DE102014219964A1 - Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung und Induktionsladevorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung und Induktionsladevorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung (10) mit einer Schwingkreisschaltung (24), insbesondere für eine Handwerkzeugmaschine, wobei eine Resonanzfrequenz (fR) und eine dazu gehörige Ist-Güte (QI(fR)) der Schwingkreisschaltung (24) erfasst werden und nachfolgend die Ist-Güte (QI(fR)) mit einer von der Resonanzfrequenz (fR) abhängigen Soll-Güte (QS(fR)) verglichen und anhand eines definierten Soll-Gütebereichs (qS) eine Entscheidung über das Vorhandensein eines Fremdobjekts (11) getroffen wird. Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor, dass eine obere Grenze (qSo) und/oder eine untere Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) und der Verlauf der Ist-Güte QI(fR) aneinander angepasst werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Induktionsladevorrichtung (10) mit einer Schwingkreisschaltung (24) und einer Steuer- und Regeleinheit (22) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung und eine Induktionsladevorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, akkubetriebene Handgeräte wie Zahnbürsten, Mobilfunkgeräte, elektrisch betriebene Handwerkzeuge oder dergleichen drahtlos zu laden. Dazu wird ein elektromagnetisches Feld zur induktiven Energieübertragung von einer Induktionsladevorrichtung zu einer Akkuvorrichtung des Handgeräts genutzt, wobei die Induktionsladevorrichtung und die Akkuvorrichtung bzw. das Handgerät jeweils eine Spule aufweisen, die in geringem Abstand zueinander positionierbar sind und so zusammen im Wesentlichen einen Transformator bilden.
  • Gerät ein elektrisch leitfähiges Fremdobjekt in den Bereich des elektromagnetischen Feldes, können sich Wirbelströme bilden, die das Fremdobjekt erwärmen. Ist das Fremdobjekt magnetisierbar, so kann dieses auch durch Ummagnetisierungs- bzw. Hystereseverluste erwärmt werden. Die Erwärmung kann beträchtlich sein, sodass eine Betriebssicherheit des induktiven Ladesystems nicht mehr gewährleistbar ist. Außerdem kann das Fremdobjekt Energie aus dem elektromagnetischen Feld entziehen, sodass die Energieübertragung zur Akkuvorrichtung gestört ist.
  • Aus der DE 10 2012 205 693 A1 ist ein induktives Ladesystem bekannt mit einer Induktionsladevorrichtung zur drahtlosen Energieübertragung zu einer Akkuvorrichtung, wobei ein Resonanztransformator der Induktionsladevorrichtung mit einer Ladespule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Eine Bestimmungseinrichtung ist zur Erfassung eines Objekts im Bereich der Ladespule in Abhängigkeit eines elektrischen Parameters am Resonanztransformator vorgesehen. Außerdem umfasst die Induktionsladevorrichtung eine Steuer- und Regeleinheit zur Veränderung eines Gütefaktors des Resonanztransformators, um eine Energieübertragung bei einem niedrigen Gütefaktor und eine Erfassung des Objekts bei einem hohen Gütefaktor zu erlauben.
  • Aus der noch nicht veröffentlichten DE 10 2013 212 588 ist ferner ein Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung bekannt, bei dem eine Resonanzfrequenz und eine dazu gehörige Ist-Güte einer Schwingkreisschaltung der Induktionsladevorrichtung erfasst werden und nachfolgend die Ist-Güte mit einer von der Resonanzfrequenz abhängigen Soll-Güte verglichen wird. Anhand eines definierten Soll-Gütebereichs wird dann eine Entscheidung über das Vorhandensein eines Fremdobjekts getroffen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung sowie die entsprechenden Induktionsladevorrichtungen weiter zu verbessern und die Erkennungsgenauigkeit von Fremdobjekten zu erhöhen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung eine obere Grenze und/oder eine untere Grenze des Soll-Gütebereichs und den Verlauf der Ist-Güte aneinander anpasst. Auf diese Weise kann der Soll-Gütebereich, innerhalb dem ein fehlerfreier Ladebetrieb des induktiven Ladesystems gewährleistest ist, verkleinert werden, was zu einer erhöhten Präzision und Empfindlichkeit der Erkennung von Fehlerfällen infolge von Fremdobjekten führt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs derart innerhalb einer maximalen Soll-Güte und einer minimalen Soll-Güte zu verändern, dass ihr Verlauf weitestgehend dem Verlauf der Ist-Güte entspricht. Hierdurch wird bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte und der oberen bzw. der unteren Grenze der effektive Soll-Gütebereich verkleinert. Als Folge kann die Genauigkeit der Fremdobjekterkennung, insbesondere im Falle einer stärkeren Fehlpositionierung der Akkuvorrichtung relativ zu zumindest einer Ladespule der Induktionsvorrichtung mit größeren Werten für die Resonanzfrequenz und die Ist-Güte, d.h. in der Nähe der maximal zulässigen Resonanzfrequenz, gesteigert werden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ist-Güte derart mit einem Korrekturfaktor korrigiert wird, dass ihr Verlauf linear und/oder konstant ist. Der Korrekturfaktor ist beispielsweise definiert als die Inverse der Ist-Güte. Er kann aber auch als feste Korrekturkurve in einem Speicher der Induktionsladevorrichtung abgelegt sein. In vorteilhafter Weise lassen sich bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte und der oberen bzw. der unteren Grenze die maximale Soll-Güte des Soll-Gütebereichs verringern und die minimale Soll-Güte des Soll-Gütebereichs erhöhen, was zu einer Verkleinerung des Soll-Gütebereichs führt. Dazu ist weiter vorgesehen, dass auch die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs mit dem Korrekturfaktor multipliziert werden, wodurch der Soll-Gütebereich eine im Wesentlichen rechteckige Fläche erhält. Somit ist ein sehr einfacher Vergleich zur Fremdobjekterkennung und eine gleichbleibende Genauigkeit der Fremdobjekterkennung unabhängig von der Resonanzfrequenz möglich.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Induktionsladevorrichtung mit einer Schwingkreisschaltung und einer Steuer- und Regeleinheit, insbesondere für eine Handwerkzeugmaschine, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fremdobjekterkennung, wobei die Steuer- und Regeleinheit die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs und den Verlauf der Ist-Güte aneinander anpasst.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ausführungsbeispiele
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 5 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
  • Es zeigen
  • 1: eine Induktionsladevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fremdobjekterkennung und eine zu ladende Akkuvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
  • 2: eine Relationstabelle einer Steuer- und Regeleinheit der Induktionsladevorrichtung nach dem Stand der Technik in Form eines schematischen Diagramms,
  • 3: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit der Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm und
  • 4: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit der Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Induktionsladevorrichtung 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung eines Fremdobjektes 11. Ferner zeigt 1 eine zu ladende Akkuvorrichtung 12 für eine nicht gezeigte Handwerkzeugmaschine. Die Induktionsladevorrichtung 10 bildet die Primärseite eines Ladesystems 14 und ist dazu vorgesehen, die als Handwerkzeugakkus oder Handwerkzeugmaschinen mit eingebauten Akkus ausgebildete Akkuvorrichtung 12 zu laden. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, mit der Induktionsladevorrichtung 10 andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Akkuvorrichtungen zu laden.
  • 1 zeigt die Induktionsladevorrichtung 10 und die zu ladende Akkuvorrichtung 12 in einem Ladebetrieb. Dabei ist die Akkuvorrichtung 12 auf einer Oberseite eines Gehäuses 16 der Induktionsladevorrichtung 10 aufgestellt und wird über zumindest eine Ladespule 18 der Induktionsladevorrichtung 10 drahtlos geladen. Die Induktionsladevorrichtung 10 weist eine Ladeelektronikeinheit 20 auf, die ihrerseits eine Steuer- und Regeleinheit 22 sowie eine Schwingkreisschaltung 24 mit der zumindest einen Ladespule 18 umfasst.
  • Die Steuer- und Regeleinheit 22 der Induktionsladevorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, eine Resonanzfrequenz fR und eine dazu gehörige Ist-Güte QI(fR) zu bestimmen. Des Weiteren ist die Steuer- und Regeleinheit 22 dazu vorgesehen, die Ist-Güte QI(fR) mit einer von der Resonanzfrequenz fR abhängigen Soll-Güte QS(fR) zu vergleichen. Zu diesem Zweck weist die Steuer- und Regeleinheit 22 einen Speicher 26 auf, in dem eine Relationstabelle hinterlegt ist, die für die ermittelte Resonanzfrequenz fR einen Soll-Gütebereich qS mit mehreren Soll-Güten QS(fR) enthält (vgl. hierzu auch die nachfolgenden Ausführungen zu 2).
  • Während eines Ladebetriebs der Induktionsladevorrichtung 10 wird in regelmäßigen Abständen eine Fremdobjekterkennung durchgeführt. Bei der Fremdobjekterkennung wird überprüft, ob sich ein oder mehrere Fremdobjekte 11, die einen Ladebetrieb beeinträchtigen können, zwischen der Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 oder einfach nur auf der Induktionsladevorrichtung 10 befinden und/oder einen Bediener oder die Induktionsladevorrichtung 10 gefährden. Die Fremdobjekterkennung erfolgt nach einem in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2013 212 588 beschriebenen Verfahren, derart, dass zunächst die Resonanzfrequenz fR und die dazu gehörige Ist-Güte QI(fR) bestimmt werden. Nachfolgend wird die Ist-Güte QI(fR) mit der von der Resonanzfrequenz fR abhängigen Soll-Güte QS(fR) verglichen, um abschließend anhand des definierten Soll-Gütebereichs qS eine Entscheidung darüber zu treffen, ob mindestens ein Fremdobjekt 11 vorhanden ist, oder nicht.
  • 2 zeigt die im Speicher 26 abgelegte Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit 22 in Form eines schematischen Diagramms, bei dem auf der Abszisse die Resonanzfrequenz fR und auf der Ordinate die Güte Q aufgetragen ist. Das Diagramm ist in drei Bereiche 30, 32, 34 aufgeteilt. Ein erster Bereich 30 ist von einem Soll-Gütebereich qS für einen Betrieb mit der Akkuvorrichtung 12 gebildet. Liegt die Ist-Güte QI(fR) innerhalb einer oberen Grenze qSo und einer unteren Grenze qSu des Bereichs 30, wird davon ausgegangen, dass sich kein Fremdobjekt 11 in einem Bereich zwischen der Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 befindet. Ferner wird davon ausgegangen, dass die Akkuvorrichtung 12 auf der Induktionsladevorrichtung 10 aufliegt und geladen werden soll. Ein zweiter Bereich 32 ist von einem Soll-Gütebereich qS für einen Betrieb ohne Akkuvorrichtung 12 gebildet. Liegt die Ist-Güte QI(fR) innerhalb der oberen Grenze qSo und der unteren Grenze qSu des Bereichs 32, wird davon ausgegangen, dass sich kein Fremdkörper 11 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet. Ferner wird davon ausgegangen, dass sich keine Akkuvorrichtung 12 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet.
  • Ein dritter Bereich 34, welcher den ersten Bereich 30 und den zweiten Bereich 32 umgibt, ist von einem Fehlerbereich gebildet. Liegt die Ist-Güte QI(fR) in diesem Bereich 34, wird davon ausgegangen, dass ein beliebiger Fehler vorliegt oder die Akkuvorrichtung 12 derart schlecht zu der Induktionsladevorrichtung 10 positioniert ist, dass ein Laden der Akkuvorrichtung 12 nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich ist. Der Fehler kann dabei sowohl in der Induktionsladevorrichtung 10, in der Akkuvorrichtung 12 als auch in einer Umgebung des Ladesystems 14 liegen. Der dritte Bereich 34 weist zwei Teilbereiche 34‘, 34‘‘ auf. Der erste Teilbereich 34‘ des dritten Bereichs 34 ist dabei bezogen auf die Güte Q unterhalb der unteren Grenze qSu des ersten Bereichs 30 angeordnet. Liegt die Ist-Güte QI(fR) innerhalb dieses ersten Teilbereichs 34‘, wird davon ausgegangen, dass sich mindestens ein Fremdobjekt 11 in einem Bereich zwischen der Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 befindet. Der zweite Teilbereich 34‘‘ des dritten Bereichs 34 ist bezogen auf die Güte Q unterhalb der unteren Grenze qSu des zweiten Bereichs 32 angeordnet. Liegt die Ist-Güte QI(fR) innerhalb dieses zweiten Teilbereichs 34‘‘, wird davon ausgegangen, dass sich mindestens ein Fremdobjekt 11 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet.
  • Für den Verlauf der Ist-Güte QI(fR) gilt dabei folgender in 2 zu erkennender, nichtlinearer Zusammenhang, der eine sichere Fremdobjekterkennung innerhalb des Soll-Gütebereichs qS erschwert. Vergrößert sich der Abstand zwischen der Akkuvorrichtung 12 und der Induktionsvorrichtung 10, so steigen sowohl die Resonanzfrequenz fR als auch die Ist-Güte QI(fR) an. Entsprechendes ist zu beobachten, wenn die Akkuvorrichtung 12 unabhängig von der Richtung auf der Oberfläche der Induktionsvorrichtung 10 außerhalb ihrer optimalen Position – dem Zentrum der zumindest einen Ladespule 18 – verschoben bzw. positioniert wird. Diese beiden Fälle beschreiben durchaus häufig vorkommende Szenarien. So muss ein laterales Versetzen der Akkuvorrichtung 12 auf der Induktionsvorrichtung 10 erlaubt sein, da ein Benutzer in der Regel die Akkuvorrichtung 12 nicht exakt mittig über der zumindest einen Ladespule 18 der Induktionsvorrichtung 10 absetzen wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Induktionsvorrichtung 10 eine ebene Oberfläche ohne mechanische Führungshilfen für die Akkuvorrichtung 12 aufweist. Weiterhin ist auch ein vertikales Versetzen infolge von Fremdobjekten 11 zwischen der Akkuvorrichtung 12 und der Induktionsvorrichtung 10 möglich.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die obere Grenze qSo und/oder die untere Grenze qSu des Soll-Gütebereichs qS und den Verlauf der Ist-Güte QI(fR) aneinander anzupassen. Die nachfolgenden 3 und 4 zeigen dies für den ersten Bereich 30.
  • In 3 sind die obere Grenze qSo und die untere Grenze qSu des Soll-Gütebereichs qS derart innerhalb einer maximalen Soll-Güte QSmax und einer minimalen Soll-Güte QSminverändert, dass ihr Verlauf weitestgehend dem Verlauf der Ist-Güte QI(fR) entspricht. Hierdurch wird bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte QI(fR) und der oberen bzw. der unteren Grenze qSo, qSu der effektive Soll-Gütebereich qS, innerhalb dem ein fehlerfreier Ladebetrieb erlaubt ist, verkleinert. Als Folge steigt die Genauigkeit der Fremdobjekterkennung, insbesondere im Falle einer stärkeren Fehlpositionierung der Akkuvorrichtung 12 relativ zu der zumindest einen Ladespule 18 der Induktionsvorrichtung 10 mit größeren Werten für die Resonanzfrequenz fR und die Ist-Güte QI(fR), d.h. in der Nähe der maximal zulässigen Resonanzfrequenz fRmax.
  • Auch in 4 ist der effektive Soll-Gütebereich qS gegenüber 3 deutlich verkleinert. Im Unterschied zu 3 wird nun jedoch die Ist-Güte QI(fR) derart korrigiert, dass ihr Verlauf linear und/oder konstant ist, so dass sich bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte QI(fR) und der oberen bzw. der unteren Grenze qSo, qSu die maximale Soll-Güte QSmax verringern und die minimale Soll-Güte QSmin erhöhen lassen. Die Literarisierung der Ist-Güte QI(fR) erfolgt dabei durch Multiplikation mit ihrer Inversen K = Q0/QI(fR) oder mit einem zuvor im Speicher 26 abgelegten, entsprechenden Korrekturfaktor K, wobei Q0 eine zuvor definierte Referenz-Güte beschreibt. Infolge der Linearisierung von QI(fR) erhält der Soll-Gütebereich qS eine im Wesentlichen rechteckige Fläche, was einen sehr einfachen Vergleich zur Fremdobjekterkennung ermöglicht. Zudem bewirkt diese Anpassung eine gleichbleibende Genauigkeit der Fremdobjekterkennung unabhängig von der Resonanzfrequenz fR. Alternativ oder ergänzend können auch die obere und/oder die untere Grenze qSo, qSu des Soll-Gütebereichs qS mit dem Korrekturfaktor K multipliziert werden, um ihren Verlauf zu linearisieren.
  • Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung weder auf die in den Figuren gezeigten Kurvenverläufe noch auf die Ausgestaltung des induktiven Ladesystems gemäß 1 beschränkt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012205693 A1 [0004]
    • DE 102013212588 [0005, 0021]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung (10) mit einer Schwingkreisschaltung (24), insbesondere für eine Handwerkzeugmaschine, wobei eine Resonanzfrequenz (fR) und eine dazu gehörige Ist-Güte (QI(fR)) der Schwingkreisschaltung (24) erfasst werden und nachfolgend die Ist-Güte (QI(fR)) mit einer von der Resonanzfrequenz (fR) abhängigen Soll-Güte (QS(fR)) verglichen und anhand eines definierten Soll-Gütebereichs (qS) eine Entscheidung über das Vorhandensein eines Fremdobjekts (11) getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Grenze (qSo) und/oder eine untere Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) und der Verlauf der Ist-Güte QI(fR) aneinander angepasst werden.
  2. Verfahren zur Fremdobjekterkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze (qSo) und/oder die untere Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) derart innerhalb einer maximalen Soll-Güte (QSmax) und einer minimalen Soll-Güte (QSmin) verändert werden, dass ihr Verlauf weitestgehend dem Verlauf der Ist-Güte (QI(fR)) entspricht.
  3. Verfahren zur Fremdobjekterkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Güte (QI(fR)) derart mit einem Korrekturfaktor (K) korrigiert wird, dass ihr Verlauf linear und/oder konstant ist.
  4. Verfahren zur Fremdobjekterkennung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der oberen Grenze (qSo) und/oder der unteren Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) im Wesentlichen gleich gehalten wird zum Verlauf der korrigierten Ist-Güte QI(fR).
  5. Verfahren zur Fremdobjekterkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze (qSo) und/oder die untere Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) mit dem Korrekturfaktor (K) multipliziert werden.
  6. Verfahren zur Fremdobjekterkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (K) definiert ist als die Inverse (Q0/QI(fR)) der Ist-Güte QI(fR).
  7. Induktionsladevorrichtung (10) mit einer Schwingkreisschaltung (24) und einer Steuer- und Regeleinheit (22), insbesondere für eine Handwerkzeugmaschine, wobei die Steuer- und Regeleinheit (22) eine Resonanzfrequenz (fR) und eine dazu gehörige Ist-Güte (QI(fR)) der Schwingkreisschaltung (24) erfasst und nachfolgend die Ist-Güte (QI(fR)) mit einer von der Resonanzfrequenz (fR) abhängigen Soll-Güte (QS(fR)) vergleicht und anhand eines definierten Soll-Gütebereichs (qS) eine Entscheidung über das Vorhandensein eines Fremdobjekts (11) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (22) eine obere Grenze (qSo) und/oder eine untere Grenze (qSu) des Soll-Gütebereichs (qS) und den Verlauf der Ist-Güte QI(fR) aneinander anpasst.
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