CN104467128B

CN104467128B - 识别用于无线能量传输的磁场中的外来物的装置和方法

Info

Publication number: CN104467128B
Application number: CN201410475402.7A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·海兰
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: CN104467128A; DE102013219131B4; DE102013219131A1

Abstract

本发明涉及一种用于识别在用于无线能量传输的磁场中的外来物体(30)的装置和方法，其中该装置包括至少一个第一和第二线圈叠体(20，22)，其中每个线圈叠体(20，22)包括激励线圈(28)以及第一和第二测量线圈(24，26)，其中线圈(24，26，28)在这个或每个第一和第二线圈叠体(20，22)中联接，以使得由于用于能量传输的磁场在激励线圈对(28)和测量线圈对(24，26)中均不感应出电压，其中激励电流能馈送或馈送到激励线圈对(28)中，激励电流引起激励场并且引起能经由测量线圈(24，26)测量的测量电压，并且其中能评估或评估测量电压用于识别外来物体(30)。

Description

识别用于无线能量传输的磁场中的外来物的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于识别在设计用于无线能量传输的磁场中的外来物体的装置以及相应的方法。这样的无线的能量传输也可以考虑例如用于如由电动车辆所携带的电能量存储器(蓄电池)的重复充电。

背景技术

在此所产生的强烈的磁交变场可能由于经感应的涡流而导致能导电的物体在磁场内显著变热。由此产生了基本的火灾和损伤危险。在临界的发热导致危险之前，能量传输由于这个原因在存在金属的外来物体时必须被停止。

这样的金属的外来物体能由不同的方法借助于线圈布置(探测线圈)来探测。但是强烈的磁交变场的存在不仅导致在功率线圈中的高感应电压，而且导致了在探测线圈中的高感应电压。这些电压影响了该探测或者能导致探测器损毁。

可替换地，在在功率线圈之间的气隙的电感式能量传输中，利用不同的传感器(超声波传感器、雷达传感器、IR传感器和图像传感器)来进行监测(DE 10 2009 033 236 A1，DE 20 2009 009 689 U1)。在此这些传感器安装在次级侧。为了使这个或每个初级侧的功率线圈在探测到外来物体的情况下失效，因此需要从次级侧至初级侧的单独的信号路径、通常是有线连接的信号路径。

用于探测金属传导的外来物体的另一个方法是测量初级线圈系统的降振特性(Abschwingverhalten)(DE 10 2011 050 655 A1，DE 20 2011 050 264 U1)。为此首先在次级侧将负载分离开，并且紧接着将初级线圈与供能系统分离开。初级线圈振荡回路的现在紧随的降振(指数衰减地振动)被测量并且与参考特征曲线比较。存在的外来物体(取决于尺寸、材料和位置地)从振荡回路获得能量，并且由此供应用于更快速的衰减。这可以被测量和用于评估。如果外来物体与初级线圈相比非常小，那么很难进行探测。特别能强调的是，为了探测必须中断能量传输。

借助于由二维均匀布置的线圈构成的阻抗测量装置，能经由在各个线圈中的阻抗变化来识别外来物体(DE 10 2009 033 237 A1，DE 20 2009 009 693 U1)。在此将每个单个线圈的阻抗与其他线圈的阻抗或与参考数值比较。在此也可以更可靠地识别较小的物体。然而在能量传输期间，测量线圈由于高感应电压而必须与测量装置去耦。外来物体识别相应地在接通的充电场中是不可行的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于识别在设计用于无线能量传输的磁场中的外来物体的装置和相应的方法。

根据本发明该目的借助于用于识别在无线能量传输的磁场中的外来物体的装置以及借助于相应的方法来实现。

在装置方面提出，这个装置包括至少一个第一和第二线圈叠体(也一起称为线圈阵列)，并且每个线圈叠体包括激励线圈以及第一和第二测量线圈。这两个线圈叠体的这两个激励线圈在此形成激励线圈对。每个线圈叠体的这两个测量线圈分别形成测量线圈对。这些线圈在这个或每个线圈阵列中如此联接，以使得由于磁场用于能量传输并且由于一方面是激励线圈和另一方面是测量线圈的特殊联接电路而在激励线圈对和测量线圈对中均不感应出电压。然而激励电流能馈送到激励线圈对中，激励电流引起激励场并且由于感应引起能经由测量线圈测量的测量电压。测量电压然而为了识别在设计用于无线能量传输的磁场中的外来物体而能被评估。

在实践中，用于识别在无线能量传输的磁场中的外来物体的装置根据在这里所描述的方法可能包括多于一个的线圈阵列，例如十个线圈阵列、二十个线圈阵列、五十个线圈阵列、五十二个线圈阵列以及等等。

在相应的方法方面，其中应用可能补充了其他下面描述的特征的这个装置，提出的是，将激励电流馈送到激励线圈对中，并且能基于所产生的激励场经由测量线圈测量的测量电压评估用于识别外来物体。

这里介绍的方法的优点首先在于这样的可能性，即在能量传输期间也能识别可能的外来物体。与在现有技术中已知的基于阻抗的测量方法不同地，对于探测金属的外来物体而言也不必中断能量传输。这意味着充电过程不仅连续并且进而更短。外来物体能现在、即近似任何时间并且不仅在特殊的探测阶段期间都被识别。由此例如通过切断用于无线感应地能量传输的系统，实现明显更快地对可能的危险做出反应。火灾危险和/或损坏危险因此得以避免或至少得以减少。

此外基于外来物体探测向外并不出现高电压，因为这些高电压补偿了在线圈阵列之中的感应电压。

最后完全不取决于在下面也称为充电场的功率场地进行探测。这意味着，已经在能量传输开始之前也能识别外来物体。由此金属物体并不变热。

在这里以及在下面所描述的方法能应用于全部类型的感应的能量传输。有利地，这个方法能应用在用于例如由电动车辆所携带的电能量存储器充电的感应的能量传输中。

在该装置的一个实施方式中，在这个或每个第一和第二线圈叠体中、即在这个或每个线圈阵列中，这两个激励线圈反向地联接。这是一种简单的和有效率的可能性，以便确保，基于用于能量传输的磁场并不在激励线圈对中感应出电压。在此反向联接意味着，在激励线圈中感应出的电压是相反的并且相互抵消。

在这个装置的另一实施方式中，在这个或每个第一和第二线圈叠体中、即在这个或每个线圈阵列中，每个线圈叠体的这两个测量线圈同样地反向联接。没有外来物体时，测量线圈对被分别由激励线圈射出的磁场流经。通过这种方式在测量线圈对的这两个测量线圈中感应出的电压是大小相同的并且互相补偿至零。外来物体导致在这两个测量线圈中不相同的感应电压。这个差值被评估。在测量系统中在此理想地实际没有电流流动。

在这个装置的一个特别的实施方式中，设有用于评估测量电压的评估单元。单独的评估单元允许测量电压的评估的可配置性(Konfigurierbarkeit)，例如预设或调整在评估单元内部在评估测量电压时考虑参考数值和/或极限数值。

当评估单元包括按照馈送到激励线圈对中的激励电流的频率调整的滤波器时，存在这样的可能性，即在鉴于外来物体的识别评估测量电压之前，消除了基于用于能量传输所确定的磁场的影响。

上面所谓的目的也利用评估单元和下游连接的控制单元或功能单元来实现，其联合了评估单元的和控制单元的进一步在下面描述的功能，其根据如这里以及下面描述的方法工作，并且为此包括用于实施该方法的装置。在此本发明优选地在软件中实施。本发明因此也一方面是具有能由计算机执行的程序代码指令的计算机程序模块，以及另一方面是具有这样的计算机程序的存储介质、即具有程序代码装置的计算机程序产品，以及最后也是评估/控制单元，这样的计算机程序模块作为用于执行该方法的以及其设计方案的装置加载或能加载到在评估/控制单元的存储器中。

附图说明

以下结合附图详尽地阐述本发明的实施例。彼此相应的内容或元件在所有附图中设有相同的参考标号。

这个或每个实施例不应该理解作为本发明的局限。确切地说在本公开的范畴中变化和修改也是可能的，其例如通过单个的特征结合在通常的或特殊的描述部分中描述的以及在附图中得到的特征的组合或变换对于技术人员而言鉴于该目的的解决方案是能得到的，并且通过能组合的特征得出新的内容或新的方法步骤。

其示出：

图1是借助于起源作用的初级线圈至间隔开的次级线圈的用于感应式能量传输的示意简图，

图2是用于如图1中的感应式能量传输的应用的简化示意图，其用于给电动车携带的电源(充电电池；蓄电池)充电，

图3是具有第一和第二线圈叠体和它们所包括测量线圈和激励线圈的线圈阵列，

图4是图3的线圈阵列的测量线圈和激励线圈及其联接，

图5是用于将两个线圈阵列的测量线圈和激励线圈与位于线圈阵列区域中的外来物体联接的原理电路图，和

图6是用于借助于根据图3至图5的一个或多个线圈阵列识别在设计用于无线能量传输的磁场中的外来物体的装置的示意简图。

具体实施方式

在感应式能量传输10(和/或数据传输)中已知地以无线的方式将电能从起能量源(或数据源)作用的初级线圈12传输至起能量接收器(或数据接收器)作用的次级线圈14。在图1中的视图就此来说示意性简化地示出左侧的初级线圈12和右侧的次级线圈14，其中这两个线圈12，14也可以分别涉及多个线圈的联接。在初级线圈12上施加交流电压，其在次级线圈14上感应出产生的交流电压。由此以无线的方式实现了将电能从初级线圈至次级线圈12，14的传输(电能传输10；由粗箭头表示)。

该原理例如在给蓄电池16无接触式充电时被应用，例如用于家用仪器，但是也用于电动车辆18和类似物。由此在图2中的视图示出这样的情况，其中电动车辆18所包括的次级线圈14定位在安装在能行驶的底板区域中的初级线圈12的上方，以使得从初级线圈12至次级线圈14进行能量传输，并且以这种方式能给电动车辆18所携带的蓄电池16重复充电。

在感应式能量传输中得到偶尔强烈的磁交变场，其由于经感应的交流电流导致能导电的物体的强烈变热，其位于所参与的线圈12，14之间，也就是在所产生的磁场内部。其因此产生了火灾和损伤危险。通过识别磁场中存在这种能导电的物体-在以下简短地称为外来物体30(图5)-，应避免上述危险。

在图3中的视图示出出于这个目的在这里建议的方案。至少一个多层的扁平线圈组处于初级线圈12的上方，其在这里偶尔也称为线圈阵列。通常设计多个这样的线圈阵列。多个这样的线圈阵列例如串联并且然后在所产生的串联电路方面进行评估。可替换地在多个线圈阵列中，每个线圈阵列单个地被评估。

每个线圈组包括第一和第二线圈叠体20，22。每个线圈叠体20，22包括第一和第二测量线圈24，26以及布置在这两个测量线圈24，26之间的激励线圈28。线圈24，26，28在线圈叠体20，22内部等距间隔开地布置，并且间距在图3的视图中图示地以符号d表示。线圈24-28例如可以扁平地制造为薄膜上的印制线圈或电路板线圈。

为了区分以及明显地标记各个线圈24，26，28，在这两个分别成对配套的线圈叠体20，22中在下面使用如“第一线圈叠体20的第二测量线圈26”等等这样的表达方式。在其他情况下线圈24-28相应于通常的用于表示电感的符号利用L_m，1(第一线圈叠体20的第一测量线圈24)，L_m，2(第一线圈叠体20的第二测量线圈26)，L_err，1(第一线圈叠体20的激励线圈28)，L_m，3(第二线圈叠体22的第一测量线圈24)，L_m，4(第二线圈叠体22的第二测量线圈26)以及L_err，2(第二线圈叠体22的激励线圈28)表示。

在每个线圈叠体20，22中这两个测量线圈24，26的电感是相同的(L_m，1＝L_m，2；L_m，3＝L_m，4)。此外这两个激励线圈28的电感在这两个线圈叠体20，22中是相同的(L_err，1＝L_err，2)。

由于电流流经初级线圈12引起在下面称为充电场的磁场，其也分别穿过成对配套的线圈叠体20，22。所引起的充电场在图3的视图中由这两个向上指向的以及象征性地以B_L表示的(系数L用于由初级线圈12发射的充电场)粗箭头来表示。

反并联地指向上以及指向下的并象征性地以B_err，1和B_err，2表示的粗箭头使得由于电流动在激励线圈28中引起的磁场更清楚。由于激励线圈28的特别的连接，可以仅仅由于馈送到该激励线圈中的电流(激励电流i_err)而得到在这些激励线圈28中的电流动。基于激励线圈28的接口和连接的方式分别获得反并联指向的激励场B_err，1和B_err，2。这例如确保了，经过充电场B_L没有电压感应到激励线圈对28中。

图4的视图更详细地示出图3中的这两个线圈叠体20，22。识别出的是，在这两个线圈叠体20，22的激励线圈28中，内部示出的绕组端部彼此连接，以使得激励电流(i_err)经由连接在绕组开端的触点能馈送到这两个激励线圈28中。在最后由充电场B_L穿过的激励线圈对28中，经由这两个激励线圈28的电压消失。

测量线圈对24，26以特殊的方式和方法连接以及彼此连接。然而在此，第一线圈叠体20的这两个测量线圈24，26经由其内部示出的绕组端部以及第二线圈叠体22的这两个测量线圈24，26经由其外部示出的绕组端部连接。所引起的测量电流也从第一线圈叠体20的第二测量线圈26的外绕组端部经由这个测量线圈26的内部绕组端部延伸至第一线圈叠体20的第一测量线圈24的内线圈端部至这个测量线圈24的外绕组端部，并且在那里朝向第二线圈叠体22、即从在此处的第一测量线圈24的内绕组端部经由这个测量线圈24的外绕组端部延伸，并且从这里出发经由第二线圈叠体22的第二测量线圈26的外端部延伸至这个测量线圈26的内绕组端部。能在该电路(测量线路)中分接的电压在图4的视图中象征性地用u_m表示。

这些线圈24-28的所描述的连接也可以根据在图5中示出的原理电路图来理解。在那里左侧示出没有外来物体30的第一和第二线圈叠体20，22的线圈24-26，并且在右侧示出具有外来物体30的这两个线圈叠体20，22。这里没有重复示出图3和图4的视图中的参考标号，以便不必要地降低清晰度；替代参考标号记入了在上面提及的象征性的符号。

在能量从初级线圈12(图3)传输至次级线圈14(图1；图2)期间，在这两个线圈叠体20，22的线圈24-28中或在原则上任意多个分别成对配套的线圈叠体20，22中，经过所产生的充电场B_L感应出高电压。经过各个线圈24-28的所说明的连接补偿来了这些电压，以使得电压在测量线圈对24，26上近似为零(散射场和制造容差能确保低剩余电压)。在激励线圈对28中感应出的电压同样是非常小的。剩余电压在此附加地由于在充电场B_L中的场不均匀性而产生。

为了识别在充电场B_L中的可能的外来物体30(图5)，在激励线圈对28中馈送了特别是正弦交流电流形式的激励电流i_err。由于激励电流i_err所产生的激励磁场B(在图3，图4中表示为B_err，1，B_err，2)，在这两个线圈叠体20，22的上和下测量线圈24，28中产生感应电压。如果在周围不存在能传导的外来物体30，那么这些电压是相同的并且补偿至零。

如果外来物体30位于充电场B_L中并且进而也位于由于激励电流i_err所引起的激励磁场B(图5中)，那么在外来物体30中感应出涡流电流，其确保激励磁场B的应变(Deformierung)并且由此经过感应的电压在各个测量线圈24，26中变化。由于在线圈叠体20，22之中的测量线圈24，26之间具有空间距离，外来物体30对位于外来物体30最近的测量线圈24，26的作用和对在线圈叠体20，22中远离外来物体30的测量线圈24，26的作用不同。

因为现在各个感应电压不再抵消，所以出现了具有激励电流i_err的频率的能测量的电压u_m。例如在图5中示出的情况中测量电压u_m

u_m＝u_m,1-u_m,2-u_m,3+u_m,4

没有外来物体30的情况下相反适用的是：

u_x＝u_m,1＝u_m,2＝u_m,3＝u_m,4

u_m＝u_x-u_x-u_x+u_x＝0

根据以下描述外来物体30在激励场B中引起测量电压：

u_m＝u_x-u_x-D₃·u_x+D₄·u_x＝u_x·(D₄-D₃·)≠0

基于测量电压u_m所引起的测量信号的振幅和相位在此取决于外来物体30在激励场B中的大小、材料以及相应的位置。

图6的视图示出，由于馈送到线圈阵列(成对配套的第一和第二线圈叠体20，22)中、即其激励线圈28中的激励电流i_err分别所引起的测量电压u_m借助于评估单元32来评估。

在特别的实施方式中在激励电流i_err的频率和/或相位方面进行评估，以使得例如由于充电场B_L所引起的测量电压u_m能够与由于激励电流i_err所引起的测量电压u_m不同。然后借助于滤波器34实现对测量电压u_m的相应的滤波。

与可能的滤波无关地，在每种情况下实现了对测量电压u_m关于其振幅和/或相位的评估。在此振幅和/或相位与预定的或能预定的、特别是能自适应匹配的参考值比较。当这个参考值是能自适应匹配时，这允许漂移出现(Trifterscheinungen)的补偿，例如由于温度影响。在与参考数值偏差大于预定的或能预定的边界值时，这评估为在充电场B_L中/在激励场B中存在外来物体30。可替换地或附加地也考虑的是，测量电压u_m的振幅和/或相位与其他的线圈阵列的测量电压的振幅或相位比较。在分别观察的大小的偏差大于预定的或能预定的边界值时，这同样评估为在充电场B_L中/在激励场B中存在外来物体30。

作为比较的结果评估单元32产生了输出信号36，其表示在充电场B_L中/在激励场B中存在或不存在外来物体30。输出信号36由控制单元38来评估，其同样中断了给初级线圈12馈送相应的充电电流，并且由此由于安全原因停止了能量传输。

线圈阵列可以为了影响激励场分布而分成多个子系统，激励场分布此外具有对激励场B的有效距离的影响。

尽管本发明细节性地由实施例详细地阐述和描述，但是本发明不仅局限于这个或这些公开的实例，并且其他的变体可以由专业人员导出，而不脱离本发明的保护范畴。

在这里所提及的描述的各个在背景中出现的观点由此如下地加以总结：

所给出的是识别在用于无线能量传输的磁场中的外来物体30的装置和相应的方法，其中该装置包括至少一个第一和第二线圈叠体20，22，其中每个线圈叠体20，22包括激励线圈28以及第一和第二测量线圈24，26，其中线圈24，26，28在这个或每个第一和第二线圈叠体20，22中联接，以使得由于用于能量传输的磁场在激励线圈对28和测量线圈对24，26中均不感应出电压，其中激励电流能馈送或馈送到激励线圈对28中，激励电流引起激励场并且引起能经由测量线圈24，26测量的测量电压，并且其中能评估以及评估测量电压用于识别外来物体30。

Claims

1.一种用于识别在借助于初级线圈(12)产生的、用于无线能量传输的磁场中的外来物体(30)的装置，

-其中所述装置包括在用于所述能量传输的产生的磁场中的至少一个第一线圈叠体(20)和至少一个第二线圈叠体(22)，

-其中每个所述第一线圈叠体(20)包括在所述第一线圈叠体内部上方的第一测量线圈(24)、在所述第一线圈叠体内部下方的第二测量线圈(26)以及在所述第一线圈叠体的第一测量线圈和所述第一线圈叠体的第二测量线圈之间的激励线圈(28)，并且每个所述第二线圈叠体(22)包括在所述第二线圈叠体内部上方的第一测量线圈、在所述第二线圈叠体内部下方的第二测量线圈以及在所述第二线圈叠体的第一测量线圈和所述第二线圈叠体的第二测量线圈之间的激励线圈，

-其中所述第一测量线圈(24)和所述第二测量线圈(26)及所述激励线圈(28)在所述第一线圈叠体(20)和所述第二线圈叠体(22)中联接，以使得用于所述能量传输的磁场在激励线圈对和测量线圈对中均不感应出电压，

-其中激励电流能馈送到所述激励线圈对中，所述激励电流引起激励场并且引起能经由所述第一测量线圈(24)和所述第二测量线圈(26)测量的测量电压，并且

-其中所述测量电压能被评估，以用于识别所述外来物体(30)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述第一线圈叠体(20)和所述第二线圈叠体(22)中，两个所述激励线圈(28)反向地联接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述第一线圈叠体(20)和所述第二线圈叠体(22)中，每个所述线圈叠体(20，22)的两个所述测量线圈(24，26)反向地联接。

4.根据权利要求1或2所述的装置，具有用于评估所述测量电压的评估单元(32)。

5.根据权利要求3所述的装置，具有用于评估所述测量电压的评估单元(32)。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述评估单元(32)包括按照能馈送到所述激励线圈对中的所述激励电流的频率调整的滤波器(34)。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述评估单元(32)包括按照能馈送到所述激励线圈对中的所述激励电流的频率调整的滤波器(34)。

8.一种借助于根据权利要求1至7中任一项所述的装置用于识别在借助于初级线圈(12)产生的、用于无线能量传输的磁场中的外来物体(30)的方法，

-其中将激励电流馈送到所述激励线圈对中，并且

-其中能基于所产生的所述激励场经由所述第一测量线圈(24)和所述第二测量线圈(26)测量的测量电压被评估用于识别所述外来物体(30)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，为了识别所述外来物体(30)将所述测量电压与至少一个能经由另外的第一线圈叠体(20)和第二线圈叠体(22)分接的测量电压比较。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，为了识别所述外来物体(30)将所述测量电压的振幅和/或相位与预定的或能预定的参考数比较。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述参考数是自适应变化的。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，在为了识别所述外来物体(30)对所述测量电压进行评估之前，考虑到能馈送到所述激励线圈对中的所述激励电流的所述频率，过滤所述测量电压。