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Die Fabrik der Zukunft muss flexibler, schneller, effizienter und nachhaltiger sein als heutige Produktionsstätten. Dafür werden immer mehr mobile intelligente Roboter eingesetzt, welche in der Regel von Batterien angetrieben werden. Um sich aufzuladen, muss ein batteriebetriebener Roboter normalerweis in eine Ladestation geschickt werden, sodass die Ausführung des Arbeitsauftrages unterbrochen wird. Die damit einhergehende Inflexibilität verbietet sich allerdings für die Anwendung in der modernen Industrie 4.
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Die induktive Energieübertragung ist im industriellen Umfeld in einigen Ausführungsarten bereits bekannt, allerdings hat sich die oben beschriebene Inflexibilität nicht verbessert, obwohl es sich um eine drahtlose Energieübertragung handelt.
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Auf dem Stand der Technik wird ein Wechselmagnetfeld durch hochfrequenten Wechselstrom oder durch Antriebe von Permanentmagneten erzeugt. Dazu muss sich ein Energieempfänger innerhalb des Wechselmagnetfeldes befinden, damit ein elektrisches Feld im Wechselmagnetfeld entstehen kann. Deshalb ist die induktive Energieübertragung, insbesondere mit hoher Leistung (vgl. Wellenphänomene und Funktechnik), normalerweise nur im Nahfeld realisierbar. Demgemäß soll der Energieempfänger während der induktiven Energieübertragung i. d. R. stationär bleiben.
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Darüber hinaus muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) während der induktiven Energieübertragung berücksichtigt werden. Zwar sind elektromagnetische Abschirmungen in Form von Ferritplatten bekannt, jedoch sind diese insbesondere bei großflächigen bzw. großvolumigen Anwendungen kostenintensiv. Daher sollte der Streufluss zugunsten des Hauptflusses, dem zu Energieübertragung relevanten Fluss, deutlich minimiert werden. D. h. das erzeugte Wechselmagnetfeld auf der Primärseite sollte soweit wie möglich in elektrische Energie auf der Sekundärseite umgewandelt werden. Zu diesem Zweck sind bei einigen bekannten kompakten Energieübertragungssystemen die Primär- und Sekundärspule zwecks Führung des magnetischen Flusses in einem Ferritelement aufgebracht oder eingebettet. Leider sind Ferrite zum einen mechanisch wenig robust und auch teuer in ihrer Herstellung.
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Außerdem sind die meisten bekannten induktiven Energieübertragungssysteme in ihrer technischen und oder funktionalen Ausgestaltung statischer Natur und nicht modular. Dies bedeutet, dass das primärseitige elektromagnetische Feld in seiner Ausgestaltung fixiert ist. Bedingt durch den einmal im Boden verlegten Primärleiter kann lediglich die Stärke des elektromagnetischen Feldes durch den eingeprägten Strom beeinflusst werden, jedoch nicht seine Position im Raum.
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Um den Anforderungen der Industrie 4 besser gerecht zu werden, sollte die induktive Energieübertragung in Bezug auf die oben dargestellte Beschränkung hinsichtlich der Anwendungsflexibilität, dem EMV-Schutz, der Systemrobustheit sowie dem Übertragungswirkungsgrad weiter verbessert werden.
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Hiervon ausgehend wird hier ein besonders vorteilhaftes Energieabgabesystem zur positionsunabhängigen Energieübertragung durch einen Luftspalt zu mindestens einem Energieempfänger beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten an. Die in den Patentansprüchen einzeln genannten Merkmale können beliebig miteinander kombiniert und/oder mit Merkmalen der Beschreibung präzisiert/ausgetauscht werden.
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Der Vorteil der vorliegenden Anmeldung gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt in der weitgehenden Automatisierung der Energieübertragung von einem Energieabgabesystem zu einem Energieempfänger. Darüber hinaus wird der Streufluss ohne Verzicht auf die Systemrobustheit deutlich minimiert und der zur Energieübertragung relevante Magnetfluss deutlich verstärkt. Somit wird die Energie in Summe und Vergleich zu bestehenden Systemen effizienter übertragen.
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Hier wird ein Energieabgabesystem, bestehend aus Energieabgabegeräten zur positionsunabhängigen Energieübertragung über einen Luftspalt zu mindestens einem Energieempfänger beschrieben, wobei die Energieabgabegeräte nebeneinander angeordnet sind, jeweils eine erste Spule und eine zweite Spule aufweisend, wobei die erste Spule und die zweite Spule der jeweiligen Energieabgabegeräte in einer Ebene unterhalb der Oberfläche des zugehörigen Energieabgabegeräts angeordnet und derart ausgerichtet sind, dass die Axialrichtung der ersten Spule parallel zur Oberfläche und die Axialrichtung der zweiten Spule senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet ist; dadurch bildet sich ein elektromagnetisches Feld aus, das sich ausgehend von der Oberfläche des Energieabgabegerätes nach oben erstreckt.
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Das beschriebene Energieabgabesystem basiert auf der Anwendung der Halbach-Anordnung (Halbach-Array) und dient zur induktiven Energieübertragung zu mindestens einem Energieempfänger, welcher bspw. ein batteriebetriebener mobiler Roboter sein kann.
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Das Energieabgabesystem besteht aus einer Mehrzahl von Energieabgabegeräten, die nebeneinander angeordnet sind und in einen Boden integriert werden können oder die einen Boden bilden können. So kann sich der Energieempfänger zur Energieaufnahme wie an einem Boden an der Oberfläche des Energieabgabegerätes positionieren.
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Die Anzahl der Energieabgabegeräte ist nicht auf einer bestimmten Zahl beschränkt und kann je nach Anlass und Bedarf sowie unter Berücksichtigung der EMV vergrößert oder verringert werden. z. B. können in industriellen Umgebungen mehrere Energieabgabegeräte zu einem zusammenhängenden Energieabgabesystem verschaltet werden, welches eine Ladestrecke für mobile Systeme, Maschinen oder Fahrzeuge darstellt. Eine solche Ladestrecke ist insbesondere vorteilhaft für bewegliche Energieempfänger, wie z. B. Transportmaschinen, die Waren von einem Ort an einen anderen Ort auch über große Entfernungen transportieren. So kann die Transportmaschine je nach ihrem Ladezustand und ihrer aktuellen Position zu den Energieabgabegeräten der Ladestrecke gehen, welche ihr am nächsten liegen. Auf dieser Weise wird eine „positionsunabhängige Energieübertragung“ gegenüber dem Energieempfänger realisiert.
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Darüber hinaus sind die zusammen verschalteten Energieabgabegeräte einzeln steuerbar, so dass das einzelne Energieabgabegerät nur bei Bedarf eingeschaltet ist. D. h. nur dann, wenn der Energieempfänger auf der Oberfläche eines Energieabgabegeräts positioniert ist, werden die betroffenen Energieabgabegeräte eingeschaltet. So kann ein unnötiger Energieverlust vermieden werden. Selbstverständlich kann das Energieabgabesystem auch zur stationären Energieübertragung auf nicht bewegliche Energieempfänger gut verwendet werden.
Zur Energieübertragung kombiniert das beschriebene Energieabgabesystem die Anwendung eines Halbach-Arrays mit der Anwendung der Faraday'schen Induktion.
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Das Halbach-Array ist eine bekannte Konfiguration von Permanentmagneten, die ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Konfiguration fast aufhebt, auf der anderen Seite jedoch verstärkt.
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Anstatt der Permanentmagnete wird das Halbach-Array Phänomen hier durch eine geeignete Verschaltung und Aktivierung von Spulen, die in einer spezifischen Systematik angeordnet sind, realisiert. So entsteht ein Wechselmagnetfeld, das sich zur Oberfläche ausrichtet und kaum in den Boden eindringt. Dadurch wird der Streufluss deutlich minimiert und der zur Energieübertragung relevante Magnetfluss deutlich verstärkt, wodurch auch der Energieübertragungswirkungsgrad erhöht wird.
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Durch Einsatz der Spulen können sowohl die Stärke des Magnetfeldes, als auch die Richtung des Magnetflusses durch die Ansteuerung des Stromes verändert werden, wozu ein Permanentmagnet nicht in der Lage ist, weil ein Permanentmagnet nur ein konstantes Magnetfeld erzeugt.
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Die Spulen des Energieabgabesystems sind im Wesentlichen analog zu der Konfiguration des Halbach-Array angeordnet, wobei jedes Energieabgabegerät eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist und wobei die jeweils ersten und zweiten Spulen derart angeordnet sind, dass die Axialrichtung der ersten Spule parallel und die Axialrichtung der zweiten Spule senkrecht zur Oberfläche des Energieabgabegeräts ausgerichtet ist. Wenn mehrere Energieabgabegeräte nebeneinander angeordnet sind und ein Strom mit geeigneter Durchströmungsrichtung an den jeweiligen Spulen belegt wird, so kann deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° in Richtung der Längsachse der nebeneinander angeordneten Energieabgabegeräte gekippt sein. Dadurch rücken die Feldlinien auf der Seite, in deren Richtung der Direktor des Feldes gekippt wird, enger zusammen, was eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte bewirkt. Auf der gegenüberliegenden Seite liegen die Feldlinien weniger eng als im ungestörten Magneten, daher wird das Feld abgeschwächt, bzw. verschwindet völlig. Auf dieser Weise entsteht ein Wechselmagnetfeld, das sich zur Oberfläche ausrichtet und kaum in den Boden eindringt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Energieabgabegeräte modulartig aufgeführt. Der Begriff „modulartig“ bezieht sich hierbei auf die Funktion der Energieabgabegeräte. Jedes Energieabgabegerät ist funktionell gleich und sich gegenseitig ersetzbar. Durch die Reduzierung oder Erhöhung der Anzahl der Energieabgabegeräte wird der normale Betrieb des Ganzsystems (Energieabgabesystem) nicht beeinträchtigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Energieabgabegeräte segmentiert ausgeführt. Der Begriff „segmentiert“ bezieht sich auf die Geometrie der Energieabgabegeräte bzw. der zugehörigen ersten und zweiten Spulen. Die Geometrie der jeweiligen Energieabgabegeräte besteht individuell zur Anpassung der gesamten Energieübertragungstrecke (des Energieübertragungssystems) aus Kurven und Geraden. Dem entsprechend bestehen die ersten und zweiten Spulen ebenfalls aus Kurven und Geraden.
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Durch den modulartigen und segmentierten Aufbau der Energieabgabegeräte kann das Energieabgabesystem je nach Bedarf und Anlass ohne großen Aufwand ab- oder aufgebaut werden. Es ist insbesondere in dem Falle vorteilhaft, dass, wenn ein Energieabgabegerät defekt ist, das betroffene Energieabgabegerät ausgetauscht werden kann, ohne alle Energieabgabegeräte im gesamten System austauschen zu müssen. Auch kann je nach dem Anlass und Bedarf die gesamte Energieübertragungsstrecke durch Änderung der Anzahl der Energieabgabegeräte verkürzt oder erweitert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Energieabgabesystem mindestens aus drei Energieabgabegeräten.
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Um ein vollständiges Halbach-Array auszubilden, müssen mindestens drei Energieabgabegeräte vorhanden sein, die nebeneinander angeordnet sind. Daher besteht das Energieabgabesystem mindestens aus drei Energieabgabegeräten. Auch bei einem Energieabgabesystem, das mehr als drei Energieabgabegeräte aufweist, werden jeweils drei nebeneinander angeordnete Energieabgabegeräte gruppeweise ein- und ausgeschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Energieabgabegeräte jeweils eine Energieversorgungseinrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung an ein Energieverteilungssystem angeschlossen ist. Dazu umfasst jedes Energieabgabegerät eine eigene Energieversorgungseinrichtung, die mit einem zentralen Energieverteilungssystem verbunden ist.
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Das Energieverteilungssystem kann bspw. in Form einer DC-Stromschiene ausgeführt sein. Selbstverständlich kann mit einem geeigneten Gleichrichter die Energieversorgungseinrichtung auch an das AC-Versorgungsnetz angeschlossen werden.
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Der wichtigste Baustein der Energieversorgungseinrichtung ist die Einspeisungs- und Schalteinheit, die zumindest Schalter, Blindleistungskompensation und Messgeräte aufweist. Die Schalter werden in zeitlich geeigneter Art und Weise geschlossen und geöffnet, so dass die in Reihe geschalteten ersten und zweiten Spulen abwechselnd in der entgegengesetzten Richtung durchströmt werden. So entsteht ein Wechselmagnetfeld. Die richtige Abfolge der Schaltervorgänge basiert auf den elektrischen Eigenschaften, welche von mindestens einem Messgerät erfasst werden. Hier können z. B. eine schnelle Spannung- und Strommessung erfolgen. Die Messwertabtastung erfolgt in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz.
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Zur Blindleistungskompensation ist mindestens ein Kondensator in Reihe mit der ersten Spule und der zweiten Spule geschaltet. Hierbei sind auch eine Parallelkompensation bzw. eine Mischkompensation je nach Anwendungsgegebenheiten denkbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind jeweils drei nebeneinander angeordnete Energieabgabegeräte gruppenweise ein- und ausgeschaltet, wobei die Durchströmungsrichtung der Spulen eines Energieabgabegeräts entgegengesetzt zu Durchströmungsrichtung der Spulen der jeweiligen benachbarten Energieabgabegeräte. Das Wort „Durchströmung“ bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung ausschließlich auf Spulen der jeweiligen Energieabgabegeräte.
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Um ein vollständiges Halbach-Array auszubilden, müssen mindestens drei nebeneinander angeordnete Energieabgabegeräte korrespondierend ein- und ausgeschaltet werden. Dazu kombiniert man z. B. drei Energieabgabegeräte miteinander und lässt jeweils das erste Energieabgabegerät und das dritte Energieabgabegerät in der gleiche Richtung durchströmen, sowie das zweite Energieabgabegerät in entgegengesetzter Richtung zum ersten bzw. dritten Energieabgabegerät. Somit wird das magnetische Feld einseitig geschwächt bzw. aufgehoben. Dazu ist es notwendig, dass die Schaltvorgänge dieser drei Energieabgabegeräte zueinander synchron ausgeführt werden.
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Des weiteren werden bei einem Energieabgabesystem, das mehr als drei Energieabgabegeräte aufweist, jeweils drei Energieabgabegeräte gruppeweise ein- und ausgeschaltet. Wenn z. B. zwei benachbarte Gruppen (d. h. sechs nebeneinander angeordnete Energieabgabegeräte) gleichzeitig ein- und ausgeschaltet sind, ist die Durchströmungsrichtung eines Energieabgabegeräts im weiteren Sinne immer entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung seiner benachbarten Energieabgabegeräte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Energieabgabegeräte jeweils eine Schutzeinrichtung auf. Um das Energieabgabesystem schützen zu können, weist jedes Energieabgabegerät eine eigene Schutzvorrichtung auf. Dadurch kann bspw. eine unzulässige Energieübertragung in Form von Wirbelströmen erkannt und die betroffenen Energieabgabegeräte abgeschaltet werden. Die unerwünschten Wirbelströme werden von metallischen Fremdkörpern verursacht, welche sich im elektromagnetischem Feld befinden. Daher wird das Vorhandensein eines metallischen Fremdkörpers im primär- bzw. sekundärseitigen Spulensystem detektiert.
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Die Schutzeinrichtung umfasst im Wesentlichen einen A/D-Wandler und einen Logikbaustein. Der A/D-Wandler dient zur Digitalisierung der externen Sensorik, wie bspw. einer Kraftmessdose oder einem Temperatursensor. Der Logikbaustein führt eine Fremdobjekterkennung auf Basis von externen und internen Sensordaten (Strom- und Spannungsmessung) sowie den Positionsdaten und Identifikationsdaten eines Energieempfängers durch.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Energieabgabegeräte jeweils eine Kennungseinrichtung zur Erfassung des mindestens einen Energieempfängers. Um den mindestens einen Energieempfänger zu identifizieren und seine Position auf der Ladestrecke zu bestimmen, weist jedes Energieabgabegerät eine eigene Kennungseinrichtung auf.
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Der funktionale Aufbau der Kennungseinrichtung ist analog zur Schutzeinrichtung ausgeführt. Darüber hinaus verfügt die Kennungseinrichtung über eigene externe Sensoren, die ihr erlauben, den mindestens einen Energieempfänger zu identifizieren und zu lokalisieren.
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Zur Erkennung des mindestens einen Energieempfängers kann durch ein funkbasiertes Verfahren mittels z. B. RFID oder ein optisches Verfahren mithilfe der Bilderverarbeitung realisiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Energieabgabegeräte jeweils eine Steuereinrichtung auf, die mit der Energieeinrichtung, der Schutzeinrichtung und der Kennungseinrichtung des zugehörigen Energieabgabegeräts verbunden ist.
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Jedes Energieabgabegerät weist eine Steuerungseinrichtung zur vollständigen Ansteuerung des zugehörigen Energieabgabegerätes auf, wobei die Steuereinrichtung datenleitend und energetisch mit der Energieversorgungseinrichtung, der Schutzeinrichtung und der Kennungseinrichtung verbunden ist, welche sich im selben Energieabgabegerät befinden.
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Die Steuereinrichtung gliedert sich in sechs relevante Funktionsbausteine. Dies sind A/D-Wandler, Messwertaufbereitung, Speicher, Schaltlogik, Spannungsversorgung und Kommunikation.
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Der Spannungsversorgungsbaustein versorgt sowohl die einzelnen Funktionsbausteine der Steuereinrichtung als auch die Schutzeinrichtung und die Kennungseinrichtung durch die energetische Verbindung mit Betriebsspannung.
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Der Kommunikationsbaustein stellt als „Datendrehscheibe“ alle gemessenen und berechneten Werte der Steuereinrichtung durch die datenleitende Verbindung der Energieversorgungseinrichtung, der Schutzeinrichtung sowie der Kennungseinrichtung zur Verfügung.
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Im A/D-Wandler werden die analog vorliegenden Spannungs- und Strommesswerte, welche in der Energieversorgungseinrichtung durch Messgeräte erfasst wurden, digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung an die Messwertaufbereitung übertragen. Die Messwertaufbereitung speichert definierte Spannungs- und Strommesswerte im Speicher zwischen und kann diese bei Bedarf wieder abrufen und der Kommunikation zur Verfügung stellen. Der A/D-Wandler stellt nicht nur der Messwertaufbereitung, sondern auch der Schaltlogik die gemessenen Spannungs- und Stromwerte zur Verfügung. Hier werden auf Basis der Messwerte und weiterer Umgebungsbedingungen, beispielsweise Position und Lage des mindestens einen Energieempfängers oder einem Anstehen externer Schaltbefehle, nach einem geeigneten Verfahren die richtige Schaltkonfiguration und Schaltdauer der Schalter in der Energieversorgungseinrichtung festgelegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der jeweiligen Energieabgabegeräte mit den Steuereinrichtungen ihrer benachbarten Energieabgabegeräte ringförmig in Serie datenleitend verbunden.
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Durch die ringförmige Serienverbindung kann bspw. einen Datenframe über die benachbarten Energieabgabegeräte von einer Steuereinrichtung zu einer anderen Steuereinrichtung in rekursiver Weise gesendet werden. Grundsätzlich sind auch andere Datenbusstrukturen wie z. B. Stern- oder Baumstrukturen möglich. Zudem ist die Datenversorgung des Energieabgabegerät nicht an ein bestimmtes, proprietäres Datenprotokoll gebunden, sondern kann auch durch bereits existente, industrielle Feldbussysteme, beispielsweise ProfiNET oder Sercos III, erfolgen.
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Der Vorteil der ringförmigen Datenbusstruktur ist, dass bei Ausfall eines Energieabgabegerätes die Kommunikation an dieser Stelle unterbrochen wird und der Ausfall leicht detektiert werden kann. Durch die physische Ringstruktur des Datenbusses wird die Datenversorgung des nachgeschalteten Energieabgabegerätes weiterhin ermöglicht. Dies wird mithilfe eines vor- oder rückwärtslaufenden Datentelegramms realisiert.
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Mit Betrieb des Energieabgabesystems erhält die Steuereinrichtung der jeweiligen Energieabgabegeräte nach einer definierten Zeit ein Datentelegramm der vorgeschalteten Steuereinrichtung. Fällt dieses Telegramm innerhalb eines definierten Zeitfensters aus, so wird die vorgeschaltete SME als gestört gekennzeichnet. Das Datentelegramm wird nun in seiner Laufrichtung umgeschaltet und durchläuft den Ring bis zur Ausfallstelle. Dort erfolgt wieder eine Laufrichtungsumschaltung. Der Aufbau des Datentelegramms ist geeignet, eine schnelle Kommunikation und Synchronisation der Schaltvorgänge in jeder einzelnen SME zu realisieren.
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Dies ist notwendig, um die Energieübertragung, insbesondere auf bewegte Energieempfänger, nahtlos und ohne Erzeugung eines in Richtung Boden orientierten magnetischen Feldes zu ermöglichen. Am Beispiel eines in der Ladestrecke ausgefallenen Energieabgabegerätes wird gezeigt, wie an der Ausfallstelle die Energieübertragung „ausgeschnitten“ werden kann: Die drei benachbarten und betriebsbereiten Energieabgabegeräte bilden nur bis zum ausgefallenen Energieabgabegerät ein vollständiges Halbach-Array aus. Über das Datentelegramm wird den nachgeschalteten und betriebsbereiten Energieabgabegerät mitgeteilt, wo sich der bewegliche Energieempfänger befindet. Erreicht der Energieempfänger eine zulässige Ladeposition, so startet das nächste vollständige Halbach-Array die Energieübertragung auf dem Energieempfänger.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Steuereinrichtung der Energieabgabegeräte mit einem zentralen Steuergerät datenleitend verbunden.
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Im industriellen Umfeld ist i. d. R. ein übergeordnetes zentrales Steuergerät vorgesehen, das zur Kommunikation mit anderen untergeordneten Steuerungssystemen dient. Hier kann als eine Option das zentrale Steuergerät z. B. mit einer Steuereinrichtung der Energieabgabegeräte datenleitend verbunden sein, sodass das zentrale Steuergerät durch die ringförmige Serienverbindung über die mit ihm verbundene Steuereinrichtung in rekursiven Weise mit allen in Serie verbundenen Steuereinrichtungen bidirektional kommunizieren kann. So ist es möglich, die Position und Ladestände von Energieempfängern (z. B. batteriebetriebenen Fahrzeugen) auch über das zentrale Steuergerät zu erhalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Energieabgabegeräte jeweils eine Kennung auf. Um das Energieabgabegerät gezielt ansteuern zu können, trägt jedes Energieabgabegerät eine eindeutige und dauerhafte Kennung (vgl. MAC-Adresse), die entweder initial bei der Erstinbetriebnahme vergeben wird oder schon mit Auslieferung des Energieabgabegeräts vorhanden ist. So ist es möglich einen Befehl-Frame gemäß der Kennung an das entsprechende Energiegerät abzusenden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur positionsunabhängigen Energieübertragung durch einen Luftspalt von einem Energieabgabesystem zu mindestens einem Energieempfänger beschrieben, aufweisend zumindest folgende Schritte:
- 1) Erfassen des mindestens einen Energieempfängers,
- 2) Einschalten der Energieabgabegeräte, wenn der mindestens eine Energieempfänger auf der Oberfläche der Energieabgabegeräte positioniert ist, und
- 3) Ausschalten der Energieabgabegeräte, wenn der mindestens eine Energieempfänger nicht vorhanden ist.
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Mit diesem beschriebenen Verfahren unter Anwendung des beschriebenen Energieabgabesystems kann auch ein beweglicher Energieempfänger ohne Erzeugung eines in Richtung Boden orientierten magnetischen Feldes aufgeladen werden.
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Das Energieabgabesystem, bestehend aus Energieabgabegeräten zur positionsunabhängigen Energieübertragung über einen Luftspalt zu mindestens einem Energieempfänger wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren nur bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, auf welche die Offenbarung hier jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen:
- 1: Eine schematische Darstellung eines Energieabgabegeräts
- 2: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der ersten Spule und der zweiten Spule
- 3: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der ersten Spule und der zweiten Spule
- 4: Eine schematische Darstellung des Energieabgabesystems
- 5: Eine schematische Darstellung der Energieversorgungseinrichtung
- 6: Eine schematische Darstellung der Steuereinrichtung
- 7: Eine schematische Darstellung der Schutzeinrichtung
- 8 : Eine schematische Darstellung der Kennungseinrichtung
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1 stellt eine schematische Darstellung eines Energieabgabegerätes 22 dar, welches eine erste Spule 1, eine zweite Spule 2, eine Energieversorgungseinrichtung 3, eine Steuereinrichtung 4, eine Schutzeinrichtung 5 und eine Kennungseinrichtung 6 umfasst. Zur Energieversorgung sind die erste Spule 1 und die zweite Spule 2 durch eine energetische Verbindung 24 mit der Energieversorgungseinrichtung 3 verbunden, welche mit einem zentralen Energieverteilungssystem in Form von einer DC-Schiene 7 energetisch verbunden ist.
Zur Datenversorgung sind die Energieversorgungseinrichtung 3, die Schutzeinrichtung 5 und die Kennungseinrichtung 6 durch jeweils datenleitende Verbindungen 25 mit der Steuereinrichtung 4 verbunden, welche mit einem Datenbus 8 verbunden ist. Darüber hinaus sind die Schutzeinrichtung 5 und die Kennungseinrichtung 6 separat durch jeweils parallele datenleitende Verbindungen 25 mit der ersten Spule 1 sowie der zweiten Spule 2 verbunden.
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2 und 3 stellen zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Geometrie von der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 2 dar. Diese werden hier zum Vergleich zusammen erläutert. Zur Anpassung der gesamten Energieübertragungstrecke besteht die Geometrie der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 2 individuell aus Geraden 27 und Kurven 26.
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2 stellt die erste Spule 1 und die zweite Spule 2 jeweils als eine Rechteckspule dar, wobei die erste Spule 1 waagerecht zur Oberfläche orientiert ist, und die zweite Spule 2 gengenüber der ersten Spule um 90° gekippt ist.
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3 stellt die erste Spule 1 als eine Kreisringsegmentspule dar, die ebenfalls waagrecht zur Oberfläche orientiert ist. Die zweite Spule 2 ist als Hohlzylindersegmentspule ausgeführt und gegenüber der ersten Spule um 90° gekippt.
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4 stellt eine schematische Darstellung des Energieabgabesystems 23 dar. Die Energieabgabegeräte 22 sind modulartig und segmentiert ausgeführt, und nebeneinander zu einem Energieabgabesystem 23 angeordnet. Die Anzahl der Energieabgabegeräte 22 ist grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Zahl beschränkt und kann je nach Anlass und Bedarf sowie unter Berücksichtigung der EMV vergrößert oder verringert werden. Allerdings, um ein vollständiges Halbach-Array 29 auszubilden, müssen mindestens drei Energieabgabegeräte 22 nebeneinander angeordnet sein.
Die Energieversorgungseinrichtungen 3 der jeweiligen Energieabgabegeräte 22 sind mit einer DC-Schiene 7 verbunden. Die Steuereinrichtung 4 der jeweiligen Energieabgabegeräte 22 sind durch einen Datenbus 8 miteinander in Serie datenleitend verbunden; somit können die Steuereinrichtungen über ihre benachbarten Einrichtungen in rekursiver Weise mit einander kommunizieren.
Um ein vollständiges Halbach-Array 29 auszubilden, werden jeweils drei nebeneinander angeordnete Energieabgabegeräte 22 ein- und ausgeschaltet, sodass ein sich ausgehend von der Oberfläche 28 nach oben erstreckendes Magnetfeld 9 ausgebildet ist.
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5 stellt eine schematische Darstellung der Energieversorgungseinrichtung 3 dar, die mit der DC-Schiene 7 verbunden ist. Die Energieversorgungseinrichtung 3 besteht hauptsächlich aus vier Schaltern 10 zur Umschaltung der Durchströmungsrichtung, einem Kondensator 11 zur Blindleistungskompensation, einem Spannungsmessgerät 12 zur Spannungsmessung und einem Strommessgerät 13 zur Strommessung.
Die vier Schalter 10 werden auf Basis der Messwerte in zeitlich geeigneter Art und Weise geschlossen und geöffnet, so dass die in Reihe geschalteten erste Spule 1 und zweite Spule 2 abwechselnd von links und von rechts durchströmt werden. Dadurch entsteht ein primärseitiges Wechselmagnetfeld.
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6 stellt eine schematische Darstellung der Steuereinrichtung 4 dar, die hauptsächlich einen Kommunikationsbaustein 14, einen Spannungsversorgungsbaustein 15, eine Schaltlogik 16, einen Speicher 17, einen A/D-Wandler 18 und einen Messwertaufbereitungsbaustein 19 umfasst. Im A/D-Wandler 18 werden die analog vorliegenden Spannungs- und Strommesswerte, welche in der Energieversorgungseinrichtung 3 durch Messgeräte 12, 13 erfasst wurden, digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung an den Messwertaufbereitungsbaustein 19 übertragen. Der Messwertaufbereitungsbaustein 19 speichert definierte Spannungs- und Strommesswerte im Speicher 17 zwischen und kann diese bei Bedarf wieder abrufen und dem Kommunikationsbaustein 14 zur Verfügung stellen.
Der A/D-Wandler 18 stellt nicht nur dem Messwertaufbereitungsbaustein 19, sondern auch der Schaltlogik 16 die gemessenen Spannungs- und Stromwerte zur Verfügung.
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Hier werden auf Basis der Messwerte und weiterer Umgebungsbedingungen, beispielsweise Position und Lage des mindestens einen Energieempfängers oder einem Anstehen externer Schaltbefehle, nach einem geeigneten Verfahren die richtige Schaltkonfiguration und Schaltdauer der Schalter 10 in der Energieversorgungseinrichtung 3 festgelegt.
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7 stellt eine schematische Darstellung der Schutzeinrichtung 5 zur Fremdobjektdetektion (FOD) dar, die hauptsächlich einen A/D-Wandler 18 und eine FOD-Logik 20 umfasst. Der A/D-Wandler 18 dient zur Digitalisierung der externen FOD-Sensoren 30, wie bspw. einer Kraftmessdose oder einem Temperatursensor. Die FOD-Logik 20 führt eine Fremdobjekterkennung auf Basis von den Daten der externen FOD-Sensoren 30 und internen Sensordaten (z. B. Strom- und Spannungsmesswert) sowie den Positionsdaten und Identifikationsdaten eines Energieempfängers durch.
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8 stellt eine schematische Darstellung der Kennungseinrichtung 6 zur Identifikations- und Positionserfassung (IPE) dar. Der funktionale Aufbau der Kennungseinrichtung 6 ist analog zur Schutzeinrichtung 5 ausgeführt. Der A/D-Wandler 18 dient zur Digitalisierung der externen IPE-Sensoren 31, wie zum Beispiel von funk- oder optikbasierten Sensoren. Die IPE-Logik 21 führt einer Identifikations- und Positionserfassung eines Energieempfängers durch.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Spule
- 2
- zweite Spule
- 3
- Energieversorgungseinrichtung
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Schutzeinrichtung
- 6
- Kennungseinrichtung
- 7
- DC-Schiene
- 8
- Datenbus
- 9
- Magnetfeld
- 10
- Schalter
- 11
- Kondensator
- 12
- Spannungsmessgerät
- 13
- Strom messgerät
- 14
- Kommunikationsbaustein
- 15
- Spannungsversorgungsbaustein
- 16
- Schaltlogik
- 17
- Speicher
- 18
- A/D-Wandler
- 19
- Messwertaufbereitungsbaustein
- 20
- FOD-Logik
- 21
- IPE-Logik
- 22
- Energieabgabegerät
- 23
- Energieabgabesystem
- 24
- energetische Verbindung
- 25
- datenleitende Verbindung
- 26
- Kurve
- 27
- Gerade
- 28
- Oberfläche
- 29
- Halbach-Array
- 30
- externe FOD-Sensoren
- 31
- externe IPE-Sensoren
