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Die Erfindung betrifft ein Ladegerät gemäß Patentanspruch 1, einen Akku gemäß Patentanspruch 7 und ein Verfahren zum Erkennen eines Fremdobjekts bei einem induktiven Ladevorgang gemäß Patentanspruch 9.
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Stand der Technik
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Aus
WO2009/040998 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines Fremdobjekts bei einem induktiven Ladevorgang mit Hilfe eines Temperatursensors bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Ladegerät, einen verbesserten Akku und ein verbessertes Verfahren zur Erkennung eines Fremdobjekts bei einem induktiven Ladevorgang bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Ladegerät gemäß Patentanspruch 1, durch den Akku gemäß Patentanspruch 7 und durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
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Ein Vorteil des Ladegeräts besteht darin, dass die Temperatur präzise erfasst wird und trotzdem der induktive Ladevorgang durch die Spule des Ladegeräts möglichst wenig beeinflusst wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Temperatursensor außerhalb, aber angrenzend an der Spule angeordnet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Akku dadurch gelöst, dass der Temperatursensor außerhalb der Spule, aber angrenzend an die Spule angeordnet ist. Dadurch wird der induktive Ladevorgang des Akkus nicht beeinträchtigt und trotzdem kann die Temperatur präzise erfasst werden.
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Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch das Verfahren zur Fremdobjekterkennung dadurch gelöst, dass mit Hilfe von wenigstens zwei Temperatursensoren zwei Temperaturwerte im Ladebereich erfasst werden, wobei abhängig von den zwei Temperaturwerten insbesondere abhängig von einer Temperaturdifferenz der zwei Temperaturwerte oder abhängig von einer Differenz der Temperaturgradienten der zwei Temperaturwerte durch einen Vergleich mit einem Referenzwert ein Fremdobjekt sicher erkannt wird. Durch die Verwendung von zwei Temperatursensoren wird die Genauigkeit des Verfahrens erhöht.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. In einer Ausbildung des Ladegeräts sind mehrere Temperatursensoren verteilt um den Umfang der Spule angeordnet. Vorzugsweise weisen die Temperatursensoren den gleichen Winkelabstand voneinander auf und sind vorzugsweise auf einer Kreislinie angeordnet. Auf diese Weise ist eine präzise Erfassung der Lage des Fremdobjekts möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Ladegerät ein Gehäuse mit einer Platte auf, die im Ladebereich angeordnet ist. In der Platte ist eine Ausnehmung vorgesehen, in der der Temperatursensor angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen der Oberfläche der Platte und dem Temperatursensor reduziert und trotzdem eine ausreichend stabile Platte bereitgestellt. Somit kann die Temperatur genauer und eine Temperaturänderung schneller erfasst werden. Die Platte besteht vorzugsweise aus einem thermisch leitenden Material.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein thermisches Leitmittel vorgesehen, das den Temperatursensor an das Gehäuse des Ladegeräts koppelt. Dadurch wird eine schnellere und verbesserte Erfassung der Temperatur möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Temperatursensor auf einer Leiterplatte angeordnet, die auf einer Innenseite des Gehäuses vorgesehen ist. Diese Ausführungsform ist einfach und kostengünstig. Vorzugsweise ist der Temperatursensor als SMD-Baustein ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte eine vorzugsweise kreisförmige Öffnung auf, wobei die Spule in der Öffnung angeordnet ist. Somit kann die Leiterplatte über die Spule geschoben werden und an der Ladeseite des Gehäuses befestigt werden. Der Innendurchmesser der Leiterplatte ist vorzugsweise etwas größer als der Außendurchmesser der Spule, so dass die Temperatursensoren nahe an der Spule angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mit Hilfe eines dritten Temperatursensors ein dritter Temperaturwert erfasst, und der dritte Temperaturwert zur Erkennung des Fremdobjekts ausgewertet. Dadurch wird die Genauigkeit einer Fremdobjekterkennung erhöht.
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In einer weiteren Ausführung wird die Lage des Fremdobjekts zwischen zwei Temperatursensoren dadurch erkannt, dass der Temperaturwert und/oder der zeitliche Gradient des Temperaturwerts des dritten Temperatursensors geringer ist als der Temperaturwert und/oder der zeitliche Gradient des Temperaturwerts des ersten und des zweiten Temperatursensors. Damit kann das Fremdobjekt zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor lokalisiert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ladegeräts und eines aufzuladenden Geräts mit einem Akku,
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2 eine schematische Aufsicht auf einen Ladebereich des Ladegeräts,
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3 eine erste Messsituation mit einem Fremdobjekt im Ladebereich,
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4 ein Diagramm der Temperaturkennlinien von drei Temperatursensoren im Normalbetrieb,
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5 ein Diagramm der Temperaturkennlinien von drei Temperatursensoren bei einer Fremdobjekterkennung,
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6 ein weiteres Diagramm mit zwei Temperaturkennlinien von zwei Temperatursensoren,
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7 ein weiteres Diagramm mit drei Temperaturkennlinien von drei Temperatursensoren,
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ladegeräts, und
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9 zeigt eine Leiterplatte.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teilausschnitt eines Ladegeräts 1 und einen Teilausschnitt eines Geräts 2 mit einem Akku. Das Ladegerät 1 weist eine nicht dargestellte Stromquelle auf, die über ein Steuergerät 8 eine Sendespule 3 mit Strom versorgt. Die Sendespule 3 weist einen Kern 4 und eine Spule 5 auf. Die Sendespule 3 ist ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung zur Übertragung von Energie abzugeben. Die Sendespule 3 ist angrenzend an eine Wand 7 eines Gehäuses des Ladegeräts 1 angeordnet. Die Windungen der Spule 5 sind in Ebenen parallel zur Ebene der Wand 7 angeordnet. In 1 ist ein Ladebereich 6 des Ladegeräts 1 dargestellt, an dem das Gerät 2 mit einem Akku zum induktiven Aufladen des Akkus angelegt werden kann, wie in 1 dargestellt ist. Das Ladegerät und das Gerät können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein. Das Gerät 2 weist eine Empfangsspule 11 auf, die über ein zweites Steuergerät 15 mit einem Akku 16 verbunden ist. Die Empfangsspule 11 weist eine zweite Spule 12 und einen zweiten Kern 13 auf. Die Empfangsspule 11 ist an einer zweiten Wand 17 eines Gehäuses des Geräts 2 angeordnet. Die zweite Wand 17 ist parallel zur Wand 7 ausgerichtet. Das Gerät 2 kann als elektrischer Akku 16, d. h. als aufladbare Batterie oder Batteriepack ausgebildet sein, der elektrische und elektronische Schaltungen zum induktiven Laden aufweist. Weiterhin kann das Gerät 2 auch in Form eines elektrischen Gerätes wie z. B. eines Handwerkzeugs oder eines Küchengeräts mit einem elektrischen Akku ausgebildet sein.
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Beim induktiven Laden von Akku- oder Batteriepacks oder Endgeräten mit eingebauten aufladbaren Batteriezellen wird das magnetische Feld für die Energieübertragung zwischen dem Ladegerät und dem Empfangsgerät, d. h. dem Akku oder dem Batteriepack oder dem Endgerät benutzt. Das Empfangsgerät speichert den größten Teil der empfangenen bzw. übertragenen Energie in den Batteriezellen. Damit die Energie von der Ladestation an das Empfangsgerät abgegeben werden kann, ist eine induktive Kopplung erforderlich. Die induktive Kopplung ist beispielsweise in Form von zwei Spulen ausgebildet, die üblicherweise einen Spulenkern aufweisen. Die induktive Kopplung kann über eine Strecke von bis zu einigen Zentimetern verwendet werden, um Energie zu übertragen. Zudem kann eine resonante induktive Kopplung für die Erhöhung des Wirkungsgrades verwendet werden. Beim induktiven Laden ist jedoch nicht auszuschließen, dass im Bereich der Schnittstelle Fremdobjekte zwischen Ladegerät und Endgerät gelangen können. Elektrisch und magnetisch leitende Fremdobjekte können den Wirkungsgrad der induktiven Kopplung beeinträchtigen. Zudem können sich Fremdobjekte im elektromagnetischen Feld stark erhitzen und somit zu Beschädigungen führen.
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In 1 ist schematisch ein Fremdobjekt 18 zwischen den Wänden 7, 17 des Ladegeräts und des Endgeräts 2 im Ladebereich 6 zwischen der Sendespule 3 und der Empfangsspule 11 angeordnet.
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Das Ladegerät 1 weist auf der Innenseite der Wand 7 einen ersten und einen zweiten Temperatursensor 9, 10 auf. Die Temperatursensoren 9, 10 sind über Signalleitungen mit dem Steuergerät 8 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform sind die Temperatursensoren 9, 10 in Ausnehmungen 19 der Wand 7 eingebracht. Damit wird der Abstand zwischen einer Außenseite der Wand 7 und den Temperatursensoren 9, 10 verkleinert. Somit können thermische Entwicklungen, die auf der Außenseite der Wand 7 durch das Fremdobjekt 18 erzeugt werden, genauer und schneller mit Hilfe der Temperatursensoren 9, 10 erfasst werden. Die Temperatursensoren 9, 10 können abhängig von der Ausbildung auch auf der Innenseite der Wand 7 angeordnet sein. Somit sind Ausnehmungen 19 nicht unbedingt erforderlich.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Temperatursensoren 9, 10 außerhalb eines Außenradius der Spule 5 angeordnet. Auf diese Weise wird die Erzeugung des elektromagnetischen Feldes durch die Spule 5 nicht durch die Temperatursensoren 9, 10 beeinflusst. In der dargestellten Ausführung sind die Temperatursensoren 9, 10 vor einem äußeren Ringbereich des Kerns 4 angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Temperatursensoren 9, 10 auch direkt vor der Spule 5 an oder in der Wand 7 angeordnet sein. Versuche haben gezeigt, dass die Anordnung der Temperatursensoren 9, 10 so nah wie möglich an der Spule 5, aber noch außerhalb des Außenradius der Spule 5 für den Nachweis von Fremdobjekten 18 zum einen ausreicht und zum anderen die induktive Kopplung zwischen den Spulen 5 und 12 kaum beeinflusst.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform können Temperatursensoren auch im Gerät 2 angeordnet sein, die über Sensorleitungen mit dem zweiten Steuergerät 15 in Verbindung stehen. Die Anordnung der Temperatursensoren im Gerät 2 kann genauso ausgeführt sein, wie die Anordnung der Temperatursensoren im Ladegerät. Bei dieser Ausführungsform kann das zweite Steuergerät 15 beispielsweise über eine optische Anzeige verfügen und bei Erkennen eines Fremdobjekts ein Signal abgeben und/oder über einen Signalpfad an das Steuergerät 8 übermitteln. Der Signalpfad kann in Form einer Leitung mit Kontakten im Ladebereich oder als drahtlose Signalverbindung mit Sender und Empfänger ausgebildet sein. Das Steuergerät 8 kann somit aufgrund der eigenen Temperatursensoren oder aufgrund der Temperatursensoren des Geräts 2 ein Fremdobjekt im Ladebereich 6 des Ladegeräts 1 erkennen.
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Das Grundprinzip der Fremdobjekterkennung besteht darin, durch eine Abweichung der Temperatur vom Normalbetrieb beispielsweise durch einen lokalen Temperaturanstieg oder durch eine zu hohe Temperatur im gesamten Ladebereich ein Fremdobjekt zu erkennen. Bei Erkennung des Fremdobjekts kann beispielsweise die über die Sendespule 3 übertragene Energie reduziert werden oder die Energieübertragung vollständig abgebrochen werden. Die thermische Fremdobjekterkennung kann zusätzlich zu anderen Fremdobjekterkennungen wie beispielsweise der induktiven Fremdobjekterkennung als zusätzlich Sicherheitsmaßnahme verwendet werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Ladebereichs 6 des Ladegeräts 1 oder des Geräts 2, wobei der Ladebereich 6 in Form einer Kreisfläche dargestellt ist. Der Ladebereich 6 wird im Wesentlichen durch die Außenkontur des Kerns 4 festgelegt. In der Darstellung ist ein Innenradius 20 dargestellt, der den Außenradius der Spule 5 darstellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere Temperatursensoren 9, 10 symmetrisch verteilt um die ringförmige Außenkontur der Spule 5 angeordnet. Die Temperatursensoren sind als schwarze Punkte dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht Temperatursensoren 9, 10 angeordnet, wobei der Winkelabstand zwischen zwei Temperatursensoren 45° beträgt. Die Temperatursensoren weisen vorzugsweise den gleichen Abstand zu einem Mittelpunkt 21 der Spule 5 auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Temperatursensoren auch unterschiedliche Abstände zum Mittelpunkt und/oder auch unterschiedliche Winkelabstände zueinander aufweisen. Beispielsweise können die Temperatursensoren um den Außenradius des Kerns 4 der Spule 5 angeordnet sein. Somit wird eine definierte Anordnung, eine sogenannte Matrix bzw. ein Array von mehreren Temperatursensoren im Ladebereich für eine Temperaturdetektion zur Verfügung gestellt.
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Durch die Anordnung der Temperatursensoren kann ein sich aufheizendes Fremdobjekt über eine lokale Temperaturerhöhung sicher und zweifelsfrei detektiert werden. Weiterhin kann in einem Ausführungsbeispiel die zeitliche Änderung des Temperaturverlaufs, d. h. der Temperaturgradient wenigstens eines der Temperatursensoren zur sicheren Erkennung einer lokalen Erwärmung herangezogen werden. Jeder der Temperatursensoren steht über eine Signalleitung mit dem Steuergerät 8 in Verbindung. Das Steuergerät 8 weist eine Auswerteeinheit bzw. Auswertelogik auf, mit der die gemeldeten Temperaturen beurteilt und ein Fremdobjekt erkannt werden kann. Das Steuergerät 8 ist mit einem Speicher verbunden, in dem Vergleichswerte oder Vergleichskennlinien abgelegt sind. Abhängig von der Erkennung des Fremdobjekts kann das Steuergerät 8 die Leistung der Sensespule reduzieren oder die Übertragung von Energie vollständig unterbrechen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Störfalls, bei dem ein Fremdobjekt 18 zwischen zwei Temperatursensoren T1, T2 einer Anordnung von Temperatursensoren T1, T2, ..., Tn gemäß 2 angeordnet ist.
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4 zeigt ein Diagramm der Temperatur T über die Zeit t für den ersten, zweiten und dritten Temperatursensor T1, T2, T3 für einen Normalbetrieb des Ladegeräts ohne Fremdobjekt. Dabei ist erkennbar, dass sich die Temperatur der drei Temperatursensoren unterscheidet, aber im Wesentlichen zeitlich annähernd gleich verhält, d. h. leicht mit der Zeit ansteigt.
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5 zeigt die Temperaturentwicklung bei der Situation, dass ein Fremdobjekt im Bereich des zweiten Temperatursensors T2 zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor T2, T1 angeordnet ist, wie in 3 dargestellt ist. Beim Starten des induktiven Ladevorgangs zum Zeitpunkt 0 sind die Temperaturwerte der drei Temperatursensoren T1, T2, T3 gleich groß. Während des induktiven Ladevorgangs erwärmt sich das Fremdobjekt 18. Da das Fremdobjekt 18 näher am zweiten Temperatursensor T2 angeordnet ist, erfasst der zweite Temperatursensor T2 zeitlich schneller ansteigende Temperaturwerte als der erste Temperatursensor T1, wie in 5 dargestellt ist. Der dritte Temperatursensor T3 ist weiter vom Fremdobjekt entfernt als der erste Temperatursensor T1, so dass der zeitliche Anstieg der Temperaturwerte des dritten Temperatursensors T3 geringer ausfällt als der zeitliche Anstieg der Temperaturwerte des ersten Temperatursensors T1. Somit kann bei der Verwendung von drei Temperatursensoren die Lage des Fremdobjekts entweder direkt an einem der Temperatursensoren oder zwischen zwei Temperatursensoren durch den Vergleich der Temperaturwerte und/oder durch den Vergleich der zeitlichen Anstiege der Temperaturwerte ermittelt werden.
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Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung können beispielsweise folgende drei typische Fehlerfälle erfasst werden:
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- 1. Fehlerfall: lokal merklich größere absolute Temperatur gegenüber zwei beliebig benachbarten Temperatursensoren. Unterscheiden sich zwischen zwei beliebig benachbarten Temperatursensoren die absoluten Temperaturen merklich voneinander, so wird auf einen Fehlerfall geschlossen. Im vorliegenden Beispiel, das in 6 dargestellt ist, unterscheiden sich die von den Temperatursensoren T1 und T2 erfassten Temperaturen um die Differenz T12. Überschreitet die Temperaturdifferenz T12 eine im Steuergerät hinterlegte maximale Temperaturdifferenz, die durch den Benutzer frei wählbar ist, so wird durch das Steuergerät beispielsweise eine Abschaltung der Energieübertragung in die Wege geleitet.
- 2. Fehlerfall: lokal merklich größere absolute Temperatur gegenüber drei beliebig benachbarten Temperatursensoren. Im Wesentlichen entspricht der zweite Fehlerfall dem ersten Fehlerfall, wobei jedoch für die Auswertung drei beliebig benachbarte Temperatursensoren herangezogen werden. Des Weiteren erfolgt eine Plausibilitätskontrolle in der folgenden Art, dass sich die Temperatur des in der Mitte der drei Temperatursensoren angeordneten Temperatursensors nicht wesentlich von den beiden äußeren Temperatursensoren unterscheiden darf. Weisen z. B. die beiden äußeren Temperatursensoren T1 und T3 ein nahezu identisches Niveau auf, jedoch der mittlere Temperatursensor T2 eine deutlich höhere Temperatur als der erste und der dritte Temperatursensor T1, T3, so wird durch die Steuereinheit die Abschaltung der Energieübertragung in die Wege geleitet. Hierbei muss die vom zweiten Temperatursensor T2 erfasste Temperatur die festgelegte maximale Temperaturdifferenz überschreiten. Dieser Fehlerfall ist in 7 dargestellt.
- 3. Fehlerfall: sehr steiler Temperaturanstieg gegenüber dem Normalbetrieb eines beliebigen Temperatursensors. Steigt die von einem beliebigen Temperatursensor gemessene Temperatur schneller als üblich an, so wird auf einen Fehlerfall geschlossen. Schneller als üblich bedeutet hier, dass die Temperaturänderung über der Zeit um einen fest im System hinterlegten Faktor a größer als im Normalbetrieb ist. Der Faktor a kann abhängig von dem verwendeten Ladegerät individuell eingestellt werden. Die Temperaturänderung über der Zeit im Normalbetrieb kann als Wert im Steuergerät abgespeichert sein oder über Messreihen während des Betriebs empirisch ermittelt werden. Tritt dieser Fehlerfall in Erscheinung, so wird durch das Steuergerät die Energieübertragung beendet.
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Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren weisen den Vorteil auf, dass die gesamte Systemsicherheit bzw. Systemzuverlässigkeit erhöht wird, dass sicher und zweifelsfrei auch kleine und mittlere Fremdobjekte erkannt werden. Zusätzlich kann eine zu hohe Temperatur im gesamten Ladebereich erkannt werden. Weiterhin bleibt die induktive Energieübertragung durch die angeordneten Temperatursensoren unbeeinflusst.
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Als Temperatursensoren können gebräuchliche Sensortypen wie z. B. NTC, PTC, PT100 verwendet werden. Wie anhand von Figur ersichtlich ist, kommt es auch im Normalbetrieb ohne ein Fremdobjekt zu einer systembedingten gleichmäßigen Temperaturerhöhung im gesamten Ladebereich. Somit zeigen alle Temperatursensoren einen ähnlichen Anstieg der Temperatur.
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Wie bereits ausgeführt, kann das Gerät 2 auch entsprechende Temperatursensoren aufweisen und einen Nachweis des Fremdobjekts führen, wie bereits für das Ladegerät 1 beschrieben.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der der Temperatursensor 9 außerhalb des Kerns 4 der Sendespule 3 angeordnet ist. In analoger Weise sind in dieser Ausführungsform alle Temperatursensoren 9, 10 außerhalb des Außenumfangs des Kerns 4 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Temperatursensor 9 in einer Ausnehmung 19 auf der Innenseite der Wand 7 eingelegt. Vorzugsweise kann ein thermisches Leitmittel 23 zwischen dem Temperatursensor 9 und der Wand 7 vorgesehen sein, um die thermische Kopplung zwischen der Wand 7 und dem Temperatursensor 9 zu erhöhen. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Temperatursensor 9 auch auf der Innenseite der Wand 7 ohne Ausnehmung 19 angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann ein thermisches Leitmittel zur Verbesserung der thermischen Kopplung zwischen der Wand 7 und dem Temperatursensor 9 dienen. Der Temperatursensor 9 ist in der dargestellten Ausführungsform auf einer Leiterplatte 22 beispielsweise in Form eines SMD-Bausteins angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können alle Temperatursensoren auf einer Leiterplatte 22 angeordnet sein. Die Leiterplatte 22 weist eine Ausnehmung auf, die an die Außenkontur der Sendespule 3 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Leiterplatte 22 in Form eines Rings ausgebildet sein.
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9 zeigt die Leiterplatte 22 mit der kreisförmige Öffnung 24, wobei 8 Temperatursensoren 9 gleichmäßig verteilt um die Öffnung 24 angeordnet sind. Die Temperatursensoren sind so nah wie möglich am Innenrand der Leiterplatte 22 angeordnet. Die Außenkontur der Leiterplatte kann kreisförmig ausgebildet sein oder eine andere Form aufweisen, die beispielsweise an das Gehäuse angepasst ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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