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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Ladeanordnung sowie eine Infrastruktureinrichtung und ein Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers auf einer Primärspule eines Systems zur induktiven Kopplung.
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Bei der Energieübertragung über ein induktives Spulensystem können die magnetischen bzw. elektromagnetischen Felder unter Umständen gesundheitliche Auswirkungen auf Mensch und Tier haben. Außerdem können sich metallische Gegenstände unter Umständen soweit erhitzen, dass Brandgefahr besteht. Beim Einsatz eines induktiven Ladesystems bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen sind diese Gefährdungen bereits insofern auszuschließen, als die infrastrukturseitige Primärspule mitunter in eine Fahrbahnoberfläche eingelassen ist und Fremdkörpern gegenüber daher besonders exponiert ist.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Überwachung des Zwischenraums von induktiven Ladeplatten der Ladeinfrastruktur bzw. des Fortbewegungsmittels bekannt.
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DE 10 2011 076 186 A1 offenbart eine Ladestation für elektrisch antreibbare Fahrzeuge mit einem Störungs-Detektor, welcher eine Lichtschranke, einen Bewegungsmelder, einen Brandmelder, einen Metalldetektor, eine Kamera incl. Recheneinheit zur Objekterkennung, einen Feuchtigkeitssensor, einen Materialfeuchte-Sensor und/oder ein Hygrometer und/oder einen Temperatursensor umfasst. Mit den vorgenannten Sensoren können unterschiedliche Fremdkörper in der Strecke zur drahtlosen Energieübertragung detektiert werden.
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DE 10 2012 105 615 A1 offenbart eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung an eine Fahrzeugbatterie, welche einen Sensor zur Fremdkörperdetektion aufweist, welcher beispielsweise als Ultraschallsensor, Radarsensor, Infrarotsensor, optischer Sensor oder als kapazitiver Sensor ausgestaltet ist. Zudem wird vorgeschlagen, eine Beeinflussung eines Magnetfeldes durch Fremdkörper mittels eines induktiven Sensors festzustellen.
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Die im Stand der Technik bekannten Wirkprinzipien zur Fremdkörpererkennung in einer Strecke zur drahtlosen Energieübertragung schöpfen die physikalischen Möglichkeiten nicht zufriedenstellend aus. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Bedarf zu stillen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers auf einer Primärspule eines Systems wird durch eine Vorrichtung zur induktiven Kopplung, durch eine Ladeanordnung zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels sowie durch eine Infrastruktureinrichtung zur Abgabe elektrischer Energie an elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ermitteln einer Krafteinwirkung im Bereich der Primärspule. Unter der Primärspule sei eine infrastrukturseitige Energiesendeeinheit verstanden, welche eingerichtet ist, Energie drahtlos an eine Sekundärspule an einer Mobileinheit zu übertragen. Grundsätzlich kann eine solche Primärspule selbstverständlich auch Energie auf demselben Weg von der Sekundärspule empfangen, sofern dies erforderlich ist. Die Krafteinwirkung kann insbesondere in Richtung der Erdbeschleunigung ermittelt werden, so dass die Masse eines im Detektionsbereich befindlichen Fremdkörpers ermittelt werden kann. Anschließend erfolgt eine Klassifikation der Krafteinwirkung. Dies kann eine Bewertung der Krafteinwirkung hinsichtlich zumindest eines Schwellwertes umfassen. In Abhängigkeit der Klasse, welcher die ermittelte Krafteinwirkung zugeordnet wurde, wird ein Vorhandensein eines Fremdkörpers erkannt. Im Ansprechen auf diese Erkenntnis können Maßnahmen ergriffen werden, um den Fremdkörper einerseits und die Primärspule andererseits zu schützen. Beispielsweise kann eine Entfernung des Fremdkörpers veranlasst werden, indem ein Anwender bzw. ein Bedienpersonal auf das Vorhandensein des Fremdkörpers hingewiesen wird. Alternativ oder zusätzlich können Mittel zum automatischen Entfernen des Fremdkörpers angesteuert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht hierdurch eine sichere Durchführung einer induktiven Kopplung (beispielsweise zur Übertragung elektrischer Energie) von einer Infrastruktureinrichtung an eine elektrisch antreibbare Mobileinheit.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zudem ein Verhindern einer Energieübertragung mittels der Primärspule, sobald das Vorhandensein des Fremdkörpers erkannt worden ist. Beispielsweise kann eine Schalteinrichtung (z.B. ein Schütz) zum Öffnen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Energieinfrastruktureinrichtung und der Primärspule veranlasst werden. Ein versehentliches Starten einer Energieübertragung wird somit unterbunden.
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Zusätzlich kann gemäß dem eingangs gewürdigten Stand der Technik eine Auswertung von Ultraschallsignalen und/oder Radarsignalen und/oder Infrarotsignalen und/oder optischen Signalen und/oder Röntgensignalen und/oder eines Magnetfeldes zur Verifikation der Fremdkörpererkennung verwendet werden. Selbstverständlich ist auch umgekehrt eine erfindungsgemäße Verifikation gemäß dem Stand der Technik durchgeführter Fremdkörpererkennungen möglich. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß erhaltene Ergebnisse in Verbindung mit den vorgenannten bekannten Maßnahmen verwendet werden, um die Fremdkörperermittlung auf eine breitere Informationsbasis zu stellen und noch zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur induktiven Kopplung vorgeschlagen, welche beispielsweise in einer Ladeinfrastruktureinrichtung zum Laden elektrisch antreibbarer Mobileinheiten Verwendung finden kann. Zur induktiven Energieübertragung umfasst die Vorrichtung eine Primärspule, welche eingerichtet ist, mit einer Sekundärspule einer Mobileinheit gekoppelt zu werden. Zusätzlich sind Mittel zum Erkennen eines Fremdkörpers im Bereich der Primärspule vorhanden. Hierbei können die Mittel zum Erkennen des Fremdkörpers die Primärspule zumindest anteilig umgeben und/oder die Primärspule selbst die Mittel zur Erkennung des Fremdkörpers aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Mittel eingerichtet, eine Kraftwirkung im Bereich der Primärspule zu erfassen, die Kraftwirkung zu klassifizieren und in Abhängigkeit einer der erfassten Kraftwirkung zugeordneten Klasse das Vorhandensein eines Fremdkörpers zu erkennen. Wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt, kann auch die Vorrichtung Mittel zum Informieren eines Anwenders bzw. eines zuständigen Personals und/oder Mittel zum automatischen Entfernen des Fremdkörpers umfassen. Beispielsweise können Luftdüsen, Flüssigkeitsdüsen, Gewichtseinheiten oder Lageveränderungseinheiten angesteuert werden, um den Fremdkörper aus dem Bereich der Primärspule zu blasen, zu wischen oder zu kippen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Bevorzugt ist die Primärspule eingerichtet, elektrische Energie mittels einer über ihr angeordneten Sekundärspule eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels an eine Traktionsbatterie des Fortbewegungsmittels zu übertragen. Mit anderen Worten ist die Primärspule dimensioniert und vorgesehen, erhebliche elektrische Leistungen zu übertragen, um ein Fortbewegungsmittel in kürzest möglicher Zeit (zwei bis sechs Stunden) mit hinreichender Energie zu versorgen, um längere Strecken (größer 100 km) ohne Zuführung von Fremdenergie zu bewegen.
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Die Oberseite der Primärspule kann im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sein. Auf diese Weise ist es möglich, ein Fortbewegungsmittel im Wesentlichen horizontal über die Primärspule zu bewegen und dabei einen kleinstmöglichen vertikalen Abstand zwischen der Primärspule und einer am Fortbewegungsmittel angeordneten Sekundärspule zu realisieren, ohne dass die Spulen anschließend in vertikaler Richtung aufeinander zubewegt werden müssten. Dies betrifft insbesondere einen Bereitschaftszustand sowie einen Betriebszustand (während des Ladens der Mobileinheit). Ein gegebenenfalls vorgesehener Reinigungszustand unter Lageveränderung der Primärspule zum Entfernen des Fremdkörpers sei hiervon unberührt. Dies bietet den Vorteil, eine mechanisch einfache und robuste Konstruktion zu ermöglichen, obwohl eine Fremdkörperexposition der Primärspule hierdurch begünstigt wird.
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Bevorzugt können die Primärspule und/oder die Mittel zur Erkennung des Fremdkörpers eingerichtet sein, in einen befahrbaren Boden eingelassen zu werden, der die erforderliche Festigkeit aufweist, als Fahrbahn und/oder als Fundament einer Garage verwendet zu werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass in einem Bereitschaftszustand (ohne über der Primärspule angeordnetes Fortbewegungsmittel) eine erhöhte Unfallgefahr von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeht, indem Personen über Teile der Vorrichtung stolpern oder Fahrzeuge mit der Vorrichtung kollidieren können.
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Die erfindungsgemäßen Mittel zur Erkennung des Fremdkörpers können insbesondere eine Wägevorrichtung zur Massebestimmung und/oder mindestens einen Drucksensor umfassen. Erfindungsgemäß sei lediglich verlangt, dass eine mit der Gewichtskraft des Fremdkörpers verbundene physikalische Größe durch die Mittel zur Erkennung des Fremdkörpers erfasst und ausgewertet werden kann. Solche Mittel sind robust, kostengünstig verfügbar und können Fremdkörper in großen Massebereichen zuverlässig erkennen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ladeanordnung zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Ladeanordnung umfasst Mittel zur Aufnahme elektrischer Energie, welche beispielsweise im einfachsten Fall elektrische Anschlüsse an ein Energieversorgungsnetz umfassen. Zusätzlich kann eine Zählereinrichtung zur Messung übertragener Leistung, eine Energiekonversionseinrichtung zur Wandlung einer Energieform in eine andere Energieform (z.B. ein Transformator, ein Gleichrichter o.ä.) sowie Mittel zur Absicherung der Ladeanordnung gegen einen elektrischen Fehler (z.B. in Form einer Sicherung, eines Schützes, o.ä.) umfassen. Zusätzlich umfasst die Ladeanordnung Mittel zur Steuerung einer Energieübertragung. Diese sind in Verbindung mit einer ebenfalls enthaltenen Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt eingerichtet, eine Energieübertragung an das Fortbewegungsmittel im Ansprechen auf ein Signal der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen bzw. zu unterbinden. Mit anderen Worten können die Mittel zur Steuerung einer Energieübertragung in Abhängigkeit der Präsenz eines Fremdkörpers im Bereich der Primärspule eine Stromführung der Primärspule verhindern. Auch hierzu können Schaltmittel in Form eines Schützes vorhanden sein. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen ergänzend auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Infrastruktureinrichtung zur Abgabe elektrischer Energie an elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Die Infrastruktureinrichtung kann beispielsweise eine für kommerzielle Zwecke einsetzbare Station sein, an welcher elektrische Energie für den Individualverkehr umgeschlagen wird. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Infrastruktureinrichtung eine zentrale Kasse (engl. „point of sale“), bevorzugt in einem geschlossenen Gebäude, umfassen, welche mit den Ladeanordnungen zur Abrechnung bezogener elektrischer Leistungen informationstechnisch verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich können die erfindungsgemäßen Ladeanordnungen jeweilige Kassen umfassen,
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um den Kunden die bezogene elektrische Energie in Rechnung stellen und Zahlungen entgegennehmen zu können. Die Infrastruktureinrichtung weist mindestens eine, bevorzugt mehrere, Ladeanordnungen auf, wie sie in Verbindung mit dem drittgenannten Erfindungsaspekt im Detail beschrieben worden ist, so dass auch bezüglich der Infrastruktureinrichtung zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung;
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2 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung;
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3 eine Detailansicht zu einer durch Fremdkörper in ihrer Betriebssicherheit beeinträchtigte Anordnung einer Primärspule eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung und einer Sekundärspule eines Fortbewegungsmittels; und
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4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 10, welches über einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung 11 parkt. Die erfindungsgemäße Ladeanordnung 11 umfasst eine Primärspule 2, welche von einer Waage 3 umgeben ist. Auf diese Weise ist die Waage 3 eingerichtet, im Bereich der Primärspule 2 angeordnete Fremdkörper hinsichtlich ihrer Masse zu erfassen und korrespondierende Signale über eine Kommunikationsleitung 13 an eine Wall-Box 4 als Mittel zur Steuerung einer Energieübertragung zu übertragen. Die Signale werden in der Wall-Box 4 dahingehend ausgewertet, ob die ermittelte Masse einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Da ein Fremdkörper auf der Waage 3 stets zu einer Erhöhung der gemessenen Masse führen wird, kann eine Erkennung solcher Fremdkörper sicher und auf einfache Weise erfolgen. Wird der Schwellwert überschritten, veranlasst die Wall-Box 4 eine elektrische Unterbrechung zu einer Energieleitung 12 zur Übertragung elektrischer Energie zwischen der Wall-Box 4 und der Primärspule 2.
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2 zeigt wie die in 1 dargestellte Anordnung in einer Seitenansicht. Das Fahrzeug 10 weist eine Traktionsbatterie 5 als Energiespeicher auf, welche mit einer ebenfalls im Fahrzeug 10 angeordneten Sekundärspule 1 elektrisch verbunden ist. Ein mittels der Primärspule 2 erzeugtes Magnetfeld 8 überträgt elektrische Energie an die Sekundärspule 1, welche fahrzeugseitig gleichgerichtet wird und in der Traktionsbatterie 5 gespeichert wird. Um den durch das Magnetfeld 8 zu durchquerenden Luftspalt so kurz wie möglich zu halten, sind die Primärspule 2 und die Sekundärspule 1 hinsichtlich ihrer einander zugewandten Fläche parallel zur Fahrbahn 6, in welche sowohl die Primärspule 2 als auch die Waage 3 eingelassen ist.
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3 zeigt in vergrößerter Darstellung eine aus einer Primärspule 2 und einer Waage 3 bestehenden Anordnung einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung, auf welcher eine Sekundärspule 1 eines Fahrzeugs angeordnet ist. Als Beispiele für erfindungsgemäß detektierbare Fremdkörper sind ein Fußball 7a, ein leerer Joghurtbecher 7b sowie eine spielende Katze 7c im Bereich der Primärspule 2 angeordnet. Zudem befinden sich der Fußball 7a, der Joghurtbecher 7b und die Katze 7c auch im Erfassungsbereich 9 der erfindungsgemäßen Waage 3, so dass ihre Präsenz erkannt und zum Abschalten des Magnetfeldes 3 verwendet werden kann.
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4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird eine Krafteinwirkung im Bereich einer Primärspule ermittelt und im Schritt 200 mit einem Schwellwert zur Klassifikation der Krafteinwirkung verglichen. Da die Krafteinwirkung größer als der vordefinierte Schwellwert ist, wird in Schritt 300 ein Vorhandensein des Fremdkörpers erkannt. Im Ansprechen darauf wird in Schritt 400 eine Energieübertragung im bzw. durch die Primärspule 2 verhindert.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Vermeiden einer induktiven Energieübertragung beim Vorhandensein eines Fremdkörpers im Übertragungsbereich. Da derzeit noch nicht abschließend erforscht ist, wie sich die Auswirkung der elektromagnetischen Felder auf die Gesundheit von Mensch und Tier auswirken, werden negative Folgen durch die vorliegende Erfindung zumindest mit Sicherheit ausgeschlossen. Zudem wird verhindert, dass elektrisch leitende Gegenstände, welche Mensch und Tier mitunter als Schmuck oder als Implantate mit sich führen, durch die elektromagnetischen Wechselfelder zur Energieübertragung aufgeheizt werden und zu Verbrennungen führen. Schließlich wird auch die induktive Kopplung selbst durch Verhindern von Fremdkörperpräsenz im Betrieb verbessert, was die Effizienz und somit den Wirkungsgrad der Energieübertragung verbessert.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sekundärspule
- 2
- Primärspule
- 3
- Waage
- 4
- Wall-Box
- 5
- Traktionsbatterie
- 6
- Fahrbahn
- 7a
- Fußball
- 7b
- Joghurtbecher
- 7c
- Katze
- 8
- Magnetfeld
- 9
- Erfassungsbereich
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Ladeanordnung
- 12
- Energieleitung
- 13
- Kommunikationsleitung
- 100–400
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076186 A1 [0004]
- DE 102012105615 A1 [0005]
