DE202011050264U1 - Device for inductive transmission of electrical energy - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einer mobilen Einheit mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung aus der Stromversorgungseinheit (6) in die Primärspule (2) und anschließender Unterbrechung dieser Einspeisung, zur Messung des zeitlichen Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule (2), zum Vergleich mindestens eines Parameters des gemessenen Verlaufs mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der bei einer Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule (2) ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) im Bereich des von der Primärspule (2) erzeugten Magnetfeldes ermittelt wurde, und zur Feststellung anhand dieses Vergleichs, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) im Bereich des von der Primärspule (11) erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist, eingerichtet ist.Device for the inductive transmission of electrical energy from a stationary unit having a power supply unit (6) and a primary coil (2) to a mobile unit with a secondary coil (4) and an electrical load (5), characterized in that the device for feeding electrical power from the power supply unit (6) in the primary coil (2) and subsequent interruption of this feed, for measuring the time course of the resulting decay of an electrical operating variable of the primary coil (2), for comparing at least one parameter of the measured course with a corresponding parameter of a reference curve , which was determined at an interruption of the power supply to the primary coil (2) without the presence of an electrically conductive foreign body (11) in the region of the magnetic field generated by the primary coil (2), and to determine from this comparison, whether an electrically leiti Foreign object (11) in the range of the primary coil (11) generated magnetic field is provided is set up.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie, bei der ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper erkannt werden kann, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vorrichtungen besagter Art dienen der induktiven Ladung einer in einem Elektrofahrzeug eingebauten, wiederaufladbaren Batterie. Während der Energieübertragung wird zwischen einer stationären Primärspule und einer fahrzeugseitigen Sekundärspule ein magnetisches Feld hoher Feldstärke und Flussdichte aufgebaut. Dies ist notwendig, um in der Sekundärspule einen für die angestrebte Übertragungsleistung ausreichend hohen Strom zu induzieren.The invention relates to a device for inductive transmission of electrical energy, in which an electrically conductive foreign body can be detected, according to the preamble of
Werden Gegenstände aus metallischen Werkstoffen in den Bereich eines solchen Feldes eingebracht, so werden in diesen Wirbelströme induziert, die zu einer von Material, Dauer der Einbringung und Höhe der Feldstärke abhängigen Erwärmung führen. Bei Vorhandensein entsprechender Bedingungen kann ein solcher Gegenstand eine Temperatur erreichen, die zu Beschädigungen, z.B. zum Einschmelzen in Kunststoffoberflächen, oder zu Gefährdungen von Personen führen können. Letztere treten insbesondere dann auf, wenn die Sekundärseite entfernt wurde und erwärmte Metallgegenstände frei zugänglich sind und von Personen berührt werden können. If objects made of metallic materials are introduced into the area of such a field, eddy currents are induced in them which lead to a heating dependent on the material, the duration of the introduction and the magnitude of the field strength. In the presence of appropriate conditions, such an article may reach a temperature which may cause damage, e.g. for melting in plastic surfaces, or can lead to hazards to persons. The latter occur in particular when the secondary side has been removed and heated metal objects are freely accessible and can be touched by persons.
Aufgrund der Charakteristik bisheriger Anwendungen für induktive Energieübertragungssysteme wurde eine entsprechende Gefährdung durch metallische Fremdkörper als nicht relevant bewertet oder beispielsweise bei Flurförderzeugen (AGV) durch vor den sekundärseitigen Abnehmern angebrachte Bürsten versucht, solche Gegenstände aus kritischen Feldbereichen zu entfernen. Bei Fahrzeugen mit Fahrer kann im Rahmen einer Schulung darauf hingewiesen werden, im Betrieb auf solche Gegenstände zu achten und diese vor Inbetriebnahme der induktiven Übertragung zu entfernen oder die induktive Übertragung im Zweifelsfall nicht in Betrieb zu nehmen. Für einen weitgehend automatischen Betrieb oder bei höheren Sicherheitsanforderungen, von denen insbesondere beim Einsatz derartiger Systeme in öffentlich zugänglichen Bereichen auszugehen ist, erscheinen die bisherigen Sicherheitsmaßnahmen als ungeeignet oder zumindest unzureichend.Due to the characteristic of previous applications for inductive energy transmission systems, a corresponding risk from metallic foreign bodies was assessed as irrelevant or, for example, in the case of industrial trucks (AGV) by brushes mounted in front of the secondary-side users, attempts to remove such objects from critical field areas. In the case of vehicles with driver, it may be pointed out in the course of a training to pay attention to such objects during operation and to remove them before commissioning of the inductive transmission or to not put the inductive transmission into operation in case of doubt. For a largely automatic operation or for higher security requirements, which can be assumed in particular when using such systems in publicly accessible areas, the previous security measures appear to be unsuitable or at least inadequate.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Verbesserung der Betriebssicherheit eines induktiven Energieübertragungssystems eine neue Lösung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers aufzuzeigen, die sich durch hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet.The invention is based on the object to improve the reliability of an inductive energy transmission system to show a new solution for the detection of an electrically conductive foreign body, which is characterized by high accuracy and reliability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of
Erfindungsgemäß wird zunächst elektrische Leistung aus einer Stromversorgungseinheit in die Primärspule eingespeist, diese Einspeisung unterbrochen und der zeitliche Verlauf des dadurch verursachten Abklingens einer elektrischen Betriebsgröße der Primärspule gemessen. Mindestens ein Parameter des gemessenen Verlaufs wird mit einem entsprechenden Parameter eines Referenzverlaufs, der zuvor ohne Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers ermittelt wurde, verglichen. Anhand dieses Vergleichs wird festgestellt, ob ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper im Bereich des von der Primärspule erzeugten Magnetfeldes vorhanden ist. Auf diese Weise kann das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers mit hoher Genauigkeit detektiert werden, da ein solcher Abklingvorgang ohne leitfähigen Fremdkörper im wesentlichen nur durch die geringen Verluste der Primärspule bestimmt wird und daher bereits durch die Präsenz eines kleinen Fremdkörpers deutlich verändert wird.According to the invention, first of all electrical power is fed from a power supply unit into the primary coil, this feed is interrupted and the time profile of the thereby caused decay of an electrical operating variable of the primary coil is measured. At least one parameter of the measured course is compared with a corresponding parameter of a reference course, which was previously determined without the presence of an electrically conductive foreign body. On the basis of this comparison it is determined whether an electrically conductive foreign body is present in the region of the magnetic field generated by the primary coil. In this way, the presence of a conductive foreign body can be detected with high accuracy, since such Abklingvorgang without conductive foreign body is essentially determined only by the low losses of the primary coil and therefore already significantly changed by the presence of a small foreign body.
Zweckmäßig ist es, wenn der als Entscheidungskriterium herangezogene Parameter eine relative Änderung der gemessenen elektrischen Betriebsgröße innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls seit der Unterbrechung der Leistungseinspeisung oder die Länge des Zeitintervalls seit der Unterbrechung der Leistungseinspeisung bis zum Erreichen einer vorbestimmten relativen Änderung der gemessenen elektrischen Betriebsgröße ist. Durch die Betrachtung relativer Änderungen wird die Abhängigkeit von Absolutwerten elektrischer Betriebsgrößen, die von vielen Faktoren beeinflusst werden und langfristig infolge von Alterungsprozessen driften können, vermieden.It is expedient if the parameter used as the decision criterion is a relative change of the measured electrical operating variable within a predetermined time interval since the interruption of the power supply or the length of the time interval since the interruption of the power supply until reaching a predetermined relative change of the measured electrical operating variable. By considering relative changes, the dependence on absolute values of electrical operating variables, which are influenced by many factors and can drift in the long term as a result of aging processes, is avoided.
Vorteilhafterweise erlaubt es die erfindungsgemäße Vorrichtung, nicht nur festzustellen, ob überhaupt ein Fremdkörper vorhanden ist oder nicht, sondern darüber hinaus aus dem zeitlichen Verlauf des Abklingens der gemessenen elektrischen Betriebsgröße ein Maß für die Leistung zu ermitteln, die durch den Fremdkörper beim normalen Betrieb der Vorrichtung aufgenommen wird. Anhand dieses Leistungsmaßes kann entschieden werden, ob die Leistungszufuhr dauerhaft abgeschaltet bleiben muss, oder ob noch ein Notbetrieb mit so weit verminderter Leistung möglich ist, dass die Leistungsaufnahme des Fremdkörpers keine Gefahr darstellt und toleriert werden kann. Advantageously, the device according to the invention makes it possible not only to determine whether a foreign body is present at all or not, but also to determine from the time course of the decay of the measured electrical operating variable a measure of the power produced by the foreign body during normal operation of the device is recorded. On the basis of this performance measure, it can be decided whether the power supply must remain switched off permanently, or whether an emergency operation is still possible with such reduced power that the power consumption of the foreign body is no danger and can be tolerated.
Sehr zweckmäßig ist es ferner, den Einfluss der Sekundärseite auf die Fremdkörpererkennung an der Primärspule zu minimieren, da dies insbesondere eine periodische Fremdkörpererkennung mit hoher Genauigkeit während des laufenden Betriebs der Energieübertragung zur Sekundärseite ermöglicht. Hierzu wird erfindungsgemäß vor der Unterbrechung der Leistungseinspeisung in die Primärspule sekundärseitig die Leistungsabgabe von der Sekundärspule an den Verbraucher unterbrochen und somit ein Einfluss des Verbrauchers auf den Abklingvorgang einer primärseitigen Betriebsgröße eliminiert.It is also very expedient to minimize the influence of the secondary side on the foreign body detection at the primary coil, since this in particular allows a periodic detection of foreign objects with high accuracy during the ongoing operation of the energy transmission to the secondary side. For this purpose, the power output from the secondary coil to the consumer is interrupted before the interruption of the power supply to the primary coil on the secondary side and thus eliminates an influence of the consumer on the decay process of a primary-side operating size.
Weitere besonders vorteilhafte Maßnahmen sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigtFurther particularly advantageous measures can be taken from the remaining subclaims. Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In these shows
Gestrichelt sind in
Auf dem Gehäuse
Eine etwas detailliertere Darstellung eines Teils der Komponenten der Primärseite, nämlich des Umrichters
Die Primärspule
Der weitere Widerstand RF in Serie zu der Primärspule
Um bei der Fremdkörpererkennung eine hohe Genauigkeit zu erzielen, wird erfindungsgemäß die Leistungseinspeisung in die Primärspule
Wie beide Figuren zeigen, hat der Primärstrom IP jeweils den Verlauf einer abklingenden Schwingung. Deren Hüllkurve IPH(t) ist bekanntlich durch eine abklingende Exponentialfunktion IPH(t) = I0·exp[–(t – t0)/τ] bzw. IPH(t) = I0F·exp[–(t – t0)/τ] gegeben, deren Zeitkonstante τ = (2LP)/(RP + RF) ist. Bei Vorhandensein eines Fremdkörpers
Es versteht sich, dass trotz Unterbrechung der Primärleistungszufuhr der Primärstrom IP weiterhin fließen können muss, damit ein durch die zusätzliche Verlustleistung eines eventuell vorhandenen Fremdkörpers
Um das Vorhandensein eines Fremdkörpers
In der Praxis kann es allerdings vorkommen, dass der Ausgangswert I0F des Primärstromes IP bei Unterbrechung der Leistungseinspeisung in
Die Ausgangswerte I0 und I0F des Primärstromes IP müssen nicht unbedingt die vor der Unterbrechung der Leistungseinspeisung herrschenden Werte sein, wie es in den
Bei Feststellung eines Fremdkörpers
Um einen Betrieb mit verminderter Leistung trotz Vorhandenseins eines Fremdkörpers
Aufgrund der Formel für den exponentiellen Verlauf der Hüllkurve des Primärstromes IP(t) gilt für den Referenzstromverlauf von
Hieraus kann der Wert von RP berechnet werden:
Analog gilt für den Stromverlauf mit vorhandenem Fremdkörper
Hieraus kann die Summe RP + RF berechnet werden:
Damit ergibt sich für RF durch Subtraktion von RP:
Die in die Zeitkonstanten τref und τ1 eingehende Induktivität LP der Primärspule
Die durch einen Primärstrom IP mit dem Effektivwert IPeff in einem Fremdkörper
Wenn die maximal tolerierbare Verlustleistung eines Fremdkörpers
Einsetzen von RF ergibt: Insertion of R F yields:
Der Effektivwert des Primärstroms IP kann von dem Umrichter
Wenn sich ein Elektrofahrzeug
Wie
Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Fremdkörpererkennung ist die in
Alternativ kann die Sekundärspule
Einen zusammenhängenden Überblick über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorteilhaften Verfahrens zur Durchführung auf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt
Anschließend wird in Schritt
Wenn der Vergleich in Schritt
Die die Fortsetzung des Betriebs in Schritt
In
Aus der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für den Fachmann Variationsmöglichkeiten bei der Verwirklichung der Erfindung. So kann beispielsweise die Schaltungstopologie des Abgleichnetzwerks
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE CHARRIER RAPP & LIEBAU, DE |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20121018 |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE CHARRIER RAPP & LIEBAU, DE |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20140724 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: IPT TECHNOLOGY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONDUCTIX-WAMPFLER GMBH, 79576 WEIL AM RHEIN, DE Effective date: 20140828 Owner name: IPT TECHNOLOGY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONDUCTIX-WAMPFLER AG, 79576 WEIL AM RHEIN, DE Effective date: 20120803 Owner name: CONDUCTIX-WAMPFLER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONDUCTIX-WAMPFLER AG, 79576 WEIL AM RHEIN, DE Effective date: 20120803 Owner name: CONDUCTIX-WAMPFLER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONDUCTIX-WAMPFLER GMBH, 79576 WEIL AM RHEIN, DE Effective date: 20140828 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE CHARRIER RAPP & LIEBAU, DE Effective date: 20140828 Representative=s name: PATENTANWAELTE CHARRIER RAPP & LIEBAU, DE Effective date: 20120803 Representative=s name: CHARRIER RAPP & LIEBAU PATENTANWAELTE PARTG MB, DE Effective date: 20120803 Representative=s name: CHARRIER RAPP & LIEBAU PATENTANWAELTE PARTG MB, DE Effective date: 20140828 |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H02J0017000000 Ipc: H02J0050600000 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CONDUCTIX-WAMPFLER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: IPT TECHNOLOGY GMBH, 79588 EFRINGEN-KIRCHEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE CHARRIER RAPP & LIEBAU, DE Representative=s name: CHARRIER RAPP & LIEBAU PATENTANWAELTE PARTG MB, DE |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |