DE202016100924U1

DE202016100924U1 - Device for detecting an electrically conductive foreign body

Info

Publication number: DE202016100924U1
Application number: DE202016100924.3U
Authority: DE
Original assignee: Ipt Tech GmbH; IPT TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: Enrx Ipt De GmbH
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-05-23
Anticipated expiration: 2026-02-23

Abstract

Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) an einer Primärspule (2) einer induktiven Ladestation für ein Elektrofahrzeug (1) unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten (12), die im Bereich der Primärspule (12) auf deren im Betrieb einer Sekundärspule (4) des Elektrofahrzeugs (1) zugewandten Seite über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorrichtung eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Gruppen (A–I) von Messinduktivitäten (12) durchgeführt werden, dass jede Messung an einer Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) an allen Messinduktivitäten (12) der Gruppe (A–I) gleichzeitig durchgeführt wird, und dass die Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, der so gewählt ist, dass das Übersprechen zwischen den Messsignalen der einzelnen Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.Device for detecting an electrically conductive foreign object (11) on a primary coil (2) of an inductive charging station for an electric vehicle (1) using a plurality of measuring inductors (12) which are located in the region of the primary coil (12) in operation of a secondary coil ( 4) of the electric vehicle (1) are arranged distributed over the cross section of the field region of the primary coil (2), characterized in that a multiplicity of successive measurements on different groups (A-I) of measuring inductances (12) are carried out by the device in that each measurement on a group (A-I) of measuring inductances (12) is carried out simultaneously on all the measuring inductances (12) of the group (A-I), and that the measuring inductances (12) of each group (A-I) among themselves have predetermined minimum distance, which is selected so that the crosstalk between the measuring signals of the individual measuring inductances (12) j each group (A-I) remains below a predetermined threshold.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device for detecting an electrically conductive foreign body on a device for inductive transmission of electrical energy according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie finden unter anderem Verwendung zum Laden 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. Devices for the inductive transmission of electrical energy are used inter alia for charging a built-in an electric vehicle, rechargeable battery. During the energy transmission, a magnetic field of high field strength and flux density is established between a stationary primary coil and a vehicle-side secondary coil. This is necessary in order to induce a sufficiently high current in the secondary coil for the desired transmission power.

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. Für einen weitgehend automatischen Betrieb induktiver Ladestationen für Elektrofahrzeuge, insbesondere beim Einsatz derartiger Ladestationen in öffentlich zugänglichen Bereichen, sind wirksame Sicherheitsmaßnahmen nötig, um Schäden und Gefährdungen von Personen durch erwärmte metallische Fremdkörper zu vermeiden. 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. For a largely automatic operation of inductive charging stations for electric vehicles, especially when using such charging stations in public areas, effective security measures are necessary to prevent damage and hazards to persons by heated metallic foreign bodies.

Aus der DE 10 2009 033 237 A1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei der zur Detektion eines leitfähigen Fremdkörpers über der Primärspule eine Vielzahl von Messinduktivitäten angeordnet sind, die jeweils mit einer Impedanzmesseinrichtung und mit einer gemeinsamen Auswertungseinrichtung verbunden sind. Hierbei kann jeder Messinduktivität eine eigene Impedanzmesseinrichtung zugeordnet sein, oder es können mehrere Messinduktivitäten über einen Analogmultiplexer mit einer gemeinsamen Impedanzmesseinrichtung verbunden sein. Des weiteren können die Messinduktivitäten auch zu Gruppen zusammengeschaltet sein, an denen nur die resultierende Impedanz der gesamten Gruppe gemessen wird. Die Schrift lässt jedoch offen, welche der genannten Möglichkeiten zu bevorzugen wäre. From the DE 10 2009 033 237 A1 a device for the inductive transmission of electrical energy is known in which a plurality of measuring inductances are arranged to detect a conductive foreign body on the primary coil, which are each connected to an impedance measuring device and a common evaluation device. In this case, each measuring inductance can be assigned its own impedance measuring device, or a plurality of measuring inductances can be connected to a common impedance measuring device via an analog multiplexer. Furthermore, the measuring inductances can also be interconnected into groups, at which only the resulting impedance of the entire group is measured. However, the text leaves open which of the options mentioned would be preferable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten aufzuzeigen, die eine möglichst schnelle und genaue Messung ermöglicht. The invention has for its object to provide a device for detecting an electrically conductive foreign body using a variety of measuring inductances, which allows the fastest possible and accurate measurement.

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 claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung werden zur Detektion eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Primärspule einer induktiven Ladestation für ein Elektrofahrzeug unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten, die im Bereich der Primärspule auf deren im Betrieb einer Sekundärspule des Elektrofahrzeugs zugewandten Seite über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) verteilt angeordnet sind, eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Gruppen von Messinduktivitäten durchgeführt, wobei jede Messung an einer Gruppe von Messinduktivitäten an allen Messinduktivitäten der Gruppe gleichzeitig durchgeführt wird und die Messinduktivitäten jeder Gruppe untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, der so gewählt ist, dass das Übersprechen zwischen den Messsignalen der einzelnen Messinduktivitäten jeder Gruppe unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt. A device according to the invention for detecting an electrically conductive foreign body on a primary coil of an inductive charging station for an electric vehicle using a plurality of measuring inductances, in the region of the primary coil on their side facing the operation of a secondary coil of the electric vehicle over the cross section of the field region of the primary coil ( 2 ), a plurality of successive measurements are performed on different groups of measuring inductances, each measurement being performed on a group of measuring inductances at all the measuring inductances of the group simultaneously and the measuring inductances of each group having a predetermined minimum distance between them, chosen such that the crosstalk between the measurement signals of the individual measurement inductances of each group remains below a predetermined threshold.

Hierdurch wird vermieden, dass sich die Messungen an den einzelnen Messinduktivitäten gegenseitig stören, d.h. dass durch das von jeder Messinduktivität bei der Messung ausgehende Magnetfeld bei benachbarten Messinduktivitäten einen Messfehler verursacht, der die Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers beeinträchtigen würde. Andererseits erfolgt die Fremdkörpererkennung durch die gleichzeitige Messung möglichst vieler Messinduktivitäten so schnell wie möglich. This avoids that the measurements at the individual measuring inductances interfere with each other, i. that the magnetic field emanating from each measuring inductance during the measurement causes a measurement error at adjacent measuring inductances that would impair the detection of a conductive foreign body. On the other hand, the foreign body detection by the simultaneous measurement of as many measuring inductances as quickly as possible.

Vorzugsweise sind die Messinduktivitäten jeder Gruppe über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule in einem regelmäßigen Muster verteilt angeordnet und die Messinduktivitäten jeder Gruppe füllen den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule soweit aus, dass weitere Messinduktivitäten derselben Gruppe bei einer Fortsetzung des regelmäßigen Musters außerhalb des Querschnitts des Feldbereiches liegen würden. Hierdurch wird eine vollständige Abdeckung des Feldbereiches durch die Fremdkörpererkennung gewährleistet. The measuring inductances of each group are preferably distributed over the cross section of the field region of the primary coil in a regular pattern, and the measuring inductances of each group fill the cross section of the field region of the primary coil to such an extent that further measuring inductances of the same group occur when the regular pattern continues outside the cross section of the field region would lie. As a result, a complete coverage of the field area is ensured by the foreign body detection.

Um den Ablauf der Fremdkörpererkennung zu beschleunigen, ist es vorteilhaft, wenn die an einer Gruppe von Messinduktivitäten erfassten Messsignale ausgewertet werden, während parallel dazu die Messsignale an der nächsten Gruppe von Messinduktivitäten erfasst werden. Hierdurch ergibt sich eine Verkürzung der Dauer eines Messzyklus, bei dem alle Messinduktivitäten gemessen und die Ergebnisse ausgewertet werden. In order to accelerate the course of the foreign body detection, it is advantageous if the measured signals detected at one group of measuring inductances are evaluated, while at the same time the measuring signals at the next group of measuring inductances are detected. This results a shortening of the duration of a measuring cycle in which all measuring inductances are measured and the results are evaluated.

Ein Messsignal kann zweckmäßig ausgewertet werden, indem mindestens ein Parameter des Messsignals mit dem entsprechenden Parameter eines ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers ermittelten Referenzsignals verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses über das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers im Bereich der Messinduktivität entschieden wird. A measuring signal can be expediently evaluated by comparing at least one parameter of the measuring signal with the corresponding parameter of a reference signal determined without the presence of a conductive foreign body and deciding the presence of a conductive foreign body in the region of the measuring inductance on the basis of the comparison result.

Bevorzugt wird ein das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers anzeigendes Alarmsignal erzeugt und an eine Anzeigeeinheit und/oder eine Steuereinheit der Ladestation abgegeben, sobald bei der Auswertung des Messsignals irgendeiner Messinduktivität das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers festgestellt wird. Auf diese Weise können die bei Vorhandensein eines Fremdkörpers nötigen Maßnahmen so schnell wie möglich eingeleitet werden, noch bevor ein Messzyklus vollständig abgelaufen ist. Preferably, an alarm signal indicating the presence of a conductive foreign body is generated and delivered to a display unit and / or a control unit of the charging station as soon as the presence of a conductive foreign body is detected during the evaluation of the measuring signal of any measuring inductance. In this way, the necessary measures in the presence of a foreign body can be initiated as quickly as possible, even before a measurement cycle has ended completely.

Am Ende eines Messzyklus, in dem alle Gruppen von Messinduktivitäten gemessen und deren Messsignale ausgewertet wurden, können aus den Ergebnissen der Auswertungen aller einzelnen Messsignale Daten zu ermitteln, welche die Position und die Größe eines leitfähigen Fremdkörpers angeben. Dies ermöglicht eine präzise Information für den Benutzer der Ladestation über den festgestellten Fehler und eine quantitative Bewertung des Fehlers. At the end of a measuring cycle in which all groups of measuring inductances were measured and their measuring signals were evaluated, the results of the evaluations of all individual measuring signals can be used to determine data indicating the position and size of a conductive foreign body. This allows accurate information to the charging station user about the detected fault and a quantitative assessment of the fault.

Durch den Einsatz eines Analogmultiplexers, durch den eine Gruppe von Messinduktivitäten vor Beginn der Messung an dieser Gruppe mit je einer Messeinrichtung pro Messinduktivität verbunden wird, kann die Anzahl der benötigten Messvorrichtungen auf die Maximalzahl der Mitglieder einer Gruppe beschränkt werden, wodurch sich bei einer großen Anzahl an Messinduktivitäten eine Einsparung von Hardware zur Durchführung der Messungen ergibt. Through the use of an analog multiplexer, by which a group of measuring inductors is connected to one measuring device per measuring inductance before starting the measurement at this group, the number of required measuring devices can be limited to the maximum number of members of a group, which results in a large number at measurement inductances a saving of hardware for performing the measurements results.

Je nachdem, ob ein Fremdkörper vor oder während einer induktiven Energieübertragung detektiert wurde, kann die induktive Energieübertragung durch eine Steuereinheit der Ladestation blockiert, abgebrochen oder in der Leistung reduziert werden. Letzteres wird dadurch ermöglicht, dass ein Feld einer Vielzahl von Messinduktivitäten eine Ortung und Abschätzung der Größe und Form eines Fremdkörpers gestattet. Depending on whether a foreign body was detected before or during an inductive energy transfer, the inductive energy transfer can be blocked by a control unit of the charging station, canceled or reduced in performance. The latter is made possible by a field of a multiplicity of measuring inductances allowing a location and estimation of the size and shape of a foreign body.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In these shows

1 eine schematische Darstellung einer Ladestation zur induktiven Energieübertragung mit einem in Ladeposition befindlichen Elektrofahrzeug, 1 a schematic representation of a charging station for inductive energy transfer with an in-loading electric vehicle,

2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an der Primärspule der Ladestation von 1, 2 a schematic representation of a device for detecting an electrically conductive foreign body to the primary coil of the charging station of 1 .

3 eine räumliche Verteilung verschiedener Gruppen von Messinduktivitäten der Vorrichtung von 2, 3 a spatial distribution of different groups of measuring inductances of the device of 2 .

4 eine Darstellung eines ersten Teils der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Programmablaufplans und 4 a representation of a first part of the operation of the device according to the invention in the form of a program flowchart and

5 eine Darstellung eines zweiten Teils der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Programmablaufplans. 5 a representation of a second part of the operation of the device according to the invention in the form of a program flowchart.

1 zeigt ein Elektrofahrzeug 1, welches zum Aufladen seiner Batterie über der Primärspule 2 einer Ladestation steht, in einer schematischen Schnittansicht (oben) und in einer schematischen Draufsicht (unten). An der Unterseite des Fahrzeugs 1 befindet sich in einem Gehäuse 3 eine Sekundärspule 4, die mit einer Ladeelektronik 5 verbunden ist. Diese wandelt die Parameter der induktiv in die Sekundärspule 4 übertragenen elektrischen Leistung in zur Ladung der Batterie des Fahrzeugs 1 geeignete Werte. Die Primärspule 2 wird von einer Stromversorgungseinheit 6 der Ladestation gespeist und ist in einem Gehäuse 8 untergebracht, welches stationär an einem Fahrzeugabstellplatz angebracht ist. Die Stromversorgungseinheit 6 wird von einer Steuereinheit 7 der Ladestation gesteuert. 1 shows an electric vehicle 1 which is used to charge its battery over the primary coil 2 a charging station, in a schematic sectional view (top) and in a schematic plan view (bottom). At the bottom of the vehicle 1 is located in a housing 3 a secondary coil 4 that come with a charging electronics 5 connected is. This converts the parameters of inductively into the secondary coil 4 transferred electrical power in to charge the battery of the vehicle 1 suitable values. The primary coil 2 is from a power supply unit 6 fed the charging station and is in a housing 8th housed, which is stationarily mounted on a vehicle parking space. The power supply unit 6 is from a control unit 7 the charging station controlled.

Gestrichelt sind in 1 einige Feldlinien 9 des von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugten magnetischen Wechselfeldes angedeutet. Seine Hauptrichtung entspricht der Richtung der Spulenachse der Primärspule 2 und ist somit die Vertikalrichtung. In dem Zwischenraum 10 unmittelbar oberhalb des Gehäuses 8 der Primärspule 2 herrscht im Betrieb eine hohe magnetische Feldstärke und Flussdichte. Dashed are in 1 some field lines 9 of the primary coil 2 indicated during operation magnetic alternating field. Its main direction corresponds to the direction of the coil axis of the primary coil 2 and thus is the vertical direction. In the gap 10 immediately above the housing 8th the primary coil 2 During operation, there is a high magnetic field strength and flux density.

Auf dem Gehäuse 8 der Primärspule 2 liegt ein metallischer Gegenstand 11. Dieser kann sich beispielsweise von einem anderen Fahrzeug, welches vor dem Fahrzeug 1 an der Ladestation gestanden hat, gelöst haben. Es könnte sich auch um einen von einer Person verlorenen Gebrauchgegenstand oder um eine leere Getränkedose handeln. Nicht zuletzt könnte der Gegenstand 11 auch von einer Person in Sabotageabsicht absichtlich dort deponiert worden sein. Wie eingangs bereits dargelegt, würde sich der Gegenstand bei einer Bestromung der Primärspule 2 infolge der in ihm induzierten Wirbelströme erhitzen und dadurch zu einer Gefahrenquelle werden. Im übrigen würde durch ihn die Effizienz der Energieübertragung zu der Sekundärspule 4 beeinträchtigt. On the case 8th the primary coil 2 lies a metallic object 11 , This may be, for example, from another vehicle, which is in front of the vehicle 1 at the charging station, have solved. It could also be a commodity lost by a person or an empty beverage can. Last but not least, the item could 11 also intentionally deposited there by a person in sabotage intent. As already explained, the article would be energized by the primary coil 2 heat as a result of the eddy currents induced in it and thereby to a Become a source of danger. Moreover, through him would be the efficiency of energy transfer to the secondary coil 4 impaired.

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers 11 an einer Ladestation der anhand 1 erläuterten Art, wobei der Fremdkörper 11 wie in 1 auf der Oberfläche des Gehäuses 8 der Primärspule 2, von der in 2 nur vier Windungen skizziert sind, liegt. Um den Fremdkörper 11 zu detektieren, sind in dem Gehäuse 8 zwischen dessen oberer Wand und der Primärspule 2 eine Vielzahl von Messinduktivitäten 12 angeordnet. Diese Messinduktivitäten 12 sind jeweils wesentlich kleiner als die Primärspule 2. Sie sind in dem gezeigten Beispiel als planare Spulen realisiert und können beispielsweise in Form von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder einer Folie realisiert sein, die von innen an der oberen Wand des Gehäuses 8 befestigt ist. Auch könnten die Messinduktivitäten 12 als direkt auf der inneren Oberfläche der Oberseite des Gehäuses 8 verlaufende Leiterbahnen ausgeführt sein. 2 shows a schematic plan view of a device for detecting a conductive foreign body 11 at a charging station based on 1 explained type, wherein the foreign body 11 as in 1 on the surface of the case 8th the primary coil 2 from the in 2 only four turns are outlined lies. To the foreign body 11 are to be detected in the housing 8th between its upper wall and the primary coil 2 a variety of measuring inductances 12 arranged. These measuring inductances 12 each are much smaller than the primary coil 2 , They are realized in the example shown as planar coils and can be realized for example in the form of printed conductors on a printed circuit board or a film, which from the inside to the upper wall of the housing 8th is attached. Also, the measuring inductances could 12 as directly on the inner surface of the top of the case 8th be executed running tracks.

Die Messinduktivitäten 12 bilden eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung nach Art einer Matrix mit gleichem Rastermaß in den Reihen und Spalten. Die zu den einzelnen Messinduktivitäten 12 führenden Zuleitungen wie auch die Zuleitungen zu der Primärspule 2 sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Zu ihrer Unterscheidung sind die Messinduktivitäten 12 in 2 nach einem periodischen Schema mit Buchstaben von A bis I gekennzeichnet. Hierauf wird später näher eingegangen. The measuring inductances 12 form a regular two-dimensional arrangement in the manner of a matrix with the same pitch in the rows and columns. The to the individual measuring inductances 12 leading leads as well as the leads to the primary coil 2 are in 2 for the sake of clarity not shown. Their distinguishing features are the measuring inductances 12 in 2 marked according to a periodic scheme with letters from A to I. This will be discussed later.

Die Messinduktivitäten 12 sind über einen Analogmultiplexer 13 mit einer Vielzahl von gleichartigen Messeinrichtungen 14 verbunden. Die Anzahl der tatsächlich von jeder Spalte der Matrix der Messinduktivitäten 12 zu dem Multiplexer 13 verlaufenden Leitungen hängt von der Anzahl der in der Matrix vorhandenen Reihen ab, was in 2 durch die Punkte zwischen den zwei von jeder Spalte zu dem Multiplexer 13 führenden Leitungen angedeutet ist. Die Messeinrichtungen 14 sind mit einer zentralen Auswertungseinrichtung 15 verbunden. Diese ist mit der Steuereinheit 7 der Ladestation und mit einer Anzeigeeinheit 16 verbunden. The measuring inductances 12 are via an analog multiplexer 13 with a variety of similar measuring devices 14 connected. The number of actually from each column of the matrix of the measuring inductances 12 to the multiplexer 13 running lines depends on the number of rows in the matrix, which is in 2 through the points between the two of each column to the multiplexer 13 leading lines is indicated. The measuring equipment 14 are with a central evaluation device 15 connected. This is with the control unit 7 the charging station and with a display unit 16 connected.

Zur Detektion eines Fremdkörpers müssen die Messinduktivitäten 12 durch die Messeinrichtungen 14 jeweils mit einem Messstrom beaufschlagt werden, der um jede Messinduktivität 12 herum ein Messfeld erzeugt, das in einem auf dem Gehäuse 8 über der jeweiligen Messinduktivität 12 liegenden metallischen Fremdkörper 11 Wirbelströme hervorruft. Diese Wirbelströme haben eine Rückwirkung auf die jeweilige Messinduktivität 12 in Form einer Erhöhung ihres Verlustfaktors. Im Ersatzschaltbild einer Messinduktivität 12 äußert sich dies in Form eines zusätzlichen Serienwiderstandes, dessen Wert je nach Position, Form und Leitfähigkeit des Fremdkörpers 11 den Wert des normalen Wicklungswiderstandes erheblich übersteigen kann. To detect a foreign body, the measuring inductances 12 through the measuring equipment 14 In each case, a measuring current is applied, which is around each measuring inductance 12 around a measuring field generated in one on the housing 8th above the respective measuring inductance 12 lying metallic foreign body 11 Causes eddy currents. These eddy currents have a retroactive effect on the respective measuring inductance 12 in the form of an increase in their loss factor. In the equivalent circuit diagram of a measuring inductance 12 This manifests itself in the form of an additional series resistance whose value depends on the position, shape and conductivity of the foreign body 11 can significantly exceed the value of the normal winding resistance.

Für die Durchführung der Messung existieren verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist beispielsweise eine Impedanzmessung mit einer Messbrücke bekannter Art. Eine andere ist die Anregung und Beobachtung einer abklingenden Schwingung eines Serienschwingkreises durch Anschalten einer auf eine bekannte Spannung geladenen Kapazität parallel zu einer Messinduktivität, deren Verluste die Dämpfung der hierdurch in dem Serienschwingkreis ausgelösten Schwingung maßgeblich bestimmen. There are various possibilities for carrying out the measurement. One is, for example, an impedance measurement with a measuring bridge of a known type. Another is the excitation and observation of a decaying oscillation of a series resonant circuit by switching on a capacitor charged to a known voltage parallel to a measuring inductance whose losses are decisive for the damping of the oscillation thus caused in the series resonant circuit determine.

Unabhängig von der schaltungstechnischen Realisierung einer Messeinrichtung 14 muss stets ein Messstrom in jede Messinduktivität 12 eingespeist und so ein magnetisches Messfeld erzeugt werden, um einen leitfähigen Fremdkörper 11 detektieren zu können. Das Messfeld jeder Messinduktivität 12 durchsetzt jedoch auch benachbarte Messinduktivitäten 12 und induziert dort ein Signal, welches einen Messfehler verursacht, wenn dort gleichzeitig eine Messung vorgenommen wird. Dies kann dazu führen, dass ein Fremdkörper 11 erkannt wird, obwohl keiner vorhanden ist. Hebt man zur Vermeidung einer solchen Fehlerkennung infolge der gegenseitigen Störung der Messinduktivitäten 12 untereinander die Ansprechschwelle des Systems für die Erkennung eines Fremdkörpers 11 an, so verschlechtert dies die Empfindlichkeit, so dass kleine Fremdkörper 11 nicht mehr erkannt werden und damit ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines sich über den Querschnitt des Feldbereiches des Primärspule 2 erstreckenden Feldes von zahlreichen kleinen Messinduktivitäten 12 verlorengeht. Regardless of the circuitry realization of a measuring device 14 There must always be one measuring current in each measuring inductance 12 fed and so a magnetic field are generated to a conductive foreign body 11 to be able to detect. The measuring field of each measuring inductance 12 but also penetrates neighboring measuring inductances 12 and induces there a signal which causes a measurement error when there is a measurement made at the same time. This can cause a foreign body 11 is detected, although none exists. One lifts to avoid such a misrecognition due to the mutual interference of the measuring inductances 12 among each other the threshold of the system for the detection of a foreign body 11 On, this degrades the sensitivity, leaving little foreign matter 11 no longer be recognized and thus a significant advantage of using a over the cross section of the field area of the primary coil 2 extending field of numerous small measuring inductances 12 get lost.

Um dieses Problem zu beheben, werden erfindungsgemäß nicht alle Messinduktivitäten 12 gleichzeitig gemessen, sondern es werden nacheinander verschiedene Gruppen von Messinduktivitäten 12 gemessen, deren Mitglieder untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, so dass die gegenseitige Störung, d.h. der durch diese verursachte Messfehler unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt. Die Mitglieder jeder Gruppe werden gleichzeitig gemessen. In 2 sind diese Gruppen mit den Buchstaben A bis I gekennzeichnet, d.h. es existieren insgesamt neun solche Gruppen. Dabei beträgt der minimale Abstand zwischen zwei Mitgliedern derselben Gruppe jeweils das Dreifache des Rastermaßes des Rasters, in dem die Messinduktivitäten 12 angeordnet sind. In order to remedy this problem, not all measuring inductances are inventively achieved 12 measured simultaneously, but there are successively different groups of measuring inductances 12 measured, whose members have a predetermined minimum distance from each other, so that the mutual interference, ie the measurement error caused by these remains below a predetermined threshold. The members of each group are measured simultaneously. In 2 these groups are marked with the letters A to I, ie there are a total of nine such groups. In this case, the minimum distance between two members of the same group is in each case three times the grid dimension of the grid, in which the measuring inductances 12 are arranged.

Eine gruppenweise getrennte Darstellung der Verteilung der einzelnen Gruppen A bis I über die Oberfläche des Gehäuses 8 der Primärspule 2 zeigt 3. Darin ist erkennbar, dass die Anzahl der Mitglieder der Gruppen unterschiedlich ist und dass die größte Gruppe die Gruppe A mit neun Mitgliedern ist. Hieraus ergibt sich, dass zur gleichzeitigen Messung aller Mitglieder jeder Gruppe neun Messeinrichtungen 14 benötigt werden, wie es in 2 gezeigt ist. Der Analogmultiplexer 13 muss also bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens 49 Kanäle zum Anschluss der Messinduktivitäten 12 und mindestens neun Kanäle zum Anschluss der Messeinrichtungen 14 haben, wobei aber nur für die Gruppe A alle neun Kanäle benötigt werden. In 3 ist den einzelnen Gruppen A bis I jeweils ein Wert eines Index N zugeordnet, auf den später Bezug genommen wird. A group-wise separate representation of the distribution of the individual groups A to I over the surface of the housing 8th the primary coil 2 shows 3 , It can be seen that the number of members of the groups is different and that the largest group is the group A with nine members. It follows that for the simultaneous measurement of all members of each group nine measuring devices 14 needed, as is in 2 is shown. The analog multiplexer 13 must therefore at least in the embodiment shown here 49 Channels for connecting the measuring inductances 12 and at least nine channels for connecting the measuring devices 14 have, but only for the group A all nine channels are needed. In 3 the individual groups A to I are each assigned a value of an index N, to which reference will be made later.

Aus der Anzahl von neun Gruppen A bis I ergibt sich, dass die Zeit zur Messung aller Messinduktivitäten 12 das Neunfache der Zeit zur Messung einer einzelnen Messinduktivität 12 zuzüglich der Zeit für die Umschaltung durch den Multiplexer 13 beträgt. Diese Verlängerung der Messzeit wird in Kauf genommen, um eine gegenseitige Störung der Messinduktivitäten 12 bei der Messung zu vermeiden. From the number of nine groups A to I results that the time to measure all measuring inductances 12 nine times the time to measure a single measuring inductance 12 plus the time for switching through the multiplexer 13 is. This extension of the measurement time is accepted to a mutual interference of the measuring inductances 12 to avoid during the measurement.

Eine Darstellung eines ersten Teils der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt 4 in Form eines Programmablaufplans. In Schritt 17 wird zu Beginn eines Messzyklus der Index N der als nächstes zu messenden Gruppen von Messinduktivitäten 12 mit Null initialisiert. In Schritt 18 wird dieser Index inkrementiert und in Schritt 19 die Gruppe mit dem aktuellen Index N durch den Analogmultiplexer 13 mit den Messeinrichtungen 14 verbunden. In Schritt 20 werden alle Messinduktivitäten 12 der aktuell mit den Messeinrichtungen 14 verbundenen Gruppe gleichzeitig gemessen. Dies beinhaltet auch die Übertragung der Messwerte an die Auswertungseinrichtung 15. Anschließend wird in Schritt 21 die aktuelle Gruppe N durch den Analogmultiplexer 13 wieder von den Messeinrichtungen 14 getrennt. In Schritt 22 wird geprüft, ob das Ende eines Zyklus erreicht ist oder nicht. Wenn nicht, wird mit Schritt 18 fortgefahren, d.h. die Messung der nächsten Gruppe eingeleitet. Andernfalls ist der Messzyklus beendet. A representation of a first part of the operation of the device according to the invention shows 4 in the form of a program schedule. In step 17 At the beginning of a measurement cycle, the index N of the groups of measurement inductances to be measured next is determined 12 initialized to zero. In step 18 this index is incremented and in step 19 the group with the current index N through the analog multiplexer 13 with the measuring equipment 14 connected. In step 20 become all measuring inductances 12 currently with the measuring equipment 14 connected group simultaneously. This also includes the transmission of the measured values to the evaluation device 15 , Subsequently, in step 21 the current group N through the analog multiplexer 13 again from the measuring equipment 14 separated. In step 22 It is checked whether the end of a cycle is reached or not. If not, will step 18 continued, ie the measurement of the next group initiated. Otherwise the measuring cycle is finished.

Während der Messung an der nächsten Gruppe N + 1 wertet die Auswertungseinrichtung 15 bereits die Messdaten der zuletzt vorher gemessenen Gruppe N aus. Diese parallel ablaufende Auswertung ist in 5 ebenfalls in Form eines Programmablaufplans dargestellt. Sie beginnt in Schritt 23 mit dem Einlesen eines Messdatensatzes von den Messeinrichtungen 14. In Schritt 24 wird der Messdatensatz ausgewertet, indem aus ihm für jede einzelne Messinduktivität 12 der gemessenen Gruppe N ein Parameter ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird, der ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 11 bei einer Kalibrierung ermittelt und gespeichert wurde. In Schritt 25 wird für den ermittelten Parameter jeder Messinduktivität gemessenen Gruppe N überprüft, ob er um mehr als eine vorbestimmte Schwelle von seinem Referenzwert abweicht. In diesem Fall gilt ein Fremdkörper 11 als erkannt und es wird in Schritt 26 ein Alarm ausgelöst, der eine Blockierung bzw. einen Abbruch der induktiven Energieübertragung zur Folge hat. During the measurement at the next group N + 1 the evaluation device evaluates 15 already the measurement data of the last previously measured group N out. This parallel evaluation is in 5 also shown in the form of a program flowchart. It starts in step 23 with the reading of a measured data set from the measuring devices 14 , In step 24 the measurement data set is evaluated by selecting it for each individual measuring inductance 12 the measured group N, a parameter is determined and compared with a reference value, which is without the presence of a conductive foreign body 11 was determined during a calibration and saved. In step 25 For the determined parameter of each measuring inductance, measured group N is checked as to whether it deviates from its reference value by more than a predetermined threshold. In this case, a foreign body is considered 11 as recognized and it gets in step 26 triggered an alarm that has a blocking or a termination of the inductive energy transfer result.

Andernfalls wird der Schritt 26 übersprungen und es wird geprüft, ob der zuletzt ausgewertete Messdatensatz insgesamt der letzte ist, d.h. ob die Messdatensätze aller Gruppen von Messinduktivitäten vorliegen. Wenn ja werden in Schritt 28 die gespeicherten Einzelergebnisse der vorherigen Durchläufe des Schritts 25 verknüpft und aus ihnen Informationen über Ort und Größe eines Fremdkörpers 11 abgeleitet, sofern bereits ein solcher in Schritt 25 an mindestens einer Messinduktivität 12 erkannt wurde. Andernfalls wird der Schritt 28 übersprungen und die Verarbeitung des aktuellen Messdatensatzes der Gruppe N ist beendet. Otherwise the step will be 26 skipped and it is checked whether the last evaluated measurement data set is the last in total, ie whether the measurement data records of all groups of measurement inductances are present. If so, be in step 28 the saved individual results from the previous runs of the step 25 linked and from them information about place and size of a foreign body 11 derived, if already such in step 25 at least one measuring inductance 12 was detected. Otherwise the step will be 28 skipped and the processing of the current measurement data set of the group N is ended.

Durch die Auswertung des Messdatensatzes jeder Gruppe unmittelbar nach ihrer Erfassung wird trotz der seriellen Messung der einzelnen Gruppen von Messinduktivitäten 12 ein leitfähiger Fremdkörper bereits vor dem Ende eines Messzyklus erkannt, wenn er eine Größe hat, die eine Überdeckung oder Teilüberdeckung mehrerer Messinduktivitäten 12 bewirkt. Zumindest eine der überdeckten Messinduktivitäten 12 gehört dann zu einer Gruppe, die nicht erst als letzte gemessen wird, wodurch ein Alarm bereits vor dem Ende des Messzyklus ausgelöst werden kann. So sind bei dem in 2 gezeigten Beispiel Messinduktivitäten 12 der Gruppen E, F, H und I zumindest teilweise überdeckt. Wenn die Messungen entsprechend der Nummerierung in 3 in alphabetischer Reihenfolge der Gruppen erfolgen, dann würde der Fremdkörper 11 anhand der Gruppe E erstmals erkannt, also bereits nach ungefähr der Hälfte der Zykluszeit und nicht erst an deren Ende. By evaluating the measurement data set of each group immediately after its acquisition, despite the serial measurement of the individual groups of measurement inductances 12 a conductive foreign body detected before the end of a measuring cycle, if it has a size, the coverage or partial coverage of several measuring inductances 12 causes. At least one of the covered measuring inductances 12 then belongs to a group, which is not measured as last, whereby an alarm can be triggered already before the end of the measuring cycle. So are in the in 2 shown example measuring inductances 12 the groups E, F, H and I at least partially covered. If the measurements correspond to the numbering in 3 in alphabetical order of the groups, then the foreign body 11 first detected by group E, ie after about half of the cycle time and not at the end.

Grundsätzlich steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fremdkörper frühzeitig erkannt wird, mit seiner Größe, wobei mit Größe hier in erster Linie die von ihm überdeckte Fläche gemeint ist. Es kommt jedoch auch auf die Form an, indem beispielsweise ein ringförmiger Fremdkörper einem magnetischen Wechselfeld gegebener Stärke mehr Leistung entzieht als ein stabförmiger Fremdkörper gleichen Volumens und die Ansprechschwelle der Messung somit auch von der Form eines Fremdkörpers abhängt. Basically, the probability that a foreign body is detected early increases with its size, with size here primarily meant the area covered by it. However, it also depends on the shape, for example, by an annular foreign body a magnetic alternating field of strength given extracts more power than a rod-shaped foreign body of the same volume and the threshold of the measurement thus also depends on the shape of a foreign body.

Bei Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers 11 gibt die Auswertungseinrichtung 15 ein Ausgangssignal an eine Anzeigeeinrichtung 16 aus, welche eine optische und/oder akustische Warnung für den Benutzer der Ladestation abgibt, die auch die aus der räumlichen Verteilung der betroffenen Messinduktivitäten 12 abgeleitete Information über Position und Größe des Fremdkörpers enthalten kann. Darüber hinaus gibt die Auswertungseinrichtung 15 auch an die Steuereinheit 7 der Ladestation Signale aus, welche für eine Blockierung oder einen Abbruch der induktiven Energieübertragung, d.h. der Bestromung der Primärspule 2 sorgen und die Steuereinheit 7 über Ort und Größe des erkannten Fremdkörpers 11 informieren. Upon detection of a conductive foreign body 11 gives the evaluation device 15 an output signal to a display device 16 which emits an optical and / or acoustic warning to the user of the charging station, which also reflects the spatial distribution of the affected measuring inductances 12 derived information about May contain position and size of the foreign body. In addition, the evaluation device gives 15 also to the control unit 7 the charging station signals, which for a blocking or termination of the inductive energy transfer, ie the energization of the primary coil 2 take care and the control unit 7 about the location and size of the recognized foreign body 11 to inform.

Aufgrund der Information über Ort und Größe eines Fremdkörpers 11 entscheidet die Steuereinheit 7, ob die Energieübertragung bis zu einer Entfernung des Fremdkörpers 11 ganz unterbleiben muss, oder ob noch ein Notbetrieb mit einer verminderten Übertragungsleistung, bei der die Erwärmung des Fremdkörpers 11 noch ein tolerierbares Ausmaß hat, möglich ist. Dies ist ein Vorteil der Verwendung eines Feldes kleiner Messinduktivitäten 12 im Vergleich zu einer einzigen großen Messinduktivität, die keine Lokalisierung und Größenabschätzung eines Fremdkörpers 11 erlauben würde. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist sowohl vor Beginn als auch während einer induktiven Energieübertragung einsetzbar, da die Messinduktivitäten 12 von der Primärspule 2 separate Komponenten sind. Because of the information about place and size of a foreign body 11 the control unit decides 7 whether the energy transfer up to a removal of the foreign body 11 must be omitted entirely, or whether an emergency operation with a reduced transmission power, in which the heating of the foreign body 11 is still tolerable, is possible. This is an advantage of using a field of small measuring inductances 12 compared to a single large measuring inductance that does not require localization and size estimation of a foreign object 11 would allow. The measuring device according to the invention can be used both before the beginning and during an inductive energy transmission, since the measuring inductances 12 from the primary coil 2 are separate components.

Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zweier Messinduktivitäten 12 jeder Gruppe A bis I jeweils das Dreifache des Rastermaßes in Richtung der Reihen und auch der Spalten. Es versteht sich, dass die Anordnung der Messinduktivitäten 12 jeder Gruppe und ihr gegenseitiger Abstand von der Form und der Anordnung der Messinduktivitäten sowie von der Stärke des Messsignals, welches die Stärke des bei einer Messung erzeugten Magnetfeldes bestimmt, abhängt. Wenn beispielsweise wie in der eingangs genannten DE 10 2009 033 237 A1 aufeinanderfolgende Reihen von Messinduktivitäten 12 jeweils um ein halbes Rastermaß versetzt angeordnet sind, so kann auch ein entsprechender Versatz in der Anordnung der Mitglieder der einzelnen Gruppen auftreten. Für eine gewählte Anordnung von Messinduktivitäten 12 muss das Ausmaß des Übersprechens stets in Abhängigkeit von der Gruppeneinteilung ermittelt und diejenige Gruppeneinteilung gewählt werden, für welche bei minimalem Abstand das Übersprechen unter einer tolerierbaren Schwelle bleibt. In the in the 2 and 3 the embodiment shown, the distance between two measuring inductances 12 each group A to I in each case three times the grid dimension in the direction of the rows and also the columns. It is understood that the arrangement of the measuring inductances 12 each group and their mutual distance from the shape and arrangement of the measuring inductances as well as the strength of the measuring signal, which determines the strength of the magnetic field generated in a measurement depends. If, for example, as in the aforementioned DE 10 2009 033 237 A1 successive series of measuring inductances 12 each offset by half a pitch, so may also occur a corresponding offset in the arrangement of the members of the individual groups. For a chosen arrangement of measuring inductances 12 the extent of crosstalk must always be determined as a function of the group classification, and the group division chosen for which the crosstalk remains below a tolerable threshold at minimum distance.

Die in den 2 und 3 dargestellte Gruppeneinteilung ist als beispielhaft zu verstehen. Es sind auch andere Einteilungen möglich. Darüber hinaus können die Messinduktivitäten 12 nicht nur wie in dem vorausgehend vorgestellten Ausführungsbeispiel zweidimensional über die Querschnittsfläche des Feldbereiches der Primärspule 2 verteilt sein, sondern es kann auch eine dreidimensionale Verteilung in Form von zwei oder mehr lateral gegeneinander versetzten Lagen von Messinduktivitäten 12 übereinander, innerhalb derer die Verteilung jeweils zweidimensional ist, vorgesehen werden. Die Erfindung kann auch auf solche mehrlagige Anordnungen von Messinduktivitäten 12 angewendet werden, wobei eine gleichzeitig gemessene Gruppe auch Messinduktivitäten 12 unterschiedlicher Lagen enthalten kann. The in the 2 and 3 illustrated grouping is to be understood as an example. There are also other divisions possible. In addition, the measuring inductances 12 not only two-dimensionally over the cross-sectional area of the field region of the primary coil, as in the previously presented exemplary embodiment 2 It may also be a three-dimensional distribution in the form of two or more laterally staggered layers of measuring inductances 12 one above the other, within which the distribution is two-dimensional in each case. The invention can also be applied to such multi-layer arrangements of measuring inductances 12 be applied, wherein a simultaneously measured group and measuring inductances 12 may contain different layers.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009033237 A1 [0004, 0041]

Claims

Device for detecting an electrically conductive foreign body ( 11 ) on a primary coil ( 2 ) of an inductive charging station for an electric vehicle ( 1 ) using a plurality of measuring inductances ( 12 ) in the region of the primary coil ( 12 ) on which during operation of a secondary coil ( 4 ) of the electric vehicle ( 1 ) facing side over the cross section of the field region of the primary coil ( 2 ) are arranged, characterized in that by the device a plurality of successive measurements on different groups (A-I) of measuring inductances ( 12 ), that each measurement on a group (A-I) of measuring inductances ( 12 ) at all measuring inductances ( 12 ) of the group (A-I) is carried out simultaneously, and that the measuring inductances ( 12 ) of each group (A-I) have a predetermined minimum distance from one another, which is selected such that the crosstalk between the measuring signals of the individual measuring inductances ( 12 ) of each group (A-I) remains below a predetermined threshold.

Device according to claim 1, characterized in that the measuring inductances ( 12 ) of each group (A-I) over the cross-section of the field region of the primary coil ( 2 ) are arranged distributed in a regular pattern.

Device according to claim 2, characterized in that the measuring inductances ( 12 ) of each group (A-I) the cross-section of the field region of the primary coil ( 2 ) so far that further measuring inductances ( 12 ) of the same group (A-I) would be at a continuation of the regular pattern outside the cross section of the field area.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at a group (A-I) of measuring inductances ( 12 ) are evaluated, while at the same time the measuring signals at the next group (A-I) of measuring inductances ( 12 ).

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a measurement signal is evaluated by at least one parameter of the measurement signal with the corresponding parameter of one without the presence of a conductive foreign body ( 11 ) and the comparison result on the presence of a conductive foreign body ( 11 ) in the region of the measuring inductance ( 11 ).

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a presence of a conductive foreign body ( 11 ) is displayed and sent to a display unit ( 16 ) and / or a control unit ( 7 ) of the charging station is released as soon as in the evaluation of the measuring signal of any measuring inductance ( 12 ) the presence of a conductive foreign body ( 11 ) is detected.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that at the end of a measuring cycle in which all groups (A-I) of measuring inductances ( 12 ) were measured and their measurement signals were evaluated, from the results of the evaluations of all individual measurement signals, data are determined which the position and the size of a conductive foreign body ( 11 ) specify.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that a group (A-I) of measuring inductances ( 12 ) before starting the measurement on this group (A-I) by an analog multiplexer ( 13 ) each with a measuring device ( 14 ) per measuring inductance ( 12 ) is connected.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the inductive energy transmission by a control unit ( 7 ) of the charging station is blocked, aborted or reduced in power if, in the evaluation of the measurement signals, the presence of a conductive foreign body ( 11 ) was detected.