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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation sowie eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers, ein Ladesystem zum induktiven Aufladen eines Energiespeichers in einem Fahrzeug sowie ein Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Die
Deutsche Patentanmeldung 10 2012 219 985 A1 offenbart eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung an ein elektrisch antreibbares Fahrzeug. Die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung dieser Druckschrift umfasst eine erste Spule mit einer Schirmung aus ferromagnetischem Material, um ein magnetisches Streufeld zu reduzieren.
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Für das induktive Laden von Elektrofahrzeugen wird typischerweise eine Primärspule in den Boden eingelassen oder in eine auf den Boden aufgelegte Ladeplatte eingebettet. Eine Sekundärspule ist normalerweise fest in den Unterboden eines Fahrzeugs montiert. Diese beiden Spulen bilden somit einen Transformator mit einem großen Luftspalt. Zur Energieübertragung erzeugt die Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Um möglichst wenig Blindleistung über den Luftspalt übertragen zu müssen, wird ein resonanter Betrieb in einem Schwingkreis aufgebaut. Dieser besteht aus der Induktivität der Primärspule und einem Resonanzkondensator. Auch auf der Sekundärseite bildet die Spuleninduktivität mit einer weiteren Kapazität einen Schwingkreis. Beide Schwingkreise werden auf dieselbe Resonanzfrequenz ausgelegt und mit dieser betrieben.
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Für eine sichere und effiziente Energieübertragung von der Primärspule zu der Sekundärspule müssen die beiden Spulen möglichst präzise zueinander ausgerichtet werden. Vor Beginn des Ladevorgangs muss hierzu sichergestellt sein, dass zwischen Primärspule und Sekundärspule eine ausreichende magnetische Kopplung vorhanden ist. Darüber hinaus muss zu Beginn des Ladevorgangs überprüft werden, ob die erforderlichen sicherheitsrelevanten Bauteile funktionsfähig sind.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer Ladestation und einer Ladevorrichtung für das induktive Laden eines Energiespeichers, die es ermöglichen, auf einfache Weise eine Überprüfung eines induktiven Ladesystems zu ermöglichen. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einer kostengünstigen, effizienten und darüber hinaus sicheren Überprüfung eines Systems für eine induktive Energieübertragung zum Laden eines Energiespeichers.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Vorrichtung eine Ladestation zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Ladestation zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers mit einer Primärspule, einer Einspeiseeinrichtung, einer Messeinrichtung und einer Freigabeeinrichtung. Die Einspeiseeinrichtung ist dazu ausgelegt, eine vorbestimmte Testspannung an der Primärspule anzulegen oder einen vorbestimmten Teststrom in die Primärspule einzuspeisen. Die Messeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen resultierenden Einspeisestrom in die Primärspule oder eine resultierende Einspeisespannung in der Primärspule zu messen. Die Freigabeeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Ladevorgang für das induktive Laden dann freizugeben, wenn der gemessene Einspeisestrom einen vorbestimmten ersten primärseitigen Schwellwert unterschreitet oder die gemessene Einspeisespannung einen vorbestimmten ersten primärseitigen Schwellwert überschreitet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers mit einem Schwingkreis, einer Schalteinrichtung, einer Strommesseinrichtung und einer Steuereinrichtung. Der Schwingkreis umfasst dabei eine Sekundärspule. Insbesondere kann der Schwingkreis eine Serienschaltung aus Sekundärspule und einem Resonanzkondensator umfassen. Die Schalteinrichtung weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Ferner ist die Schalteinrichtung dazu ausgelegt, zwei Anschlusspunkte des Schwingkreises elektrisch miteinander zu verbinden. Insbesondere kann die Schalteinrichtung dabei die Serienschaltung aus Sekundärspule und Resonanzkondensator kurzschließen. Die Strommesseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Prüfstrom in der Sekundärspule bzw. dem Schwingkreis mit der Sekundärspule zu messen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Schalteinrichtung anzusteuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Schalteinrichtung nur für das elektrische Verbinden bzw. Trennen der beiden Anschlusspunkte des Schwingkreises anzusteuern. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Ladevorgang für das induktive Laden dann freizugeben, wenn der gemessene Prüfstrom in der Sekundärspule einen vorbestimmten sekundärseitigen Schwellwert überschreitet. Die Messung des elektrischen Prüfstroms durch die Strommesseinrichtung und die Freigabe durch die Steuereinrichtung erfolgt insbesondere dann, wenn die Schalteinrichtung die beiden Anschlusspunkte des Schwingkreises elektrisch miteinander verbunden hat.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers mit den Schritten des Kurzschließens eines Schwingkreises mit einer Sekundärspule mittels einer Schalteinrichtung und des Einspeisens einer vorbestimmten Testspannung oder eines vorbestimmten Teststroms in eine Primärspule. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Messen eines resultierenden Einspeisestroms in der Primärspule oder einer resultierenden Einspeisespannung in der Primärspule. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt des Messens eines resultierenden Prüfstroms in der Sekundärspule bzw. in dem Schwingkreis mit der Sekundärspule. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Freigeben des induktiven Ladens, wenn der gemessene Prüfstrom in der Sekundärspule einen vorbestimmten sekundärseitigen Schwellwert überschreitet und ferner entweder der gemessene Einspeisestrom in die Primärspule einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet bzw. die gemessene Einspeisespannung an der Primärspule einen vorbestimmten ersten primärseitigen Schwellwert überschreitet.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kopplung eines Systems zur induktiven Energieübertragung durch Anwendung eines definierten zeitgesteuerten Ablaufs beim Systemstart zu überprüfen. Dieser Ablauf kann insbesondere vor jedem Beginn einer Energieübertragung durchgeführt werden. Durch den erfindungsgemäßen Ablauf kann dabei die magnetische Kopplung des Systems überprüft werden. Weiterhin können dabei gleichzeitig Sicherheitsabschaltfunktionen, wie zum Beispiel einen Kurzschluss des sekundärseitigen Schwingkreises bzw. der Sekundärspule überprüft werden. Für die Überprüfung zu Beginn der induktiven Energieübertragung wird dabei auf der Sekundärseite eine reproduzierbare Last in Form eines elektrischen Kurzschlusses angelegt. Somit können gleichzeitig die Funktion dieses sekundärseitigen Kurzschlusses als Sicherheitsmerkmal und ein magnetischer Kopplungsfaktor für die induktive Energieübertragung überprüft werden, ohne dass für diese Prüfung Messwerte zwischen Primärseite und Sekundärseite ausgetauscht werden müssten. Dadurch ist anhand von auf beiden Seiten bekannten Systemeigenschaften eine eigenständige Überprüfung auf potentielle Fehler möglich.
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Da für diese Überprüfung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite keine sicherheitsrelevanten Daten ausgetauscht werden müssen, ist zur Synchronisierung von Primärseite und Sekundärseite ein ungesicherter und einfacher Übertragungskanal ausreichend. Die geringen Anforderungen an diesen Übertragungskanal ermöglichen somit eine kostengünstige Umsetzung, wodurch auch der Preis des Gesamtsystems sinkt.
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Zusätzlich können verschiedene Systeme einfach und schnell untereinander eine Überprüfung der Schutzanforderungen, wie zum Beispiel einer sekundärseitigen Abschaltung durch Kurzschluss des sekundärseitigen Schwingkreises, durchführen.
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Da die erforderlichen Systemkomponenten zur Einspeisung von Strom bzw. Spannung auf der Primärseite sowie sekundärseitigem Kurzschluss ebenso vorhanden sind, wie Messeinrichtungen zur Messung von Primärstrom und Sekundärstrom, kann die erfindungsgemäße Überprüfung durch geringfügige Modifikation einer Ladestation und einer Ladevorrichtung kostengünstig realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Freigabeeinrichtung der Ladestation dazu ausgelegt, basierend auf dem gemessenen Einspeisestrom oder der gemessenen Einspeisespannung einen Fehler zu klassifizieren. Insbesondere können hierzu der gemessene Einspeisestrom bzw. die gemessene Einspeisespannung mit einem weiteren primärseitigen Schwellwert verglichen werden. Auf diese Weise ist es gegebenenfalls möglich, zwischen Fehlern aufgrund einer mangelhaften magnetischen Kopplung und Fehlern aufgrund einer fehlerhaften Kurzschlussfunktion auf der Sekundärseite zu unterscheiden. Während bei Fehlern aufgrund eines fehlerhaften Kurzschlusses auf der Sekundärseite ein sicherheitsrelevantes Defizit vorliegt und somit die induktive Energieübertragung nicht freigegeben werden kann, kann eine mangelhafte magnetische Kopplung gegebenenfalls durch Korrektur in der Ausrichtung zwischen Primärspule und Sekundärspule nachträglich korrigiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einspeisevorrichtung der Ladestation zum induktiven Laden dazu ausgelegt, einen Strom in der Primärspule oder eine Spannung über der Primärspule kontinuierlich zu steigern, bis ein vorgegebener Grenzwert für die Spannung über der Primärspule bzw. den Strom durch die Primärspule erreicht ist. Wird der vorgegebene Grenzwert für die Spannung bzw. den Strom dabei auch mit einem maximal vorgegebenen Strom bzw. einer maximal vorgegebenen Spannung nicht erreicht, so kann auch in diesem Fall auf einen Fehler geschlossen werden. Durch das Durchlaufen einer Rampe für Strom bzw. Spannung während der Überprüfung kann die Funktionsfähigkeit gegebenenfalls mit relativ geringen Strömen bzw. Spannungen überprüft werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladevorrichtung zum induktiven Laden des Energiespeichers eine Spannungsmesseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Prüfspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Schalteinrichtung zu messen. Kann die Spannungsmesseinrichtung bei geschlossener Schalteinrichtung eine signifikante elektrische Spannung detektiert werden, die durch die in der Sekundspule induzierte Spannung hervorgerufen wird, so kann daraus auf eine Fehlfunktion der sicherheitsrelevanten Schalteinrichtung geschlossen werden. Daher gibt die Steuervorrichtung der Ladevorrichtung den Ladevorgang für das induktive Laden nur dann frei, wenn die gemessene Prüfspannung bei geschlossener Schalteinrichtung einen vorgegebenen Grenzwert für die Prüfspannung unterschreitet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladevorrichtung eine Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Signalisierung an die Ladestation zu übertragen, wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Schalteinrichtung miteinander elektrisch verbunden sind. Insbesondere kann durch die Kommunikationseinrichtung signalisiert werden, dass auf der Sekundärseite die erforderlichen Voraussetzungen für die Überprüfung gegeben sind und eine Überprüfung bzw. gegebenenfalls eine darauffolgende Energieübertragung für das induktive Laden erfolgen soll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationsvorrichtung der Ladevorrichtung dazu ausgelegt, eine Information für eine Freigabe des Ladevorgangs an die Ladestation zu übertragen, wenn die Steuervorrichtung den Ladevorgang für das induktive Laden freigegeben hat. Auf diese Weise kann auch das Ergebnis der sekundärseitigen Überprüfung der Systemkomponenten auf die Primärseite übertragen werden. Somit kann auf der Primärseite mit der Energieübertragung für das Aufladen eines Energiespeichers begonnen werden, wenn auf Primärseite und Sekundärseite eine Freigabe vorliegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladevorrichtung eine Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Signalisierung für eine Initialisierung eines Ladevorgangs von einer Ladestation zu empfangen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Ladesystem zum induktiven Laden eines Energiespeichers in einem Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ladestation und einem Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum induktiven Laden gibt der Schritt zum Freigeben des induktiven Ladens das induktive Laden nur dann frei, wenn die Spannung über dem kurzgeschlossenen Schwingkreis mit der Sekundärspule eine vorgegebene Grenzspannung unterschreitet.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Ladesystems zum induktiven Laden eines Energiespeichers in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform;
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2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einem Ladesystem mit einer Ladestation und einer Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ladesystems zum induktiven Laden eines Energiespeichers. Das Ladesystem umfasst eine Ladestation 1. Ladestationen für eine induktive Energieübertragung sind dabei grundsätzlich bekannt. Daher soll auf das Funktionsprinzip für eine induktive Energieübertragung und insbesondere das Ansteuern der Primärspule mit einer hohen Schaltfrequenz durch einen entsprechenden Wechselrichter hier nicht näher eingegangen werden. Für die Energieübertragung erzeugt die Ladestation 1 ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das in eine Sekundärspule einer Ladevorrichtung 2 einkoppelt. Beispielsweise kann die Ladevorrichtung 2 eine Sekundärspule aufweisen, die in den Boden oder aber eine beliebige andere Komponente auf der Außenseite des Fahrzeugs 3 eingebracht ist. In der Sekundärspule der Ladevorrichtung 2 wird somit durch das hochfrequente Wechselfeld der Ladestation 1 eine elektrische Spannung induziert. Diese elektrische Spannung kann gleichgerichtet werden und dient anschließend dem Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für die Ladestation 1 und die Ladevorrichtung 2 gemäß einer Ausführungsform. Die Ladestation 1 umfasst eine Primärspule 12. Diese Primärspule 12 kann zusammen mit einer primärseitigen Kapazität CP einen Serienschwingkreis bilden. Dieser Serienschwingkreis wird von einer Einspeiseeinrichtung 11 gespeist. Während des normalen Ladebetriebs stellt die Einspeiseeinrichtung 11 dabei eine Spannung mit hoher Frequenz bereit, mit der der Serienschwingkreis angeregt wird. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Anregung mit ca. 85 kHz handeln. Aber auch höhere oder niedrigere Frequenzen zur Anregung des Schwingkreises sind möglich. Die von der Einspeiseeinrichtung 11 bereitgestellte Spannung weist dabei jedoch in der Regel eine Frequenz auf, die auf die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Ladestation 2 abgestimmt ist. Der dargestellte Widerstand RP repräsentiert dabei die parasitären ohmschen Verluste auf der Primärseite.
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Zu Beginn einer Energieübertragung von der Ladestation 1 zu der Ladevorrichtung 2 erfolgt zunächst eine Überprüfung der magnetischen Kopplung sowie einer erforderlichen Sicherheitsabschaltfunktion auf der Sekundärseite. Hierzu muss zunächst die Sekundärspule 22 der Ladestation möglichst präzise in Bezug zu der Primärspule 12 der Ladestation positioniert werden. Für das Aufladen der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs 3 wird hierzu das Elektrofahrzeug 3 möglichst präzise über einer im Boden oder in einer Bodenplatte angeordneten Primärspule 12 angeordnet. Anschließend können gegebenenfalls Daten zwischen dem Fahrzeug 3 und der Ladestation 1 ausgetauscht werden. Beispielsweise können diese Daten Informationen über den zu erwartenden Energiebedarf, Parameter für den Ladevorgang, Autorisierungsinformationen oder Daten für die Abrechnung der bezogenen Energiemenge umfassen. Diese Daten können beispielsweise von einer Kommunikationseinrichtung 25 der Ladevorrichtung an eine korrespondierende Kommunikationseinrichtung 15 der Ladestation übertragen werden. Insbesondere sind dabei beliebige drahtlose Übertragungsmethoden wie zum Beispiel WLAN, Bluetooth, Mobilfunk (GSM, oder ähnliches), aber auch Infrarotübertragung oder ähnliches möglich.
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Die Ladevorrichtung 2 umfasst dabei unter anderem einen Schwingkreis, der sich aus einer Serienschaltung von Sekundärspule 22 und einer sekundärseitigen Kapazität CS bildet. Koppelt ein Magnetfeld von der Primärspule 12 in die Sekundärspule 22 ein, so wird hierdurch eine Wechselspannung induziert, die durch einen Wechselrichter 26 am Ausgang des sekundärseitigen Schwingkreises gleichgerichtet werden kann. Der Ausgang des Wechselrichters 26 ist über einen Batterieschutzschalter 27 mit einem elektrischen Energiespeicher 28, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie oder ähnlichem verbunden. Gegebenenfalls kann die Ladevorrichtung 2 noch weitere Komponenten zur Steuerung des Ladestroms bzw. der Ladespannung für das Aufladen des Energiespeichers 28 umfassen.
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Um bei einer Fehlfunktion bzw. einer Gefahrensituation am Ausgang des sekundärseitigen Schwingkreises gefährliche Spannungserhöhungen bzw. Ströme zu vermeiden, umfasst die Ladevorrichtung 2 eine Schalteinrichtung 21. Diese Schalteinrichtung 21 ermöglicht bei Bedarf eine Sicherheitsabschaltung des sekundärseitigen Schwingkreises. Hierzu kann die Schalteinrichtung 21 die beiden Anschlusspunkte A1 und A2 des sekundärseitigen Schwingkreises elektrisch miteinander verbinden und somit kurzschließen. Bei der Schalteinrichtung 21 kann es sich beispielsweise um ein Halbleiterschaltelement, wie zum Beispiel einen IGBT oder MOSFET handeln. Aber auch andere Schaltelemente, wie zum Beispiel elektrisch angesteuerte mechanische Schaltelemente sind ebenso möglich.
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Ist nun die Sekundärspule 22 über der Primärspule 12 angeordnet und soll mit der induktiven Energieübertragung zum Aufladen des Energiespeichers 28 begonnen werden, so wird zunächst eine Initialisierungsphase durchgeführt, bei der die Funktionsfähigkeit der Schalteinrichtung 21 zum Kurzschließen des sekundärseitigen Schwingkreises, sowie die magnetische Kopplung zwischen Primärspule 12 und Sekundärspule 22 überprüft wird. Hierzu wird zunächst die Schalteinrichtung 21 geschlossen, das heißt eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusspunkt A1 und dem zweiten Anschlusspunkt A2 wird hergestellt. Hierzu kann die Schalteinrichtung 21 beispielsweise von der Steuereinrichtung 20 entsprechend angesteuert werden. Nachdem die Schalteinrichtung 21 entsprechend angesteuert worden ist, um eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusspunkt A1 und dem zweiten Anschlusspunkt A2 herzustellen, überträgt die Steuereinrichtung 22 eine Signalisierung an die Ladestation 1. Hierzu kann beispielsweise der bereits vorhandene Kommunikationspfad zwischen der sekundärseitigen Kommunikationseinrichtung 25 in der Ladevorrichtung und der primärseitigen Kommunikationseinrichtung 15 in der Ladestation 1 genutzt werden. Da es sich hierbei um eine einfache Signalisierung für den Beginn der Initialisierungsphase handelt, ist keine besondere Datenverbindung, insbesondere keine besonders geschützte Datenverbindung erforderlich.
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Die Ladestation 1 empfängt beispielsweise, wie zuvor beschrieben, über die primärseitige Kommunikationseinrichtung 15 die Signalisierung für den Beginn einer Initialisierungsphase. Daraufhin wird durch die Einspeiseeinrichtung 11 eine vorbestimmte Testspannung an der Primärspule 12 bzw. dem primärseitigen Schwingkreis aus Primärspule 12 und der primärseitigen Kapazität CP angelegt. Bei dieser Testspannung handelt es sich vorzugsweise um eine Wechselspannung mit der gleichen Frequenz, die auch während der eigentlichen Energieübertragung verwendet wird. Insbesondere handelt es sich bei der Testspannung um eine Wechselspannung im Bereich der Resonanzfrequenz des primärseitigen Schwingkreises. Die Amplitude dieser Testspannung ist dabei jedoch in der Regel geringer als die Amplitude, die von der Einspeiseeinrichtung während des Ladevorgangs bereitgestellt wird. Beispielsweise kann während der Initialisierungsphase von der Einspeiseeinrichtung eine Testspannung mit einer Amplitude bzw. einem Effektivwert von ca. 10 Volt bereitgestellt werden.
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Während durch die Einspeiseeinrichtung 11 die vorbestimmte Testspannung bereitgestellt wird, wird durch eine primärseitige Strommesseinrichtung 13 der Strom in dem Stromkreis aus Einspeiseeinrichtung und primärseitigem Schwingkreis mit Primärspule 12 gemessen. Der durch die primärseitige Strommesseinrichtung 13 gemessene Stromwert kann durch die Freigabeeinrichtung 10 ausgewertet werden. Ist der durch die primärseitige Strommesseinrichtung 13 gemessene elektrische Strom relativ gering, das heißt unterschreitet der gemessene elektrische Strom auf der Primärseite, insbesondere der Effektivwert des gemessenen elektrischen Stroms, einen vorgegebenen ersten Schwellwert, so kann daraus geschlossen werden, dass sowohl die magnetische Kopplung zwischen Primärspule 12 und Sekundärspule 22, als auch der sekundärseitige Kurzschluss durch die Schalteinrichtung 22 ausreichend gut sind. In diesem Fall kann die Freigabeeinrichtung 10 den Ladevorgang und insbesondere die induktive Energieübertragung von der Ladestation 1 zu der Ladevorrichtung 2 freigeben.
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Ist dagegen der durch die primärseitige Strommesseinrichtung 13 gemessene elektrische Strom sehr hoch, so besteht zwischen Primärspule 12 und Sekundärspule 22 keine ausreichend hohe magnetische Kopplung, und die Freigabeeinrichtung 10 gibt die induktive Energieübertragung für den Ladevorgang nicht frei. Liegt der durch die primärseitige Strommesseinrichtung 13 gemessene elektrische Strom zwischen dem ersten primärseitigen Schwellwert und einem zweiten, höheren primärseitigen Schwellwert, so ist entweder keine ausreichende magnetische Kopplung vorhanden oder es liegt eine Fehlfunktion der Schalteinrichtung 21 in der Ladevorrichtung 2 vor. Auch in diesem Fall kann die Freigabeeinrichtung 10 die Freigabe für die induktive Energieübertragung von der Ladestation zu der Ladevorrichtung 2 unterbinden. Liegt der gemessene Einspeisestrom über dem zweiten Schwellwert, so liegt ein eine mangelhafte magnetische Kopplung vor.
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Kann die Freigabeeinrichtung 10 der Ladestation 1 basierend auf der Auswertung des durch die primärseitige Strommesseinrichtung 13 gemessenen elektrischen Stroms eine mangelhafte magnetische Kopplung zwischen Primärspule 12 und Sekundärspule 22 klassifizieren, so kann einem Benutzer eine entsprechende Signalisierung angezeigt werden. Daraufhin kann der Benutzer gegebenenfalls das Fahrzeug 3 mit der Sekundärspule 22 nachjustieren, um die Positionierung der Sekundärspule 22 in Bezug auf die Primärspule 12 zu optimieren.
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Alternativ zu der zuvor beschriebenen Einspeisung einer vorgegebenen Testspannung durch die Einspeiseeinrichtung 11 ist es auch möglich, einen vorgegebenen Teststrom durch die Einspeiseeinrichtung 11 in den Schwingkreis aus Primärspule 12 und primärseitiger Kapazität CP einzuspeisen. In diesem Fall kann durch eine primärseitige Spannungsmesseinrichtung 14 die resultierende Einspeisespannung gemessen werden. Diese gemessene Einspeisespannung kann ebenfalls der Freigabeeinrichtung 10 zur Auswertung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 10 die Einspeiseeinrichtung 11 derart ansteuern, dass ein vorbestimmter Teststrom, beispielsweise ein Strom mit einem Effektivwert von etwa 1 Ampere eingespeist wird. Die Freigabeeinrichtung 10 kann dabei die von der primärseitigen Spannungsmesseinrichtung 14 ermittelte Einspeisespannung auswerten und daraus auf die magnetische Kopplung und die Funktionsfähigkeit der Schalteinrichtung in der Ladevorrichtung 2 schließen. Wird dabei der vorbestimmte Teststrom bereits durch eine Einspeisespannung erreicht, die unterhalb eines vorgegebenen primärseitigen Schwellwerts liegt, so liegt eine mangelhafte magnetische Kopplung vor. Überschreitet dagegen die Einspeisespannung bei dem vorgegebenen Teststrom einen ersten primärseitigen Schwellwert, so liegt eine ausreichende magnetische Kopplung vor und die Schalteinrichtung 21 in der Ladevorrichtung 2 kann als funktionsfähig diagnostiziert werden. Liegt die resultierende Einspeisespannung bei einem vorbestimmten Teststrom zwischen dem ersten primärseitigen Schwellwert und einem zweiten primärseitigen Schwellwert, so liegt entweder keine ausreichende magnetische Kopplung vor oder die Schalteinrichtung 21 der Ladevorrichtung 2 weist eine Fehlfunktion auf.
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Die zuvor beschriebene Ladestation 1 kann somit nach einer Signalisierung für den Beginn einer Initialisierungsphase eigenständig und ohne weitere Kommunikation mit der Ladevorrichtung 2 eine Überprüfung einer ausreichenden magnetischen Kopplung sowie der Funktionsfähigkeit der sicherheitsrelevanten Schalteinrichtung 21 ausführen und daraufhin eine Freigabe für die induktive Energieübertragung erzielen.
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In gleicher Weise kann auch die Ladevorrichtung 2 nach Beginn der Initialisierungsphase eigenständig und ohne weitere Kommunikation mit der Ladestation 1 die Funktionsfähigkeit der Schalteinrichtung 21 und eine ausreichende magnetische Kopplung zwischen der Primärspule 21 und der Sekundärspule 22 überprüfen. Hierzu wird durch eine sekundärseitige Strommesseinrichtung 23 im Strompfad des sekundärseitigen Schwingkreises ein sekundärseitiger elektrischer Prüfstrom gemessen. Dieser sekundärseitige Prüfstrom wird von der Steuervorrichtung 20 ausgewertet. Überschreitet der sekundärseitige Prüfstrom einen vorgegebenen sekundärseitigen Schwellwert, so liegt in diesem Fall eine ausreichende magnetische Kopplung vor. Gleichzeitig kann durch eine sekundärseitige Spannungsmesseinrichtung 24 ein Spannungsabfall über den beiden Anschlüssen der Schalteinrichtung 21 gemessen werden. Überschreitet der Spannungsfall über der Schalteinrichtung 21 einen vorgegebenen Grenzwert, so kann durch die Schalteinrichtung 21 kein ausreichend guter Kurzschluss erreicht werden. In diesem Fall ist bei einer Gefahrensituation keine Sicherheitsabschaltung durch die Schalteinrichtung 21 möglich. Daher wird während der Initialisierungsphase bei geschlossener Schalteinrichtung 21 und bei Überschreiten eines Spannungsabfalls von mehr als einem vorgegebenen Grenzwert eine Fehlfunktion festgestellt.
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Wird eine Fehlfunktion der Schalteinrichtung 21 oder eine unzureichend gute magnetische Kopplung zwischen der Primärspule 12 und der Sekundärspule 22 festgestellt, so kann der Ladevorgang durch die Steuereinrichtung 20 nicht freigegeben werden. Wird jedoch während der Initialisierungsphase eine ausreichend hohe magnetische Kopplung, das heißt ein Strom in dem primärseitigen Schwingkreis von mehr als dem vorgegebenen Grenzwert sowie gleichzeitig ein Spannungsabfall über der Schalteinrichtung 21 von weniger als einem vorgegebenen Grenzwert detektiert, so kann der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 28 durch die Steuereinrichtung 20 freigegeben werden.
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Um die sicherheitsrelevanten Parameter während des gesamten Ladevorgangs und der damit verbundenen induktiven Energieübertragung gewährleisten zu können, kann der zuvor beschriebene Ablauf des Kurzschließens des sekundärseitigen Schwingkreises, sowie des Auswertens der resultierenden Ströme bzw. Spannungen während des Einprägens einer vorgegebenen Prüfspannung bzw. eines vorgegebenen Prüfstroms auf der Primärseite regelmäßig wiederholt werden. Beispielsweise kann dieser Ablauf periodisch in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 15, 30 oder 60 Minuten, wiederholt werden. Hierzu ist jeweils eine kurze Unterbrechung der induktiven Energieübertragung mit sekundärseitigem Kurzschluss durch die Schalteinrichtung 21 und dem Einprägen des Prüfstroms bzw. der Prüfspannung auf der Primärseite erforderlich. Nachdem die magnetische Kopplung und die Sicherheitsabschaltung erfolgreich überprüft worden sind, kann daraufhin die induktive Energieübertragung für das Laden des Energiespeichers 28 fortgesetzt werden. Für eine derartige Überprüfung während des Ladevorgangs muss zuvor auf der Primärseite eine Unterbrechung der induktiven Energieübertragung signalisiert werden. anschließend kann sekundärseitig der Schalteinrichtung 21 geschlossen werden und die Überprüfung kann, wie zuvor bereits beschrieben, ausgeführt werden. Die Synchronisation für diesen Ablauf kann beispielsweise über die Kommunikationsverbindung zwischen der sekundärseitigen und der primärseitigen Kommunikationseinrichtung 25 und 15 oder durch Kurzschließen der Schalteinrichtung 21 erfolgen.
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Alternativ zum Einprägen eines vorgegebenen Teststroms bzw. einer vorbestimmten Testspannung durch die Einspeiseeinrichtung 11 während der Initialisierungsphase ist es auch möglich, die Testspannung bzw. den Teststrom kontinuierlich zu steigern und dabei die resultierenden Spannungen bzw. Ströme auszuwerten. Beim Erreichen der vorgegebenen Grenzwerte werden daraufhin der resultierende Einspeisestrom bzw. die resultierende Einspeisespannung ermittelt und daraus in gleicher Weise wie zuvor beschrieben auf Funktionsfähigkeit der Schalteinrichtung 21 bzw. der magnetischen Kopplung geschlossen. Aus Sicherheitsgründen kann dabei der kontinuierliche Anstieg von Teststrom bzw. Testspannung auf einen vorgegebenen Grenzwert limitiert werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum induktiven Laden eines Energiespeichers, wie es einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In Schritt S1 wird zunächst ein Schwingkreis mit einer Sekundärspule 22 durch eine Schalteinrichtung 21 kurzgeschlossen. In Schritt S2 wird daraufhin eine vorbestimmte Testspannung oder ein vorbestimmter Teststrom in die Primärspule eingespeist. Anschließend wird in Schritt S3 ein resultierender Einspeisestrom in der Primärspule oder eine resultierende Einspeisespannung in der Primärspule gemessen. Parallel dazu wird in Schritt S4 ein resultierender Prüfstrom in der Sekundärspule gemessen. Anschließend wird in Schritt S5 das induktive Laden freigegeben, wenn der gemessene Prüfstrom einen vorbestimmten sekundärseitigen Schwellwert überschreitet und gleichzeitig der gemessene Einspeisestrom einen vorbestimmten primärseitigen Schwellwert unterschreitet bzw. die gemessene Einspeisespannung einen vorbestimmten primärseitigen Schwellwert überschreitet. Das induktive Laden in Schritt S5 kann dabei auch nur dann freigegeben werden, wenn eine Spannung über dem kurzgeschlossenen Schwingkreis mit der Sekundärspule 22, also über der Schalteinrichtung 21 der Ladevorrichtung 2 eine vorgegebene Grenzspannung unterschreitet.
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Um gegebenenfalls zeitliche Verzögerungen während des Ablaufs in der Initialisierungsphase zu berücksichtigen, erfolgt die Auswertung der Ströme bzw. Spannungen in der Ladestation 1 und der Ladevorrichtung 2 erst eine vorgegebene Zeitspanne nachdem der Start der Initialisierung durch die Ladevorrichtung 2 an die Ladestation 1 signalisiert worden ist. Beispielsweise kann nach der Signalisierung durch die Ladevorrichtung 2 zunächst 2 Sekunden gewartet werden, bis sich die erforderlichen Systemzustände eingestellt sind und die Überprüfung erfolgt.
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Ferner kann die Initialisierungsphase auch durch eine Signalisierung von der primärseitigen Kommunikationseinrichtung 15 der Ladestation an die sekundärseitige Kommunikationsvorrichtung 25 der Ladestation initialisiert werden. Empfängt die sekundärseitige Kommunikationsvorrichtung 25 eine entsprechende Signalisierung für eine Initialisierung, so kann darauf hin der zuvor beschriebene Ablauf des Kurzschließens der Sekundärspule 22 und des Auswertens der Ströme bzw. Spannungen erfolgen.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überprüfung von magnetischer Kopplung bzw. sicherheitsrelevanter Komponenten vor einer induktiven Energieübertragung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers. Hierzu wird zunächst der sekundärseitige Schwingkreis eines induktiven Energieübertragungssystems kurzgeschlossen und daraufhin sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite Strom bzw. Spannung ausgewertet. Somit können gleichzeitig Kopplungsfaktor und sekundärseitige Sicherheitsfunktionen überprüft werden, ohne dass hierzu Messwerte zwischen Primärseite und Sekundärseite ausgetauscht werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219985 A1 [0002]
