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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein System zur kontaktlosen Energieübertragung, die Verwendung eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung und ein Fahrzeug mit einem System zur kontaktlosen Energieübertragung zwischen einem ersten Fahrzeugteil und einem zweiten Fahrzeugteil.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Als Alternative zu einer drahtgebundenen Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und einem elektrischen Verbraucher sind Systeme zur kontaktlosen Energieübertragung für verschiedenste technische Bereiche bekannt, die sowohl in Haushaltsgeräten als auch in Industrieanlagen Anwendung finden. Die Verwendung eines derartigen Systems ist besonders dort vorteilhaft, wo physikalische, drahtgebundene Verbindungen lästig oder unpraktisch sind oder ein Gefährdungspotential mit sich führen.
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Aus
DE 10 2008 024 217 A1 und
US 20090295223 A1 ist ein System zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zwischen zwei Fahrzeugteilen bekannt, welches eine klassische Verkabelung zwischen Passagiersitzen und einer Bordspannungsversorgung und einem Borddatennetzwerk oder dergleichen in einer Fahrzeugkabine ersetzt. Hierfür wird ein Übertrager in Form eines Spulenpaars verwendet, das eine mit einer Spannungsquelle verbindbare Primärwicklung mit einem Primärkern und eine mit einem elektrischen Verbraucher verbindbare Sekundärwicklung mit einem Sekundärkern aufweist. Durch Verwendung einer Modulator-Demodulator-Einrichtung kann ein Datenstrom in eine Wechselspannung umgewandelt werden, die eine deutlich höhere Frequenz als eine an der Primärwicklung anzulegende Primärspannung aufweist. Durch Aufmodulieren dieser hochfrequenteren Spannung als Oberschwingung auf die Primärspannung und das anschließende Demodulieren dieser in die Sekundärwicklung induzierten Oberschwingung kann der Datenstrom in dem Verbraucher wieder bereitgestellt werden. Ein derartiges System erlaubt eine flexible Umkonfigurierbarkeit einer Kabine eines Fahrzeugs, die sich beispielsweise durch ein modulares Sitzkonzept mit an unterschiedlichen Positionen anbringbaren Passagiersitzen äußert oder auch individuell positionierbare sogenannte „Passenger Service Units (PSU)” betrifft, denn sowohl Einrichtungen in den Passagiersitzen als auch die PSUs müssen bei Integration einer Reihe von Primärwicklungen in die Kabine und Sekundärwicklungen an die entsprechenden Verbraucher nicht mehr verkabelt werden und lassen sich schnell und flexible variabel positionieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bereits bekannte drahtlose, induktive Energie- und Datenübertragungssysteme können derart ausgeführt sein, dass der Übertrager mit Primär- und Sekundärwicklung zum Erreichen eines resonanzfähigen Schwingungsverhaltens zusätzlich eine Kapazität aufweist. Eine möglichst optimale Übertragung einer elektrischen Leistung durch den Übertrager kann dann gewährleistet werden, wenn die Primärspannung eine Frequenz aufweist, die mit der Resonanzfrequenz des Übertragers übereinstimmt. Aufgrund von herstellungsbedingten Toleranzen, unterschiedlichen gewählten Systemaufbauten und Alterungseffekten kann die Resonanzfrequenz des Übertragers jedoch nicht für jede Realisierung eines derartigen Systems hinreichend genau eingestellt oder vorbestimmt werden, so dass ein optimaler Arbeitspunkt möglicherweise nur zufällig getroffen wird.
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Es wäre daher zweckmäßig, ein System zur drahtlosen Energieübertragung zu schaffen, welches die genannten Nachteile verringert oder gänzlich eliminiert. Die Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, ein System zur drahtlosen Energieübertragung vorzuschlagen, welches eine besonders hohe Übertragungseffizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweist und hierfür gleichzeitig einen möglichst geringen manuellen Aufwand erfordert.
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Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die nachfolgend vorgeschlagenen Systeme zur kontaktlosen Energieübertragung selbstverständlich auch zur Übertragung von Daten eingerichtet und verwendet werden können. Dies geschieht durch den auch nachfolgend mehrfach erwähnten Einsatz von Modulator-Demodulator-Einrichtungen, die in den vorangehend genannten Dokumenten
DE 10 2008 024 217 A1 und
US 20090295223 A1 ausführlich beschrieben werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur kontaktlosen Energieübertragung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Eine Lösung der Aufgabe weist einen resonanzfähigen Übertrager mit einer Primärwicklung in einem Primärkern, einer Sekundärwicklung in einem mechanisch mit dem Primärkern nicht verbundenen Sekundärkern und mindestens einem Kondensator auf. Durch die Verknüpfung einer Induktivität in Form einer Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung mit einer Kapazität in Form eines Kondensators, entsteht ein Schwingkreis mit einer maßgeblich durch die Induktivität und die Kapazität bestimmten Resonanzfrequenz. Bevorzugt könnte die Primärwicklung mit einem Primärkondensator verbunden sein und die Sekundärwicklung mit einem Sekundärkondensator.
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Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung können mit etwaig zugeordneten Kondensatoren verschiedene Anordnungen bilden. Ein Primärkreis bestehend aus Primärwicklung in Primärkern und Primärkondensator könnte etwa auf einer Reihenschaltung aus Primärwicklung und Primärkondensator basieren, alternativ dazu auch auf einer Parallelschaltung. Ein Sekundärkreis bestehend aus Sekundärwicklung in Sekundärkern und Sekundärkondensator hingegen kann ebenfalls auf einer Reihenschaltung oder Parallelschaltung basieren, so dass sich insgesamt vier unterschiedliche Verknüpfungsformen für einen Übertrager mit zwei Kondensatoren ergeben können. Unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, wie etwa der bei unterschiedlichen Frequenzen auftretenden Verluste, der möglichen Kompaktheit der Bauteile und der Anordnung eines Kondensators direkt an einer zugeordneten Wicklung oder extern in einer damit verbundenen Steuereinheit, kann die jeweils passendste Verschaltungsweise ausgewählt werden. Die Erfindung ist weder auf eine bestimmte Verschaltungsweise beschränkt, noch auf den Ort eines oder mehrerer Kondensatoren bezüglich einer zugeordneten Wicklung.
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Die Übertragung elektrischer Energie erfolgt durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mittels der Primärwicklung durch Anlegen einer als Wechselspannung ausgeführten Primärspannung und die dadurch bedingte Induktion einer Spannung in die Sekundärwicklung. Hierdurch wird eine elektrische Leistung übertragen. Die Primärwicklung könnte etwa in Form von gekapselten Primärelementen innerhalb eines Fußbodens einer Kabine oder einer Deckenverkleidung oder dergleichen eines Fahrzeugs angeordnet sein, um mit entsprechenden Sekundärelementen abhängig von der gewünschten Modifikation der Kabine an gewünschten Orten eine drahtlose Energieübertragung zu Passagiersitzen und/oder PSUs zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße System weist ferner eine Primärsteuereinheit, eine Sekundärsteuereinheit und eine mit der Sekundärwicklung und der Sekundärsteuereinheit verbundene Messeinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße in der Sekundärwicklung auf. Die Primärsteuereinheit kann entfernt von dem jeweiligen Primärelement angeordnet werden und könnte zur Einsparung von Bauteilen des erfindungsgemäßen Systems eine ganze Reihe von Primärelementen ansteuern. Die Sekundärsteuereinheit ist bevorzugt in oder direkt an einem Verbraucher angeordnet, der über den aus Primärwicklung und Sekundärwicklung gebildeten Übertrager mit elektrischer Leistung versorgt wird.
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Die Messeinrichtung könnte etwa in Form einer Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung ausgeführt sein, welches die in die Sekundärwicklung induzierte Spannung oder die daraus resultierende und vom Verbraucher verursachte Stromstärke messen kann und beispielsweise an einen dedizierten Messeingang der Sekundärsteuereinheit übertragen kann.
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Zur Übertragung von Daten zwischen der Sekundärsteuereinheit und der Primärsteuereinheit weist das erfindungsgemäße System eine Modulator-Demodulator-Einrichtung auf. Die Primärsteuereinheit und die Sekundärsteuereinheit können zur Anbindung an jeweils eine Modulator-Demodulator-Einrichtung jeweils eine Datenschnittstelle aufweisen. Alternativ dazu kann eine Modulator-Demodulator-Einrichtung auch direkt in die jeweilige Primärsteuereinheit oder Sekundärsteuereinheit integriert sein.
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Erfindungsgemäß wird die Primärwicklung mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die zur Induktion einer Wechselspannung in der Sekundärwicklung führt. Zur Beaufschlagung der Primärwicklung mit einer Wechselspannung ist ein Primärwechselrichter mit variabler Frequenz vorgesehen. Dieser kann etwa aus einer eingehenden Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen. Die Frequenz der an der Primärwicklung anzulegenden Spannung kann an die Resonanzfrequenz des Übertragers angepasst werden, um so eine besonders effektive Übertragung von elektrischer Leistung von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung zu erreichen und dadurch vergleichsweise geringe Verluste zu realisieren.
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Die Primärsteuereinheit ist weiterhin steuernd mit dem Primärwechselrichter verbunden, etwa über die Kombination eines Steuerausgangs an der Primärsteuereinheit und eines Steuereingangs an dem Primärwechselrichter. Die Primärsteuereinheit ist dazu eingerichtet, beim Empfang eines Frequenzänderungssignals die Frequenz des Primärwechselrichters zu ändern. Das Frequenzänderungssignal kann dabei von der Sekundärsteuereinheit unter Ausnutzung der Modulator-Demodulator-Einrichtung in Abhängigkeit der Änderung der elektrischen Zustandsgröße an die Primärsteuereinheit gesendet werden.
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Der Kern der Erfindung liegt nun darin, bei gleichzeitiger Variation der Frequenz der an der Primärwicklung anliegenden Primärspannung und Messen der elektrischen Zustandsgröße auf der Sekundärseite einen optimalen Arbeitspunkt zu finden, bei dem die geringsten Verluste erreicht werden und bei dem die Resonanzfrequenz des Übertragers und die Frequenz der Primärspannung übereinstimmen. Die Frequenz der Primärspannung könnte etwa von einer vorgegebenen Minimalfrequenz bis zu einer vorgegebenen Maximalfrequenz durchlaufen werden, so dass die physikalisch vorliegende und toleranzbehaftete Resonanzfrequenz des Übertragers sicher überstrichen wird, was sich in deren Nähe etwa durch eine höhere Spannung und höhere Stromstärke auf der Sekundärseite äußern könnte. Frequenzen der Primärspannung, die von der Resonanzfrequenz weiter entfernt sind, werden durch höhere Verluste des von der Sekundärwicklung entnehmbaren Leistung erkennbar. Damit ist die Basis geschaffen, einen Arbeitspunkt maximaler Effizienz für die Übertragung einer Wechselspannung von der Primärseite und der Sekundärseite aufzufinden.
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Dies kann besonders vorteilhaft für die Anwendung eines iterativen Verfahrens genutzt werden, bei dem die Frequenz der durch den Primärwechselrichter bereitgestellten Primärspannung schrittweise verändert wird. Bei jedem dieser Änderungsschritte kann an der Sekundärwicklung eine elektrische Zustandsgröße ermittelt werden, die beispielsweise die induzierte Spannung umfasst. Durch Vergleich sämtlicher ermittelter Spannungswerte für eine Reihe von Änderungsschritten auf der Primärseite kann der Arbeitspunkt festgestellt oder, abhängig von der Anzahl der tolerierten Iterationsschritte, interpoliert werden, an dem eine größtmögliche induzierte Spannung auf der Sekundärseite vorliegt. Nach Durchlaufen einer Reihe von Änderungsschritten zwischen einer theoretisch möglichen minimalen Arbeitsfrequenz und einer theoretisch möglichen maximalen Arbeitsfrequenz kann dieser Arbeitspunkt in der Sekundärsteuereinheit für den weiteren Betrieb des Übertragers festgehalten werden.
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Bevorzugt beinhaltet das von der Sekundärsteuereinheit an die Primärsteuereinheit gesandte Frequenzänderungssignal jeweils einen konkreten Wert für die angeforderte Frequenz des Primärwechselrichters. Dadurch kann ein direkter Zusammenhang zwischen der Frequenz der Primärspannung und der elektrischen Zustandsgröße an der Sekundärwicklung geschaffen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Primärwechselrichter einen Frequenzgenerator und ist dazu eingerichtet, eine Wechselspannung mit einer Wellenform zu erzeugen, die einer von dem Frequenzgenerator erzeugten Wellenform folgt. Dies erlaubt, einen Frequenzgenerator zur Ansteuerung des Wechselrichters einzusetzen, dessen elektrischer Leistungsbedarf deutlich unterhalb dem Leistungsbedarf des Wechselrichters liegt und beispielsweise nur wenige Milliwatt beträgt. Die Konstruktion des Wechselrichters kann dadurch trotz seiner großen Flexibilität sehr kostengünstig sein. Die Primärsteuereinheit könnte in diesem Fall dazu eingerichtet sein, den Frequenzgenerator direkt über einen Steuerausgang anzusteuern. Der Frequenzgenerator kann weiterhin auch ein integriertes Bauteil des Primärwechselrichters sein oder als externes Bauteil ausgeführt und mit dem Primärwechselrichter verbunden sein.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist ferner eine Kopplungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, mehrere Primärwechselrichter selektiv mit einem Teil einer Gruppe von Primärwicklungen individuell zu verbinden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass nicht für jede vorliegende Primärwicklung, beispielsweise in einer Kabine eines Fahrzeugs, jeweils ein Primärwechselrichter mit einstellbarer Frequenz vorgehalten werden muss, sondern ein durch die Anzahl von Passagiersitzen oder dergleichen vorgegebenes Maximum an gleichzeitig aktiven Primärwicklungen durch selektives Verbinden der einzelnen Primärwechselrichter mit durch die Passagiersitzanordnung vorgegebenen Primärwicklungen gewählt werden kann. Weiterhin ist in diesem Fall eine Primärsteuereinheit bevorzugt mit mehreren Primärwechselrichtern steuernd verbindbar, um die Vorteile einer Gruppierung von wenigen Primärwechselrichtern und eine Reduktion der Anzahl von Primärsteuereinheiten miteinander zu verbinden.
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Bevorzugt ist die Kopplungseinrichtung dazu eingerichtet, alle verfügbaren Primärwicklungen über eine vorgegebene Dauer mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen und die resultierende Stromstärke in den jeweiligen Primärwicklungen zu messen. Dies könnte selektiv nacheinander oder gruppenweise geschehen. Dadurch wird es der Kopplungseinrichtung ermöglicht festzustellen, an welchen Primärwicklungen Sekundärwicklungen benachbart zum Ausbilden eines Übertragers vorliegen. Dadurch ist die Kopplungseinrichtung in Kenntnis der vorzunehmenden Verbindungen und kann automatisch die korrekten elektrischen Verbindungen zwischen den Primärwicklungen und den Primärwechselrichtern vornehmen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist eine Primärmesseinrichtung zur Ermittlung einer an der Primärwicklung vorliegenden elektrischen Zustandsgröße auf. Hierdurch könnten gleich mehrere Vorteile erhalten werden: Zum Einen könnte es einer Primärsteuereinheit ermöglichen, durch reines Messen der in der Primärwicklung vorliegenden Stromstärke das Vorliegen eines Übertragers mit einer Sekundärwicklung zu bestimmen, wie vorangehend erwähnt.
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Zum Anderen wäre es dadurch auch möglich, über die Primärsteuereinheit unter Ausnutzung der gemessenen elektrischen Zustandsgrößen das elektrische Schwingungsverhalten der Primärwicklung mit einem Referenz-Schwingungsverhalten zu vergleichen. Auch hierdurch könnte festgestellt werden, ob die Primärwicklung mit einer Sekundärwicklung einen Übertrager bildet und damit eine deutlich abweichende Resonanzfrequenz aufweist als eine Primärwicklung alleine. Bevorzugt könnte dies durch Verwenden mehrerer unterschiedlicher Frequenzen der an die Primärwicklung angelegten Spannung durchgeführt werden werden. Bei einer geeigneten geometrischen Ausführung des Primärkerns bzw. der Primärwicklung und des Sekundärkerns bzw. der Sekundärwicklung könnte mit einem derartigen Verfahren auch eine Positionsbestimmung der Sekundärwicklung relativ zu der Primärwicklung ermöglicht werden. Durch derartige Erkennungsmethoden könnte der elektrische Leistungsbedarf reduziert werden, indem nicht benötigte Primärwicklungen, der nicht Teil eines Übertragers ist, abgeschaltet werden.
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Weiterhin kann damit zur Verbesserung der Analyse der an der Sekundärwicklung ermittelten elektrischen Zustandsgrößen die an der Primärwicklung vorliegenden elektrischen Zustandsgrößen durch Verwenden der Modulator-Demodulator-Einrichtung an die Sekundärsteuereinheit übertragen werden, so dass ein direkter Vergleich der übertragenen elektrischen Leistung mit der von der Primärwicklung aufgenommenen elektrischen Leistung erfolgen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist ein Sekundärwechselrichter auf, der mit der Sekundärwicklung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Spannung mit vorbestimmter Frequenz an elektrische Verbraucher abzugeben. Dadurch kann unabhängig von der Frequenz der Primärspannung eine für den Betrieb üblicher elektrischer Verbraucher geeignete Wechselspannung bereitgestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist einen Primärgleichrichter auf, der dem Primärwechselrichter vorgeschaltet ist. Dadurch kann vor Beaufschlagung eines Primärwechselrichters eine möglichst homogene Gleichspannung mit hinreichend genau bestimmbaren Eigenschaften als Basis für eine homogene Bereitstellung einer Wechselspannung bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Primärmesseinrichtung mit dem Primärgleichrichter verbunden, was sich insbesondere bei einer entfernten Unterbringung der Primärsteuereinheit und der Primärmesseinrichtung von dem Primärelement anbietet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Primärsteuereinheit dazu eingerichtet, den Wert der ermittelten elektrischen Zustandsgröße an die Sekundärsteuereinheit zu übertragen. Dadurch liegt in der Sekundärsteuereinheit neben der Kenntnis der von der Sekundärwicklung bereitstellbaren Spannung und Stromstärke, auch die Werte der ursprünglich in den Übertrager eingeleiteten Zustandsgrößen vor. Dadurch kann der Übertragungsverlust als ein Maß zum Auffinden des idealen Arbeitspunkts berechnet werden.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht einen resonanzfähigen Übertrager mit einer Primärwicklung in einem Primärkern, einer Sekundärwicklung in einem mechanisch mit dem Primärkern nicht verbundenen Sekundärkern und mindestens einem Kondensator mit einer veränderbaren Kapazität vor. Das erfindungsgemäße System weist weiterhin eine Sekundärsteuereinheit auf, die steuernd mit dem Kondensator verbunden ist sowie eine Sekundärmesseinrichtung, die mit der Sekundärwicklung und der Sekundärsteuereinheit zum Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße in der Sekundärwicklung verbunden ist.
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Abweichend von der vorangehend vorgestellten Lösung der Aufgabe ist die Sekundärsteuereinheit in dieser Ausführungsform dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Änderung der elektrischen Zustandsgröße die Kapazität des Kondensators zu ändern.
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Die Sekundärsteuereinheit könnte etwa durch die Kombination eines Steuerausgangs an der Sekundärsteuereinheit und einem Steuereingang an dem Kondensator steuernd mit diesem verbunden sein. Durch Anlegen einer Spannung mit einem vorbestimmten Wert an dem Steuerausgang kann die Kapazität des Kondensators und damit die resultierende Resonanzfrequenz des Übertragers eingestellt werden.
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Die Primärwicklung des erfindungsgemäßen Systems dieser Variante ist mit einer Primärspannungsquelle verbunden, die dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung an die Primärwicklung abzugeben. Diese Primärspannungsquelle stellt bevorzugt eine Wechselspannung bereit, die eine feste Frequenz besitzt. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Die Anpassung der Frequenz der Primärspannung und der Resonanzfrequenz verläuft demnach umgekehrt wie bei der vorangehend präsentierten Lösung. Dies bedeutet, dass bei einer fest für eine ganze Reihe von Primärelementen vorgegebenen Frequenz lediglich die Sekundärkreise mit den Sekundärwicklungen und dem verstellbaren Kondensator kalibriert werden müssen. Dies erspart einen gewissen Aufwand bei der Bereitstellung einer Reihe von individuell betreibbaren Wechselrichtern für eine Vielzahl von Primärelementen und verschiedene Frequenzen, da sämtliche Primärwicklungen mit der identischen Wechselspannung beaufschlagt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zum Auffinden eines optimalen Arbeitspunktes ebenfalls ein iteratives Verfahren eingesetzt werden, bei dem die spannungsabhängige Kapazität des Kondensators von einem vorgegebenen Minimalwert bis zu einem vorgegebenen Maximalwert variiert wird, wobei während des Übergangs zwischen verschiedenen Kapazitätswerten die an der Sekundärwicklung anliegende Spannung und der durch den Verbraucher verursachte Strom durch die Messeinrichtung registriert werden könnten. Die Resonanzfrequenz des Übertragers kann bei entsprechender Auswahl des verstellbaren Kondensators die Frequenz der Primärspannung überstreichen.
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Bei Fluchtung einer Sekundärwicklung mit einer Primärwicklung kann auch bei ungünstiger Relation der Frequenz der Primärspannung und der Resonanzfrequenz des Übertragers elektrische Leistung übertragen werden, die trotz etwaiger höherer Verluste dennoch zumindest für die Kalibrierung der Resonanzfrequenz ausreichen würde.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein iteratives Verfahren gelöst, welches die vorangehend in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System angedeuteten Schritte wie folgt zusammengefasst aufweist: Anlegen einer Primärspannung aus einem Primärwechselrichter mit einer Frequenz an eine Primärwicklung, Erfassen eines Zustandspunkts in einer Sekundärwicklung, in die aus der Primärwicklung eine Spannung induziert wird, durch Erfassung elektrischer Zustandsgrößen. Anschließend Analysieren des Zustandspunktes zur iterativen Optimierung und bei Abweichung von einem optimalen Arbeitspunkt Senden eines Signals an eine mit der Primärwicklung und dem Primärwechselrichter verbundene Primärsteuereinheit senden, um die Frequenz der angelegten Primärspannung zu ändern. Ändern der Frequenz der Primärspannung mit der Primärsteuereinheit.
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In einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren wird eine gleichbleibende Frequenz der Primärspannung verwendet. Das iterative Verfahren weist die Schritte des Ermittelns elektrischer Zustandsgrößen, des schrittweisen Veränderns der Resonanzfrequenz des aus der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gebildeten Übertragers durch Verstellen eines mit dem Übertrager verbundenen Kondensators und des Analysierens des ermittelten Zustandspunktes auf.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug aufweisend ein erstes fahrzeugfestes Fahrzeugteil und ein zweites, relativ zu dem ersten fahrzeugfesten Fahrzeugteil bewegbares Fahrzeugteil, wobei das erste Fahrzeugteil mit mindestens einem Primärelement ausgestattet ist und das zweite Fahrzeugteil mit einem Sekundärelement.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems in einer ersten Variante.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems in einer zweiten Variante.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems in einer dritten Variante.
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4 zeigt einen Teilaspekt der ersten Variante in einer schematischen Darstellung.
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5a und 5b zeigen zwei schematische, blockbasierte Darstellungen von erfindungsgemäßen Verfahren.
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6 zeigt ein Flugzeug, das mit einem erfindungsgemäßen System ausgestattet ist.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 2 gezeigt, dessen Kernstück ein Übertrager 4 mit einem Primärelement 6 und einem Sekundärelement 8 bildet, die aus einer Primärwicklung 10 in einem Primärkern und einer Sekundärwicklung 14 in einem mechanisch nicht mit dem Primärkern verbundenen Sekundärkern gebildet werden.
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Die Primärwicklung 10 ist mit einem Primärkondensator 12 in einer Reihen- oder Parallelschaltung verbunden, ebenso ist die Sekundärwicklung 14 mit einem Sekundärkondensator 16 in einer Reihen- oder Parallelschaltung verbunden. Die Kondensatoren 12 und 16 müssen nicht zwangsläufig direkt an den Wicklungen 10 und 14 angeordnet werden, es wäre auch denkbar, sie von den Wicklungen 10 und 14 entfernt über eine entsprechende elektrische Leitung anzuschließen. Es könnte etwa von Vorteil sein, den Primärkondensator 12 direkt an die Primärwicklung 10 zu bringen, während der Sekundärkondensator 16 entfernt von der Sekundärwicklung 14 angeordnet werden könnte.
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Durch eine derartige Ausrüstung eines Primärelements 6 und eines Sekundärelements 8 in Form des Übertragers 4 mit einem oder mehreren Kondensatoren wird ein resonanzfähiges Element kreiert, welches besonders dann eine effektive Induktion einer Wechselspannung in die Sekundärwicklung 14 des Sekundärelements 8 erlaubt, wenn eine an der Primärwicklung 10 des Primärelements 6 anliegende Wechselspannung auf die durch die Induktivität der Wicklungen 10 und 14 und die Kapazität der Kondensatoren 12 und 16 maßgeblich bestimmte Resonanzfrequenz des Übertragers 4 abgestimmt ist. Durch unterschiedliche Kabellängen, Bauteiltoleranzen, Bauteilalterung und anderen theoretisch nicht exakt vorherbestimmbaren Faktoren ist die Resonanzfrequenz stets mit einer gewissen Toleranz behaftet. Die optimale Kalibrierung einer Wechselspannung, die der Primärwicklung 10 zugeführt wird, wird durch das erfindungsgemäße System 2 automatisch durchgeführt.
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Dies wird durch Verwendung eines Primärwechselrichters 18 erreicht, der bevorzugt als ein spannungsgesteuerter Wechselrichter ausgeführt ist und einen Frequenzgenerator 20 umfasst oder an einem solchen angeschlossen ist. Der Frequenzgenerator 20 ist dazu eingerichtet, eine Wellenform w an den Primärwechselrichter 18 zu leiten, der eine Wechselspannung erzeugt, die dieser vorgegebenen Wellenform w mit der entsprechenden Frequenz folgt. Eine an dem Primär-Wechselrichter 18 anliegende Primärspannung wird dann entsprechend umgewandelt an die Primärwicklung 10 geleitet.
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Durch Verändern der Frequenz der Wellenform w kann die Frequenz der in dem Primär-Wechselrichter 18 erzeugten Wechselspannung auf die Resonanzfrequenz des Übertragers 4 eingestellt werden. Hierfür ist erforderlich, dass die Effizienz der Übertragung der elektrischen Leistung auf das Sekundärelement 8 registriert wird, um dann einen Arbeitspunkt mit einer optimalen Effizienz bestimmen zu können. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass die an einem Ausgang des Sekundärelements 8 anliegende Spannung und der von Verbrauchern erzeugte Stromfluss mit Hilfe einer Sekundärsteuereinheit 22 über eine Sekundärmesseinrichtung 24 registriert wird.
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Zum Auffinden eines besonders effektiven Arbeitspunktes könnte nun der Primärwechselrichter 18 von einer vorgegebenen minimalen Wechselspannungsfrequenz zu einer vorgegebenen maximalen Wechselspannungsfrequenz betrieben werden, so dass auf jeden Fall die theoretisch zumindest grob bekannte Resonanzfrequenz des Übertragers 4 durchlaufen wird.
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Durch sukzessives Erhöhen der Frequenz in dem Primär-Wechselrichter 18 können sukzessive über die Sekundärsteuereinheit 22 und die Sekundärmesseinrichtung 24 Spannungs- und Stromwerte ermittelt werden, wobei sich hierbei in Abhängigkeit der anliegenden Frequenz der Primärspannung ein an der Sekundärseite registrierter Spannungs- und Stromverlauf bereitsteht, aus der der Maximalwert und die zugehörige Frequenz ausgewählt werden können.
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Um für eine Analyse eines ermittelten Zustandspunkts mit gemessenen Spannungs- und Stromwerten sowie der Frequenz der Primärspannung aufzustellen, ist notwendig, eine Information über die aktuell anliegende Frequenz der Primärspannung zu haben. Hierfür eignen sich besonders Modulator-Demodulator-Einrichtungen 26 zum Übertragen von Daten von einem Primärelement 6 zu einem Sekundärelement 8 oder umgekehrt über Datenleitungen d, die sich von dem Primärelement 6 zu einer Primärsteuereinheit 28 oder von dem Sekundärelement 8 zu der Sekundärsteuereinheit 22 erstrecken. Die Primärsteuereinheit 28 könnte demnach für jede geänderte und aktuell vorliegende Frequenz der Primärspannung ein entsprechendes Datenpaket an die sekundäre Steuereinheit 22 senden, so dass dort ein Zusammenhang zwischen Frequenz und übertragener Spannung bzw. fließendem Strom generiert werden kann.
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Bevorzugt ist das Sekundärelement 8 mit einem Sekundärwechselrichter 30 verbunden, der optional einen vorgeschalteten Gleichrichter aufweisen kann und damit in der Lage ist, eine Spannung mit einer definierten Frequenz und einer möglichst Sinus-Wellenform an Verbraucher abzugeben. Die Variation einer Frequenz der Primärspannung kann demnach nicht dazu führen, dass Verbraucher mit für sie ungeeigneten Wechselspannungen versorgt werden müssen.
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Die Sekundärsteuereinheit 22 könnte ferner dazu eingerichtet sein, über die Datenverbindung mit Hilfe der Modulator-Demodulator-Einrichtungen 26 ein Frequenzänderungssignal an die Primärsteuereinheit 28 zu senden, die den steuerbaren Frequenzgenerator 20 dazu veranlasst, eine Frequenz der Wellenform w zu ändern.
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Gleichzeitig wäre es vorteilhaft, wenn die Primärsteuereinheit 28 über eine Primärmesseinrichtung 25 elektrische Zustandsgrößen der Stromversorgung des Primärelements 6 erfasst und über die Datenverbindung an die sekundäre Steuereinheit 22 sendet. Dadurch kann aus dem direkten Vergleich zwischen den elektrischen Zustandsgrößen auf der Sekundärseite und auf der Primärseite des Übertragers 4 durch Bestimmen eines auftretenden Verlustes ein Iterationsverfahren deutlich verbessert werden.
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2 zeigt eine alternative Darstellung in Form eines erfindungsgemäßen Systems 32, welches ein leicht abweichendes Konzept verfolgt. Hier ist nicht notwendig, den Übertrager 4 mit einer variablen Wechselspannung aus einem Primärwechselrichter 18 zu versorgen, sondern es wird für alle Primärelemente 6 eine gemeinsame Primärspannung mit einer gemeinsamen Frequenz angelegt. Die Kalibrierung eines Systems 32 kann daher nicht durch Anpassung der Primärspannung erreicht werden.
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Stattdessen wird zur Kalibrierung das Sekundärelement 8 mit einem spannungsabhängigen Sekundärkondensator 34 verbunden, der sich von der Sekundärsteuereinheit 22 ansteuern lässt. Dadurch kann die Resonanzfrequenz des Übertragers 4 direkt durch die Sekundärsteuereinheit beeinflusst werden und die Frequenz der Primärspannung muss nicht geändert werden.
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Nach Einschalten des erfindungsgemäßen Systems 32 könnte die Sekundärsteuereinheit 22 den verstellbaren Sekundärkondensator 34 dazu veranlassen, stufenweise von einer theoretisch vorgegebenen minimalen Kapazität bis zu einer theoretisch vorgegebenen maximalen Kapazität zu variieren, so dass dadurch die Resonanzfrequenz des Übertragers 4 von einem theoretischen Maximum bis zu einem theoretischen Minimum durchfahren wird. Nach den Prinzipien des in 1 gezeigten Systems 2 kann anschließend durch einer Analyse des an der Sekundärseite ermittelten Zustandspunkts aus der übertragenen Spannung in dem Sekundärelement 8 bzw. der übertragenen elektrischen Leistung die Resonanzfrequenz des Übertragers 4 iterativ an die Frequenz der anliegenden Primärspannung angepasst werden. Die Sekundärsteuereinheit 22 ist bei der Einschaltphase mit Spannung versorgt, sobald das Sekundärelement 8 über einem Primärelement 6 angeordnet ist, so dass für eine derartige Kalibrierung keine externen Spannungsversorgungsanschlüsse notwendig sind.
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Datenleitungen d zwischen der Primärsteuereinheit 28 und dem Primärelement 6 sowie zwischen der Sekundärsteuereinheit 22 und dem Sekundärelement 8 können trotz Wegfall der Notwendigkeit, gemessene Zustandsgrößen zu kommunizieren, zum ausschließlichen Versorgen von Verbrauchern mit Daten eingesetzt werden.
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Gleichermaßen zeigt 3 eine ähnliche Variante, bei der ein Primärelement 6 mit einem spannungsabhängigen Primärkondensator 36 ausgestattet ist, der zum Einstellen einer Resonanzfrequenz von der Primärseite aus eingesetzt werden kann.
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In 4 wird ein erfindungsgemäßes System 2 gezeigt, das eine Mehrzahl von Primärwechselrichtern 18 aufweist, die über eine Kopplungseinrichtung 38 mit einem Teil von einer Vielzahl von Primärelementen 6 koppelbar sind. Dadurch ist nicht notwendig, dass jedes Primärelement 6 etwa in einer Kabine eines Fahrzeugs stets mit einem Primärwechselrichter ausgestattet sein muss, um eine Kalibrierung durchführen zu können.
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Die Kopplungseinrichtung 38 ist bevorzugt dazu in der Lage, das Vorliegen von miteinander fluchtenden Primärelementen 6 und Sekundärelementen 8 festzustellen. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass etwaige Primärmesseinrichtungen 25 ihre gemessenen Zustandsgrößen an die Kopplungseinrichtung 38 kommunizieren und so festgestellt wird, ob der Strombedarf des Primärelements einen üblichen Verluststrom der Primärwicklung 10 übersteigt.
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Gleichzeitig könnte die Kopplungseinrichtung 38 auch durch Variieren einer Primärspannungsfrequenz und die zeitgleiche Messung von Zustandsgrößen ermitteln, bei welcher Primärspannungsfrequenz eine Resonanz vorliegt. Durch eine Schlüssigkeitsüberprüfung ist ermittelbar, ob die vorliegende Resonanzfrequenz der Resonanzfrequenz eines Übertragers 4 oder einer freien Primärwicklung 10 mit einem Primärkern ohne benachbartes Sekundärelement 8 entspricht.
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In 5a wird exemplarisch ein mögliches Verfahren zum Kalibrieren eines Systems zur drahtlosen Energie- und Datenübertragung gezeigt.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren so lange durchgeführt werden kann, bis durch iterative Näherung mit vorgegebener Toleranz ein Arbeitspunkt erreicht wird, bei dem die elektrischen Zustandsgrößen in der Sekundärwicklung auf eine größtmögliche elektrische Leistungsübertragung schließen lassen.
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In einem ersten Schritt wird eine Primärspannung aus einem Primärwechselrichter an die Primärwicklung 10 angelegt 40. Deren Frequenz kann beliebig sein, beispielsweise an einer unteren oder einer oberen Grenze eines vorgegebenen Frequenzbereichs liegen. Hierdurch wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches zur Induktion einer Spannung in der Sekundärwicklung 14 führt.
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Durch nachfolgendes Erfassen 42 elektrischer Zustandsgrößen in dem Sekundärkreis mit Hilfe der Sekundärmesseinrichtung 24 wird ein momentaner Zustandspunkt festgestellt.
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Durch Analysieren 44 des momentanen Zustandspunktes kann die Sekundärsteuereinheit 22 feststellen, ob der Zustandspunkt bereits optimal genug ist oder ob eine weitere Iteration notwendig ist. Der Vorgang des Analysierens kann nach den Grundlagen gängiger Iterationsverfahren durchgeführt werden. Üblicherweise kann ein erster Zustandspunkt durch eine vorher festgelegte erste Schrittweite für eine Frequenzänderung der Primärspannung zu einem zweiten Zustandspunkt führen, wobei diese zwei Zustandspunkte für die gängigsten Iterationsverfahren ausreichend sein sollten, einen dritten und alle weiteren Zustandspunkte zu generieren und hieraus zu dem optimalen Arbeitspunkt zu konvergieren.
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Über die Sekundärsteuereinheit 22, wird anschließend ein Signal an die mit der Primärwicklung 10 und dem Primärwechselrichter 18 steuernd verbundene Primärsteuereinheit 28 gesendet 46, um die Frequenz der angelegten Primärspannung zu ändern. Das Signal könnte beispielsweise einen konkreten Wert für eine bestimmte Frequenz der Primärspannung beinhalten.
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Nach Erhalt dieses Signals ändert 48 die Primärsteuereinheit 28 die Frequenz der Primärspannung, indem der Primärwechselrichter 18, beispielsweise durch entsprechendes Einstellen eines den Primärwechselrichter 18 steuernden Frequenzgenerators 20, die Frequenz der Primärspannung wie gewünscht verändert. Anschließend wird ein geändertes elektromagnetisches Wechselfeld in dem Primärelement 6 erzeugt, welches zu einer induzierten Wechselspannung in der Sekundärwicklung 14 mit abweichenden Eigenschaften führt und weiterhin zu einer Messung abweichender elektrischer Zustandsgrößen.
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Die elektrischen Zustandsgrößen könnten dabei beispielsweise die Höhe der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung 14 sein sowie die durch einen angeschlossenen Verbraucher resultierende Stromstärke umfassen. Sollte ein realer Verbraucher nicht dauerhaft mit der Sekundärwicklung 14 verbunden sein, könnte zum Zwecke der Kalibrierung ein Blindverbraucher, beispielsweise ein ohmscher Widerstand, eingesetzt werden. Aus dem Produkt der Stromstärke und der Spannung ergibt sich die übertragene elektrische Leistung als ein dem direkten Vergleich verschiedener Zustandspunkte zugänglicher Parameter. Bei einem Höchstwert für die übertragene elektrische Leistung könnte ein optimaler Arbeitspunkt vorliegen.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren stets beim Einschalten des erfindungsgemäßen Systems durchgeführt. Hierdurch kann stets sichergestellt werden, dass eine optimale elektrische Leistungsübertragung durchgeführt wird, auch bei voranschreitender Bauteilalterung oder dergleichen.
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In 5b wird alternativ dazu eine gleichbleibende Frequenz der Primärspannung verwendet, so dass an der Sekundärwicklung 14 die elektrischen Zustandsgrößen ermittelt werden 50 und die Resonanzfrequenz des Übertragers 4 schrittweise durch Verändern 52 einer Kapazität eines mit der Sekundärwicklung 14 verbundenen Sekundärkondensators 34 geändert wird. Dies ermöglicht ein Durchfahren von verschiedenen Resonanzfrequenzen des Übertragers 4 und eine Ermittlung der bei der jeweiligen Resonanzfrequenz übertragbaren elektrischen Leistung. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann durch Analysieren 54 des ermittelten Zustandspunktes die Sekundärsteuereinheit 22 feststellen, ob der Zustandspunkt bereits optimal genug ist oder ob eine Iteration notwendig ist, wie bei der vorangehend erwähnten Vorgehensweise.
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6 zeigt schließlich ein Flugzeug 56 in einem seitlichen Teilschnitt, das eine Kabine 58 mit mehreren Primärelementen 6 aufweist. Lediglich beispielhaft weist ein Fußboden 60 der Kabine 58 bevorzugt äquidistant zueinander angeordnete Primärelemente 6 mit Primärwicklung 10 und Primärkern auf, die mit einer oder mehreren Primärsteuereinheiten 28 verbunden sind. Es ist besonders bevorzugt, Primärelemente 6 gruppenweise, wie in 4 schematisch dargestellt, mit einer gemeinsamen Primärsteuereinheit 28 und/oder über eine Kopplungseinrichtung 38 mit einem Primär-Wechselrichter 18 zu verbinden, da beispielsweise mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende Primärelemente 6 nur mit einem einzigen Sekundärelement 8 überdeckt werden könnten und nur das räumlich jeweils nächste Primärelement 6 angesteuert werden muss.
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Sekundärelemente 8 mit Sekundärwicklung 14 und Sekundärkern könnten sich beispielsweise in Passagiersitzen 62 befinden, die entlang des Fußbodens 60 variabel positionierbar sind. Durch ihre räumliche Erstreckung in Längsrichtung der Kabine 58 überdecken die einzelnen Passagiersitze 62 eine ganze Reihe von Primärelementen 8, so dass sich hierdurch die Größen von möglichen Verschaltungsgruppen ergeben könnten.
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Weiterhin ist in der Kabine 58 beispielhaft eine Verkleidung angedeutet, die sich nicht nur an den Seiten, sondern auch an der Decke befindet und Über-Kopf-Staufächer 64 in einer Längserstreckung umfasst. Hier könnten kanalartige Aufnahmen 66 vorhanden sein, in die PSUs 68 eingefügt werden können, welche jeweils über ein Sekundärelement 8 verfügen, das mit jeweils einem Primärelement 6 in der kanalartigen Aufnahme 66 in Verbindung gebracht werden kann. Auch hier könnte die Längserstreckung einer einzelnen PSUs 68 die Anzahl der Primärelemente 6 vorgeben, die gemeinsam mit einer Primärsteuereinheit 28 verknüpft sein können.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- erfindungsgemäßes System
- 4
- Übertrager
- 6
- Primärelement
- 8
- Sekundärelement
- 10
- Primärwicklung
- 12
- Primärkondensator
- 14
- Sekundärwicklung
- 16
- Sekundärkondensator
- 18
- Primär-Wechselrichter
- 20
- Frequenzgenerator
- 22
- Sekundärsteuereinheit
- 24
- Sekundärmesseinrichtung
- 25
- Primärmesseinrichtung
- 26
- Modulator-Demodulator-Einrichtung
- 28
- Primärsteuereinheit
- 30
- Spannungsumformer
- 32
- erfindungsgemäßes System
- 34
- spannungsabhängiger Sekundärkondensator
- 36
- spannungsabhängiger Primärkondensator
- 38
- Kopplungseinrichtung
- 40
- Anlegen einer Primärspannung
- 42
- Erfassen eines Zustandspunkts
- 44
- Analysieren des Zustandspunktes
- 46
- Senden an Primärsteuereinheit
- 48
- Ändern der Frequenz der Primärspannung
- 50
- Ermitteln elektrischer Zustandsgrößen
- 52
- Verändern der Resonanzfrequenz
- 54
- Analysieren des Zustandspunktes
- 56
- Flugzeug
- 58
- Kabine
- 60
- Fußboden
- 62
- Sitz
- 64
- Staufach
- 66
- kanalartige Aufnahme
- 68
- PSU
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024217 A1 [0003, 0006]
- US 20090295223 A1 [0003, 0006]
