DE102017219612A1 - Method for operating a monitoring device of an inductive power transmission unit - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit mit einer Sendespule und einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und ein Umfeld, außerhalb des Zwischenraumes zu überwachen. Die Empfangsspule und die Überwachungsvorrichtung sind in oder an einem Fahrzeug angeordnet, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Sensor aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors ein Objekt im Zwischenraum und/oder im Umfeld über Winkel-, Distanz- und radiale Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence Verfahrens lokalisiert, wobei in einem ersten Schritt (A) der Ladevorgang eingeschaltet ist und die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors den Zwischenraum nach eindringenden Objekten überwacht, in einem zweiten Schritt (B) der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn ein eindringendes Objekt detektiert, in einem dritten Schritt (C) das Überwachungssystem die vom Objekt gelieferten Dopplerinformationen auswertet und in einem vierten Schritt (D) die Dopplerinformationen mit in der Überwachungsvorrichtung hinterlegten Zieldopplersignaturen abgleicht. The present invention relates to a method of operating a monitoring device of an inductive power transmission unit having a transmitting coil and a receiving coil spaced from the transmitting coil, wherein the monitoring device is adapted to monitor a gap between the transmitting coil and the receiving coil and an environment outside the gap. The receiver coil and the monitoring device are arranged in or on a vehicle, wherein the monitoring device has a sensor by means of the sensor, wherein the monitoring device uses the sensor to locate an object in the gap and / or surroundings via angle, distance and radial velocity measurements using the chirp sequence method wherein in a first step (A) the charging process is switched on and the monitoring device monitors the space for penetrating objects by means of the sensor, in a second step (B) the charging process is interrupted when an intruding object detects, in a third step (C ) the monitoring system evaluates the Doppler information supplied by the object and in a fourth step (D) adjusts the Doppler information with target-doppler signatures stored in the monitoring device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit.The present invention relates to a method for operating a monitoring device of an inductive power transmission unit.
Stand der TechnikState of the art
Elektrofahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions-Batterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.Electric vehicles usually have an electrical energy storage, such as a traction battery that provides the electrical energy for propulsion. If this electrical energy store is completely or partially discharged, then the electric vehicle has to control a charging station, at which the energy store can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system.
Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Spule abgestellt. Diese Spule sendet ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktions-Batterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift
Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Leistungsübertragung verwendet werden.Furthermore, the energy storage of the electric vehicle can also be used for feeding back. For this purpose, a cable connection or an inductive power transmission can also be used.
Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Zwischenraum bzw. Luftspalt.In the wireless charging of a battery of an electric vehicle is located between the transmitting coil of the charging station and the receiving coil in the vehicle, a gap or air gap.
Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 15-25 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Aufgrund der starken magnetischen Felder, die mit relativ hohen magnetischen Flussdichten auftreten, ist zu gewährleisten, dass Lebewesen durch den Einsatz des Systems nicht gefährdet werden und Fremdkörper wie metallische Gegenstände nicht oder nicht zu stark erhitzt werden. Für das Ladesystem kritische Fremdobjekte sind für einen sicheren Betrieb zu detektieren.
Ein System zur kabellosen Energieübertragung wird beispielsweise in der
A system for wireless energy transmission is used for example in the
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zur Überwachung induktiver Energieübertragungseinheiten, die zuverlässig einen Gegenstand, ein Lebewesen oder auch Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen.There is therefore a need for a method for monitoring inductive energy transmission units that reliably detect an object, a living being or even movements in the transmission range of the inductive energy transmission path.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, sowohl einen Gegenstand, als auch ein Lebewesen und Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen zu können.The inventive method with the characterizing part of
Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit mit einer Sendespule und einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule vorgesehen, wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und ein Umfeld, außerhalb des Zwischenraumes zu überwachen. Vorteilhaft kann die Überwachungseinrichtung, da sie nur mit dem Fahrzeug verbunden ist, auch in anderen Fällen, zum Beispiel Parkvorgängen, zur Überwachung des Bereiches unter dem Fahrzeug eingesetzt werden, um beispielsweise Tiere zu schützen oder das Fahrzeug vor Beschädigungen beim Überfahren von gefährlichen Gegenständen zu bewahren. Die Empfangsspule und die Überwachungsvorrichtung sind in oder an einem Fahrzeug angeordnet, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Sensor aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors ein Objekt im Zwischenraum und/oder im Umfeld über Winkel-, Distanz- und radiale Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence Verfahrens lokalisiert, wobei in einem ersten Schritt (
Vorteilhaft an dem Verfahren ist, dass lediglich ein einziger Sensor (es sind durchaus auch mehrere Sensoren einsetzbar) verwendet wird, der beispielsweise hinter der Kunststoffverkleidung des vorderen oder hinteren Stoßfängers oder des Unterbodens angebracht ist. Die Überwachungsvorrichtung hat weiterhin den Vorteil, dass der gesamte Gefahrenbereich - hier der Zwischenraum zwischen Sende- und Empfangsspule als auch der umliegende Gefahrenbereich, der Sende- und Empfangsspulen umgibt: das Umfeld - ausgeleuchtet und überwacht werden kann. Das Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft, den Luftspalt einer induktiven Energieübertragungsstrecke vor und während der Energieübertragung mittels der Überwachungsvorrichtung zu überwachen und somit sicherzustellen, dass während der Energieübertragung keinerlei Fremdkörper oder Lebewesen in diesem Luftspalt vorhanden sind oder eindringen. Die Verwendung des Chirp Sequence Verfahrens (die wiederholte Abfolge von FMCW-Rampen) ermöglicht die Auswertung von Distanz- und Geschwindigkeitsinformationen eines detektierten Objektes. Zum einen lässt sich der Detektionsbereich unter dem Fahrzeug räumlich begrenzen, was eine robuste Auswertung liefert, da Fremdobjekte außerhalb des Fahrzeuges verlässlich ausgeblendet werden können. Da Bewegungen durch die hohe Trägerfrequenz des Automotive-Radarsensors auch hohe Dopplerfrequenzen erzeugen, lassen sich auch kleine Bewegungen detektieren und auswerten. Das ermöglicht eine robustere Auswertung.An advantage of the method is that only a single sensor (there are quite a number of sensors used) is used, for example, behind the plastic panel of the front or rear bumper or the subfloor is attached. The monitoring device also has the advantage that the entire danger zone - here the space between the transmitting and receiving coil and the surrounding danger zone surrounding the transmitting and receiving coils: the environment - can be illuminated and monitored. The method thus advantageously makes it possible to monitor the air gap of an inductive energy transmission path before and during the energy transmission by means of the monitoring device and thus to ensure that during the energy transmission there are no foreign bodies or organisms in this air gap or penetrate. The use of the chirp sequence method (the repeated sequence of FMCW ramps) allows the evaluation of distance and speed information of a detected object. On the one hand, the detection area under the vehicle can be spatially limited, which provides a robust evaluation, since foreign objects outside the vehicle can be reliably hidden. Since movements due to the high carrier frequency of the automotive radar sensor also generate high Doppler frequencies, even small movements can be detected and evaluated. This allows a more robust evaluation.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass somit während der gesamten Energieübertragung gewährleistet wird, dass sich keinerlei störende Fremdkörper (wie z.B. Gegenstände oder Lebewesen) in dem Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule befinden. Eindringende Fremdkörper (wie z.B. Gegenstände oder Lebewesen) könnten andernfalls während der Energieübertragung eine große Gefahr darstellen. So können beispielsweise Tiere, welche in dem Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule eindringen, durch das starke magnetische Feld Schäden erleiden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass eindringende Gegenstände, insbesondere metallhaltige Gegenstände, sich durch das starke Magnetfeld erhitzen und gegebenenfalls sogar in Brand geraten können. Ein solches Eindringen sowohl von Tieren als auch von anderen Fremdkörpern kann durch die erfindungsgemäße Überwachung des Zwischenraums zuverlässig erkannt werden. Bei Bedarf können daraufhin geeignete Maßnahme eingeleitet werden.An essential advantage of the present invention is that it ensures, during the entire energy transmission, that there are no interfering foreign objects (such as objects or organisms) in the space between the transmitting coil and the receiving coil. Invasion of foreign objects (such as objects or living things) could otherwise be a major hazard during energy transfer. Thus, for example, animals which penetrate into the space between the transmitting coil and the receiving coil suffer damage due to the strong magnetic field. In addition, there is a risk that penetrating objects, especially metal-containing objects, heat up through the strong magnetic field and may even catch fire. Such intrusion of both animals and other debris can be reliably detected by the interspace monitoring of the invention. If necessary, appropriate action can then be taken.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous refinements of the method specified in the independent claim are possible.
Vorteilhafterweise wird im ersten Schritt (A) nur eine selektive Zone im Bereich der Sendespule und der Empfangsspule überwacht. Ein Überwachung des gesamten Zwischenraumes entfällt somit vorteilhafterweise, da als Schutz vor dem Magnetfeld lediglich eine kleine Zone im Bereich der Sende- und Empfangsspule überwacht werden muss, um Sicherheit beispielsweise für lebende Objekte zu gewährleisten.Advantageously, in the first step (A) only one selective zone in the region of the transmitting coil and the receiving coil is monitored. A monitoring of the entire gap is thus eliminated advantageously, since only a small zone in the region of the transmitting and receiving coil must be monitored as protection against the magnetic field to ensure safety, for example, for living objects.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass im zweiten Schritt (B) der gesamte Zwischenraum zwischen Fahrzeug und Boden überwacht wird. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise beim Anfahren des Fahrzeugs kein (lebendes) Objekt überfahren wird und somit zu Schaden kommt.Furthermore, it is advantageous that in the second step (B) the entire gap between the vehicle and the ground is monitored. This has the advantage that, for example, when starting the vehicle no (living) object is run over and thus comes to harm.
Vorteilhaft schaltet das Überwachungssystem den Ladevorgang im fünften Schritt (E) wieder ein, wenn keine Zieldopplersignatur detektiert wird. Dabei wird das detektierte Objekt als nicht-gefährlich eingestuft. Dies ermöglicht den gefahrlosen Weiterbetrieb des Ladevorgangs.Advantageously, the monitoring system switches on the charging process in the fifth step (E) again if no target-doppler signature is detected. The detected object is classified as non-dangerous. This allows the safe operation of the charging process.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Überwachungssystem (
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Sensor ein Radarsensor ist. Gerade durch eine Überwachung des Zwischenraums zwischen Sende- und Empfangsspule mittels eines Radars wird das Magnetfeld der Energieübertragung nicht gestört. Das magnetische Feld zur Energieübertragung und die Radarstrahlen der Überwachungsvorrichtung beeinflussen sich gegenseitig nicht, so dass die Energieübertragung ungehindert stattfinden kann und hierbei keine Beeinflussung erfolgt.Furthermore, it is advantageous that the sensor is a radar sensor. Just by monitoring the gap between the transmitting and receiving coil by means of a radar, the magnetic field of energy transfer is not disturbed. The magnetic field for energy transfer and the radar beams of the monitoring device do not influence each other, so that the energy transfer can take place unhindered and this is done no interference.
Vorteilhaft ist, dass die Überwachungsvorrichtung zur Distanzmessung mittels des Sensors ein Modulationsverfahren, vorzugsweise Frequency Modulated Continuous Wave, anwendet. Modulierte Dauerstrichradargeräte, oder auch FMCW-Radar (englisch: frequency modulated continuous wave radar) genannt, werden vor allem als Abstands- oder Höhenmesser mit geringer Reichweite eingesetzt. Entsprechend vorteilhaft lässt sich die Distanz zu einem Objekt messen.It is advantageous that the monitoring device for distance measurement by means of the sensor uses a modulation method, preferably Frequency Modulated Continuous Wave. Modulated continuous wave radar devices, or FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave Radar) radar, are mainly used as distance or altimeters with a short range. The distance to an object can be measured correspondingly advantageously.
Vorteilhafterweise nutzt die Überwachungsvorrichtung zur Messung radialer Geschwindigkeiten des Objektes mittels des Sensors den Doppler-Effekt. Der Doppler-Effekt ist die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger während der Dauer des Signals, was sich zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Objektes, was in den Zwischenraum zwischen Sende- und Empfangsspule oder im Umfeld eintritt bevorzugt eignet. Advantageously, the monitoring device uses the Doppler effect for measuring radial speeds of the object by means of the sensor. The Doppler effect is the temporal compression or elongation of a signal with changes in the distance between transmitter and receiver during the duration of the signal, which is preferred for determining the speed of an object, which enters the space between the transmitting and receiving coil or in the environment suitable.
Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Überwachungsvorrichtung zur Winkelmessung mittels des Sensors die Phased-Array Technik und / oder das Monopulsverfahren verwendet. Der Einsatz beispielsweise elektronisch schwenkbarer Phased-Array-Antennen, gestattet die schnelle und genaue Verfolgung eines beweglichen Objektes.Furthermore, it is advantageous that the monitoring device for angle measurement by means of the sensor uses the phased array technique and / or the monopulse method. The use of, for example, electronically tiltable phased array antennas, allows the fast and accurate tracking of a moving object.
Vorteilhafterweise verfügt der Sensor über mehrere Sende- und Empfangskanäle. Diese ermöglichen die Messung bzw. Schätzung des Winkels des zu detektierenden Objektes. Winkel- und Distanzinformationen liefern zusammen eine eindeutige Position des Objektes.
Vorteilhafterweise betreibt die Überwachungsvorrichtung den Sensor bevorzugt bei 79 GHz. Die Verwendung eines Radarsensors im 79 GHZ Band hat den Vorteil, dass die Lizensierung für die Anwendung bereits gegeben ist (Standard-Frequenz für Automotive Anwendungen) und der Sensor hat eine entsprechend kleine Baugröße. Alternativ wird der Sensor beispielsweise bei 120 GHz betrieben.
Die Überwachungsvorrichtung ist vorteilhaft dazu ausgelegt, ein Eindringen eines Objektes in den Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule zu erkennen und die Sendespule zu deaktivieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde. Auf diese Weise kann die induktive Energieübertragung rasch gestoppt werden. Somit wird ein eindringendes Objekt nicht mit dem magnetischen Feld der Sendespule beaufschlagt.Advantageously, the sensor has several transmit and receive channels. These allow the measurement or estimation of the angle of the object to be detected. Angular and distance information together provide a unique position of the object.
Advantageously, the monitoring device preferably operates the sensor at 79 GHz. The advantage of using a radar sensor in the 79 GHZ band is that the licensing for the application already exists (standard frequency for automotive applications) and the sensor has a correspondingly small size. Alternatively, the sensor is operated at 120 GHz, for example.
The monitoring device is advantageously designed to detect the penetration of an object into the space between the transmitting coil and the receiving coil and to deactivate the transmitting coil if an intrusion of an object has been detected. In this way, the inductive energy transfer can be stopped quickly. Thus, a penetrating object is not exposed to the magnetic field of the transmitting coil.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which are not to be construed as limiting the invention with reference to the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
Es zeigt:
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1 : eine schematische Darstellung des Verfahrens; -
2 : eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens; -
3 : eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens; -
4 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 : a schematic representation of the method; -
2 : a further schematic representation of the method; -
3 : a further schematic representation of the method; -
4 : A schematic representation of a cross section through a vehicle with a monitoring device of an inductive power transmission unit according to an embodiment of the invention.
Um vor oder während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule
To before or during the inductive energy transfer from the
Ist der Ladevorgang eingeschaltet, überwacht der Sensor
Wurde ein eindringendes Objekt
Für die Erfassung radialer Geschwindigkeiten eines Objektes
Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen werden an Objekten, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften vom Ausbreitungsmedium (z.B. Luft) unterscheiden, reflektiert. Die reflektierten Signale werden im Empfänger registriert und ihre Laufzeit bzw. Phase und Amplitude bestimmt. Über die Messung der Laufzeit und Phase ist eine Entfernungsbestimmung möglich. Zusätzlich können elektromagnetische Wellen in verschiedenen Polarisationsrichtungen verwendet werden. Diese Informationen können genutzt werden, um ein polarimetrisches Radarsystem aufzubauen, welches mit Hilfe der Polarisationsinformationen (Rückstreueigenschaften von Objekten sind neben der verwendeten Frequenz auch von der Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Welle abhängig) eine zusätzliche Objektdiskriminierung vornimmt.For the detection of radial velocities of an
The emitted electromagnetic waves are reflected on objects that differ in their electrical properties from the propagation medium (eg air). The reflected signals are registered in the receiver and their transit time or phase and amplitude are determined. By measuring the transit time and phase, a distance determination is possible. In addition, electromagnetic waves in different polarization directions can be used. This information can be used to construct a polarimetric radar system which uses the polarization information (backscatter properties of objects are dependent not only on the frequency used but also on the polarization of the incident electromagnetic wave) additional object discrimination.
Soll der Ladevorgang beginnen, wird zunächst eine Sendespule
Optional kann anschließend eine Signalisierung erfolgen, wenn in dem Zwischenraum
Optionally, then signaling may occur when in the
Eine weitere Ausführungsvariante ist die Kombination der Anwendung der Überwachungsvorrichtung für die Lebendobjekterkennung mit einer Anwendung für automatische Fahr-, Positionier- und Einparkvorgänge.A further embodiment variant is the combination of the application of the live object detection monitoring device with an application for automatic driving, positioning and parking operations.
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