiv gekoppelte Sekundärspule auf, mittels welcher Energie abnehmbar ist. Bei industriellem Einsatz treten hohe Ströme auf, für die dann der Primärleiter mit entsprechend großem Querschnitt auszulegen ist, was allerdings zu hohen Kosten führt. Darüber hinaus treten hohe Ohmsche Verluste auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Umweltschutz zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist und

eine Einspeisung umfasst, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einprägt, an welchen mindestens eine Sekundärspule zur Versorgung eines Verbrauchers induktiv gekoppelt ist,

wobei die Einspeisung derart ausgeführt ist, dass eine Pulsweite und/oder der Amplitudenverlauf des Wechselstroms vorgebbar, steuerbar oder regelbar ist.

Von Vorteil ist dabei, dass der Umweltschutz erhöht ist und die Kosten erniedrigt sind, weil die Ohmschen Verluste verringert werden und somit die elektrische Energie besser ausgenutzt wird. Darüber hinaus ist ein gepulstes Betreiben vorteilig, weil dauerhaftes Auftreten von Lichtbögen vermieden werden. Wenn nämlich ein Bauteil oder eine elektrische Verbindung im Fehler- oder Versagensfall aufgetrennt wird, entsteht ein Lichtbogen, der dauerhaft bestehen bleiben kann, solange der Strom vorhanden ist. Dadurch, dass jedoch eine Pulsweite vorhanden ist, also kein dauerhafter versorgender Strom vorhanden ist, wird der Lichtbogen kurzzeitig nicht versorgt. Beispielsweise wirkt die Unterbrechung für ein paar ms, vorzugsweise mehr als 4 ms. Bei Wiedereinschalten der Stromversorgung, also Erzeugen des nächsten Strom-Pulses im Primärleiter kann der Lichtbogen nicht mehr zünden, weil der Abstand bei der aufgetrennten Stelle zu groß für die vorhandenen Spannungen ist. Somit ist mit der gepulsten Betriebsweise auch zusätzlich die Sicherheit der Anlage erhöht.

Der gesamte Energieverbrauch der Verbraucher ist vorteiligerweise durch die induktive übertragung vom Primärleiter aus übermittelbar. Information ist separat übertragbar oder durch Aufmodulation höher frequenter Stromanteile auf den Primärleiter. Dabei findet die Informationsübertragung je nach Bedarf auch dann statt, wenn der Primärstrom verschwindet. Bei vorteilhafter Ausgestaltung ist die Informationsübertragung in Zeitbereichen, in welchen der Primärstrom nicht verschwindet, zusätzlich synchronisiert auf den Nulldurchgang des Primärstromes.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Primärleiter langgestreckt vorgesehen, insbesondere wobei der Verbraucher entlang dem Primärleiter bewegbar angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass schienengebundene oder mit einer Spurführungsantenne ausgestattete Fahrzeuge berührungslos versorgbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Primärleiter derart vorgesehen, dass der Verbraucher relativ zum Primärleiter drehbar angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass Drehtische oder andere Drehachsen bei Anlagen oder Maschinen, wie beispielsweise Roboter oder Werkzeugmaschinen, versorgbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Mittelfrequenz zwischen 9 und 100 kHz. Von Vorteil ist dabei, dass zum Schalten der Primärleiter-Starkströme elektronische

Leistungshalbleiter, wie IGBT oder MOSFET, verwendbar sind bei geringen Verlusten. Somit ist ein hoher Wirkungsgrad errecihbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pulsweite, Pulsweitendauer und/oder die charakteristische Zeit bei der Amplitudenmodulation, wie Amplitudenmodulationsperiodendauer, größer als die Periodendauer des mittelfrequenten Stromes, insbesondere zehnmal größer oder mehr. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei großer Streckeninduktivität eine Anpassung der im Mittel zur Verfügung stehenden Primärstrommenge an den Bedarf der induktiv versorgten Verbraucher ermöglicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Pulsweitenverhältnis auf Energiepuffer und Leistungsverbrauch der Verbraucher abgestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass weniger Strom fließt als der maximal mögliche und somit die Ohmschen Verluste geringer sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Verbraucher mit den ihnen zugeordneten Sekundärspulen entlang des Primärleiters bewegbar angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine berührungslose Versorgung bei bewegbaren Verbrauchern vorsehbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Primärleiter oder Abschnitten des Primärleiters jeweils ein Streckencontroller zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass jeder Streckenabschnitt genau steuerbar, regelbar und/oder kontrollierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zum Datenaustausch von der Einspeisung, vom Streckencontroller und/oder dem Verbraucher oder den Verbrauchern umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass Daten an die Einspeisung übermittelbar und dann von dieser berücksichtig bar sind. Der Strom im Primärleiter kann dadurch angepasst werden an den wirklichen Bedarf.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pulsweite, das Pulsweitenverhältnis und/oder der Amplitudenverlauf von der Einspeisung in Abhängigkeit von Daten, wie Anzahl der

Verbraucher in einem Streckenabschnitt, Energiemenge im Energiepuffer des Verbrauchers, jeweiliger Leistungsbedarf des Verbrauchers, vorgebbar. Von Vorteil ist dabei, dass es ermöglicht ist, möglichst wenig Strom im Primärleiter einzuspeisen. Auf diese Weise sind die Ohmschen Verluste auf ein Minimum begrenzbar.

Verfahren zum Betreiben eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass von einer Einspeisung mittelfrequenter Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter eingeprägt wird, an welchen mindestens eine Sekundärspule zur Versorgung mindestens eines Verbrauchers induktiv gekoppelt ist, wobei der Strom derart eingespeist wird, dass die Ohmschen Verluste möglichst klein werden oder minimal sind. Somit ist der Wirkungsgrad des Systems verbessert und es sind Kabel mit kleinerem Querschnitt als Primärleiter verwendbar.

Insbesondere wird bei Einspeisen des Stromes Pulsweite, Pulsweitenverhältnis und/oder der Amplitudenverlauf vorgegeben, gesteuert oder geregelt wird. Dabei sind vorteiligerweise Informationen, wie Anzahl der Verbraucher in einem Streckenabschnitt, Energiemenge im Energiepuffer des Verbrauchers und/oder jeweiliger Leistungsbedarf des Verbrauchers berücksichtigbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Leistungsbedarf und/oder der zeitliche Verlauf des Leistungsbedarfs eines Verbrauchers vorausbestimmt wird, insbesondere bevor er auftritt. Vorteiligerweise ist somit ein kritischer Wert überschreitbar, da der Stromverlauf bestimmbar ist und somit auch die genaue thermische Belastung des Primärleiters und weiterer Komponenten. Die maximal zulässige Temperatur ist somit stets berücksichtigbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein derartiger zeitlicher Verlauf des Stromes im Primärleiter vorgesehen, dass ein kritischer Wert des Stromes für einen Zeitabschnitt überschritten wird, wobei der kritische Wert der für den Primärleiter maximal zulässige Stromwert bei konstantem dauerhaftem Stromwert im Primärleiter ist und der Zeitabschnitt derart kurz ist, dass vom Verlauf des Stromes in diesem Zeitabschnitt keine Zerstörung des Primärleiters zu erwarten ist. Vorteiligerweise ist der kritische Stromwert dann erreicht, wenn dauerhaft ein konstanter Stromwert, insbesondere Effektiv-Wechselstromwert, anliegt. Wesentlich ist hierbei die entstehende Temperatur. Beim kritischen Wert ist eine kritische Temperatur erreicht, die bei überschreitung zur Zerstörung des Primärleiters führen würde. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

ϊ Spitzenwert T Periodendauer T_E Einschaltdauer T_A Ausschaltdauer T_P Periodendauer für die Pulsweitenmodulation

1 Verlauf eines Drehmomentes M 2 Verlauf der elektrischen Leistung P

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung gezeigt: Der Strom im langgestreckten Linienleiter verläuft zwar sinusförmig. Jedoch ist er zeitweise abgeschaltet. Durch eine solche Pulsweitenmodulation ist eine Verringerung der Leistung der Einspeisung ermöglicht.

Die Steuerung oder Regelung der Pulsweite ergibt insgesamt als Vorteil, dass über die Standzeit oder Betriebszeit der Anlage gesehen kleiner Ströme auftreten und somit geringere Ohmsche Verluste auftreten.

In Figur 1a ist ein beispielhafter Verlauf des Stromes im Primärleiter gezeigt. Das Pulsweitenverhältnis entspricht dem Verhältnis der Einschaltdauer T_E zur Zeitdauer des ausgeschalteten Zustandes T_A.

Die Periodendauer für die Pulsweitenmodulation beträgt T_P. Diese ist sehr viel größer als die Periodendauer T des mittelfrequenten Stromes. Letztgenannte entspricht einer Frequenz von etwa 20 bis 25 kHz. Es sind aber auch Frequenzen bis 5OkHz oder gar 10OkHz verwendbar.

In Figur 1 b ist der Verlauf des Spitzenwertes ϊ des Stromes gezeigt. Bei dem gezeigten Pulsweitenverhältnis werden nur etwa 2/3 der maximal möglichen Leistung an die induktiv gekoppelten Verbraucher übertragen. Entsprechend werden aber auch die Ohmschen Verluste geringer.

Die Verbraucher umfassen eine von der Sekundärspule gespeisten Energiepuffer, wie beispielsweise ein dem Gleichrichter nachgeschalteter Glättungskondensator oder ein der Sekundärspule parallel geschalteter Kondensator, dessen Kapazität derart bemessen ist, dass mit der Sekundärspule ein Schwingkreis gebildet ist, dessen Resonanzfrequenz der Frequenz des Stromes im Primärleiter entspricht. Auch weitere oder andere Energiepuffer sind verwendbar. Die Energiekapazität des oder der Energiepuffer wird durch die Erfindung ausgenutzt. Denn während der Zeitdauer T_A versorgt der Energiepuffer den Verbraucher. Während der Zeitdauer T_E versorgt die Einspeisung den Verbraucher und füllt den Energiepuffer zusätzlich auf.

In Figur 1b ist ein anderer beispielhafter Verlauf des Spitzenwertes ϊ des Stromes im Primärleiter gezeigt. Es ist also während der Zeitdauer T_E ein Zeitverlauf des Stromspitzenwertes vorgebbar. Im Beispiel steigt der Spitzenwert zunächst an vom Wert M aus und erreicht dann ein Maximum ϊ_2, das konstant bleibt, bis der Strom abgeschaltet wird.

Es gibt für die Erfindung mehrere Varianten der Erfindung:

Eine erste bezieht sich darauf, dass die Einspeiseschaltung Mittel zur Strom- und/oder Spannungserfassung umfasst, deren Messwerte zur Bestimmung eines Leistungssollwertes verwendet werden.

Steigt beispielsweise bei den Verbrauchern der Leistungsbedarf an, wird dies an der Veränderung der Strom messwerte und/oder Spannungsmesswerte erkennbar und ein gegensteuern durch Erhöhen des Pulsweitenverhältnisses oder des Spitzenwertes des Primärleiterstromes ausführbar. Das Mittel zur Stromerfassung kann direkt am Primärleiter angebracht sein. Ein Mittel zur Spannungserfassung ist an einem von der Einspeiseschaltung umfassten Gyrator anbringbar. Dabei ist der Gyrator in der der Figur 1 der DE 100 53 373 gezeigt, deren in der Beschreibung offenbarte Merkmale des Systems zur berührungslosen Energieübertragung ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.

In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist der Primärleiter in der gesamten Anlage zumindest einen oder aber auch mehrere Streckenabschnitte auf, denen jeweils ein Streckencontroller zugeordnet ist, der eine elektronische Schaltung umfasst und der zum Datenaustausch mit der Einspeiseschaltung befähigt ist. Somit ist es ermöglicht, die Anzahl der Verbraucher, welche im Streckenabschnitt jeweilig zu versorgen sind sowie weitere Daten, wie beispielsweise deren benötigte Leistung und vorhandene Energiekapazität im Energiepuffer, an die Einspeiseschaltung zu übermitteln. Daraus ist es dann der Einspeiseschaltung ermöglicht, die benötigte Leistung und somit auch das

Pulsweitenmodulationsverhältnis und/oder den Verlauf des Spitzenwertes des Stromes im Primärleiter zu bestimmen und entsprechend einzuprägen.

In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das System sogar Verbraucher auf, die zum Datenaustausch mit der Einspeiseschaltung direkt oder über einen

jeweiligen Streckencontroller verbunden sind. Somit ist es ermöglicht, dass die Verbraucher ihre jeweils momentan benötigte Leistung und/oder ihre im Energiepuffer vorhandenen Energiemenge übermitteln und die Einspeiseschaltung des Primärleiterstrom entsprechend stellt, wobei dann das Pulsweitenmodulationsverhältnis und/oder der Primärleiterstromspitzenwertverlauf abhängt von diesen übermittelten Informationen.

Zur Datenübertragung sind im stationären Bereich Bussysteme des Standes der Technik verwendbar. Zur übertragung der Daten auf oder von bewegbar angeordneten Verbrauchern ist eine übertragung per Funkwellen, Infrarotwellen, anderer elektromagnetischer Wellen, Ultraschallwellen vorteilig. Auch ein längs dem Primärleiter verlegter geschlitzter Koaxialleiter ist verwendbar, wenn das mobile Teil eine entsprechend geeignete Antenne entlang den Schlitzen des Koaxialleiters bewegt. Auch ein Aufmodulieren der Information auf den Primärleiterstrom mit höheren Frequenzen als der Mittelfrequenz ist zur Datenübertragung vorteilig ausführbar.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Sekundärspule mit einem Strom-Spannungswandler verbunden, dessen Ausgang einen Gleichrichter versorgt. Die so erzeugte Gleichspannung ist als Zwischenkreisspannung für einen Umrichter zur Versorgung eines Elektromotors verwendbar. Der Strom-Spannungswandler ist dabei aus passiven elektronischen Bauteilen, wie Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen, aufgebaut. Da die primärseitige Einspeiseschaltung einen mittelfrequenten Strom einprägt, also im Wesentlichen ein Stromquellenverhalten aufweist, ist die vom sekundärseitig angeordneten Gleichrichter zur Verfügung gestellte Gleichspannung konstant. Denn der Ausgang des Gleichrichters ist mit einem Kondensator als Energiespeicher verbunden, der die Gleichspannung puffert. Wenn also nun der Stromspitzenwert ϊ im Primärleiter reduziert werden würde, dann würde die Gleichspannung, also die Zwischenkreisspannung, entsprechend reduziert, beispielsweise auch um den gleichen Faktor wie der Stromspitzenwert 1 im Primärleiter. Da aber bei der vorliegenden Erfindung der Strom im Primärleiter mit vollem Stromspitzenwert ϊ vorgesehen ist, ist auch die gleichgerichtete Spannung immer auf ihrem entsprechenden hohen Wert. Der Energiepuffer ist derart ausgelegt, dass er die Spannung über die Ausschaltdauer T_A hinweg puffert, also nur unwesentlich absinken lässt.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Strom-Spannungswandler für eine höhere Leistung ausgelegt. Er ist also auch bei einem System einsetzbar, wo der

Strom im Primärleiter dauerhaft seinen Spitzenwert aufweist. Derselbe Strom- Spannungswandler ist aber auch in einem System einsetzbar, bei dem ein Pulsweitenmodulationsverhältnis von weniger als 100% vorgesehen ist. Auf diese Weise ist die Variantenvielfalt der Strom-Spannungswandler einschränkbar. Somit sind die Kosten der gesamten System-Baureihe verringerbar.

In Figur 2 ist der beispielhafte zeitliche idealisierte Verlauf 1 eines Drehmomentes M eines Elektromotors gezeigt, der beim Starten eines Fahrzeuges notwendig ist. Der Antrieb, also Verbraucher, umfasst hierbei beispielhaft einen Umrichter zur Versorgung des Elektromotors, der wiederum das Fahrzeug antreibt oder eine Achse einer Maschine. Via

Informationsübertragung wird dem Antrieb, insbesondere also dem Umrichter, bekannt gemacht, dass er ab dem Zeitpunkt t_0 das Fahrzeug starten soll Dabei wird auch bekannt gemacht, dass das Fahrzeug eine vorgebbare Sollgeschwindigkeit erreichen soll. Somit ist der Umrichter in der Lage, ab dem Zeitpunkt t_0 das maximale Drehmoment, also auch die maximal mögliche Beschleunigung vorzugeben. Nach einer vom Umrichter oder von einem Rechner bestimmbaren erste Zeitspanne ist die Sollgeschwindigkeit erreicht und es muss nur ein geringes Drehmoment aufgebracht werden zur überwindung von Roll- und/oder Gleitreibung.

Wie oben schon beschrieben wird die Versorgung des Antriebs berührungslos aus den Primärleitern ausgeführt. Dabei ist in den Primärleitern nur ein kritischer maximaler Dauerstromwert erlaubt. Wird dieser dauerhaft überschritten, erhöht sich das Risiko für Zerstörung von Bauteilen, wie beispielsweise für ein Durchschmelzen der Isolation oder der Kupfer-Leitungsdrähte des Primärleiters.

Bei dem geschilderten Ausführen des Startens des Fahrzeuges wird ein ebenfalls in Figur 2 dargestellter zeitlicher idealisierte Verlauf der elektrischen Leistung P benötigt, welche vom Primärleiter aus an den Antrieb geliefert werden muss.

Bei der Erfindung ist es dem Umrichter ermöglicht, kurzfristig, also während der ersten Zeitspanne ein überschreiten des kritischen Stromwertes wegen stark ansteigendem Leistungsbedarf zuzulassen. Hierzu führt der Umrichter eine Prädiktion des Leistungsbedarfs und somit auch Stromverlaufes im Primärleiter aus und bestimmt die zulässige Zeitspanne des kurzfristigen überschreitens des kritischen Stromwertes.

Der prädiktierte, also vorher schon bestimmte Leistungsbedarf wird an die Einspeisung gemeldet und von dieser dann entsprechend berücksichtigt, also ein entsprechend überhöhter Strom in den Primärleiter eingespeist.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist nur ein Verbraucher vorgesehen. Somit ist der vorher bestimmte Verbrauch genau diesem Verbraucher zuordenbar und die Stromüberschreitung für diesen bestimmt.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind mehrere Verbraucher vorgesehen. Jeder meldet hierbei seinen prädiktierten Strombedarf an die Einspeisung, die dann den insgesamt benötigten Strom einspeist.