DE102013219538A1

DE102013219538A1 - Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013219538A1
Application number: DE102013219538.9A
Authority: DE
Inventors: Manuel Blum; Thomas Komma; Mirjam Mantel; Monika Poebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Also published as: CN104518548B; CN104518548A; US20150091521A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose energietechnische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes, zu welchem Zweck der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen. Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Ladestation eine Detektionseinheit sowie eine Steuereinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit eingerichtet ist, eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu detektieren und ein Störungssignal bereitzustellen, und die Steuereinheit eingerichtet ist, aufgrund des Störungssignals das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes zu beenden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose elektrische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes, zu welchem Zweck der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Energie mittels eines von einer elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen wird, zu welchem Zweck die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle bezieht. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Rechnerprogrammprodukt umfassend ein Programm für eine Rechnereinheit einer Ladestation.
Ladestationen der gattungsgemäßen Art sowie Verfahren zu deren Betrieb zum drahtlosen Übertragen von Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes sind dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Ladestationen der gattungsgemäßen Art dienen dazu, ein elektrisch antreibbares Fahrzeug während eines Ladebetriebs mit Energie zu versorgen, so dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug seine bestimmungsgemäße Funktion ausüben kann. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug benötigt die Energie für den Fahrbetrieb.
Die Energie wird mittels des magnetischen Wechselfeldes der Ladestation bereitgestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an ein öffentliches Energieversorgungsnetz, an einen elektrischen Generator, an eine Batterie und/oder dergleichen angeschlossen ist. Die Ladestation erzeugt das magnetische Wechselfeld unter Aufnahme elektrischer Energie der elektrischen Energiequelle. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfasst mittels einer geeigneten Spulenanordnung das magnetische Wechselfeld, entnimmt diesem Energie und stellt elektrische Energie fahrzeugseitig bereit, insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs und/oder eine elektrische Maschine einer Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
Eine Möglichkeit der Zuführung der Energie von der Ladestation zu einer Ladungseinrichtung des Fahrzeugs besteht darin, dass eine elektrische Verbindung als energietechnische Kopplung mittels eines Kabels zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation hergestellt wird. Darüber hinaus ist es bekannt, gemäß einer weiteren Möglichkeit eine drahtlose energietechnische Kopplung herzustellen, die eine aufwändige mechanische Anbindung mittels Kabel vermeidet. Zu diesem Zweck ist ladestationsseitig und fahrzeugseitig in der Regel jeweils eine Spulenschaltung mit jeweils wenigstens einer elektronischen Spule vorgesehen, die während eines Ladevorgangs im Wesentlichen gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und eine energietechnische Kopplung unter Nutzung eines magnetischen Wechselfeldes ermöglichen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der KR 10 2012 0 016 521 A bekannt.
In Systemen, bei denen Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes übertragen wird, auch induktive Energieübertragung genannt, kann es fahrzeugseitig während des Ladevorgangs zu Änderungen der Energieabnahme kommen, welche nicht durch die Ladestation verursacht werden und daher ladestationsseitig nicht bekannt sind. Ist beispielsweise das elektrisch antreibbare Fahrzeug ein Elektrofahrzeug oder auch ein Hybridfahrzeug, kann während des Ladevorgangs eine Abschaltung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, auftreten. Beispielsweise kann der Akkumulator durch ein Schütz von einer elektrischen Anlage des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs getrennt werden, welche Trennung aus unterschiedlichsten Gründen erfolgen kann. In einem solchen Fall, auch Lastabwurf genannt, wird ladestationsseitig weiterhin Energie an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen, was unter anderem einen schnellen Anstieg einer fahrzeugseitigen elektrischen Spannung zur Folge haben kann. Infolgedessen kann eine fahrzeugseitige Leistungselektronik, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs erforderlich ist, beschädigt werden. Auch weitere fahrzeugseitige Systemkomponenten können beschädigt werden.
Im Stand der Technik ist es bekannt, in einem solchen Fall fahrzeugseitig eine Schutzschaltung in Form eines Überspannungsschutzes vorzusehen, die den Spannungspegel fahrzeugseitig begrenzt. Solche Schutzschaltungen sind jedoch in der Regel nur für eine begrenzte Zeit betreibbar. Danach muss eine elektrische Trennung der fahrzeugseitigen Leistungselektronik von weiteren Komponenten des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs erfolgen, beispielsweise mittels Sicherungen oder dergleichen.
Darüber hinaus ist es bekannt, den Lastabwurf fahrzeugseitig zu ermitteln und über einen Kommunikationskanal an die Ladestation zu melden. Zu diesem Zweck kann fahrzeugseitig entweder eine Messung des Lastabwurfs oder auch eine Auswertung eines entsprechenden, den Lastabwurf bewirkenden Signals genutzt werden. Laststationsseitig kann dann das Bereitstellen von Energie beendet beziehungsweise begrenzt werden. Bei diesem Szenario erweist es sich als nachteilig, dass bis zum Empfang der Meldung an die Ladestation eine vergleichsweise große Zeit abläuft. Währen dieses Zeitraums stellt die Ladestation weiterhin Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes bereit, prägt also fahrzeugseitig weiterhin Leistung ein. Aus diesem Grund ist ein entsprechend geeigneter schneller Kommunikationskanal zwischen der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug erforderlich. Darüber hinaus sind an diesen Kommunikationskanal hohe Anforderungen zu stellen und er ist sicherheitskritisch.
Die bisher bekannten Vorgehensweisen beinhalten also zunächst einen Überspannungsschutz, der mit einem weiterhin sehr schnellen und zuverlässigen Kommunikationskanal gekoppelt sein muss. Dies ist nicht nur aufwendig, sondern kann auch störanfällig sein, insbesondere wenn eine Ladestation oder auch mehrere Ladestationen in räumlicher Nähe parallel mehrere elektrisch antreibbare Fahrzeuge mit Energie versorgen.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Ladebetrieb zu verbessern.
Als Lösung schlägt die Erfindung eine Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 2 vor. Schließlich wird mit der Erfindung ein Rechnerprogrammprodukt gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 7 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch Merkmale und Eigenschaften der abhängigen Ansprüche.
Vorrichtungsseitig schlägt die Erfindung insbesondere vor, dass die Ladestation eine Detektionseinheit sowie eine Steuereinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit eingerichtet ist, eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu detektieren und ein Störungssignal bereitzustellen, und die Steuereinheit eingerichtet ist, aufgrund des Störungssignals das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes zu beenden. Entsprechend wird verfahrensseitig insbesondere vorgeschlagen, dass eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs detektiert und das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes beendet wird.
Die Erfindung nutzt also ladestationsseitige Parameter, um beispielsweise einen fahrzeugseitigen Lastabwurf detektieren zu können. Ein separater Kommunikationskanal sowie Detektionsmittel im elektrisch antreibbaren Fahrzeug können somit eingespart werden. Darüber hinaus ergibt sich dadurch, dass ein Kommunikationskanal nicht mehr erforderlich ist, auch eine höhere Zuverlässigkeit und Störsicherheit, weil nämlich eine Informationsübertragung über den Kommunikationskanal gänzlich entfallen kann. Folglich entfallen auch sämtliche hiermit verbundenen Nachteile. Darüber hinaus können hierdurch natürlich auch Kosten und Aufwand eingespart werden. Gleichwohl kann natürlich der Kommunikationskanal auch weiterhin gegebenenfalls zusammen mit fahrzeugseitigen Detektionsmitteln benutzt werden, um beispielsweise eine Redundanz oder dergleichen realisieren zu können.
Die Erfindung nutzt gegenüber dem Stand der Technik Eigenschaften der physikalischen Verkopplung eines aus der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug während des Ladens gebildeten Systems. Der Lastabwurf stellt in einem solchen System eine signifikante Systemänderung dar. Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass sich eine solche Systemänderung anhand von sich stark ändernden ladestationsseitigen Parametern beziehungsweise Systemgrößen detektieren lässt. Diese ladestationsseitigen Parameter können gemäß einer Ausgestaltung, beispielsweise eine Phasenverschiebung beziehungsweise eine Phasenlage zwischen einem ladestationsseitigen Spulenstrom der elektronischen Spule und einer ladestationsseitigen, durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung, ein Eingangsstrom der Ladestation, eine Arbeitsfrequenz des aus dem Wechselrichter und der elektronischen Spule im Resonanzbetrieb gebildeten Systems, oder dergleichen sein.
Die Detektionseinheit kann zu diesem Zweck einen entsprechenden Sensor, mit dem der entsprechende ladestationsseitige Parameter gemessen werden kann, aufweisen. Darüber hinaus kann die Detektionseinheit natürlich auch einstückig mit der Steuereinheit ausgebildet sein. Beide Komponenten können entweder einzeln oder auch gemeinsam in eine Steuerung für den Wechselrichter integriert sein. Sowohl die Detektionseinheit als auch die Steuereinheit können durch eine elektronische Schaltung gebildet sein, die beispielsweise eine Hardwareschaltung, aber auch eine Rechnereinheit, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen aufweisen kann.
Die Störung bezüglich des Übertragens der Energie kann beispielsweise der fahrzeugseitige Lastabwurf oder auch eine andere Störung in Verbindung mit der Abnahme von Energie aus dem magnetischen Wechselfeld sein. Beispielsweise kann auf diese Weise auch das Entfernen des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs detektiert werden, woraufhin die drahtlose energietechnische Kopplung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs beendet werden kann. Insbesondere kann zu diesem Zweck die vom Wechselrichter bereitgestellte Wechselspannung abgeschaltet werden, woraufhin die Bereitstellung des magnetischen Wechselfeldes durch die elektronische Spule beendet wird.
Ermittelt die Detektionseinheit eine entsprechende Störung, erzeugt sie vorzugsweise ein Störungssignal, welches sie der weiteren Nutzung der Ladestation, insbesondere der Steuereinheit, zur Verfügung stellt. Das Steuersignal kann ein elektrisches Signal sein, welches beispielsweise ein analoges, aber auch ein digitales Signal sein kann. Vorzugsweise greift das Störungssignal in eine Steuerung für den Wechselrichter ein und behindert beziehungsweise beendet den bestimmungsgemäßen Betrieb des Wechselrichters.
Die Erfindung berücksichtigt, dass ladestationsseitig der Wechselrichter mit der elektronischen Spule insbesondere in einem Resonanzbetrieb betrieben wird. Das heißt, die optimale Arbeitsfrequenz beziehungsweise die Frequenz der vom Wechselrichter bereitgestellten elektrischen Wechselspannung wird durch Eigenschaften des durch die elektronische Spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes signifikant beeinflusst. Der Resonanzbetrieb wird dadurch erreicht, dass ergänzend ein Kondensator an die elektronische Spule angeschlossen ist. Der Kondensator kann beispielsweise in Reihenschaltung, aber auch in Parallelschaltung an die elektronische Spule angeschlossen sein.
Induktive Energieübertragung beziehungsweise drahtlose energietechnische Kopplung im Sinne der Erfindung ist eine Kopplung zum Zwecke der Übertragung von Energie, die es ermöglicht, zumindest unidirektional Energie von einer Energiequelle zu einer Energiesenke zu übertragen. Die Energiequelle kann beispielsweise ein öffentliches Energieversorgungsnetz, ein elektrischer Generator, eine Solarzelle, eine Brennstoffzelle, eine Batterie, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen sein. Die Energiesenke kann beispielsweise eine Antriebsvorrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sein, insbesondere eine elektrische Maschine der Antriebsvorrichtung und/oder ein elektrischer Energiespeicher der Antriebsvorrichtung, beispielsweise ein Akkumulator oder dergleichen. Es kann aber auch eine bidirektionale Energieübertragung vorgesehen sein, das heißt, eine Energieübertragung wechselweise in beide Richtungen. Diesem Zweck dient unter anderem die Ladestation, die Energie an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen soll, zu welchem Zweck sie von einer Energiequelle elektrische Energie bezieht, an die sie elektrisch angeschlossen ist.
Drahtloses energietechnisches Koppeln beziehungsweise induktive Energieübertragung im Sinne der Erfindung meint, dass zwischen der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug keine mechanische Verbindung zum Herstellen einer elektrischen Kopplung vorgesehen zu werden braucht. Insbesondere kann das Herstellen einer elektrischen Verbindung mittels eines Kabels vermieden werden. Stattdessen erfolgt die energietechnische Kopplung im Wesentlichen allein aufgrund eines Energiefeldes, vorzugsweise eines magnetischen Wechselfeldes.
Die Ladestation ist deshalb dazu eingerichtet, ein entsprechendes Energiefeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, zu erzeugen. Fahrzeugseitig ist entsprechend vorgesehen, dass ein derartiges Energiefeld beziehungsweise magnetisches Wechselfeld erfasst werden kann und daraus Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gewonnen wird. Mittels der Ladeeinrichtung des Fahrzeugs wird die mittels des Energiefelds, insbesondere des magnetischen Wechselfeldes, zugeführte Energie in eine elektrische Energie umgewandelt, die sodann vorzugsweise in dem Energiespeicher des Fahrzeugs für dessen bestimmungsgemäßen Betrieb gespeichert werden kann. Zu diesem Zweck kann die Ladeeinrichtung einen Konverter aufweisen, der die mittels der Spule dem magnetischen Wechselfeld entnommene und dem Konverter zugeführte elektrische Energie in eine für das Fahrzeug geeignete elektrische Energie umwandelt, beispielsweise gleichrichtet, spannungswandelt oder dergleichen. Darüber hinaus kann die Energie auch unmittelbar der elektrischen Maschine der Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs zugeführt werden. Die energietechnische Kopplung dient also im Wesentlichen dem Übertragen von Energie und nicht zuvorderst dem Übertragen von Informationen. Dementsprechend sind die Mittel zur Durchführung der Erfindung für einen entsprechend hohen Leistungsdurchsatz im Unterschied zu einer drahtlosen Kommunikationsverbindung ausgelegt.
Ein wesentliches Element für die drahtlose energietechnische Kopplung, insbesondere mittels des magnetischen Wechselfeldes, ist die elektronische Spule, die gelegentlich auch durch mehrere elektronische Spulen gebildet sein kann, die ladestationsseitig zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes dient und fahrzeugseitig vom magnetischen Wechselfeld durchflutet wird und fahrzeugseitig an ihren entsprechenden Anschlüssen eine elektrische Energie bereitstellt. Entsprechend ist ladestationsseitig die elektronische Spule mit einer einen Wechselstrom bewirkenden Wechselspannung beaufschlagt, so dass die elektronische Spule das magnetische Wechselfeld bereitstellt, mittels dem Energie abgegeben werden kann. Über das magnetische Wechselfeld ist die elektronische Spule der Ladestation mit der elektronischen Spule des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs während des Ladevorgangs gekoppelt.
In der Regel weist die Spule eine Wicklung mit mehreren Windungen eines elektrischen Leiters auf, wobei die Wicklung in der Regel einen ferromagnetischen Körper, der häufig durch einen Ferrit gebildet ist, umfasst beziehungsweise umschließt. Mittels des ferromagnetischen Körpers kann der magnetische Fluss in gewünschter Weise geführt werden, so dass die Wirksamkeit der energietechnischen Kopplung aufgrund des magnetischen Wechselfeldes zwischen den Spulenschaltungen der Ladestation und des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs verstärkt werden kann.
Der die Windungen bildende elektrische Leiter der elektronischen Spule ist häufig als sogenannte Hochfrequenzlitze ausgebildet, das heißt, er besteht aus einer Vielzahl von gegeneinander elektrisch isolierten Einzelleitern beziehungsweise Drähten, die entsprechend, den Leiter bildend zusammengefasst sind. Dadurch wird erreicht, dass bei Frequenzanwendungen wie bei der Erfindung ein Stromverdrängungseffekt reduziert ist beziehungsweise im Wesentlichen vermieden wird. Um eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung auf die einzelnen Drähte der Hochfrequenzlitze verbessern zu können, ist in der Regel noch ein Verdrillen der Einzeldrähte vorgesehen. Das Verdrillen kann auch umfassen, dass Bündel aus einer bestimmten Anzahl von Einzeldrähten gebildet werden, die in sich selbst verdrillt sind, und wobei diese Bündel, den elektrischen Leiter bildend, ebenfalls verdrillt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Detektieren ein Vergleichen eines die Energieübertragung betreffenden Parameters und/oder eine Änderung des Parameters mit einem Vergleichswert. Insbesondere kann eine differenzielle Änderung ausgewertet werden. Hierzu kann die Detektionsschaltung eine geeignete Vergleichsschaltung umfassen, die die gewünschten Funktionen bereitstellen kann. Der Vergleichswert kann fest vorgegeben sein, er kann aber auch einstellbar vorgegeben sein. Letzteres ermöglicht es, die Ladestation individuell adaptieren zu können. Vorzugsweise nutzt die Erfindung die Tatsache, dass der Parameter, insbesondere seine Änderung, schneller erfolgt als eine Regelung der optimalen Arbeitsfrequenz. Dadurch kann ein deutliches Signal zum Auswerten mittels der Detektionseinheit erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist der Parameter durch eine Phasenverschiebung zwischen dem Spulenstrom der elektronischen Spule und einer vom Wechselrichter für die elektronische Spule bereitgestellten Wechselspannung gebildet. Hierdurch kann eine zuverlässige Detektion der Störung bezüglich des Übertragens der Energie erreicht werden.
Darüber hinaus kann alternativ oder auch ergänzend der Parameter durch eine Frequenz der Wechselspannung, insbesondere der Arbeitsfrequenz, gebildet sein. Weiterhin kann der Parameter auch durch einen Eingangsstrom der Ladestation gebildet sein, insbesondere eine hieraus ermittelte Wirkleistung und/oder dergleichen. Der Eingangsstrom der Ladestation ist der Strom, der von der Energiequelle, an die die Ladestation angeschlossen ist, bereitgestellt wird.
Entsprechend umfasst die Erfindung auch ein gattungsgemäßes Rechnerprogrammprodukt, wobei das Produkt Programmcodeabschnitte eines Programms zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wenn das Programm durch die Rechnereinheit der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das vorgenannte Rechnerprogrammprodukt kann als rechnerlesbares Speichermedium ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Programm direkt in einen internen Speicher der Rechnereinheit ladbar sein. So ist es beispielsweise möglich, das Programm aus einem Netzwerk von einer Datenquelle, beispielsweise einem Server, herunterzuladen und in einem internen Speicher der Rechnereinheit zu laden, so dass der Rechner das Programm ausführen kann.
Vorzugsweise umfasst das Rechnerprogramm ein rechnerlesbares Medium, auf welchem die Programmcodeabschnitte gespeichert sind. Ein solches rechnerlesbares Medium kann beispielsweise ein Speicherbaustein, eine Compact Disc, ein USB-Stick oder dergleichen sein.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der FIG zu entnehmen. In den FIG sind gleiche Bauteile und Funktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 schematisch eine Darstellung einer Änderung einer aktuellen Phasenlage bei einem Lastabwurf während eines Ladebetriebs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs an einer Ladestation gemäß der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Phasenverlaufs bei einem Lastabwurf wie bei 1 ohne eine Abschaltung gemäß der Erfindung, und
3 eine schematische Darstellung eines zeitlich differenzierten Signalverlaufs des in 2 dargestellten Phasenverlaufs, der ein mittels einer Detektionseinheit detektierbares Signal darstellt.
Das folgende Ausführungsbeispiel basiert auf einer Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, die in den FIG nicht dargestellt sind. Die Ladestation weist einen Anschluss für eine elektrische Energiequelle auf, die vorliegend ein öffentliches Energieversorgungsnetz ist. Ferner umfasst die Ladestation einen Wechselrichter sowie eine an den Wechselrichter angeschlossene elektronische Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose energietechnische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes. Zu diesem Zweck ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen.
Die Ladestation weist eine Detektionseinheit sowie eine Steuereinheit auf, wobei die Detektionseinheit eingerichtet ist, eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu detektieren. Wird eine entsprechende Störung detektiert, stellt die Detektionseinheit ein Störungssignal bereit. Das Störungssignal steht der Steuereinheit zur Verfügung.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, aufgrund des Störungssignals das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes zu beenden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Steuereinheit den Betrieb des Wechselrichters beendet, so dass dieser keine Wechselspannung für die elektronische Spule mehr bereitstellt. Daraufhin wird mittels der elektronischen Spule auch kein magnetisches Wechselfeld mehr erzeugt. Die Bereitstellung von Energie für das elektrisch antreibbare Fahrzeug ist damit beendet.
Das Detektieren der Detektionseinheit erfolgt vorliegend mittels Vergleichen eines die Energieübertragung betreffenden Parameters, insbesondere vorliegend einer Änderung dieses Parameters in Bezug auf einen Vergleichswert. Parameter ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Phasenverschiebung zwischen einem Spulenstrom der elektronischen Spule und der vom Wechselrichter für die elektronische Spule bereitgestellten Wechselspannung.
Alternativ oder ergänzend kann der Parameter auch durch eine Frequenz der Wechselspannung oder auch durch einen Eingangsstrom der Ladestation gebildet sein.
1 zeigt exemplarisch für dieses Ausführungsbeispiel eine Änderung der aktuellen Phasenverschiebung bei einem Lastsprung fahrzeugseitig von 15 Ohm auf 500 Ohm. In dem in 1 dargestellten Diagramm ist auf der Ordinate der Winkel der Phasenverschiebung in Grad angegeben. Auf der Abszisse ist die Frequenz der durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung in kHz dargestellt. Ein erster Graph 10 zeigt die Phasenverschiebung bei einem fahrzeugseitigen Lastwiderstand von 500 Ohm mittels eines ersten Graphen 10. Zu erkennen ist, dass im dargestellten Frequenzbereich die Phasenverschiebung bei diesem Lastwiderstand bei 130 kHz etwa bei 70 Grad liegt und mit zunehmender Frequenz sich an 80 Grad annähert. Die Phasenverschiebung ist also sehr hoch.
Ferner ist aus 1 ersichtlich, dass bei einem fahrzeugseitigen Lastwiderstand von 15 Ohm die Phasenverschiebung bei 130 kHz im Bereich von –65 Grad liegt. Mit zunehmender Frequenz steigt zwar auch die Phasenverschiebung bis hin zu positiven Werten an, jedoch bleibt die Phasenverschiebung immer unterhalb der Phasenverschiebung, die bei einem Lastwiderstand von 500 Ohm vorliegt. Dies ist mit dem Graphen 12 dargestellt.
Erfolgt bei einer Frequenz von 155 kHz beispielsweise ein Lastsprung von 15 Ohm auf 500 Ohm, weil fahrzeugseitig ein Akkumulator abgeschaltet wird, springt die Phasenverschiebung von etwa 20 Grad auf etwa 80 Grad, was mit dem Pfeil 14 dargestellt ist. Die Erfindung macht es sich zunutze, diesen Phasensprung zu detektieren und daraus die Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu detektieren.
Tritt also eine Änderung der Lastverhältnisse fahrzeugseitig auf, so führt dies zu einer Änderung der Phasenlage. Erfolgt diese Änderung schneller als eine Dynamik des ladestationsseitigen Reglers zur Stabilisierung der Phasenlage, so ist diese Systemänderung deutlich detektierbar und mit großer Wahrscheinlichkeit auf einen fahrzeugseitigen Lastabwurf zurückzuführen. 2 zeigt den entsprechenden prinzipiellen Verlauf der Phasenlage beziehungsweise Phasenverschiebung im Falle eines Lastabwurfs bezüglich dieses Ausführungsbeispiels, wenn keine Abschaltung erfolgen würde. Zur besseren Charakterisierung der aufgetretenen Änderung kann ergänzend vorgesehen sein, die ermittelte Änderung durch ein Differenzierglied mit Verzögerung (DT1-Glied) zu filtern.
3 zeigt die entsprechende Änderung der Phasenverschiebung. Anhand dieser messbaren Information kann zwischen einem ungestörten Betrieb, bei dem Phasenänderungen normal auszuregeln sind, und einem gestörten Betrieb unterschieden werden, der im Fall eines Lastabwurfs auftritt.
In den 2 und 3 sind die Abszissen Zeitachsen, auf denen Zeitpunkte t_I, t_II, t_III und t_IV abgezeichnet sind. Diese Zeitpunkte bilden Bereiche I, II, III und IV.
In 2 ist auf der Ordinate der Winkel der Phasenverschiebung φ dargestellt, wohingegen in 3 dessen zeitliche Ableitung auf der Ordinate dargestellt ist, nämlich dφ/dt dargestellt ist. 2 zeigt im Bereich I die Phasenverschiebung und deren Änderung im bestimmungsgemäßen Betrieb während des Ladens des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mittels der Ladestation. Im Bereich II wird fahrzeugseitig die Last abgeworfen. Im Bereich III sind neue Systemparameter erreicht, die eine entsprechende Phasenverschiebung zur Folge haben. Erfolgt keine zeitnahe Abschaltung der Energieübertragung, so beginnt der Bereich IV eines Ausregelprozesses mittels eines Phasenreglers der Ladestation. Dies führt zu einer Absenkung der Phasenlage und zu einer Erhöhung der Energieübertragung, woraus sich eine entsprechende Spannungsüberhöhung auf der Fahrzeugseite ergibt.
Die schnelle Änderung im Bereich II lässt sich sehr gut erkennen (3). Aufgrund dieser Änderung kann die Abschaltung der Leistungsübertragung erfolgen. Dieser Zeitpunkt t_aus ist erreicht, wenn dφ/dt eine Detektionsschwelle erreicht. Die Zeit zwischen Lastabwurf und Beenden des Bereitstellens der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes wird lediglich durch die Zeit zum Erfassen der Messgrößen beziehungsweise Parameter, die Filterung der Phasenlage und die Zeitverzögerung zum Sperren von Steuersignalen des Wechselrichters begrenzt und kann im Bereich von wenigen Mikrosekunden liegen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass ergänzend die Überwachung eines Eingangsstroms der Ladestation oder auch einer Frequenz der durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung überwacht werden kann.
Die Erfindung erreicht eine gezielte Überwachung des zeitlichen Verhaltens bestimmter ladestationsseitiger Parameter zur Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere der Betriebssicherheit des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Nicht benötigt wird ein separater Kommunikationskanal zwischen der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug sowie einer fahrzeugseitigen Detektionseinheit.
Das vorangehende Ausführungsbeispiel soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen.
Natürlich können auch einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus können natürlich Vorrichtungsmerkmale auch durch entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt angegeben sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020120016521 A [0004]

Claims

Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose energietechnische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes, zu welchem Zweck der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation eine Detektionseinheit sowie eine Steuereinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit eingerichtet ist, eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu detektieren und ein Störungssignal bereitzustellen, und die Steuereinheit eingerichtet ist, aufgrund des Störungssignals das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes zu beenden.
Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Energie mittels eines von einer elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen wird, zu welchem Zweck die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle bezieht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störung bezüglich des Übertragens der Energie während des drahtlosen energietechnischen Koppelns des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs detektiert und das Bereitstellen der Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren ein Vergleichen eines die Energieübertragung betreffenden Parameters und/oder einer Änderung des Parameters mit einem Vergleichswert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter durch eine Phasenverschiebung zwischen einem Spulenstrom der elektronischen Spule und der vom Wechselrichter für die elektronische Spule bereitgestellten Wechselspannung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter durch eine Frequenz der Wechselspannung gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter durch einen Eingangsstrom der Ladestation gebildet ist.
Rechnerprogrammprodukt umfassend ein Programm für eine Rechnereinheit einer Ladestation (10), wobei das Programm Programmkodeabschnitte eines Programms zum Ausführen der Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 oder 6 aufweist, wenn das Programm durch die Rechnereinheit ausgeführt wird.
Rechnerprogrammprodukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechnerprogrammprodukt ein rechnerlesbares Medium umfasst, auf welchem die Programmkodeabschnitte gespeichert sind.
Rechnerprogrammprodukt nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm direkt in einen internen Speicher der Rechnereinheit ladbar ist.