CN104520136A - 感应充电时的异物监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括充电单元和车辆的用于从充电单元向车辆进行感应式功率传输的设备，在该设备中充电单元具有初级线圈并且车辆具有次级线圈，并且在该设备中初级线圈在初级线圈和次级线圈之间的传输区域中产生传输磁场，其中，所述车辆具有用于监测传输区域中的温度的传感器单元，所述充电单元具有控制装置，并且该控制装置在充电过程中根据温度监测的结果可控制(3)传输功率。

Description

感应充电时的异物监测

技术领域

本发明涉及一种包括充电单元和车辆的用于从充电单元向车辆进行感应式功率传输的设备，在该设备中充电单元具有初级线圈并且车辆具有次级线圈，并且在该设备中初级线圈在初级线圈和次级线圈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车辆电蓄能器充电的感应充电设备。该感应充电设备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。

用于电动车辆的感应充电设备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，提供一种改进的包括充电单元和车辆的用于从充电单元向车辆进行感应式功率传输的设备和方法。

该任务通过一种根据权利要求1的设备得以解决。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，车辆具有用于监测传输区域中的温度的传感器单元，充电单元具有控制装置，并且该控制装置在充电过程中根据温度监测的结果控制传输功率。

在此，充电过程尤其可理解为从充电单元向车辆进行电功率传输的时间段。控制装置从充电过程的时间起点直到时间终点控制或者说调节传输功率。传感器单元的温度监测的结果用作控制或者说调节的输入参量。

根据本发明的一种优选实施方式，传感器单元构造为红外检测系统，该红外检测系统具有热分辨率极限和空间分辨率极限，具有高于热分辨率极限的热特性和高于空间分辨率极限的空间特性的物体被称为临界物体，通过红外检测系统可检测位于传输区域中的临界物体。

当红外检测系统检测到临界物体时，则该检测被视为温度监测的结果。在红外检测系统未检测到临界物体的情况下，这被视为温度监测的结果。

这表明，红外检测系统可检测在充电过程期间位于传输区域中的临界物体，只要该临界物体超过红外检测系统的热分辨率极限、也就是说尤其是具有对于通过红外检测系统的可识别性而言足够高的温度，并且相结合地超过红外检测系统的空间分辨率极限、也就是说尤其是具有对于通过红外检测系统的可识别性而言足够大的空间延伸尺寸。

红外检测系统具有至少单向的向控制单元的通信装置。通过这种方式，在由红外检测系统检测到临界物体时向控制单元可发送信号。所发送的信号可通过控制单元变成控制措施、例如中断通过初级线圈产生传输场。

根据本发明的另一种方案，在充电过程中由控制单元可设定具有第一功率上升率的传输功率，在充电过程中由控制单元可设定具有第二功率上升率的传输功率，并且第二功率上升率大于第一功率上升率。

功率上升率说明每单位时间的传输功率。因此，传输功率在第二功率上升率时比在设定第一功率上升率时随时间更快地增加一定的量。

另外有利的是，在第一功率上升率时位于传输区域中的正常物体可被传输场在临界时间段上加热，在临界时间段之内正常物体变为临界物体，并且在红外检测系统检测到正常物体后可通过控制单元中断传输区域中的功率上升和/或可减小传输功率。

借助该设备可实施一种方法，该方法包括下述步骤。首先，在充电过程中通过控制单元在临界时间段期间以第一功率上升率增加传输功率。在临界时间段后通过控制单元以第二功率上升率增加传输功率。如果在充电过程期间、在临界时间段期间或也在临界时间段之后由红外检测系统检测到临界物体，则通过控制单元中断传输区域中的功率上升和/或通过控制单元减小传输区域中的传输功率和/或由充电单元或车辆发出报警信号。

本发明基于下述考虑：

对于电气化车辆已知如下的方法，其能实现为车载电网或所包含的蓄能器无接触地、优选感应地充电。

由于无接触传输的双边之间的金属材料或导电材料可干扰感应充电时的能量传输，所以需要采取措施来识别这类物体或材料并确保应对措施、如中断能量传输。由此，成功地避免异物被不希望地加热和可能的消极后果。

根据现有技术已知的监测方法要么不足，因为不能可靠或不能及时识别很小的或薄壁的导电材料、如金属箔的过热。对于车辆或车辆周围环境来说排除任何因异物过热而引起的潜在危险具有最高的优先级。要么监测方法具有高度的复杂性，从而可能需要额外的成本密集且结构空间密集的硬件。

提出一种措施，该措施将根据现有技术在车辆中已有的监测方法与在感应充电时有针对性地控制传输功率相结合用以识别特别小且薄壁的导体异物。

该措施的前提条件在于车辆配备有车辆方的感应充电系统。该车辆充电系统尤其是具有次级线圈作为重要组成部分，借助该次级线圈可从车辆外部的初级线圈向车辆传输电功率。车辆的感应充电系统包括传感系统、如红外传感器，借助该传感系统至少可识别在功率传输区域中的大的且具有临界高温的异物。通过将初级线圈作为能量发射器设置在车道地面上并且将次级线圈作为能量接收器设置在车辆底板上，可预料到尤其是初级线圈上或附近的异物并且可将其在不希望的可导致温度升高的能量吸收方面评价为临界的。

在此不利的是，虽然借助红外传感装置在能量传输区域中能够安全且可靠地识别大的且厚实的导体，但小的或很薄壁的导体(如涂有导电层的饮料包装的部件)在能量传输区域中却可被迅速加热，以致当例如薄壁导体上或周围材料上发生局部燃烧时，才达到红外传感装置的分辨率极限、即才检测到升高的温度。必须避免这种情况的发生，其中，例如首先被隔热的异物部分相对于红外系统的不利空间定向(例如铝涂层在处于能量传输区域中的饮料纸盒中背离红外系统)提高了这种情况的发生概率。在该示例中，只有在部分饮料纸盒可能已被热力损坏时，才可能检测到铝涂层的局部能量吸收。这尤其适用于能量传输以完全强度直接作用于异物上的情况。

该缺点以下述方式被克服：通过减小能量传输强度、优先通过在感应充电时随时间控制功率，来如此减小对异物的加热，以致于一方面传感装置能够识别不希望的加热并且另一方面不达到临界阈值(如燃点、在随后接触异物时的受伤阈值)。此外，通过足够慢地随时间控制功率可使得异物的(可能很局部的)加热充分扩展到异物的更大的区域上，从而达到监测传感装置的分辨率极限并且该传感装置可靠地识别更大的区域。功率控制可随时间线性、连续或阶梯地进行。

在此有利的是，在实施感应充电时提高了异物的识别概率并且由此降低了损坏危险。另外，所述提高可在结构空间中性和重量中性的情况下实现，即不使用额外的硬件。

附图说明

下面借助附图说明本发明的一种优选实施例。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为在感应充电时在传输区域中的传输功率。

具体实施方式

在为车辆感应充电时，将电功率传输到车辆，以便使车辆的电化学蓄能器进入更高的充电状态。为此，车辆尤其是具有次级线圈。具有初级线圈的充电单元位于车辆之外，该初级线圈产生交变电磁场，该交变电磁场根据感应原理在次级线圈上感应出电压。所述电压在车辆中可用作充电电压。交变电磁场称为传输场。

在该设备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。充电单元位于车辆之外并且例如可集成在停车场处和/或车辆充电场中。

当车辆占据充电位置、即这样定位于车辆充电场的区域内时，使得次级线圈关于x方向和y方向与初级线圈形成良好的空间重叠时，充电单元和车辆之间的功率传输才特别有效。x方向和y方向参照对于本领域技术人员已知的车辆坐标系，其中，x轴沿车辆纵轴线，y轴沿车辆横轴线并且z轴是车辆竖直轴线。在充电位置中，传输场的在充电时位于初级线圈和次级线圈之间的场区域被称为传输区域。

当在充电过程中有与传输场相互作用的物体、如金属块处于传输区域中时，传输场在金属块的区域中和在金属块的邻近区域中发生局部变化。通过趋肤效应，在金属物体中的涡流将传输场从其内部排挤。这些涡流引起金属块的加热。

通过车辆的红外检测系统可检测金属块的加热。不失一般性，红外检测系统例如是红外摄像机，其在传输区域的范围内检测一个视角。

红外检测系统的特点在于预定的空间分辨率极限和预定的热分辨率极限。这意味着，当该检测系统对所发出的热辐射量足够敏感时，便可检测到传输区域中的物体。在物体小的情况下，物体的温度越高、即发出的热辐射越多，借助红外检测系统的可识别性就越好。在物体具有低的温度时，物体的空间延伸尺寸越大，借助红外检测系统对该物体的可识别性就越好。这表明，与大的且还具有高温的物体相比，红外检测系统对小的且还具有低温的物体的可识别要差得多。

在感应充电时，例如当涂有薄金属箔的包装物体、如揉成团的锡箔或饮料纸盒位于传输区域中时该效果可能是不利的。由于这种物体的金属部分体积很小并且这种物体的金属部分被非金属部分屏蔽(例如通过饮料纸盒中外侧的纤维素材料相对于红外检测系统屏蔽了内侧的金属箔)，存在这样的可能性，即，只有当由金属箔发出的热辐射如此之高，以致金属箔的与此有关的温度可能导致可能相邻的材料、如饮料纸盒的纤维素材料燃烧时，才达到上述检测极限。

以饮料纸盒或锡箔为例，这可通过下述方式来防止：使金属箔缓慢被加热，以致纸板材料或纸缓慢、但不危险地受热并且该纸板材料或纸本身向红外检测系统发出热辐射。于是在时间上在金属箔可能发生危险的温度发展之前，红外检测系统可检测到传输系统中的物体。这就意味着，在检测到物体时可立即迅速减小或关断传输场以防止物体温度进一步上升。

图1示出感应式充电设备的传输系统中的传输功率的时间曲线(3)。传输功率可由充电单元的控制单元调节。红外检测系统可向控制单元发送控制信号。

在y轴(2)上关于x轴(1)上的在充电过程中的时间示出电功率。首先，传输功率、即传输区域中电磁场的场强以第一上升率(4)上升直到临界时刻(5)。在临界时刻后，传输功率以第二上升率(6)进一步上升。第二上升率超过第一上升率。

第一上升率选择成小于第二上升率，并且与时间轴零点、即充电过程起点一起构成临界时间段的临界时刻选择成如此迟或者说临界时间段选择成如此长，使得在饮料纸盒作为传输区域中的异物的示例中在临界时间段之前通过金属箔吸收的能量足够强以被红外检测系统检测，但金属箔吸收的能量不导致热危险的状态。

如果没有异物位于传输区域中，则检测事件缺席直至临界时刻，以致控制单元以第二功率上升率提高传输功率直到达到由感应系统预定的饱和传输功率。

第一功率上升率、第二功率上升率和临界时刻的值是预定的并且存储于控制单元中。所述值优选根据经验在感应式充电设备的研发中被确定。为此可以使用一个或多个正常物体、如锡箔片或饮料纸盒。用于确定第一功率上升率、第二功率上升率和临界时刻的值的标准在于：在没有正常物体位于传输区域中时尽可能及早地达到饱和传输功率，和在正常物体上达到例如导致冒烟的危险温度之前通过红外检测系统检测传输区域中的正常物体。

根据本发明的其它实施方式，通过非线性或阶梯地控制传输场的产生可实现传输功率的时间曲线。非线性控制传输场的产生例如是脉冲式接通和关断具有预定传输场强的传输场。在此，接通时间相对于关断时间的比例根据时间增加。由此可实现根据图1的传输功率随时间的上升，其中，图1中的功率曲线在脉冲式控制中构成实际功率传输的包络线。

在阶梯式的曲线中，传输功率在预定时刻增加了预定的恒定功率值。由此可实现根据图1的传输功率随时间的上升，其中，图1中的功率曲线在传输功率阶梯式提高时构成实际功率传输的包络线。

在所有实施方式中，在红外检测系统检测到异物时由控制单元中断传输区域中的功率上升和/或由控制单元减小传输区域中的传输功率和/或由充电单元或车辆发出报警信号。

Claims (5)

1.包括充电单元和车辆的用于从充电单元向车辆进行感应式功率传输的设备，在该设备中充电单元具有初级线圈并且车辆具有次级线圈，并且在该设备中初级线圈在初级线圈和次级线圈之间的传输区域中产生传输磁场，其特征在于，

所述车辆具有用于监测传输区域中的温度的传感器单元，

所述充电单元具有控制装置，并且

该控制装置在充电过程中根据温度监测的结果可控制传输功率。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述传感器单元构造为红外检测系统，

该红外检测系统具有热分辨率极限，

该红外检测系统具有空间分辨率极限，

具有高于热分辨率极限的热特性和高于空间分辨率极限的空间特性的物体被称为临界物体，并且

通过红外检测系统可检测位于传输区域中的临界物体。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，

在充电过程中由控制单元可设定具有第一功率上升率的传输功率，

在充电过程中由控制单元可设定具有第二功率上升率的传输功率，并且

第二功率上升率大于第一功率上升率。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，

在第一功率上升率时，位于传输区域中的正常物体能被传输场在临界时间段上加热，

在临界时间段之内正常物体变为临界物体，并且

在红外检测系统检测到正常物体后，通过控制单元可中断传输区域中的功率上升和/或可减小传输功率。

5.用于借助根据权利要求4所述的设备实施充电过程的方法，包括下述步骤：

通过控制单元在临界时间段期间以第一功率上升率增加传输功率，

通过控制单元在临界时间段之后以第二功率上升率增加传输功率，

在临界时间段期间或在临界时间段之后，在红外检测系统检测到临界物体后通过控制单元中断传输区域中的功率上升和/或通过控制单元减小传输功率。