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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendespule zu mindestens einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule mit einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule befindlichen Luftspaltes.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions-Batterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.
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Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Spule bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktions-Batterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift
DE 10 2011 010 049 A1 offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird.
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Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Energie- bzw. Leistungsübertragung verwendet werden.
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Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Luftspalt.
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Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 10–25 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Aufgrund der starken magnetischen Felder, die mit relativ hohen magnetischen Flußdichten auftreten, ist zu gewährleisten, dass Lebewesen durch den Einsatz des Systems nicht gefährdet werden und Fremdkörper wie metallische Gegenstände nicht oder nicht zu stark erhitzt werden. Für das Ladesystem kritische Fremdobjekte sind für einen sicheren Betrieb zu detektieren.
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Ein System zur kabellosen Energieübertragung wird beispielsweise in der
DE 10 2009 033 236 A1 beschrieben. Die Überwachung des Zwischenraumes bei kontaktlosem Laden erfolgt hier mittels Ultraschall-, Radar- oder Infrarot- oder elektronischer Bildsensoren. Nachteilig an dem in der
DE 10 2009 033 236 A1 genannten Überwachung ist, dass sie nicht gestattet, sowohl Materialien zu durchdringen, verdeckt eingebaut werden zu können, eine hohe Distanzauflösung und somit hohe Trennfähigkeiten von Objekten zu gewährleisten, Lebewesen zu detektieren, Bewegungen zu detektieren und dabei eine geringere Abstrahlung zu gewährleisten. Die zur Überwachung eingesetzten Antennen sind in unzähligen Ausführungsformen und mit unterschiedlichsten Eigenschaften (z.B. Richtcharakteristiken) bekannt. Jedoch fehlt es nachteilig bisher neben geeigneten Systemkonzepten insbesondere an unauffällig integrierbaren Antennen, die darüber hinaus noch eine geeignete Richtcharakteristik aufweisen.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer geeigneten Antennen für eine induktive Energieübertragungsvorrichtung, mit der zuverlässig ein Gegenstand, ein Lebewesen oder auch Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkannt werden können, die dabei klein gebaut und verdeckt bzw. unauffällig verbaut werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, die Überwachung des Bereichs des streufeldrelevanten Raumes um die Spulen zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist dazu eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung vorgesehen, die mindestens eine Sendespule und eine von der mindestens einen Sendespule beabstandete mindestens eine Empfangsspule und eine Überwachungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule zu überwachen, wobei zur Überwachung ein Radar, vorzugsweise ein Ultrabreitband-Radar eingesetzt wird, wobei die Überwachungsvorrichtung mindestens eine Kegelantenne aufweist. Kegelantennen weisen eine hohe Bandbreite auf, was für den Einsatz von Radar (bzw. Ultrabreitband-Radar) von Vorteil ist. Zusätzlich lassen sie sich einfach montieren. Des Weiteren besitzen sie ein Richtdiagramm in Eierform und zeichnen sich durch niedrige Bauhöhe aus, was einen unauffälligen bzw. verdeckten Einbau ermöglicht. Sie sind in unterschiedlichen Umgebungen elektrisch und mechanisch robust und lassen sich sehr einfach herstellen, indem sie beispielsweise durch einen Blechmantel geformt werden oder Kunststoff bedampft wird. Sie lassen sich auch massiv durch tiefgefräste Kegel realisieren.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhaft kontaktiert die mindestens eine Kegelantenne mit ihrer Kegelspitze ein Dielektrikum, welches sich auf einer Massefläche befindet. Alternativ kann die Kegelspitze mit Luft in Kontakt stehen. Die Kegelantenne wird über die Kegelspitze – auch als Fußpunkt oder Einspeisepunkt bezeichnet – gespeist. Der Kegel der Kegelantenne öffnet sich trichterförmig nach oben. Dieser Aufbau gewährleistet vorteilhaft die Breitbandigkeit bzw. hohe Bandbreite der Kegelantenne. Durch Variation der Höhe der Kegelspitze über der Massefläche lässt sich eine gute und einfache Anpassung vorteilhaft vornehmen.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine Zentralachse der mindestens einen Kegelantenne gegenüber einer Flächennormalen der Massefläche geneigt ist. Die sich daraus ergebende geneigte Kegelantenne besitzt die für den Anwendungsfall gewünschte eierförmige Charakteristik mit einem kleinen Antennengewinn von ca. 4dB in Neigungsrichtung; hat somit eine azimutale Vorzugsrichtung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Kegelantenne auf dem Boden unterhalb des Fahrzeugs angebracht. Unabhängig vom Fahrzeugtyp kann somit eine Anordnung einer oder mehrerer Antennen realisiert werden, die stets eine an die Ladevorrichtung angepasste Überwachung des Zwischenraumes gewährleistet.
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Weiterhin ist vorteilhaft, mindestens eine Kegelantenne am Fahrzeugunterboden anzubringen. Bei dieser Anordnung hingegen ist die Überwachung des Luftspaltes zwischen Sende- und Empfangsspule unabhängig von der jeweiligen im Boden verbauten Sendespule und wird quasi "dauerhaft mitgeführt".
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In einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Kegelantenne am Fahrzeugunterboden und mindestens eine Kegelantenne am Boden unterhalb des Fahrzeugs angebracht.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung;
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2: eine schematische Darstellung einer Kegelantenne;
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3: eine schematische Darstellung eines Richtdiagramms einer Kegelantenne;
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4: eine schematische Darstellung eines möglichen Systemaufbaus;
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5: eine schematische Darstellung des Ausleuchtbereichs einer singulären Kegelantenne;
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6: eine schematische Darstellung des ausgeleuchteten Bereichs von vier Kegelantennen.
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Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
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1 zeigt ein Fahrzeug 23, das über einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 (induktiven Ladestation) abgestellt ist. Das Fahrzeug 23 ist dabei so abgestellt, dass die Empfangsspule 12 des Fahrzeugs 23 über der Sendespule 11 angeordnet ist. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit des Fahrzeugs 23 besteht dabei zwischen dem Boden 21, in dem die Sendespule 11 angeordnet ist bzw. auf dem die Sendespule 11 z.B. als Ladepad aufgelegt ist und dem Fahrzeugunterboden 22 des Fahrzeugs 23, in dem sich die Empfangsspule 12 befindet, ein Zwischenraum 14 mit einem Luftspalt. Dieser Zwischenraum 14 mit dem Luftspalt kann dabei mehrere Zentimeter betragen. Bei heute üblichen Fahrzeugtypen sind Luftspalte zwischen 10 und 25 cm zu erwarten. Aber auch andere Größen für den Zwischenraum zwischen Boden 21 und Fahrzeugunterseite sind ebenso möglich. Dieser Zwischenraum 14 ist dabei normalerweise frei zugänglich. Daher besteht die Möglichkeit, dass in diesem Zwischenraum 14 jederzeit Lebewesen, Körperteile oder Gegenstände eindringen können. So können beispielsweise Tiere, wie Hunde, Katzen oder Mäuse, eindringen. Weiter besteht auch die Gefahr, dass aufgrund von äußeren Einflüssen Objekte, wie beispielsweise Schmutz (Metallspäne, Verpackungsmaterial, Getränkedosen, etc.) Unrat, Laub oder ähnliches, in diesen Zwischenraum 14 eindringen können. Insbesondere leicht brennbare, metallhaltige Gegenstände stellen während des induktiven Ladevorgangs dabei eine große Gefahr dar, da sich diese Gegenstände stark erwärmen und daraufhin gegebenenfalls entzünden können.
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Nachdem das Fahrzeug 23 so abgestellt wurde, dass die Empfangsspule 12 in dem Fahrzeug 23 sich über der Sendespule 11 befindet, kann das Aufladen der Traktionsbatterie 25 (hier nicht dargestellt) beginnen. Hierzu erzeugt die Sendespule 11 ein magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld wird von der Empfangsspule 12 aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie steht daraufhin über eine geeignete Schaltung 26 (hier nicht dargestellt) zum Aufladen der Traktionsbatterie 25 zur Verfügung. Für eine Rückspeisung elektrischer Energie vom Fahrzeug 23 in ein Energieversorgungsnetz kann auch umgekehrt die Spule im Fahrzeug 23 als Sendespule dienen, die ein magnetisches Feld erzeugt. Die Spule in der Ladestation arbeitet dann als Empfangsspule, die die Energie des magnetischen Felds empfängt und in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann daraufhin in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
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Um während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule 11 zu der Empfangsspule 12 sicherzustellen, dass sich in dem Zwischenraum 14 keinerlei unerwünschte Objekte (Gegenstände wie z.B. Metalle, Folien, etc. oder Lebendobjekte wie z.B. Tiere, ect.) befinden, wird dieser Zwischenraum 14 von einer Überwachungsvorrichtung 13 überwacht, die ein Radar 15 bzw. vorzugsweise ein Ultrabreitbandradar 15 ist und über mindestens eine Kegelantenne 16 verfügt. Es wird ein breitbandiges elektromagnetisches Signal ausgesendet. Dies geschieht bei Pulsradaren z.B. über das Aussenden von Pulsen, bei FSCW-Radar durch das zeitlich nacheinander erfolgende Aussenden von Signalen bei verschiedenen Frequenzen. Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen werden an Objekten, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften vom Ausbreitungsmedium (z.B. Luft) unterscheiden, reflektiert. Die reflektierten Signale werden im Empfänger registriert und ihre Laufzeit bzw. Phase und Amplitude bestimmt. Über die Messung der Laufzeit und / oder Phase ist eine Entfernungsbestimmung möglich. Bevorzugt werden sehr kurze Pulse im Nanosekunden bzw. Sub-Nanosekundenbereich oder andere Signale mit einer hohen Bandbreite (GHz) ausgesendet. Hierdurch wird eine hohe Ortsauflösung im Zentimeter-Bereich erreicht. Bevorzugt wird hier der Frequenzbereich von 6 bis 8.5 GHz vorgeschlagen, der in Europa als generisches Ultrabtreitbandradar-Band freigegeben ist. Zusätzlich können elektromagnetische Wellen in verschiedenen Polarisationsrichtungen verwendet werden. Diese Informationen können genutzt werden, um ein polarimetrisches Ultrabreitbandradarsystem 13 aufzubauen, welches mit Hilfe der Polarisationsinformationen (Rückstreueigenschaften von Objekten sind neben der verwendeten Frequenz auch von der Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Welle abhängig) eine zusätzliche Objektdiskriminierung vornimmt.
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Die Detektion des Systems erfolgt mit Hilfe von Kegelantennen 16. Die Kegelantenne 16 besitzt eine Zentralachse 20 und wird zur Überwachung des Zwischenraums 14 zwischen der Sendespule 11 und der Empfangsspule 12 eingesetzt. Die Kegelantenne 16 kontaktiert mit ihrer Kegelspitze 17 ein Dielektrikum 24, welches sich auf einer Massefläche 18 befindet. Die Massefläche 18 weist eine Flächennormale auf, gegenüber der die Zentralachse 20 der Kegelantenne 16 geneigt ist. Die Kegelantenne 16 wird am Fußpunkt des umgekehrten Kegels gespeist. Der Kegel öffnet sich trichterförmig nach oben und ist an der flachen Seite nicht notwendigerweise metallisch (ein kegelförmiger Mantel um die Außenhaut eines Trichters ist ausreichend). Die Neigung der Kegelantenne 16 führt zu einer eierförmigen Richtcharakteristik mit einem kleinen Antennengewinn (ca. 4dB). Die Kegelantenne 16 kann sowohl auf dem Boden 21 als auch am Fahrzeugunterboden 22 angeordnet sein. Weiterhin ist auch eine Kombination aus einer Kegelantenne 16 am Boden 21 und einer Kegelantenne am Fahrzeugunterboden 22 möglich. Es werden mehrere Kegelantennen 16 (vorzugsweise vier) eingesetzt, die jeweils in den Ecken eines Rechtecks bzw. Quadrates angeordnet sind. Mehrere Kegelantennen 16 ermöglichen die genaue Bestimmung bzw. Eingrenzung der Position eines Fremdobjektes bzw. eines bewegten Objektes oder Lebewesens und sowohl eine laterale Auflösung bzw. Winkeltrennung und Aufteilung des Detektionsbereichs in lateraler Richtung. Die Abschätzung der Größe eines Objektes wird durch Verwendung mehrerer Kegelantennen 16 möglich. Die optional symmetrische Anordnung der Kegelantennen 16 kann genutzt werden, um z.B. einen Wasserfilm oder eine Eisschicht auf der Sendespule 11 bzw. Empfangsspule 12 auszublenden oder einen Drift der erfassten Daten z.B. durch Abtrocknen eines Wasserfilmes auf der Sendespule 11 bzw. Empfangsspule 12 nicht als Bewegungen eines Lebewesens zu werten (z.B. langsamer Drift der Messsignale mehrerer Antennen, evtl. Zeitkonstanten). Mittels mehrerer Kegelantennen 16 kann ein Fahrzeugunterboden 22 erkannt werden und bei Kalibrierung der Überwachungsvorrichtung 13 berücksichtigt werden, wobei ergänzend die hohe Ortsauflösung des Ultrabreitbandradarsystems ausgenutzt wird. Fahrzeugbewegungen (z.B. durch Ent- und Beladen oder Aussteigen) können ausgeblendet werden und werden nicht als Bewegung eines Lebewesens gewertet (z.B. gleiches Verhalten in Form von Schwingungen der Messsignale mehrerer Antennen). Weiterhin können temperaturbedingte Effekte ausgeblendet werden (z.B. langsamer Drift der Messsignale mehrerer Kegelantennen 16, evtl. Zeitkonstanten). Die Zwischenraumüberwachung kann vom Boden 21 als auch vom Fahrzeugunterboden 22 ausgehend erfolgen. Die mit den Kegelantennen 16 erfassten Signale werden bei Bedarf so geschickt miteinander verrechnet, dass der zu überwachende Zwischenraum 14 abgescannt werden kann. Darüber hinaus ist eine Bestimmung von Parametern eines Fremdobjekts möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kegelantenne 16. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Kegelantenne 16 ist mit ihrer Kegelspitze 17 in ein Dielektrikum 24 eingebettet, welches eine Massefläche 18 kontaktiert oder steht mit Luft in Kontakt. Die Kegelantenne 16 weist eine Zentralachse 20 auf, die gegenüber der Flächennormale 19 der Massefläche 18 geneigt ist. Die Kegelantenne 16 wird am Fußpunkt gespeist, also dort, wo die Kegelspitze 17 im Dielektrikum 24 steckt oder mit Luft in Kontakt steht.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Richtdiagramms einer Kegelantenne 16 aus 2. Gleiche Elemente in Bezug auf 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Kegelantenne 16 besitzt ein eierförmiges Richtdiagramm mit einer eierförmigen Charakteristik. Sie hat also eine azimutale Vorzugsrichtung, strahlt (bzw. empfängt) also stark im Azimut mit ausgeprägter Keule in Neigungsrichtung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines möglichen Systemaufbaus einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10. Gleiche Elemente in Bezug auf die vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Dabei ist das Fahrzeug 23 über der Vorrichtung 10 abgestellt. Die Sendespule 11 (hier nicht dargestellt) ist in dem Ladepad 27 integriert (sog. Spulenbereich), welches wiederum von einem Ladepadrahmen 28 umgeben ist (sog. Infrastrukturperipherie). Das Ladepad 27 ist rechteckig aufgebaut, vorzugsweise quadratisch. In den Ecken des Ladepads 27 (vorzugsweise im Bereich des Ladepadrahmens) ist jeweils eine Kegelantenne 16 angebracht.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Ausleuchtbereichs 29 einer singulären Kegelantenne 16. Gleiche Elemente in Bezug auf die vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Der Ausleuchtbereich 29 der in 5 dargestellten Kegelantenne 16' zeichnet sich durch eine eierförmige Richtcharakteristik aus.
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6 zeigt schließlich eine schematische Darstellung des ausgeleuchteten Bereichs von vier Kegelantennen 16. Dabei überlappen sich die jeweiligen Ausleuchtbereiche 29 der vier Kegelantennen 16 zu einem Überlappbereich 30, der (wie in 6 schematisch dargestellt) das Ladepad vollständig abdeckt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011010049 A1 [0003]
- DE 102009033236 A1 [0007, 0007]
