DE202012101406U1

DE202012101406U1 - Vorrichtung zur Zustandsüberwachung eines Gehäuses

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Publication number: DE202012101406U1
Application number: DE202012101406U
Authority: DE
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Conductix Wampfler GmbH
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2022-04-18

Abstract

Vorrichtung zur Zustandsüberwachung des Gehäuses (1) einer Primär- oder Sekundärspule einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser befindlichen Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Gehäuse (1) zwischen derjenigen Oberflächenseite (4), welche im Übertragungsbetrieb der jeweils anderen Spule zugewandt ist, und der in dem Gehäuse (1) befindlichen Spule (2) mindestens zwei separate Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) mit jeweils einer Vielzahl von zueinander zumindest annähernd parallelen Abschnitten (13, 15; 124, 126; 313, 315) angeordnet sind, wobei jede Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) eine zwischen besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) und der Spule (2) liegende Fläche definiert, deren Außenkontur in der Projektion auf besagte Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) die Außenkontur der Spule (2) umgibt, dass die Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) mit einer elektrischen Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) verbunden sind, die mindestens einen von der Impedanz zwischen den Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) abhängigen Messwert erfasst, und dass die Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) mit einer Auswertungseinrichtung (19; 119; 319) verbunden ist, die aus dem von der Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) erfassten Messwert mindestens ein Signal ableitet, das einen Zustand besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung des Gehäuses einer Primär- oder Sekundärspule einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen dienen der induktiven Ladung einer in einem Elektrofahrzeug eingebauten, wiederaufladbaren Batterie. Um die Zeitdauer des Ladevorgangs möglichst kurz zu halten, wird eine hohe Übertragungsleistung angestrebt. Hierzu sind hohe Ströme und Spannungen sowohl auf der Primärseite, als auch auf der Sekundärseite nötig. Eine mechanisch beschädigte Primär- oder Sekundärspule mit nicht mehr intakter Isolation der Wicklung stellt somit eine elektrische Gefahrenquelle dar.
Eine Primärspule einer Ladestation, die in einem Gehäuse am Boden eines Fahrzeugabstellplatzes angeordnet ist, kann beispielsweise beschädigt werden, wenn ein Fahrzeug mit zu geringer Bodenfreiheit oder ein Fahrzeug, bei dem aufgrund eines mechanischen Defekts ein Teil nach unten herausragt, über das Gehäuse der Primärspule hinwegfährt. Eine Beschädigung kann auch durch das Gewicht eines Rades eines schweren Fahrzeugs wie eines Lastkraftwagens, das unvorhergesehen auf oder über das Gehäuse rollt, verursacht werden. Ferner besteht die Möglichkeit einer Beschädigung durch Vandalismus. Eine in einem Gehäuse am Boden eines Elektrofahrzeugs angeordnete Sekundärspule kann insbesondere dann beschädigt werden, wenn das Fahrzeug einen auf einer Fahrbahn liegenden Fremdkörper überfährt oder wenn es bei einer Fahrt abseits einer befestigten Straße oder auf einer Straße in schlechtem Zustand auf dem Boden aufsitzt.
Wenn eine Beschädigung so massiv ist, dass nicht nur das Gehäuse betroffen ist, sondern bereits eine Windung der Spule durchtrennt ist oder Kurzschlüsse zwischen Windungen bestehen, kann die Beschädigung zumindest beim nächsten Ladevorgang von der Steuereinheit der Ladestation und/oder des Fahrzeugs anhand abnormaler Betriebsparameter erkannt und dem Benutzer angezeigt werden, wobei aber die Inbetriebnahme einer solchermaßen beschädigten Spule bereits ein Gefahrenpotential darstellt. Kritisch ist der Fall, dass eine Beschädigung zwar gefährlich ist, indem das Gehäuse und die Isolierung der Wicklung aufgerissen wurden und Windungsdrähte freiliegen, dies aber noch nicht bei einem Ladevorgang an fehlerhaften Betriebsparametern erkennbar ist.
Eine Beschädigung des Gehäuses einer Primär- oder Sekundärspule eines induktiven Energieübertragungssystems kann auch durch die Präsenz eines leitfähigen Fremdkörpers auf der Oberfläche des Gehäuses verursacht werden, in welchem beim Betrieb des Systems Wirbelströme induziert werden, die zu seiner Erhitzung führen. Ein erhitzter leitfähiger Fremdkörper stellt selbst eine Gefahrenquelle dar und kann darüber hinaus das Gehäuse der Spule und die Isolierung der Wicklung thermisch beschädigen. Im Fall der Primärspule kann ein solcher leitfähiger Fremdkörper beispielsweise ein von einer Person verlorener Gebrauchsgegenstand aus Metall oder eine leere Getränkedose sein. Auch könnte ein metallischer Fremdkörper in Sabotageabsicht absichtlich auf dem Spulengehäuse deponiert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die frühzeitige Erkennung eines unzulässigen Zustandes des Gehäuses einer Spule eines induktiven Energieübertragungssystems zu ermöglichen, um die Betriebssicherheit eines solchen Systems zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist bei einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung des Gehäuses einer Primär- oder Sekundärspule einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser befindlichen Fahrzeug in oder an dem Gehäuse zwischen derjenigen Oberflächenseite, welche im Übertragungsbetrieb der jeweils anderen Spule zugewandt ist, und der in dem Gehäuse befindlichen Spule mindestens zwei separate Messleitungen mit jeweils einer Vielzahl von zueinander zumindest annähernd parallelen Abschnitten angeordnet, wobei jede Messleitung eine zwischen besagter Oberflächenseite des Gehäuses und der Spule liegende Fläche definiert, deren Außenkontur in der Projektion auf besagte Oberflächenseite des Gehäuses die Außenkontur der Spule umgibt. Die Messleitungen sind mit einer elektrischen Impedanzmesseinrichtung verbunden, die mindestens einen von der Impedanz zwischen den Messleitungen abhängigen Messwert erfasst, und die Messeinrichtung ist mit einer Auswertungseinrichtung verbunden, die aus dem von der Impedanzmesseinrichtung erfassten Messwert mindestens ein Signal ableitet, das einen Zustand besagter Oberflächenseite des Gehäuses anzeigt.
Hierdurch kann ein in einfacher Weise, nämlich durch eine Impedanzmessung, ein unzulässiger Zustand der Oberfläche des Gehäuses, der bei einer Inbetriebnahme der induktiven Übertragung Personen gefährden oder größere Schäden an der Ladestation und/oder dem Fahrzeug verursachen könnte, nämlich eine mechanische Beschädigung des Gehäuses, aber auch die Präsenz eines leitfähigen Fremdkörpers auf seiner Oberfläche, der im Übertragungsbetrieb erhitzt würde, zuverlässig erkannt werden. Solche Messleitungen werden durch einen derartigen Oberflächendefekt entweder miteinander kurzgeschlossen werden oder es erfährt zumindest die zwischen ihnen messbare Impedanz, insbesondere deren kapazitiver Anteil, eine merkliche Veränderung.
Bevorzugt wird die Außenkontur der durch eine Messleitung definierten Fläche abschnittsweise unmittelbar durch Abschnitte der Messleitung gebildet und alle übrigen Abschnitte der Messleitung liegen innerhalb dieser Fläche, welche die kleinstmögliche zusammenhängende Fläche mit einer Außenkontur ohne konkave Abschnitte ist, die alle Abschnitte der Messleitung abdeckt.
Wenn die Messleitungen zwischen der Spule und besagter Oberflächenseite übereinander liegen und sich an einer Vielzahl von Stellen überkreuzen, ohne an diesen Stellen in elektrischem Kontakt miteinander zu stehen, ist bei einer mechanischen Beschädigung der Oberfläche in erster Linie eine gegenseitige Annäherung der Messleitungen und im Extremfall sogar eine Kontaktierung an solchen Überkreuzungsstellen zu erwarten. Messtechnisch kann dies als Kapazitätserhöhung oder Kurzschluss erfasst werden. Die einfachste Realisierung einer Messleitung mit nur einem externen Anschluss besteht aus einer sich unmittelbar von dem externen Anschluss aus erstreckenden Verteilerleitung sowie einer Vielzahl von zumindest annähernd parallel zueinander verlaufenden Stichleitungen, die von der Verteilerleitung abzweigen.
Eine besonders vorteilhafte Form einer Messleitung verläuft insgesamt mäanderförmig und weist jeweils eine Vielzahl von zueinander parallelen Hauptabschnitten und von kürzeren Verbindungsabschnitten auf, wobei ein Verbindungsabschnitt jeweils Enden zweier benachbarter Hauptabschnitte miteinander verbindet und bei einem Stromfluss durch die Messleitung die Stromrichtungen in benachbarten Hauptabschnitten zueinander entgegengesetzt sind. Mit dieser Form kann die Messleitung eine Fläche zwischen der Spule und der zu überwachenden Gehäuseoberfläche engmaschig überdecken, ohne dass in der Messleitung bei der induktiven Energieübertragung eine hohe Spannung induziert oder die Energieübertragung durch die Messleitung nennenswert beeinträchtigt wird. Ferner hat die Messleitung in diesem Fall zwei externe Anschlüsse, die zusätzlich eine Widerstandsmessung an der Messleitung erlauben, wodurch eine Beschädigung, die eine Widerstandserhöhung der Messleitung oder deren Durchtrennung verursacht hat, detektiert werden kann.
Die Stichleitungen bzw. Hauptabschnitte verschiedener Messleitungen liegen unter einem vorbestimmten Winkel zueinander, vorzugsweise zumindest annähernd senkrecht zueinander, wodurch sich insgesamt ein regelmäßiges, vorzugsweise orthogonales Gitter ergibt, durch dessen Maschenweite die Größe einer detektierbaren Beschädigung der Gehäuseoberfläche festgelegt werden kann. Alternativ kann eine Messleitung auch die Form einer einfachen Spirale oder einer Doppelspirale haben, die aus zwei Teilspiralen besteht, welche dergestalt überkreuzungsfrei ineinander liegen, dass eine Teilspirale von einem äußeren Rand zu einem gemeinsamen Zentrum und die andere Teilspirale von diesem Zentrum zurück zu dem äußeren Rand führt. Durch eine Doppelspiralform wird trotz einer gewundenen Struktur der Messleitung eine unerwünschte Induktionswirkung des zur Energieübertragung erzeugten Magnetfeldes auf die Messleitung vermieden und es stehen auch hier zwei externe Anschlüsse für eine zusätzliche Widerstandsmessung an einer einzelnen Messleitung zur Verfügung.
Eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung einer Messleitung besteht in einer Leiterbahn, die entweder unmittelbar auf einer Oberfläche des Gehäuses hergestellt ist, oder deren Träger eine flexible Kunststofffolie ist, die in das Gehäuse eingebettet oder auf eine Oberfläche des Gehäuses aufgeklebt ist. Wenn zwei verschiedene Messleitungen übereinander liegen, dann können sie durch eine Schicht aus isolierendem Material getrennt gehalten werden, welche eine geringere Festigkeit als das Gehäuse hat, um bei einer mechanischen Belastung besagter Oberflächenseite des Gehäuses eine Annäherung oder gegenseitige Kontaktierung der beiden Messleitungen in dem belasteten Bereich zu ermöglichen und einen messbaren Effekt herbeizuführen.
Anhand der Impedanz zwischen zwei verschiedenen Messleitungen kann mittels eines einfachen Schwellwertvergleichs ein binäres Signal abgeleitet werden, welches anzeigt, ob die Oberfläche des Gehäuses intakt oder beschädigt ist. Hierzu ist eine Kalibrierung mit einer Speicherung eines Referenzwertes der Impedanz im unbeschädigten Zustand in einem Speicher einer Auswertungseinrichtung vorteilhaft, wobei der zum Vergleich herangezogene Schwellwert dann einen bestimmten Abstand vom Referenzwert hat. Ebenfalls mittels eines solchen Schwellwertvergleichs kann die Präsenz eines leitfähigen Fremdkörpers festgestellt werden. Auch zur Auswertung des an einer einzelnen Messleitung mit zwei externen Anschlüssen gemessenen Widerstandes ist nur ein einfacher Schwellwertvergleich nötig, um zu entscheiden ob die Messleitung und damit auch die Oberfläche des Gehäuses intakt oder beschädigt ist. Eine Durchtrennung der Messleitung ist sogar besonders einfach an einem unendlich großen Widerstand erkennbar.
Ist der interessierende Zustand der zu überwachenden Gehäuseoberfläche das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers, dann kann zur Auswertung des erfassten Messwertes auch die Temperaturkennlinie des elektrischen Widerstandes der Messleitung herangezogen und ein Signal abgeleitet werden, welches eine Temperaturerhöhung der Oberfläche des Gehäuses im Betrieb der induktiven Energieübertragung anzeigt. Vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn die Auswertungseinrichtung einen Speicher aufweist, in dem ein ohne Bestromung der Spule gemessener Referenzwert des Widerstandes der Messleitung gespeichert ist. Dann kann die Auswertungseinrichtung das die Temperaturerhöhung anzeigende Signal aus der Differenz zwischen dem erfassten Messwert und dem Referenzwert ableiten, wodurch Fehler durch die Exemplarstreuung des Widerstandes der Messleitung und durch Schwankungen der Umgebungstemperatur vermieden werden. Auch in diesem Fall bedarf es als letzte Stufe der Auswertung nur eines Schwellwertvergleichs, um aus dem die Temperatur anzeigenden Signal ein binäres Signal abzuleiten, welches anzeigt, ob ein leitfähiger Fremdkörper vorhanden ist oder nicht.
Weitere zweckmäßige Maßnahmen sind der Einsatz einer mit der Auswertungseinrichtung verbundenen Anzeigeeinrichtung, über die bei Feststellung eines unzulässigen Zustandes der zu überwachenden Gehäuseoberfläche ein Warnsignal abgegeben wird, sowie die Verbindung der Auswertungseinrichtung mit einer Steuereinheit, welche eine Stromversorgungseinheit der Primärspule steuert, um bei Feststellung eines unzulässigen Zustandes der zu überwachenden Gehäuseoberfläche eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung durch die Steuereinheit auszulösen und so Gefahren und weitere Schäden zu vermeiden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine schematische Längsschnittansicht einer in ein Gehäuse eingebetteten Primärspule,
2 die Primärspule von 1 mit einer massiven Beschädigung des Gehäuses,
3 die Primärspule von 1 mit einer leichten, aber sicherheitsrelevanten Beschädigung des Gehäuses,
4 eine Primärspule entsprechend 1 mit zwei in das Gehäuse integrierten Messleitungen,
5 die Primärspule von 4 mit einer leichten, aber sicherheitsrelevanten Beschädigung des Gehäuses entsprechend 3,
6 eine erste Ausführungsform einer Anordnung von zwei in das Gehäuse einer Primärspule integrierten Messleitungen,
7 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung von zwei in das Gehäuse einer Primärspule integrierten Messleitungen,
8 eine weitere mögliche Ausführungsform einer in das Gehäuse einer Primärspule integrierten Messleitung,
9 eine Primärspule entsprechend 4 mit einer Anordnung von zwei in das Gehäuse integrierten Messleitungen und mit einem auf der Gehäuseoberfläche liegenden leitfähigen Fremdkörper und
10 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung von zwei in das Gehäuse einer Primärspule integrierten Messleitungen.
1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer in ein Gehäuse 1 eingebetteten Primärspule 2, die Bestandteil einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie innerhalb einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug ist. Die Primärspule 2 ist hier als planare Wicklung ausgeführt, um eine flache Bauform zu erzielen. Das Gehäuse 1 ist an einem Fahrzeugabstellplatz der Ladestation in der in 1 dargestellten Lage am Boden befestigt und liegt dabei mit der Unterseite 3 seiner Oberfläche auf dem Boden auf. Wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs geladen werden soll, dann wird das Fahrzeug so abgestellt, dass eine an dessen Unterseite montierte Sekundärspule von ähnlichem Aufbau wie die Primärspule 1 möglichst konzentrisch über dieser platziert wird. Die Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 der Primärspule 2 ist in diesem Fall der in den Figuren nicht gezeigten Sekundärspule zugewandt. Die für den Ladevorgang benötigte Schaltungstechnik ist als solche bekannt und hier nicht von Interesse.
Das Gehäuse 1 der Primärspule 2 besteht aus einem Material, welches sich zur Einbettung der Primärspule 2 eignet und das bei einer Bestromung der Primärspule 2 entstehende Magnetfeld nicht beeinträchtigt. Ferner sollte es mechanisch stabil und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sein. Insbesondere kommen hierfür diverse Kunststoffe in Frage. Es ist aber auch möglich, die Primärspule nicht in das Gehäusematerial einzubetten, sondern das Gehäuse 1 aus zwei Schalen zusammenzusetzen, die zwischen sich einen Hohlraum zur Aufnahme der Spule 2 bilden und nach Einbringung der Spule 2 in diesen Hohlraum dicht miteinander verbunden werden.
Während 1 den intakten Zustand des Gehäuses 1 zeigt, ist in 2 eine massive mechanische Beschädigung 5A des Gehäuses 1 auf der Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 dargestellt, die sich auch bereits auf einige Windungen 6 der Spule 2 erstreckt. Die betroffenen Windungen 6 könnten entweder durchtrennt oder durch Beschädigung ihrer Isolierung miteinander kurzgeschlossen sein. Beides wäre bei einer Inbetriebnahme der Spule 2 zur Energieübertragung erkennbar, bei einer Durchtrennung an nicht zustande kommendem Stromfluss, bei einem Kurzschluss an Abweichungen der Betriebsparameter von vorgesehenen Werten.
3 zeigt eine weniger gravierende mechanische Beschädigung 5A des Gehäuses, die sich zwar unmittelbar bis zu einigen Windungen 6 der Spule erstreckt, diese Windungen 6 aber noch nicht so weit erfasst hat, dass die Beschädigung 5A am elektrischen Betriebsverhalten der Spule 2 erkennbar wäre. So könnten Drähte der Windungen 6 freigelegt und von außen durch Personen berührbar sein, ohne dass sich der Widerstand oder die Induktivität der Spule 2 geändert hätte. Auch ein Freiliegen von Windungen 6 mit noch unbeschädigter Isolierung wäre bereits ein nicht dauerhaft tolerierbarer Defekt, da die vorgesehene Schutzfunktion des Gehäuses 1 für diese Windungen 6 nicht mehr vorhanden wäre.
Eine erfindungsgemäße Lösung zur Erkennung einer Beschädigung 5A der in 3 gezeigten Art ist in 4 dargestellt. Es handelt sich dabei um zwei zwischen der beschädigungsgefährdeten Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 und der Spule 2 in das Gehäuse 2 integrierte elektrische Messleitungen 7 und 8, die jeweils in einer Vielzahl von Abschnitten so verlegt sind, dass jede Messleitung 7 und 8 die Spule 2 gegenüber besagter Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 vollständig abdeckt, d.h. dass die Außenkontur der durch die Leitungsabschnitte definierten Fläche, die in der Ansicht von 4 senkrecht zur Ansichtsebene liegt, die Außenkontur der Spule 2 in der Projektion auf die Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 abdeckt. In 4 kommt dies darin zum Ausdruck, dass die äußersten der in der dortigen Längsschnittansicht sichtbaren Leitungsabschnitte 9 der oberen Messleitung 7 weiter außen nahe dem seitlichen Rand des Gehäuses 1 liegen als die äußerste Windung der planaren Spule 2, und dass sich der sichtbare Teil der unteren Messleitung 8 seitlich über die äußerste Windung der Spule 2 hinaus erstreckt.
Die Abdeckung der Spule 2 durch die Abschnitte der Messleitungen 7 und 8 hat die in 5 aufgezeigte Wirkung, dass eine Beschädigung 5A der in 3 gezeigten Art an dem Gehäuse 1 auch eine Beschädigung von Abschnitten 10 bzw. 11 der Messleitungen 7 und 8 zur Folge hat. Die von der Beschädigung 5A betroffenen Abschnitte 10 bzw. 11 der Messleitungen 7 und 8 sind in 5A zur Kennzeichnung schwarz ausgefüllt bzw. schraffiert. Die Beschädigung 5A des Gehäuses 1 kann zu einer Unterbrechung von betroffenen Abschnitten 10 und/oder 11 führen und wenn die Messleitungen 7 und 8 wie in 5 übereinander angeordnet sind, wird in der Regel eine Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 in dem betroffenen Bereich erfolgen. Dabei kann es zu Kurzschlüssen zwischen den betroffenen Abschnitten 10 und 11 kommen, die in einfacher Weise zu detektieren sind. Zumindest wird sich die Kapazität zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 signifikant ändern, d.h. sie wird entweder wegen einer Annäherung der beiden Messleitungen 7 und 8 zunehmen oder sie könnte wegen einer Abtrennung von Abschnitten absinken. Insgesamt kommt es durch die Beschädigung 5A in jedem Fall zu einer Änderung der zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 messbaren Impedanz. Die Beschädigung 5A ist anhand der Messleitungen 7 und 8 also auch dann erkennbar, wenn sie das Betriebsverhalten der Spule 2 noch nicht verändert.
Eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Anordnung zweier Messleitungen 7 und 8 sowie einer von diesen abgedeckten Spule 2 zeigt 6. Das Gehäuse 1 ist der Übersichtlichkeit halber in 6 ebenso wie in den 7 und 8 nicht dargestellt. Die Messleitung 7 besteht aus einer Verteilerleitung 12 und einer Vielzahl von Stichleitungen 13, die jeweils rechtwinklig und äquidistant zueinander von der Verteilerleitung 12 abzweigen. Ebenso besteht die Messleitung 8 aus einer Verteilerleitung 14 und einer Vielzahl von Stichleitungen 15, die jeweils rechtwinklig und äquidistant zueinander von der Verteilerleitung 14 abzweigen. Die Verteilerleitungen 12 und 14 und die Stichleitungen 13 und 15 verlaufen jeweils orthogonal zueinander.
Die Spule 2 hat in 6 eine rechteckige Form, doch könnte sie ebenso gut quadratisch, oval oder kreisförmig sein. Wesentlich ist, dass beide Messleitungen 7 und 8 jeweils einzeln eine in 6 gestrichelt schraffierte Fläche definieren, deren Außenkontur in der Ansichtsrichtung von 6 die Außenkontur der Spule 2, die bei einer planaren Form der Spule 2 durch deren äußerste Windung definiert wird, vollständig einschließt. Zur Unterscheidung voneinander verlaufen die Schraffuren der beiden Flächen in 6 orthogonal zueinander. Wie aus 6 ersichtlich ist, wird die Außenkontur besagter Flächen jeweils abschnittsweise unmittelbar durch Abschnitte der Messleitung 7 bzw. 8 gebildet und alle übrigen Abschnitte der Messleitung 7 bzw. 8 liegen innerhalb der Fläche. Die Fläche ist die kleinstmögliche zusammenhängende Fläche mit einer Außenkontur ohne konkave Abschnitte, die alle Abschnitte der Messleitung 7 bzw. 8 abdeckt. In diesem Fall liegt eine Beschädigung 5A oder 5B des Gehäuses 1, welche potentiell die Windungen der Spule 2 betreffen könnte, stets innerhalb der durch die Messleitungen 7 definierten Flächen.
Die Form der Messleitungen 7 und 8 erfüllt nicht nur den Zweck, die Primärspule 2 abzudecken, sondern sie hat auch den Vorteil, dass eine Induktionswirkung des von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugten magnetischen Wechselfeldes auf die Messleitungen 7 und 8 minimiert wird, indem die Messleitungen 7 und 8 keine geschlossenen Schleifen aufweisen. Die Induktion einer hohen Spannung in den Messleitungen 7 und 8 beim Betrieb der induktiven Energieübertragung wäre nämlich unerwünscht.
Der geringe Querschnitt der Messleitungen 7 und 8, der zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit gegenüber einer mechanischen Belastung nötig ist, hat den positiven Nebeneffekt, dass das von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugte magnetische Wechselfeld durch die Präsenz der Messleitungen 7 und 8 nicht signifikant beeinflusst wird. Eine mögliche Realisierung der Messleitungen 7 und 8 ist jeweils eine Leiterbahn, deren Träger, wie bei flexiblen Leiterplatten bekannt, durch eine dünne flexible Kunststofffolie gebildet wird. Solche Folien könnten in ein Gehäuse 1 aus Kunststoff bei dessen Herstellung eingebettet oder auf die Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 aufgeklebt werden. Alternativ zu einer Kunststofffolie könnte bei der unteren Messleitung 8 auch die Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 unmittelbar als Träger einer Leiterbahn fungieren.
Zur elektrischen Isolierung der beiden Messleitungen 7 und 8 voneinander eignet sich insbesondere eine Folie aus weichem Material wie beispielsweise Silikon, die bei einer mechanischen Belastung der Oberfläche 4 des Gehäuses 2 einer Annäherung der davon betroffenen Abschnitte der beiden Messleitungen 7 und 8 nur wenig mechanischen Widerstand entgegensetzt. In den Figuren ist diese weiche isolierende Trennschicht zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 nicht dargestellt. Eine sehr zweckmäßige Lösung ist die Verwendung einer vorgefertigten Einheit, die aus zwei flexiblen Folienleiterplatten mit auf einander zugewandten Seiten ausgebildeten Messleitungen 7 und 8 sowie einer weichen Trennfolie zwischen den Messleitungen 7 und 8 besteht. Eine solche Einheit kann bei der Herstellung des Gehäuses 1 als Ganzes in das Gehäuse 1 eingebettet oder auf dessen Oberseite 4 aufgeklebt werden.
Wie 6 zeigt, sind zur Detektion einer Beschädigung 5A anhand der elektrischen Impedanz zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 deren Anschlüsse 16 und 17 mit einer Messeinrichtung 18 verbunden. Diese misst die elektrische Impedanz zwischen den Messleitungen 7 und 8 und gibt den Messwert an eine Auswertungseinrichtung 19 ab. Die Änderung der Impedanz infolge einer Beschädigung 5A kann wie erwähnt im Auftreten eines Kurzschlusses oder in einer signifikanten Änderung der Kapazität gegenüber einem Referenzwert, der bei einer Kalibrierung im intakten Zustand des Gehäuses 1 gemessen und in einem Speicher der Auswertungseinrichtung 19 abgelegt wurde, bestehen.
Falls ein Kurzschluss oder ein endlicher Widerstandswert und/oder eine deutlich vom gespeicherten Referenzwert abweichender Kapazitätswert gemessen wird, deutet dies auf eine Beschädigung 5A des Gehäuses 1 hin. Zur Feststellung dieser Situation weist die Auswertungseinrichtung 19 eine Vergleichseinrichtung auf, welche den erhaltenen Messwert der Impedanz mit einem oder mehreren Schwellwerten vergleicht und bei einer vorgegebenen Unter- bzw. Überschreitung solcher Schwellwerte auf das Vorliegen einer Beschädigung 5A entscheidet. Die einfachste Möglichkeit ist hierbei die Auswertung des Betrages der Impedanz und deren Vergleich mit einem einzigen Schwellwert, dessen Unterschreitung in diesem Fall als Indiz für eine Beschädigung 5A zu betrachten ist.
Es können aber auch der ohmsche Widerstand und die Kapazität getrennt ermittelt und mit jeweiligen Schwellwerten verglichen werden. In diesem Fall würden die Unterschreitung einer bestimmten Widerstandsschwelle und eine Überschreitung einer bestimmten Kapazitätsschwelle jeweils allein als Indiz für eine Beschädigung 5A gewertet werden. In Betracht kommt als solches Indiz darüber hinaus auch eine Unterschreitung einer anderen, signifikant unterhalb der Referenzkapazität liegenden Kapazitätsschwelle, die auf die Abtrennung eines Teils einer der Messleitungen durch eine Beschädigung 5A hindeuten würde.
Die Auswertungseinrichtung 19 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 20 verbunden, die bei Erkennung einer Beschädigung 5A ein Aktivierungssignal erhält und daraufhin ein optisches und/oder akustisches Warnsignal abgibt. Die Auswertungseinrichtung 19 kann auch mit einer Steuereinheit, welche eine Stromversorgungseinheit der Primärspule 2 steuert, verbunden sein, um eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung durch die Steuereinrichtung auszulösen, wenn eine Beschädigung 5A erkannt wurde. Des Weiteren kann in diesem Fall auch eine Nachricht an eine übergeordnete Stelle gesendet werden, die eine Überprüfung und ggf. eine Reparatur der Beschädigung 5A veranlassen kann.
Wie aus 6 ersichtlich ist, hängt die Erkennung einer Beschädigung nicht nur davon ab, wie groß die betroffene Fläche ist, sondern auch davon, welche genaue Form und Lage bezüglich der Messleitungen 7 und 8 die Beschädigung hat. So sind zwar die von den beiden in 6 schematisch dargestellten Beschädigungen 5A und 5B betroffenen Flächen annähernd gleich groß und von gleicher Form, doch es ist von der Beschädigung 5A eine stärkere Beeinflussung der Impedanz zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 zu erwarten, da sie genau über einer der Stichleitungen 13 der Messleitung 7 liegt. Die Beschädigung 5B, welche sich unmittelbar über einer Windung der Spule 2 befindet, hätte hingegen einen geringeren Einfluss auf besagte Impedanz, da sie genau zwischen zwei Stichleitungen 15 liegt.
Beschädigungen 5A oder 5B von länglicher Form sind als typisch anzunehmen, da sie dann entstehen, wenn ein sich annähernd geradlinig bewegender harter Gegenstand an der Oberseite 4 der Oberfläche eines Gehäuses 1 einer Spule 2 entlangschrammt und dabei partiell in das Gehäuse 1 eindringt. Angesichts dessen erscheint es als zweckmäßig, die zueinander orthogonalen Stichleitungen 15 und 13 nicht wie in 6 gezeigt anzuordnen, sondern vielmehr unter einem Winkel von +45° bzw. –45° zur vorgesehenen Fahrtrichtung, um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung 5B mit für die Detektion ungünstiger Lage zu minimieren.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung von zwei Messleitungen 107 und 108 ist in 7 dargestellt. Hier weisen die beiden Messleitungen 107 und 108 jeweils eine Vielzahl von mäanderförmigen Schleifen 122 bzw. 123 auf. Jede Schleife 122 besteht aus zwei zueinander parallelen Hauptabschnitten 124 und zwei wesentlich kürzeren Verbindungsabschnitten 125. Jeder Verbindungsabschnitt 125 verbindet jeweils die Enden zweier benachbarter Hauptabschnitte 124 miteinander und die Schleifen 122 wiederholen sich periodisch, so dass sich insgesamt eine einzige durchgehende Messleitung 107 mit zwei externen Anschlüssen 116A und 116B ergibt. Die Verbindungsabschnitte 125 sind in dem dargestellten Beispiel geradlinig, doch sie könnten auch abgerundet, beispielsweise halbkreisförmig sein. Die Schleifen 123 der zweiten Messeleitung 108 haben die gleiche Grundstruktur wie die Schleifen 122 der Messleitung 107, also Hauptabschnitte 126 und Verbindungsabschnitte 127. Folglich hat auch die Messleitung 108 zwei externe Anschlüsse 117A und 117B. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform nach 6 ist hier ein Stromfluss durch jede einzelne der Messleitungen 107 und 108 möglich.
Auch jede der Messleitungen 107 und 108 definiert eine Fläche, welche die in 7 nicht gezeigte Primärspule 2 abdeckt. Diese Flächen sind in 7 analog zu 6 durch zueinander orthogonale Schraffuren gekennzeichnet. Die Mäanderform der Messleitungen 107 und 108 erfüllt auch hier nicht nur den Zweck, die Primärspule 2 abzudecken, sondern sie hat auch den Vorteil, dass die Induktionswirkung des von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugten magnetischen Wechselfeldes auf die Messleitung 7 minimiert wird, indem die Mäanderschleifen 122 und 123 im Gegensatz zu den Windungen einer Spule keine Vervielfachung der induzierten Spannung verursachen.
Für die Detektion einer Beschädigung 5A oder 5B anhand einer Messung der Impedanz zwischen den beiden Messleitungen 107 und 108 gilt für die in 7 dargestellte zweite Ausführungsform dasselbe wie für die zuvor anhand 6 erläuterte erste Ausführungsform. Die Impedanzmessung erfolgt in diesem Fall durch die Messeinrichtung 118 zwischen den Anschlüssen 116B und 117A. Die Messeinrichtung 118 ist auch hier mit einer Auswertungseinrichtung 119 verbunden und letztere ist mit einer Anzeigeeinrichtung 120 verbunden.
Zusätzlich eröffnet die zweite Ausführungsform nach 7 jedoch die Möglichkeit einer Detektion einer Beschädigung 5A oder 5B anhand des elektrischen Widerstandes der Messleitungen 107 und 108. Zu diesem Zweck sind die Anschlüsse 116A und 116B der Messleitung 107 mit einer zusätzlichen Messeinrichtung 128 verbunden und die Anschlüsse 117A und 117B der Messleitung 108 sind mit einer zusätzlichen Messeinrichtung 129 verbunden. Die Messeinrichtungen 128 und 129 messen jeweils den elektrischen Widerstand der Messleitung 107 bzw. 108 und geben die Messwerte des Widerstandes bzw. ein Signal, das eine Überschreitung des Messbereiches anzeigt, an die Auswertungseinrichtung 119 ab. Wenn der Messbereich einer Messeinrichtung 128 oder 129 überschritten ist, so bedeutet dies, dass die jeweils angeschlossene Messleitung 107 bzw. 108 unterbrochen ist, was ein klares Indiz für eine Beschädigung 5A oder 5B des Gehäuses 1 ist. Wenn an einer Messleitung 107 oder 108 ein endlicher Widerstandswert gemessen wird, der weit über dem normalen Wertebereich liegt, so deutet dies zumindest auf eine Beschädigung dieser Messleitung 107 oder 108 und damit auch des Gehäuses 1 hin.
Zur Feststellung einer solchen Situation weist die Auswertungseinrichtung 119 eine Vergleichseinrichtung auf, welche die erhaltenen Messwerte des Widerstandes der Messleitungen 107 und 108 jeweils mit einem Schwellwert vergleicht und bei einer Überschreitung dieses Schwellwertes auf das Vorliegen einer Beschädigung 5A oder 5B entscheidet. Der Schwellwert muss kein vorab festgelegter Wert sein, sondern es kann auch bei unversehrtem Gehäuse 1 jeweils ein Referenzwert des Widerstandes der Messleitungen 107 und 108 gemessen werden. Der Schwellwert kann dann jeweils auf ein bestimmtes Vielfaches dieses Referenzwertes festgesetzt und in einem Speicher der Auswertungseinrichtung 119 abgelegt werden.
Alternativ zu separaten Widerstandsmessungen an den zwei Messleitungen 107 und 108 könnte auch ein von der Auswertungseinrichtung 119 steuerbarer Schalter zwischen den Anschlüssen 116B und 117A vorgesehen sein, durch dessen Schließen die beiden Messleitungen 107 und 108 in Serie zueinander schaltbar wären. In diesem Fall würde zur Detektion einer Beschädigung 5A oder 5B anhand einer Widerstandsmessung an der Serienschaltung nur eine der beiden Messeinrichtungen 128 oder 129 benötigt. Eine noch weiter gehende Vereinfachungsmöglichkeit wäre eine durch einen Schalter schließbare Verbindung zwischen den anderen Anschlüssen 116A und 117B der Messleitungen 107 und 108 zu deren Serienschaltung. In diesem Fall könnte die Impedanzmesseinrichtung 118 auch zur Messung des Widerstandes der Serienschaltung der Messleitungen 107 und 108 verwendet werden und es würden keine weiteren Messeinrichtungen 128 und 129 benötigt.
Gegenüber der ersten Ausführungsform nach 6 bietet die Auswertung des Widerstandswertes jeder einzelnen Messleitung 107 und 107 bei der zweiten Ausführungsform ein zusätzliches Kriterium für die Erkennung einer Beschädigung, d.h. die Auswertungseinrichtung 119 erkennt in diesem Fall eine Beschädigung 5A oder 5B als vorhanden, wenn entweder eine signifikante Impedanzänderung zwischen den beiden verschiedenen Messleitungen 107 und 108 oder eine signifikante Widerstandserhöhung an mindestens einer der beiden Messleitungen 107 oder 108 bzw. an deren Serienschaltung festgestellt wird. Durch diese Kombination verschiedener Kriterien kann die Zuverlässigkeit der Beschädigungserkennung verbessert werden. So würde bei der in 7 gezeigten Lage der Beschädigungen 5A und 5B die Beschädigung 5A am Widerstandswert der Messleitung 107 und die Beschädigung 5B am Widerstandswert der Messleitung 108 erkannt werden, und zwar jeweils unabhängig von einer Änderung der Impedanz zwischen den beiden Messleitungen 107 und 108. Beide Beschädigungen 5A und 5B würden ferner am Widerstandswert einer Serienschaltung der Messleitungen 107 und 108 erkannt werden.
Es versteht sich, dass auch anhand des Widerstandes zweier mäanderförmiger Messleitungen 107 und 108 nicht beliebig kleine Beschädigungen detektierbar sind, sondern eine Beschädigung 5A oder 15 muss eine durch die Abstände zweier benachbarter Hauptabschnitte einer Schleife 122 bzw. 123 definierte Mindestausdehnung quer zu den jeweiligen Hauptabschnitten 124 bzw. 126 haben, damit sich die Beschädigung 5A oder 5B unabhängig von ihrer genauen Lage relativ zu den Messleitungen 107 und 108 über mindestens eine der Messleitungen 107 oder 108 erstreckt. Der Abstand der Hauptabschnitte 124 und 126 der Schleifen 122 bzw. 123 muss an die Minimalgröße einer zu erfassenden Beschädigung 5A oder 5B entsprechend angepasst werden.
Eine weitere Ausführungsform einer zur Realisierung der Erfindung geeigneten Messleitung 207 zeigt 8. Die Messleitung 207 hat in diesem Fall die Form einer Doppelspirale, die sich aus zwei überkreuzungsfrei ineinander liegenden, an einem gemeinsamen Zentrum Z miteinander verbundenen Spiralen 207A und 207B zusammensetzt. An eine solche Messleitung 207 kann analog zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform nach 7 eine Messeinrichtung zur Messung des Widerstandes angeschlossen werden, d.h. die Messleitung 107 von 7 könnte durch die Messleitung 207 ersetzt werden. Ebenso könnte die zweite Messleitung 108 von 7 durch eine derartige Messleitung in Form einer Doppelspirale ersetzt werden. Dementsprechend könnte auch wie bei der vorherigen Ausführungsform die Impedanz zwischen zwei solchen übereinander angeordneten Doppelspiralen gemessen werden. Die Auswertung der Messwerte könnte genauso wie bei der vorherigen Ausführungsform erfolgen. Zweckmäßig ist ein diesem Fall ein seitlicher Versatz oder ein unterschiedlicher Windungsabstand der beiden Doppelspiralen zur Herbeiführung von zahlreichen Überkreuzungen, um das Ausmaß einer Kapazitätsänderung bzw. die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses infolge einer Beschädigung 5A oder 5B zu erhöhen.
Falls eine zusätzliche Widerstandsmessung nicht als nötig erachtet wird, könnte anstelle von Doppelspiralen mit jeweils zwei externen Anschlüssen auch einfache Sprialen mit nur einem einzigen externen Anschluss verwendet werden, die im Zentrum ohne externen Anschluss enden. Die Messung und Auswertung des Messwertes der Impedanz würde in diesem Fall der ersten Ausführungsform nach 6 entsprechen, d.h. es wäre dann im Vergleich zu dieser Ausführungsform nur jede der beiden Messleitungen 7 und 8 jeweils durch eine einfache Spirale ersetzt.
Bei der in 9 beispielhaft angenommenen quadratischen Grundform der Doppelspirale besteht ähnlich wie bei der Ausführungsform von 6 der Nachteil, dass die Wirkung einer Beschädigung 5A oder 15 bei annähernd gleicher Form und Größe von deren Lage bezüglich des Verlaufes der Messleitung 207 abhängt. So würde bei der in 9 dargestellten Situation anhand des Widerstandswertes der Messleitung 207 nur die Beschädigung 5A und nicht die Beschädigung 5B erkannt, weil letztere eine Längsrichtung hat, die der Richtung der Messleitung 207 entspricht und sie genau in einem Zwischenraum zwischen der ersten Spirale 207A und der zweiten Spirale 207B liegt. Bei einer kreisrunden Grundform der beiden Spiralen 207A und 207B wäre die Wahrscheinlichkeit höher, dass beide Beschädigungen 5A und 5B anhand des Widerstandswertes erkannt werden.
In 9 ist ein anderer unzulässiger Zustand der Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 der Primärspule 2 dargestellt, der darin besteht, dass ein leitfähiger Gegenstand 21 auf ihr liegt. Bei einer Bestromung der Primärspule 2 werden in dem Gegenstand 21 Wirbelströme induziert, die zu einer Erhitzung des Gegenstandes 21 und des Gehäuses 1 in dem Bereich um den Gegenstand 21 führen. Von dem erhitzten Gegenstand 21, der schlimmstenfalls bis zum Glühen gebracht werden kann, geht die Gefahr der Verletzung von Personen durch Verbrennungen und der Auslösung eines Brandes aus. Ferner kann die Erhitzung das Gehäuse 1 beschädigen, indem dieses erweicht und der Gegenstand 21 in seine Oberfläche eindringt. Erreicht er dabei die Spule 2, dann kann er Windungen kurzschließen und/oder eine leitfähige Verbindung vom Leiter der Spule 2 zur Umgebung herstellen und damit auch zu einer elektrischen Gefahrenquelle werden.
Die Präsenz eines solchen leitfähigen Fremdkörpers 21 kann ebenfalls mittels Messleitungen 7 und 8 der zuvor erläuterten Art detektiert werden. Wie anhand 9 ohne weiteres erkennbar ist, existiert eine Kapazität zwischen dem leitfähigen Fremdkörper 21 und sowohl den unter ihm befindlichen Abschnitten 10 der oberen Messleitung 7, die in 9 wie die beschädigten Abschnitte in 5 schwarz gekennzeichnet sind, als auch den unter ihm befindlichen Abschnitten der unteren Messleitung 8, von denen der betroffene Teil 11 des in 9 sichtbaren Abschnitts durch Schraffur gekennzeichnet ist. Durch diese kapazitive Kopplung von jeweiligen Abschnitten beider Messleitungen 7 und 8 mit dem leitfähigen Fremdkörper 21 ändert sich auch die Kapazität zwischen den beiden Messleitungen 7 und 8 infolge der Präsenz des Fremdkörpers 21.
Diese Kapazitätsänderung kann in gleicher Weise gemessen und ausgewertet werden, wie es zuvor anhand einer durch eine Beschädigung 5A oder 5B verursachten Kapazitätsänderung beschrieben wurde, wobei sich die Kapazität durch die Präsenz eines leitfähigen Fremdkörpers 21 stets erhöht. Bei Feststellung einer reinen Kapazitätserhöhung kann zwar nicht zwischen einer Annäherung der Messleitungen 7 und 8 infolge einer Beschädigung 5A oder 5B und der Präsenz eines Fremdkörpers 21 unterschieden werden, doch erfordern beide Fehlersituationen ohnehin eine Stilllegung der Primärspule 2 und eine Überprüfung des Gehäuses 1. Es versteht sich, dass auch die zweite Ausführungsform nach 7 mit Messleitungen 107 und 108 sowie die dritte Ausführungsform mit zwei spiralförmigen Messleitungen 207 gemäß 8 für eine solche Fremdkörperdetektion anhand einer Kapazitätsmessung geeignet sind.
Ein besonderer Vorteil der kapazitiven Fremdkörperdetektion mit zwei übereinander liegenden Messleitungen besteht darin, dass ein leitfähiger Fremdkörper 21 bereits erkannt werden kann, bevor die Primärspule 2 bestromt wird und es tatsächlich zu einer Erhitzung des Fremdkörpers 21 kommt. Eine solche Erhitzung kann somit durch diese Art der Fremdkörperdetektion wirksam vermieden werden.
Bei der zweiten Ausführungsform nach 7 kann die Präsenz eines Fremdkörpers 21 auch anhand des Widerstandswertes der oberen Messleitung 107 festgestellt werden, allerdings nur bei einer Bestromung der Primärspule 2. Durch die Erhitzung des Fremdkörpers 21 kommt es dann nämlich zu einer abnormalen Erwärmung des Gehäuses 1 und damit auch derjenigen Schleifen 122 der Messleitung 107, die im Bereich des Fremdkörpers 21 liegen. Diese Erwärmung führt aufgrund der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Leitermaterials der Messleitung 107 zu einer Erhöhung des Widerstandes der Messleitung 107 in dem von der Erwärmung betroffenen Bereich und damit auch insgesamt zu einer Erhöhung des Widerstandes der Messleitung 107.
Anhand der bekannten Widerstands-Temperaturkennlinie der Messleitung 107 kann diese Widerstandserhöhung in eine mittlere Temperaturerhöhung der Messleitung 107 umgerechnet werden. Überschreitet diese mittlere Temperaturerhöhung eine vorgegebene Schwelle, so ist dies ein Indiz für das Vorhandensein eines erhitzten leitfähigen Fremdkörpers 21. Die Detektion eines solchen Fremdkörpers 21 durch die Auswertungseinrichtung 119 kann also analog zur Detektion einer partiellen mechanischen Beschädigung der Messleitung 107 anhand eines Schwellwertvergleichs des gemessenen Widerstandes erfolgen. Hierbei ist der Schwellwert für eine unzulässige Erwärmung wesentlich niedriger anzusetzen als der Schwellwert für eine partielle mechanische Beschädigung der Messleitung 107, da die Temperaturkoeffizienten üblicher Leitermaterialien wie Kupfer, die für die Messleitung 107 in Frage kommen, nicht allzu groß sind und in der Regel auch nur ein Teil der Messleitung 107 von der Erwärmung betroffen ist.
Während die erfindungsgemäße Überwachung der mechanischen Integrität des Gehäuses 1 anhand des Widerstandes der Messleitung 107 bereits vor einer Inbetriebnahme der induktiven Energieübertragung erfolgen kann und während des Übertragungsbetriebs unterbleiben kann, da in diesem Zeitraum keine mechanische Beschädigung zu befürchten ist, muss die Temperaturüberwachung anhand des Widerstandes gerade während des Übertragungsbetriebs erfolgen. Da die Messleitung 107 auch bei einer Mäanderform wie in 7 eine nicht verschwindende Gegeninduktivität bezüglich der Spule 2 hat, wird in ihr während des Übertragungsbetriebs eine Spannung induziert, was mit einer gleichzeitigen Widerstandsmessung durch ein Ohmmeter nicht vereinbar ist. Daher muss für eine solche Art der Widerstandsmessung die Bestromung der Spule 2 kurzzeitig unterbrochen werden.
Die Temperaturüberwachung durch Widerstandsmessung kann aber auch während des laufenden Übertragungsbetriebs erfolgen, indem die Messeinrichtung 126 statt als Ohmmeter abwechselnd als Voltmeter und als Amperemeter betrieben wird. Aus der induzierten Leerlaufspannung und dem induzierten Kurzschlussstrom kann dann durch die Auswertungseinrichtung der ohmsche Widerstand der Messleitung 107 berechnet werden. Nötigenfalls kann auch ein in den Figuren nicht dargestellter Serienwiderstand mit bekanntem Wert in den durch die Messleitung 107 und die Messeinrichtung 126 gebildeten Stromkreis geschaltet werden, um den Kurzschlussfall zu vermeiden und den induzierten Strom auf einen bestimmten Bereich zu begrenzen.
Schwankungen der Umgebungstemperatur können berücksichtigt werden, indem ein vor Beginn der Energieübertragung insbesondere zur Überwachung der mechanischen Integrität des Gehäuses 1 gemessener Widerstandswert der Messleitung 107 als Referenzwert in einem Speicher der Auswertungseinrichtung 119 gespeichert wird. Durch die Bestimmung dieses Referenzwertes kann auch die Streuung des Widerstandes zwischen verschiedenen Exemplaren der Messleitung 107 als Fehlerquelle eliminiert werden. Bei Bedarf kann auch eine Erwärmung des Gehäuses 1 durch die bei der induktiven Übertragung primärseitig auftretenden Verluste durch eine Kalibrierung ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 21 berücksichtigt werden, indem die sich in diesem Fall einstellende Widerstandserhöhung der Messleitung 107 gegenüber einem zuvor gemessenen Referenzwert gemessen, zu diesem Referenzwert hinzuaddiert und die Summe als neuer Referenzwert in dem Speicher der Auswertungseinrichtung 119 gespeichert wird.
Um bei der resistiven Fremdkörperdetektion eventuelle Variationen der Messwerte im Betrieb der induktiven Energieübertragung durch die Sekundärseite zu vermeiden, kann die Messung auch ohne Vorhandensein einer Sekundärseite durchgeführt werden, beispielsweise bei unbenutzter Ladestation periodisch in bestimmten Zeitintervallen, oder wenn die Annäherung eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation detektiert wird, das Fahrzeug die Ladestation aber noch nicht erreicht hat, oder zumindest solange sich die Sekundärspule noch im Leerlauf befindet und trotz einer Bestromung der Primärspule 2 noch keine signifikanter Leistungsfluss zur Sekundärseite stattfindet.
Wenn die durch erfindungsgemäße Überwachung des Gehäuses 1 weder eine Beschädigung 5A oder 5B, noch ein leitfähiger Fremdkörper 21 detektiert wurde, können die Messleitungen 107 und 108 für die Dauer der induktiven Energieübertragung deaktiviert werden, da während der Präsenz einer Sekundärspule unmittelbar über der Primärspule 2 zumindest keine Beschädigung einer der beiden Spulen zu befürchten ist und auch der Eintritt eines leitfähigen Fremdkörpers 21 in den Spalt zwischen ihnen äußerst unwahrscheinlich ist. Für eine solche Deaktivierung können zwischen den Anschlüssen 116A, 116B, 117A und 117B und den Messeinrichtungen 118, 126 und 127 in 7 nicht dargestellte Schalter vorgesehen sein, durch welche zumindest die resistiven Messstromkreise aufgetrennt oder die Messeinrichtungen 118, 126 und 127 ganz von den Messleitungen 107 und 108 abgetrennt werden können, um die Messeinrichtungen 118, 126 und 127 vor induzierten Strömen zu schützen. Eine solche Abtrennung kann bei Bedarf auch bei einer Ausführungsform gemäß 6 mit einer Impedanzmessung 18 zu deren Schutz vorgenommen werden.
Ein Ausgang der Auswertungseinrichtung 19 bzw. 119 ist mit einer in den Figuren nicht dargestellten Steuereinheit, welche eine Stromversorgungseinheit der Primärspule 2 steuert, verbunden, um eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung durch die Steuereinheit auszulösen, wenn während eines induktiven Übertragungsvorgangs das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 21 erkannt wurde. Wenn vor Beginn eines Übertragungsvorgangs bereits eine mechanische Beschädigung des Gehäuses der Primärspule 2 oder das Vorhandensein eines Fremdkörpers 21 erkannt wurde, dann unterbleibt eine Bestromung der Primärspule 2 von vornherein. Letzteres gilt sinngemäß auch für eine Sekundärspule. Wenn an einer solchen eine mechanische Beschädigung detektiert wird, wird ein entsprechendes Warnsignal an eine Steuereinheit des Elektrofahrzeugs abgegeben, welche dann den Beginn eines Ladevorgangs unterbindet.
Eine dritte Ausführungsform einer Anordnung von zwei in das Gehäuse einer Primärspule integrierten Messleitungen zeigt 10. Diese Ausführungsform entspricht hinsichtlich der Struktur jeder einzelnen der beiden Messleitungen 307 und 308 der ersten Ausführungsform von 6. Der Unterschied zu dieser ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Stichleitungen 313 und 315, die von den Verteilerleitungen 312 und 314 abzweigen, sich hier nicht überkreuzen, sondern parallel zueinander verlaufen, so dass die beiden Messleitungen 307 und 308 zusammen einen sogenannten Interdigitalkondensator bilden. Wegen der fehlenden Überkreuzungen brauchen die beiden Messleitungen 307 und 308 nicht übereinander angeordnet zu sein, sondern können hier planar, beispielsweise als Leiterbahnen auf einer einzigen Seite einer flexiblen Leiterplatte realisiert sein.
Die von jeder einzelnen Messleitung 307 und 308 definierte Fläche überdeckt, wie durch entsprechende Schraffuren gekennzeichnet ist, die Primärspule 2 auch hier vollständig. Wie bei der ersten Ausführungsform sind die externen Anschlüsse 316 und 317 der Messleitungen 307 und 308 mit einer Impedanzmesseinrichtung 318 verbunden. Diese ist mit einer Auswertungseinrichtung 319 und letztere mit einer Anzeigeeinrichtung 320 verbunden.
Anhand der auch in 10 beispielhaft eingezeichneten Beschädigungen 5A und 5B ist erkennbar, dass bei einer länglichen Beschädigung 5A quer zu den Stichleitungen 313 und 315 diese Stichleitungen 313 und 315 durchtrennt oder zusammengequetscht werden können, was mit einer gewissen Impedanzänderung verbunden ist. Eine längliche Beschädigung 5B parallel zu den Stichleitungen 313 und 315 kann jedoch bei ungünstiger Lage, d.h. wenn sie genau zwischen zwei Stichleitungen 313 und 315 liegt, schlecht oder im ungünstigsten Fall nicht detektiert werden. Ebenfalls schlechter detektierbar sind im Vergleich zur ersten Ausführungsform Beschädigungen durch rein senkrechte Krafteinwirkungen auf die Oberfläche 4 des Gehäuses 1 ohne seitliche Kraftkomponente, bei denen es nur zu einer Verformung von Stichleitungen 313 und 315 senkrecht zur Oberfläche 4 des Gehäuses 1 kommt. Ebenso gut wie mit den anderen Ausführungsformen ist jedoch mit der dritten Ausführungsform gemäß 10 die Präsenz eines leitfähigen Fremdkörpers 21 auf der Oberfläche 4 des Gehäuses 1 detektierbar, da die Kapazität des durch die Messleitungen 307 und 308 gebildeten Interdigitalkondensators hierdurch in gleicher Weise erhöht wird.
Bei der Beschreibung der Fremdkörperdetektion durch Temperaturmessung anhand des elektrischen Widerstandes einer Messleitung wurde zwar auf die mäanderförmige obere Messleitung 107 des zweiten Ausführungsbeispiels Bezug genommen. Es versteht sich aber, dass eine spiralförmige Messleitung 207 ebenso dazu geeignet ist. Grundsätzlich ist auch die untere Messleitung 108 des zweiten Ausführungsbeispiels dazu geeignet, doch ist von der oberen Messleitung 107 wegen der geringeren Entfernung von dem Fremdkörper 21 ein größerer Messeffekt zu erwarten.
Die Fremdkörperdetektion ist zwar insbesondere bei der Primärspule 2 einer Ladestation von Interesse, da hier ein Fremdkörper 21 leichter auf die Oberseite 4 der Oberfläche des Gehäuses 1 gelangen kann, doch kann die erfindungsgemäße Fremdkörperdetektion ebenso wie die erfindungsgemäße Überwachung der mechanischen Integrität auch bei einer an der Unterseite eines Elektrofahrzeugs angeordneten Sekundärspule angewandt werden, da auch dort ein Fremdkörper 21 anhaften könnte. Hierbei ist die kapazitive Messung ohne Modifikationen übertragbar, während für die resistive Temperaturmessung die Sekundärspule kurzzeitig aus der Batterie des Fahrzeugs bestromt werden muss, damit ein Messeffekt erzielbar ist.
Für eine Beschädigungsdetektion anhand einer Impedanzmessung werden mindestens zwei Messleitungen benötigt, aber es könnten zur Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Redundanz auch mehr als zwei Messleitungen vorgesehen werden. Auch könnten verschiedene Formen von Messleitungen miteinander kombiniert und übereinander angeordnet werden, beispielsweise eine mäanderförmige Messleitung 107 gemäß 7 mit einer Messleitung 8 gemäß 6, die aus einer Verteilerleitung 14 und Stichleitungen 15 besteht.
Obgleich in der vorausgehenden Beschreibung angenommen wurde, dass die Primärspule 2 einer Ladestation am Boden eines Fahrzeugabstellplatzes und die Sekundärspule an der Unterseite eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, kann die Erfindung jederzeit auch auf andere Anordnungen, bei denen die beschädigungsgefährdete Oberflächenseite 4 des Gehäuses 1 beispielsweise eine vertikale Lage hat, angewendet werden.
Wenn eine Messung zur Detektion einer Beschädigung und/oder eines leitfähigen Fremdkörpers während der induktiven Energieübertragung durchgeführt werden soll, kann es zweckmäßig sein, die Energieübertragung für die Messung kurzzeitig zu unterbrechen, um eine Störung der Messung durch das Magnetfeld der Primärspule zu vermeiden.

Claims

Vorrichtung zur Zustandsüberwachung des Gehäuses (1) einer Primär- oder Sekundärspule einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser befindlichen Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Gehäuse (1) zwischen derjenigen Oberflächenseite (4), welche im Übertragungsbetrieb der jeweils anderen Spule zugewandt ist, und der in dem Gehäuse (1) befindlichen Spule (2) mindestens zwei separate Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) mit jeweils einer Vielzahl von zueinander zumindest annähernd parallelen Abschnitten (13, 15; 124, 126; 313, 315) angeordnet sind, wobei jede Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) eine zwischen besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) und der Spule (2) liegende Fläche definiert, deren Außenkontur in der Projektion auf besagte Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) die Außenkontur der Spule (2) umgibt, dass die Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) mit einer elektrischen Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) verbunden sind, die mindestens einen von der Impedanz zwischen den Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) abhängigen Messwert erfasst, und dass die Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) mit einer Auswertungseinrichtung (19; 119; 319) verbunden ist, die aus dem von der Impedanzmesseinrichtung (18; 118, 318) erfassten Messwert mindestens ein Signal ableitet, das einen Zustand besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur der durch eine Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) definierten Fläche abschnittsweise unmittelbar durch Abschnitte der Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) gebildet wird, dass alle übrigen Abschnitte der Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) innerhalb dieser Fläche liegen, und dass die Fläche die kleinstmögliche zusammenhängende Fläche mit einer Außenkontur ohne konkave Abschnitte ist, die alle Abschnitte der Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleitungen (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) zwischen der Spule (2) und besagter Oberflächenseite (4) übereinander liegen und sich an einer Vielzahl von Stellen überkreuzen, ohne an diesen Stellen in elektrischem Kontakt miteinander zu stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messleitung (7, 8; 307, 308) eine sich unmittelbar von einem externen Anschluss (16, 17; 316, 317) aus erstreckende Verteilerleitung (12, 14; 312, 314) sowie eine Vielzahl von zumindest annähernd parallel zueinander verlaufenden Stichleitungen (13, 15; 313, 315), die von einer Verteilerleitung (12, 14; 312, 314) abzweigen, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messleitung (107, 108) insgesamt mäanderförmig verläuft und jeweils eine Vielzahl von zueinander parallelen Hauptabschnitten (124, 126) und von kürzeren Verbindungsabschnitten (125, 127) aufweist, wobei ein Verbindungsabschnitt (125, 127) jeweils Enden zweier benachbarter Hauptabschnitte (124, 126) miteinander verbindet und in Fall eines Stromflusses durch die Messleitung (107, 108) die Stromrichtungen in benachbarten Hauptabschnitten (124, 126) zueinander entgegengesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitungen (13, 15; 313, 315) bzw. Hauptabschnitte (124, 126) verschiedener Messleitungen (7, 8; 107, 108; 307, 308) unter einem vorbestimmten Winkel zueinander, vorzugsweise zumindest annähernd senkrecht zueinander liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messleitung (207) die Form einer einfachen Spirale oder einer Doppelspirale hat, wobei letztere aus zwei Teilspiralen (207A; 207B) besteht, welche dergestalt überkreuzungsfrei ineinander liegen, dass eine Teilspirale (207A) von einem äußeren Rand zu einem gemeinsamen Zentrum (Z) und die andere Teilspirale (207B) von diesem Zentrum (Z) zurück zu dem äußeren Rand führt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messleitung (107, 108) zwei externe Anschlüsse (116A, 116B; 117A, 117B) aufweist, die jeweils mit einer elektrischen Widerstandsmesseinrichtung (128, 129) verbunden sind, die mindestens einen vom elektrischen Widerstand der Messleitung (107, 108) abhängigen Messwert erfasst, und dass die Widerstandsmesseinrichtung (128, 129) mit der Auswertungseinrichtung (119) verbunden ist, die aus dem von der Widerstandsmesseinrichtung (128, 129) erfassten Messwert mindestens ein Signal ableitet, das einen Zustand besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messleitung (7, 8; 107, 108; 207; 307, 308) durch eine Leiterbahn gebildet wird, die unmittelbar auf einer Oberfläche des Gehäuses (1) hergestellt ist, oder deren Träger eine flexible Kunststofffolie ist, die in das Gehäuse (1) eingebettet oder auf eine Oberfläche des Gehäuses (1) aufgeklebt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschiedene übereinander liegende Messleitungen (7, 8; 107, 108) durch eine Schicht aus isolierendem Material getrennt sind, welche eine geringere Festigkeit als das Gehäuse (1) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (19; 119; 319) anhand eines Vergleichs mindestens eines erfassten Messwertes der Impedanz zwischen zwei verschiedenen Messleitungen (7, 8; 107, 108; 307, 308) und/oder des elektrischen Widerstandes einer Messleitung (107, 108) mit mindestens einem jeweiligen Schwellwert mindestens ein binäres Signal ableitet, welches die mechanische Integrität besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) und/oder das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (21) auf besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (119) anhand des erfassten Messwertes des Widerstandes und der Temperaturkennlinie des elektrischen Widerstandes einer Messleitung (107, 108) ein Signal ableitet, welches eine Temperaturerhöhung der Oberfläche (4) des Gehäuses (1) im Betrieb der induktiven Energieübertragung anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (119) einen Speicher aufweist, in dem ein ohne Bestromung der Spule (2) gemessener Referenzwert des Widerstandes der Messleitung (107, 108) gespeichert ist, und dass die Auswertungseinrichtung (119) das die Temperaturerhöhung anzeigende Signal aus der Differenz zwischen dem erfassten Messwert und dem Referenzwert ableitet und anhand eines Vergleichs mit einem Schwellwert ein binäres Signal ableitet, welches das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (21) auf besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Auswertungseinrichtung (19; 119; 319) mit einer Anzeigeeinrichtung (20; 120; 320) verbunden ist, und dass ein an diesem Ausgang ausgegebenes Signal einen unzulässigen Zustand besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt und die Ausgabe eines Warnsignals durch die Anzeigeeinrichtung (20; 120; 320) auslöst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Auswertungseinrichtung (20; 120; 320) mit einer Steuereinheit, welche eine Stromversorgungseinheit der Primärspule (2) steuert, verbunden ist, und dass ein an diesem Ausgang ausgegebenes Signal einen unzulässigen Zustand besagter Oberflächenseite (4) des Gehäuses (1) anzeigt und eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung durch die Steuereinheit auslöst.