DE102013219131A1

DE102013219131A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem zur leitungslosen Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld

Info

Publication number: DE102013219131A1
Application number: DE102013219131.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heiland
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: DE102013219131B4; CN104467128B; CN104467128A

Abstract

Die Erfindung ist eine Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers (30) in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung, wobei die Vorrichtung zumindest einen ersten und einen zweiten Spulenstapel (20, 22) umfasst, wobei jeder Spulenstapel (20, 22) eine Erregerspule (28) sowie eine erste und eine zweite Messspule (24, 26) umfasst, wobei die Spulen (24, 26, 28) in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel (20, 22) so zusammengeschaltet sind, dass aufgrund des zur Energieübertragung verwendeten Magnetfelds sowohl in das Erregerspulenpaar (28) wie auch in die Messspulenpaare (24, 26) keine Spannung induziert wird, wobei in das Erregerspulenpaar (28) ein Erregerstrom einspeisbar ist bzw. eingespeist wird, der zu einem Erregerfeld und zu einer über den Messspulen (24, 26) messbaren Messspannung führt und wobei die Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers (30) auswertbar ist bzw. ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein korrespondierendes Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem zur leitungslosen Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld. Eine solche leitungslose Energieübertragung kommt nicht nur, aber zum Beispiel zum Wiederaufladen von elektrischen Energiespeichern (Akkumulatoren), wie sie von Elektrofahrzeugen mitgeführt werden, in Betracht.
Dabei resultierende starke magnetische Wechselfelder können aufgrund induzierter Wirbelströme zu einer starken Erwärmung elektrisch leitfähiger Körper innerhalb des Magnetfelds führen. Daraus resultiert eine grundsätzliche Brand- und Verletzungsgefahr. Die Energieübertragung muss aus diesem Grund bei Vorhandensein eines metallischen Fremdkörpers gestoppt werden, bevor eine kritische Erwärmung zu einer Gefahr wird.
Solche metallischen Fremdkörper können durch verschiedene Verfahren mit Hilfe von Spulenanordnungen (Detektionsspulen) detektiert werden. Das Vorhandensein eines starken magnetischen Wechselfeldes führt aber nicht nur zu hohen Induktionsspannungen in den Leistungsspulen, sondern auch zu hohen Induktionsspannungen in den Detektionsspulen. Diese Spannungen beeinflussen den Detektor oder können zur Zerstörung des Detektors führen.
Alternativ kann bei der induktiven Energieübertragung der Luftspalt zwischen den Leistungsspulen mit verschiedenen Sensoren (Ultraschall-, Radar-, IR- und Bildsensoren) überwacht werden ( DE 10 2009 033 236 A1 , DE 20 2009 009 689 U1 ). Die Sensoren werden hierbei sekundärseitig montiert. Um die oder jede primärseitige Leistungsspule im Falle eines detektierten Fremdkörpers zu deaktivieren, wird also ein separater Signalpfad, oftmals ein leitungsgebundener Signalpfad, von der Sekundär- zur Primärseite benötigt.
Eine weitere Methode zur Detektion metallisch leitfähiger Fremdkörper ist die Messung des Abschwingverhaltens des Primärspulensystems ( DE 10 2011 050 655 A1 , DE 20 2011 050 264 U1 ). Hierzu wird zuerst sekundärseitig die Last abgetrennt und anschließend die Primärspule von der Energieeinspeisung abgetrennt. Das nun folgende Abschwingen des Primärspulenschwingkreises (exponentiell gedämpfte Schwingung) wird gemessen und mit einem Referenzverlauf verglichen. Ein vorhandener Fremdkörper entnimmt (in Abhängigkeit von Abmessungen, Material und Lage) dem Schwingkreis Energie und sorgt so für ein schnelleres Abklingen. Dies kann gemessen und zur Auswertung verwendet werden. Ist der Fremdkörper im Verhältnis zur Primärspule sehr klein, ist eine Detektion sehr schwierig. Besonders hervorzuheben ist, dass zur Detektion die Energieübertragung unterbrochen werden muss.
Mit Hilfe einer Impedanzmesseinrichtung aus zweidimensional regelmäßig angeordneten Spulen können Fremdkörper über eine Impedanzänderung in einzelnen Spulen erkannt werden ( DE 10 2009 033 237 A1 , DE 20 2009 009 693 U1 ). Dabei wird die Impedanz jeder Einzelspule mit der Impedanz der anderen Spulen oder mit einem Referenzwert verglichen. Hierbei können auch kleinere Objekte sicher erkannt werden. Während der Energieübertragung müssen die Messspulen jedoch aufgrund der hohen Induktionsspannungen von der Messeinrichtung entkoppelt werden. Eine Fremdkörpererkennung ist entsprechend bei eingeschaltetem Ladefeld nicht möglich.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine weitere Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem zur leitungslosen Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels eines korrespondierenden Verfahrens mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs gelöst.
Hinsichtlich der Vorrichtung ist vorgesehen, dass diese zumindest einen ersten und einen zweiten Spulenstapel umfasst (zusammen auch als Spulenarray bezeichnet) und dass jeder Spulenstapel eine Erregerspule sowie eine erste und eine zweite Messspule umfasst. Die beiden Erregerspulen der beiden Spulenstapel bilden dabei ein Erregerspulenpaar. Die beiden Messspulen jedes Spulenstapels bilden jeweils ein Messspulenpaar. Die Spulen in dem oder jedem Spulenarray sind so zusammengeschaltet, dass aufgrund des zur Energieübertragung verwendeten Magnetfelds und aufgrund einer speziellen Zusammenschaltung der Erregerspulen einerseits und der Messspulen andererseits sowohl in das Erregerspulenpaar wie auch in die Messspulenpaare keine Spannung induziert wird. In das Erregerspulenpaar ist allerdings ein Erregerstrom einspeisbar, der zu einem Erregerfeld und durch Induktion zu einer über den Messspulen messbaren Messspannung führt. Die Messspannung ist dann zur Erkennung eines Fremdkörpers in dem zur leitungslosen Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld auswertbar.
In der Praxis wird eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung nach dem hier beschriebenen Ansatz voraussichtlich mehr als ein Spulenarray umfassen, zum Beispiel zehn Spulenarrays, zwanzig Spulenarrays, fünfzig Spulenarrays, zweiundfünfzig Spulenarrays und so weiter.
Hinsichtlich eines korrespondierenden Verfahrens, bei dem diese Vorrichtung, ggf. ergänzt um weiter unten beschriebene Merkmale, zur Anwendung kommt, ist vorgesehen, dass in das Erregerspulenpaar ein Erregerstrom eingespeist wird und dass eine aufgrund des resultierenden Erregerfelds über den Messspulen messbare Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers ausgewertet wird.
Der Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes besteht vor allem in der Möglichkeit, einen eventuellen Fremdkörper auch während der Energieübertragung erkennen zu können. Anders als bei den im Stand der Technik bekannten, impedanzbasierten Messverfahren, muss die Energieübertragung für die Detektion von metallischen Fremdkörpern also nicht unterbrochen werden. Das bedeutet nicht nur einen kontinuierlichen und damit kürzeren Ladevorgang. Fremdkörper können jetzt, nämlich quasi jederzeit und nicht nur während spezieller Detektionsphasen, erkannt werden. Damit kann auf mögliche Gefährdungen deutlich schneller reagiert werden, zum Beispiel indem das System zur leitungslosen induktiven Energieübertragung abgeschaltet wird. Brand- und/oder Verletzungsgefahren lassen sich so wirksam vermeiden oder zumindest reduzieren.
Darüber hinaus treten aufgrund der Fremdkörperdetektion nach außen keine hohen Spannungen auf, da sie die induzierten Spannungen innerhalb des Spulenarrays kompensieren.
Schließlich erfolgt die Detektion vollkommen unabhängig vom im Folgenden auch als Ladefeld bezeichneten Leistungsfeld. Dies bedeutet, dass auch bereits vor Beginn der Energieübertragung Fremdkörper erkannt werden können. Somit kommt es zu keiner Erwärmung der metallischen Körper.
Der hier und im Folgenden beschriebene Ansatz ist für alle Arten induktiver Energieübertragung anwendbar. Vorteilhaft ist der Ansatz bei einer induktiven Energieübertragung zum Laden von elektrischen Energiespeichern, wie sie beispielsweise von Elektrofahrzeugen mitgeführt werden, anwendbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf den unabhängigen Verfahrensanspruch rückbezogenen Unteransprüche oder ergeben sich aus einer Umsetzung einzelner oder mehrerer Merkmale des Anspruchs 1 und der darauf rückbezogenen Ansprüche.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung sind in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel, also in dem oder jedem Spulenarray, die beiden Erregerspulen gegensinnig zusammengeschaltet. Dies ist eine einfache und effiziente Möglichkeit, um zu gewährleisten, dass aufgrund des zur Energieübertragung verwendeten Magnetfelds keine Spannung in das Erregerspulenpaar induziert wird. Gegensinnig zusammengeschaltet bedeutet dabei, dass die in die Erregerspulen induzierten Spannungen gegensätzlich sind und sich gegenseitig aufheben.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel, also in dem oder jedem Spulenarray, die beiden Messspulen jedes Spulenstapels ebenfalls gegensinnig zusammengeschaltet. Ohne einen Fremdkörper wird das Messspulenpaar von einem jeweils von den Erregerspulen abgestrahlten Magnetfeld durchflossen. Die auf diese Weise in die beiden Messspulen des Messspulenpaars induzierten Spannungen sind gleich groß und kompensieren sich zu Null. Ein Fremdkörper führt zu ungleichen Induktionsspannungen in den beiden Messspulen. Diese Differenz wird ausgewertet. Im Messsystem fließt dabei idealerweise praktisch kein Strom.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Messspannung vorgesehen.
Eine separate Auswerteeinheit erlaubt eine Konfigurierbarkeit der Auswertung der Messspannung, zum Beispiel eine Vorgabe oder Anpassung von innerhalb der Auswerteeinheit bei der Auswertung der Messspannung betrachteten Referenz- und/oder Grenzwerten.
Wenn die Auswerteeinheit ein auf die Frequenz des in das Erregerspulenpaar einspeisbaren Erregerstroms abgestimmtes Filter umfasst, besteht die Möglichkeit, vor der Auswertung der Messspannung im Hinblick auf die Erkennung des Fremdkörpers Einflüsse aufgrund des zur Energieübertragung bestimmten Magnetfelds zu eliminieren.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einer Auswerteeinheit und einer nachgeschalteten Steuerungseinheit oder einer Funktionseinheit, die die weiter unten beschriebenen Funktionen der Auswerteeinheit und der Steuerungseinheit vereint, gelöst, die nach dem Verfahren wie hier und im Folgenden beschrieben arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst. Die Erfindung ist dabei bevorzugt in Software implementiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Auswerte-/Steuerungseinheit, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch Abänderungen und Modifikationen möglich, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten führen.
Es zeigen:
1 eine schematisch vereinfachte Darstellung zur induktiven Energieübertragung mittels einer als Quelle fungierenden Primärspule zu einer beabstandeten Sekundärspule,
2 eine schematisch vereinfachte Darstellung zur Anwendung einer induktiven Energieübertragung wie in 1 zum Laden einer von einem Elektrofahrzeug mitgeführten Spannungsquelle (Akku; Akkumulator),
3 ein Spulenarray mit einem ersten und einem zweiten Spulenstapel und davon umfassten Mess- und Erregerspulen,
4 die Mess- und Erregerspulen des Spulenarrays aus 3 und deren Zusammenschaltung,
5 einen Prinzipschaltplan zur Zusammenschaltung der Mess- und Erregerspulen zweier Spulenarrays mit einem im Bereich eines Spulenarrays befindlichen Fremdkörper und
6 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung eines Fremdkörpers in einem zur leitungslosen Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld mittels eines oder mehrerer Spulenarrays gemäß 3 bis 5.
Bei einer induktiven Energieübertragung 10 (und/oder Datenübertragung) wird bekanntlich auf leitungslosem Wege elektrische Energie von einer als Energiequelle (oder Datenquelle) fungierenden Primärspule 12 zu einer als Energiesenke (oder Datensenke) fungierenden Sekundärspule 14 übertragen. Die Darstellung in 1 zeigt insoweit schematisch vereinfacht auf der linken Seite die Primärspule 12 und auf der rechten Seite die Sekundärspule 14, wobei es sich bei den beiden Spulen 12, 14 jeweils auch um eine Zusammenschaltung mehrerer Spulen handeln kann. An die Primärspule 12 wird eine Wechselspannung angelegt, welche in die Sekundärspule 14 eine resultierende Wechselspannung induziert. Damit ist auf leitungslosem Wege eine Übertragung elektrischer Energie (Energieübertragung 10; veranschaulicht durch den Blockpfeil) von der Primär- zur Sekundärspule 12, 14 erreicht.
Dieses Prinzip wird zum Beispiel beim kontaktlosen Laden von Akkumulatorzellen 16, zum Beispiel für Haushaltsgeräte, aber auch für Elektrofahrzeuge 18 und dergleichen, angewandt. Dazu zeigt die Darstellung in 2 eine Situation, bei der eine von einem Elektrofahrzeug 18 umfasste Sekundärspule 14 über eine in einem befahrbaren Bodenbereich eingebrachte Primärspule 12 platziert wird, so dass eine Energieübertragung von der Primärspule 12 zur Sekundärspule 14 stattfindet und auf diese Weise vom Elektrofahrzeug 18 mitgeführte Akkumulatorzellen 16 wiederaufladbar sind.
Bei der induktiven Energieübertragung ergeben sich mitunter starke magnetische Wechselfelder, die aufgrund induzierter Wechselströme zu einer starken Erwärmung elektrisch leitfähiger Körper führen, die sich zwischen den beteiligten Spulen 12, 14, also innerhalb des resultierenden Magnetfelds, befinden. Es besteht folglich Brand- und Verletzungsgefahr. Dies soll vermieden werden, indem die Anwesenheit eines solchen elektrisch leitfähigen Körpers – im Folgenden kurz als Fremdkörper 30 (5) bezeichnet – im Magnetfeld erkannt wird.
Die Darstellung in 3 veranschaulicht den zu diesem Zweck hier vorgeschlagenen Ansatz. Oberhalb der Primärspule 12 befindet sich zumindest ein mehrlagiger planarer Spulensatz, der hier mitunter auch als Spulenarray bezeichnet wird. Oftmals wird man eine Mehrzahl solcher Spulenarrays vorsehen. Eine Mehrzahl solcher Spulenarrays kann zum Beispiel in Reihe geschaltet werden und dann erfolgt die Auswertung in Bezug auf die resultierende Reihenschaltung. Alternativ kann bei einer Mehrzahl von Spulenarrays jedes Spulenarray einzeln ausgewertet werden.
Jeder Spulensatz umfasst einen ersten und einen zweiten Spulenstapel 20, 22. Jeder Spulenstapel 20, 22 umfasst eine erste und eine zweite Messspule 24, 26 sowie eine zwischen den beiden Messspulen 24, 26 angeordnete Erregerspule 28. Die Spulen 24, 26, 28 sind innerhalb eines Spulenstapels 20, 22 äquidistant beabstandet angeordnet und der Abstand ist in der Darstellung in 3 symbolisch mit dem Formelzeichen d eingezeichnet. Die Spulen 24–28 können beispielsweise planar als Leiterplattenspule oder Printspule auf Folie hergestellt werden.
Zur Unterscheidung und eindeutigen Bezeichnung der einzelnen Spulen 24, 26, 28 in den beiden jeweils paarweise zusammengehörigen Spulenstapeln 20, 22 werden im Folgenden Formulierungen wie „zweite Messspule 26 des ersten Spulenstapels 20“ usw. verwendet. Ansonsten sind die Spulen 24–28 entsprechend der üblichen Symbolik zur Bezeichnung von Induktivitäten mit L_m,1 (erste Messspule 24 des ersten Spulenstapels 20), L_m,2 (zweite Messspule 26 des ersten Spulenstapels 20), L_err,1 (Erregerspule 28 des ersten Spulenstapels 20), L_m,3 (erste Messspule 24 des zweiten Spulenstapels 22), L_m,4 (zweite Messspule 26 des zweiten Spulenstapels 22) sowie L_err,2 (Erregerspule 28 des zweiten Spulenstapels 22) bezeichnet.
In jedem Spulenstapel 20, 22 ist die Induktivität der beiden Messspulen 24, 26 identisch (L_m,1 = L_m,2; L_m,3 = L_m,4). Darüber hinaus sind auch die Induktivitäten der beiden Erregerspulen 28 in den beiden Spulenstapeln 20, 22 (L_err,1 = L_err,2) identisch.
Aufgrund eines Stromflusses durch die Primärspule 12 resultiert ein im Folgenden als Ladefeld bezeichnetes Magnetfeld, das auch die jeweils paarweise zusammengehörigen Spulenstapel 20, 22 durchdringt. Das resultierende Ladefeld ist in der Darstellung in 3 durch die beiden nach oben weisenden und symbolisch mit B_L bezeichneten (der Index L steht für das von der Primärspule 12 abgestrahlte Ladefeld) Blockpfeile veranschaulicht.
Die antiparallel aufwärts sowie abwärts weisenden und symbolisch mit B_err,1 und B_err,2 bezeichneten Blockpfeile verdeutlichen die aufgrund eines Stromflusses in den Erregerspulen 28 resultierenden Magnetfelder. Aufgrund der speziellen Verschaltung der Erregerspulen 28 kann sich ein Stromfluss in den Erregerspulen 28 nur aufgrund eines in diese eingespeisten Stroms (Erregerstrom i_err) ergeben. Aufgrund der Art des Anschlusses und der Verbindung der Erregerspulen 28 ergeben sich jeweils antiparallel ausgerichtete Erregerfelder B_err,1 und B_err,2. Dies gewährleistet zum Beispiel, dass durch das Ladefeld B_L in das Erregerspulenpaar 28 keine Spannung induziert wird.
Die Darstellung in 4 zeigt die beiden Spulenstapel 20, 22 aus 3 mit weiteren Details. Man erkennt, dass bei den Erregerspulen 28 der beiden Spulenstapel 20, 22 die innen gezeigten Wicklungsenden miteinander verbunden sind, so dass über an die Wicklungsanfänge angeschlossene Kontakte ein Erregerstrom (i_err) in die beiden Erregerspulen 28 eingespeist werden kann. Bei einem ausschließlich vom Ladefeld B_L durchdrungenen Erregerspulenpaar 28 verschwindet die Spannung über den beiden Erregerspulen 28.
Auch die Messspulenpaare 24, 26 sind in spezieller Art und Weise angeschlossen und untereinander verbunden. Hier sind allerdings die beiden Messspulen 24, 26 des ersten Spulenstapels 20 über ihre innen gezeichneten Wicklungsenden und die beiden Messspulen 24, 26 des zweiten Spulenstapels 22 über ihre außen gezeichneten Wicklungsenden verbunden. Ein resultierender Messstromkreis verläuft also vom äußeren Wicklungsende der zweiten Messspule 26 des ersten Spulenstapels 20 über das innere Wicklungsende dieser Messspule 26 zum inneren Wicklungsende der ersten Messspule 24 des ersten Spulenstapels 20 zum äußeren Wicklungsende dieser Messspule 24 und von dort zum zweiten Spulenstapel 22, nämlich vom inneren Wicklungsende der dortigen ersten Messspule 24 über das äußere Wicklungsende dieser Messspule 24 und von hier aus über das äußere Ende der zweiten Messspule 26 des zweiten Spulenstapels 22 zum inneren Wicklungsende dieser Messspule 26. Die in diesem Stromkreis (Messstromkreis) abgreifbare Spannung ist in der Darstellung in 4 symbolisch mit u_m eingezeichnet.
Die beschriebene Verschaltung der Spulen 24–28 kann auch anhand des in 5 gezeigten Prinzipschaltplans nachvollzogen werden. Dort sind links die Spulen 24–26 eines ersten und zweiten Spulenstapels 20, 22 ohne einen Fremdkörper 30 und rechts die beiden Spulenstapel 20, 22 mit einem Fremdkörper 30 gezeigt. Auf eine Wiederholung der Bezugsziffern aus den Darstellungen in 3 und 4 wurde verzichtet, um die Übersicht nicht unnötig zu erschweren; anstelle der Bezugsziffern sind die oben erwähnten symbolischen Bezeichnungen eingetragen.
Während der Energieübertragung von der Primärspule 12 (3) zu einer Sekundärspule 14 (1; 2) werden in die Spulen 24–28 der beiden Spulenstapel 20, 22 oder in eine grundsätzlich beliebige Mehrzahl jeweils paarweise zusammengehöriger Spulenstapel 20, 22 durch das resultierende Ladefeld B_L hohe Spannungen induziert. Durch die beschriebene Verschaltung der einzelnen Spulen 24–28 kompensieren sich diese Spannungen, sodass die Spannung über einem Messspulenpaar 24, 26 nahezu Null wird (Streufelder und Fertigungstoleranzen können für geringe Restspannungen sorgen). Die in das Erregerspulenpaar 28 induzierte Spannung wird ebenfalls sehr klein. Restspannungen entstehen hierbei zusätzlich durch Feldinhomogenitäten im Ladefeld B_L.
Zur Erkennung eines eventuellen Fremdkörpers 30 (5) im Ladefeld B_L wird in das Erregerspulenpaar 28 ein Erregerstrom i_err in Form eines insbesondere sinusförmigen Wechselstroms eingespeist. Ein aufgrund des Erregerstroms i_err resultierendes Erregermagnetfeld B (in 3, 4 als B_err,1, B_err,2 eingezeichnet) erzeugt Induktionsspannungen in den oberen und unteren Messspulen 24, 28 der beiden Spulenstapel 20, 22. Befindet sich kein leitfähiger Fremdkörper 30 in der Umgebung, sind diese Spannungen gleich groß und kompensieren sich zu Null.
Sollte sich ein Fremdkörper 30 im Ladefeld B_L und damit auch im aufgrund des Erregerstroms i_err resultierenden Erregermagnetfeld B (5) befinden, werden in den Fremdkörper 30 Wirbelströme induziert, die für eine Deformierung des Erregermagnetfelds B sorgen und so die induzierten Spannungen in den einzelnen Messspulen 24, 26 ändern. Aufgrund der räumlichen Distanz zwischen den Messspulen 24, 26 innerhalb eines Spulenstapels 20, 22 wirkt sich ein Fremdkörper 30 auf die dem Fremdkörper 30 am nächsten liegende Messspule 24, 26 anders aus als auf die im Spulenstapel 20, 22 weiter entfernt vom Fremdkörper 30 befindliche Messspule 24, 26.
Da sich die einzelnen Induktionsspannungen nun nicht mehr aufheben, kommt es zu einer messbaren Spannung u_m mit der Frequenz des Erregerstroms i_err. Zum Beispiel bei der in 5 gezeigten Situation zu einer Messspannung u_m u_m = u_m,1 – u_m,2 – u_m,3 + u_m,4
Ohne einen Fremdkörper 30 gilt demgegenüber: u_x = u_m,1 = u_m,2 = u_m,3 = u_m,4 u_m = u_x – u_x – u_x + u_x = 0
Ein Fremdkörper 30 im Erregerfeld B führt zu einer Messspannung gemäß: u_m = u_x – u_x – D₃·u_x + D₄·u_x = u_x·(D₄ – D₃·) ≠ 0
Die Amplitude und die Phase eines aufgrund der Messspannung u_m resultierenden Messsignals hängen dabei von der Größe, dem Material und der jeweiligen Lage des Fremdkörpers 30 im Erregerfeld B ab.
Die Darstellung in 6 zeigt, dass die aufgrund eines in ein Spulenarray (ein paarig zusammengehöriger erster und zweiter Spulenstapel 20, 22), nämlich in dessen Erregerspulen 28, eingespeisten Erregerstroms i_err jeweils resultierende Messspannung u_m mittels einer Auswerteeinheit 32 ausgewertet wird.
Die Auswertung erfolgt bei einer speziellen Ausführungsform hinsichtlich der Frequenz und/oder der Phase des Erregerstroms i_err, so dass auch eine etwa aufgrund des Ladefelds B_L resultierende Messspannung u_m von einer aufgrund des Erregerstroms i_err resultierenden Messspannung u_m unterschieden werden kann. Dann erfolgt mittels eines Filters 34 eine entsprechende Filterung der Messspannung u_m.
Unabhängig von einer eventuellen Filterung erfolgt jedenfalls eine Auswertung der Messspannung u_m in Bezug auf deren Amplitude und/oder Phase. Dabei kann die Amplitude und/oder die Phase mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere adaptiv anpassbaren Referenzwert verglichen werden. Wenn der Referenzwert adaptiv anpassbar ist, erlaubt dies eine Kompensation von Trifterscheinungen, zum Beispiel aufgrund von Temperatureinflüssen. Bei einer Abweichung von dem Referenzwert um mehr als einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert wird dies als Anwesenheit eines Fremdkörpers 30 im Ladefeld B_L / im Erregerfeld B ausgewertet. Alternativ oder zusätzlich kommt auch in Betracht, dass die Amplitude und/oder die Phase der Messspannung u_m mit einer Amplitude oder Phase einer Messspannung eines weiteren Spulenarrays verglichen wird. Bei einer Abweichung der jeweils betrachteten Größen um mehr als einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert wird dies ebenfalls als Anwesenheit eines Fremdkörpers 30 im Ladefeld B_L / im Erregerfeld B ausgewertet.
Als Ergebnis des Vergleichs generiert die Auswerteeinheit 32 ein Ausgangssignal 36, das die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Fremdkörpers 30 im Ladefeld B_L / im Erregerfeld B anzeigt. Das Ausgangssignal 36 wird von einer Steuerungseinheit 38 ausgewertet, die gegebenenfalls die Speisung der Primärspule 12 mit dem jeweiligen Ladestrom unterbricht und so die Energieübertragung aus Sicherheitsgründen stoppt.
Ein Spulenarray kann zur Beeinflussung der Erregerfeldverläufe, die unter anderem Einfluss auf die Reichweite des Erregerfelds B haben, in mehrere Teilsysteme aufgeteilt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen:
Angegeben werden eine Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers 30 in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung, wobei die Vorrichtung zumindest einen ersten und einen zweiten Spulenstapel 20, 22 umfasst, wobei jeder Spulenstapel 20, 22 eine Erregerspule 28 sowie eine erste und eine zweite Messspule 24, 26 umfasst, wobei die Spulen 24, 26, 28 in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel 20, 22 so zusammengeschaltet sind, dass aufgrund des zur Energieübertragung verwendeten Magnetfelds sowohl in das Erregerspulenpaar 28 wie auch in die Messspulenpaare(24, 26) keine Spannung induziert wird, wobei in das Erregerspulenpaar 28 ein Erregerstrom einspeisbar ist bzw. eingespeist wird, der zu einem Erregerfeld und zu einer über den Messspulen 24, 26 messbaren Messspannung führt und wobei die Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers 30 auswertbar ist bzw. ausgewertet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009033236 A1 [0004]
DE 202009009689 U1 [0004]
DE 102011050655 A1 [0005]
DE 202011050264 U1 [0005]
DE 102009033237 A1 [0006]
DE 202009009693 U1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Erkennung eines Fremdkörpers (30) in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung, – wobei die Vorrichtung zumindest einen ersten und einen zweiten Spulenstapel (20, 22) umfasst, – wobei jeder Spulenstapel (20, 22) eine Erregerspule (28) sowie eine erste und eine zweite Messspule (24, 26) umfasst, – wobei die Spulen (24, 26, 28) in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel (20, 22) so zusammengeschaltet sind, dass aufgrund des zur Energieübertragung verwendeten Magnetfelds sowohl in das Erregerspulenpaar (28) wie auch in die Messspulenpaare (24, 26) keine Spannung induziert wird, – wobei in das Erregerspulenpaar (28) ein Erregerstrom einspeisbar ist, der zu einem Erregerfeld und zu einer über den Messspulen (24, 26) messbaren Messspannung führt und – wobei die Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers (30) auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel (20, 22) die beiden Erregerspulen (28) gegensinnig zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem oder jedem ersten und zweiten Spulenstapel (20, 22) die beiden Messspulen (24, 26) jedes Spulenstapels (20, 22) gegensinnig zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit (32) zur Auswertung der Messspannung.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit (32) ein auf die Frequenz des in das Erregerspulenpaar (28) einspeisbaren Erregerstroms abgestimmtes Filter (34) umfasst.
Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers (30) in einem Magnetfeld zur leitungslosen Energieübertragung mittels einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, – wobei in das Erregerspulenpaar (28) ein Erregerstrom eingespeist wird und – wobei eine aufgrund des resultierenden Erregerfelds über den Messspulen (24, 26) messbare Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers (30) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messspannung zur Erkennung des Fremdkörpers (30) mit zumindest einer über einem weiteren ersten und zweiten Spulenstapel (20, 22) abgreifbaren Messspannung verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Erkennung des Fremdkörpers (30) eine Amplitude und/oder eine Phase der Messspannung mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere adaptiv veränderlichen Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Messspannung vor deren Auswertung zur Erkennung des Fremdkörpers (30) im Hinblick auf die Frequenz des in das Erregerspulenpaar (28) eingespeisten Erregerstroms gefiltert wird.