DE102016222217A1

DE102016222217A1 - Induktive Ladestation und Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation

Info

Publication number: DE102016222217A1
Application number: DE102016222217.1A
Authority: DE
Inventors: Paul Birgel; Kai Kuhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Also published as: CN109922986A; WO2018086768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladestation (1), umfassend eine Steuereinheit (2) und eine Primärspule (3), wobei die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die Primärspule (3) zu steuern, wobei die induktive Ladestation (1) einen Netzanschluss (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Ladestation (1) mindestens eine von der Steuereinheit (2) unabhängige Sicherheitsschaltung (4) aufweist, die derart ausgebildet ist, mindestens ein Schaltelement (6 - 8) anzusteuern, das den Stromfluss durch die Primärspule (3) unterbricht, sowie ein Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladestation und ein Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation.
Induktive Ladestationen dienen üblicherweise dem induktiven Laden von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Diese weisen eine Primärspule auf, die z. B. unterhalb einer Ladeplatte angeordnet ist. Der Stromfluss durch die Primärspule wird dabei durch eine Steuereinheit mit einer entsprechenden Leistung elektrisch gesteuert, wobei die Steuereinheit einen Netzanschluss aufweist, wobei das Netz die elektrische Energie für den Ladevorgang zur Verfügung stellt. Die bestromte Primärspule erzeugt dann ein Magnetfeld, das eine Spannung in einer Sekundärspule in einem zu ladenden Fahrzeug erzeugt. Die dabei auftretenden Magnetfeldstärken können sehr groß sein. Daher kann dieses Magnetfeld Einfluss auf Objekte wie Menschen (z. B. mit Herzschrittmacher) oder Tiere haben. Weitere Stör-Objekte können beispielweise metallische Gegenstände sein.
Zur Lösung dieses Problems wird in der GB 25 10 125 A eine Ladeüberwachungsvorrichtung vorgesehen, die in dem Fahrzeug angeordnet ist. Erfasst dann die fahrzeugseitige Ladeüberwachungsvorrichtung Menschen im oder neben dem Fahrzeug oder Tiere, so wird dies der induktiven Ladestation mitgeteilt und die Steuereinheit reduziert entsprechend die Ladeleistung.
Aus der US 2016/0109564 A1 ist eine induktive Ladestation bekannt, die eine fahrzeuggesteuerte Radareinrichtung aufweist, mittels derer Stör-Objekte wie Menschen, Tiere oder metallische Gegenstände erfasst werden, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit der Radarsignale die Ladeleistung anpasst. Der Vorteil dieser Ladestation ist, dass unabhängig von der Fahrzeugausstattung Stör-Objekte erfasst werden.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine induktive Ladestation zu schaffen sowie ein Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation zur Verfügung zu stellen, mittels derer die Sicherheit weiter erhöht werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine induktive Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die induktive Ladestation umfasst eine Steuereinheit und eine Primärspule, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die Primärspule zu steuern, wobei die induktive Ladestation einen Netzanschluss aufweist. Weiter weist die induktive Ladestation mindestens eine von der Steuereinheit unabhängige Sicherheitsschaltung auf, die derart ausgebildet ist, mindestens ein Schaltelement anzusteuern, das den Stromfluss durch die Primärspule unterbricht. Somit ist gewährleistet, dass auch bei einem Fehler oder einer Manipulation der Steuereinheit das Magnetfeld der Primärspule abgeschaltet werden kann bzw. erst gar nicht aufgebaut wird. Das mindestens eine Schaltelement ist dabei vorzugsweise als Relais ausgebildet. Andere Schaltelemente wie z. B. Leistungshalbleiter sind aber grundsätzlich auch möglich.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Schaltelement zwischen dem Netzanschluss und der Steuereinheit und/oder zwischen der Steuereinheit und der Primärspule und/oder zwischen der Steuereinheit und einem Versorgungsspannungsanschluss der Steuereinheit angeordnet. Dabei ist der Vorteil des Schaltelements am Netzanschluss, dass die Netzspannung abgeschaltet wird, so dass auch interne Kurzschlüsse kein Problem darstellen. Der Vorteil des Schaltelements an der Primärspule ist hingegen, dass der Schaltvorgang beim Zuschalten schneller ist, da die Steuereinheit nicht hochgefahren werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform weist die induktive Ladestation mindestens eine Erfassungseinrichtung auf, die datentechnisch mit der Sicherheitsschaltung verbunden ist. Die Datenverbindung kann dabei leitungsgebunden oder über eine Luftschnittstelle erfolgen. Die Sicherheitsschaltung ist dabei derart ausgebildet, das mindestens eine Schaltelement in Abhängigkeit der Signale der mindestens einen Erfassungseinrichtung anzusteuern. Dabei sei angemerkt, dass der mindestens einen Sicherheitsschaltung auch mehrere Erfassungseinrichtungen zugeordnet sein können.
Dabei gibt es prinzipiell zwei Vorgehensweisen, die auch in Kombination zur Anwendung kommen können.
In einer Ausführungsform ist die Sicherheitsschaltung derart ausgebildet, das mindestens eine Schaltelement erst zu schließen, wenn aus den Signalen der Erfassungseinrichtung auf einen gewünschten und möglichen Ladevorgang geschlossen wird. Beispielsweise ist die Erfassungseinrichtung eine Kamera, die ein zu ladendes Fahrzeug erfasst. Alternativ kann diese Ladewunsch-Signale erfassen. Beispielsweise übermittelt das Fahrzeug elektronisch oder optisch ein Signal, dass den Ladewunsch ausdrückt. Alternativ oder ergänzend kann das Fahrzeug mit einem RFID-Tag ausgebildet sein oder ein zu ladendes Fahrzeug wird mittels Lichtschranken oder Induktionsspulen detektiert. Bei dieser Ausführungsform ist also die Sicherheitsschaltung vorgeschaltet, d. h. nur wenn diese den Ladevorgang freigibt, kann die Steuereinheit die Primärspule bestromen.
Alternativ ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass das mindestens eine Schaltelement geöffnet wird, wenn ein Magnetfeld der Primärspule erfasst wird und aus den Signalen der Erfassungseinrichtung auf einen fehlenden oder möglichen Ladevorgang geschlossen wird. Das Magnetfeld kann dabei beispielsweise durch eine Induktionsspule erfasst werden. Erfasst dann beispielsweise die Erfassungseinrichtung kein Fahrzeug und/oder ein störendes Objekt wie beispielsweise ein Kabel oder einen Menschen, so wird durch das Schaltelement der Stromfluss durch die Primärspule unterbrochen. Bei der Kombination muss zumindest die Sicherheitsschaltung den Ladevorgang freigeben und kann danach jederzeit diesen wieder abbrechen, wenn sich die Voraussetzungen ändern (z. B. ein Fahrzeug entfernt sich und die Primärspule wird weiter bestromt).
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sicherheitsschaltung derart ausgebildet, dass diese durch ein Magnetfeld der Primärspule aktiviert wird. Dadurch wird die Sicherheitsschaltung nur eingeschaltet, wenn auch ein Primärfeld vorhanden ist, was entsprechend zu einem geringen Ruhestrombedarf der Sicherheitsschaltung führt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung derart ausgebildet, ein Ladewunsch-Signal zu erfassen, das unabhängig von einem Ladewunsch-Signal für die Steuereinheit ist, was die Sicherheit durch erhöhte Redundanz erhöht. So kann beispielsweise das Fahrzeug ein erstes und ein zweites Ladewunsch-Signal erzeugen, wobei das eine Signal für die Steuereinheit und das andere für die Sicherheitsschaltung ist. Die beiden Signale können dabei auch sehr unterschiedlich sein z. B. optisch und elektrisch. Alternativ erhält die Sicherheitsschaltung das Ladewunsch-Signal von einem Online-Dienst, bei dem sich der Fahrer angemeldet hat.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung derart ausgebildet, Stör-Objekte wie z. B. Menschen, Tiere oder metallische Gegenstände zu erfassen.
Das Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation, wobei die Ladestation eine Steuereinheit und eine Primärspule aufweist und die Steuereinheit einen Stromfluss durch die Primärspule steuert, ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer von der Steuereinheit unabhängigen Sicherheitsschaltung die induktive Ladestation überwacht wird, wobei die Sicherheitsschaltung ein Schaltelement ansteuert, dass den Stromfluss durch die Primärspule unterbricht, wobei im Fehlerfall das Schaltelement geöffnet wird oder geöffnet bleibt. Fehlerfall bedeutet dabei insbesondere, dass kein Fahrzeug mit Ladewunsch vorhanden ist und/oder dass ein Stör-Objekt vorhanden ist.
Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen des Verfahrens wird auf die vorangegangenen Ausführungen zur induktiven Ladestation Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer induktiven Ladestation.
Die induktive Ladestation 1 weist eine Steuereinheit 2, eine Primärspule 3, eine Sicherheitsschaltung 4 mit einer Erfassungseinrichtung 5 sowie ein erstes Schaltelement 6, ein zweites Schaltelement 7 und ein drittes Schaltelement 8 auf. Dabei ist das erste Schaltelement 6 zwischen einem Netzanschluss 9 und der Steuereinheit 2 angeordnet. Das zweite Schaltelement 7 ist zwischen der Steuereinheit 2 und der Primärspule 3 angeordnet und das dritte Schaltelement 8 ist zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss für die Steuereinheit 2 und der Steuereinheit 2 angeordnet. Die Schaltelemente 6 - 8 sind dabei vorzugsweise als Relais ausgebildet. Dabei sei angemerkt, dass grundsätzlich ein Schaltelement 6 - 8 ausreichend ist. In der 1 ist dargestellt, dass die Steuereinheit 2 ihre Versorgungsspannung aus der Netzspannung bezieht. Dies ist nicht zwingend. So kann alternativ oder ergänzend eine Batterie die Versorgungsspannung zur Verfügung stellen. Die Primärspule 3 ist dabei unterhalb einer Bodenplatte 10 angeordnet. Die nicht dargestellte Spannungsversorgung der Sicherheitsschaltung 4 kann dabei eine lokale, autarke Spannungsversorgung sein (z. B. eine Batterie) oder aber ebenfalls über die Netzspannung erfolgen.
Die Steuereinheit 2 beinhaltet eine Leistungselektronik und kann bei geschlossenen Schaltelementen 6 - 8 die Primärspule 3 bestromen. Dabei kann die Steuereinheit 2 Parameter für den Strom einstellen und diesen auch ganz abschalten.
In einer ersten Ausführungsform sind die Schaltelemente 6 - 8 offen, wobei nachfolgend davon ausgegangen wird, dass nur das Schaltelement 6 vorhanden ist. Nähert sich nun ein Fahrzeug, was induktiv geladen werden will, so wird dies von der Erfassungseinrichtung 5 erfasst und an die Sicherheitsschaltung 4 übermittelt. Zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung 5 die Bodenplatte 10 im Bereich der Primärspule 3 nach Stör-Objekten absuchen (z. B. Menschen, Tiere oder metallische Gegenstände). Hierzu kann die Erfassungseinrichtung 5 eine Kamera und/oder Radar- und/oder Ultraschallsensoren aufweisen. Die Annäherung eines Fahrzeugs mit einem Ladewunsch kann von der Erfassungseinrichtung 5 auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen, die auch beliebig miteinander kombiniert werden können. Beispielsweise kann das Fahrzeug einen RFID-Tag aufweisen oder ein spezielles elektrisches oder optisches Signal aussenden. Alternativ oder ergänzend empfängt die Erfassungseinrichtung 5 ein Signal eines Online-Dienstes, mit dem mitgeteilt wird, dass sich ein Fahrzeug mit Ladewunsch in ihrem Bereich befindet.
Sind beide Bedingungen erfüllt (Fahrzeug mit Ladewunsch und kein Stör-Objekt), so erzeugt die Sicherheitsschaltung 4 ein Steuersignal, um das Schaltelement 6 zu schließen. Anschließend kann das Fahrzeug ein weiteres Signal senden, mit dem der Ladewunsch und gewünschte Ladeparameter an die Steuereinheit 2 übermittelt werden, Abhängig von den Ladeparametern stellt dann die Steuereinheit 2 den Strom durch die Primärspule 3 ein. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeug nur ein Signal aussendet, das wiederholt wird. Dabei schließt dann die Sicherheitsschaltung 4 das Schaltelement 6, wenn das Signal zunächst von der Erfassungseinrichtung 5 empfangen wird. Anschließend, nachdem die Steuereinheit 2 hochgefahren ist, sendet das Fahrzeug das Signal erneut. Bei Ausführungsformen, wo die Steuereinheit 2 eine von der Netzspannung unabhängige Versorgungsspannung aufweist, ist dabei die Aussendung eines einzigen Signals ausreichend, da die Steuereinheit 2 dieses auch bei offenem Schaltelement 6 empfangen und speichern kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Schaltelement 6 standardmäßig geschlossen. Die Steuereinheit 2 bestromt dann bei Vorhandensein eines Fahrzeugs mit Ladewunsch die Primärspule 3 und schaltet den Strom in der Primärspule 3 ab, wenn kein Fahrzeug vorhanden ist. Die Abschaltung erfolgt dabei mittels Schaltelementen in der Steuereinheit 2. Auch die Sicherheitsschaltung 4 ist standardmäßig deaktiviert. Erfasst hingegen die Erfassungseinrichtung 5 ein Magnetfeld, das von der Primärspule 3 erzeugt wird, aktiviert die Erfassungseinrichtung 5 die Sicherheitsschaltung 4. Diese überprüft dann, ob wirklich ein Fahrzeug vorhanden ist, das induktiv geladen wird. Dies kann beispielsweise mittels einer weiteren Sensorik der Erfassungseinrichtung 5 erfolgen (z. B. Kamera). Ist ein Fahrzeug vorhanden, bleibt das Schaltelement 6 geschlossen. Dabei kann zusätzlich erfasst werden, ob auch keine Stör-Objekte vorhanden sind. Wird kein Fahrzeug erfasst, wird auf Fehler in der Steuereinheit 2 oder eine Manipulation geschlossen und die Sicherheitsschaltung 4 öffnet das Schaltelement 6, sodass durch die fehlende Netzspannung die Primärspule 3 nicht mehr bestromt werden kann.
Durch die von der Steuereinheit 2 vollständig unabhängige Sicherheitsschaltung 4 kann somit die Sicherheit an einer induktiven Ladestation 1 verbessert werden, da Fehler oder Manipulationen der Steuereinheit 2 erfasst werden und unabhängig von der Steuereinheit 2 der Strom durch die Primärspule 3 unterbrochen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Induktive Ladestation
2: Steuereinheit
3: Primärspule
4: Sicherheitsschaltung
5: Erfassungseinrichtung
6: Schaltelement
7: Schaltelement
8: Schaltelement
9: Netzanschluss
10: Bodenplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 2510125 A [0003]
US 2016/0109564 A1 [0004]

Claims

Induktive Ladestation (1), umfassend eine Steuereinheit (2) und eine Primärspule (3), wobei die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die Primärspule (3) zu steuern, wobei die induktive Ladestation (1) einen Netzanschluss (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Ladestation (1) mindestens eine von der Steuereinheit (2) unabhängige Sicherheitsschaltung (4) aufweist, die derart ausgebildet ist, mindestens ein Schaltelement (6 - 8) anzusteuern, das den Stromfluss durch die Primärspule (3) unterbricht.
Induktive Ladestation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltelement (6) zwischen dem Netzanschluss (9) und der Steuereinheit (2) und/oder der Steuereinheit (2) und der Primärspule (3) und/oder der Steuereinheit (2) und einem Versorgungsspannungsanschluss der Steuereinheit (2) angeordnet ist.
Induktive Ladestation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Ladestation (1) mindestens eine Erfassungseinrichtung (5) aufweist, die datentechnisch mit der Sicherheitsschaltung (4) verbunden ist, wobei die Sicherheitsschaltung (4) derart ausgebildet ist, das mindestens eine Schaltelement (6 - 8) in Abhängigkeit der Signale der mindestens einen Erfassungseinrichtung (5) anzusteuern.
Induktive Ladestation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschaltung (4) derart ausgebildet ist, das mindestens eine Schaltelement (6 - 8) erst zu schließen, wenn aus den Signalen der Erfassungseinrichtung (5) auf einen gewünschten und möglichen Ladevorgang geschlossen wird.
Induktive Ladestation nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine Schaltelement (6 - 8) geöffnet wird, wenn ein Magnetfeld der Primärspule (3) erfasst wird und aus den Signalen der Erfassungseinrichtung (5) auf einem fehlenden und/oder unmöglichen Ladevorgang geschlossen wird.
Induktive Ladestation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschaltung (4) derart ausgebildet ist, dass diese durch ein Magnetfeld der Primärspule (3) aktiviert wird.
Induktive Ladestation nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) derart ausgebildet ist, ein Ladewunsch-Signal zu erfassen, das unabhängig von einem Ladewunsch-Signal für die Steuereinheit (2) ist.
Induktive Ladestation nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) derart ausgebildet ist, Stör-Objekte zu erfassen.
Verfahren zum Steuern einer induktiven Ladestation (1), wobei die induktive Ladestation (1) eine Steuereinheit (2) und eine Primärspule (3) aufweist, wobei die Steuereinheit (2) einen Stromfluss durch die Primärspule (3) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer von der Steuereinheit (2) unabhängigen Sicherheitsschaltung (4) die induktive Ladestation (1) überwacht wird, wobei die Sicherheitsschaltung (4) ein Schaltelement (6 - 8) ansteuert, das den Stromfluss durch die Primärspule (3) unterbricht, wobei im Fehlerfall das Schaltelement (6 - 8) geöffnet wird oder geöffnet bleibt.