DE102014218758A1 - Wireless battery charging system for a device with rechargeable battery and with foreign body detection - Google Patents
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Abstract
Eine Ladevorrichtung (20) zur induktiven Energieübertragung an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) umfasst eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (74, 66), die als Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) eine Abhängigkeit einer Amplitude (504, 604) eines durch eine Sendespule (46) fließenden Mess-Wechselstroms und/oder einer an dieser anliegenden Mess-Wechselspannung von einer zeitvariablen Frequenz (500, 600) messen kann, und eine Auswerteeinrichtung (82), die eine Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) hinsichtlich eines oder mehrerer, aus den folgenden ausgewählter, charakteristischer Merkmale auswerten kann: eine Gesamtinduktivität des Senderesonanzkreises (64), eine Resonanzfrequenz (402, 520) des Senderesonanzkreises (64), eine Strom- oder Spannungsamplitude (404) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz (402, 522), eine Stromoder Spannungsamplitude (504, 604) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich (502, 602) enthaltenen Messfrequenz (500, 600), eine aus der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) bestimmte Güte (522) des Senderesonanzkreises, eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) in dem vorbestimmten Frequenzbereich (502, 602) und eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) mit einer Referenz-Frequenzkennlinie (506, 606), und die basierend auf einer Auswertung von mindestens einem dieser charakteristischen Merkmale auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands (26) in einem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) der Sendespule (46) schließen kann.A charging device (20) for inductive energy transmission to a device (300) to be supplied with energy comprises a current and / or voltage measuring device (74, 66) which has as a measuring frequency characteristic (510-512, 608-616) a dependency of a Amplitude (504, 604) of a measuring alternating current flowing through a transmitting coil (46) and / or a measuring alternating voltage applied thereto from a time-variable frequency (500, 600), and an evaluating device (82) which generates a measuring Frequency characteristic (510-512, 608-616) with respect to one or more of the following selected characteristic features: a total inductance of the transmitter resonant circuit (64), a resonant frequency (402, 520) of the transmitter resonant circuit (64), a current or Voltage amplitude (404) of the measured alternating current or the measured alternating voltage at the resonance frequency (402, 522), a current or voltage amplitude (504, 604) of the measured alternating current or the measured alternating voltage at a predetermined measuring frequency (500, 600) contained in the frequency range (502, 602), a quality (522) of the transmitter resonant circuit determined from the measuring frequency characteristic (510-512, 608-616), a parameterizable form a measurement frequency characteristic (510-512, 608-616) in the predetermined frequency range (502, 602) and a correlation of the measurement frequency characteristic (510-512, 608-616) with a reference frequency characteristic (506, 606), and which may conclude, based on an evaluation of at least one of these characteristic features, the presence of a metal-containing article (26) in a magnetic field irradiation space region (22) of the transmitting coil (46).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet eines drahtlosen, insbesondere induktiven, Batterieladesystems mit einer Ladevorrichtung zum Aufladen einer Batterie einer batteriebetriebenen elektrischen Einrichtung.The present invention relates to the technical field of a wireless, in particular inductive, battery charging system with a charging device for charging a battery of a battery-powered electrical device.
Ein herkömmliches Batterieladesystem, das eine Ladevorrichtung und ein mit Energie zu versorgendes, insbesondere batteriebetriebenes, Gerät mit einer aufladbaren Batterie, das ohne eine Drahtverbindung zwischen der Ladevorrichtung und dem Gerät auskommt, kann auf induktiver, kapazitiver oder elektromagnetischer Energieübertragung beruhen oder einen Laserstrahl, Schall, Druckluft, einen Flüssigkeitsstrahl oder eine Hydraulikanordnung zur Energieübertragung verwenden. A conventional battery charging system, which includes a charging device and an energy-supplied, in particular battery-operated, device with a rechargeable battery, which does not require a wire connection between the charging device and the device, can be based on inductive, capacitive or electromagnetic energy transmission or a laser beam, sound, Use compressed air, a liquid jet or a hydraulic system for energy transfer.
Der Bereich der drahtlosen Energieübertragung bzw. der drahtlosen Aufladung (wireless power charging) der Batterien von Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen, Smartphones oder auch Elektrofahrzeugen, ist ein innovatives Aufgabengebiet, in dem derzeit intensiv an technologischer Aus- und Weiterentwicklung gearbeitet und geforscht wird. Als Beispiel für derartige Forschung und Entwicklung sei auf die Arbeit des am 17. Dezember 2008 gegründeten, internationalen Firmenkonsortiums „Wireless Power Consortium“ (WPC) verwiesen, in dessen Rahmen ein globaler Industriestand mit dem Namen Qi (chinesisches Wort für „Lebensenergie“) für die Aufladung von elektronischen Produkten entwickelt und eingeführt worden ist. The field of wireless power charging or the wireless charging of the batteries of devices such as mobile phones, smart phones or electric vehicles, is an innovative area of activity, in which intensive work is currently being carried out and researched on technological development and further development. As an example of such research and development, reference is made to the work of the Wireless Power Consortium (WPC), an international consortium of companies founded on December 17, 2008, under which a global industrial estate named Qi (Chinese word for "life energy") for the charging of electronic products has been developed and introduced.
Eine Energieübertragung, die auf einer induktiven Kopplung zwischen der Ladevorrichtung und dem mit Energie zu versorgenden Gerät basiert, erfolgt über eine transformatorische bzw. induktive Kopplung zwischen einer in der Ladevorrichtung angeordneten Lade- bzw. Sendespule und einer in dem mit Energie zu versorgenden Gerät angeordneten Empfangsspule. Dabei wird die Sendespule mit einem Wechselstrom beaufschlagt, so dass sie ein magnetisches Wechselfeld aussendet, von dem die Empfangsspule einen Teil des magnetischen Wechselflusses „einfängt“, der in der Empfangsspule eine Wechselspannung induziert, mit der ein Versorgungs- bzw. Ladestrom zum Versorgen des Geräts mit Energie bzw. zum Aufladen von deren Batterie getrieben wird. An energy transfer, which is based on an inductive coupling between the charging device and the device to be supplied with energy, takes place via a transformer or inductive coupling between a charging coil arranged in the charging coil and a receiving coil arranged in the device to be supplied with energy , In this case, the transmitting coil is subjected to an alternating current, so that it emits an alternating magnetic field, of which the receiving coil "captures" a part of the magnetic alternating current, which induces an alternating voltage in the receiving coil, with a supply or charging current for supplying the device is powered by energy or to charge their battery.
Die induktive Kopplung ist besonders effizient, wenn in der Ladevorrichtung ein die Sendespule enthaltender Senderesonanzkreis mit einer Senderesonanzfrequenz ausgebildet ist und wenn in dem Gerät ein die Empfangsspule enthaltender Empfangsresonanzkreis mit einer Empfangsresonanzfrequenz ausgebildet ist, wobei die Empfangsresonanzfrequenz auf die Senderesonanzfrequenz abgestimmt ist. Wenn jedoch in einem derartig effizienzoptimierten Batterieladesystem während der Energieübertragung bzw. des Ladevorgangs örtlich in der Nähe, d.h. im Magnetfeld-Aussenderaumgebiet der Sendespule, Fremdkörper, die einen elektrisch leitenden Stoff, wie etwa ein Metall, enthalten, angeordnet sind, werden in einem derartigen Fremdkörper elektrische Wirbelströme induziert. Derartige Wirbelströme führen hinsichtlich der zu übertragenden Energie zu Wirbelstromverlusten in diesen Fremdkörpern und können auch eine Erwärmung dieser Fremdkörper bewirken. Die Wärme kann auf die Ladevorrichtung, etwa auf ein Gehäuse oder Gehäuseteile der Ladevorrichtung, übertragen werden und in extremen Fällen zu Beschädigungen führen. Des Weiteren stehen die durch Wirbelstromverluste und Wärme entzogenen Energieanteile dem zu versorgenden Gerät nicht mehr zur Verfügung, so dass sich ein Ladevorgang verlängert. The inductive coupling is particularly efficient when formed in the charging device, the transmitter coil containing a transmitter resonant circuit with a transmitter resonance frequency and when the receiving coil containing a receiving resonant circuit is formed with a receiving resonant frequency, wherein the receiving resonant frequency is tuned to the transmitter resonant frequency. However, if in such an efficiency-optimized battery charging system during the power transmission or charging locally in the vicinity, i. In the magnetic field emitting space area of the transmitting coil, foreign matter containing an electrically conductive substance such as a metal, eddy currents are induced in such a foreign body. With regard to the energy to be transmitted, such eddy currents lead to eddy current losses in these foreign bodies and can also cause heating of these foreign bodies. The heat can be transferred to the charging device, for instance to a housing or housing parts of the charging device, and in extreme cases can lead to damage. Furthermore, the energy components removed by eddy current losses and heat are no longer available to the device to be supplied, so that a charging process is prolonged.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf induktiver Kopplung zwischen einer Ladevorrichtung und einem mit Energie zu versorgenden Gerät basierendes Batterieladesystem zu schaffen, bei dem ein Vorhandensein von Fremdkörpern mit metallischen Anteilen im Magnetfeld-Aussenderaumgebiet der Sendespule detektiert werden kann.The object of the present invention is to provide a battery charging system based on inductive coupling between a charging device and a device to be powered, in which the presence of foreign bodies with metallic components can be detected in the magnetic field transmission area of the transmitting coil.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung und wie beansprucht wird eine Ladevorrichtung bereitgestellt, die zur induktiven Energieübertragung an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung mit einer aufladbaren Batterie dient. Die Ladevorrichtung weist folgendes auf:
einen Wechselstrom- oder Wechselspannungsgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Wechselstrom oder eine elektrische Wechselspannung mit einer in einem vorbestimmten Frequenzbereich zeitvariablen Frequenz und einer der zeitvariablen Frequenz zugeordneten, vorbestimmten Strom- oder Spannungsamplitude zu erzeugen und einem eine Sendespule enthaltenden Senderesonanzkreis zu beaufschlagen,
die Sendespule, durch die hindurch ein Wechselstrom führbar oder an der eine Wechselspannung anlegbar ist und die dazu ausgebildet ist, ein unter Wirkung des hindurchgeführten Wechselstroms oder eines von der angelegten Wechselspannung getriebenen Wechselstroms erzeugtes, magnetisches Wechselfeld, dessen Feldstärke mit der zeitvariablen Frequenz variiert, in ein vorbestimmtes Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet abzustrahlen. According to a first aspect of the invention and as claimed, there is provided a charging device for inductive power transmission to an energy-to-power device having a rechargeable battery. The loading device has the following:
an AC or AC generator configured to generate an AC electrical or AC electrical voltage having a predetermined time and frequency in a predetermined frequency range associated with a predetermined current or voltage amplitude and to apply a transmitter coil containing a transmitter resonant circuit,
the transmitting coil, through which an alternating current can be conducted or to which an alternating voltage can be applied, and which is designed to generate an alternating current, or one of the alternating current, under the effect of the alternating current AC alternating magnetic field generated alternating current field whose field strength varies with the time variable frequency to radiate in a predetermined magnetic field irradiation space area.
Erfindungsgemäß umfasst die Ladevorrichtung ferner
eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, als Mess-Frequenzkennlinie eine Abhängigkeit einer Amplitude eines durch die Sendespule fließenden Mess-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Mess-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz zu messen, und
eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist,
- (a) eine Mess-Frequenzkennlinie hinsichtlich eines oder mehrerer, aus den folgenden ausgewählter, charakteristischer Merkmale auszuwerten:
- (i) eine Gesamtinduktivität des Senderesonanzkreises,
- (ii) eine Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises,
- (iii) eine Strom- oder Spannungsamplitude des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz,
- (iv) eine Strom- oder Spannungsamplitude des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich enthaltenen Messfrequenz,
- (v) eine aus der Mess-Frequenzkennlinie bestimmte Güte des Senderesonanzkreises,
- (vi) eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie in dem vorbestimmten Frequenzbereich, und
- (vii) eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie mit einer Referenz-Frequenzkennlinie, die eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz darstellt, wobei die Referenz-Frequenzkennlinie unter einer Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet im Wesentlichen frei von einem Gegenstand ist, und
- (b) basierend auf einer Auswertung von mindestens einem der charakteristischen Merkmale (i) bis (vii) auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet zu schließen.
a current and / or a voltage measuring device, which is designed to measure as a measuring frequency characteristic a dependence of an amplitude of a current flowing through the transmitting coil measuring alternating current and / or applied to the transmitting coil measuring alternating voltage from the time-variable frequency, and
an evaluation device which is designed
- (a) evaluate a measurement-frequency characteristic with respect to one or more of the following selected characteristic features:
- (i) a total inductance of the transmitter resonant circuit,
- (ii) a resonant frequency of the transmitter resonant circuit,
- (iii) a current or voltage amplitude of the measured alternating current or the measured alternating voltage at the resonant frequency,
- (iv) a current or voltage amplitude of the measured alternating current or of the measured alternating voltage at a predetermined measuring frequency contained in the frequency range,
- (v) a quality of the transmitter resonant circuit determined from the measurement frequency characteristic,
- (vi) a parameterizable form of a measurement frequency characteristic in the predetermined frequency range, and
- (vii) a correlation of the measurement frequency characteristic with a reference frequency characteristic representing a dependence of a reference alternating current flowing through the transmitting coil and / or a reference alternating voltage applied to the transmitting coil on the time-variable frequency, wherein the reference frequency characteristic below a Condition that the magnetic field irradiation space region is substantially free of an object, and
- (b) to conclude, based on an evaluation of at least one of the characteristic features (i) to (vii), the presence of a metal-containing article in the magnetic field irradiation space region.
Ein etwaig in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordneter Gegenstand, der ein Metall enthält, bewirkt eine Ausbildung eines charakteristischen Merkmals in der Mess-Frequenzkennlinie, einschließlich etwa einer Veränderung der Form der Frequenzkennlinie bzw. eine Frequenzverstimmung, d.h. eine Änderung der Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises, insbesondere im Vergleich mit einer Referenz-Frequenzkennlinie, die unter der Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet frei von einem Fremdkörper ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, bewirkt ein in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordneter, ein Metall enthaltender Gegenstand, dass eine Mess-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises eines oder mehrere der genannten charakteristischen Merkmale zeigt, das in einer Referenz-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises bei der Bedingung, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet kein Gegenstand vorhanden ist, nicht enthalten ist.An article disposed in the magnetic field irradiation space region containing a metal causes formation of a characteristic feature in the measurement frequency characteristic including, for example, a change in the shape of the frequency characteristic, that is, a frequency detuning. a change in the resonant frequency of the transmitter resonant circuit, particularly in comparison with a reference frequency characteristic measured under the condition that the magnetic field irradiation room area is free of foreign matter. In other words, a metal-containing article disposed in the magnetic field irradiation space region causes a measurement frequency characteristic of the transmitter resonant circuit to exhibit one or more of the above characteristics in a reference frequency characteristic of the transmitter resonant circuit in the condition that Magnetic field irradiation space area no object is present, is not included.
Ein charakteristisches Merkmal kann durch Auswerten einer Mess-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises bestimmt werden. Auf der Grundlage einer derartigen Bestimmung kann dann auf das Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstandes in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet geschlossen werden.A characteristic feature can be determined by evaluating a measurement frequency characteristic of the transmitter resonant circuit. On the basis of such determination, it may then be concluded that there is a metal-containing article in the magnetic field irradiation space region.
Ein Körper, in dem kein Wirbelstrom induziert wird, wie etwa ein Körper, der aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht und der in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordnet ist, kann mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Ladevorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Auswertung einer Frequenzkennlinie nicht sicher detektiert werden.A body in which no eddy current is induced, such as a body made of an electrically non-conductive material and disposed in the magnetic field irradiation space region, can not be surely detected with the charging device according to the invention or the evaluation of a frequency characteristic according to the present invention become.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung einer vorbestimmten Art, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audio-Wiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper, wie etwa eine Münze, eine Metallfolie, ein Metallring und/oder eine Büroklammer, vorhanden ist.The evaluation device can be designed to detect and / or to distinguish whether in the magnetic field irradiation space area an energy-to-be-supplied device of a predetermined type, for example a mobile phone, a smartphone or an audio player, such as an MP3 player, or another type of metal-containing foreign substance such as a coin, a metal foil, a metal ring and / or a paper clip.
Die Auswerteeinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, basierend auf einer Auswertung der Änderung der Resonanzfrequenz und/oder der Güte zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung einer vorbestimmten Art oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper vorhanden ist.The evaluation device can also be designed to detect and / or to discriminate based on an evaluation of the change of the resonance frequency and / or the quality, whether in the magnetic field irradiation space area an energy-to-be-supplied device of a predetermined type or a different, a metal containing foreign body is present.
In einer in der Ladevorrichtung, beispielsweise in der Auswerteeinrichtung enthaltenen, Speichereinrichtung können ein erster und zweiter, vorbestimmter Resonanzfrequenzschwellwert sowie ein erster und zweiter, vorbestimmter Güteschwellwert gespeichert sein. Bei diesen Werten ist der zweite Resonanzfrequenzschwellwert größer als der erste Resonanzfrequenzschwellwert und der zweite Güteschwellwert größer als der erste Güteschwellwert. Diese Werte sind empirisch derart gewählt, dass ein Vergleich von Messwerten für die Resonanzfrequenz und die Güte des Senderesonanzkreises mit diesen Schwellwerten unterscheidend ist für das Vorhandensein einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung, eines Fremdkörpers oder keines Fremdkörpers in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet. In a memory device contained in the charging device, for example in the evaluation device, a first and second, predetermined Resonanzfrequenzschwellwert and a first and second, predetermined Güteschwellwert be stored. At these values, the second resonant frequency threshold is greater than the first resonant frequency threshold and the second harmonic threshold is greater than the first threshold value. These values are empirically chosen such that a comparison of resonant frequency and transient response measurements with these thresholds is different for the presence of an energized device, a foreign body, or no foreign matter in the magnetic field irradiation space region.
In einer, beispielsweise empirisch bestimmten, Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, wenn die Resonanzfrequenz größer als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte kleiner als der erste Güteschwellwert ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet ein ein Metall enthaltender Fremdkörper, der von einer mit elektrischer Energie zu versorgenden Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist.In one, for example, empirically determined embodiment, the evaluation device may be configured, if the resonance frequency is greater than the second resonance frequency threshold and the quality is less than the first Güteschwellwert to detect that in the magnetic field irradiation space area containing a metal foreign body of a device to be supplied with electrical energy is different from one of the predetermined types, is present.
In einer anderen, beispielsweise ebenfalls empirisch bestimmten, Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, wenn die Resonanzfrequenz größer als der erste und kleiner als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte größer als der zweite Güteschwellwert ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten vorhanden ist.In another, for example, also empirically determined embodiment, the evaluation can be designed to detect that in the magnetic field irradiation space area, if the resonance frequency is greater than the first and smaller than the second Resonanzfrequenzschwellwert and the quality is greater than the second Güteschwellwert energy-supplied device of one of the predetermined types is available.
In der Ladevorrichtung kann ferner eine Ausgabeeinrichtung vorgesehen sein. Diese kann operativ mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt und dazu ausgebildet sein, dass sie, wenn die Auswerteeinrichtung detektiert hat, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet ein ein Metall enthaltender Fremdkörper, der von einer mit elektrischer Energie zu versorgenden Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist, ein Hinweissignal ausgeben kann, das auf diesen detektierten Umstand hinweist. Das Ausgabesignal kann eine Ausgabe, etwa eine Schriftausgabe, auf einer Anzeigeeinrichtung, ein optisches Signal, oder auch ein akustisches Signal sein. Wenn ein Benutzer das Hinweissignal wahrnimmt, kann er den Fremdkörper aus dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet entfernen.In the loading device may further be provided an output device. This can be operatively coupled to the evaluation device and be configured such that, when the evaluation device has detected that in the magnetic field irradiation space region, a metal-containing foreign body which is different from a device to be supplied with electrical energy of one of the predetermined types, is present, can issue a warning signal indicative of this detected circumstance. The output signal may be an output, such as a font output, on a display device, an optical signal, or even an audible signal. When a user perceives the notification signal, he can remove the foreign substance from the magnetic field irradiation room area.
Das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet kann zumindest abschnittsweise mittels einer mechanischen Wandung begrenzt sein. Dabei kann die Wandung insbesondere eine Form eines Kugelabschnitts, eines Ellipsoidabschnitts, eines Konus, einer Schale oder auch einer im Wesentlichen planaren Fläche aufweisen. Die Form der Wandung kann an eine äußere Form eines zusammen mit der Ladevorrichtung zu betreibenden Geräts angepasst sein, beispielsweise derart, dass das Gerät von der Wandung getragen und/oder gestützt wird.The magnetic field irradiation space area can be limited at least in sections by means of a mechanical wall. In this case, the wall may in particular have a shape of a spherical section, an ellipsoidal section, a cone, a shell or else a substantially planar surface. The shape of the wall may be adapted to an outer shape of a device to be operated together with the loading device, for example, such that the device is supported and / or supported by the wall.
Die Ladevorrichtung kann ferner einen Kondensator mit einer Kapazität aufweisen. Der Kondensator kann mit der Sendespule in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung geschaltet sein. Dadurch kann aus dem Kondensator und der Sendespule ein Senderesonanzkreis ausgebildet sein. Der Wert der Kapazität und der Wert der Induktivität können so aufeinander abgestimmt sein, dass diese Reihen- oder Parallelschaltung bzw. der Senderesonanzkreis eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist. The charging device may further include a capacitor having a capacitance. The capacitor may be connected to the transmit coil in series or parallel connection. As a result, a transmitter resonant circuit can be formed from the capacitor and the transmitter coil. The value of the capacitance and the value of the inductance can be matched to one another such that this series or parallel circuit or the transmitter resonant circuit has a predetermined resonant frequency.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung und wie ebenfalls beansprucht, wird eine mit Energie zu versorgende Einrichtung bereitgestellt, die eine aufladbare Batterie aufweist und die zur Verwendung in induktiver Kopplung mit einer Ladevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.According to a second aspect of the invention, and as also claimed, there is provided an energized device having a rechargeable battery and adapted for use in inductive coupling with a charging device according to the first aspect of the invention.
Die Einrichtung kann ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audiowiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, sein.The device may be a mobile phone, a smartphone or an audio player, such as an MP3 player.
Alternativ dazu kann die Einrichtung ein Elektrofahrzeug sein, wobei die aufladbare Batterie eine Fahrbatterie des Elektrofahrzeugs ist.Alternatively, the device may be an electric vehicle, wherein the rechargeable battery is a driving battery of the electric vehicle.
Die Einrichtung kann einen Gleichrichter, der einen ersten und zweiten Wechselspannungseingang und einen ersten und zweiten Gleichspannungsausgang aufweist, und eine Empfangsspule, die in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungseingang geschaltet ist, umfassen. Dabei kann die aufladbare Batterie in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsausgang schaltbar, insbesondere geschaltet, sein.The apparatus may include a rectifier having first and second AC input and first and second DC output and a receiving coil connected in series between the first and second AC input. In this case, the rechargeable battery in series between the first and second DC voltage output can be switched, in particular switched.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung und wie ebenfalls beansprucht, wird ein Batterieladesystem bereitgestellt, das eine Ladevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine mit Energie zu versorgende Einrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Die Ladevorrichtung ist zur induktiven Übertragung von Energie zu der Einrichtung, insbesondere zum Aufladen von deren Batterie, ausgebildet.According to a third aspect of the invention and as also claimed, there is provided a battery charging system comprising a charging device according to the first aspect of the invention and a power supply supplying device according to the second aspect of the invention. The charging device is designed for inductive transmission of energy to the device, in particular for charging its battery.
In dem Batterieladesystem kann die Ladevorrichtung einen Kondensator mit einer Kapazität, der mit der Sendespule in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung geschaltet ist, aufweisen, wodurch ein Senderesonanzkreis ausgebildet wird und wobei der Wert der Kapazität und der Wert der Induktivität so aufeinander abgestimmt sind, dass diese Reihen- oder Parallelschaltung bzw. der Senderesonanzkreis eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist. Die mit Energie zu versorgende Einrichtung kann einen Empfangskreiskondensator umfassen, der mit der Empfangsspule in Reihe oder parallel geschaltet ist, wodurch ein Empfangsresonanzkreis ausgebildet wird. Dabei können eine Induktivität der Empfangsspule und eine Kapazität des Empfangskreiskondensators so aufeinander abgestimmt sein, dass eine Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Empfangsspule und des Empfangskreiskondensators bzw. eine Resonanzfrequenz des Empfangsresonanzkreises im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Sendespule und des Kondensators bzw. des Senderesonanzkreises der Ladevorrichtung ist.In the battery charging system, the charging device may include a capacitor having a capacitance connected in series with the transmitting coil or a parallel circuit, thereby forming a transmitter resonant circuit, and wherein the value of the capacitance and the value of the inductor are matched to each other Series or parallel circuit or the transmitter resonant circuit has a predetermined resonant frequency. The device to be energized may include a receiving circuit capacitor connected in series or in parallel with the receiving coil, thereby forming a receiving resonant circuit. In this case, an inductance of the receiving coil and a capacitance of the receiving circuit capacitor can be coordinated so that a resonant frequency of the series or parallel connection of the receiving coil and the receiving circuit capacitor or a resonant frequency of the receiving resonant circuit substantially equal to the resonant frequency of the series or parallel connection of the transmitting coil and the capacitor or the transmitter resonant circuit of the charging device is.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. However, it will be readily apparent to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to a type of subject matter, any combination of features that may result in different types of features is also possible Subject matters belong.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.It should be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. So it is possible the Characteristics of individual embodiments in a suitable manner to combine with each other, so that a variety of different embodiments are to be regarded as obvious to those skilled in the art with the explicit embodiment variants here.
Das in
Die Ladevorrichtung
Der Wechselstrom- und Sweepgenerator
Der Verstärker
Der Senderesonanzkreis
Die Spannungsmesseinrichtung
Alternativ könnte die Spannungsmesseinrichtung
Der von dem Verstärker
Das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet
Die Wandung
Die Strommesseinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Zeitabhängigkeit der Frequenz des von dem Wechselstromgenerator
In den nachfolgend anhand der
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Ferner ist die Auswerteeinrichtung
Insbesondere und wie dies nachfolgend anhand von Messbeispielen gezeigt wird, ist die Auswerteeinrichtung
In einer Ausführungsform der Ladevorrichtung
In einer anderen Ausführungsform kann die von der Ladevorrichtung
Messbeispielemeasurement Examples
Die Erfindung wurde beispielhaft mit einem experimentellen Aufbau einer Ladevorrichtung
Erste Serie von MessungenFirst series of measurements
Mit der vorstehend beschriebenen und in
Insgesamt wurde für jede der vorgenannten Proben eine Mess-Frequenzkennlinie der in
Die Mess-Frequenzkennlinien wurden ausgewertet hinsichtlich des Werts der Resonanzfrequenz fres und einer aus der Breite Δf = |f2 – f1| des Peaks der Kennlinie abgeleiteten Größe, nämlich der sogenannten Güte (Symbol Q) des Senderesonanzkreises. Diese Auswertungen sind in
Die Breite Δf = |f2 – f1| des Peaks der Frequenzkennlinie wird auf einem Niveau von anteilsmäßig 1/√2 = 0,707 des Maximalniveaus A0 (
Für die Probe #0 wurde die Referenz-Frequenzkennlinie
Es wird angemerkt, dass die Proben 1 und 2 Smartphones sind, die beispielhaft für eine mit Energie zu versorgende Einrichtung
In einer Gesamtschau der in der Tabelle 1 gelisteten und in
- (1) Wenn ein Gegenstand, der ein Metall bzw. metallisches Material enthält, im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule
46 (hier: Litz-Wire-Antenne47 ) angeordnet ist, dann verändert sich die Gesamtinduktivität L des Systems bestehend aus der Sendespule und dem in ihrem Bestrahlungsraumgebiet angeordneten Gegenstand, erhöht sich die Resonanzfrequenz fres des Senderesonanzkreises und verringert sich dessen Güte Q bzw. vergrößert sich die Breite des Resonanzpeaks der Frequenzkennlinie. Somit ist prinzipiell das Vorhandensein eines Fremdkörpers im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule durch eine Auswertung bzw. Messung der Änderung der Gesamtinduktivität L, der Resonanzfrequenz fres oder der Güte Q möglich. - (2) Wenn der Gegenstand ein Smartphone ist (
Proben # 1 bis #3), nimmt die Güte Q zwar ab, jedoch weniger stark als wenn die Probe ein massives Metallstück (Münze) ist (Proben # 4 bis #8). Somit kann durch Wählen von geeigneten Schwellwerten (erster Güteschwellwert528 und zweiter Güteschwellwert530 ) unterschieden werden, ob es sich bei dem Gegenstand um ein Smartphone (Proben # 1 bis #3, als Beispiel eines mit Energie zu versorgenden Geräts300 ) oder um eine Münze (Proben # 4bis # 8, als Beispiel für einen massiv-metallischen Fremdkörper26 ) handelt.
- (1) When an article containing a metal or metallic material is in the magnetic field irradiation space region of the transmitting coil
46 (here: Litz wire antenna47 ), then the total inductance L of the system consisting of the transmitting coil and the object arranged in its irradiation area changes, the resonant frequency f res of the transmitter resonant circuit increases and the quality Q thereof decreases or the width of the resonance peak of the frequency characteristic increases. Thus, in principle, the presence of a foreign body in the magnetic field irradiation space area of the transmitting coil is possible by evaluating or measuring the change in the total inductance L, the resonant frequency f res or the quality Q. - (2) If the item is a smartphone (
Samples # 1 to # 3), Q will decrease but less so than if the sample is a solid piece of metal (coin # 4 to # 8). Thus, by choosing appropriate thresholds (first threshold value528 and second quality threshold530 ), whether the article is a smartphone (Samples # 1 to # 3, as an example of a device to be energized300 ) or a coin (Samples # 4 to # 8, as an example of a solid-metallic foreign body26 ).
Aus Tabelle 1 und
Aus Tabelle 1 und
(3) Wenn der Gegenstand ein massives Metallstück (Münze, Proben #4 bis #8) ist, dann steigt die Resonanzfrequenz fres an, und zwar stärker als wenn die Probe ein Smartphone mit einer Drahtlos-Ladeeinrichtung (Proben #1 und #2) ist. Somit kann durch Wählen von geeigneten Schwellwerten (erster Resonanzfrequenzschwellwert
Es lässt sich für die erste Messreihe ein erster (niedrigerer) Resonanzfrequenzschwellwert
Ferner lässt sich für die erste Messreihe ein zweiter (höherer) Resonanzfrequenzschwellwert
Dem Fachmann ist klar, dass derartige Schwellwerte, wie der erste und zweite Resonanzfrequenzschwellwert
Etwas allgemeiner ausgedrückt ist die Auswerteeinrichtung
Zweite Serie von MessungenSecond series of measurements
Mit einer Ladevorrichtung
Den in den
In der zweiten Serie von Messungen wurden insgesamt Mess-Frequenzkennlinien von den vorgenannten und noch weiteren Gegenständen aufgenommen. Zur Charakterisierung der Mess-Frequenzkennlinien wurden daraus die Parameter Resonanzfrequenz fres (siehe
Aus einem Vergleich der Messergebnisse für die Proben Nr. 0 und 1 bis 8 ist zu erkennen, dass die Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises mit der durch das Vorhandensein des Proben-Gegenstandes im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet
Aus einem Vergleich der Messergebnisse für die Proben Nr. 0 und 9 bis 11 ist zu erkennen, dass der Einfluss des Gegenstandes auf die Frequenzkennlinie kontinuierlich mit dem Abstand des Gegenstandes von der Sendespule
Die die Auswerteeinrichtung
Die Referenz-Frequenzkennlinie
Anhand der ersten Messserie wurde beispielhaft gezeigt, dass die Auswerteeinrichtung
Ebenfalls beispielhaft gezeigt wurde dass die Auswerteeinrichtung
Die mit Energie zu versorgende Einrichtung
Das Prinzip der Fremdkörper-Erkennung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine Ladevorrichtung
Gemäß dem Prinzip der induktiven Kopplung umfasst die Einrichtung
Ähnlich wie ein Senderesonanzkreis
In der in
Typischerweise bilden eine Ladevorrichtung
Nachdem anhand der
Die in der
In der in
Das System umfasst noch ferner einen Senderesonanzkreis
Die in der
In der in
Der gesonderte Teil für die Erzeugung eines Frequenzsweeps umfasst einen Stromgenerator
In der in der
Der Teil für die Erzeugung eines Leistungswechselstroms und zur Übertragung von Energie, insbesondere Energie mit hoher Leistung umfasst Leistungsstromgenerator
In dem Senderesonanzkreis
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Batterieladesystem Battery charging system
- 1212
- induktive Kopplung inductive coupling
- 2020
- Ladevorrichtung loader
- 2222
- Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet Magnetic radiation room area
- 2424
- Wandung wall
- 2626
- Fremdkörper foreign body
- 2828
- Wechselstrom- und Sweepgenerator AC and sweep generator
- 3030
- erster Ausgangsanschluss first output terminal
- 3232
- zweiter Ausgangsanschluss second output terminal
- 3434
- Generatorsteuereingang Generator control input
- 3636
- Verstärker amplifier
- 3838
- erster Eingang first entrance
- 4040
- zweiter Eingang second entrance
- 4242
- erster Ausgang first exit
- 4444
- zweiter Ausgang second exit
- 4545
- Verstärkersteuereingang Amplifier control input
- 4646
- Sendespule transmitting coil
- 4747
- Litz-Wire-Anordnung Litz-wire arrangement
- 4848
- erster Anschluss first connection
- 5050
- zweiter Anschluss second connection
- 5252
- Kondensator capacitor
- 5454
- erster Anschluss first connection
- 5656
- zweiter Anschluss second connection
- 6464
- Senderesonanzkreis Transmitting resonant circuit
- 6666
- Spannungsmesseinrichtung Voltage measuring device
- 6868
- erster Anschluss first connection
- 7070
- zweiter Anschluss second connection
- 7272
- Spannungsmesssignalleitung Voltage measuring signal line
- 7474
- Strommesseinrichtung Current measurement device
- 7676
- erster Anschluss first connection
- 7878
- zweiter Anschluss second connection
- 8080
- Strommesssignalleitung Current sensing signal line
- 8282
- Auswerteeinrichtung evaluation
- 8484
- Steuereinrichtung control device
- 8686
- Speichereinrichtung memory device
- 8888
- Ausgabeeinrichtung output device
- 9090
- Ausgabesignal output signal
- 120120
- Ladevorrichtung loader
- 128128
- Wechselstromgenerator Alternator
- 130130
- Ausgangsanschluss output port
- 134134
- Generatorsteuereingang Generator control input
- 136136
- Verstärker amplifier
- 138138
- Eingang entrance
- 142142
- erster Ausgang first exit
- 144144
- zweiter Ausgang second exit
- 145145
- Verstärkersteuereingang Amplifier control input
- 146 146
- Sendespule transmitting coil
- 147147
- Litz-Wire-Anordnung Litz-wire arrangement
- 148148
- erster Anschluss first connection
- 150150
- zweiter Anschluss second connection
- 152152
- Kondensator capacitor
- 154154
- erster Anschluss first connection
- 156156
- zweiter Anschluss second connection
- 158158
- Sweep-Generator Sweep Generator
- 160160
- Umschalteinrichtung switchover
- 162162
- Sweepgeneratorausgang Sweep generator output
- 163163
- Sweep-Steuereingang Sweep control input
- 164164
- Senderesonanzkreis Transmitting resonant circuit
- 166166
- Spannungsmesseinrichtung Voltage measuring device
- 168168
- erster Anschluss first connection
- 170170
- zweiter Anschluss second connection
- 172172
- Spannungsmesssignalleitung Voltage measuring signal line
- 174174
- Strommesseinrichtung Current measurement device
- 180180
- Strommesssignalleitung Current sensing signal line
- 182182
- Auswerteeinrichtung evaluation
- 184184
- Steuereinrichtung control device
- 186186
- Speichereinrichtung memory device
- 188188
- Ausgabeeinrichtung output device
- 190190
- Ausgabesignal output signal
- 220220
- Ladevorrichtung loader
- 222222
- Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet Magnetic radiation room area
- 224224
- Wandung wall
- 228228
- Wechselstrom- und Sweepgenerator AC and sweep generator
- 230230
- Ausgangsanschluss output port
- 234234
- Generatorsteuereingang Generator control input
- 236236
- Verstärker amplifier
- 238238
- Eingang entrance
- 242242
- erster Ausgang first exit
- 244244
- zweiter Ausgang second exit
- 245245
- Verstärkersteuereingang Amplifier control input
- 246246
- Sendespule transmitting coil
- 248248
- erster Anschluss first connection
- 250250
- zweiter Anschluss second connection
- 252252
- Kondensator capacitor
- 254254
- erster Anschluss first connection
- 256256
- zweiter Anschluss second connection
- 264264
- Senderesonanzkreis Transmitting resonant circuit
- 266266
- Spannungsmesseinrichtung Voltage measuring device
- 268268
- erster Anschluss first connection
- 270270
- zweiter Anschluss second connection
- 272272
- Spannungsmesssignalleitung Voltage measuring signal line
- 274274
- Strommesseinrichtung Current measurement device
- 276276
- erster Anschluss first connection
- 278278
- zweiter Anschluss second connection
- 280280
- Strommesssignalleitung Current sensing signal line
- 282282
- Auswerteeinrichtung evaluation
- 284284
- Steuereinrichtung control device
- 286286
- Speichereinrichtung memory device
- 288288
- Ausgabeeinrichtung output device
- 290290
- Ausgabesignal output signal
- 291291
- Leistungsstromgenerator Power Generator
- 292292
- Leistungsgeneratorausgang Power generator output
- 293293
- Leistungsverstärker power amplifier
- 294294
- erster Ausgang first exit
- 295295
- zweiter Ausgang second exit
- 296296
- Leistungssenderesonanzkreis Power transmission resonant circuit
- 297297
- Leitungssendespule Line transmitter coil
- 298298
- Litz-Wire-Anordnung Litz-wire arrangement
- 299299
- Leistungskondensator power capacitor
- 300300
- mit Energie zu versorgende Einrichtung device to be supplied with energy
- 302302
- Empfangsspule receiving coil
- 304304
- erster Anschluss first connection
- 306306
- zweiter Anschluss second connection
- 308 308
- EmpfangskreiskondensatorReception circuit capacitor
- 310310
- erster Anschluss first connection
- 312312
- zweiter Anschluss second connection
- 314314
- Empfangsresonanzkreis Receiving resonant circuit
- 316316
- Gleichrichter rectifier
- 318318
- erster Wechselspannungseingang first AC input
- 320320
- zweiter Wechselspannungseingang second AC input
- 322322
- erster Gleichspannungsausgang first DC voltage output
- 324324
- zweiten Gleichspannungsausgang second DC voltage output
- 326326
- Batterie battery
- 328328
- erster Anschlusspol first connection pole
- 330330
- zweiter Anschlusspol second connection pole
- 400400
- Frequenzkennlinie Frequency characteristic
- 402402
- Resonanzfrequenz resonant frequency
- 404404
- Amplitude bei Resonanzfrequenz Amplitude at resonance frequency
- 406406
- Auswertungsniveau evaluation level
- 408408
- erste Frequenz first frequency
- 410410
- zweite Frequenz second frequency
- 500500
- Messfrequenz measuring frequency
- 502502
- Frequenzbereich frequency range
- 504504
- Amplitude bei Messfrequenz Amplitude at measuring frequency
- 506506
- Referenz-Frequenzkennlinie Reference frequency response
- 510510
- erste Mess-Frequenzkennlinie first measuring frequency characteristic
- 512512
- zweite Mess-Frequenzkennlinie second measuring frequency characteristic
- 520, fres 520, f res
- Resonanzfrequenzmesswert Resonant frequency measured value
- 522, Q522, Q
- Gütemesswert Quality measurement
- 524524
- erster Resonanzfrequenzschwellwert first resonance frequency threshold
- 526526
- zweiter Resonanzfrequenzschwellwert second resonant frequency threshold
- 528528
- erster Güteschwellwert first quality threshold
- 530530
- zweiter Güteschwellwert second quality threshold
- 540540
- Probe 0 (Referenzmessung) Sample 0 (reference measurement)
- 542542
-
Probe 1
Sample 1 - 544544
-
Probe 2
Sample 2 - 546546
- Probe 3 Sample 3
- 548548
-
Probe 4
Sample 4 - 550550
- Probe 5 Sample 5
- 552552
-
Probe 6
Sample 6 - 554554
- Probe 7 Sample 7
- 556556
-
Probe 8
Sample 8 - 600600
- Messfrequenz measuring frequency
- 602602
- Frequenzbereich frequency range
- 604604
- Amplitude bei Messfrequenz Amplitude at measuring frequency
- 606606
- Referenz-Frequenzkennlinie Reference frequency response
- 608608
- erste Mess-Frequenzkennlinie first measuring frequency characteristic
- 610610
- zweite Mess-Frequenzkennlinie second measuring frequency characteristic
- 612612
- dritte Mess-Frequenzkennlinie third measuring frequency characteristic
- 614614
- vierte Mess-Frequenzkennlinie fourth measuring frequency characteristic
- 616616
- fünfte Mess-Frequenzkennlinie fifth measurement frequency characteristic
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