DE102015221587A1 - Charging device for inductively charging an electrical energy storage device of a motor vehicle with a foreign body detection device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung (2) zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers (11) eines Kraftfahrzeugs (9), mit einer Primärspule (3) zum Bereitstellen eines Magnetfelds (7) und mit einer Fremdkörpererfassungseinrichtung (13) zum Erfassen eines Vorhandenseins eines Fremdkörpers in dem Magnetfeld (7), wobei die Fremdkörpererfassungseinrichtung (13) ein Substrat (14), auf welchem eine Mehrzahl von Spulen (15) angeordnet sind, und eine Auswerteeinheit (16) aufweist, wobei das Substrat (14) an einer vorbestimmten Position in dem Magnetfeld (7) angeordnet ist und wobei die Auswerteeinheit (16) dazu ausgelegt ist, das Vorhandensein des Fremdkörpers anhand der in die Mehrzahl von Spulen (15) induzierten elektrischen Spannung zu erfassen, wobei jede der Spulen (15) eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aufweist, wobei die Anzahl der Windungen jeder der Spulen (15) in Abhängigkeit von einer Position der Spule (15) in dem Magnetfeld (7) bestimmt ist. The invention relates to a charging device (2) for inductively charging an electrical energy store (11) of a motor vehicle (9), comprising a primary coil (3) for providing a magnetic field (7) and a foreign body detection device (13) for detecting the presence of a foreign body the magnetic field (7), wherein the foreign matter detecting means (13) comprises a substrate (14) on which a plurality of coils (15) are arranged, and an evaluation unit (16), the substrate (14) being at a predetermined position in the Magnetic field (7) is arranged and wherein the evaluation unit (16) is adapted to detect the presence of the foreign body from the induced in the plurality of coils (15) electrical voltage, wherein each of the coils (15) has a predetermined number of turns in which the number of turns of each of the coils (15) is determined as a function of a position of the coil (15) in the magnetic field (7).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer Primärspule zum Bereitstellen eines Magnetfelds und mit einer Fremdkörpererfassungseinrichtung zum Erfassen eines Vorhandenseins eines (metallischen) Fremdkörpers in dem Magnetfeld, wobei die Fremdkörpererfassungseinrichtung ein Substrat, auf welchem eine Mehrzahl von Spulen angeordnet sind, und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei das Substrat an einer vorbestimmten Position in dem Magnetfeld angeordnet ist und wobei die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, das Vorhandensein des Fremdkörpers anhand der in die Mehrzahl von Spulen induzierten elektrischen Spannung zu erfassen. The present invention relates to a charging device for inductively charging an electric energy storage device of a motor vehicle having a primary coil for providing a magnetic field and a foreign matter detecting means for detecting a presence of a (foreign) foreign metal in the magnetic field, wherein the foreign matter detection device comprises a substrate on which a plurality of coils are arranged, and an evaluation unit, wherein the substrate is arranged at a predetermined position in the magnetic field and wherein the evaluation unit is adapted to detect the presence of the foreign body based on the induced voltage in the plurality of coils.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Ladevorrichtungen, welche dazu dienen, einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, eines Kraftfahrzeugs zu laden. Eine derartige Ladevorrichtung weist eine Primärspule auf, die stationär angeordnet ist. Diese Primärspule kann beispielsweise in den Boden der Fahrbahn oder eines Parkplatzes eingebracht sein. In dem Kraftfahrzeug ist eine Sekundärspule angeordnet, die elektrisch mit dem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Wenn die Sekundärspule des Kraftfahrzeugs zu der Primärspule ausgerichtet wird, kann elektrische Energie mittels des Transformatorbetriebs von der Primärspule an die Sekundärspule übertragen werden. Von der Primärspule wird also ein Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in die Sekundärspule eine Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung kann dann gleichgerichtet und an den elektrischen Energiespeicher übertragen werden. The interest in this case is directed to charging devices which serve to charge an electrical energy store, for example a battery, of a motor vehicle. Such a charging device has a primary coil which is arranged stationary. This primary coil can be incorporated, for example, in the floor of the carriageway or a parking lot. In the motor vehicle, a secondary coil is arranged, which is electrically connected to the energy storage of the motor vehicle. When the secondary coil of the motor vehicle is aligned with the primary coil, electrical energy can be transmitted from the primary coil to the secondary coil by means of the transformer operation. From the primary coil so a magnetic field, in particular an alternating magnetic field is generated, which induces an AC voltage in the secondary coil. This alternating voltage can then be rectified and transmitted to the electrical energy storage.
Beim induktiven Laden des elektrischen Energiespeichers weisen die Primärspule und die Sekundärspule einen vorbestimmten Abstand zueinander auf, der beispielsweise bis zu 20 cm betragen kann. Wenn sich in dem Zwischenraum zwischen der Primärspule und der Sekundärspule Fremdkörper, insbesondere metallische Fremdkörper, befinden, kann dies dazu führen, dass diese infolge des Magnetfelds erhitzt werden. Beispielsweise können durch die Ummagnetisierung oder durch Wirbelströme Temperaturen von weit mehr als 100 °C entstehen. Dadurch besteht nicht nur die Gefahr, dass sich ein Mensch an dem erhitzten Fremdkörper verbrennen kann, sondern ein solcher Fremdkörper kann auch selbst zu brennen beginnen und im schlimmsten Fall das Kraftfahrzeug entflammen. When inductive charging of the electrical energy storage, the primary coil and the secondary coil at a predetermined distance from each other, which may be up to 20 cm, for example. If foreign bodies, in particular metallic foreign bodies, are present in the intermediate space between the primary coil and the secondary coil, this can lead to them being heated as a result of the magnetic field. For example, the remagnetization or eddy currents can result in temperatures well in excess of 100 ° C. As a result, there is not only the danger that a person can burn on the heated foreign body, but such a foreign body can also start to burn itself and inflame the vehicle in the worst case.
Aus diesem Grund ist es vorgesehen, dass eine entsprechende Fremdkörpererkennungseinrichtung vorgesehen wird, mittels welcher das Vorhandensein eines metallischen Fremdkörpers in dem Magnetfeld erkannt werden kann. Hierzu sind aus dem Stand der Technik Fremdkörpererkennungseinrichtungen bekannt, welche eine Mehrzahl von Spulen aufweisen, die auf einem Substrat angeordnet sind. Mithilfe einer Auswerteeinheit kann die in die jeweiligen Spulen induzierte Spannung infolge des Magnetfelds der Primärspule erkannt werden. Falls sich ein metallischer Fremdkörper in dem Bereich einer Spule der Fremdkörpererfassungseinrichtung befindet, wird das magnetische Feld an dieser Stelle verändert. Die Folge ist eine Änderung der induzierten Spannung in der Spule, die mit der Auswerteeinheit erfasst werden kann. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Fremdkörpererfassungseinrichtungen bekannt, bei denen die Spulen auf einem entsprechenden Substrat oder auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Dieses Substrat kann dann auf der Primärspule platziert werden. For this reason, it is provided that a corresponding foreign body detection device is provided, by means of which the presence of a metallic foreign body in the magnetic field can be detected. For this purpose, foreign body detection devices are known from the prior art, which have a plurality of coils which are arranged on a substrate. By means of an evaluation unit, the voltage induced in the respective coils can be detected as a result of the magnetic field of the primary coil. If a metallic foreign object is in the region of a coil of the foreign-matter detecting device, the magnetic field is changed at that location. The result is a change in the induced voltage in the coil, which can be detected by the evaluation unit. Furthermore, foreign object detection devices are known from the prior art, in which the coils are arranged on a corresponding substrate or on a printed circuit board. This substrate can then be placed on the primary coil.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Ladevorrichtung der eingangs genannten Art, welche eine Fremdkörpererfassungseinrichtung umfasst, zuverlässiger betrieben werden kann. It is an object of the present invention to provide a solution, as a charging device of the type mentioned, which comprises a foreign body detection device, can be operated reliably.
Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a charging device having the features of
Eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Primärspule zum Breitstellen eines Magnetfelds. Darüber hinaus umfasst die Ladevorrichtung eine Fremdkörpererfassungseinrichtung zum Erfassen eines Vorhandenseins eines Fremdkörpers in dem Magnetfeld. Die Fremdkörpererfassungseinrichtung umfasst wiederum ein Substrat, auf welchem eine Mehrzahl von Spulen angeordnet ist, und eine Auswerteeinheit. Dabei ist das Substrat an einer vorbestimmten Position in dem Magnetfeld angeordnet. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, das Vorhandensein des Fremdkörpers anhand der in die Mehrzahl von Spulen induzierten elektrischen Spannung zu erfassen. Jede der Spulen weist eine vorbestimmte Anzahl von Windungen auf, wobei die Anzahl der Windungen jeder der Spulen in Abhängigkeit von einer Position der Spule in dem Magnetfeld bestimmt ist. A charging device according to the invention for inductively charging an electrical energy store of a motor vehicle comprises a primary coil for spreading a magnetic field. In addition, the charging device includes a foreign matter detecting device for detecting a presence of a foreign matter in the magnetic field. The foreign body detection device in turn comprises a substrate on which a plurality of coils is arranged, and an evaluation unit. In this case, the substrate is arranged at a predetermined position in the magnetic field. In addition, the evaluation unit is designed to detect the presence of the foreign body on the basis of the voltage induced in the plurality of coils. Each of the coils has a predetermined number of turns, the number of turns of each of the coils being determined in response to a position of the coil in the magnetic field.
Die Ladevorrichtung dient zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere dient die Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Die Ladevorrichtung umfasst die Primärspule, mittels welcher ein Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, bereitgestellt werden kann. Mithilfe der Fremdkörpererfassungseinrichtung der Ladevorrichtung kann überprüft werden, ob sich ein Fremdkörper, insbesondere ein metallischer Fremdkörper, in dem Magnetfeld befindet. Die Fremdkörpererfassungseinrichtung umfasst ein Substrat, welches beispielsweise durch eine Leiterplatte gebildet sein kann. Das Substrat kann starr ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Substrat flexibel ausgebildet ist. Auf dem Substrat ist eine Mehrzahl von Spulen angeordnet. Beispielsweise kann die Mehrzahl von Spulen verteilt auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sein. Infolge des Magnetfelds beziehungsweise des magnetischen Wechselfelds, das von der Primärspule erzeugt wird, wird in zumindest einige der Spulen eine elektrische Spannung induziert. Diese jeweilige induzierte Spannung kann mit einer Auswerteeinheit erfasst werden. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler umfassen, mittels welchem die induzierte Spannung abgetastet werden kann. Ferner kann die Auswerteeinheit dazu ausgelegt sein, die in die jeweiligen Spulen induzierten elektrischen Spannungen jeweils mit einem Sollwert zu vergleichen. Dieser Sollwert kann beispielsweise für jede der Spulen in der Auswerteeinheit hinterlegt sein. Der Sollwert kann die jeweilige induzierte Spannung beschreiben, falls sich kein metallischer Fremdkörper in dem Zwischenraum zwischen der Primärspule und der Sekundärspule befindet. The charging device is used to charge an electrical energy storage, such as a battery, a motor vehicle. In particular, the charging device is used for charging an electrical energy store of an electric vehicle or a hybrid vehicle. The charging device comprises the primary coil, by means of which a magnetic field, in particular a magnetic alternating field, can be provided. With the help of Foreign body detection device of the charging device can be checked whether a foreign body, in particular a metallic foreign body, is in the magnetic field. The foreign body detection device comprises a substrate, which may be formed for example by a printed circuit board. The substrate may be rigid. It can also be provided that the substrate is designed to be flexible. On the substrate a plurality of coils is arranged. For example, the plurality of coils may be distributed over a surface of the substrate. As a result of the magnetic field or the alternating magnetic field which is generated by the primary coil, an electrical voltage is induced in at least some of the coils. This particular induced voltage can be detected by an evaluation unit. The evaluation unit may comprise, for example, a corresponding analog-to-digital converter, by means of which the induced voltage can be sampled. Furthermore, the evaluation unit can be designed to compare the electrical voltages induced in the respective coils in each case with a desired value. This setpoint can be stored, for example, for each of the coils in the evaluation unit. The setpoint may describe the particular induced voltage if there is no metallic debris in the gap between the primary coil and the secondary coil.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass jede der Spulen eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aufweist, wobei die Anzahl der Windungen jeder der Spulen in Abhängigkeit von einer Position der Spule in dem Magnetfeld bestimmt ist. Das Substrat mit den Spulen kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der Fahrbahnoberfläche beziehungsweise der Haupterstreckungsrichtung der Primärspule angeordnet sein. Da die magnetische Feldstärke beziehungsweise die magnetische Flussdichte des Magnetfelds entlang der Leiterplatte, auf der sich die Mehrzahl von Spulen befinden, nicht konstant ist, ergeben sich unterschiedliche induzierte Spannungen in den jeweiligen Spulen. Die jeweilige induzierte Spannung in der Spule hängt von der Position der Spule in dem Magnetfeld ab. Die jeweilige Anzahl der Windungen der Spulen wird in Abhängigkeit von der Position in dem Magnetfeld bestimmt. Zu diesem Zweck kann das Magnetfeld, das von der Primärspule erzeugt wird, vermessen werden. Anschließend kann bei der Herstellung beziehungsweise bei der Auslegung der Spulen die räumliche Verteilung des Magnetfelds berücksichtigt werden. Durch die Anzahl der Windungen kann die in die jeweilige Spule induzierte Spannung angepasst werden. Wenn die Anzahl der Windungen erhöht wird, kann auch die induzierte Spannung bei gleicher magnetischer Flussdichte erhöht werden. Beispielsweise können die Windungszahlen der jeweiligen Spulen derart gewählt werden, dass sich in jeder der Spulen im Wesentlichen die gleiche induzierte Spannung ergibt. Somit kann eine zuverlässige Erfassung des Fremdkörpers unabhängig von der Position des Fremdkörpers in dem Magnetfeld erfolgen. According to the invention, it is now provided that each of the coils has a predetermined number of turns, wherein the number of turns of each of the coils is determined as a function of a position of the coil in the magnetic field. The substrate with the coils can be arranged, for example, substantially parallel to the road surface or the main extension direction of the primary coil. Since the magnetic field strength or the magnetic flux density of the magnetic field along the printed circuit board, on which the plurality of coils are located, is not constant, different induced voltages result in the respective coils. The particular induced voltage in the coil depends on the position of the coil in the magnetic field. The respective number of turns of the coils is determined as a function of the position in the magnetic field. For this purpose, the magnetic field generated by the primary coil can be measured. Subsequently, the spatial distribution of the magnetic field can be taken into account during the manufacture or during the design of the coils. By the number of turns, the voltage induced in the respective coil can be adjusted. If the number of turns is increased, the induced voltage can be increased at the same magnetic flux density. For example, the number of turns of the respective coils can be selected such that substantially the same induced voltage results in each of the coils. Thus, a reliable detection of the foreign body can be independent of the position of the foreign body in the magnetic field.
Bevorzugt ist die Anzahl der Windungen jeder der Spulen in Abhängigkeit von einer magnetischen Flussdichte des Magnetfelds an der Position der Spule bestimmt. Wie bereits erläutert, kann die magnetische Flussdichte des Magnetfelds, das von der Primärspule bereitgestellt wird, bestimmt werden. Insbesondere kann die magnetische Flussdichte für die jeweiligen Positionen, an denen die Spulen angeordnet werden sollen, bestimmt werden. Anschließend daran können dann die jeweiligen Spulen bezüglich ihrer Windungszahl ausgelegt werden. Grundsätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die räumlichen Abmessungen und/oder die Position der Spulen in Abhängigkeit von der Verteilung der magnetischen Flussdichte angepasst werden. Insbesondere kann die jeweilige Windungszahl der Spulen so angepasst werden, dass in jede der Spulen im Wesentlichen die gleiche elektrische Spannung induziert wird. Die Windungszahl der jeweiligen Spulen kann auch so angepasst werden, dass in jede der Spulen eine elektrische Spannung induziert wird, die in einem vorbestimmten Spannungsbereich liegt. Damit kann der Fremdkörper entlang der kompletten Leiterplatte beziehungsweise der Anordnung der Spulen mit der gleichen Empfindlichkeit erfasst werden. Preferably, the number of turns of each of the coils is determined in response to a magnetic flux density of the magnetic field at the position of the coil. As already explained, the magnetic flux density of the magnetic field provided by the primary coil can be determined. In particular, the magnetic flux density for the respective positions at which the coils are to be arranged can be determined. Subsequently, then the respective coils can be designed with respect to their number of turns. In principle, it can also be provided that the spatial dimensions and / or the position of the coils are adapted as a function of the distribution of the magnetic flux density. In particular, the respective number of turns of the coils can be adjusted so that substantially the same electrical voltage is induced in each of the coils. The number of turns of the respective coils can also be adapted to induce in each of the coils an electrical voltage which is within a predetermined voltage range. Thus, the foreign body along the entire circuit board or the arrangement of the coils can be detected with the same sensitivity.
In einer Ausführungsform weist eine erste der Mehrzahl von Spulen, welche an einer ersten Position mit einer ersten magnetischen Flussdichte angeordnet, im Vergleich zu einer zweiten der Mehrzahl von Spulen, welche an einer zweiten Position mit einer im Vergleich zur ersten magnetischen Flussdichte, größeren zweiten magnetischen Flussdichte angeordnet ist, eine geringere Anzahl von Windungen auf. Beispielsweise kann eine Messspule, welche in einem Bereich mit einem starken Magnetfeld angeordnet ist, nur die Hälfte oder ein Viertel der Windungen aufweisen, wie eine Spule, die in einem feldschwächeren Bereich angeordnet ist. Beispielsweise liegt im Bereich des Zentrums der Primärspule ein verhältnismäßig hohes Magnetfeld beziehungsweise ein Maximum der magnetischen Flussdichte vor. In den Randbereichen der Primärspule ist üblicherweise ein verhältnismäßig schwaches Magnetfeld mit einer geringen magnetischen Flussdichte vorhanden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Magnetfeld der Primärspule nicht symmetrisch ausgebildet ist und damit das Maximum der magnetischen Flussdichte außerhalb des Zentrums der Spule angeordnet ist. Grundsätzlich soll die Anzahl an Windungen der jeweiligen Spulen an das Magnetfeld beziehungsweise die Verteilung der magnetischen Flussdichte angepasst sein. Somit können die jeweiligen Spulen einfach an das Magnetfeld, das von der Primärspule erzeugt wird, angepasst werden. In one embodiment, a first of the plurality of coils disposed at a first position having a first magnetic flux density has, compared to a second of the plurality of coils, which at a second position having a second magnetic flux larger than the first magnetic flux density Flux density is arranged, a smaller number of turns on. For example, a measuring coil, which is arranged in a region with a strong magnetic field, have only half or a quarter of the windings, such as a coil, which is arranged in a field weaker region. For example, in the region of the center of the primary coil there is a relatively high magnetic field or a maximum of the magnetic flux density. In the peripheral areas of the primary coil, a relatively weak magnetic field with a low magnetic flux density is usually present. However, it can also be provided that the magnetic field of the primary coil is not formed symmetrically and thus the maximum of the magnetic flux density is arranged outside the center of the coil. In principle, the number of turns of the respective coils should be adapted to the magnetic field or the distribution of the magnetic flux density. Thus, the respective coils can be easily adapted to the magnetic field generated by the primary coil.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Mehrzahl von Spulen in mehrere Gruppen eingeteilt und die Spulen einer Gruppe weisen die gleiche Anzahl von Windungen auf. Diejenigen Spulen, die sich in einem Bereich befinden, in dem die magnetische Flussdichte im Wesentlichen gleich ist, können einer Gruppe zugeordnet werden. Die Spulen werden also in mehrere Gruppen eingeteilt in Abhängigkeit von ihrer Position auf dem Substrat. Somit können für die jeweiligen Bereiche, die unterschiedliche magnetischen Flussdichten ausgesetzt sind, die induzierten Spannungen zuverlässig erfasst werden. In a further embodiment, the plurality of coils is divided into several groups and the coils of a group have the same number of turns. Those coils that are in a region where the magnetic flux density is substantially the same may be assigned to a group. The coils are thus divided into several groups depending on their position on the substrate. Thus, for the respective areas exposed to different magnetic flux densities, the induced voltages can be reliably detected.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Gruppen von Spulen im Wesentlichen konzentrisch zu einem Mittelpunkt des Substrats angeordnet sind und das Substrat derart in dem Magnetfeld angeordnet ist, dass sich der Mittelpunkt in einem Bereich einer maximalen magnetischen Flussdichte des Magnetfelds befindet. Beispielsweise kann die Primärspule im Wesentlichen rund ausgebildet sein. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass das Substrat im Wesentlichen rund ausgebildet ist. Dabei kann das Substrat derart angeordnet sein, dass der Mittelpunkt des Substrats einer maximalen magnetischen Flussdichte des Magnetfelds der Primärspule zugeordnet ist. Die maximale magnetische Flussdichte kann sich beispielsweise in dem Bereich ergeben, der einem Zentrum der Primärspule zugeordnet ist. Die jeweiligen Spulen können konzentrisch zu diesem Mittelpunkt angeordnet sein. Beispielsweise können die jeweiligen Spulen, die einer Gruppe zugeordnet sind, entlang eines Kreisrings angeordnet sein, der konzentrisch zu dem Mittelpunkt angeordnet ist. Die jeweiligen Gruppen von Spulen können also insgesamt in konzentrischen Ringen angeordnet sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Spulen die Form eines Kreisringsegments aufweisen. Grundsätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Spulen rechteckförmig oder trapezförmig ausgebildet sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spulen abgerundete Ecken aufweisen. In der Mitte des Magnetfelds beziehungsweise in dem Bereich der maximalen magnetischen Flussdichte können auch zwei Spulen vorgesehen sein, die jeweils halbkreisförmig ausgebildet sind. Somit kann insgesamt eine hohe räumliche Auflösung und somit eine zuverlässige Erkennung des Fremdkörpers erreicht werden. It is preferably provided that the groups of coils are arranged substantially concentrically to a center of the substrate and the substrate is arranged in the magnetic field such that the center is in a range of a maximum magnetic flux density of the magnetic field. For example, the primary coil may be substantially round. In this case it can be provided that the substrate is substantially round. In this case, the substrate may be arranged such that the center of the substrate is associated with a maximum magnetic flux density of the magnetic field of the primary coil. For example, the maximum magnetic flux density may be in the range associated with a center of the primary coil. The respective coils may be concentric with this center. For example, the respective coils associated with a group may be arranged along a circular ring which is concentric with the center. The respective groups of coils can therefore be arranged overall in concentric rings. It can be provided that the respective coils have the shape of a circular ring segment. In principle, it can also be provided that the respective coils are rectangular or trapezoidal. It can also be provided that the coils have rounded corners. In the middle of the magnetic field or in the region of the maximum magnetic flux density, two coils can be provided, which are each formed semicircular. Thus, overall a high spatial resolution and thus a reliable detection of the foreign body can be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform weist jede der Spulen ein erstes Einzelspulenelement und zumindest ein zweites Einzelspulenelement auf, welche elektrisch parallel geschaltet sind, und das erste Einzelspulenelement ist auf einer Vorderseite und das zumindest eine zweite Einzelspulenelement ist auf einer Rückseite des Substrats angeordnet. Die Spulen können beispielsweise durch Metallschichten auf dem Substrat bereitgestellt werden, die eine verhältnismäßig geringe Schichtdicke aufweisen. Bei der Verwendung von derart ausgestalteten Spulen hat sich herausgestellt, dass die Spulen im Betrieb erwärmt werden. Dies ist durch den Skin-Effekt beziehungsweise den Verdrängungseffekt begründet, denn die Eindringtiefe ist je nach verwendeter Frequenz des Magnetfelds der Primärspule größer als die zur Verfügung stehende Schichtdicke der Spule. Um diesen Effekt zu reduzieren, werden zumindest zwei Einzelspulenelemente vorgesehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Dabei können die Einzelspulenelemente beispielsweise auf der Vorder- und Rückseite des Substrats angeordnet sein. Somit kann ein Effekt erreicht werden, der von Litzen bekannt ist. Damit kann verhindert werden, dass sich die jeweiligen Spulen im Betrieb erwärmen. Dies garantiert insgesamt einen zuverlässigen Betrieb der Spulen und somit der Fremdkörpererfassungseinrichtung. In a further embodiment, each of the coils has a first single coil element and at least one second single coil element, which are electrically connected in parallel, and the first single coil element is arranged on a front side and the at least one second single coil element is arranged on a rear side of the substrate. For example, the coils may be provided by metal layers on the substrate that have a relatively small layer thickness. When using coils designed in this way, it has been found that the coils are heated during operation. This is due to the skin effect or the displacement effect, because the penetration depth is greater than the available layer thickness of the coil, depending on the frequency of the magnetic field of the primary coil used. In order to reduce this effect, at least two individual coil elements are provided which are electrically connected in parallel. In this case, the individual coil elements can be arranged, for example, on the front and back of the substrate. Thus, an effect known from strands can be achieved. This can prevent the respective coils from heating up during operation. This guarantees overall reliable operation of the coils and thus the foreign body detection device.
In einer weiteren Ausführungsform weist jede der Spulen zumindest ein drittes Einzelspulenelement auf, welches in einer Zwischenschicht des Substrats angeordnet ist und welches zu dem ersten Einzelspulenelement und dem zweiten Einzelspulenelement elektrisch parallel geschaltet ist. Die Zwischenschicht des Substrats kann insbesondere parallel zu der Vorderseite und der Rückseite des Substrats angeordnet sein. Das Substrat kann beispielsweise eine mehrschichtige Leiterplatte sein. Grundsätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere Einzelspulenelemente vorgesehen sind, die in parallelen Zwischenschichten des Substrats beziehungsweise der Leiterplatte angeordnet sind. Damit kann eine Erwärmung der Spulen im Betrieb verhindert werden. In a further embodiment, each of the coils has at least one third individual coil element, which is arranged in an intermediate layer of the substrate and which is electrically connected in parallel to the first single coil element and the second single coil element. The intermediate layer of the substrate may in particular be arranged parallel to the front side and the rear side of the substrate. The substrate may be, for example, a multilayer printed circuit board. In principle, it can also be provided that a plurality of individual coil elements are provided, which are arranged in parallel intermediate layers of the substrate or the printed circuit board. This can prevent heating of the coils during operation.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einzelspulenelemente gleich ausgebildet sind und entlang einer Normalen des Substrats fluchtend zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten weisen die Einzelspulenelemente die gleichen räumlichen Abmessungen und die gleiche Windungszahl auf. Die Einzelspulenelemente weisen also die gleiche Spulengeometrie auf. Die Einzelspulen sind so angeordnet, dass, wenn man durch das Substrat blicken würde, die beiden Einzelspulenelemente deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung der elektrisch parallel geschalteten Einzelspulenelemente ergeben sich daher zwei gleiche Wicklungen, die mit einer mehradrigen Litze vergleichbar sind. Somit kann beispielsweise bei Frequenzen des Magnetfelds, die unter 150 kHz liegen, bei einer Schichtdicke der jeweiligen Einzelspulen, die beispielsweise unter 105 µm liegt, die notwendige Eindringtiefe erreicht werden, so dass insgesamt der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Furthermore, it is advantageous if the individual coil elements are of identical design and are arranged in alignment with one another along a normal of the substrate. In other words, the single coil elements have the same spatial dimensions and the same number of turns. The individual coil elements thus have the same coil geometry. The individual coils are arranged so that, if one would look through the substrate, the two individual coil elements are arranged congruent to each other. By virtue of this arrangement of the individual coil elements connected electrically in parallel, therefore, two identical windings result, which are comparable to a multi-core stranded wire. Thus, for example, at frequencies of the magnetic field which are below 150 kHz, with a layer thickness of the respective individual coils, which is for example less than 105 microns, the necessary penetration depth can be achieved, so that overall the efficiency can be improved.
In einer weiteren Ausführungsform ist jede Spulen mit zumindest einem Kondensator und/oder mit zumindest einem Widerstand zum Anpassen der induzierten Spannung elektrisch verbunden. Die in die jeweiligen Spulen induzierte elektrische Spannung wird dabei mit der Auswerteeinheit erfasst. Dabei hat es sich herausgestellt, dass es sinnvoll ist, die induzierte Spannung der Spulen nicht direkt hochohmig zu messen, sondern diese vorher mittels zumindest eines zusätzlich eingebrachten Kondensators in Resonanz zu bringen. Mit anderen Worten ergibt sich aus der Verschaltung der jeweiligen Spule mit dem zumindest einen Kondensator ein Schwingkreis. Somit kann mit der Auswerteeinheit eine induzierte Spannung erfasst werden, die im Wesentlichen einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Derartige sinusförmige Signale können einfach und zuverlässiger ausgewertet werden. Grundsätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Spulen mit mehreren Kondensatoren elektrisch verbunden werden. Dabei können die Kondensatoren in Reihe und/oder parallel zu den Spulen geschaltet sein. Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Amplitude der induzierten Spannung angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Kapazität des zumindest einen Kondensators so gewählt werden, dass eine gewollte Abweichung aus der idealen Resonanz des Schwingkreises erreicht wird. Somit kann die Amplitude der induzierten Spannung einfach angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass jede der Spulen mit einem Widerstand beziehungsweise einem Dämpfungswiderstand verbunden wird. Wenn die jeweilige Spule zudem mit zumindest einem Kondensator verbunden ist, kann hierbei eine Erwärmung des zumindest einen Kondensator verhindert werden. Zudem kann durch den Widerstand der in dem Schwingkreis fließende elektrische Strom begrenzt werden, so dass eine Temperaturerhöhung der elektronischen Bauelemente ebenfalls begrenzt wird. Dies ermöglicht es insbesondere, den zumindest einen Kondensator und/oder den zumindest einen Widerstand als SMD-Bauteile zu realisieren. Diese können besonders platzsparend auf dem Substrat angeordnet werden. Ferner kann durch die Wahl des zumindest einen Widerstands die induzierte Spannung auf ein vorbestimmtes Niveau beziehungsweise auf einen vorbestimmten Wert angepasst werden. Insgesamt kann der zumindest eine Kondensator und/oder der zumindest eine Widerstand für jede der Spulen so gewählt werden, dass die induzierten Spannungen jeder der Spulen im Wesentlichen gleich sind. In a further embodiment, each coil is electrically connected to at least one capacitor and / or to at least one resistor for adjusting the induced voltage. In the the respective coils induced electrical voltage is detected with the evaluation unit. It has been found that it makes sense not directly high impedance to measure the induced voltage of the coils, but to bring them in advance by means of at least one additionally introduced capacitor in resonance. In other words, the connection of the respective coil with the at least one capacitor results in a resonant circuit. Thus, with the evaluation unit, an induced voltage can be detected, which has a substantially sinusoidal course. Such sinusoidal signals can be evaluated easily and reliably. In principle, it can also be provided that the respective coils are electrically connected to a plurality of capacitors. The capacitors may be connected in series and / or parallel to the coils. This results in the advantage that the amplitude of the induced voltage can be adjusted. For example, the capacitance of the at least one capacitor can be chosen so that a desired deviation from the ideal resonance of the resonant circuit is achieved. Thus, the amplitude of the induced voltage can be easily adjusted. Alternatively or additionally, it can be provided that each of the coils is connected to a resistor or a damping resistor. If the respective coil is additionally connected to at least one capacitor, heating of the at least one capacitor can be prevented in this case. In addition, can be limited by the resistance of the current flowing in the resonant circuit electrical current, so that a temperature increase of the electronic components is also limited. This makes it possible in particular to realize the at least one capacitor and / or the at least one resistor as SMD components. These can be arranged in a particularly space-saving manner on the substrate. Furthermore, by selecting the at least one resistor, the induced voltage can be adjusted to a predetermined level or to a predetermined value. Overall, the at least one capacitor and / or the at least one resistor for each of the coils can be chosen such that the induced voltages of each of the coils are substantially equal.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, für jede der Spulen einen Messwert zu bestimmen, welcher die in die Spule induzierte Spannung beschreibt, und den Messwert zu gewichten. Insgesamt ist es das Ziel, für jede der Spulen im Wesentlichen die gleiche Auswertespannung und/oder den gleichen Auswertestrom zu erhalten. Infolge von Toleranzen bei den elektronischen Bauteilen, Temperatureinflüssen oder magnetischer Toleranzen können jedoch die jeweils in die Spulen induzierten Spannungen variieren. Hierzu ist es vorgesehen, dass die Auswerteeinheit die jeweiligen induzierten Spannungen erfasst und auf Grundlage der jeweiligen erfassten induzierten Spannungen einen Messwert bereitstellt. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass vor dem Beginn des Betriebs und/oder vor der Auslieferung ein automatischer Abgleich durchgeführt wird. Dabei kann die induzierte Spannung bei aktivierter Primärspule und ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers jede der Spulen einzeln eingelesen werden. Mithilfe der Auswerteeinheit, die beispielsweise einen entsprechenden Mikroprozessor umfassen kann, können die jeweiligen erfassten induzierten Spannungen beziehungsweise die daraus abgeleiteten Messwerte entsprechend gewichtet werden. Zu diesem Zweck können die jeweiligen Messwerte beispielsweise mit einem Faktor belegt beziehungsweise faktorisiert werden, so dass sich für jede der Spulen der gleiche Messwert ergibt. Somit kann ein Fremdkörper anschließend zuverlässig erfasst werden. In a further embodiment, the evaluation unit is designed to determine a measured value for each of the coils, which describes the voltage induced in the coil, and to weight the measured value. Overall, the goal is to obtain substantially the same evaluation voltage and / or the same evaluation current for each of the coils. Due to tolerances in the electronic components, temperature influences or magnetic tolerances, however, the voltages induced in the coils can vary. For this purpose, it is provided that the evaluation unit detects the respective induced voltages and provides a measured value on the basis of the respective detected induced voltages. In this case, it is provided in particular that an automatic adjustment is performed before the start of operation and / or before delivery. In this case, the induced voltage can be read individually when activated primary coil and without the presence of a foreign body each of the coils. With the aid of the evaluation unit, which may include, for example, a corresponding microprocessor, the respective detected induced voltages or the measured values derived therefrom can be weighted accordingly. For this purpose, the respective measured values can, for example, be assigned or factorized by a factor, so that the same measured value results for each of the coils. Thus, a foreign body can then be reliably detected.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures, can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the frame to leave the invention.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will now be described with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. Showing:
In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Infolge des Magnetfelds
Die Ladevorrichtung
Vorliegend sind die Spulen
Das Substrat
Infolge des Magnetfelds
Auf dem Substrat
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Anordnung arrangement
- 2 2
- Ladevorrichtung loader
- 3 3
- Primärspule primary coil
- 4 4
- Fahrbahnboden roadway floor
- 5 5
- Energiequelle energy
- 6 6
- Leistungselektronikeinheit Power electronics unit
- 7 7
- Magnetfeld magnetic field
- 8 8th
- Sekundärspule secondary coil
- 9 9
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- 10 10
- Ladeeinheit charging unit
- 11 11
- Energiespeicher energy storage
- 12 12
- Antrieb drive
- 13 13
- Fremdkörpererfassungseinrichtung Foreign body detection device
- 14 14
- Substrat substratum
- 15 15
- Spule Kitchen sink
- 16 16
- Auswerteeinheit evaluation
- 17 17
- Zwischenraum gap
- 18, 19, 20 18, 19, 20
- Gruppe group
- 21 21
- Mittelpunkt Focus
- 22, 23 22, 23
- Einzelspulenelement Single coil element
- 24 24
- Vorderseite front
- 25 25
- Rückseite back
- 26 26
- Durchkontaktierung via
- 27 27
- Kondensator capacitor
- 28 28
- Widerstand resistance
Claims (11)
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DE102015221587.3A DE102015221587A1 (en) | 2015-11-04 | 2015-11-04 | Charging device for inductively charging an electrical energy storage device of a motor vehicle with a foreign body detection device |
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