CN102548789B - 用于感应输送电能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从具有至少一个初级感应器的静止单元感应输送电能至所述静止单元附近的、具有至少一个次级感应器的车辆的装置。所述静止单元或车辆具有用于检测在预定的空间内物体的存在的设备，该空间至少包括在感应输电期间位于初级感应器和次级感应器之间的空间。所述检测设备具有至少一个无接触式传感器和与所述传感器连接的分析设备。至少检测设备的传感器和输电装置的初级或次级线圈安装在相同的壳体之中或者之上。所述传感器可以是超声波传感器、雷达传感器、红外线传感器或者电子图像传感器。

Description

用于感应输送电能的装置
技术领域
本发明涉及一种用于感应输送电能的装置，所述装置用于从具有至少一个初级感应器的静止单元感应输送电能至位于所述静止单元附近的、具有至少一个次级感应器的车辆。这种装置用于安装在电动车辆中的、可再充电的电池的感应充电。在输电期间，在静止的初级线圈和车辆侧的次级线圈之间的空间区域中形成了具有高的场强和通量密度的磁场。为了在次级线圈中感应出对于所追求的输送功率来说足够的高电流，前述情况是必须的。
背景技术
如果人、人的四肢或动物进入该区域内，那么会感应出流过人体的电流。尽管可以认为，通常这不会导致直接的危险，尤其在不需要担心较长时间地处于该区域中的情况下。然而，由于尤其是儿童或家畜可能无意中暴露于强磁场，会限制在一些人群中对感应输电的接受度。
还应该注意，人体可能会携带形式为耳环、手镯、工具、植入体等导电物体。对动物来说同样存在形式为颈圈的情况。如果这些物体受到强交变磁场的作用，那么根据材料、暴露时间、相对于场的取向和场强强度，在这些物体中感应出涡流，所述涡流引起加热。当存在相应的条件时，可能会达到导致损坏和/或危险的温度。此外，被玩耍的儿童出于好奇而故意带入感应输电装置的场区域内的导电物体也可能导致这种情况的发生。
由于感应输电系统的目前应用的特性，这种类型的危险被评价为不重要的。在具有驾驶员的车辆的情况下，在训练的框架内可以指出，在工作中要注意异物的存在，并在感应输送启动之前去除异物，或者在有怀疑的情况下中断感应输送。然而，对很大程度的自动化运行来说或者当在公众可接近的区域中使用这种系统从而必须认为有较高的安全性要求时，在场区域中异物的存在看来是一个未解决的安全问题。在此，在输电过程中异物的侵入是尤其关键的，因为无论如何不能假设，车辆的驾驶员在输电期间监视场区域，即初级线圈和次级线圈的壳体之间的区域。相反，通常在充电过程的绝大部分期间，车辆是完全不被监管的。
由US2007/0145830A1已知一种用于无线输送电能至电子设备的系统，所述系统具有多个初级线圈，因此不再需要初级线圈和次级线圈之间的精确的对准。在该文献中，尽管提及了存在金属异物的问题，但是使用金属检测器被当作是无用的而不被采纳。相反地，通过电路技术方面的措施确保了仅在由次级线圈和并联的调谐电容器组成的谐振电路接近初级侧时，系统才处于谐振状态，初级电流因此大幅增强，其中初级电流基本上集中在紧邻次级线圈的一个或少数初级线圈上。在这种情况下，导电的异物不再是问题，因为其不再形成谐振电路。
US2009/0001932A1教导了一种用于对便携式电子设备的电池进行感应充电的装置，该装置配备有用于检测异物的设备。通过监控初级电压来检测异物的存在，该初级电压在正常工作期间由于负载电流的调制而受到次级侧的影响。此外，提供光学传感器以便将可再充电的电子设备与异物区分开，其中该光学传感器包括在次级侧的发光设备和在初级侧的光线接收设备。
WO2008/051611A1公开了一种用于对具有多个初级和次级线圈的电动车辆的电池进行感应充电的系统。在此文献中，没有提及在磁场区域中可能存在异物会导致的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于检测在感应输电系统的场区域中的异物的简单而有效的解决方案，以提高这种系统的工作安全性。
根据本发明，该目的通过具有下个段落中所述的特征的装置实现。
根据本发明，在用于从具有至少一个初级感应器的静止单元感应输送电能至与所述静止单元相邻的、具有至少一个次级感应器的车辆的装置中，所述静止单元或车辆具有用于检测在预定空间内物体的存在的设备，该空间至少包括在输电期间位于初级感应器和次级感应器之间的空间。所述检测设备具有多个传感器和与所述传感器连接的分析设备，所述分析设备具有比较设备，所述比较设备将由单个传感器发出的信号彼此比较，并确定所述信号彼此之间的偏差程度。
这样使得能够基于多个传感器的信号之间的差异确定异物侵入由输电产生的场区域中并适当地作出反应。
特别地，所述分析设备具有时间测量设备，借助于所述时间测量设备测得超出预定的最小值的所述偏差的持续时间和/或随时间的变化；并且仅当所述测得的持续时间超出预定的最小持续时间时，才发出所述指示异物的存在的信号。
可以设有例如形式为超声波、雷达或红外线传感器或者电子图像传感器的无接触式传感器，所述传感器有利地至少部分地和输电装置的初级感应器或次级感应器安装在相同的壳体中或者连接到该壳体上。
用于识别在输电的场区域内异物的存在的可能的标准为，传感器信号与基准值或基准信号的偏差，单个传感器信号相互之间的偏差，以及传感器信号随时间的变化。尤其是最后提到的那个标准提供了异物侵入输电的场区域的典型的标记。输出警报信号、去激活初级感应器的供电以及在异物从场区域中再次离开后恢复供电属于对异物存在的合适反应。
附图说明
下面根据附图描述本发明的实施例。其中：
图1示意性地示出用于感应输电的充电站以及处于充电位置的电动车辆；
图2示意性地示出通过具有多个传感器的根据本发明的布置检测异物；
图3以俯视图示意性地示出图2中的传感器布置；以及
图4示出仅具有唯一的传感器的传感器布置。
具体实施方式
图1示意性地以剖视图（上部）和俯视图（下部）示出电动车辆1，该电动车辆1位于充电站的初级线圈2的上方以给其电池充电。在车辆1的底面上，与电子充电设备5连接的次级线圈4位于壳体3中。该电子充电设备将感应输入次级线圈4的电功率的参数转变为适合用于车辆1的电池的充电的值。由充电站的供电单元6为初级线圈2供电，且初级线圈2安置在壳体8中，该壳体8固定地定位在停车位上。供电单元6由充电站的控制单元7控制。
在图1中以虚线示出由初级线圈2在工作中产生的交变磁场的若干场线9。该交变磁场的主方向对应于初级线圈2的线圈轴线的方向，因此为竖直方向。在工作中，在紧挨初级线圈2的壳体8的上方的空间10中存在高的磁场强度和通量密度。就在这里存在如前所述暴露于危险的电势的异物11。
图2是以图1的上部部分中的对应于一个细节（即初级线圈2和次级线圈4的紧邻的区域）的放大视图示出用于识别异物11的根据本发明的传感器布置的例子。紧邻次级线圈4的壳体3的区域中布置了两个类型相同的传感器12和13，该传感器12和13按照无接触式作用原理工作。总体还设有两个另外的同类型的传感器14和15，其在图2中看不到，然而在图3的俯视图中能看到这两个传感器14和15。这四个传感器12至15以正方形或长方形的形式至少近似对称地布置。
像在图2和图3中通过波前/波阵面示出的那样，在激活状态下传感器12至15发射出波形信号，该波形信号被异物11反射，其中该反射取决于异物11的位置、尺寸和材料。传感器12至15接收被反射的信号并把基于接收到的反射信号的测量信号分别发射给分析设备16。例如，传感器12至15可以为超声波、雷达或红外线传感器。在感应输电开始之前通过分析设备16激活这些传感器，为此，分析设备16从充电站的控制单元7获得指示感应输电即将开始的信号。
作为有源传感器12至15的替代，还可以使用无源传感器，例如基于热电的无源的红外线传感器，其通常在用于照明控制的移动传感器中采用。这种传感器对热辐射做出反应，并因此尤其适合用于检测具有与环境相比更高的温度的生物或生物的身体的部分，即用于检测特别重要类型的异物11。
由单个的传感器12至15提供的测量信号在分析设备16中被持续地彼此比较，且在必要时也与基准值或基准信号比较。在图3示出的传感器布置中，当不存在异物11时，由传感器12发射的信号主要沿位于对面的传感器15的方向被初级线圈2的壳体8的表面反射，且仅极小部分返回发射的传感器12。在相反的方向上同样的情况也适用于这两个传感器12和15，且沿两个方向适用于两个另外的彼此相对的传感器13和14。但是，当存在异物11时，返回各个发射的传感器的反射显著增强。这是通过分析设备16根据传感器12至15的测量信号检测异物11的第一可行标准。
此外，如图2和3所示，当异物11相对于传感器12至15的位置不对称时，对单个的传感器12至15来说被反射的信号的强度是不同的。即使异物11在其运动时偶然停在相对于传感器12至15对称的位置，在侵入输电产生的场区域10期间其最初沿着运动路径的位置也是不对称的。因此，传感器12至15的测量信号之间的差异提供了通过分析设备16检测异物11的另一标准。
此外，通过分析设备16检测异物11的另一可行方案在于，记录测量信号随时间的变化并监控是否出现显著的随时间的变化。异物11在被传感器12至15监控的空间10内的运动在传感器12至15的测量信号中实际上表现为出现显著的随时间的变化。应该理解，异物11从外部侵入被监控的空间10必然也与在空间10内的运动相联系。
前述的三种标准可以由分析设备16选择性地单一地或彼此并行地用于传感器12至15的测量信号，在后一种情况下，根据合适的启发式规则，也可以彼此结合起来。例如，为了避免错误警报，可以要求在异物被视作已识别之前，所有三个标准或三个标准中的至少两个都指示异物11的侵入。此外，还可以要求，在异物11最终被视作已识别之前，指示异物11存在的标准在预定的最小长度的时间间隔内必须一直被满足，以避免错误识别。
如果也需要检测静止的异物11，那么对此异物监控测量信号的变化显然不适合作为识别标准，并且比较不同的测量信号仅在一定条件下适合，因为将不能识别偶尔对称地定位的异物11。然而，首先具有意义的是检测在车辆1泊车后随后侵入场区域10的异物11，这种侵入总是与不同的测量信号的变化和不对称性联系在一起。
无论在分析设备16中使用何种标准以识别异物11，以及无论不同的标准是否彼此结合和如何结合，每当分析设备16识别出异物11时，该分析设备总是向指示设备17发送输出信号，该指示设备17发出光学和/或声学的警报。此外，分析设备16也与充电站的控制单元7连接，并向控制单元7发送中断输电、即中断初级线圈2的供电的信号。此外，还向合适的位置，例如向充电站的操作员或车辆1的驾驶员发出通知。
实际上，在察觉到有异物11在场区域10中运动时不直接做出反应、而是等待直到可以确认这不是简单的暂时通过场区域10就足够了。当确定人或动物完全或部分地停留在输电的场区域10中时，可以首先借助于合适的措施，例如通过汽车喇叭作为指示设备17发出警报。当在一定的时间内没有发觉异物离开被监控的空间10，那么可以中断输电，即通过控制单元7去激活初级线圈2的供电单元6。在中断输电时，继续监控空间10。如果随后确定异物已离开被监控的区域，那么立即再次开始输电。然而，如果持续存在的状态，那么可以通知相关部门，该相关部门检查情况，必要时排除情况并反馈这种排除。如果在较长一段时间内中断输电或终止了输电从而看来不能传输足够的能量时，则相应地通知车辆1的驾驶员或在自动化工作时通知上级的设备控制装置。
图2和图3示出，传感器12至15在车辆侧布置在次级线圈4的区域内。指示设备17既可以在车辆侧例如以使用现有的车辆喇叭的形式实现，也可以在车辆外部作为充电站的组成部件实现。控制单元7不位于车辆1上，而是充电站的组成部件。因此，车辆侧的分析设备16与控制单元7之间的通信是无线的。如果指示设备17属于充电站的一部分，那么这同样适用于指示设备17。
图4示出与本发明的前述实施方式相比经简化的变型，该变型仅使用唯一的传感器18。这种唯一的传感器18最好居中安装在次级线圈4的壳体3上，其中传感器18可以部分地或整个安装在壳体3中，如图4中所示。在这种情况下，取消了把不同传感器的测量信号之间的比较作为识别标准的可行性。然而，保留了观察由传感器18发出的测量信号在时间上的变化的可行性，其指示运动的异物11。此外，对发射波形信号且接收经反射的信号的有源传感器来说，当已知在对面的初级线圈2的壳体8上的反射的经过时间时，也可以考虑把发射和接收之间的信号经过时间作为用于异物11的识别标准。
在此也可以使用无源传感器18。例如，它可以是电子图像传感器。在这种情况下，初级线圈2的壳体8的上表面的图像可以存储在分析设备16中，在车辆1泊车后把该图像与由传感器18提供的图像作比较。为了使异物11的识别更容易，壳体8的表面可以具有独特的图案，其中异物11作为干扰在视觉上将明显引人注目。为了避免环境光线条件的任何影响，使用的频谱范围也可以在可视范围之外，例如位于红外线范围中。也可以按时间记录传感器18的、在此形式为图像信号的测量信号，并监控指示异物11的运动的该测量信号的变化。
对仅具有唯一的传感器18的简化变型来说，在与充电站的控制单元7通信以及通过指示设备17输出警报方面，适用于具有多个传感器12至15的方案的内容同样适用于该简化变型。反之，对具有多个传感器的方案来说，这些传感器也可以完全或部分地安装在壳体3中，而不是像图2和3中那样安装在壳体3外部。
虽然前述的实施例具有在次级侧（即车辆侧）的传感器12至15或18以及分析设备16的布置，然而同样可以把这些系统组成部件布置在初级侧，例如在初级线圈2的壳体8附近或其上，或者把它们完全或部分地集成在该壳体8中。在这种情况下，整个用于检测异物的系统集中在充电站中。然而也可以设想在一侧（例如在车辆侧）设有一个或多个波形信号发射器，并在另一侧（例如初级侧）设有一个或多个接收器作为传感器，从而波的传播在空间10中被异物11干扰，并能够据此在接收器侧检测异物11。此外，传感器也可以安置在两侧上，即同时在车辆侧和初级侧上。
除了集中在中央分析设备16中，信号处理的功能也可以分配给多个单个的传感器12至15或18，从而仅这些传感器12至15的状态报告汇集在简化的中央的分析设备中，该状态报告指示传感器12至15本身是否分别已识别异物11。在这种情况下，分析设备16的一些部分将通过传感器12至15或18实现。对唯一的传感器18来说，该传感器18也可以与分析设备16一体化为共同的结构单元。
此外，分析设备16还可以与为了其它目的设置在车辆1中或上的用于其它传感器的信号的分析设备相组合。尤其存在具有无接触式距离传感器的车辆，其用作所谓的驾驶员辅助系统的一部分，以用于辅助驾驶员泊车，和/或在行驶期间帮助驾驶员与在前行驶的车辆保持足够的安全距离。当车辆1本身配备有这种系统、且进而具有用于无接触式距离传感器的信号的分析设备时，在成本方面的优势在于，可以不设置用于根据本发明的检测设备的单独的分析设备16，而是在唯一的中央分析设备中处理车辆1的所有无接触式距离传感器的信号，包括通过本发明添加的传感器（12至15；18）的信号，也就是说，对于在车辆1中已经存在的分析设备仅在其功能范围方面相应地扩展。

Claims (12)

1.一种输电装置，所述输电装置用于从具有至少一个初级感应器(2)的静止单元感应输送电能至位于所述静止单元附近的、具有至少一个次级感应器(4)的车辆(1)，其特征在于，所述静止单元或车辆(1)具有用于检测在预定的空间内物体(11)的存在的检测设备，所述空间至少包括在输电期间位于所述初级感应器(2)和所述次级感应器(4)之间的空间(10)；以及，所述检测设备具有多个传感器(12至15)和与所述传感器(12至15)连接的分析设备(16)，其中所述分析设备具有比较设备，所述比较设备将由单个传感器(12至15)发出的信号彼此比较，并确定所述信号彼此之间的偏差程度。
2.根据权利要求1所述的输电装置，其特征在于，所述检测设备的所述传感器为无接触式传感器(12至15；18)。
3.根据权利要求1或2所述的输电装置，其特征在于，所述检测设备的所述传感器(12至15)至少部分地与所述输电装置的所述初级感应器(2)或所述次级感应器(4)同样安装在相同的壳体(8；3)中或附接于该壳体上。
4.根据权利要求1或2所述的输电装置，其特征在于，所述传感器(12至15)是超声波、雷达或红外线传感器，或者电子图像传感器。
5.根据权利要求1或2所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)具有比较设备，所述比较设备将由所述传感器(12至15；18)发出的信号与基准值或基准信号比较，并确定与所述基准值或基准信号的偏差程度/值。
6.根据权利要求5所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)确定由所述传感器(12至15；18)发出的信号随时间的变化的值。
7.根据权利要求6所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)具有至少一个输出，当由所述传感器发出的信号与所述基准值或基准信号的偏差超出预定的最小值时，和/或当由所述传感器发出的信号之间的偏差超出预定的最小值时，和/或当随时间的变化超出预定的最小值时，指示异物(11)的存在的信号从所述输出发出。
8.根据权利要求7所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)具有时间测量设备，借助于所述时间测量设备测得超出预定的最小值的所述偏差的持续时间和/或超出预定的最小值的所述随时间的变化的持续时间；并且仅当所述测得的持续时间超出预定的最小持续时间时，才发出所述指示异物(11)的存在的信号。
9.根据权利要求7所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)的输出与指示设备(17)连接；并且指示异物(11)存在的、从所述输出发出的信号触发所述指示设备(17)产生警报信号。
10.根据权利要求7所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)的输出与控制所述初级感应器(2)的供电单元(6)的控制单元(7)连接；并且指示异物(11)存在的、从所述输出发出的信号触发所述控制单元(7)去激活对所述初级感应器(2)的供电。
11.根据权利要求10所述的输电装置，其特征在于，当不再发出指示异物(11)存在的所述信号时，由所述分析设备(16)通过与所述控制单元(7)连接的输出来触发所述控制单元(7)，以便再次激活对所述初级感应器(2)的供电。
12.根据权利要求1或2所述的输电装置，其特征在于，所述分析设备(16)与设置在所述车辆(1)中或上的用于其它传感器的信号的分析设备相结合。
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