CN104271387A - 用于感应式功率传输的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感应式功率传输的装置，该装置包括具有初级线圈(6)的初级单元(1)和具有次级线圈(6)的次级单元(2)，并且在该装置中初级线圈在初级单元和次级单元之间的传输区域中产生传输磁场(8)，其中，所述装置包括金属检测器单元，并且该金属检测器单元适合用于检测处于传输区域中的金属物体。

Description

用于感应式功率传输的装置
技术领域
本发明涉及一种用于感应式功率传输的装置，该装置包括具有初级线圈的初级单元和具有次级线圈的次级单元，并且在该装置中初级线圈在初级单元和次级单元之间的传输区域中产生传输磁场。
背景技术
由现有技术已知感应式功率传输系统。例如在文献FR 2 947 114A1中描述了一种用于车辆的为电蓄能器充电的感应充电装置。该感应充电装置包括具有初级线圈的地面单元和具有次级线圈的车辆单元。两个线圈之间的距离在充电时约为0.1m。
用于电动车辆的感应充电装置设计用于传输数千瓦范围内的功率。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种改进的用于能量传输的装置。
该任务通过一种根据权利要求1的装置得以解决。本发明的有利实施方式和扩展方案由从属权利要求给出。
根据本发明，该装置包括金属检测器单元，该金属检测器单元适合用于检测处于传输区域中的金属物体。
在感应式功率传输例如以便为电动汽车充电时，在传输区域中存在这样高的场强，以致金属物体基于感应的涡流而受到强烈加热。有利的是，可提早检测传输区域中或传输区域附近的金属物体，即，在可能发生这种加热之前。
根据本发明的一种优选实施方式，金属检测器单元具有至少一个线圈对，该线圈对具有一个发射线圈和一个信号线圈。
有利的是，金属检测器单元可根据脉冲测量法和/或根据交流电测量法以交变频率工作。
这意味着，在传输区域中传输场与由发射线圈产生的磁场叠加。该磁场被称为检测场。
根据一种特别优选的实施方式，信号线圈具有至少两个线圈元件(10b、10c)，这两个线圈元件反向卷绕，这两个线圈元件电串联连接，并且关于一条轴对称，传输场在传输区域中沿该轴定向。
因此，可确保信号线圈对于大致均匀的传输场是不敏感的。如果这两个对称线圈元件被均匀的磁场穿过，则不产生合成的总电压，因为在这两个线圈元件中感应的电压串联并且极性相反。因此在信号线圈的参照系统中传输场被分离并且信号线圈对于由出现在或处于传输区域中的金属物体引起的检测场的改变是特别敏感的。
根据另一种变型方案，初级线圈产生具有传输频率的传输场，该传输频率超出交变频率多倍或低于交变频率多倍。
这提供附加的可能性：在信号检测时将通过传输场引起的信号线圈的剩余感应与通过检测场或受到金属物体干扰的检测场引起的感应分离。
有利的是一种系统，其包括根据本发明的用于感应式功率传输的装置和车辆，在其中，电功率可感应传输给车辆，该系统包括次级单元，次级单元位于车辆底板的区域中，初级单元位于车辆之外，并且金属检测器单元包含于初级单元或次级单元中。
这意味着，车辆可感应充电并且感应式充电装置具有金属检测器。该金属检测器能够监控初级单元和次级单元之间的功率传输区域是否存在或进入了金属物体并且必要时影响或中断充电过程。这意味着高度的系统安全性，因为金属物体有可能由于车辆充电时存在的场强中的涡流被加热直至自燃。
本发明基于下述思考：
目前在用于功率传输以便例如为具有电气化动力传动系的车辆充电的感应系统中不存在可低成本且可靠地识别传输路径中的金属物体的系统。光学系统、如红外摄像机容易受到污染并且仅在金属物体不被中性物体覆盖时才能检测到金属物体被加热。尺寸适合的超声波系统识别所有与车辆相比足够大的物体。不能识别小的或扁平的物体(如硬币)。超声波系统甚至可降低可用性，因为有可能将非金属物体识别为金属物体。传统的金属检测器——如由地质学中已知的——受到系统中存在的磁性物体和金属物体以及受到例如电动车辆充电时很强的传输场干扰。
用于功率传输的感应系统的缺点在于：感应系统加热处于传输路段中的金属物体。由此产生危险、例如在接触物体时或由于点燃附近易燃物质的伤害危险。
因此，建议改进传统金属检测器系统的一些特性，以便也能够在感应传输路径中并且在感应功率传输期间使用常见的、已证明有效的系统。
用于在功能上分离检测器功能和感应能量传输的重要设计元素是检测器线圈的设计以及使用在频率空间中明显远离的频率范围(检测器与传输)连同相应的信号滤波。
附图说明
下面借助附图说明本发明的优选实施例。由此给出本发明的其它细节、优选实施方式和扩展方案。示意性地详细示出：
图1为用于感应式功率传输的包括检测器单元的装置；
图2为检测器单元的局部图；
图3为z轴方向的信号线圈。
具体实施方式
图1示出用于感应式功率传输的装置。该装置例如适合用于将电功率传输给车辆，以便例如为车辆的蓄能器充电。该装置包括具有初级线圈(6)的初级单元(1)和具有次级线圈(7)的次级单元(2)。
初级线圈产生具有传输频率的交变磁场，该交变磁场根据感应原理在次级线圈上感应出电压。该电压在车辆中可用作充电电压。交变磁场称为传输场。
在该装置用于为车辆蓄能器感应充电时，次级单元可集成在车辆底板的区域中。初级单元位于车辆之外并且例如可集成在停车场和/或车辆充电站中。
当车辆定位在车辆充电站的区域中，以致次级线圈在x方向和y方向上与初级线圈形成充分的空间重叠时，便可为车辆充电。此外，x方向和y方向参照对于技术人员已知的车辆坐标系。在该实施例中，传输场在传输区域中沿z轴方向定向并且关于z轴旋转对称。这是交变磁场，其频率被称为传输频率。
在充电时，初级线圈产生传输场(8)，该传输场可以是关于z轴旋转对称的。传输场的在充电时位于初级单元和次级单元之间的场区域被称为传输区域。
通过分别在初级线圈和次级线圈的沿z方向背离传输区域的一侧使用两个铁氧体(4、5)，可实现附加地在传输区域中集中传输场。初级线圈和铁氧体(4)集成在第一壳体(1)中并且次级线圈和铁氧体(5)集成在第二壳体(2)中。
在传输区域中设置有一个金属检测器单元，该金属检测器单元包括发射单元(9)和信号单元(10)。两个单元基本上都垂直于z轴设置在传输区域中。
发射单元包括多个发射线圈，如(9a)，这些发射线圈与相同数量的信号线圈、如(10a)相对置。这在图2中示出。每个发射线圈产生一个检测场(11)，该检测场与传输场(8)叠加。如果有金属物体处于传输区域中或进入传输区域，则定义的检测场基于金属物体与检测场的相互作用发生变化。代替实际的检测场，由信号线圈检测所产生的叠加场。因此可检测金属物体是否存在于检测场中。
在信号线圈的参考系统中，检测场与传输场的叠加也导致检测到不同于检测场的场，这可推导出金属物体的存在。为了避免这点，以特殊方式构造信号线圈，参见图3。从z轴看，每个信号线圈具有两个子线圈(10b、10c)，这两个子线圈反向卷绕并且彼此电串联作用。两个线圈部分关于z轴对称，因此它们在同一时刻基于传输场的旋转对称性分别被大致相同的磁通密度穿过。例如“8”形式的造型确保这种对称性。
根据图3的信号线圈的造型确保在每个子线圈中感应出的电压几乎完全被抵消并且因此信号线圈的通过传输场感应出的总电压几乎最小。通过这种方式未受干扰的传输场对于信号线圈方面的影响在检测时几乎被“分离”。但信号线圈对于检测场的传输场因金属物体的局部改变仍然是敏感的。
金属检测器单元具有多个发射线圈和信号线圈，用以垂直于z轴检测整个传输区域。
金属检测器单元具有工作和分析单元。
借助工作单元，金属检测器单元根据脉冲测量法和/或根据交流电测量法能以交变频率工作。
分析单元根据时间检测在信号线圈上感应出的电压并且比较该测得的电压与在该时刻预期的关于所产生的检测场的感应。金属物体基于与检测场的叠加可引起测得的电压显著偏离待比较的电压。
为了测量信号线圈上的电压，根据另一种实施方式，多个发射线圈和信号线圈可以以串联电路的形式组合。由此可借助分析单元同步测量串联电路的所有信号线圈。这能实现用于整个检测器单元的简化的分析单元，但这意味着失去串联电路中“起作用的”信号线圈的精确定位。
理想的是，交变频率显著不同于传输频率。例如传输频率可以是150kHz并且交变频率可以是10kHz。分析单元具有滤波器，在此为低通滤波器。通过该滤波器，可在分析单元的检测信号中抑制信号线圈上的源于传输场的剩余感应。
此外，如果根据图3的信号线圈的几何设计和分析单元的滤波器不能充分消除传输场对金属检测器单元的干扰，则金属检测器单元可周期地运行。这意味着，通过传输场的功率传输交替地在短的时间段上减小或关断并且金属检测器单元是激活的。
在传输区域之内，金属检测器单元可关于z轴任意定位。优选，检测器单元集成在初级单元中。一种替换的优选实施方式示出检测器单元包含于次级单元中。初级单元和次级单元也可各包含一个检测器单元。
有利的还有，检测场的强度成比例地适配于初级单元与次级单元沿z轴的距离，以便借助检测器单元检测整个传输区域。初级单元和次级单元之间的距离基本上由车辆的离地距离决定。

Claims (6)

1.用于感应式功率传输的装置，该装置包括具有初级线圈(6)的初级单元(1)和具有次级线圈(6)的次级单元(2)，并且在该装置中初级线圈在初级单元和次级单元之间的传输区域中产生传输磁场(8)，其特征在于，所述装置包括金属检测器单元，并且该金属检测器单元适合用于检测处于传输区域中的金属物体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属检测器单元具有至少一个线圈对，该线圈对包括一个发射线圈(9a)和一个信号线圈(10a)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号线圈具有至少两个线圈元件(10b、10c)，这两个线圈元件反向卷绕，这两个线圈元件电串联连接，并且这两个线圈元件关于一条轴对称，传输场在传输区域中沿该轴定向。
4.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述金属检测器单元能根据脉冲测量法和/或根据交流电测量法以交变频率工作。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述初级线圈产生具有传输频率的传输场，并且该传输频率超出交变频率多倍或低于交变频率多倍。
6.用于功率传输的系统，包括根据上述权利要求之一所述的装置和车辆，其特征在于，电功率能感应式传输给车辆，次级单元包含于车辆中并且位于车辆底板的区域中，初级单元位于车辆之外，并且金属检测器单元包含于初级单元或次级单元中。
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