DE102018211100A1 - Method and device for recognizing objects - Google Patents
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Abstract
Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Objekten in die Nähe von einer Ladeeinrichtung von elektrisch betriebenen Einrichtungen, wo die Ladeeinrichtung mit einer Primärspule ausgestattet ist, welche dazu geeignet und bestimmt ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen, um elektrische Energie induktiv auf eine Sekundärspule, welche Bestandteil der elektrisch betriebenen Einrichtung ist, zu übertragen. Die Ladeanordnung weist eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Objekten auf, die eine Spulenanordnung mit einer Vielzahl von Spulen aufweist, und die Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, Objekte durch Änderungen des Kapazitätswerts zwischen Spulen zu erkennen. Method and device for recognizing objects in the vicinity of a charging device of electrically operated devices, where the charging device is equipped with a primary coil which is suitable and designed to generate a magnetic field for inductively applying electrical energy to a secondary coil which is a component the electrically operated device is to be transmitted. The charging arrangement has a detection device for detecting objects, which has a coil arrangement with a plurality of coils, and the detection device is set up to detect objects by changes in the capacitance value between coils.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen beziehungsweise Erkennen von Objekten beziehungsweise zum Erfassen der Anwesenheit von Objekten, insbesondere Objekten die Fremdkörpern sind. Die Vorrichtung und das Verfahren werden unter Bezugnahme auf ein System zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Vorrichtung zum Erfassen von Objekten auch in anderen Bereichen Anwendung finden kann. Bei den Fremdkörpern, die auch als Fremdobjekte bezeichnet werden können, kann es sich sowohl um anorganische Körper wie zum Beispiel metallische Körper handeln als auch um organische Körper wie Tiere und Menschen.The present invention relates to a device and a method for detecting or recognizing objects or for detecting the presence of objects, in particular objects that are foreign objects. The device and method are described with reference to a system for charging electrically powered vehicles. However, it is pointed out that this device for detecting objects can also be used in other areas. The foreign bodies, which can also be referred to as foreign objects, can be both inorganic bodies such as metallic bodies and organic bodies such as animals and humans.
Elektromobilität gewinnt in letzter Zeit an Bedeutung, und ist ein wichtiges Thema für viele Kraftfahrzeughersteller. Elektrofahrzeuge müssen jedoch aufgeladen werden. Hierfür sind im Stand der Technik bereits mehrere Vorgehensweisen bekannt, beispielsweise über Steckanschlüsse und dergleichen. Auch bekannt sind Ladesysteme, welche den Ladevorgang induktiv und insbesondere berührungslos durchfuhren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Kraftfahrzeug über ein Ladegerät positioniert sein, und dieses Ladegerät weist eine Primär- oder Sendespule auf, womit eine Spule des kraftfahrzeugseitigen Ladesystems induktiv versorgt wird.Electromobility has recently gained in importance and is an important topic for many motor vehicle manufacturers. However, electric vehicles need to be charged. For this purpose, several procedures are already known in the prior art, for example via plug connections and the like. Charging systems are also known, which carry out the charging process inductively and in particular without contact. For this purpose, the motor vehicle can be positioned via a charger, for example, and this charger has a primary or transmitter coil, with which a coil of the vehicle-side charging system is supplied inductively.
Bei der Ladeanordnung handelt es sich insbesondere um ein Primär- oder Sendemodul, welches dazu geeignet und bestimmt ist, ein Sekundär- oder Empfangsmodul (etwa ein eine Sekundärspule aufweisendes Modul) des zu ladenden Objekts (z.B. eines Fahrzeugs), induktiv mit Energie zu versorgen.The charging arrangement is, in particular, a primary or transmitting module which is suitable and intended for inductively supplying energy to a secondary or receiving module (for example a module having a secondary coil) of the object to be charged (e.g. a vehicle).
Beim induktiven Laden wird Energie elektromagnetisch zwischen einer oder mehreren Primär- und Sekundärspulen übertragen. Durch die hohe Übertragungsleistung kann z.B. beim Laden von Elektromobilen bzw. Hybridfahrzeugen im Luftspalt ein starkes elektromagnetisches Feld (mehrere mT) entstehen. Erhebliches Sicherheitsproblem bei diesen Vorgehensweisen können Fremdobjekte oder Fremdkörper darstellen, die beispielsweise zwischen den Spulen oder auf der Ladestation liegen. Hierbei können insbesondere Fremdobjekte mit einem metallischen Anteil zu einem Sicherheitsrisiko werden. Metallische oder elektrisch leitende bzw. ferromagnetische Objekte im Luftspalt können während des Ladevorgangs stark erhitzt werden und so zu Beschädigungen führen. Deshalb beinhalten solche Ladeeinrichtungen Sicherheitssysteme zur Überwachung des Magnetfelds und des Luftspalts im Hinblick auf Fremdobjekte und Fremdkörper.With inductive charging, energy is transmitted electromagnetically between one or more primary and secondary coils. Due to the high transmission power, e.g. When charging electric vehicles or hybrid vehicles in the air gap, a strong electromagnetic field (several mT) is created. Significant safety problems with these procedures can represent foreign objects or foreign bodies that lie between the coils or on the charging station, for example. Foreign objects with a metallic component can become a security risk. Metallic or electrically conductive or ferromagnetic objects in the air gap can become very hot during charging and thus lead to damage. Therefore, such charging devices contain security systems for monitoring the magnetic field and the air gap with regard to foreign objects and foreign bodies.
Es kann auch während des Ladevorgangs ein Sicherheitsrisiko für Personen oder Tiere ergeben, zum Beispiel spielende Kinder die mit ihrer Hand zwischen die Ladeelemente greifen, oder eine Katze die auf dem unteren Ladeelement schlafen will.There can also be a safety risk for people or animals during the charging process, for example children playing with their hands between the charging elements or a cat who wants to sleep on the lower charging element.
Ein geeignetes System zur Erkennung von ferromagnetischen, elektrisch leitenden bzw. Objekten mit gemischten elektromagnetischen Eigenschaften im Luftspalt ist eine Matrix von Spulen über der Primärspule.A suitable system for the detection of ferromagnetic, electrically conductive or objects with mixed electromagnetic properties in the air gap is a matrix of coils above the primary coil.
Bekannt sind zum Beispiel
In den bekannten Lösungen werden außerdem spezielle elektrische Kondensator-Elemente verwendet und dann die Kapazität dieser Kondensatoren bzw. Kondensatorsysteme analysiert, um verschiedene Objekte und deren Verhalten zu detektieren.In the known solutions, special electrical capacitor elements are also used and the capacitance of these capacitors or capacitor systems is then analyzed in order to detect various objects and their behavior.
Durch separat eingebaute Kondensatoren bzw. spezielle kapazitiven Sensoren können Objekte detektiert werden, die diese Kondensator- oder Sensorkapazitäten bzw. deren Kapazitätswerte beeinflussen können.Objects that can influence these capacitor or sensor capacities or their capacitance values can be detected by means of separately installed capacitors or special capacitive sensors.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit induktiver Ladeeinrichtungen zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung und das Verfahren der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The present invention is therefore based on the object of increasing the safety of inductive charging devices. This object is achieved according to the invention by the device and the method of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger Weise ein Erkennen oder Erfassen von Objekten, und insbesondere ein Feststellen der Anwesenheit von Objekten ermöglicht.Another object of the invention is to provide a device which enables objects to be recognized or detected, and in particular to determine the presence of objects, in a cost-effective manner.
Eine erfindungsgemäße Ladeanordnung weist eine Primär- oder Sendespule auf, welche dazu geeignet und bestimmt ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, und dabei elektrische Energie induktiv auf eine Sekundär- oder Empfangsspule, welcher Bestandteil eine elektrisch betriebenen Einrichtung wie ein elektrisch betriebenes Fahrzeug ist, zu übertragen. Dabei weist die Ladeanordnung eine Erfassungseinrichtung zum Erkennen und Erfassen von Objekten, insbesondere Fremdobjekten bzw. Fremdkörpern, auf, welche sich zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befinden. Falls sich an den Spulen ein oder mehrere (Fremd-) Objekte oder Fremdkörper befinden, können diese entsprechend die Kapazität zwischen Spulen beeinflussen. Aufgrund des Kapazitätsverhaltens bzw. -unterschiede in einer oder mehreren Spulen wird die Anwesenheit dieser Objekte festgestellt bzw. diese Objekte können detektiert werden.A charging arrangement according to the invention has a primary or transmitter coil which is suitable and intended to generate a magnetic field and thereby inductively transmit electrical energy to a secondary or receiver coil, which is a component of an electrically operated device such as an electrically operated vehicle , The charging arrangement has a detection device for recognizing and detecting objects, in particular foreign objects or foreign bodies, which are located between the transmitting coil and the receiving coil. If there are one or more (foreign) objects or foreign bodies on the coils, these can increase the capacity accordingly between coils. On the basis of the capacitance behavior or differences in one or more coils, the presence of these objects is determined or these objects can be detected.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
1 eine Vorrichtung zum Laden von elektrisch betriebenen Einrichtungen, -
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, -
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kapazitätsanalyse für die Kapazitätsmessung, und -
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Objekterkennung.
-
1 a device for charging electrically operated devices, -
2 1 shows a schematic illustration of a coil arrangement according to the invention, -
3 a schematic representation of a capacity analysis according to the invention for the capacity measurement, and -
4 is a schematic representation of an object detection according to the invention.
In der
Die Spulenkörper der vorhandenen Spulen für die beschriebene Spannungsinduktionsmethode - die auch als Spulenwindungen oder Spulendrähte bezeichnet werden können - werden in dieser Erfindung als Kondensatorplatten für die Kapazitätsmessung genutzt. Beispiele der Kapazitätsanalyse oder Kapazitätsmessung sind anhand der
Die Eigenkapazitäten der in den Abbildungen nummerierten Einzelspulen können in dem Verfahren als Einzelwerte betrachtet werden (
Wie in der
Mit einer identischen Vorgehensweise können die Kapazitätswerte und daher beispielsweise die Objektabmaß in der Y-Richtung mit entsprechender Spulenkombinationen und Gruppen (wie z.B. zwischen
Mit ähnlicher Vorgehensweise können auch andere Richtungen miteinbezogen werden, wie z.B. zwischen Spulen
Die Kapazitätswertabfrage in unterschiedlichen Richtungen sowie der Vergleich mit Referenzen (die im Voraus gebildet werden müssen), ohne Objekte und/oder mit Musterobjekten mit bekannten Eigenschaften (Abmessungen, Metall, Dielektrika, gemischt: leitend-nicht leitend, magnetisch-nichtmagnetisch usw.), bilden die Informationsquelle für die Erkennung (Detektion) der Objekte und die Bestimmung deren Eigenschaften.The capacity value query in different directions as well as the comparison with references (which have to be formed in advance), without objects and / or with sample objects with known properties (dimensions, metal, dielectrics, mixed: conductive-non-conductive, magnetic-non-magnetic, etc.), form the information source for the recognition (detection) of the objects and the determination of their properties.
In einer Ausführung kann der Anfangszustand der Spulenmatrix mit allen relevanten Kapazitäten ohne Fremdobjekte gemessen oder analysiert wird, und gemessene Werte erfasst werden. Ebenfalls kann der Anfangszustand der Spulenmatrix ohne Nutzobjekte wie Geräte zum Laden oder Elektronikmodule zum Empfang von Energie gemessen oder analysiert werden, und gemessene Werte erfasst werden. Die Messungen und die Analyse können bevorzugt in einem Schmutz- oder störfreien Zustand ausgeführt werden. Die gemessenen Werte können als Referenz gespeichert werden. Die gemessenen Werte können für Vergleich und/oder Auswertung genutzt werden.In one embodiment, the initial state of the coil matrix can be measured or analyzed with all relevant capacities without foreign objects, and measured values can be recorded. The initial state of the coil matrix can also be measured or analyzed without useful objects such as devices for charging or electronic modules for receiving energy, and measured values can be recorded. The measurements and the analysis can preferably be carried out in a dirt or interference-free state. The measured values can be saved as a reference. The measured values can be used for comparison and / or evaluation.
In einer Ausführung können Abweichungen von der Referenz als Informationsquelle für die Erkennung von Objekteanwesenheit wie Nutzobjekt- und Fremdobjektanwesenheit dienen. Als Beispiel können die Werten
Mit der o.G. Vorrichtung bzw. Verfahren ist Detektion möglich ohne EM-Feld. Die Sichtweite und die Genauigkeit können deutlich gesteigert werden. Verschmutzungen können mitdetektiert werden, und ruhende und sich langsam bewegende Objekte können detektiert werden. Das Verfahren kann für manche vorhandenen Spulenmatrixlösungen ohne Einbau zusätzlicher Sensorteile verwendet werden, um dadurch die Funktionalität signifikant zu verbessern. Letztlich können parasitäre Kapazitäten der Spulen als vorteilhafte sensortechnische Eigenschaft genutzt werden.With the o.G. Detection or device is possible without an EM field. Visibility and accuracy can be increased significantly. Contamination can also be detected, and stationary and slowly moving objects can be detected. The method can be used for some existing coil matrix solutions without installing additional sensor parts in order to significantly improve the functionality. Ultimately, parasitic capacitances of the coils can be used as an advantageous sensor property.
Ebenfalls anhand der o.G. Vorrichtung bzw. Verfahren ist die Erfassung der elektrischen und dielektrischen Werkstoffeigenschaften der Objekte, wie z.B. Schnee, Flüssigkeiten, Schneematch mit oder ohne Salz, trockener und/oder nasser Müll usw. ohne zusätzliche Sensorhardware zur vorhandenen Spulen der Spulenmatrix oder Spulenanordnung möglich, anhand Änderungen in der kapazitiven Eigenschaften der Spulen.Also based on the o.G. The device or method is the detection of the electrical and dielectric material properties of the objects, e.g. Snow, liquids, snowmatch with or without salt, dry and / or wet waste etc. possible without additional sensor hardware for the existing coils of the coil matrix or coil arrangement, based on changes in the capacitive properties of the coils.
Beliebige Kombinationen von Zwischenkapazitäten aus Spulenpaaren oder Spulengruppen sind möglich. Spulengruppen bestehend aus zwei, drei und mehr Spulen oder Windungen sind dabei möglich. Die Gruppen können durch galvanische Verbindungen entstehen, die dynamisch gesetzt und getrennt werden können. Transistoren wie z.B. FET (Field-Effekt Transistors) könnten für die Verbindungen verwendet werden. Schnell schaltbare Verbindungen sind bevorzugt, damit Gruppen schnell aufgebaut und geändert werden können.Any combination of intermediate capacities from coil pairs or coil groups is possible. Coil groups consisting of two, three or more coils or turns are possible. The groups can be created by galvanic connections, which can be set and separated dynamically. Transistors such as FET (field effect transistors) could be used for the connections. Quickly switchable connections are preferred so that groups can be set up and changed quickly.
Eine galvanische Trennung wird benötigt, um kapazitätswerten zwischen Spulen oder Gruppen von Spulen feststellen zu können. Die galvanische Trennung kann durch hochohmige Schalter wie z.B. durch elektronischer Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter wie FET's oder MOSFET's, erreicht werden. In eine bevorzugte Ausführung werden Spulen beidseitig oder allerseitig elektrisch getrennt, womit keine elektrische Verbindung mehr besteht.Galvanic isolation is required to determine capacitance values between coils or groups of coils. Electrical isolation can be achieved using high-resistance switches such as can be achieved by electronic switches, for example semiconductor switches such as FETs or MOSFETs. In a preferred embodiment, coils are electrically isolated on both sides or on all sides, with which there is no longer any electrical connection.
Kapazitätsabweichungen die auf eine Objekteanwesenheit hindeuten können zwischen zwei Gruppen von Spulen erfasst werden, oder sie können zwischen eine Gruppe von Spulen und eine einzelne Spule erfasst werden, oder sie können zwischen einzelnen Spulen erfasst werden. Die Referenzwerte für alle verwendeten Gruppen müssen natürlich im Voraus gebildet werden.Capacitance variations that indicate an object presence can be detected between two groups of coils, or they can be detected between a group of coils and a single coil, or they can be detected between individual coils. The reference values for all groups used must of course be formed in advance.
Um noch bessere Genauigkeit, Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu erreichen, sind dabei Spulenkörper oder Spulenwindungen bevorzugt, die galvanisch voneinander getrennt sind. In eine andere Ausführung können Spulenkörper oder Spulenwindungen bei Bedarf galvanisch getrennt werden, um bei Bedarf oder nach Wunsch eine noch bessere Genauigkeit, Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu erreichen.In order to achieve even better accuracy, sensitivity and spatial resolution, coil formers or coil turns that are galvanically separated from one another are preferred. In another version, coil formers or coil turns can be galvanically separated if necessary in order to achieve even better accuracy, sensitivity and spatial resolution if required or as desired.
Falls die Spulenkörper oder Spulenwindungen galvanisch verbunden bleiben, soll in dem Verfahren oder der Vorrichtung die Kapazität zwischen Spulengruppen bzw. zwischen Spulengruppen und Einzelspulen betrachtet werden.If the coil form or coil turns remain galvanically connected, the capacitance between coil groups or between coil groups and individual coils should be considered in the method or the device.
Ein möglicher Fall mit zwei Objekten (
In der
Wie oben erwähnt können Gruppen von Spulen oder Windungen eingesetzt werden, um bessere oder genauere Informationen zu erzielen. Diese Gruppen können statisch vorgebildet sein, oder dynamisch geschaltet werden. Sie können nach einem vorgegebenen Programm gebildet werden, oder je nach Bedarf, um Objekte besser zu erkennen. In einer Ausführung werden in einem ersten Schritt Kapazitätswerte gemessen, in einem zweiten Schritt werden potenzielle Objekte oder Fremdobjekte erkannt. In einen dritten Schritt werden Gruppen von Spulen gebildet oder neu gebildet, auf Basis erkannter potenzieller Objekte oder Fremdobjekte. In einem vierten Schritt werden Kapazitätswerte erneut gemessen.As mentioned above, groups of coils or windings can be used to obtain better or more accurate information. These groups can be designed statically or switched dynamically. They can be created according to a given program, or as needed to better recognize objects. In one embodiment, capacitance values are measured in a first step, and potential objects or foreign objects are recognized in a second step. In a third step, groups of coils are formed or newly formed on the basis of identified potential objects or foreign objects. In a fourth step, capacitance values are measured again.
Ausführungen wie oben beschrieben, werden in typischer Weise durch nicht-abgebildete Systemelemente ergänzt. Ausführungen können drei Bestandteile aufweisen, nämlich einen Signalgenerator, zum Beispiel in Form einer Sinus- oder Pulse-Quelle, ein elektrisches Netzwerk, das auf Objekte reagiert, und eine Sensoreinrichtung oder einen Detektor; andere Konfigurationen sind auch möglich. Der Signalgenerator bzw. die Quelle dient als Signalquelle und erzeugt bevorzugt ein periodisches Sinussignal oder periodische Pulse. Dabei kann der Signalgenerator beispielsweise als Oszillator ausgeführt sein. Der Signalgenerator könnte auch breitbandig mit variablen Frequenzen ausgeführt sein, beispielsweise als Frequenzsynthesizer oder ein sonstiger Pulse-Generator.Designs as described above are typically supplemented by system elements not shown. Executions can be three Components, namely a signal generator, for example in the form of a sine or pulse source, an electrical network that responds to objects, and a sensor device or a detector; other configurations are also possible. The signal generator or the source serves as a signal source and preferably generates a periodic sine signal or periodic pulses. The signal generator can be designed as an oscillator, for example. The signal generator could also be designed in a broadband manner with variable frequencies, for example as a frequency synthesizer or another pulse generator.
Zweites Element ist das elektrische Netzwerk bzw. der Schaltkreis als Sensorelement. Dieses weist wenigstens ein elektrisches Bauelement auf oder aber eine Kombination aus Bauelementen, deren Kapazität durch Objektannäherung verändert wird.The second element is the electrical network or the circuit as a sensor element. This has at least one electrical component or a combination of components whose capacitance is changed by approaching the object.
Drittens kommt ein Detektor zwecks Signalaufnahme und Aufbereitung des Signals. Mehrere Ausführungen sind möglich. Dieser Detektor kann beispielsweise einen Richtkoppler, einen logarithmischen Verstärker, einen Gleichrichter oder einen AD-Wandler aufweisen. Auch sind Kombinationen hieraus oder die Verwendung mehrerer der genannten Einrichtungen vom Erfinder im Betracht gezogen worden.Thirdly, there is a detector for signal acquisition and processing of the signal. Several versions are possible. This detector can have, for example, a directional coupler, a logarithmic amplifier, a rectifier or an AD converter. Combinations thereof or the use of several of the devices mentioned have also been considered by the inventor.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch ein Vorteil durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben kann.It is pointed out that features were also described in the figures, which in themselves can be advantageous. The person skilled in the art recognizes that a certain feature described in a figure can be advantageous even without the adoption of further features from this figure. The person skilled in the art further recognizes that an advantage can also result from a combination of several features shown in individual or in different figures.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1-241-24
- Spulen bzw. Spulenkörper oder SpulenwindungCoils or bobbin or coil turn
- 101101
- Vorrichtung zum LadenLoading device
- 102102
- elektrisch betriebenen Einrichtungenelectrically operated devices
- 410, 420410, 420
- Objekteobjects
- B(t), H(t)B (t), H (t)
- Magnetfeldmagnetic field
- BATBAT
- Batteriebattery
- C1_4C1-4
-
Kapazität zwischen den Spulen
1 und4 Capacity between thecoils 1 and4 - C1_5C1-5
-
Kapazität zwischen den Spulen
1 und5 Capacity between thecoils 1 and5 - C1_9C1_9
-
Kapazität zwischen den Spulen
1 und9 Capacity between thecoils 1 and9 - C1_21C1_21
-
Kapazität zwischen den Spulen
1 und21 Capacity between thecoils 1 and21 -
C12 20
C12 20 -
Kapazität zwischen den Spulen
12 und20 Capacity between thecoils 12 and20 - C12_20a, C12_20bC12_20a, C12_20b
- Teilkapazitätenpartial capacitances
- L1L1
- Primärspuleprimary coil
- L2L2
- Sekundärspulesecondary coil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102015112431 A1 [0007]DE 102015112431 A1 [0007]
- WO 2014/063159 A2 [0007]WO 2014/063159 A2 [0007]
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