DE102018210239A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der Position einer Sekundärspule über einer Primärspule bei einem System zur induktiven Energieübertragung - Google Patents

Vorrichtung zur Ermittlung der Position einer Sekundärspule über einer Primärspule bei einem System zur induktiven Energieübertragung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position (SP) einer Sekundärspule (4) über einer Primärspule (2) bei einem System zur induktiven Energieübertragung mit einer Bodenplatte (1) mit einer Primärspule (2) und einem Spulenträger (5) mit darauf angeordneten Messspulen (6), der oberhalb der Primärspule (2) angeordnet ist, wobei Messmittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die Ströme durch und/oder die Spannungen an Anschlüssen der Messspulen (6) zu erfassen, wobei die Spannungen oder die Ströme aufgrund eines durch die Primärspule (2) erzeugten Magnetfeldes (7) verursacht sind, Vergleichsmittel (11, 12; 21) vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die gemessenen Spannungen und/oder Ströme in den Messspulen (6) mit Referenzspannungen und/oder Referenzströmen (22, 23, 24) zu vergleichen, oder aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen in den Messspulen (6) einen Hilfswert (ΔX, ΔY) zu gewinnen, und diesen mit Positionskennfeldern (Kennlinie 1, Kennlinie 2) zu vergleichen und Auswertemittel (10, 11, 12; 20, 21) vorgesehen sind, die ausgebildet sind, aus dem Vergleichsergebnis die Position (SP) einer Sekundärspule (4) über der Primärspule (2) zu ermitteln.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position einer Sekundärspule über einer Primärspule bei einem System zur induktiven Energieübertragung mit einer Bodenplatte mit einer Primärspule und einem Spulenträger mit darauf angeordneten Messspulen, der oberhalb der Primärspule angeordnet ist.
  • Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 10 2009 033 237 A1 bekannt.
  • Bei der bekannten Vorrichtung sind die Messspulen in einer größeren Anzahl in einer Matrix angeordnet und bedecken nahezu die gesamte, durch die Primärspule eingenommene Fläche. Sie dienen der Erkennung von sich oberhalb dieser Fläche befindenden metallischen Objekten und werden zu diesem Zweck zu Zeitpunkten, zu denen die Primärspule nicht bestromt ist, mit einem Strom beaufschlagt und es wird die Impedanz der Messspulen ermittelt. Diese ändert sich gegenüber einem freien Raum oberhalb der Primärspule, wenn sich ein metallisches Objekt in diesem Raum befindet. Da sich die Impedanz der Messspulen, in deren Bereich sich das Objekt befindet, stärker ändert, kann nicht nur das Vorhandensein eines solchen Objekts erkannt werden, sondern auch seine Position innerhalb des Raumes.
  • Allerdings kann eine solche Detektion nur stattfinden, wenn kein durch die Primärspule erzeugtes Magnetfeld die Impedanzmessung beeinflusst, wenn also die Primärspule nicht bestromt ist und außerdem ist eine aufwändige Auswertevorrichtung erforderlich, da die Messspulen aktiv bestromt werden müssen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, für die Detektion der Position einer Sekundärspule oberhalb einer Primärspule bei einem System zur induktiven Energieübertragung eine Vorrichtung anzugeben, die mit wenig Aufwand und damit kostengünstig herzustellen und zu betreiben ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Demnach ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position einer Sekundärspule über einer Primärspule bei einem System zur induktiven Energieübertragung mit einer Bodenplatte mit einer Primärspule und einem Spulenträger mit darauf angeordneten Messspulen, der oberhalb der Primärspule angeordnet ist, gebildet, wobei in erfindungsgemäßer Weise ferner Messmittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die Ströme durch und/oder die Spannungen an Anschlüssen der Messspulen zu erfassen, wobei die Spannungen oder die Ströme aufgrund eines durch die Primärspule erzeugten Magnetfeldes verursacht sind, Vergleichsmittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, die gemessenen Spannungen und/oder Ströme in den Messspulen mit Referenzspannungen und/oder Referenzströmen zu vergleichen, oder aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen in den Messspulen einen Hilfswert zu gewinnen, und diesen mit Positionskennfeldern zu vergleichen und Auswertemittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, aus dem Vergleichsergebnis die Position einer Sekundärspule über der Primärspule zu ermitteln.
  • Es werden also die an den Messspulen abgreifbaren Spannungen und/oder Ströme, die durch das Magnetfeld der Primärspule induziert werden, durch Vergleich mit Referenzwerten ausgewertet und daraus die Position einer Sekundärspule über der Primärspule abgeleitet. Hierzu können in erfindungsgemäßer Weise die bereits vorhandenen Messspulen, die zur Erkennung vor Fremdobjekten dienen, verwendet werden.
  • In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Auswertemittel ausgebildet, aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen der Messspulen einen Amplitudenschwerpunkt bezogen auf die räumliche Anordnung der Messspulen zu ermitteln und die Koordinaten dieses Amplitudenschwerpunkts mit Kennlinien zu vergleichen, die eine Koordinate des Amplitudenschwerpunkts auf eine Position der Sekundärspule über der Primärspule abbilden.
  • Bei einer optimalen Positionierung der Sekundärspule über der Primärspule wird sich das Magnetfeld im Bereich der Mitte der Spulen konzentrieren, während bei einem Versatz der Spulen zueinander der Bereich der größten Magnetfeldamplituden und damit der größten Spannungen und/oder Ströme in den Messspulen in die Richtung der Sekundärspule verschoben sein wird. Aus dieser Verschiebung des Amplitudenschwerpunktes kann über zuvor ermittelte Kennlinien, die einen Zusammenhang zwischen dem Versatz der Sekundärspule und der Verschiebung des Amplitudenschwerpunktes definieren, die Position der Sekundärspule ermittelt und Signale zur Positionskorrektur abgeleitet werden.
  • In einer anderen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Auswertemittel ausgebildet, aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen der Messspulen ein Messmuster zu bilden und dieses Muster mit Referenzmustern in einer Korrelationsanalyse zu vergleichen, wobei jedes Referenzmuster einer vorgegebenen Position der Sekundärspule über der Primärspule entspricht und aus der größten Übereinstimmung des Messmusters mit einem Referenzmuster die aktuelle Position abgeleitet werden kann.
  • Es liegt also eine der gewünschten Ortsauflösung entsprechende Anzahl an Referenzspannungs- oder Referenzstrommustern vor, wobei ein Muster einer Matrix von Spannungs- oder Stromwerten der Matrix von Messspulen entspricht. Das Muster der aktuell gemessenen Spannungs- oder Stromwerte wird mit den gespeicherten Mustern verglichen und aus dem gespeicherten Muster mit der größten Übereinstimmung oder Korrelation wird die aktuelle Position der Sekundärspule abgeleitet.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung sind die Messspulen als planare Spulen ausgebildet und in vorteilhafter Weise auf einer Folie oder einer Leiterplatte aufgedruckt.
  • Um ein die Sekundärspule aufweisendes Fahrzeug optimal über der Primärspule zur induktiven Übertragung von Ladeenergie für eine Batterie positionieren zu können, sind die Auswertemittel der Vorrichtung in einer vorteilhaften Weiterbildung ausgebildet, ein Signal über die Position der Sekundärspule über der Primärspule an eine mit der Sekundärspule verbundene Verarbeitungseinheit abzugeben.
  • Dadurch kann beispielsweise einem Fahrer in dem mit der Sekundärspule ausgerüsteten Fahrzeug oder auch einem Autopiloten eine Information übermittelt werden, beispielsweise dem Fahrer an einem Bildschirm angezeigt werden, die eine optimale Positionierung erlaubt.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
    • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Messspulen aufweisenden Spulenträger,
    • 2 eine erste schematische Darstellung einer Positionsermittlung aus den Messspulendaten und
    • 3 eine zweite schematische Darstellung einer alternativen Positionsermittlung aus den Messspulendaten.
  • Die 1 zeigt in schematischer Weise eine Bodenplatte 1, auf der eine Primärspule 2 ausgebildet ist. Die Primärspule 2 kann als planare Spule ausgebildet sein oder in zwei oder mehreren Ebenen übereinander gewickelt sein.
  • Zur induktiven Übertragung von Energie zur Ladung einer Fahrzeugbatterie in einem (nicht dargestellten) Fahrzeug ist eine Fahrzeugplatte 3 verbaut, auf der eine Sekundärspule 4 angeordnet ist.
  • Sowohl die Primärspule 2 als auch die Sekundärspule 4 können in (nicht dargestellten) Gehäusen zum Schutz vor äußeren Einflüssen ausgebildet sein.
  • Oberhalb der Primärspule 2 ist ein Spulenträger 5 platziert, auf dem Messspulen 6 angeordnet sind. Die Messspulen 6 können dabei beispielsweise in konzentrischen Kreisen oder in Reihen und Spalten angeordnet sein.
  • Bei einer Bestromung der Primärspule 2 wird ein magnetisches Feld 7 erzeugt, das eine oberhalb der Primärspule 2 positionierte Sekundärspule 4 durchdringt und, falls es sich um ein Wechselfeld handelt, in dieser eine Wechselspannung induziert, welche gleichgerichtet wird und zur Ladung eines Energiespeichers, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, dient.
  • Die Messspulen 6 dienen gemäß dem Stand der Technik dazu, eine räumliche Veränderung dieses Magnetfeldes 7 aufgrund eines magnetisch wirksamen Fremdobjekts zu detektieren. Hierzu werden die durch das Magnetfeld 7 in den Messspulen 7 induzierten Spannungen oder die dadurch über eine mit den Messspulen 7 verbundene Last fließenden Ströme erfasst und ausgewertet.
  • In erfindungsgemäßer Weise werden die Messspulen 6 nun dazu verwendet, die Position der Sekundärspule 4 über der Primärspule 2 zu detektieren.
  • Dies kann erfolgen, weil sich die Richtung der Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 7 in Richtung auf die Sekundärspule 4 verändert und daher andere Messspulen 6 auf dem Spulenträger 5 von einem stärkeren Magnetfeld 7 durchdrungen werden. Somit kann aus der Verteilung der Spannungs- oder Stromwerte der einzelnen Messspulen, also einem Spannungs- oder Strommuster auf die Position der Sekundärspule 4 über der Primärspule 2 geschlossen werden.
  • Eine Auswertung der erhaltenen Spannungs- oder Stromwerte der einzelnen Messspulen kann in einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 erfolgen. Dabei wird in einer Berechnungseinheit 10 aus den Spannungs- oder Strommesswerten die Lage (ΔX, ΔY) des Amplitudenschwerpunkts ermittelt. Dabei wird vorteilhaft von einer Lage (0, 0) ausgegangen, wenn sich die Sekundärspule 4 in optimaler Lage zentrisch über der Primärspule 2 befindet. Die von der Berechnungseinheit 10 ermittelte Lage (ΔX, ΔY) ist folglich eine Abweichung von dieser optimalen Lage (0, 0).
  • Anschließend wird in einer ersten Vergleichseinheit 11 mittels einer ersten Kennlinie 1, die einen Zusammenhang zwischen der x-Koordinate ΔX der ermittelten Lage (ΔX, ΔY) des Amplitudenschwerpunkts und der X-Position der Sekundärspule 4 in einem kartesischen Koordinatensystem mit dem Zentrum im Mittelpunkt der Primärspule 2 herstellt, die X-Position der Sekundärspule 4 ermittelt.
  • In einer zweiten Vergleichseinheit 12 wird mittels einer zweiten Kennlinie 2, die einen Zusammenhang zwischen der y-Koordinate ΔY der ermittelten Lage (ΔX, ΔY) des Amplitudenschwerpunkts und der Y-Position der Sekundärspule 4 in dem kartesischen Koordinatensystem mit dem Zentrum im Mittelpunkt der Primärspule 2 herstellt, die Y-Position der Sekundärspule 4 ermittelt.
  • Abschließend werden diese ermittelten Positionskoordinaten SP der Sekundärspule 4 für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt. Die Positionskoordinaten SP können beispielsweise an ein die Sekundärspule 4 aufweisendes Fahrzeug übermittelt werden, um dort entweder dem Fahrzeugführer oder einem Autopiloten zum Manövrieren zu dienen.
  • Eine alternative Verarbeitungsweise ist in der 3 dargestellt. Dort wird ein aktuell gemessenes Spannungs- oder Stromwertemuster 20 einer alternativen Berechnungseinheit 21 zugeführt, der außerdem Referenzmuster 22, 23, 24 für verschiedene Sekundärspulenpositionen zugeführt werden. Aus dem Referenzmuster 22, 23, 24, das die größte Übereinstimmung mit dem aktuell gemessenen Muster oder die beste Korrelation aufweist, werden dann die Positionskoordinaten SP der Sekundärspule 4 über der Primärspule 2 ermittelt.
  • 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
    • DE 102009033237 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Ermittlung der Position (SP) einer Sekundärspule (4) über einer Primärspule (2) bei einem System zur induktiven Energieübertragung mit - einer Bodenplatte (1) mit einer Primärspule (2) und - einem Spulenträger (5) mit darauf angeordneten Messspulen (6), der oberhalb der Primärspule (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch - Messmittel, die ausgebildet sind, die Ströme durch und/oder die Spannungen an Anschlüssen der Messspulen (6) zu erfassen, wobei die Spannungen oder die Ströme aufgrund eines durch die Primärspule (2) erzeugten Magnetfeldes (7) verursacht sind, - Vergleichsmittel (11, 12; 21), die ausgebildet sind, die gemessenen Spannungen und/oder Ströme in den Messspulen (6) mit Referenzspannungen und/oder Referenzströmen (22, 23, 24) zu vergleichen, oder aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen in den Messspulen (6) einen Hilfswert (ΔX, ΔY) zu gewinnen, und diesen mit Positionskennfeldern (Kennlinie 1, Kennlinie 2) zu vergleichen und - Auswertemittel (10, 11, 12; 20, 21), die ausgebildet sind, aus dem Vergleichsergebnis die Position (SP) einer Sekundärspule (4) über der Primärspule (2) zu ermitteln.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswertemittel (10) ausgebildet sind, aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen der Messspulen (6) einen Amplitudenschwerpunkt bezogen auf die räumliche Anordnung der Messspulen (6) zu ermitteln und die Koordinaten (ΔX, ΔY) dieses Amplitudenschwerpunkts mit Kennlinien (Kennlinie 1, Kennlinie 2) zu vergleichen (11, 12), die eine Koordinate (ΔX, ΔY) des Amplitudenschwerpunkts auf eine Position (SP) der Sekundärspule (4) über der Primärspule (2) abbilden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswertemittel (20) ausgebildet sind, aus den gemessenen Spannungen und/oder Strömen der Messspulen (6) ein Messmuster zu bilden und dieses Muster mit Referenzmustern (22, 23, 24) in einer Korrelationsanalyse (21) zu vergleichen, wobei jedes Referenzmuster (22, 23, 24) einer vorgegebenen Position der Sekundärspule (4) über der Primärspule (2) entspricht und aus der größten Übereinstimmung des Messmusters mit einem Referenzmuster (22, 23, 24) die aktuelle Position (SP) abgeleitet werden kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Messspulen (6) planare Spulen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Messspulen (6) auf einer Folie aufgedruckt sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswertemittel (11, 12; 21) ausgebildet sind, ein Signal über die Position einer Sekundärspule (4) über der Primärspule (2) an eine mit der Sekundärspule (2) verbundenen Verarbeitungseinheit abzugeben.
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