DE102012010848A1

DE102012010848A1 - Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012010848A1
Application number: DE201210010848
Authority: DE
Inventors: Ralf Ostermann; Holger Hasselmann; Norbert Bendicks
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-05

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule, die zur Energieübertragung mit einer weiteren Spule angekoppelt werden kann, und die mindestens einer an der Spule anliegenden Folie, auf ein Temperatursensor aufgebracht ist, wobei der Temperatursensor als eine räumlich ausgedehnte Struktur auf der Folie angeordnet ist. Der Temperatursensor dient zur Erkennung metallener Fremdkörper und zeichnet sich durch geringe Kosten und ein schnelles Ansprechen aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule, die zur elektrischen Energieübertragung mit einer weiteren Spule koppelbar ist, und mit einer an der Spule anliegenden Folie, die einen Temperatursensor trägt.
Anordnungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie beruhen bekannterweise auf dem Prinzip, dass eine elektrische Spule einer Ladevorrichtung mit einer weiteren elektrischen Spule eines elektrischen Gerätes gekoppelt werden kann, so dass beide Spule zusammen einen Transformator ausbilden, über den elektrische Energie von der Ladevorrichtung auf das elektrische Gerät übertragen werden kann. Die übertragene Energie wird dabei zumeist zum Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers verwendet.
Derartige Anordnungen werden zunehmend auch zum Aufladen der Energiespeicher elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge vorgesehen. Besonders dieser Anwendungsfall ist dadurch ausgezeichnet, dass über die Spulen relativ hohe elektrische Leistungen übertragen werden. Hierbei können metallene Fremdkörper zwischen die Spulen geraten. Da sie einen Teil der Energie des Spulenfeldes absorbieren, können sie sich stark erwärmen, wodurch sehr kostenaufwendige Schäden an der Anordnung und speziell den Spulen entstehen können. Daher ist es sinnvoll, das Auftreten metallener Fremdkörper an einer solchen Anordnung zur detektieren.
Die internationale Patentanmeldung WO 2012/004092 A2 beschreibt hierzu eine Vorrichtung mit einer thermisch leitfähigen Folie, auf der mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist. Die Folie befindet sich zwischen der primären und der sekundären Spule einer Energieübertragungseinrichtung. Die Temperatursensoren sind als räumlich begrenzte Gegenstände außerhalb des Feldbereichs der Spulen dargestellt. Gerät ein metallener Fremdkörper in den Feldbereich der Spulen, so absorbiert dieser einen Teil der Feldenergie; aufgrund von induzierten Wirbelströmen kann sich die Temperatur des Fremdkörpers dadurch schnell erheblich erhöhen. Diese Erwärmung wird über die temperaturleitende Folie zu dem/den Temperatursensor(en) am Rand der Folie transportiert. Wird durch mindestens einen Temperatursensor eine ungewöhnliche Temperatur detektiert, so wird daraus auf das Vorhandensein eines metallenen Fremdkörpers im Feldbereich der Anordnung geschlossen und beispielsweise eine Abschaltung der Energieübertragung veranlasst.
Weist die Vorrichtung nur wenige oder sogar nur einen einzigen Temperatursensor auf, so ist es nicht auszuschließen, dass der Abstand zwischen dem Ort, an dem ein metallener Fremdkörper vorliegt und dem Installationsort des oder der Temperatursensoren recht groß ist. Dem entsprechend lange kann es dauern, bis eine Temperaturerhöhung über die Folie weitergeleitet und von einem Temperatursensor erfasst wird. In dieser Zeit kann der Fremdkörper sich aber bereits so stark erwärmt haben, dass hierdurch ein Schaden an der Anordnung nicht mehr vermieden werden kann.
Diese Gefahr kann dadurch verringert werden, dass eine möglichst große Anzahl von Temperatursensoren vorgesehen wird, die über die Folie verteilt angeordnet werden. Allerdings steigt mit Anzahl der Sensoren auch der Kostenaufwand der Anordnung, bedingt durch die Kosten der Temperatursensoren und der komplexer werdenden Auswerteschaltung.
Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Anordnung derart auszubilden, dass metallene Fremdkörper im Feldbereich der Spulen auf einfache und kostengünstige Weise schnell erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Temperatursensor auf der Folie als räumlich ausgedehnte Struktur im Feldbereich der Spule angeordnet ist.
Ein skizzenhaft dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine Folie 1 mit einem darauf angeordneten mäanderförmigen Temperatursensor 2. Die mäanderförmige Struktur deckt vorzugsweise den gesamten Feldbereich 3 der Primärspule ab, so dass ein Fremdkörper 6, der in das Magnetfeld der Primärspule gerät, auf jeden Fall durch den Temperatursensor 2 detektiert wird. Besonders sicher wird dies erreicht, wenn die mäanderförmige Struktur sogar eine größere Fläche auf der Folie 1 abdeckt, als vom Magnetfeld der Primärspule durchsetzt wird.
In der Figur ist der Feldbereich 3 der Primärspule durch eine unterbrochene Umrandung angedeutet, was in vielen Fällen gut mit der Lage der felderzeugenden Spule übereinstimmt. Um die Figur möglichst übersichtlich zu halten, wurde auf eine Darstellung der Spule selbst verzichtet.
Anzumerken ist, dass der Temperatursensor 2 nicht unbedingt im Bereich der Primärspule angeordnet sein muss, sondern auch im Bereich der Sekundärspule platziert sein kann; in dieser Ausführung sollte er nach der Kopplung der beiden Spulen den Feldbereich 3 der felderzeugenden Primärspule abdecken.
Es ist allerdings besonders vorteilhaft, die Folie 1 mit dem Temperatursensor 2 im Bereich der primärseitigen Spule zu verbauen, da hier erstens auch Fremdkörper 6 an der ungekoppelten Primärspule erkannt werden können, und zweitens der Temperatursensor 2 so besonders einfach mit der Schaltungsanordnung verbunden werden kann, welche die elektrische Energie in die Primärspule einkoppelt, um bei einem erkannten Fremdkörper 6 eine Abschaltung der Energieübertragung auszulösen.
Da der Temperatursensor 2 im Feldbereich 3 der Spulen angeordnet ist, besteht er aus einem nichtmetallischen Material; vorzugsweise ist er durch eine nichtmetallische leitfähige Polymerpaste ausgeführt, die auf der Folie 1 einen hochohmige PTC-Widerstand ausgebildet. Eine möglichst hochohmige Ausführung ist sinnvoll, damit der Temperatursensor 2 dem Spulenmagnetfeld möglichst wenig Energie entzieht. PTC-Eigenschaften des Temperatursensors 2 sind vorteilhaft, damit sich dessen Widerstand bei einer erhöhten Temperatur nicht verringert, wodurch sich der Temperatursensor 2 durch einen nun erhöhten Strom selbst aufheizen würde.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, die Lage der Anschlusskontakte 4 des Temperatursensors 2 außerhalb des Spulenfeldbereichs 3 vorzusehen, da die Anschlusskontakte 4 üblicherweise metallene Leiter aufweisen, in die im Magnetfeld der Primärspule eine Spannung induziert würde.
Besonders vorteilhaft ist es, außerhalb des Feldbereichs 3 der Spulen einen Referenztemperatursensor 5 vorzusehen, der die Temperatur außerhalb des Feldbereichs 3 der Spulen erfasst. Hierdurch kann die Messung des Temperatursensors 2 als eine Vergleichsmessung ausgewertet werden, so dass Temperaturänderungen mit wesentlich höherer Empfindlichkeit als signifikant erkannt werden können.
Die Erkennung eines metallenen Fremdkörpers 6 beruht darauf, dass der durch das Spulenfeld induktiv erwärmter Fremdkörper 6 den Widerstand des PTC-Substrats des Temperatursensors 2 an wenigstens einer Stelle vergrößert. Wie die Figur zeigt, hat der Temperatursensor 2 die Form einer lang gestreckten Mäanderschleife. Diese Schleife entspricht einer Reihenschaltung vieler kleiner Temperatursensorselemente; daher führt eine Widerstandserhöhung an einer beliebigen Stelle zu einer gleichgroßen Widerstandserhöhung der gesamten Mäanderstruktur, die an den Anschlusskontakten 4 durch eine geeignet ausgeführte, hier nicht näher erläuterte Messschaltung leicht erkannt werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass die Widerstandsänderung am Ort des an der Folie 1 anliegenden Fremdkörpers 6 erfasst wird, wodurch die erhöhte Temperatur sehr schnell erkannt werden kann, da keine Zeit durch einen relativ langsam erfolgenden Wärmetransport über die Folie 1 verloren geht. Durch die schnelle Erfassung ungewöhnlicher Temperaturereignisse können Temperaturschäden in vielen Fällen verhindert oder minimiert werden.
Besonders vorteilhaft ist auch, dass die Temperaturüberwachung einer relativ großen Fläche durch einen einzigen, abgesehen von einem gegebenenfalls vorgesehenen Referenztemperatursensor 5, und vergleichsweise einfach aus einer PTC-Paste herstellbaren Temperatursensor 2 erfolgen kann. Durch diese sehr einfache Sensoranordnung können zudem die Kosten für die Ausführung einer zugehörigen Auswerteschaltung gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Folie
2: Temperatursensor
3: Feldbereich (der Spulen)
4: Anschlusskontakte
5: Referenztemperatursensor
6: (metallener) Fremdkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/004092 A2 [0004]

Claims

Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule, die zur elektrischen Energieübertragung mit einer weiteren Spule koppelbar ist, und mit einer an der Spule anliegenden Folie, die einen Temperatursensor trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) auf der Folie (1) als räumlich ausgedehnte Struktur im Feldbereich (3) der Spule angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) durch eine nichtmetallische leitfähige Polymerpaste ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) durch eine hochohmiges PTC-Paste ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) eine Mäanderstruktur ausbildet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) den Feldbereich (3) der Spule größtenteils abdeckt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) den Feldbereich (3) der Spule vollständig abdeckt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) außerhalb des Feldbereichs (3) der Spule elektrisch kontaktiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Feldbereichs (3) der Spule ein Referenztemperatursensor (5) angeordnet ist.