DE102012218194A1

DE102012218194A1 - Verfahren und Anordnung zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung

Info

Publication number: DE102012218194A1
Application number: DE201210218194
Authority: DE
Inventors: Tobias Diekhans; Thomas Plum
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (50) zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei das Primärglied (18) zwei Eingangsklemmen (36) zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle (38) aufweist, die mit einer elektrischen Kapazität (C) elektrisch gekoppelt sind, wobei zunächst eine elektrische Schwingung eines Resonanzkreises, der durch die elektrische Kapazität (C) und eine Induktivität (L) des Primärglieds (18) gebildet ist, angeregt wird, wobei wenigstens eine elektrische Größe der elektrischen Schwingung des Resonanzkreises erfasst wird und wobei ein Objekt (32) in einem Luftspalt (28) zwischen dem Primärglied (18) und dem Sekundärglied (20) auf der Grundlage eines Abklingverhaltens der elektrischen Größe erkannt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. In derartigen Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden typischerweise elektrische Maschinen als Antriebsmotor verwendet, die durch einen elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einen Akkumulator, mit elektrischer Energie versorgt werden. Die elektrischen Energiespeicher von Elektrofahrzeugen oder Plugin-Hybridfahrzeugen müssen regelmäßig je nach Ladezustand mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden werden, um den Energiespeicher mit elektrischer Energie zu laden.
Zur Übertragung der elektrischen Energie von einer Ladestation auf das Fahrzeug kann beispielsweise ein Kabel verwendet werden. Eine derartige Kabelverbindung bietet allerdings einen sehr schlechten Bedienungskomfort und stellt außerdem eine mögliche Gefahr für den Anwender dar, da dieser bei Beschädigungen der Steckverbindung oder des Kabels in Kontakt mit spannungsführenden Teilen kommen könnte.
Alternativ zu einer Kabelverbindung besteht die Möglichkeit, Fahrzeuge über eine drahtlose Energieübertragung mit elektrischer Energie zu versorgen. Bei einer induktiven Energieübertragung wird auf einer Primärseite mit Hilfe einer Spule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Zumindest ein Teil dieses magnetischen Wechselfelds durchdringt eine Sekundärseite, die ebenfalls eine Spule aufweist. Dadurch wird in der Spule der Sekundärseite eine Spannung induziert und somit Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen. Dabei kann das Spulensystem der Primärseite und der Sekundärseite als Transformator mit einem großen Luftspalt modelliert werden. Der Luftspalt verursacht große Streuinduktivitäten und eine relativ schlechte Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule. Die Streuinduktivitäten führen zu hohen Blindströmen im System, die nicht zur Energieübertragung beitragen, jedoch ohmsche Verluste erzeugen. Daher ist der Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragung schlechter als bei der kabelgebundenen Übertragung. Jedoch ist eine derartige Energieübertragung durch die einfachere Handhabung komfortabler und bietet somit eine höhere Akzeptanz bei dem Anwender.
Die übertragbare Leistung eines drahtlosen Energieübertragungssystems wird durch die einzuhaltenden Sicherheitsanforderungen beschränkt. So wird während der Energieübertragung in einem Bereich zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ein magnetisches Feld hoher Feldstärke und Flussdichte aufgebaut. Gelangen Menschen oder Tiere während der Energieübertragung in diesen Bereich, so können Körperströme induziert werden. Elektrisch leitfähige Gegenstände werden in diesem Bereich durch die induzierten Wirbelströme stark erhitzt.
Befindet sich ein derartiger Gegenstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule, so muss die Übertragungsleistung des Energieübertragungssystems reduziert, oder die Energieübertragung vollständig abgeschaltet werden, um eine unzulässige Erhitzung dieser Gegenstände zu verhindern und damit die für drahtlose Energieübertragungssysteme festgesetzten Sicherheitsanforderungen einzuhalten. Dazu ist es zunächst erforderlich zu erkennen, ob sich ein derartiger Gegenstand in der Übertragungsstrecke zwischen der Primärspule und der Sekundärspule befindet.
Aus der US 2011/0128015 ist ein Verfahren zum Erkennen eines Fremdobjektes bekannt, das in der Nähe einer induktiven Übertragungsstrecke angeordnet ist. Gemäß dem Verfahren wird ein Impedanzwert der Primärspule ausgewertet. Nimmt diese Impedanz zu, so wird das Fremdobjekt in einem Luftspalt zwischen der Primärspule und einer Sekundärspule detektiert.
Aus der US 2011/0074346 ist eine Detektionseinrichtung für ein drahtloses Fahrzeugladesystem bekannt. Dabei setzt die Detektionseinrichtung bspw. eine Infrarotkamera ein, mittels der Objekte mit erhöhter Temperatur erfasst werden können. Wird ein stark erhitztes Objekt detektiert, so wird das Fahrzeugladesystem abgeschaltet.
Der Nachteil bei den bekannten Verfahren/Systemen ist, dass sie eine schlechte Messempfindlichkeit aufweisen und/oder zusätzliche Sensoren benötigen und damit höhere Kosten verursachen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied bereit, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen, wobei das Primärglied zwei Eingangsklemmen zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle aufweist, die mit einer elektrischen Kapazität elektrisch gekoppelt sind, wobei zunächst eine elektrische Schwingung eines Resonanzkreises angeregt wird, der durch die elektrische Kapazität und eine Induktivität des Primärglieds gebildet ist, wobei wenigstens eine elektrische Größe der elektrischen Schwingung des Resonanzkreises erfasst wird und wobei ein Objekt in einem Luftspalt zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied auf der Grundlage eines Abklingverhaltens der elektrischen Größe erkannt wird.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Anordnung zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied bereit, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen, wobei das Primärglied zwei Eingangsklemmen aufweist, wobei die Anordnung eine elektrische Energiequelle, die mittels eines Schalters mit den Eingangsquellen elektrisch koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, einen Gleichstrom in das Primärglied einzuspeisen, eine elektrische Kapazität, die mit den Eingangsquellen elektrisch koppelbar ist, um mit einer Induktivität des Primärglieds einen Resonanzkreis zu bilden, eine Erfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, wenigstens eine elektrische Größe einer elektrischen Schwingung des Resonanzkreises zu erfassen, und eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Schalter und der Erfassungseinheit elektrisch gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Vorteile der Erfindung
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können Objekte, insbesondere elektrisch leitfähige Objekte, in dem Luftspalt zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied ohne den Einsatz zusätzlicher Sensoren zuverlässig erkannt werden. Ein Objekt in dem Luftspalt wird durch die stärkere Dämpfung eines frei schwingenden Resonanzkreises detektiert, die durch die zusätzlichen Wirbelstromverluste in dem Objekt verursacht wird. Außerdem findet die Detektion von Objekten in dem Luftspalt üblicherweise statt bevor die Energieübertragung mittels der Energieübertragungsanordnung gestartet wird. Dadurch können Gefahren, die durch stark erhitzte Objekte in dem Luftspalt hervorgerufen werden, vermieden werden. Werden keine Objekte in dem Luftspalt detektiert, so kann die Energieübertragungsanordnung mit voller Leistung betrieben werden.
In einer Ausführungsform wird das Sekundärglied in einem Leerlaufbetrieb betrieben.
Durch diese Maßnahme wird ein Resonanzkreis ausgebildet, der aus der angeschlossenen Kapazität und einer Induktivität einer primären Spule des Primärglieds aufgebaut ist. Der Resonanzkreis ermöglicht die zuverlässige Erkennung von Objekten in dem Luftspalt auf der Grundlage des Abklingverhaltens der angeregten elektrischen Schwingung des Resonanzkreises.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Eingangsklemmen des Primärglieds mit der elektrischen Energiequelle verbunden, um einen Gleichstrom in das Primärglied einzuspeisen. Außerdem werden die Eingangsklemmen von der elektrischen Energiequelle getrennt, um die elektrische Schwingung anzuregen.
Durch das Einspeisen eines Gleichstroms wird die elektrische Kapazität des Resonanzkreises zunächst mit elektrischer Energie aufgeladen. Wird die elektrische Energiequelle anschließend von den Eingangsklemmen des Primärglieds getrennt, so wird eine elektrische Schwingung in dem Resonanzkreis angeregt. Diese Schwingung wird im Wesentlichen durch parasitäre Widerstände der Primärspule des Primärglieds und der Kapazität gedämpft. Befindet sich ein elektrisch leitfähiges Objekt in dem Luftspalt, so wird diese Schwingung zusätzlich durch die auftretenden Wirbelstromverluste in dem Objekt gedämpft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Größe nach einer vordefinierten Zeitspanne nach Anregen der elektrischen Schwingung erfasst.
Durch die Wahl einer großen Zeitspanne kann die Messempfindlichkeit und damit verbunden die Empfindlichkeit zur Detektion eines Objektes in dem Luftspalt erhöht werden. Allerdings muss sichergestellt sein, dass nach Ablauf dieser Zeitspanne der Wert der elektrischen Größe noch groß genug ist, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Referenzwert für die elektrische Größe bestimmt, wobei das Objekt in dem Luftspalt auf der Grundlage eines Vergleichs der elektrischen Größe mit dem Referenzwert erkannt wird.
Der Referenzwert wird bspw. während einer Kalibrierung der Energieübertragungsanordnung ermittelt. Dies erfolgt vorteilhafterweise bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Energieübertragungsanordnung. Durch das Vorliegen eines Referenzwertes kann die Detektion des Objekts sehr schnell auf der Grundlage eines einfachen Vergleichs durchgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Referenzwert auch auf der Grundlage von bereits erfolgten Messungen an der Energieübertragungsanordnung vorgegeben werden. Eine wiederholte Kalibrierung der Energieübertragungsanordnung ist damit nicht notwendig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Referenzwert durch die elektrische Größe des Resonanzkreises gebildet, sofern das Objekt außerhalb des Luftspalts angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform wird die elektrische Größe der elektrischen Schwingung des Resonanzkreises erfasst, sofern kein elektrisch leitfähiges Objekt in dem Luftspalt angeordnet ist. Damit wird die elektrische Schwingung lediglich durch die parasitären Widerstände der Primärspule des Primärglieds und der Kapazität gedämpft. Befindet sich bei einer späteren Erfassung der elektrischen Größe ein Objekt in dem Luftspalt, so treten in dem Objekt Wirbelstromverluste auf, die die elektrische Schwingung des Resonanzkreises zusätzlich dämpfen. Daher kann das Objekt zuverlässig in dem Luftspalt detektiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Differenz zwischen der elektrischen Größe und dem Referenzwert gebildet, wobei das Objekt in dem Luftspalt erkannt wird, sofern die Differenz einen Schwellenwert überschreitet.
Durch diese Maßnahme können fehlerhafte Erkennungen von Objekten minimiert werden, da Messungenauigkeiten und Schwankungen der elektrischen Schwingung durch den Schwellenwert ausgefiltert werden. Bei Überschreiten des Schwellenwertes kann zuverlässig auf ein Vorhandensein eines Objekts in dem Luftspalt geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Amplitude einer elektrischen Spannung an der elektrischen Kapazität als elektrische Größe erfasst.
Die elektrische Spannung an der elektrischen Kapazität kann sehr einfach ermittelt werden und liefert eine zuverlässige Aussage über das Abklingverhalten der elektrischen Schwingung und damit auf das Vorhandensein eines Objekts in dem Luftspalt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Übertragen von elektrischer Energie unterlassen, sofern das Objekt in dem Luftspalt erkannt wird.
Mit anderen Worten wird die Energieübertragung nur dann gestartet, falls sich kein Objekt in dem Luftspalt zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied befindet. Ist kein Objekt in dem Luftspalt vorhanden, so kann die Energieübertragungsanordnung mit voller Leistung betrieben werden. Gefährdungen durch stark erhitzte Objekte in dem Luftspalt können somit verhindert werden. Die Sicherheit der drahtlosen Energieübertragungsanordnung wird erhöht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung bilden die elektrische Kapazität und die Induktivität einen Serienresonanzkreis.
Der Serienresonanzkreis besteht aus der Induktivität einer Primärspule des Primärglieds und der an die Eingangsklemmen des Primärglieds angeschlossenen elektrischen Kapazität. Wird der Schalter zu der elektrischen Energiequelle zunächst geschlossen, so wird die elektrische Kapazität mit elektrischer Energie geladen. Bei einem Öffnen des Schalters wird die elektrische Schwingung in dem Serienresonanzkreis angeregt. Durch die Auswertung des Abklingverhaltens dieser elektrischen Schwingung können elektrisch leitfähige Objekte einfach und zuverlässig in dem Luftspalt erkannt werden.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Anordnung zutreffen bzw. anwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Ansicht eine Energieübertragungsanordnung zum Austauschen von elektrischer Energie zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Ladestation;
2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Energieübertragungsanordnung bei einem sekundärseitigen Leerlauf und eine mit der Energieübertragungsanordnung gekoppelte erfindungsgemäße Anordnung;
3 zeigt verschiedene Verläufe einer elektrischen Spannung an einem Kondensator der Anordnung; und
4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine drahtlose Energieübertragungsanordnung 10 zum Übertragen von elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz 12 zu einem Elektrofahrzeug 14. Das Elektrofahrzeug 14 weist typischerweise eine in 1 nicht näher bezeichnete elektrische Drehfeldmaschine auf, die als Antriebsmotor verwendet wird. Außerdem weist das Elektrofahrzeug 14 eine Traktionsbatterie 16 auf, die elektrische Energie für das Betreiben der elektrischen Drehfeldmaschine bereitstellt. Nach einer bestimmten Betriebsdauer des Elektrofahrzeugs 14 muss die Traktionsbatterie 16 wieder aufgeladen werden. Dazu wird elektrische Energie von dem Energieversorgungsnetz 12 mit Hilfe der Energieübertragungsanordnung 10 an die Traktionsbatterie 16 übertragen.
Die Energieübertragungsanordnung 10 weist ein Primärglied 18 und ein Sekundärglied 20 auf. Das Primärglied 18 weist zum Übertragen von elektrischer Energie eine Primärspule 22 auf und ist elektrisch mit dem Energieversorgungsnetz 12 gekoppelt. In dem vorliegenden Fall bildet das Primärglied 18 einen Teil einer in 1 nicht näher bezeichneten Bodenstation zum Laden von Elektrofahrzeugen, die in einem Fahrbahnbelag 24 eingelassen ist. Das Sekundärglied 20 weist zum Übertragen von elektrischer Energie eine Sekundärspule 26 auf und ist elektrisch mit der Traktionsbatterie 16 gekoppelt. Das Sekundärglied 20 bildet einen Teil einer in 1 nicht näher bezeichneten fahrzeugseitigen Ladeeinrichtung zum Laden der Traktionsbatterie 16.
Zum Laden der Traktionsbatterie 16 wird mit Hilfe der Primärspule 22 ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld mit hoher Feldstärke und Flussdichte erzeugt. Zumindest ein Teil dieses magnetischen Wechselfelds durchdringt die Sekundärspule 26, wodurch in dieser eine Spannung induziert und somit Energie von dem Primärglied 18 über eine Übertragungsstrecke 28 bzw. einen Luftspalt 28 auf das Sekundärglied 20 und damit die Traktionsbatterie 16 übertragen wird.
Befindet sich bspw. ein elektrisch leitfähiges Objekt 32 in dem Luftspalt 28, so werden in dem Objekt 32 aufgrund des hochfrequenten magnetischen Wechselfelds Wirbelströme induziert, die zu einer starken Erwärmung des Objekts 32 führen können. Besonders problematisch sind dabei Materialien, die sowohl eine gute elektrische, wie auch eine gute magnetische Leitfähigkeit besitzen (z.B. Eisen). Durch diese erhitzten Objekte entstehen zusätzliche Gefährdungen bei der drahtlosen Energieübertragung. Beispielsweise kann aufgrund von erhitzten Objekten ein Brand ausgelöst werden. Demzufolge ist es vorteilhaft, derartige Objekte vor dem Start der Energieübertragung zu detektieren, und den Betrieb der Energieübertragungsanordnung in Abhängigkeit der Detektionsergebnisse zu steuern. Beispielsweise kann die Übertragungsleistung der Energieübertragungsanordnung 10 infolge einer Detektion des Objekts 32 reduziert werden. Darüber hinaus kann die Energieübertrag der Energieübertragungsanordnung 10 in Abhängigkeit einer Erkennung des Objekts 32 unterbrochen werden, oder nicht gestartet werden.
In 2 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild der Energieübertragungsanordnung 10 bei einem sekundärseitigen Leerlauf und eine mit der Energieübertragungsanordnung 10 gekoppelte erfindungsgemäße Anordnung 34 dargestellt. Die erfindungsgemäße Anordnung 34 dient dazu, das Objekt 32 in dem Luftspalt 28 zu detektieren. Zu diesem Zweck ist die Anordnung 34 über Eingangsklemmen 36 des Primärglieds 18 mit der Energieübertragungsanordnung 10 elektrisch gekoppelt.
Zur Erfassung des Objekts 32 in dem Luftspalt 28 wird das Sekundärglied 20 in einen Leerlaufbetrieb geschaltet. Aus diesem Grund besteht das elektrische Ersatzschaltbild der Energieübertragungsanordnung 10 lediglich aus einer Induktivität L der Primärspule 22 und einem ohmschen Widerstand R, der zumindest teilweise durch den parasitären Widerstand der Primärspule 22 gebildet wird.
Die Anordnung 34 weist eine elektrische Energiequelle 38, die mittels eines Schalters S1 mit den Eingangsklemmen 36 elektrisch gekoppelt ist, und eine elektrische Kapazität C auf, die zwischen die beiden Eingangsklemmen 36 geschaltet ist. Ein parasitärer Widerstand der elektrischen Kapazität C ist ebenfalls in dem ohmschen Widerstand R abgebildet. Außerdem weist die Anordnung 34 eine Erfassungseinheit 40 auf, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Größe, im vorliegenden Fall eine elektrische Spannung U_C an der elektrischen Kapazität C, zu erfassen. Ferner weist die Anordnung 34 eine Steuereinheit 42 auf, die mit dem Schalter S1 und der Erfassungseinheit 40 elektrisch gekoppelt ist. Die Steuereinheit 42 ist dazu ausgebildet, die von der Erfassungseinheit 40 erfasste elektrische Spannung U_C auszuwerten und den Schalter S1 zu betätigen.
Zur Erfassung des Objekts 32 in dem Luftspalt 28 wird zunächst der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geschlossen. Dadurch wird von der elektrischen Energiequelle 38, im vorliegenden Fall einer Gleichspannungsquelle 38 mit der Spannung U₀, ein Gleichstrom I₀ in die Schaltung eingespeist. Infolgedessen wird die Kapazität C mit elektrischer Ladung geladen, bis die Spannung U_C der Spannung U₀ entspricht. Anschließend wird der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geöffnet und damit die Gleichspannungsquelle 38 von dem Primärglied 18 abgekoppelt. Damit wird ein Serienresonanzkreis ausgebildet, der aus der elektrischen Kapazität C und der Induktivität L besteht. Durch das Öffnen des Schalters S1 wird eine elektrische Schwingung des Serienresonanzkreises angeregt, die lediglich durch den ohmschen Widerstand R gedämpft wird.
Ein entsprechender von der Erfassungseinheit 40 erfasster Verlauf 44a der Spannung U_C ist in der 3 dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Spannung U_C aufgetragen. Wie der 3 zu entnehmen ist, nimmt die Amplitude der Spannung U_C mit zunehmender Zeit aufgrund der Dämpfung durch den ohmschen Widerstand R ab.
Befindet sich das Objekt 32 in dem Luftspalt 28, so können die zusätzlich auftretenden Verluste durch die in dem Objekt 32 induzierten Wirbelströme als äquivalenter ohmscher Widerstand R_FO in dem elektrischen Ersatzschaltbild des Primärglieds 18 aus 2 abgebildet werden. Infolge des zusätzlichen ohmschen Widerstands R_FO wird die elektrische Schwingung des Serienresonanzkreises stärker gedämpft. Der entsprechende Verlauf der Spannung U_C ist in 3 bei dem Bezugszeichen 44b illustriert. Aus dem Verlauf 44b ist zu erkennen, dass die Amplitude der Spannung U_C schneller abnimmt, wenn das Objekt 32 in dem Luftspalt 28 angeordnet ist.
Beispielsweise kann die Amplitude der Spannung U_C zu einem vordefinierten Zeitpunkt gemessen und mit einem Referenzwert verglichen werden. Als Referenzwert kann z.B. die Amplitude des Spannungsverlaufs 44a herangezogen werden, bei dessen Erfassung kein Objekt in dem Luftspalt 28 vorhanden ist. Weicht die Amplitude des aktuell erfassten Spannungsverlaufs 44b mehr als eine festgelegte Toleranz von dem Referenzwert ab, so wird das Objekt 32 detektiert und der Ladevorgang für das Elektrofahrzeug 14 nicht gestartet. Durch die Analyse des Abklingverhaltens der elektrischen Schwingung des Serienresonanzkreises mittels der Steuereinheit 42, kann eine zuverlässige Detektion des Objekts 32 mit einer hohen Messempfindlichkeit realisiert werden.
4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 50. Das erfindungsgemäße Verfahren 50 dient zum Betreiben der drahtlosen Energieübertragungsanordnung 10 und insbesondere zum Erkennen des Objekts 32 in dem Luftspalt 28 bevor die Energieübertragung mittels der Energieübertragungsanordnung 10 gestartet wird.
Dazu wird zunächst in einem Schritt 52 das Sekundärglied 20 in einen Leerlaufbetrieb geschaltet.
In einem Schritt 54 wird die Anordnung 34 an die Eingangsklemmen 36 des Primärglieds 18 angekoppelt.
Mittels Schritten 56, 58 und 60 wird die Anordnung 34 kalibriert und ein Referenzwert ermittelt, der bei der Detektion des Objekts 32 in dem Luftspalt 28 ausgewertet wird. Diese Kalibrierung der Anordnung 34 wird dabei vorteilhafterweise nur einmal vor der erstmaligen Inbetriebnahme der Energieübertragungsanordnung 10 durchgeführt. Dabei ist darauf zu achten, dass bei der Kalibrierung kein Fremdobjekt in dem Luftspalt 28 angeordnet ist.
In dem Schritt 56 wird der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geschlossen, um den Gleichstrom I₀ in die Schaltung einzuspeisen und die elektrische Kapazität C somit elektrisch aufzuladen.
In dem Schritt 58 wird der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geöffnet, um die elektrische Schwingung des Serienresonanzkreises, der durch die elektrische Kapazität C und die Induktivität L des Primärglieds 18 gebildet ist, anzuregen. Die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises berechnet sich nach der folgenden Formel:
Da das Objekt 32 nicht in dem Luftspalt 28 angeordnet ist, wird die elektrische Schwingung nur durch die parasitären Widerstände der Induktivität L und der Kapazität C gedämpft. Diese Widerstände sind in dem elektrischen Ersatzschaltbild aus 2 zu dem ohmschen Widerstand R zusammengefasst. Die Schwingung in dem Serienresonanzkreis klingt ab mit der Zeitkonstante: τ = 2 / LR
In dem Schritt 60 wird die Amplitude der elektrischen Spannung U_C an der elektrischen Kapazität C nach einer vordefinierten Zeitspanne t₁ nach Anregen der elektrischen Schwingung erfasst und als Referenzwert abgespeichert. Damit ist die Kalibrierung der Anordnung 34 abgeschlossen.
Die folgenden Schritte des Verfahrens dienen der Erkennung des Objekts 32 in dem Luftspalt 28 und sind damit bei jedem Detektionsvorgang durchzuführen. Für die Erläuterung der weiteren Schritte soll angenommen werden, dass sich das Objekt 32 in dem Luftspalt 28 zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 befindet.
In einem Schritt 62 wird wiederum der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geschlossen, um den Gleichstrom I₀ in die Schaltung einzuspeisen und damit die elektrische Kapazität C elektrisch aufzuladen. Bei Abschluss des Ladevorgangs entspricht die Spannung U_C der Spannung U₀ der Gleichspannungsquelle 38.
In einem Schritt 64 wird der Schalter S1 mittels der Steuereinheit 42 geöffnet, um die elektrische Schwingung in dem Serienresonanzkreis anzuregen. Aufgrund des in dem Luftspalt 28 angeordneten Objekts 32 klingt die elektrische Schwingung nun schneller ab mit der Zeitkonstante:
In einem Schritt 66 wird wiederum die Amplitude der Spannung U_C nach der vordefinierten Zeitspanne t₁ gemessen. Die Amplitude der Spannung U_C klingt nach Öffnen des Schalters S1 exponentiell ab und beträgt zu dem Zeitpunkt t₁:
Dabei bezeichnet t₀ den Zeitpunkt, zu dem die elektrische Schwingung durch Öffnen des Schalters S1 angeregt wird.
In einem Schritt 68 wird eine Differenz aus dem aktuell erfassten Amplitudenwert der Spannung U_C und dem zuvor abgespeicherten Referenzwert gebildet.
Anschließend wird diese Differenz in einem Schritt 70 mit einem vordefinierten Schwellenwert bzw. einem Toleranzwert verglichen. Liegt die Differenz unter dem Schwellenwert, so befindet sich kein Objekt 32 in dem Luftspalt 28 und die Energieübertragung kann in einem Schritt 72 gestartet werden.
Überschreitet die Differenz den vordefinierten Schwellenwert, so wird das Objekt 32 in einem Schritt 74 detektiert und die Energieübertragung wird aufgrund von Sicherheitsrisiken nicht gestartet. In einer alternativen Ausführungsform kann die Energieübertragung bei Erkennen des Objekts 32 auch mit einer reduzierten Leistung gestartet werden.
Die relative Messempfindlichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens 50 berechnet sich zu:
Zur Erhöhung der Messempfindlichkeit muss einerseits der Zeitpunkt / die Zeitspanne t₁, zu dem / nach der die Amplitude der Spannung U_C gemessen wird, möglichst groß gewählt werden. Andererseits muss die Spannung U_C zu dem Zeitpunkt t₁ noch groß genug sein, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten. Mit Û_C (t₀) sei die Amplitude der Spannung U_C zu Beginn des Schwingungsvorgangs und mit Û_C (t₁) das gewünschte Spannungsniveau, bei dem die Messung durchgeführt werden soll, bezeichnet. Dann berechnet sich die vordefinierte Zeitspanne t₁ bzw. der notwendige Messzeitpunkt t₁ zu:
Eingesetzt in die Formel der relativen Messempfindlichkeit berechnet sich diese zu:
Aus dieser Formel lassen sich die notwendigen Maßnahmen zur Erhöhung der Messempfindlichkeit herleiten. Beispielsweise führt eine Reduktion der parasitären Widerstände zu einer Erhöhung der Messempfindlichkeit. Weiterhin lässt sich die Messempfindlichkeit durch eine große Anfangsamplitude der Spannung U_C und die genaue Messung einer möglichst kleinen Spannung U_C zum Zeitpunkt t₁ verbessern.
Aus der Formel zur relativen Messempfindlichkeit lässt sich erkennen, dass das vorgeschlagene Verfahren 50 eine sehr hohe Messempfindlichkeit aufweist und somit die Möglichkeit bietet, auch kleine Objekte 32 in dem Luftspalt 28 zu detektieren. Damit wird eine sehr hohe Sicherheit bei der Energieübertragung mittels der Energieübertragungsanordnung 10 gewährleistet.
Obgleich somit bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 50 und der erfindungsgemäßen Anordnung 34 gezeigt worden sind, versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann das Verfahren 50 bzw. die Anordnung 34 zur Detektion von Fremdobjekten bei beliebigen drahtlosen Energieübertragungsanordnungen, wie z.B. Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge, E-Bikes oder akkubetriebenen Werkzeugen eingesetzt werden.
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

US 2011/0128015 [0008]
US 2011/0074346 [0009]

Claims

Verfahren (50) zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei das Primärglied (18) zwei Eingangsklemmen (36) zum Anschließen einer elektrischen Energiequelle (38) aufweist, die mit einer elektrischen Kapazität (C) elektrisch gekoppelt sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Anregen einer elektrischen Schwingung eines Resonanzkreises, der durch die elektrische Kapazität (C) und eine Induktivität des Primärglieds (18) gebildet ist, – Erfassen wenigstens einer elektrischen Größe der elektrischen Schwingung des Resonanzkreises, und – Erkennen eines Objekts in einem Luftspalt (28) zwischen dem Primärglied (18) und dem Sekundärglied (20) auf der Grundlage eines Abklingverhaltens der elektrischen Größe.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sekundärglied (20) in einem Leerlaufbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eingangsklemmen (36) des Primärglieds (18) mit der elektrischen Energiequelle (38) verbunden werden, um einen Gleichstrom in das Primärglied (18) einzuspeisen und wobei die Eingangsklemmen (36) von der elektrischen Energiequelle (38) getrennt werden, um die elektrische Schwingung anzuregen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrische Größe nach einer vordefinierten Zeitspanne nach Anregen der elektrischen Schwingung erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Referenzwert für die elektrische Größe bestimmt wird und wobei das Objekt (32) in dem Luftspalt (28) auf der Grundlage eines Vergleichs der elektrischen Größe mit dem Referenzwert erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Referenzwert durch die elektrische Größe des Resonanzkreises gebildet wird, sofern das Objekt (32) außerhalb des Luftspalts (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Differenz zwischen der elektrischen Größe und dem Referenzwert gebildet wird und wobei das Objekt (32) in dem Luftspalt (28) erkannt wird, sofern die Differenz einen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Amplitude einer elektrischen Spannung an der elektrischen Kapazität (C) als elektrische Größe erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Übertragen von elektrischer Energie unterlassen wird, sofern das Objekt (32) in dem Luftspalt (28) erkannt wird.
Anordnung (34) zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei das Primärglied (18) zwei Eingangsklemmen (36) aufweist, wobei die Anordnung (34) die Elemente aufweist: – eine elektrische Energiequelle (38), die mittels eines Schalters (S1) mit den Eingangsklemmen (36) elektrisch koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, einen Gleichstrom in das Primärglied (18) einzuspeisen, – eine elektrische Kapazität (C), die mit den Eingangsklemmen (36) elektrisch koppelbar ist, um mit einer Induktivität (L) des Primärglieds (18) einen Resonanzkreis zu bilden, – eine Erfassungseinheit (40), die dazu ausgebildet ist, wenigstens eine elektrische Größe einer elektrischen Schwingung des Resonanzkreises zu erfassen, und – eine Steuereinheit (42), die mit dem Schalter (S1) und der Erfassungseinheit (40) elektrisch gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, das Verfahren (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die elektrische Kapazität (C) und die Induktivität (L) einen Serienresonanzkreis bilden.