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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen eines metallischen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Betrieb einer induktiven Ladeeinrichtung, zum Beispiel beim induktiven Laden von Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen, können sich metallische Objekte im Luftspalt eines Magnetfelds zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule der Ladeeinrichtung befinden. In einem sich ändernden Magnetfeld im Betrieb der Ladeeinrichtung werden dadurch in den metallischen Objekten Wirbelströme erzeugt. Durch einen elektrischen Widerstand der metallischen Objekte beziehungsweise eines Materials des metallischen Objekts und den induzierten Wirbelströmen kann es zu einer Erwärmung der metallischen Objekte im Luftspalt kommen. Da die metallischen Objekte sich auf Temperaturen von über 100°C erwärmen können, stellen sie ein Sicherheitsrisiko dar und müssen mittels eines Sensors erfasst werden.
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Dazu schlägt die
US 2015/0323694 A1 ein System und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten in einer Umgebung einer kabellosen Ladeeinrichtung vor. Das System umfasst dazu mehrere Sensoren, welche aus einem leitfähigen Material bestehen, und ein Messgerät. Das Messgerät ist dazu eingerichtet, eine Änderung zumindest einer Spannung oder eines Stroms in dem Sensor zu erfassen. Auf Basis des ermittelten Spannungs- oder Stromwertes ist das Messgerät dazu eingerichtet, eine Anwesenheit des Objekts in der Umgebung der kabellosen Ladeeinrichtung zu detektieren. Der Nachteil des Systems besteht darin, dass kleine Objekte schwer oder gar nicht erfassbar sind, da diese nur sehr gering die elektrischen Größen (Spannung oder Strom) beeinflussen und dadurch eine Änderung der Spannung oder des Stroms in dem Sensor nicht nachweisbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Erfassen eines metallischen Objekts derart weiterzuentwickeln, dass metallische Objekte jeder Größe besonders zuverlässig detektiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Einrichtung zum Erfassen eines metallischen Objekts zu schaffen, mittels der metallische Objekte jeder Größe besonders zuverlässig detektiert werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einrichtung eine Leitung, eine in der Leitung geförderte magnetorheologische Flüssigkeit und ein Messgerät umfasst. Das Messgerät ist dabei mit der Leitung gekoppelt und dazu eingerichtet ist, eine Zustandsgröße der magnetorheologischen Flüssigkeit, die von einer Präsenz des metallischen Objekts zwischen der Primärspule und der Sekundärspule abhängt, zu erfassen. Durch eine derartige Einrichtung ergibt sich der Vorteil, dass auf einfache und zuverlässige Art und Weise ein metallisches Objekt erfasst werden kann. Damit die Leitung selbst nicht das Magnetfeld beeinträchtigt oder durch das Magnetfeld erhitzt wird, ist die Leitung bevorzugt aus Kunststoff gebildet.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Messgerät als Durchflussmesser ausgebildet ist. Das Messgerät ist also fluidisch mit der Leitung gekoppelt. Mittels des Messgeräts kann ein Durchfluss oder ein Gegendruck, der in der Leitung zirkulierenden magnetorheologischen Flüssigkeit, als Zustandsgröße erfasst werden. Als magnetorheologische Flüssigkeit (kurz MRF) bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind. Magnetorheologische Flüssigkeiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der
DE 10 2004 041 650 A1 sind zum Beispiel Ausgestaltungen fluidischer Eigenschaften magnetorheologischer Flüssigkeiten beschrieben.
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Durch Einringen des metallischen Objekts in das Magnetfeld zwischen der Primärspule und der Sekundärspule werden die Partikel in der Trägerflüssigkeit bevorzugt anders angeordnet und verändern den Gegendruck und damit den Durchfluss in der Leitung. Mittels des Messgeräts, das den Durchfluss oder den Gegendruck misst, kann diese Änderung erfasst werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass auf besonders kostengünstige Art und Weise eine Einrichtung zum Erfassen metallischer Objekte bereitgestellt werden kann.
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In vorteilhafter Weise weist die Leitung einen Leitungsabschnitt auf, welcher zwischen der Primärspule und der Sekundärspule an der Primärspule angeordnet ist, wobei der Leitungsabschnitt mäanderförmig ausgebildet ist und die Primärspule zumindest bereichsweise überdeckt. Bevorzugt ist die Leitung rohrförmig, zum Beispiel als Schlauch, ausgebildet. Alternativ kann der Leitungsquerschnitt auch als Kanal, insbesondere als ein im Leitungsscherschnitt rechteckiger Kanal, ausgebildet sein und die Primärspule zumindest bereichsweise überdecken. Das Messgerät ist bevorzugt in Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit nach dem Leitungsabschnitt angeordnet. Durch die flächige Auslegung des Leitungsabschnitts in der Ladeeinrichtung kann besonders zuverlässig das metallische Objekt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule detektiert werden. Da die Leitung an der Primärspule angeordnet ist, ist die Einrichtung zum Erfassen des metallischen Objekts ferner gewichtsneutral für ein Kraftfahrzeug, da sie außerhalb des Kraftfahrzeugs in die Ladeeinrichtung integriert ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die magnetorheologische Flüssigkeit eine Trägerflüssigkeit und magnetisch polarisierbare Partikel umfasst, wobei die Partikel eine Partikelgröße zwischen 0,1 μm und 10 μm, insbesondere zwischen 1 μm und 5 μm, aufweisen. Als magnetisch polarisierbare Partikel kann zum Beispiel ein Carbonyleisenpulver eingesetzt werden. Durch die geometrische Auslegung der Partikel kann sichergestellt werden, dass die Partikel in der Trägerflüssigkeit im Betrieb der Einrichtung nicht durch das Magnetfeld erhitzt werden.
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In vorteilhafter Weise kann eine Sensitivität der Einrichtung angepasst werden. Dazu kann beispielsweise der Leitungsquerschnitt der Leitung, in der die magnetorheologische Flüssigkeit zirkuliert, entsprechend angepasst werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung ferner dazu eingerichtet sein kann, die induktive Ladeeinrichtung zu kühlen, wobei zum Kühlen der Ladeeinrichtung Wärme von der Ladeeinrichtung an die magnetorheologische Flüssigkeit übertragbar ist. Die von der magnetorheologischen Flüssigkeit aufgenommene Wärmemenge kann dann an eine Umgebung der Einrichtung abgegeben werden. Dazu kann die Leitung beispielsweise mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein, in dem ein indirekter Wärmeübergang der Wärmemenge von der magnetorheologischen Flüssigkeit an die Umgebung oder ein weiteres Fluid erfolgt. Dadurch kann der Wirkungsgrad Ladeeinrichtung erhöht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erfassen eines metallischen Objekts mit einer induktiven Ladeeinrichtung, welche eine Primärspule und eine Sekundärspule umfasst, in einer Perspektivansicht;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Leitung der Einrichtung zum Erfassen des metallischen Objekts mit einer in der Leitung zirkulierenden magnetorheologischen Flüssigkeit in einer Schnittansicht; und
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3 die Leitung gemäß 2 mit der in der Leitung zirkulierenden magnetorheologischen Flüssigkeit unter Einwirkung eines Magnetfeldes in einer Schnittansicht.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Perspektivansicht eine Einrichtung 10 zum Erfassen eines metallischen Objekts 12. Die Einrichtung 10 umfasst eine induktive Ladeeinrichtung mit einer Primärspule 14 und einer Sekundärspule 16. Die Primärspule 14 und die Sekundärspule 16 sind in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet.
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Die Ladeeinrichtung kann beispielsweise als Ladeeinrichtung zum kontaktlosen Laden einer Traktionsbatterie (in 1 nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs 18 eingesetzt werden. Bei dem Kraftfahrzeug 18 kann es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen handeln.
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Im Betrieb der Ladeeinrichtung beim induktiven Laden der Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 18, kann sich das metallische Objekt 12 einem Luftspalt zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 der Ladeeinrichtung befinden. Wenn sich das metallische Objekt 12 zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 befindet, erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Betrieb der Ladeeinrichtung in dem metallischen Objekt 12 Wirbelströme. Durch einen elektrischen Widerstand des metallischen Objekts 12 beziehungsweise eines Materials des metallischen Objekts 12 und den induzierten Wirbelströmen im metallischen Objekt 12 kann es zu einer Erwärmung des metallischen Objekts 12 im Luftspalt kommen.
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Um zu verhindern, dass metallische Objekte sich im Luftspalt erhitzen und zu einer Gefährdung des Umfeldes führen, müssen die metallischen Objekte 12 zuverlässig erfasst werden. Dazu weist die Einrichtung 10 ferner eine Leitung 20 auf, in der eine magnetorheologische Flüssigkeit zirkuliert. Ferner umfasst die Einrichtung 10 ein Messgerät 22, welches fluidisch mit der Leitung 20 gekoppelt ist.
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Das Messgerät 22 ist als Durchflussmesser ausgebildet. Mittels des Messgeräts 22 kann ein Durchfluss oder ein Gegendruck, der in der Leitung 20 zirkulierenden magnetorheologischen Flüssigkeit, als Zustandsgröße erfasst werden.
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Wie in 1 gezeigt ist, weist die Leitung 20 einen Leitungsabschnitt 24 auf, welcher zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 an der Primärspule 14 angeordnet ist. Das Messgerät 22 ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nach dem Leitungsabschnitt angeordnet.
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Dieser Leitungsabschnitt 24 kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Leitungsabschnitt 24 mäanderförmig ausgebildet sein und die Primärspule zumindest bereichsweise überdecken. Mit anderen Worten können Schlaufen des schlauchförmigen Leitungsabschnitts 24 auf der Primärspule 14 aufliegen.
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Alternativ kann der Leitungsabschnitt auch als Kanal, insbesondere als ein im Leitungsquerschnitt rechteckiger Kanal, ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kanal die gleiche Breite, wie eine Oberseite der Primärspule 14, aufweisen, auf der die Leitung 20 beziehungsweise der Leitungsabschnitt 24 aufliegt.
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Anhand von 2 und 3 soll das Verfahren zum Erfassen des metallischen Objekts 12 genauer erläutert werden. In der Leitung 20 zirkuliert die magnetorheologische Flüssigkeit 26. Die magnetorheologische Flüssigkeit 26 weist eine Trägerflüssigkeit 28 auf, welche mit magnetisch polarisierbaren Partikeln 30 versetzt ist. In 2 sind die Partikel 30 homogen in der Trägerflüssigkeit 28 verteilt. In 2 ist die magnetorheologische Flüssigkeit 26 keinem Magnetfeld ausgesetzt. In diesem Fall ist die Ladeeinrichtung nicht in Betrieb.
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In 3 wirkt ein Magnetfeld auf die magnetorheologische Flüssigkeit 26 ein. In diesem Fall ist die Ladeeinrichtung in Betrieb. Das Magnetfeld ist durch die Pfeile 32 verdeutlicht. Zirkuliert die magnetorheologische Flüssigkeit 26 in der Leitung 20, auf die das Magnetfeld auf die magnetorheologische Flüssigkeit 26 einwirkt, wird durch das Messgerät 22 ein Durchfluss der magnetorheologischen Flüssigkeit 26 in der Leitung 20 erfasst. Dieser Durchflusswert dient als Referenzdurchfluss, bei dem sich kein metallisches Objekt 12 zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 befindet.
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Durch Einbringen des metallischen Objekts 12 in das Magnetfeld zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 werden die Partikel 30 in der Trägerflüssigkeit 28 anders angeordnet. Dadurch verändert sich der Gegendruck und damit der Durchfluss der magnetorheologischen Flüssigkeit 26 in der Leitung 20. Mittels des Messgeräts 22 kann diese Änderung zu dem Referenzdurchfluss erfasst werden.
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Alternativ kann sich im Betrieb der Ladeeinrichtung bereits das metallische Objekt 12 zwischen den Spulen befinden. Zirkuliert dann die magnetorheologische Flüssigkeit 26 in der Leitung 20, so kann durch das Messgerät eine Abweichung des Durchflusses vom Referenzdurchfluss erfasst werden.
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Insgesamt ist somit ein Verfahren zur Objekterkennung beschrieben.
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Beim induktiven Laden von Traktionsbatterien können metallische Objekte die sich im Luftspalt des Magnetfelds befinden erhitzen. Diese müssen mit einem Sensor erkannt werden. Die Messung erfolgt mittels mehrerer kleiner Sensorspulen im Magnetfeld, die die Änderung der induzierten Spannung detektieren, wenn sich ein Objekt im Magnetfeld und damit auf den Sensorspulen befindet.
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Eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) wird flächig in den Luftspalt des Magnetfeldes in einem Rohrsystem oder ähnliches eingebracht. Als magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln (Carbonyleisenpulver), die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind. Durch Aufbringen eines metallischen Gegenstandes auf die MRF im Magnetfeld werden die Partikel in der Trägerflüssigkeit anders angeordnet und verändern den Gegendruck und damit den Durchfluss in dem Rohrsystem. Mittels eines Sensors, der den Durchfluss oder den Gegendruck misst, kann diese Änderung in der Flüssigkeit erkannt werden.
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Die Trägerflüssigkeit kann gleichzeitig zur Kühlung der Elektronik des induktiven Ladesystems benutzt werden. Jedes metallische Objekt kann erkannt werden. Die Sensitivität kann durch Änderungen im Rohrsystem und Durchfluss der Trägerflüssigkeit adaptiert werden. Dieses System kann gewichtsneutral für das Fahrzeug in die Primärspule, die außerhalb des Fahrzeugs auf dem Boden liegt, integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einrichtung
- 12
- Objekt
- 14
- Primärspule
- 16
- Sekundärspule
- 18
- Kraftfahrzeug
- 20
- Leitung
- 22
- Messgerät
- 24
- Leitungsabschnitt
- 26
- magnethorheologische Flüssigkeit
- 28
- Trägerflüssigkeit
- 30
- Partikel
- 32
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0323694 A1 [0003]
- DE 102004041650 A1 [0007]
