DE102011050655A1

DE102011050655A1 - Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers und Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102011050655A1
Application number: DE102011050655A
Authority: DE
Inventors: Mathias Wechlin; Pascal Asselin
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Enrx Ipt De GmbH
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2012160136A3; US20140191715A1; WO2012160136A2; EP2714459A2; EP2714459B1; US9623763B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit und einer Primärinduktivität zu einer mobilen Einheit mit einer Sekundärinduktivität und einem elektrischen Verbraucher wird zunächst elektrische Leistung aus der Stromversorgungseinheit in die Primärinduktivität eingespeist und diese Einspeisung unterbrochen. Der zeitliche Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärinduktivität wird gemessen und mindestens ein Parameter des gemessenen Verlaufs mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der bei einer Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärinduktivität ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers im Bereich des von der Primärinduktivität erzeugten Magnetfeldes ermittelt wurde, verglichen. Anhand dieses Vergleichs wird festgestellt, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper im Bereich des von der Primärinduktivität erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 bzw. des Anspruchs 15. Vorrichtungen besagter Art dienen der induktiven Ladung einer in einem Elektrofahrzeug eingebauten, wiederaufladbaren Batterie. Während der Energieübertragung wird zwischen einer stationären Primärspule und einer fahrzeugseitigen Sekundärspule ein magnetisches Feld hoher Feldstärke und Flussdichte aufgebaut. Dies ist notwendig, um in der Sekundärspule einen für die angestrebte Übertragungsleistung ausreichend hohen Strom zu induzieren.
Werden Gegenstände aus metallischen Werkstoffen in den Bereich eines solchen Feldes eingebracht, so werden in diesen Wirbelströme induziert, die zu einer von Material, Dauer der Einbringung und Höhe der Feldstärke abhängigen Erwärmung führen. Bei Vorhandensein entsprechender Bedingungen kann ein solcher Gegenstand eine Temperatur erreichen, die zu Beschädigungen, z.B. zum Einschmelzen in Kunststoffoberflächen, oder zu Gefährdungen von Personen führen können. Letztere treten insbesondere dann auf, wenn die Sekundärseite entfernt wurde und erwärmte Metallgegenstände frei zugänglich sind und von Personen berührt werden können.
Aufgrund der Charakteristik bisheriger Anwendungen für induktive Energieübertragungssysteme wurde eine entsprechende Gefährdung durch metallische Fremdkörper als nicht relevant bewertet oder beispielsweise bei Flurförderzeugen (AGV) durch vor den sekundärseitigen Abnehmern angebrachte Bürsten versucht, solche Gegenstände aus kritischen Feldbereichen zu entfernen. Bei Fahrzeugen mit Fahrer kann im Rahmen einer Schulung darauf hingewiesen werden, im Betrieb auf solche Gegenstände zu achten und diese vor Inbetriebnahme der induktiven Übertragung zu entfernen oder die induktive Übertragung im Zweifelsfall nicht in Betrieb zu nehmen. Für einen weitgehend automatischen Betrieb oder bei höheren Sicherheitsanforderungen, von denen insbesondere beim Einsatz derartiger Systeme in öffentlich zugänglichen Bereichen auszugehen ist, erscheinen die bisherigen Sicherheitsmaßnahmen als ungeeignet oder zumindest unzureichend.
Aus der WO 2009/081115 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei dem zeitweilig die Primärspannung erhöht und die Reaktion des Systems beobachtet wird. Normalerweise erfolgt in diesem Fall infolge einer sekundärseitigen Leistungsregelung, welche die übertragene Leistung konstant hält, eine entsprechende Reduzierung des Primärstromes. Ein leitfähiger Fremdkörper an der Primärspule sorgt jedoch in diesem Fall durch seine Verlustleistungsaufnahme für eine Erhöhung der Primärleistung und kann anhand dieser erkannt werden. Bei Erkennung eines Fremdkörpers wird die Primärspannung abgeschaltet, um eine Erhitzung des Fremdkörpers zu vermeiden. Als problematisch erscheint an diesem Stand der Technik, dass ein kleiner Fremdkörper schwer zu detektieren ist, da die Primärspannung gegenüber ihrem Nennwert nicht wesentlich erhöht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Verbesserung der Betriebssicherheit eines induktiven Energieübertragungssystems eine neue Lösung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers aufzuzeigen, die sich durch hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zunächst elektrische Leistung aus einer Stromversorgungseinheit in die Primärspule eingespeist, diese Einspeisung unterbrochen und der zeitliche Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule gemessen. Mindestens ein Parameter des gemessenen Verlaufs wird mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der zuvor ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers ermittelt wurde, verglichen. Anhand dieses Vergleichs wird festgestellt, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper im Bereich des von der Primärspule erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist. Auf diese Weise kann das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers mit hoher Genauigkeit detektiert werden, da ein solcher Abklingvorgang ohne leitfähigen Fremdkörper im wesentlichen nur durch die geringen Verluste der Primärspule bestimmt wird und daher bereits durch die Präsenz eines kleinen Fremdkörpers deutlich verändert wird.
Zweckmäßig ist es, wenn der als Entscheidungskriterium herangezogene Parameter eine relative Änderung der gemessenen elektrischen Betriebsgröße innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls seit der Unterbrechung der Leistungseinspeisung oder die Länge des Zeitintervalls seit der Unterbrechung der Leistungseinspeisung bis zum Erreichen einer vorbestimmten relativen Änderung der gemessenen elektrischen Betriebsgröße ist. Durch die Betrachtung relativer Änderungen wird die Abhängigkeit von Absolutwerten elektrischer Betriebsgrößen, die von vielen Faktoren beeinflusst werden und langfristig infolge von Alterungsprozessen driften können, vermieden.
Vorteilhafterweise erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, nicht nur festzustellen, ob überhaupt ein Fremdkörper vorhanden ist oder nicht, sondern darüber hinaus aus dem zeitlichen Verlauf des Abklingens der gemessenen elektrischen Betriebsgröße ein Maß für die Leistung zu ermitteln, die durch den Fremdkörper beim normalen Betrieb der Vorrichtung aufgenommen wird. Anhand dieses Leistungsmaßes kann entschieden werden, ob die Leistungszufuhr dauerhaft abgeschaltet bleiben muss, oder ob noch ein Notbetrieb mit so weit verminderter Leistung möglich ist, dass die Leistungsaufnahme des Fremdkörpers keine Gefahr darstellt und toleriert werden kann.
Sehr zweckmäßig ist es ferner, den Einfluss der Sekundärseite auf die Fremdkörpererkennung an der Primärspule zu minimieren, da dies insbesondere eine periodische Fremdkörpererkennung mit hoher Genauigkeit während des laufenden Betriebs der Energieübertragung zur Sekundärseite ermöglicht. Hierzu wird erfindungsgemäß vor der Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule sekundärseitig die Leistungsabgabe von der Sekundärspule an den Verbraucher unterbrochen und somit ein Einfluss des Verbrauchers auf den Abklingvorgang einer primärseitigen Betriebsgröße eliminiert.
Weitere besonders vorteilhafte Maßnahmen sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug,
2 ein Blockschaltbild der Primärseite einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung,
3 ein detaillierteres Schaltbild einiger Komponenten des Blockschaltbildes von 1,
4 einen beispielhaften Verlauf des Abklingens des Primärstromes bei Unterbrechung der Leistungseinspeisung ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers,
5 einen beispielhaften Verlauf des Abklingens des Primärstromes bei Unterbrechung der Leistungseinspeisung bei Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers,
6 ein Teilschaltbild der Sekundärseite einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung,
7 eine zusammenfassende Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Programmablaufplans.
1 zeigt ein Elektrofahrzeug 1, welches zum Aufladen seiner Batterie über der Primärspule 2 einer Ladestation steht, in einer schematischen Schnittansicht. An der Unterseite des Fahrzeugs 1 befindet sich in einem Gehäuse 3 eine Sekundärspule 4, die mit einer Ladeelektronik 5 als Verbraucher verbunden ist. Diese wandelt die Parameter der induktiv in die Sekundärspule 4 übertragenen elektrischen Leistung in zur Ladung der Batterie des Fahrzeugs 1 geeignete Werte. Die Primärspule 2 wird von einer Stromversorgungseinheit 6 der Ladestation gespeist und ist in einem Gehäuse 8 untergebracht, welches stationär an einem Fahrzeugabstellplatz angebracht ist. Die Stromversorgungseinheit 6 wird von einer Steuereinheit 7 der Ladestation gesteuert.
Gestrichelt sind in 1 einige Feldlinien 9 des von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugten magnetischen Wechselfeldes angedeutet. Seine Hauptrichtung entspricht der Richtung der Spulenachse der Primärspule 2 und ist somit die Vertikalrichtung. In dem Zwischenraum 10 unmittelbar oberhalb des Gehäuses 8 der Primärspule 2 herrscht im Betrieb eine hohe magnetische Feldstärke und Flussdichte.
Auf dem Gehäuse 8 der Primärspule 2 liegt ein metallischer Fremdkörper 11. Dieser kann sich beispielsweise von einem anderen Fahrzeug, welches vor dem Fahrzeug 1 an der Ladestation gestanden hat, gelöst haben. Es könnte sich auch um einen von einer Person verlorenen Gebrauchgegenstand oder um eine leere Getränkedose handeln. Nicht zuletzt könnte der Fremdkörper 11 auch von einer Person in Sabotageabsicht absichtlich dort deponiert worden sein. Wie eingangs bereits dargelegt, würde sich der Fremdkörper 11 bei einer Bestromung der Primärspule 2 infolge der in ihm induzierten Wirbelströme erhitzen und dadurch zu einer Gefahrenquelle werden. Im übrigen würde durch ihn die Effizienz der Energieübertragung zu der Sekundärspule 4 beeinträchtigt.
2 zeigt ein Blockschaltbild der Stromversorgungseinheit 6 von 1 mit daran angeschlossener Primärspule 2. Die Stromversorgungseinheit 6 enthält einen Gleichrichter 12, einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 13, einen Umrichter 14 und eine Abgleichschaltung 15, die in der genannten Reihenfolge hintereinander geschaltet sind. Der Gleichrichter 12 ist an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen und wandelt dessen Wechselspannung in eine Gleichspannung um, die in dem Zwischenkreis 13 geglättet und gepuffert wird. Die Zwischenkreisspannung wird durch einen Umrichter 14 in eine Wechselspannung vorbestimmter Frequenz umgewandelt, die über die Abgleichschaltung 15 an die Primärspule 2 geleitet wird. Die Abgleichschaltung 15 bildet zusammen mit der Primärspule 2 einen Schwingkreis und ist so dimensioniert, dass sich dieser Schwingkreis bei der durch den Umrichter 14 vorgegebenen Frequenz in Resonanz befindet.
Eine etwas detailliertere Darstellung eines Teils der Komponenten der Primärseite, nämlich des Umrichters 14, der Abgleichschaltung 15 und der Primärspule 2 zeigt 3. Der Umrichter 14 ist als H-Brücke mit vier Schaltern S₁ bis S₄ aufgebaut, die jeweils mit einer nicht gezeigten Freilaufdiode beschaltet sind. Die Abgleichschaltung 15 besteht in 3 lediglich aus einem einzigen Kondensator C_T, der parallel zum Ausgang des Umrichters 14 geschaltet ist. Tatsächlich kann die Abgleichschaltung 15 wesentlich komplexer aufgebaut sein und eine Vielzahl von Bauelementen einschließlich Induktivitäten enthalten, doch kommt es hier nur auf die Bildung eines Schwingkreises an, für die der einzelne Kondensator C_T grundsätzlich ausreicht, der hier beispielhaft als Abgleichschaltung 15 angenommen wird.
Die Primärspule 2 enthält eine Primärinduktivität L_P und in Serie dazu einen ohmschen Wicklungswiderstand R_P, der ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 den dominierenden Beitrag zur Gesamtverlustleistung des durch die Primärspule 2 und die Abgleichschaltung 15 gebildeten Schwingkreises liefert. Vernachlässigt werden hierbei Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste, auch Eisenverluste genannt, in Feldführungselementen, die sowohl primärseitig, als auch sekundärseitig vorgesehen sein können. Die Frequenz, mit der die Schalter S₁ bis S₄ betätigt werden, ist auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises so abgestimmt, dass dieser in Resonanz betrieben wird.
Der weitere Widerstand R_F in Serie zu der Primärspule 2 stellt ein einfaches Modell für den leitfähigen Fremdkörper 11 dar, der bei einer Bestromung der Primärspule 2 elektrische Leistung aufnimmt und in Wärme umsetzt. Ohne Vorhandensein des Fremdkörpers 11 ist der Wert von R_F in 3 gleich Null. Um den Fremdkörper 11 zu detektieren, könnte man beispielsweise die Primärleistung und die Sekundärleistung des gesamten Systems messen und durch Differenzbildung die durch den Fremdkörper 11 verursachte Verlustleistung ermitteln. Da jedoch beim Laden eines Elektrofahrzeugs 1 im Gegensatz zum Laden von Kleingeräten wie z.B. Mobiltelefonen oder Elektrozahnbürsten eine relativ große Leistung übertragen werden muss, wäre eine solche Lösung mit einer großen Ungenauigkeit behaftet, da zwei relativ große Leistungswerte gemessen und voneinander subtrahiert werden müssten.
Um bei der Fremdkörpererkennung eine hohe Genauigkeit zu erzielen, wird erfindungsgemäß die Leistungseinspeisung in die Primärspule 2 durch den Umrichter 14 völlig unterbrochen und das sich daraus ergebende Abklingen des Primärstromes I_P oder der Primärspannung U_P gemessen. Es versteht sich, dass dies nach Beginn einer Bestromung der Primärspule 2 sehr bald geschehen muss, d.h. bevor sich ein Fremdkörper 11 so weit erhitzen kann, dass er zu einer Gefahr wird. Die Ergebnisse solcher Messungen des Primärstromes I_P sind in den 4 und 5 für zwei verschiedene Fälle, nämlich in 4 ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers 11, d.h. für R_F = 0, und in 4 bei Vorhandensein eines Fremdkörpers 11, d.h. für R_F ≠ 0 dargestellt. Der Primärstrom I_P hat zum Zeitpunkt t₀ der Unterbrechung der Leistungseinspeisung aus dem Umrichter 14 im ersten Fall den Wert I₀, im zweiten Fall den Wert I_0F.
Wie beide Figuren zeigen, hat der Primärstrom I_P jeweils den Verlauf einer abklingenden Schwingung. Deren Hüllkurve I_PH(t) ist bekanntlich durch eine abklingende Exponentialfunktion I_PH(t) = I₀·exp[–(t – t₀)/τ] bzw. I_PH(t) = I_0F·exp[–(t – t₀/τ] gegeben, deren Zeitkonstante τ = (2L_P)/(R_P + R_F) ist. Bei Vorhandensein eines Fremdkörpers 11, also für R_F ≠ 0, ist die Abklingzeitkonstante kleiner, d.h. der Primärstrom I_P klingt schneller ab, als ohne Fremdkörper 11. Der in 4 dargestellte Verlauf des Primärstromes I_P ist ein Referenzverlauf, der einmalig ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers 11, also für R_F = 0 gemessen und gespeichert wird, wobei nicht der gesamte Zeitverlauf, sondern nur charakteristische Parameter desselben wie I₀, I_ref und Δt = t₁ – t₀ gespeichert zu werden brauchen, wobei I₀ der Startwert der Hüllkurve von I_P zum Zeitpunkt t₀ der Unterbrechung der Leistungseinspeisung, und I_ref der Wert der Hüllkurve von I_P zum Zeitpunkt t₁ ist.
Es versteht sich, dass trotz Unterbrechung der Primärleistungszufuhr der Primärstrom I_P weiterhin fließen können muss, damit ein durch die zusätzliche Verlustleistung eines eventuell vorhandenen Fremdkörpers 11 beeinflusster Abklingvorgang von I_P stattfinden kann. Abhängig von der internen Topologie der Abgleichschaltung 15 kann dies bedeuten, dass durch die Schalter S₁ bis S₄ des Umrichters 14 ein geschlossener Strompfad für den Abklingvorgang geschaffen werden muss. Wenn beispielsweise der Abgleichkondensator C_T nicht parallel, sondern in Serie zu der Primärspule 2 liegen würde, dann könnte durch einen geschlossenen Zustand der Schalter S₂ und S₄ bei geöffnetem Zustand der Schalter S₁ und S₃ trotz Unterbrechung der Leistungseinspeisung aus dem Umrichter 14 ein geschlossener Stromkreis für den aus der Primärspule 2, dem seriellen Abgleichkondensator C_T und ggf. dem Fremdkörperwiderstand R_F bestehenden Schwingkreis bereitgestellt werden.
Um das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 festzustellen, kann der Wert I₁ des Primärstromes I_P nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls Δt = t₁ – t₀ seit Unterbrechung der Leistungseinspeisung aus dem Umrichter 14 mit dem ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 gemessenen Referenzwert I_ref verglichen werden, wobei I₁ < I_ref das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 anzeigt. Alternativ kann die Länge des Zeitintervalls zwischen der Unterbrechung der Leistungseinspeisung zum Zeitpunkt t₀ und dem Erreichen des Referenzwertes I_ref durch den Primärstromes I_P mit dem Referenzzeitintervall Δt = t₁ – t₀ verglichen werden, wobei ein kürzeres Zeitintervall als Δt das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 anzeigt. Diese Vorgehensweise ist zulässig, wenn der Ausgangswert I_0F des Primärstromes bei Unterbrechung der Leistungseinspeisung in 5 exakt mit dem entsprechenden Wert I₀ des Referenzverlaufs in 4 übereinstimmt.
In der Praxis kann es allerdings vorkommen, dass der Ausgangswert I_0F des Primärstromes I_P bei Unterbrechung der Leistungseinspeisung in 5 etwas von dem entsprechenden Wert I₀ des Referenzverlaufs in 4 abweicht, d.h. dass der bei der Referenzmessung herrschende Betriebszustand des Systems später nicht mehr völlig exakt reproduzierbar ist. Daher ist es zu bevorzugen, die relative Änderung des Primärstromes I_P zwischen den Werten I_0F und I₁ mit der relativen Änderung zwischen den Werten I₀ und I_ref bei der Referenzmessung zu vergleichen, d.h. anstelle der Absolutwerte I₁ und I_ref jeweils die Verhältnisse I_0F/I₁ und I₀/I_ref zu betrachten.
Die Ausgangswerte I₀ und I_0F des Primärstromes I_P müssen nicht unbedingt die vor der Unterbrechung der Leistungseinspeisung herrschenden Werte sein, wie es in den 4 und 5 dargestellt ist, sondern man könnte jeweils auch einen kurz nach der Unterbrechung der Leistungseinspeisung gemessenen Wert von I_P als Ausgangswert verwenden, d.h. der Beginn des Zeitintervalls Δt für die Messung des Abklingvorgangs des Primärstromes I_P muss nicht der Zeitpunkt der Unterbrechung der Leistungseinspeisung sein, sondern er könnte auch kurz danach liegen. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, könnte auch in diesem Fall die Änderung des Abklingverhaltens durch das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 festgestellt werden.
Bei Feststellung eines Fremdkörpers 11 kann im einfachsten Fall die Leistungseinspeisung in die Primärspule 2, die für die Messung ohnehin unterbrochen wurde, unterbrochen bleiben und eine Anzeige aktiviert und/oder eine Meldung an eine übergeordnete Einheit und/oder den Benutzer des Elektrofahrzeugs 1 abgesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Fremdkörper 11 eine Größe hat, die zwar bei einem Betrieb des Systems mit Nennleistung eine Gefahr darstellen würde, jedoch bei einem Betrieb mit verminderter Leistung tolerierbar wäre. In diesem Fall ist es von Interesse, einen solchen Betrieb mit verminderter Leistung zu ermöglichen, insbesondere dann, wenn eine rasche Beseitigung des Fremdkörpers 11 nicht als möglich erscheint.
Um einen Betrieb mit verminderter Leistung trotz Vorhandenseins eines Fremdkörpers 11 zu ermöglichen, muss die Größe des Fremdkörpers 11, d.h. seine Leistungsaufnahme bei normalem Betrieb mit Nennleistung, quantitativ ermittelt werden, damit die von dem Umrichter 14 abgegebene Leistung auf einen Wert abgesenkt werden kann, bei dem die Leistungsaufnahme des Fremdkörpers 11 keine Gefahr mehr darstellt. Diese quantitative Ermittlung der von einem Fremdkörper 11 aufgenommenen Verlustleistung kann anhand des Schaltungsmodells von 3 und der gemessenen Zeitverläufe gemäß den 4 und 5 erfolgen.
Aufgrund der Formel für den exponentiellen Verlauf der Hüllkurve des Primärstromes I_P(t) gilt für den Referenzstromverlauf von 4: I_ref = I₀exp[–(t₁ – t₀)/τ_ref] mit der Zeitkonstanten τ_ref = (2L_P)/R_P
Hieraus kann der Wert von R_P berechnet werden: R_P = [2L_P/(t₁ – t₀)]·[–ln(I_ref/I₀)]
Analog gilt für den Stromverlauf mit vorhandenem Fremdkörper 11 von 5: I₁ = I_0Fexp[–(t₁ – t₀)/τ₁] mit der Zeitkonstanten τ₁ = (2L_P)/(R_P + R_F)
Hieraus kann die Summe R_P + R_F berechnet werden: R_P + R_F = [2L_P/(t₁ – t₀)]·[–ln(I₁/I_0F)]
Damit ergibt sich für R_F durch Subtraktion von R_P: R_F = [2L_P/(t₁ – t₀)]·ln[(I_ref·I_0F)/(I₁·I₀)]
Die in die Zeitkonstanten τ_ref und τ₁ eingehende Induktivität L_P der Primärspule 2 ist entweder bekannt, oder sie kann unter der Voraussetzung, dass ωL_P >> R_P + R_F ist, näherungsweise als L_P = U_P/(ωI_P) ermittelt werden, wozu zusätzlich zum Primärstrom I_P auch die Primärspannung U_P gemessen werden muss.
Die durch einen Primärstrom I_P mit dem Effektivwert I_Peff in einem Fremdkörper 11 mit dem wirksamen Widerstand R_F umgesetzte Verlustleistung P_F beträgt: P_F = R_F·I_Peff ²
Wenn die maximal tolerierbare Verlustleistung eines Fremdkörpers 11 den Wert P_Fmax hat, dann ergibt sich der maximal zulässige Effektivwert I_Pmax des Primärstroms I_P wie folgt:
Einsetzen von R_F ergibt:
Der Effektivwert des Primärstroms I_P kann von dem Umrichter 14 durch die Ansteuerung der Schalter S₁ bis S₄ auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Auf diese Weise kann auch bei Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 11 noch eine gegenüber der Nennleistung des Systems reduzierte Leistung übertragen werden. Beim Laden eines Elektrofahrzeugs 1 ist eine unvollständige Aufladung infolge eines verminderten Übertragungsleistung in jedem Fall dem völligen Verzicht auf eine Aufladung bei Vorhandensein eines Fremdkörpers vorzuziehen, um zumindest noch eine eingeschränkte Mobilität zu ermöglichen.
Wenn sich ein Elektrofahrzeug 1 bereits entsprechend 1 in Ladeposition befindet, dann können die Sekundärspule 4 und die Ladeelektronik 5 wegen der induktiven Kopplung der Sekundärspule 4 mit der Primärspule 2 den Verlauf des Primärstromes I_P bei einer Unterbrechung der primärseitigen Leistungseinspeisung aus dem Umrichter 14 beeinflussen. Dieser Einfluss muss bei der Fremdkörpererkennung berücksichtigt, d.h. möglichst eliminiert oder zumindest minimiert werden.
Wie 6 zeigt, ist hierzu die Sekundärspule 4, die analog zur Primärspule 2 durch eine Sekundärinduktivität L_S und in einen Serie zu dieser geschalteten Wicklungswiderstand R_S dargestellt werden kann, mit der Ladeelektronik 5, die eine in 6 nicht dargestellte Abgleichschaltung zur Bildung eines Schwingkreises enthält, über zwei Schalter S₅ und S₆ verbunden, durch die ein Kurzschluss der Sekundärspule 4 hergestellt werden kann bzw. der Stromkreis zwischen der Sekundärspule 4 und der Ladeelektronik 5 unterbrochen werden kann.
Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Fremdkörpererkennung ist die in 6 gezeigte Schalterstellung, in der beide Schalter S₅ und S₆ offen sind, vorteilhaft, da in diesem Fall kein Sekundärstrom I_S in der Sekundärspule 4 fließen kann. Hierdurch werden zusätzliche Verluste auf der Sekundärseite vermieden und die vorausgehenden Ausführungen unter Bezug auf die 3 bis 5 gelten uneingeschränkt. Es versteht sich dass zur Steuerung der sekundärseitigen Schalter S₅ und S₆ eine geeignete Kommunikationsverbindung zwischen der Steuereinheit 7 der Ladestation und einer entsprechenden Steuereinheit an Bord des Fahrzeugs 1 bestehen muss.
Alternativ kann die Sekundärspule 4 mittels des Schalters S₅ kurzgeschlossen werden. Auch hierdurch wird der Leistungsfluss zu der Ladeelektronik 5 unterbrochen, der Sekundärstrom I_S kann jedoch weiter durch die Sekundärinduktivität L_S und den Wicklungswiderstand R_S fließen. Letzterer nimmt in diesem Fall eine Verlustleistung P_S = R_S·I_Seff ² auf, wobei I_Seff der Effektivwert des Sekundärstromes I_S ist. Da I_Seff proportional zu I_Peff ist, wirkt sich der sekundärseitige Wicklungswiderstand R_S primärseitig wie ein zusätzlicher Widerstand k·R_S in Serie zum primärseitigen Wicklungswiderstand R_P aus, wobei k = I_Seff/I_Peff ein Proportionalitätsfaktor ist. In den vorausgehenden Formeln ist dann R_P durch R_P' = R_P + k·R_S zu ersetzen. Ansonsten können die Fremdkörpererkennung und die Bestimmung des trotz eines Fremdkörpers 11 noch zulässigen Primärstromes I_Pmax wie zuvor beschrieben erfolgen.
Einen zusammenhängenden Überblick über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt 7 in Form eines Programmablaufplans. Das Verfahren beginnt in Schritt 16 mit der Abschaltung des Verbrauchers, d.h. dass auf der Sekundärseite entweder beide Schalter S₅ und S₆ geöffnet werden, oder zuerst der parallel zur Sekundärspule 4 liegende Kurzschlussschalter S₅ geschlossen und dann der in dem zu der Ladeelektronik 5 führenden Stromkreis liegende Trennschalter S₆ geöffnet wird. Es versteht sich, dass Schritt 16 nur nötig ist, wenn eine Sekundärseite präsent ist.
Anschließend wird in Schritt 17 die Leistungseinspeisung vom Umrichter 14 in den aus der Abgleichschaltung 15 und der Primärspule 2 bestehenden Schwingkreis unterbrochen. In Schritt 19 wird sodann das Abklingen des Primärstromes I_P gemessen. In Schritt 20 wird durch Vergleich der Abweichung des Verhältnisses I_0F/I₁ von dem Verhältnis I₀/I_ref mit einem Schwellwert entschieden, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper 11 im Bereich des Magnetfeldes der Primärspule 2 vorhanden ist oder nicht.
Wenn der Vergleich in Schritt 20 positiv ausfällt, wird in Schritt 21 ein Maß für die Verlustleistungsaufnahme des Fremdkörpers 11 in Form seines Ersatzwiderstandes R_F berechnet. Aufgrund des Ergebnisses dieser Berechnung wird im nachfolgenden Schritt 22 geprüft, ob ein Notbetrieb mit reduzierter Übertragungsleistung sinnvoll ist, d.h. ob noch eine signifikante Leistung übertragen werden kann. Wenn der Vergleich in Schritt 22 positiv ausfällt, wird in Schritt 23 die Primärleistung über den Umrichter 14 auf einen gegenüber dem Nennwert reduzierten Wert eingestellt, bei dem die Verlustleistungsaufnahme des Fremdkörpers noch tolerierbar ist.. Danach wird in Schritt 24 die Leistungseinspeisung aus dem Umrichter 14 in die Primärspule 2 wieder aufgenommen und der Verbraucher, d.h. die Ladeelektronik 5 wieder eingeschaltet, indem der Trennschalter S₆ geschlossen und der Kurzschlussschalter S₅ geöffnet wird. Die Fremdkörpererkennung und -behandlung ist damit beendet.
Die die Fortsetzung des Betriebs in Schritt 24 erfolgt unter Umgehung der Schritte 21 bis 23 dann sofort nach dem Schritt 20, wenn der Vergleich in Schritt 20 ein negatives Ergebnis hat, also kein Fremdkörper erkannt wird. Wenn in Schritt 22 entschieden wird, dass wegen der Größe des Fremdkörpers kein sinnvoller Notbetrieb mit reduzierter Leistung möglich ist, dann wird in Schritt 25 die Einspeisung von Primärleistung dauerhaft abgeschaltet. Alternativ zur Berechung der Verlustleistungsaufnahme des Fremdkörpers 11 in Schritt 21 kann bei einem positiven Vergleichsergebnis in Schritt 20 in einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung auch sofort zu Schritt 25 übergegangen und die Primärleistung grundsätzlich dauerhaft abgeschaltet werden. Diese Variante ist in 7 gestrichelt dargestellt.
In 7 nicht dargestellt ist die Aktivierung einer Anzeige und/oder das Absetzen einer Meldung an eine übergeordnete Einheit und/oder des Benutzer des Elektrofahrzeugs. Solche Maßnahmen erfolgen grundsätzlich immer dann, wenn der Vergleich in Schritt 20 positiv ausfällt, da das Vorhandensein eines Fremdkörpers stets eine Störung darstellt, die je nach ihrem Ausmaß früher oder später behoben werden muss. Bei einem sehr kleinen Fremdkörper, der nur eine geringfügige Reduktion der Übertragungsleistung zur Folge hat, kann eine Anzeige ausreichend sein, die den Fahrzeugbenutzer bei der Rückkehr zum Fahrzeug auf die Störung hinweist. Bei einem großen Fremdkörper, der auch einen Notbetrieb unmöglich macht, erscheint es hingegen als notwendig, den Fahrzeugbenutzer umgehend zu alarmieren, dass das Elektrofahrzeug 1 nicht aufgeladen werden kann, beispielsweise durch ein Hupsignal oder durch Sendung einer Textnachricht an ein Mobiltelefon.
Aus der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für den Fachmann Variationsmöglichkeiten bei der Verwirklichung der Erfindung. So kann beispielsweise die Schaltungstopologie des Abgleichnetzwerks 15 unter Beibehaltung der Charakteristik eines Schwingkreises in der Kombination mit der Primärspule modifiziert und gegenüber dem hier gezeigten Beispiel erweitert werden. Ferner können bei der Berechnung der Verlustleistung Eisenverluste in Feldführungselementen berücksichtigt werden, indem bei der Verlustleistungsberechnung ein von zwei abweichender, d.h. etwas größerer Exponent des Effektivwertes I_Peff des Stromes verwendet wird. Ferner kann die Hüllkurve bzw. der Effektivwert I_Peff des Primärstromes I_P durch messtechnisch einfach erfassbare Größen angenähert werden, beispielsweise die Hüllkurve durch die Betragsdifferenz zweier aufeinanderfolgender Spitzenwerte oder der Effektivwert durch den Gleichrichtwert, der bekanntlich proportional zum Effektivwert ist. Solche und vergleichbare Modifikationen stehen im Ermessen des Fachmannes und sollen von Schutz der Ansprüche umfasst sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/081115 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einer mobilen Einheit mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst elektrische Leistung aus der Stromversorgungseinheit (6) in die Primärspule (2) eingespeist und diese Einspeisung unterbrochen wird, dass der zeitliche Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule (2) gemessen wird, dass mindestens ein Parameter des gemessenen Verlaufs mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der bei einer Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule (2) ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) im Bereich des von der Primärspule (2) erzeugten Magnetfeldes ermittelt wurde, verglichen wird, und dass anhand dieses Vergleichs festgestellt wird, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) im Bereich des von der Primärspule (11) erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) dann als vorhanden festgestellt wird, wenn die Abweichung zwischen dem Parameter des gemessenen Verlaufs und dem entsprechenden Parameter des Referenzverlaufs eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter die relative Änderung der Hüllkurve des zeitlichen Verlaufs oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Betriebsgröße innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls ist, das mit oder kurz nach der Unterbrechung der Leistungseinspeisung beginnt, oder dass der Parameter die Länge eines mit der Unterbrechung der Leistungseinspeisung oder kurz danach beginnenden Zeitintervalls ist, innerhalb dessen die Hüllkurve des zeitlichen Verlaufs oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Betriebsgröße eine vorbestimmte relative Änderung erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Betriebsgröße der Strom I_P durch die Primärspule (2) oder die Spannung U_P über der Primärspule (2) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestelltem Vorhandensein eines Fremdkörpers (11) die Einspeisung elektrischer Leistung in die Primärspule (2) unterbrochen bleibt und eine Anzeigeeinheit aktiviert und/oder eine Fehlermeldung an eine übergeordnete Einheit und/oder einen Benutzer der Vorrichtung abgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestelltem Vorhandensein eines Fremdkörpers (11) aus dem zeitlichen Verlauf des Abklingens der gemessenen elektrischen Betriebsgröße ein Maß für die Leistung ermittelt wird, die durch den Fremdkörper (11) beim normalen Betrieb der Vorrichtung aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung elektrischer Leistung in die Primärspule (2) nur dann unterbrochen bleibt, wenn das Maß für die durch den Fremdkörper (11) beim normalen Betrieb der Vorrichtung aufgenommene Leistung eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ermittelten Maßes für die durch den Fremdkörper (11) beim normalen Betrieb der Vorrichtung aufgenommene Leistung die in die Primärspule (2) eingespeiste Leistung so weit reduziert wird, dass die durch den Fremdkörper (11) aufgenommene Leistung unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Primärinduktivität eingespeiste Strom auf einen Wert eingestellt wird, der kleiner oder höchstens gleich einem Wert I_Pmax ist, welcher nach der Formel
berechnet wird, worin P_Fmax der maximal zulässige Wert der durch den Fremdkörper (11) aufgenommenen Leistung, L_P der Wert der Induktivität der Primärspule (2), Δt die Länge eines vorbestimmten Zeitintervalls, I₀ und I_0F die Amplitude oder der Effektivwert des Primärstromes I_P vor oder kurz nach der Unterbrechung der Leistungseinspeisung ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers (11) bzw. bei Vorhandensein des Fremdkörpers (11) und I_ref und I₁ die Werte sind, auf welche die Hüllkurve oder der Effektivwert des Primärstromes I_P innerhalb des Zeitintervalls Δt nach Unterbrechung der Leistungseinspeisung ohne Vorhandensein eines Fremdkörpers bzw. bei Vorhandensein des Fremdkörpers (11) abklingt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwesenheit einer mobilen Einheit mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5) vor der Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule (2) die Leistungsabgabe von der Sekundärspule (4) an den Verbraucher (5) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (4) kurzgeschlossen und/oder der Stromkreis zwischen der Sekundärspule (4) und dem Verbraucher (5) unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule (2) ein elektrischer Schwingkreis ohne äußere Anregung hergestellt wird, der die Primärspule (2) enthält, und dass der Verlauf der gemessenen elektrischen Betriebsgröße die Form einer abklingenden Schwingung dieses Schwingkreises hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des zeitlichen Verlauf des durch die Unterbrechung der Einspeisung elektrischer Leistung in die Primärspule (2) verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule (2) mittels mindestens einer benachbart zu der Primärspule (2) angeordneten Messspule erfolgt.
Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einer mobilen Einheit mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung aus der Stromversorgungseinheit (6) in die Primärspule (2) und anschließender Unterbrechung dieser Einspeisung, zur Messung des zeitlichen Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule (2), zum Vergleich mindestens eines Parameters des gemessenen Verlaufs mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der bei einer Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule (2) ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) im Bereich des von der Primärspule (2) erzeugten Magnetfeldes ermittelt wurde, und zur Feststellung anhand dieses Vergleichs, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) im Bereich des von der Primärspule (11) erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist, eingerichtet ist.
Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einer mobilen Einheit mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.