Anordnung, System und Verfahren zum induktiven Übertragen von Energie für das Laden mindestens eines Energiespeichers eines Schienenfahrzeugs

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum induktiven Übertragen von Energie für das Laden eines Energiespeichers eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein System gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren gemäß Anspruch 24.

Es ist bekannt, die Energiespeicher von elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie etwa Elektroautos, Elektrobussen oder für oberleitungsloses Fahren geeigneten Straßenbahnen mittels in der Fahrbahn bzw. im Schienengleis eingelassenen Energieüber- tagungseinrichtungen induktiv zu laden. Auf der Website www.wampfler.com (Bereich „Energy & Data transmission /

Inductive Power Transfer IPT") sind Fahrzeuge zu sehen, die beim Halt über einem Ladebereich geladen werden. Dies geschieht, indem mit einer Mechanik eine Energieaufnahmeeinrichtung vom Fahrzeug auf die Energieübertragungseinrichtung abgelassen wird, so dass stets ein vorgegebener Luftspalt zwischen Energieübertagungseinrichtung und Energieaufnähme- einrichtung einstellbar ist.

Soll der Einsatz einer solchen Mechanik zum Anpassen des Luftspalts zwischen Energieaufnahmeeinrichtung und Energieübertragungseinrichtung vermieden werden, müssen die Parame- ter der Energieübertragung, insbesondere zur Ausbildung einer Resonanz, je nach Abstand angepasst werden. Dies kann beispielsweise durch Anpassen der Wechselspannungsfrequenz bei der Energieübertragung erfolgen. Aus der EP2415627 A2 ist eine gattungsgemäße Anordnung zum induktiven Übertragen von Energie für das Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs bekannt, bei der fahrzeugseitig die Effizienz der Energieübertragung gemessen und an eine fahrbahnseitige Regelungseinrichtung übertragen wird, die mittels Anpassung der Wechselspannungsfrequenz eine effiziente Energieübertragung ermöglicht. Dabei muss die Datenübertragung zwischen dem Fahrzeug und der fahrbahnseitigen Rege- lungseinrichtung sehr schnell und zuverlässig erfolgen, um stets auf einen sich verändernden Abstand, zum Beispiel durch Veränderung des Federabstands beim Ein- und Aussteigen von Personen in das Fahrzeug, reagieren zu können. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Anordnung anzugeben, die geeignet ist, bei einem variablen Abstand zwischen Energieübertagungseinrichtung und Energieaufnähme- einrichtung vergleichsweise einfach, schnell und sicher eine Energieübertragung zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung zum induktiven Übertragen von Energie für das Laden eines Energiespeichers eines Schienenfahrzeugs, umfassend mindestens ein erstes Induktionselement, das dafür geeignet ist, drahtlos Energie an mindestens ein zweites Induktionselement zu übertragen, und einen Wechselrichter, dessen Wechselspannungsfrequenz regelbar ist, wobei der Wechselrichter geeignet ist, eine WechselSpannung mit der Wechselspannungsfrequenz an das mindestens eine erste Induktionselement bereit zu stellen, und eine Regelungseinrichtung, die dafür geeignet ist, die Wechselspannungsfrequenz des Wechselrichters zu regeln, und eine Messeinrichtung, die dafür geeignet ist, einen Messwert bei einer drahtlosen Energieübertragung vom mindestens einen ersten zum mindestens einen zweiten Induktionselement zu er- mittein und an die Regelungseinrichtung zu übermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung geeignet ist, als Messwert einen Leistungsabgabewert zu messen, und dass die Regelungseinrichtung geeignet ist, die Wechselspannungsfrequenz des Wechselrichters von einem oberen Grenzwert herunter zu regeln, bis sich ein vorher festgelegter Leistungsabgabewert bei der Energieübertragung einstellt, und dass das erste Induktionselement einem Gleis für den Schienenverkehr zugeordnet ist. Dabei ist es vorgesehen, dass das erste Induktionselement der Anordnung als Übertrager von elektrischer Energie dient und diese elektrische Energie über einen variablen Luftspalt an ein zweites Induktionselement, das bevorzugt einem Fahrzeug zugeordnet ist, übertragen werden kann. Der variable Abstand ist dann beispielsweise durch die Bodenfreiheit des Fahrzeuges vorgegeben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird als Primärseite der übertragende Teil und als Sekundärseite der empfangende Teil bezeichnet.

Die Primärseite kann dabei beispielsweise direkt aus einem Gleichstromnetz wie z.B. einer Gleichstrom-Bahnenergieversorgung mit Elektrizität versorgt werden.

Es ist ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, dass sie einen Energiespeicher eines Schienenfahrzeugs ohne eine mechanische Anpassung der Größe des Luftspalts laden kann, was die Einsetzbarkeit im Schienenverkehr unter unterschiedlichen Beladungszuständen eines Fahrzeugs erleichtert. Dabei ist es im Vergleich zur bekannten Anordnung ein besonderer Vorteil, dass eine Regelung der Energieübertragung schnell und sicher erfolgen kann. Es ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, dass eine hohe Übertragungsleistung bei einfachem und kompaktem mechanischem Aufbau gewährleistet werden kann.

Ein Absenken beispielsweise eines Fahrzeugs zur Ausbildung eines vorgegebenen Abstands zwischen den Induktionselementen ist nicht erforderlich. Die Anordnung kann bei unterschiedlichen Luftspalten, wie sie beispielsweise beim Betrieb eines Fahrzeugs bedingt durch Radverschleiß und Einfederung des Fahrzeuges vorkommen, optimal (d.h. im Resonanzpunkt bei maximaler Übertragungseffizienz) arbeiten und gleichzeitig die beim Fahren erforderliche Bodenfreiheit gewährleisten, insbesondere auch bei Niederflurfahrzeugen mit begrenztem Einbauraum . Durch den veränderlichen Abstand zwischen Primärteil und Sekundärteil verändern sich die magnetischen Parameter im so genannten Übertragerkreis, d.h. in der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere die Streuinduktivitäten und die Haupt- Induktivitäten, wodurch sich der Resonanzpunkt der Energieübertragung verändert . Dieser neue Resonanzpunkt kann durch das erfindungsgemäße Nachregelprinzip schnell und sicher erreicht werden, um eine effiziente Energieübertragung sicher zu stellen.

Zum Gewährleisten einer optimalen Leistungsübertragung erfolgt die Einspeisung des Primärteils im Resonanzpunkt. Dazu wird eine Regelungseinrichtung verwendet, die den Resonanz - punkt selbsttätig findet und bei Veränderungen im magneti- sehen Kreis automatisch nachführt.

Die Regelungseinrichtung regelt den Resonanzpunkt wie folgt:

Es wird festgelegt, bei welchem Leistungsabgabewert im Pri- märteil die Energieübertragung beabsichtigt ist (im Allgemeinen ist dies im Resonanzpunkt bei maximaler Effizienz der Energieübertagung) , unabhängig von der Geometrie (Luftspalt) . Die Wechselspannungsfrequenz wird zu Beginn auf den oberen Grenzwert eingestellt; der Leistungsabgabewert wird gemessen, z.B. über den Versatz der Nulldurchgänge zwischen vorgegebener Primärspannung und daraus resultierendem Primärstrom. Anschließend wird die Wechselspannungsfrequenz so lange erniedrigt, bis der gewünschte Leistungsabgabewert vorliegt. Die Energieübertragung erfolgt anschließend bei dieser Frequenz (z.B. im Resonanzpunkt) . Ein weiteres Absenken der Frequenz ist nicht vorgesehen, da unterhalb der Resonanzfrequenz die Effizienz der Leistungsübertragung wieder abnimmt. Zum Einstellen der Frequenz wird der Hochfrequenz-Wechsel-richter benutzt, der ohnehin zur Energieübertragung vorhanden sein muss.

Eine Nachregelung des Resonanzpunkts muss erfolgen, wenn dieser sich während des Ladevorgangs verändert, z.B. aufgrund von zu-/aussteigenden Fahrgästen. Die Veränderung des Luftspaltes bewirkt eine Veränderung der Induktivitäten der Anordnung. Da die Kompensationskondensatoren einen festen Wert haben, verändert sich der Resonanzpunkt. Durch die Verände- rung des Resonanzpunktes verändert sich ebenfalls die Phasenlage. Die Phasenlage wird von der Regelungseinrichtung automatisch erkannt und nachgeregelt.

Falls die zu übertragende Leistung verändert werden soll, z.B. weil die fahrzeugseitigen Energiespeicher voll und nur noch Leistung für die Hilfsbetriebe benötigt wird, so kann dies der Anordnung durch ein Signal (handelsübliche Funk- /Datenübertragungssysteme oder optische Systeme sind möglich) vom Fahrzeug mitgeteilt werden. Die Anordnung erhöht darauf- hin die Frequenz. Dadurch wird der Resonanzpunkt verlassen, die Wirkanteile im Primärstrom gehen zurück, Blindanteile steigen an. Der Rückgang der Wirkanteile bewirkt, dass die übertragene Leistung verringert wird. Die Regelungseinrichtung erhöht die Frequenz so lange, bis die gewünschte Leis- tung erreicht ist.

Es weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, einen Schutz vor Überstrom bereit zu stellen. Sollten z.B. aufgrund von Fehlern unzulässig hohe Ströme auftreten, so kann die Regelungseinrichtung sofort vergleichsweise große Frequenzen einstellen, so dass sehr hohe Impedanzen fernab des Resonanzpunkts vorliegen. Dadurch wird der übertragene Strom auf zulässige Werte begrenzt. Die Regelungseinrichtung kann in Betrieb bleiben und bei Beheben der (evtl. kurzzeiti- gen) Störung ohne weitere Maßnahmen weiter arbeiten. Da der Betrieb bevorzugt mit einer Übersetzung 1:1 zwischen Primärteil und Sekundärteil erfolgt und primärseitig ggf. zusätzlich Blindströme fließen, kann sekundärseitig der Strom nicht größer werden als primärseitig. Die Sekundärseite ist dadurch automatisch vor Überströmen geschützt. Der Stromgrenzwert kann darüber hinaus abhängig von der Phasenlage variabel vorgegeben werden, so dass ggfs. Betriebspunkte beherrscht wer- den, die zu sekundärseitig unzulässigen Größen führen könnten .

Ein weiterer Vorteil ist es, dass - wenn auf der Sekundärsei- te Wechselrichter vorgesehen werden - eine Energieübertragung in beide Richtungen möglich ist. Daher kann beispielsweise in bestimmten Situationen auch Energie aus einer Fahrzeugbatterie in einen stationären Energiespeicher zurückgespeist werden .

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung beträgt obere Grenzwert zwischen 15 kHz und 20 kHz. Dies ist ein Vorteil, weil sich bei diesen Frequenzen eine besonders effiziente Energieübertragung erreichen lässt und die Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörspektrums liegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Messeinrichtung und die Regelungs- einrichtung dafür geeignet, als Leistungsabgabewert den Leis- tungsfaktor zu verwenden. Der Leistungsfaktor ist definiert als das Verhältnis von Wirkleistung zu Blindleistung. Dies ist von Vorteil, da sich mittels des Leistungsfaktors die Effizienz der Energieübertragung leicht messen lässt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Messeinrichtung dafür ausgebildet, den Leistungsfaktor mittels des Phasenunterschieds zwischen Spannung und Strom zu bestimmen. Diese Methode ist vorteilhaft, weil sie einfach anzuwenden ist.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist die Regelungseinrichtung dafür eingerichtet, als Standard bei der Energieübertragung einen Leistungsfaktor von 1 einzustellen. Dies ist ein Vorteil, weil bei einem Leistungsfaktor von 1 eine optimale Energieübertragung gewährleistet ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, Signale über die zu übermittelnde Leistung und/oder einen aktuellen einzustellenden Leistungs- faktor zu empfangen und an die Regelungseinrichtung zu übermitteln. Dies ist ein Vorteil, weil so senderseitig (d.h. primärseitig) die empfängerseitig (d.h. sekundärseitig) gewünschte Energieaufnahme gesteuert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Regelungseinrichtung dafür eingerichtet, anhand der Signale durch eine Erhöhung der Wechselspannungsfrequenz einen Leistungsfaktor kleiner 1 einzustellen. Dies ist ein Vorteil, weil bei einem Leistungsfaktor kleiner 1 eine geringere Energieaufnahme auf der Empfängerseite eingestellt werden kann, z.B. im Falle einer bereits fast vollständig geladenen Batterie eines Fahrzeugs.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist die Regelungseinrichtung geeignet, im Fehlerfall, insbesondere bei zu hohen Strömen, die Ströme durch eine Erhöhung der Wechselspannungsfrequenz zu begrenzen. Dies ist ein Vorteil, weil so schnell die empfängersei - tig aufgenommene Energie begrenzt wird und Schäden vermieden werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Messeinrichtung dem mindestens einen ersten Induktionselement zugeordnet. Dies ist ein Vor- teil, weil durch die senderseitige (d.h. primärseitige) Messung und daraus resultierende Einstellung der Wechselspannungsfrequenz der Energieübertragung eine sehr schnelle und sichere Einstellung der Eigenschaften der Energieübertragung erreicht werden kann. Insbesondere entfällt die Notwendig- keit, Messdaten von der Empfängerseite, also z.B. einem Fahrzeug zu übertragen, was länger dauert und störanfälliger ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Regelungseinrichtung geeignet, die Wechselspannungsfrequenz innerhalb einer Zeitdauer von wenigen Wechselspannungsperioden, bevorzugt weniger als zwei Wechselspannungsperioden, zu regeln und den vorher festgelegten Effizienzwert einzustellen. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise eine besonders schnelle Anpassung der Energieübertragung gewährleistet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens ein erster Kompensationskondensator für das Kompensieren einer ersten Streuinduktivität vorgesehen, wobei der mindestens eine erste Kompensationskondensator in Reihe mit dem mindestens einen ersten Induktions- element geschaltet ist. Dies ist ein Vorteil, weil eine

Schaltung in Reihenresonanz besonders gut für eine effiziente Energieübertragung geeignet ist. Der Aufbau eines induktiven Übertragers in Reihenresonanz ermöglicht einen Arbeitsbereich für die Wechselspannungsfrequenz mit einem stetigen Verlauf der Phase über der Frequenz, so dass die Regelungseinrichtung die gewünschte Phasenlage (insbesondere auch 0°) einregeln kann. Dadurch können unterschiedliche Transformatorenparameter (und auch Luftspalte) der Induktionselemente beherrscht und Leistungsvorgaben sowie Strombegrenzungen beachtet wer- den. Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Bauweise in Reihenresonanz im Vergleich zur Bauweise in Parallelresonanz einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad aufweist, eine hohe Leistungsübertagung ermöglicht und erfindungsgemäß einfach regelbar ist. Auf die sonst im Stand der Technik übliche "Pa- rallelresonanz " (Kompensation sowohl der Streu- als auch der Hauptinduktivität durch Kompensationskondensatoren parallel zu den Transformatorklemmen) wird hier verzichtet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist das mindestens eine erste Induktionselement schienenseitig angeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise die Fahrbahn oder die Schiene durch ein Fahr- zeug befahrbar ist, das dann zum Aufladen seiner Energiespeicher über dem ersten Induktionselement anhält.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist eine Vorladeeinrichtung für das Vorladen eines Zwischenkreiskondensators des Wechselrichters vorhanden. Dies ist ein Vorteil, weil so auf einfache Weise der Zwischenkreiskondensator vorgeladen werden kann, bevor der Energieübertragungsvorgang beginnt .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Anordnung einen Gleichspannungs- steller auf, der dem Wechselrichter vorgeschaltet ist. Dies ist ein Vorteil, weil Anstelle der Vorgabe einer variablen Phase die Phase konstant bei 0° im Resonanzpunkt belassen werden kann. Um Änderungen von Leistung oder Strom zu ermöglichen, kann der Gleichspannungssteller die Netzspannung auf eine andere Spannung für den Wechselrichter umsetzen. Der Gleichspannungssteller kann dabei zur Glättung der Spannung mit Kondensatoren und Drosseln ausgestattet sein. Diese Elemente begrenzen jedoch die mögliche Verstellgeschwindigkeit der Spannung und damit von Leistung und Strom auf einige 10 ms, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit der Anordnung wird hierdurch begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann im Gegensatz dazu durch Verstellen der Frequenz quasi sofort (innerhalb einer Periode, d.h. im Bereich von 100 ]is) reagiert werden.

Weiterhin ist ein System zum induktiven Übertragen von Ener- gie für das Laden eines Energiespeichers eines Schienenfahrzeugs Teil der vorliegenden Erfindung, umfassend eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens ein zweites Induktionselement, das in einem Abstand zu dem mindestens einen ersten Induktionselement angeordnet ist, wo- bei das zweite Induktionselement dem Schienenfahrzeug zugeordnet ist, und einen Gleichrichter für das Bereitstellen von Gleichspannung an den Energiespeicher, wobei mindestens ein zweiter Kompensationskondensator für das Kompensieren einer zweiten Streuinduktivität vorgesehen ist, wobei der mindestens eine zweite Kompensationskondensator in Reihe mit dem mindestens einen zweiten Induktionselement geschaltet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist das mindestens eine zweite Induktionselement im Wesentlichen koplanar zu dem mindestens einen ersten Induktionselement angeordnet ist. Die koplanare Anordnung ist vorteilhaft, weil dadurch überall ein gleichmäßiger Abstand zwi- sehen den Induktionselementen gegeben ist, was die Effizienz und die Regulierbarkeit der Energieübertragung verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die Induktionselemente gleich groß. Dies ist ein Vorteil, weil damit bei optimaler Positionierung der Induktionselemente zueinander eine besonders effiziente Energieübertragung bei vergleichsweise kleiner Bauweise erreicht werden kann . In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Systems ist eines der beiden mindestens einen Induktionselemente derart größer als das andere mindestens eine Induktionselement ausgebildet, dass Ungenauigkeiten beim Positionieren der Induktionselemente zueinander kompensierbar sind und eine volle Überdeckung des kleineren durch das größere Induktionselement sicher gestellt ist. Dabei kann das größere Induktionselement, insbesondere auf der Primärseite, zwischen 5 % und 30 % länger und/oder breiter als das kleinere Induktionselement sein. Dies ist vorteilhaft, weil so z.B. ein Fahr- zeug ohne größere Anpassungen seiner Position über einem auf dem Boden angeordneten Induktionselement geladen werden kann.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems weisen die Induktionselemente metallisches Kernmaterial (insbesondere Ferrite) zur Führung des magnetischen Feldes auf. Dies ist von Vorteil, weil so die Geometrie des magnetischen Feldes für eine optimale Energieübertragung gewählt werden kann. Weiterhin wird dadurch auch eine flache und großflächige Bauweise zum Einbau unter dem Fahrzeugboden sowie zum Führen einer hohen Energiedichte im Luftspalt ermöglicht. Die Form des Übertragers kann z.B. durch eine vorgefertigte Hülle aus Kunststoff definiert werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems weisen die Induktionselemente jeweils mindestens eine das Kernmaterial umschließende Spule aus Litzeleitern aufweisen. Dies ist vorteilhaft, weil Litzeleiter Verluste durch Wirbelströme unterbinden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems weisen ist die Regelungseinrichtung geeignet, während der Energieübertragung ständig die Wechselspannungs- frequenz zu regeln, um Veränderungen des Abstands zwischen den Induktionselementen auszugleichen. Dies ist vorteilhaft, weil so z.B. wenn beim Ein- und Aussteigen von Passagieren eines Schienenfahrzeuges aufgrund der sich verändernden Beladungssituation der Abstand zwischen den Induktionselementen verändert wird, stets eine optimale Energieübertragung gewährleistet werden kann.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems beträgt der Abstand zwischen 70 mm und 300 mm, bevorzugt zwischen 80 mm und 250 mm, noch mehr bevorzugt zwischen 90 mm und 220 mm beträgt. Dies ist ein Vorteil, weil Nahverkehrs-Schienenfahrzeuge typische Bodenfreiheiten in diesem Bereich aufweisen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems werden dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Induktionselement jeweils mehrere Kompensationskondensatoren zugeordnet, um die an einem einzelnen Kompensationskondensator anliegende Spannung zu be- grenzen. Bevorzugt haben die Kompensationskondensatoren dabei die gleiche Kapazität. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems sind eine Mehrzahl von ersten Induktionselementen und eine Mehrzahl von zweiten Induktionselementen vorgesehen .

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Systems umfasst der Gleichrichter schaltbare Halbleiterelemente, die dafür geeignet sind, durch Auslösen eines Kurzschlusses die an dem mindestens einen zweiten Induktions- element anliegende Spannung zu begrenzen.

Darüber hinaus ist ein Verfahren zum induktiven Übertragen von Energie für das Laden mindestens eines Energiespeichers eines Schienenfahrzeugs Teil der vorliegenden Erfindung, wo- bei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:

- Bereitstellen einer WechselSpannung mit einer Wechselspannungsfrequenz mittels eines Wechselrichters an mindestens ein erstes Induktionselement, wobei das erste Induktionselement einem Gleis für den Schienenverkehr zugeordnet ist; und

- regeln der Wechselspannungsfrequenz mittels einer Regelungseinrichtung; und

- drahtloses Übertragen von Energie von mindestens einem ersten Induktionselement an mindestens ein zweites Induktionselement, wobei das zweite Induktionselement dem Schienenfahr- zeug zugeordnet ist; und

- Messen eines Leistungsabgabewerts bei einer drahtlosen Energieübertragung zwischen den Induktionselementen mittels einer Messeinrichtung; und

- Übermitteln des gemessenen Leistungsabgabewerts an die Re- gelungseinrichtung ; und

- Gleichrichten der am mindestens zweiten Induktionselement anliegenden WechselSpannung mittels eines Gleichrichters; und

- Laden des Energiespeichers des Fahrzeugs mit der gleichgerichteten Spannung,

wobei die Wechselspannungsfrequenz von einem oberen Grenzwert herunter geregelt wird, bis sich ein vorher festgelegter Leistungsabgabewert bei der Energieübertragung einstellt. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 25 und 26. Es ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Ausführungsfor- men sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Anordnung beschrieben.

In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können dabei stets kombiniert werden, um weitere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung zu realisieren.

Es zeigen

Figur 1 ein Ersatzschaltbild für ein in Reihenresonanz ausgebildetes System zum induktiven Übertragen von Energie , Figur 2 ein Zeigerdiagramm von Spannungen und Strömen, wie sie im Resonanzbetrieb der Anordnung gemäß Figur 1 auftreten,

Figur 3 ein Liniendiagramm für den frequenzabhängigen Ver- lauf von Phase und Impedanz beim Betrieb eines Systems gemäß Figur 1,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Induktionselements, Figur 5 ein Liniendiagramm einer berechneten Frequenzabhängigkeit des Leistungsfaktors bei der Energieübertragung unter Berücksichtigung des Abstands zwischen den Induktionselementen, Figur 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Systems als Prinzipschaltbild, Figur 7 ein Strukturdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung der Wechselspannungsfrequenz,

Figur 8 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Abschalt- und einer Vorladeeinrichtung,

Figur 9 ein Ausführungsbeispiel der Empfängerseite eines erfindungsgemäßen Systems mit Kurzschließern.

In der Figur 1 ist ein idealisiertes Ersatzschaltbild 10 (Widerstände nicht dargestellt) für ein in Reihenresonanz ausgebildetes System zum induktiven Übertragen von Energie gezeigt. Die primär- und sekundärseitigen Kompensationskondensatoren 6,7 sind in Reihe zu den Streuinduktivitäten 4,5 geschaltet und so bemessen, dass die Produkte mit den Streuinduktivitäten primär und sekundär bei der gleichen Frequenz eine Nullstelle aufweisen. Die Hauptinduktivität 3 wird nicht kompensiert. Somit ergeben sich zwischen den Leitungen 1 und 2 die Spannungen ul, u2 , u_Tl und u_T2.

In Figur 2 ist ein Zeigerdiagramm 20 mit Imaginärachse i und Realachse r der Spannungen u_Tl, u_T2 , u_Cl, u_C2 , ul, u2 , u_Lsl, u_Ls2 und Ströme il,i2, ih , wie sie im Resonanzbetrieb des Systems gemäß Figur 1 auftreten, gezeigt. Dabei sind sowohl primärseitig als auch sekundärseitig Strom und Spannung in Phase, es wird Wirkleistung übertragen. Man sieht weiterhin, dass für die übertragene Leistung eine vergleichsweise kleine Spannung ul anzulegen ist. Durch die Reihen- Resonanz ist auch die Magnetisierungsspannung u_Lh klein.

In Figur 3 ist ein Liniendiagramm 30 für den frequenzabhängigen Verlauf von Phase und Impedanz beim Betrieb eines Systems gemäß Figur 1 dargestellt. Es handelt sich um simulierte Verläufe bei passiver Last: Über der Frequenz f sind aufgetragen die Phasenlage P eines Stromes mit der Kurve 32, der sich bei gegebener Spannung (Phase=0°, Referenzphase) einstellt, und die relative Stromamplitude (Dämpfung) D in dB mit der Kurve 31. Es existiert ein Resonanzpunkt bei Phase 0°, in dem die Dämpfung (Impedanz) minimal ist. Weiter vom Resonanzpunkt entfernt (in Richtung hohe Frequenzen) erhöht sich die Dämpfung, d.h. die Stromamplitude wird kleiner, und die Phasenla- ge geht gegen 90°. Insbesondere bewirkt die Schaltung, dass nicht mehrere Resonanzstellen vorliegen, so dass ein stetiger Zusammenhang zwischen Frequenz und Phase entsteht. Damit kann die Phase über die Frequenz geregelt werden. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Induktionselements mit Kernmaterial zum Führen des magnetischen Feldes (E- Kern ähnliche Anordnung) , wobei in der oberen Darstellung 4a im Profil erhöhte Bereiche 43,46 eine Aussparung 44 bilden, in der in der unteren Darstellung 4b eine Litzenspule 45 vor- gesehen ist. Als Kernmaterial werden Ferrite eingesetzt, die in eine Form bzw. Hülle aus Kunststoff eingefüllt werden (nicht gezeigt) . Die Litzenspule ist im Betrieb in Richtung des Luftspalts bzw. des korrespondierenden Induktionselements ausgerichtet (ein weiteres Induktionselement ist in einer Ebene über der dargestellten Schnittebene anzuordnen) . Das

Kernmaterial ist um die Spule herum gruppiert zum Weiterführen des Magnetfeldes Richtung Luftspalt, so dass die Streufelder nach außen klein bleiben und die Feldenergie zur Übertragung genutzt werden kann. Das gezeigte Induktionselement kann sowohl primärseitig als auch sekundärseitig eingesetzt werden. Die Anordnung ist sehr "flach" und deswegen besonders zur Montage unter einem Fahrzeugboden oder auf/in einer Fahrbahn oder einem Gleisbett geeignet. Es wird durch die flache Bauweise eine große Fläche für die Erzeugung eines großen magnetischen Flusses zur Verfügung gestellt und die verfügbare Breite und Länge unter einem Fahrzeugboden optimal genutzt, ohne die Bodenfreiheit zu beeinträchtigen. Weiterhin begrenzt diese Bauweise die Masse auf sehr kleine Werte. Die aktiven Bauteile (Ferrite und Litzenleiter) werden von einer nichtmagnetischen Kunststoffhülle in Form gehalten.

Figur 5 stellt ein Liniendiagramm 50 einer berechneten Frequenzabhängigkeit des Phasenversatzes zwischen Primärstrom und Primärspannung bei der Energieübertragung unter Berücksichtigung des Abstands zwischen den Induktionselementen dar. Dabei wurden bestimmte Parameter für Streu- und Hauptindukti - vität sowie Kompensationskondensator-Kapazität festgesetzt. Auf den Achsen Frequenz f und Phase P sind Phasenverlaufskurven 51-56 simuliert, wobei jeweils von einer senderseitigen Übertragungsleistung von 400 kW ausgegangen wird. Bei den Kurven 51-56 nimmt jeweils der Abstand zwischen den Induktionselementen eines Systems zu; er beträgt für die Kurve 51 98 mm, für die Kurve 52 119 mm, für die Kurve 53 140 mm, für die Kurve 54 161 mm, für die Kurve 55 182 mm, und für die Kurve 56 203 mm. Es ergeben sich aus den Kurven 51-56 jeweils bei Phasenlage 0° optimale Leistungsfaktorwerte und damit eine effiziente Energieübertragung; dies sind die Arbeitspunkte 61-66 des Systems, denn die Energieübertragung soll Leistungsfaktoren nahe 1 aufweisen, d.h. Phasenversatz = 0°. Es ist zu erkennen, dass z.B. eine Erhöhung des Luftspaltes (bei gleicher Frequenz) dazu führt, dass die Phase zu groß wird. Die Regelungseinrichtung kann die Phase wieder auf 0° regeln, indem die Frequenz erniedrigt wird. Unter realen Bedingungen kann sich aufgrund der an das System angeschlossenen Last die Steilheit der Kurven gegenüber dem idealen Verlauf gemäß Simulation verändern, und es kann eine zweite Resonanzstelle entstehen .

Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems als Prinzipschaltbild mit einem Wechselrichter 121, der an eine an eine Gleichspannungsversorgung (nicht dargestellt) an den Anschlusspunkten 72,73 angeschlossen ist, zwischen die ein Zwischenkreiskondensator 74 geschaltet ist. Die Gleichspannungsversorgung kann beispielsweise ein 750 V DC-Bahnstromnetz sein. Der Wechselrichter 121 weist vier schaltbare Halbleiterelemente 75,76,77,78 auf, um eine Wechselspannung zu erzeugen. Eine Messeinrichtung 120 erfasst mittels einer Frequenzmesseinrichtung 71 die Frequenz f des

Primärstroms und mittels einer Phasenmesseinrichtung die Phase P zwischen Primärstrom und Primärspannung, wobei die Primärseite definitionsgemäß der Teil des Systems ist, bei dem mittels des Wechselrichters eine WechselSpannung erzeugbar ist. Dem Primär- bzw. Sekundärteil des Systems sind Resonanz - kondensatoren 81-84,105-108 in zwei Kondensatoranordnungen 122,125 vor- bzw. nachgeschaltet, so dass eine Reihenschal- tung bzw. Reihenresonanz ermöglicht wird. Primärseitig ist die Kondensatoranordnung 122 über Anschlüsse 79,80 mit dem Wechselrichter 121 verbunden. Es werden mehrere Kondensatoren verwendet (im Beispiel 4 in Reihe, jeweils primär- und sekun- därseitig) , so dass die Spannungsbelastung pro Kondensator kleiner wird. Dazu werden mehrere Anschlüsse 85-88 aus der

Kondensatoranordnung 122 herausgeführt, um auch die Spannung an den Transformatorwicklungen klein zu halten. Eine Regelungseinrichtung (nicht gezeigt) regelt anhand des gemessenen Leistungsabgabewerts die Wechselspannungsfrequenz des Wech- selrichters (121,195).

Vorgesehen sind primärseitig zwei Induktionselemente 92,94, die ein Primärteil 123 bilden und die Energie auf zwei sekun- därseitige Induktionselemente 93,95 , die ein Sekundärteil 124 bilden, übertragen können. Die sekundärseitigen Induktionselemente 93,95 sind über Anschlüsse 100-103 mit der Kondensatoranordnung 125 verbunden, der über die Anschlüsse 109,110 ein Gleichrichter 126 nachgeschaltet ist. Der Gleichrichter 126 weist vier Dioden 111-114 auf. Die gleichgerich- tete Spannung kann über die Anschlüsse 127,128 bereit gestellt werden, wobei ein Zwischenkreiskondensator 115 vorgesehen ist. Hierbei kann auch ein vorhandenes Bauteil verwendet werden, z.B. ein Zwischenkreiskondensator eines Traktionswechselrichters oder Ladestellers für einen Energiespei- eher eines Fahrzeuges.

Der Gleichrichter 121 ist beispielsweise an eine nicht gezeigte Fahrzeugsammeischiene angeschlossen. Von dort aus kann die Leistung an alle Verbraucher gemäß deren Erfordernissen verteilt werden. Dazu sind z.B. Hoch- und Tiefsetzsteller für die verschiedene bekannte Energiespeicher des Standes der Technik einsetzbar, wobei auf bekannte Regelverfahren zurückgegriffen werden kann - z.B. durch Regelung der Sammelschie- nenspannung auf einen konstanten Wert. Somit können gleichzeitig Energiespeicher unterschiedlichen Typs oder unterschiedlicher Leistung bedient werden. Defekte Speicher werden nicht gespeist, da sie abgetrennt sind.

Alternativ ist auch eine direkte Energieeinspeisung möglich. Anstatt das Sekundärteil an die Fahrzeugsammeischiene anzuschließen, wird das Sekundärteil an die fahrzeugseitigen Energiespeicher angeschlossen. Es wird der vorher definierte Nennstrom der Energiespeicher eingeprägt. Bei Betrieb mit

Übersetzung von 1 : 1 wird primärseitig die Spannung so lange erhöht, bis sie der Nennspannung der Energiespeicher entspricht, dann wird der Ladevorgang beendet. Dies hat den Vorteil, dass fahrzeugseitig keine Ladesteller erforderlich sind. Somit ist ein Betrieb ohne Leistungsvorgabe (keine Datenübertragung zwischen Sekundärteil und Primärteil) möglich, wenn vorab definierte Ladeleistungen/ - ströme fix definiert sind . Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung der Wechselspannungsfrequenz, wie sie durch die Regelungseinrichtung vorgenommen werden kann. Ein Leistungsregler 173 erhält einen Sollwert 171 und einen Istwert 172 der gemessenen Leistung, um anhand eines internen Modells 174 einen Sollwert 175 für die Phasenlage des Primärstromes zu erzeugen. Solange die geforderte Leistung nicht überschritten wird, gibt der Leistungsregler beispielsweise 0° vor. Ein Strombegrenzungsregler 180 erzeugt einen Sollwert 181 für die Phasenlage des Primärstromes, wobei ein Maximalwert 177 und ein Istwert 178 für den Primärstrom vorgegeben sind und ein internes Modell 179 verwendet wird. Solange der zulässige Maximalstrom nicht überschritten wird, gibt der Strombegrenzungsregler 0° vor. Beide Phasenwerte 175,181 werden über eine Maximumbildungseinheit 176 verknüpft und als Sollphase- signal 182 an einen Frequenzregler 184 gegeben. Der Frequenzregler 184 erhält als Eingangssignal weiterhin einen Istwert für die Phase und regelt die gewünschte Phasenlage anhand eines internen Modells 185 durch Verstellen der Frequenz ein. Als Ausgabesignal 186 wird ein Frequenzausgabewert 186 ausgeben .

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel 190 der erfindungsgemä- ßen Anordnung mit einer Abschalt- 195 und einer Vorladeeinrichtung 193. Dabei sind primärseitig die Leitungen 191 und 192 mit einem Zwischenkreiskondensator C01 verbunden, der über die Vorladeeinrichtung 193, bestehend aus Widerstand ROI und Schaltern K01,K02 , auf seine Betriebsspannung vorgeladen werden kann. Der Wechselrichter 195 weist vier schaltbare Elemente A01-A04 auf, die geeignet sind, im Fehlerfall die nachgeschalteten Elemente 196 stromfrei zu schalten. Die nachgeschalteten Elemente 196 umfassen das Primärteil mit den Induktionselementen L01, L02 sowie die Kondensatoranordnung mit den Kondensatoren C02-C05. Am Kontaktpunkt 194 ist ein Anschlusspunkt für eine nicht gezeigte Netzstrommesseinrich- tung (Messeinrichtungen jeweils nicht dargestellt) vorgesehen, während am Kontaktpunkt U01 eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen ist. Am Kontaktpunkt 202 ist eine Strommess- einrichtung dem Wechselrichter nachgeschaltet. Eine Messeinrichtung für das Messen eines Leistungsabgabewertes sowie eine Regelungseinrichtung für das Regeln der WechselSpannungs- frequenz des Wechselrichters 195 anhand des gemessenen Leistungsabgabewerts sind nicht dargestellt.

Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel 300 der Empfängerseite eines erfindungsgemäßen Systems mit Kurzschließern A05,A06. Sekundärseitig ist der Baueinheit 301 aus Induktionselementen L03,L04 und Kondensatoren C06-C09 ein Gleichrichter 302 mit zwei Dioden D01, D02 und zwei schaltbaren Elementen A05,A06 , die als Kurzschließer eingesetzt werden können, nachgeschaltet. Zwischen dem Kondensator C06 und dem Gleichrichter 302 ist am Kontaktpunkt 303 eine Strommesseinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen. Weiterhin umfasst die Schaltung ei- nen Stützkreiskondensator C10 sowie einen Kontaktpunkt U04 für den Anschluss einer Spannungsmesseinrichtung; es ist auch ein Trennschalter K04 vorgesehen. Am Kontaktpunkt 306 können Steller angeschlossen werden, ggf. mit einer Netzdrossel und einer Vorladeeinrichtung für den Stützkondensator (jeweils nicht gezeigt) .

Um auf eine Datenübertragung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil zu verzichten, kann ein Zweipunkt-Regelprinzip verwendet werden: Sekundärseitig wird der Transformator bzw. das Induktionselement kurzgeschlossen, wenn die übertragene Leistung zu groß wird. Das System reagiert mit einer Rücknahme der übertragenen Leistung gegen 0. Wird wieder Leistung benötigt, dann wird der Kurzschluss wieder zurück genommen. Dies bedeutet, dass keine kontinuierliche Energieübertragung erfolgt, sondern Leistungspulse abgegeben werden.

Sollten sekundärseitig unzulässig hohe Spannungen auftreten, so kann sich die Anlage schützen, indem die Dioden des

Gleichrichters 302, die parallel zu den Schaltern A05 und A06 liegen, überbrückt werden. In vorteilhafter Weise geschieht dies, indem die schaltbaren Elemente A05,A06 bei Überspannung gezündet werden. Dadurch bricht die Spannung ein. Primärsei - tig macht sich dies durch eine plötzliche Veränderung des Resonanzpunktes und damit der Phase bemerkbar. Die Regelungseinrichtung kann über die oben beschriebene Strombegrenzung diesen Fall beherrschen, so dass auch keine unzulässigen Ströme auftreten. Die primärseitige Kombination von Strom-und Leistungsregler ermöglicht es, auch bei veränderlichen Spannungen beide Größen innerhalb zulässiger Grenzwerte zu halten. In einer Weiterbildung des in Figur 9 gezeigten Ausführungsbeispiels werden alle Dioden des Gleichrichters 103 durch aktive Schalter mit antiparallelen Dioden ersetzt

(nicht gezeigt) ; damit kann prinzipiell die Energieübertragung in beide Richtungen erfolgen, z.B. stationär ins sekun- därseitige Fahrzeug oder vom Fahrzeug nach stationär.