CN104781700A - 用于感应性能量传输系统的金属异物识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别在感应性的能量传输系统的初级绕组和次级绕组之间的区域(3)中的导电异物(F)的识别系统，其中所述识别系统同样具有至少一个初级线圈(L_A)和至少一个次级线圈(L_B)，所述初级线圈和次级线圈彼此耦合，并且所述识别系统的至少一个初级线圈(L_A)和/或至少一个次级线圈(L_B)是至少一个电的谐振电路(L_A-C_A；L_B-C_B)的组成部分，其中电源(7)激励至少一个谐振电路(L_A-C_A)，并且监控装置监控所述识别系统的所述次级侧和/或初级侧上的电变量并且根据所测量的所述电变量实行异物识别。

Description

用于感应性能量传输系统的金属异物识别系统

技术领域

本发明涉及一种用于识别在感应性能量传输系统的初级绕组和次级绕组之间的区域中的导电异物的识别系统。

背景技术

非接触式能量传输使用高频磁场。如果导电异物进入到该磁场的区域中，那么在所述磁场中产生涡流，所述涡流导致异物加热。在同样有助于异物加热的铁磁材料中还附加导致交变磁化损耗。在能量传输时此外因涡流产生损耗。

异物能够通过加热点燃。如果异物是生物，那么该生物由于可能的加热而遭遇大的危险。

导电异物因此例如在电气车辆的非接触式电池充电时是干扰因素。因此必要的是：在每次能量传输之前借助于适当的措施、例如借助于自动的或者手动的清洁过程保证将异物从能量传输系统的高频磁场的区域中去除。因此电池应感应性地充电的车辆的驾驶员例如会始终在充电过程前被要求去除可能的异物。为了避免不必要的清洁，因此所期望的是，当异物能够被自动地识别时并且仅在事实上存在异物的情况下对驾驶员产生清洁能量传输系统的要求。

用于识别异物的大量系统是已知的。DE 102009033236A1公开了一种用于识别异物的系统，其中借助于超声波图像传感器、雷达图像传感器、红外图像传感器或者电子图像传感器来识别异物。传感器在此优选设置在次级侧上、即车辆上。在此不利的是，传感器经受外部的天气影响和污染从而是易受干扰且易故障的并且此外由于碎石撞击或者外力而容易损坏。

DE 102009033237A1公开了一种用于识别异物的系统，其中应借助于大量规则地设置的平面线圈作为测量电感来识别异物。在此，所有的线圈的电感借助于评估装置来监控并且借助于参考阻抗或者参考分布来比较。在偏离预定的量时发出信号，所述信号显示所述偏离。在该系统中不利的是：大量电感必须借助于适当的电子设备来监控。此外仅测量基于异物的电感的变化。

DE 69827733T2公开了一种用于识别异物的系统，其中设有两个初级绕组和两个次级绕组，其中这两个初级绕组与一个共同的芯连接但是在空间上彼此分开地设置，使得每个初级绕组都在不同的空间范围中产生交变磁场。次级绕组类似于初级绕组设置，使得所述次级绕组在充电过程期间与初级绕组相对置。由于分开设置的初级绕组，推挽分支的振荡电路彼此不相关地响应交变磁场的空间区域的不同的负载。结合功值能够借助于系统检测交变磁场的次级部分中的负载类型、例如全负载、无负载和由于系统的异物引起的不正确的负载并且引入相应的措施。在该系统中不利的是，为了检测异物始终必须开始充电过程。

DE 69834537T2公开了一种用于非接触式能量传输的系统，其中在初级侧和次级侧分别设置两个分开的绕组，其中一个绕组相应地设置用于能量传输并且一个绕组设置用于信号传输。充电过程始终仅能够在经由信号传输线圈将相应的信号传输给初级侧时才进行。如果消耗器单元不设置在充电站上游，该系统仅防止异物能够加热。如果消耗器单元设置在充电站的初级侧上游，该系统就不能够识别异物。

从EP 2317625A2中已知一种用于非接触式能量传输的系统，其中为了识别异物通过初级线圈测量电流并且将其与预定的值比较，其中为了识别异物提高传输频率并且将消耗器单元的负载与次级谐振电路分开。在该系统中不利的是，初级绕组和次级绕组之间的间距不是始终相等的进而耦合因数是始终不同的，使得在初级电路中始终设置不同的电流。此外，为了识别异物必须总是中断充电过程，这导致待充电的电池和所使用的构件的更快的磨损和老化。同样不利的是，由于初级绕组和次级绕组的尺寸，相对于其小的异物不能够被可靠地识别。

发明内容

本发明的目的是：提供一种识别系统，所述识别系统也可靠地识别小的异物。

本发明有利地通过具有权利要求1的特征的系统来实现。根据权利要求1的系统的有利的设计方案通过从属权利要求的特征得出。

根据材料，非铁磁性金属在纯涡流效应下在磁场中引起呈挤压形式的变形。而铁磁材料使磁场聚束。对这种影响的简单的测量能够通过确定绕组的电感来实现。相应的系统如在上文中所描述的从DE102009033236A1中已知。然而电感的变化通常过小以至于不能产生准确的开关阈值。

本发明因此提出：设置第二线圈，所述第二线圈同样遭受因一个或多个异物引起的场畸变。所使用的这两个线圈磁耦合，其中耦合通过异物改变。这种改变能够通过测量电变量例如流经线圈的电流或者通过感应性的电压来检测。为了能够精确地检测耦合的改变，有利的是，耦合的线圈是谐振电路的组成部分，所述谐振电路具有相同的谐振频率。由于耦合的谐振电路的高品质，可通过发生变化的无功功率良好地检测耦合的改变。因此例如能够将信号馈入到第一线圈中并且在第二线圈中测量感应电压。只要系统处于谐振中，那么感应电压是非常高的。然而只要异物位于线圈的区域中，那么这两个谐振电路因电感的改变而失谐，线圈之间的耦合发生改变，由此感应电压相对于谐振情况降低。通过设置耦合的谐振电路，感应电压的改变是足够大的，使得感应电压能够用于借助阈值识别导电的异物。

根据本发明的识别系统能够作为独立的系统安置在固有的壳体中，所述壳体例如放置到感应性能量传输系统的初级绕组上或者能够固定在其上。然而同样可行的是，这两个优选能够构成为扁平线圈的线圈可选地还有相应的评估电子设备连同线圈的布线设置在感应性能量传输系统的初级侧的或者次级侧的壳体中。

识别系统的初级线圈和次级线圈优选遮盖感应性能量传输系统的有源面。所述初级线圈和次级线圈尤其能够至少具有能量传输系统的初级绕组和次级绕组的大小和形状，这取决于其是否设置在感应性能量传输系统的初级绕组或者次级绕组附近。然而所述线圈也能够通过其被遮盖的与能量传输系统的绕组相比更大的面构成，使得所述线圈侧向伸出所述面。

为了借助于识别系统检测尽可能小的异物，线圈构成为，使得通过传输装置的磁场在识别系统的初级线圈和次级线圈中没有感应产生电压或者感应产生相对于源电压小的电压。为此，线圈有利地曲折状地构造，使得在线圈的各个导体部段中感应产生的电压由于能量传输的磁场而相互抵消。对此，识别系统的每个线圈能够通过多个直的导线部段形成，所述直的导线部段分别彼此平行地并且串联地设置，其中同时初级线圈和次级线圈的直的导线部段彼此平行地、呈45°角或者彼此垂直地设置。

直的导线部段的长度能够有利地被测量为，使得导线部段在能量传输系统的、尤其是其绕组的初级装置或者次级装置之上延伸。

每个线圈的相邻的直的和彼此平行地设置的导线部段的间距在此匹配于待检测的最小的异物的尺寸。所述间距能够根据待检测的异物为1cm至10cm、尤其优选2.5cm至8cm。

在识别系统的一个尤其优选的实施方案中，初级谐振电路通过初级线圈和电容器形成，所述初级线圈和电容器尤其串联连接。次级谐振电路通过次级线圈和电容器形成，所述次级线圈和电容器并联连接或者串联连接，其中源是交流电压源或者交流电流源，在所述源上连接有初级谐振电路。整流器在此对次级侧的谐振电路的次级侧的输出电压进行整流并且借助于电容器平滑该输出电压。监控装置在此将整流器的输出电压与存储在存储器中的电压值进行比较。如果所测量到的输出电压低于特定的阈值，那么产生信号，所述信号代表所检测到的异物。

监控装置能够有利地通过微控制器形成，所述微控制器形成源、尤其是具有PWM输出端的源，并且所述微控制器通过模数转换器输入端来确定整流器的输出电压。

有利的是，识别系统的线圈通过电路板的带状导线形成，由此线圈能够简单且成本适宜地制造。因此，例如能够使用两侧胶合的带状导线，所述带状导线借助其两侧相应地形成线圈。在电路板上此外能够设置其它的电构件，使得获得小且紧凑的结构类型。

识别系统能够在下述区间中自校准，在所述区间中源的频率在校准过程中改变直至谐振频率被确定，在所述谐振频率处出现谐振电路装置的最大无功功率。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明。

附图示出：

图1示出根据本发明的识别系统的框图；

图2示出识别系统的线圈的第一可能的构成方案；

图3示出识别系统的线圈的第二可能的构成方案；

图4示出识别系统的线圈的第三可能的构成方案；

图5示出识别系统的可能的电路装置；

图6示出用于确定谐振电路的电器件的等效电路图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的识别系统的框图。识别系统具有初级谐振电路，所述初级谐振电路通过由初级侧的线圈的电容C_A和电感L_A构成的串联电路形成。初级侧的谐振电路C_A-L_A通过激励信号激励以振荡，其中激励信号本身由源1产生。次级侧的并联谐振电路通过次级侧的线圈的电容C_B和电感L_B形成。在次级侧的谐振电路中感应产生的电压借助于测量设备2来测量。点A₁、A₂、B₁和B₂是识别系统的电感L_A、L_B或者线圈的连接点。

图2示出识别系统的线圈L_A和L_B的第一可能的构成方案。线圈L_A和L_B的各个导体部段具有直的导体部段4，所述直的导体部段彼此平行地设置并且串联地设置并且在其端部上通过半圆形的连接部段5彼此导电连接。也能够称之为：线圈L_A和L_B的导体曲折状地铺设。线圈L_A和L_B例如能够通过电路板的导体形成。这两个线圈L_A和L_B有利地遮盖非接触式能量传输装置的面3。有利的是，线圈L_A和L_B伸出面3的边缘，所述面尤其是能够通过能量传输系统的初级线圈或者次级线圈形成。线圈L_A和L_B的直的部段4在根据图2的装置中彼此垂直地设置。直的导体部段4之间的间距A确定识别系统的敏感性。间距A越小，就能够通过识别系统识别更小的异物。根据图2的具有简单铺设的导线的装置具有下述缺点：线圈端子A₁、A₂、B₁和B₂彼此远离，由此用于连接线圈L_A和L_B的长的连接导线变得必要，由此能量传输装置的主场同样可能与连接导线耦合。

识别系统使用线圈L_A和L_B，所述线圈与能量传输系统3的绕组分开地设置。

图3示出识别系统的线圈L_A和L_B的第二可能的构成方案，其中直的导线双重地铺设，使得线圈端子A₁、A₂、B₁和B₂紧密地相邻进而长的、附加的连接导线是不必要的，并且主磁场不对识别系统产生不利的影响。在线圈L_A和L_B的这种设置方式中，其直的导线部段4彼此垂直地设置。

线圈L_A和L_B能够施加到电路板上，因为流经线圈L_A和L_B的用于测量异物F的必要的电流是小的。也适合的是，将用于馈送的呈信号发生器形式的电子设备和测量电路一起设置在相同的电路板上。

图4示出识别系统的线圈L_A和L_B的第三可能的构成方案，其中线圈L_A和L_B的直的导线部段4彼此平行地设置。箭头在此说明在线圈L_B中瞬时的可能的电流流动方向。

图5示出用于识别系统的可能的电路装置。为了对初级谐振电路C_A-L_A进行馈送使用信号发生器7，所述信号发生器产生具有谐振电路的谐振频率f_res的交变电压V_gen。理论上，方波信号就足够，因为仅需要谐振电路的基本谐波。然而由于EMV原因推荐使用正弦发生器。其信号振幅越大，就能够越精确地进行测量，然而其中必须借助干扰发射产生折衷。

在次级侧上设置有并联谐振电路L_B-C_B。在线圈L_B中感应产生的电压借助于整流器8和平滑电容器C_tp整流和平滑。经整流的电压借助于比较器9与参考电压进行比较，所述参考电压通过R_sch上的分压器施加到比较器的输入端1上，其中比较器的输出端5将信号FOD(异物检测Foreign Object Detection)输出给下游的并且未示出的信号和/或控制装置上。如果经平滑的电压小于参考电压，那么这如下解释：在有源的能量传输面的区域中存在至少一个异物。如果经平滑的电压超出或者等于参考电压，那么这如下解释：在系统中不存在异物。可能的是，仅区域10中的器件设置在电路板上。

识别系统在能量传输期间也能够以运转的方式识别异物，使得不必要中断能量传输来查明异物。

此外，通过参考电压匹配相应的条件的方式，能够周期性地校正识别系统。这能够自动地以特定的时间间隔进行。

图6示出用于确定初级侧和次级侧的谐振电路的电器件的等效电路图。在图5中示出的初级的串联谐振电路与次级侧的并联谐振电路的谐振能够借助于构件L_A、C_A、L_B和C_B例如通过电容器C_A或C_B和杂散电感()L_A或L_B之间的均衡来实现。耦合的谐振电路能够通过在图6中示出的等效电路图示出，其中线圈L_A或L_B通过两个杂散电感L_A和L_B和配合电感L_Ah或L_Bh示出。这些电感的至少一个必须是谐振电路的组成部分。如果谐振电路通过构件C_A-L_As和L_Bs-C_B形成，那么通过条件Z＝0借助下述等式计算出谐振频率f_res：

$f_{\mathrm{res}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{AS}}\×C_A}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{EI}}\×C_E}}$

均衡因此能够这样实行，使得每个线圈L_A、L_B的仅一部分是谐振电路的组成部分。

Claims (19)

1.一种用于识别感应性的能量传输系统的初级绕组和次级绕组之间的区域(3)中的导电异物(F)的识别系统，其中所述识别系统同样具有至少一个初级线圈(L_A)和至少一个次级线圈(L_B)，所述初级线圈和次级线圈彼此耦合，并且所述识别系统的至少一个初级线圈(L_A)和/或至少一个次级线圈(L_B)是至少一个电的谐振电路(L_A-C_A；L_B-C_B)的组成部分，其中电源(7)激励至少一个谐振电路(L_A-C_A)，并且监控装置监控所述识别系统的所述次级侧和/或初级侧上的至少一个电变量并且根据所测量到的所述电变量执行异物识别。

2.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述电变量是电流和/或电压、尤其是发生变化的无功功率。

3.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述初级线圈(L_A)和所述次级线圈(L_B)是电谐振电路(L_A-C_A；L_B-C_B)的组成部分，所述初级线圈和所述次级线圈具有相同的谐振频率(f_res)。

4.根据权利要求1或2所述的识别系统，其特征在于，AC源(7)向所述初级线圈(L_A)或者初级谐振电路(L_A-C_A)馈电，并且所述识别系统的所述次级线圈(L_B)是电的谐振电路(L_B-C_B)的组成部分，其中所述AC源(7)的频率与所述谐振电路(L_B-C_B)的所述谐振频率(f_res)相同。

5.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的耦合的所述初级线圈和/或次级线圈(L_A，L_B)的所述谐振频率(f_res)与基本频率(f₀)和所述能量传输系统的高次谐波的频率不同、尤其是大于所述能量传输系统的所述基本频率(f₀)、尤其优选在所述能量传输系统的第五和第七或者第七和第九高次谐波之间。

6.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述初级线圈和次级线圈(L_A，L_B)是扁平线圈，所述扁平线圈尤其通过电路板形成。

7.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述初级线圈和次级线圈(L_A，L_B)遮盖感应性的所述能量传输系统的有源面(3)、尤其至少具有所述能量传输系统的所述初级绕组的尺寸和形状或者侧向伸出所述有源面。

8.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述线圈(L_A，L_B)尤其是曲折状地构成，使得通过所述传输装置的磁场在所述识别系统的所述初级线圈和次级线圈中不感应产生电压或者感应产生相对于源(7)的电压小的电压。

9.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述初级线圈和次级线圈(L_A，L_B)分别通过多个直的导线部段(4)形成，所述导线部段分别彼此平行地和串联地设置，并且所述初级线圈和次级线圈(L_A，L_B)的直的所述导线部段(4)彼此平行地设置或者彼此成0和90°之间的角度设置。

10.根据权利要求9所述的识别系统，其特征在于，直的所述导线部段(4)的长度被测定为，使得所述导线部段(4)延伸超出所述能量传输系统的初级装置或者次级装置。

11.根据权利要求9或10所述的识别系统，其特征在于，相邻的直的并且彼此平行地设置的所述导线部段(4)的间距(A)匹配于待检测的最小的异物(F)的尺寸。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的识别系统，其特征在于，相邻的直的并且彼此平行地设置的所述导线部段(4)的所述间距(A)为1cm至10cm、尤其优选2.5cm至8cm。

13.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统的所述初级线圈和次级线圈(L_A，L_B)设置在尤其是扁平的壳体中或者与所述能量传输系统的所述初级绕组或者所述次级绕组一起设置在壳体中。

14.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，初级的所述谐振电路(L_A-C_A)通过所述初级线圈(L_A)和电容器(C_A)形成，所述初级线圈和电容器尤其是串联连接，并且次级的所述谐振电路(L_B-C_B)通过所述次级线圈(L_B)和电容器(C_B)形成，所述次级线圈和电容器尤其是并联连接，并且所述源(7)是交变电压源或者交变电流源，在所述源上连接有初级的所述谐振电路(L_A-C_A)。

15.根据权利要求14所述的识别系统，其特征在于，整流器(8)对次级侧的所述谐振电路(L_B-C_B)的次级侧的输出电压进行整流并且借助于电容器(C_tp)来平滑，其中所述监控装置(9)确定所述整流器的所述输出电压并且将其与存储在存储器中的电压值或者参考电压进行比较。

16.根据权利要求15所述的识别系统，其特征在于，所述监控系统通过微控制器形成，所述微控制器形成所述源、尤其是具有PWM输出端的源，并且所述微控制器借助模数转换器输入端来确定所述整流器的所述输出电压。

17.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，如果已识别到一个或多个异物，那么显示单元产生可视信号和/或扬声器产生声音信号。

18.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统在下述区间中校准，在所述区间中所述源的频率改变直至所述频率(f_res)被确定，在所述频率处出现谐振电路装置的最大无功功率。

19.一种感应性的能量传输系统，其具有根据权利要求1至18中任一项所述的识别系统。