DE202016100925U1

DE202016100925U1 - Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers

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Publication number: DE202016100925U1
Application number: DE202016100925.1U
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 Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einem Elektrofahrzeug (1) mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung folgender Schritte eingerichtet ist: – Laden einer Messkapazität (C) auf eine vorbestimmte Gleichspannung U0 aus einer elektrischen Energiequelle (VDC), – Trennen der Messkapazität (C) von der Energiequelle (VDC), – Verbinden der Messkapazität (C) mit einer von der Primärspule (2) separaten Messinduktivität (12) zur Bildung eines Serienschwingkreises, – Messen des zeitlichen Verlaufes einer abklingenden Schwingung einer elektrischen Größe des Serienschwingkreises, – Vergleichen des gemessenen zeitlichen Verlaufes mit einem ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) ermittelten Referenzverlauf, – Feststellen des Vorhandenseins eines leitfähigen Fremdkörpers (11) anhand des Ergebnisses des Vergleichs.

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.
Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie finden 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.
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.
Aus der DE 10 2011 050 655 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei dem zeitweilig die sekundärseitige Leistungsentnahme und die primärseitige Leistungseinspeisung unterbrochen werden und die Reaktion des Systems beobachtet wird. In diesem Fall haben der Primärstrom und die Primärspannung den Zeitverlauf einer abklingenden Schwingung, deren Abklingrate im wesentlichen von den Verlusten in der Primärspule bestimmt wird. Ein leitfähiger Fremdkörper an der Primärspule sorgt für eine Erhöhung dieser Verluste und kann daher anhand eines schnelleren Abklingens der Schwingung erkannt werden. Das Verfahren erfordert jedoch eine periodische Unterbrechung der induktiven Energieübertragung und die Empfindlichkeit, mit der ein Fremdkörper detektierbar ist, wird durch die Eigenschaften der Primärspule bestimmt, die nicht als Sensor, sondern für die Energieübertragung optimiert ist.
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 einer Auswertungseinrichtung verbunden sind. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, einen Fremdkörper bereits vor Beginn einer induktiven Energieübertragung zu detektieren. Um die Induktion hoher Ströme in den Messinduktivitäten durch das starke magnetische Wechselfeld der Primärspule zu vermeiden, werden die Impedanzmesseinrichtungen rechtzeitig vor Beginn der Energieübertragung abgeschaltet und die Messinduktivitäten in den Leerlauf geschaltet. Eine Detektion eines leitfähigen Fremdkörpers während der laufenden Energieübertragung ist also mit dieser Vorrichtung nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Verbesserung der Betriebssicherheit eines induktiven Energieübertragungssystems eine Lösung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers aufzuzeigen, die sowohl vor, als auch während der Energieübertragung funktioniert und keinen Eingriff in die laufende Energieübertragung erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit und einer Primärspule zu einem Elektrofahrzeug mit einer Sekundärspule und einem elektrischen Verbraucher dadurch detektiert, dass eine aus einer elektrischen Energiequelle auf eine vorbestimmte Gleichspannung geladene Messkapazität über einen Widerstand und eine von der Primärspule separate Messinduktivität, mit denen sie über einen Schalter zu einem Serienschwingkreis zusammengeschaltet wird, entladen wird.
Hierbei entsteht eine abklingende Schwingung, deren zeitlicher Verlauf von der Anwesenheit eines leitfähigen Fremdkörpers beeinflusst wird. Anhand eines Vergleichs des gemessenen zeitlichen Verlaufs der abklingenden Schwingung mit einem ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers gemessenen Referenzverlauf wird die Anwesenheit eines leitfähigen Fremdkörpers ermittelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Fremdkörperüberwachung der Primärspule unabhängig von der laufenden Energieübertragung, indem es sowohl vor Beginn, als auch während derselben durchgeführt werden kann, und zwar ohne dass die Energieübertragung hierzu unterbrochen werden muss. Durch die Verwendung einer separaten Messinduktivität ist eine galvanische Trennung zwischen dem Primärstromkreis der Energieübertragung und dem Messstromkreis gewährleistet und es kann eine als Sensor optimierte Induktivität einzeln oder in beliebiger Anzahl eingesetzt werden. Die Beobachtung der abklingenden Schwingung eines LC-Serienschwingkreises, die durch die von einem leitfähigen Fremdkörper verursachten Wirbelstromverluste eine zusätzliche Dämpfung erfährt, ist eine sehr einfache und zuverlässige Messmethode, die einen relativ geringen Aufwand an Hardware erfordert.
Ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper kann in einfacher Weise dann als vorhanden festgestellt werden, wenn der Betrag der Abweichung zwischen einem Parameter des gemessenen zeitlichen Verlaufes und dem entsprechenden Parameter des Referenzverlaufes eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Als solcher Parameter kann vorzugsweise der aktuelle Wert der Hüllkurve des zeitlichen Verlaufes oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Größe nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls, das mit der Bildung des Serienschwingkreises durch Verbindung der Messkapazität mit der Messinduktivität beginnt, verwendet werden, oder es kann alternativ die Länge eines mit der Bildung des Serienschwingkreises durch Verbindung der Messkapazität mit der Messinduktivität beginnenden Zeitintervalls, nach Ablauf dessen die Hüllkurve des zeitlichen Verlaufs oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Größe einen vorbestimmten Wert erreicht oder unterschreitet, verwendet werden.
Eine zweckmäßige Vereinfachung bei der Betrachtung der Hüllkurve der gemessenen elektrischen Größe besteht darin, dass der gemessene zeitliche Verlauf fortlaufend auf das Auftreten relativer Maxima des Betrages überwacht und der Betrag des letzten festgestellten relativen Maximums als Näherungswert für den aktuellen Wert der Hüllkurve verwendet wird. Als gemessene elektrische Größe kommt in erster Linie die Spannung über der Messkapazität oder der Strom in dem Serienschwingkreis in Betracht, wobei die Messung der Spannung den Vorteil hat, dass der Startwert bei Beginn der abklingenden Schwingung bekannt ist, wenn als Energiequelle eine Gleichspannungsquelle zum Laden der Messkapazität verwendet wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz der abklingenden Schwingung des Serienschwingkreises so weit von der Betriebsfrequenz der induktiven Energieübertragung abweicht, dass der Wert des in dem Serienschwingkreis durch das Magnetfeld der Primärspule induzierten Stromes unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Werte der Messinduktivität und der Messkapazität, welche die Eigenfrequenz eines Serienschwingkreises im wesentlichen festlegen, erreicht werden. Eine Beeinflussung der Messung durch das magnetische Wechselfeld der Primärspule wird hierdurch wirksam unterdrückt. Insbesondere kann ein hierdurch verursachter Messfehler unterhalb einer vorbestimmten Schwelle gehalten werden, so dass die erforderliche Genauigkeit der Messung gewährleistet bleibt.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl von Messinduktivitäten, die über die Querschnittsfläche der Primärspule in einer regelmäßigen Anordnung verteilt sind, aufweist und aus den anhand der einzelnen Messinduktivitäten erhaltenen Ergebnissen Daten über Größe und Ort eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers zu ermitteln. Dies erlaubt eine Abschätzung der von dem Fremdkörper ausgehenden Gefahr und die Einleitung gezielter Maßnahmen, die auf das Ausmaß der Gefahr abgestimmt sind.
Bei festgestelltem Vorhandensein eines Fremdkörpers können verschiedene notwendige bzw. zweckmäßige Maßnahmen eingeleitet werden. Insbesondere kann die Einspeisung elektrischer Leistung in die Primärspule blockiert, unterbrochen oder vermindert und eine Anzeigeeinheit aktiviert und/oder eine Fehlermeldung an eine übergeordnete Einheit und/oder einen Benutzer der Vorrichtung abgesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug,
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion leitfähiger Fremdkörper,
3 eine andere mögliche Anordnung der Messinduktivitäten der Vorrichtung von 2,
4 ein Detailschaltbild zweier wesentlicher Komponenten der Sensorik von 2,
5 einen beispielhaften Verlauf eines Messsignals ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers,
6 einen beispielhaften Verlauf eines Messsignals bei Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers und
7 eine Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Programmablaufplans.
1 zeigt ein Elektrofahrzeug 1, welches zum Aufladen seiner Batterie über der Primärspule 2 einer Ladestation steht, in einer schematischen Schnittansicht. An der Unterseite des Fahrzeugs 1 befindet sich in einem Gehäuse 3 eine Sekundärspule 4, die mit einer Ladeelektronik 5 als Verbraucher 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. 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.
Auf dem Gehäuse 8 der Primärspule 2 liegt ein metallischer Fremdkörper 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 Fremdkörper 11 auch von einer Person in Sabotageabsicht absichtlich dort deponiert worden sein. Wie eingangs bereits dargelegt, würde sich der Fremdkörper 11 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.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ladestation der anhand 1 erläuterten Art mit einer Primärspule 2 in einem Gehäuse 8, die mit einer Stromversorgungseinheit 6 verbunden ist. Um den metallischen Fremdkörper 11 zu dektektieren, sind in dem Gehäuse 8 zwischen dessen oberer Wand und der Primärspule 2 eine Vielzahl von Messinduktivitäten 12 angeordnet. Grundsätzlich wäre nur eine einzige Messinduktivität, die eine ausreichende Größe hat, d.h. deren Querschnitt etwa dem Querschnitt der Primärspule 2 entspricht, erforderlich, doch hat die Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten 12 den Vorteil, dass ein Fremdkörper 11 nicht nur detektiert, sondern auch lokalisiert werden kann. Die Messinduktivitäten 12 sind hierzu jeweils wesentlich kleiner als die Primärspule 2. Sie sind in dem gezeigten Beispiel als planare Spulen ausgelegt 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, spulenförmige Leiterbahnen ausgeführt sein.
Die Messinduktivitäten 12 bilden eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung nach Art einer Matrix mit gleichem Rastermaß in den Reihen und Spalten. Dabei sind jedoch aufeinanderfolgende Reihen jeweils um ein halbes Rastermaß gegeneinander versetzt, wodurch sich gegenüber einer klassischen Matrixanordnung eine höhere Packungsdichte erzielen lässt. In 2 hat es den Anschein, dass die Zuleitungen mancher Messinduktivitäten 12 durch andere Messinduktivitäten 12 hindurch verlaufen, was tatsächlich nicht der Fall ist. Um dies trotz hoher Packungsdichte zu vermeiden, können die Messinduktivitäten 12 insbesondere auf zwei verschiedene Seiten einer Leiterplatte oder Folie verteilt sein. Die Darstellung von 2 ist insofern nicht als wirklichkeitsgetreu, sondern als schematisch zu verstehen.
Die Messinduktivitäten können zur weiteren Erhöhung der Packungsdichte auch dreidimensional, nämlich in mehreren Lagen angeordnet sein. Hierzu zeigt 3 ein Beispiel einer Anordnung von zwei Lagen 12A und 12B von Messinduktivitäten, die jeweils in einem zweidimensionalen Raster senkrecht zur Querschnittsfläche der Primärspule 2 übereinander und parallel zur Querschnittsfläche der Primärspule 2 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Messinduktivitäten 12 der beiden verschiedenen Lagen 12A und 12B überlappen sich parallel zur Querschnittsfläche der Primärspule und sind parallel zu dieser Querschnittsfläche mit dem gleichem Rastermaß in beiden Richtungen angeordnet und jeweils um die Hälfte des Rastermaßes gegeneinander versetzt. Sie könnten beispielsweise auf verschiedenen Seiten einer Leiterplatte angeordnet sein. Durch die Überlappung werden Lücken zwischen den Messinduktivitäten 12, in denen ein kleiner Fremdkörper 11 nicht detektiert werden könnte, vermieden. Ermöglicht wird die Überlappung durch die Anordnung in mehreren Lagen 12A und 12B, wobei auch mehr als zwei Lagen 12A und 12B vorgesehen werden können.
Jeder Messinduktivität 12 ist jeweils eine Messschaltung 13 zugeordnet, wobei diejenigen Messschaltungen 13, die von dem Fremdköper 11 zumindest teilweise überdeckten Messinduktivitäten 12 zugeordnet sind, schwarz gekennzeichnet sind. Die Messschaltungen 13 sind mit einer Auswertungseinrichtung 14 verbunden, welche die jeweiligen Messsignale der Messschaltungen 13 auswertet und über das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 entscheidet. An die Auswertungseinrichtung 14 ist eine Anzeigeeinrichtung 15 angeschlossen, über die dem Benutzer der Ladestation das Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 angezeigt wird.
Ein Schaltbild einer einzelnen Messschaltung 13 und einer daran angeschlossenen Messinduktivität 12 zeigt 4. Hierin wird die Messpule 12 durch eine Induktivität L_M und einen ohmschen Widerstand R_M in Serie zu der Induktivität L_M modelliert. Der Widerstand R_M beinhaltet die normalen Verluste der Messinduktivität 12 und ihrer Zuleitungen ohne Anwesenheit eines leitfähigen Fremdkörpers 11 im Bereich der Messinduktivität 12. Ein zusätzlicher Widerstand R_F, der ebenfalls in Serie zu der Induktivität L_M liegt, stellt ein einfaches Modell für die zusätzlichen Verluste durch Wirbelströme dar, die in einem leitfähigen Fremdkörper 11 bei dessen Anwesenheit im Bereich der Messinduktivität 12 induziert werden, wenn in der Messinduktivität 12 ein zeitlich veränderlicher Strom fließt. Wenn kein solcher Fremdkörper 11 vorhanden ist, hat der Widerstand R_F den Wert Null.
Die Messschaltung 13 enthält eine Gleichspannungsquelle V_DC, die eine Spannung U₀ abgibt, einen ersten steuerbaren Schalter S₁, einen Widerstand R_C und eine in Serie zu dem Widerstand R_C geschaltete Messkapazität C. Über den ersten Schalter S₁ ist die Gleichspannungsquelle V_DC mit dem Widerstand R_C und der Messkapazität C zu einem Stromkreis verbindbar. Des weiteren enthält die Messschaltung 13 einen zweiten steuerbaren Schalter S₂, welcher einen Anschluss der Messkapazität C mit einem Anschluss der Messinduktivität 12 verbindet. Der andere Anschluss der Messkapazität C ist direkt mit dem anderen Anschluss der Messinduktivität 12 und mit dem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle V_DC verbunden. Durch den zweiten Schalter S₂ ist die Messkapazität C mit der Messinduktivität 12 zu einem Serienschwingkreis verbindbar. Parallel zu der Messkapazität C ist eine Spannungsmesseinrichtung V geschaltet. Alternativ hierzu könnte eine Strommesseinrichtung in Serie zu der Messkapazität C geschaltet sein.
Erfindungsgemäß wird durch Schließen des ersten Schalters S₁ bei geöffnetem zweiten Schalter S₂ die Messkapazität C über den Widerstand R_C aus der Gleichspannungsquelle V_DC auf deren Spannung U₀ geladen, wobei die Zeitkonstante des Ladevorgangs bekanntlich durch das Produkt aus R_C und C gegeben ist. Durch Öffnen des ersten Schalters S₁ und Schließen des zweiten Schalters S₂ im geladenen Zustand der Messkapazität C wird ein Serienschwingkreis hergestellt, in dem sich eine abklingende Schwingung einstellt, deren Frequenz bei kleinem ohmschem Serienwiderstand (R_M + R_F) bekanntlich im wesentlichen durch den Kehrwert der Wurzel aus dem Produkt von L_M und C gegeben ist. Die Zeitkonstante, mit der diese Schwingung abklingt, hängt von den Verlusten ab, die in dem Schaltbild von 4 durch die Serienwiderstände R_M und R_F modelliert werden, und ist in diesem Fall bekanntlich durch den Quotienten aus (R_M + R_F) und L_M gegeben.
Einen beispielhaften Zeitverlauf der Spannung U_C über der Messkapazität C ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 11 zeigt 5. Zum Zeitpunkt t = 0 wird bei geöffnetem zweitem Schalter S₂ der erste Schalter S₁ geschlossen, woraufhin die Messkapazität C geladen wird und die Spannung U_C auf den Wert U₀ ansteigt. Zum Zeitpunkt t = t₀ wird zunächst der erste Schalter S₁ geöffnet und dann der zweite Schalter S₂ geschlossen, woraufhin eine vom Wert U₀ ausgehende, exponentiell abklingende Schwingung der Spannung U_C einsetzt. Den entsprechenden Zeitverlauf der Spannung U_C über der Kapazität C bei Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 11 zeigt 6. Auch hier ergibt sich ausgehend vom Wert U₀ eine exponentiell abklingende Schwingung, die jedoch schneller abklingt als ohne Fremdkörper 11, da hier die Summe R_F + R_M größer ist als R_M allein.
Zur Detektion eines Fremdkörpers 11 wird erfindungsgemäß für den Betrag der Spannung U_C eine Schwelle U_ref festgelegt, die ohne Fremdkörper 11 zu einer Zeit t₁ unterschritten wird, und es wird entweder dann entschieden, dass ein Fremdkörper vorhanden ist, wenn die Schwelle U_ref bereits eine vorbestimmte Zeitspanne früher als bei t₁ unterschritten wird, oder dann, wenn der Betrag der Spannung U_C zu besagtem Zeitpunkt t₁ um eine vorbestimmte Differenz geringer ist als U_ref. Mit der Spannung U_C ist hier deren Hüllkurve gemeint, d.h. es werden jeweils Maximalwerte des Betrages der oszillierenden Spannung U_C betrachtet.
In 7 ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Programmablaufplans dargestellt. Nach dem Start einer Messung wird zunächst in Schritt 16 die Messkapazität C durch Schließen des ersten Schalters S₁ bei geöffnetem zweitem Schalter S₂ geladen. Dann wird in Schritt 17 die Messkapazität C durch Öffnen des ersten Schalters S₁ von der Energiequelle, nämlich der Gleichspannungsquelle V_DC mit der Spannung U₀ getrennt. Anschließend wird in Schritt 18 durch Schließen des zweiten Schalters S2 die Messkapazität C mit der Messinduktivität 12 verbunden und dadurch ein Serienschwingkreis hergestellt. Anschließend wird in Schritt 19 der Verlauf der abklingenden Schwingung, wie er in den 4 und 5 dargestellt ist, gemessen. In Schritt 20 wird der gemessene Verlauf mit dem Referenzverlauf ohne Fremdkörper von 5 verglichen. Wenn in Schritt 21 anhand eines der zuvor erläuterten Kriterien eine Abweichung festgestellt wird, die eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, dann wird in Schritt 22 eine Meldung, die das Vorhandensein eines Fremdkörpers anzeigt, abgesetzt. Andernfalls findet nach dem Schritt 21 keine weitere Aktion statt. Entweder mit dem Schritt 21 oder mit dem Schritt 22 ist eine Messung beendet.
Um zu ermöglichen, dass eine Messung während der laufenden induktiven Energieübertragung von der Primärspule 2 zu der Sekundärspule 3 stattfinden kann, sind die Induktivität L_M der Messinduktivität 12 und die Messkapazität C so bemessen, dass die Eigenfrequenz des bei geschlossenem zweitem Schalter S₂ bestehenden Serienschwingkreises wesentlich, z.B. um zwei Größenordnungen, höher liegt als die Betriebsfrequenz der induktiven Energieübertragung von der Primärspule 2 zur Sekundärspule 3. Der Serienschwingkreis unterdrückt dann durch sein ausgeprägtes Bandpassverhalten die Einkopplung einer Störspannung durch das Wechselfeld der Primärspule 2, welches die Messinduktivität 12 durchsetzt. Grundsätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine möglichst große Differenz zwischen der Frequenz der Energieübertragung und der Eigenfrequenz des Serienschwingkreises zur Metallerkennung zu haben. Dies kann sowohl eine deutlich höhere als auch eine entsprechend niedrigere Frequenz bedeuten.
Bei einer zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von Messinduktivitäten 12 über der Primärspule 2, wie sie 2 zeigt, ist jeder Messinduktivität 12 eine eigene Messschaltung 13 zugeordnet, um Messungen an allen Messinduktivitäten 12 gleichzeitig durchführen zu können und die Fremdkörperdetektion damit insgesamt möglichst schnell ablaufen zu lassen. Es müssen aber nicht genauso viele Messschaltungen 13 wie Messinduktivitäten 12 vorgesehen sein, sondern es kann auch ein in 2 nicht gezeigter Multiplexer zwischen die Messinduktivitäten 12 und eine geringere Anzahl von Messschaltungen 13 geschaltet sein, um mehrere Gruppen von Messinduktivitäten 12 zeitlich nacheinander zu messen. Dies hat bei einer fortlaufenden Fremdkörperüberwachung der Primärspule 2 im Vergleich zu einer gleichzeitigen Messung aller Messinduktivitäten 12 eine größere Zykluszeit zur Folge, ermöglicht aber eine Einsparung von Messschaltungen 13. Hierzu ist anzumerken, dass grundsätzlich nur eine einzige Gleichspannungsquelle V_DC ausreichender Leistung benötigt wird, um alle Messkapazitäten C gleichzeitig laden zu können, d.h. es braucht nur eine einzige geeignet ausgelegte Gleichspannungsquelle V_DC vorgesehen zu werden, an welche die übrigen jeweils mehrfach vorhandenen Teile der einzelnen Messschaltungen 13 parallel zueinander angeschlossen sind.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich zur Möglichkeit der Durchführung der Messung während der laufenden Energieübertragung ohne Unterbrechung derselben besteht in einer Vereinfachung der Kalibrierung. Während bei Verwendung der Primärspule 2 zur Messung eines Abklingvorgangs der Startwert des abklingenden Primärstromes vom momentanen Betriebszustand des Systems abhängt und somit die relative Änderung des Primärstromes ausgewertet werden muss, ist der Startwert der Spannung U_C über der Messkapazität C durch die Spannung U₀ der Gleichspannungsquelle V_DC fest vorgegeben, wenn die Messkapazität C vollständig geladen ist. Es braucht daher keine Messung eines vorab unbekannten Startwertes und Berechnung einer relativen Änderung vorgenommen zu werden, sondern es kann einfach der gemessene Absolutwert der Spannung U_C ausgewertet werden.
Die von den einzelnen Messschaltungen 13 gelieferten Messsignale, d.h. bei dem in 4 gezeigten Beispiel die Spannungen U_C, werden in der Auswertungseinrichtung 14, wie vorausgehend erläutert, mit dem Referenzverlauf der Hüllkurve von 5 verglichen. Die Auswertungseinrichtung 14 enthält einen Mikrocomputer, d.h. die Messsignale werden zur Auswertung digitalisiert. In der in 2 dargestellten Situation ist eine der Messinduktivitäten 12 von dem Fremdkörper 11 nahezu völlig überdeckt, eine andere etwa zur Hälfte und zwei weitere jeweils nur zu einem kleineren Teil, was zur Folge hat, dass die vier in 2 schwarz gekennzeichneten Messschaltungen 13 unterschiedliche Verläufe von U_C, d.h. Hüllkurven mit unterschiedlichen Abklingzeitkonstanten messen. Wenn bei allen vier betroffenen Messinduktivitäten 12 die Entscheidungsschwelle für das Vorhandensein eines Fremdkörpers überschritten ist, kann dieser bereits lokalisiert werden. Darüber hinaus kann aus den Unterschieden zwischen den vier Messsignalen geschlossen werden, welche Messinduktivitäten 12 nur teilweise überdeckt sind und auf diese Weise die Lokalisierung verfeinert werden.
Durch die Verteilung einer Vielzahl von Messinduktivitäten 12 über die Oberseite des Gehäuses 8 ist es also möglich, Rückschlüsse auf die Größe und die Position eines metallischen Fremdkörpers 11 zu ziehen, wenn an den Messinduktivitäten 12 jeweils einzeln gemessen wird. Außerdem erhöht sich dadurch die Empfindlichkeit, da ein relativ kleiner Fremdkörper 11, der beispielsweise nur eine einzige Messinduktivität 12 oder eine kleine Gruppe von diesen überdeckt, auf diese Messinduktivität 12 oder Gruppe bereits eine signifikante Wirkung hat, während er auf eine einzige große Messinduktivität 12, deren Magnetfeld die gesamte Oberseite des Gehäuses 8 abdecken müsste, nur eine vergleichsweise geringe Wirkung hätte und somit wesentlich schwieriger zuverlässig zu detektieren wäre.
Wenn ein leitfähiger Fremdkörper 11 festgestellt wird, gibt die Auswertungseinrichtung 14 ein Ausgangssignal an eine Anzeigeeinrichtung 15 aus, welche eine optische und/oder akustische Warnung abgibt. Darüber hinaus ist die Auswertungseinrichtung 14 auch mit der Steuereinheit 7 der Ladestation verbunden und gibt an diese ein Signal aus, welches die Energieübertragung, d.h. die Bestromung der Primärspule 2 abbricht oder blockiert. Bleibt die festgestellte Abweichung vom Sollzustand über einen längeren Zeitraum bestehen, so wird eine Meldung an eine zuständige Stelle, z.B. an den Betreiber der Ladestation abgesetzt. Die Energieübertragung kann erst wieder in Betrieb gesetzt werden, nachdem eine Bereinigung des fehlerhaften Zustandes durch den Benutzer oder durch Wartungspersonal quittiert wurde. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, das Vorhandensein eines bereits festgestellten Fremdkörpers zyklisch zu überprüfen und die Energieübertragung automatisch wiederaufzunehmen, wenn der Fremdkörper nicht mehr detektiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011050655 A1 [0004]
DE 102009033237 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinheit (6) und einer Primärspule (2) zu einem Elektrofahrzeug (1) mit einer Sekundärspule (4) und einem elektrischen Verbraucher (5), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung folgender Schritte eingerichtet ist: – Laden einer Messkapazität (C) auf eine vorbestimmte Gleichspannung U₀ aus einer elektrischen Energiequelle (V_DC), – Trennen der Messkapazität (C) von der Energiequelle (V_DC), – Verbinden der Messkapazität (C) mit einer von der Primärspule (2) separaten Messinduktivität (12) zur Bildung eines Serienschwingkreises, – Messen des zeitlichen Verlaufes einer abklingenden Schwingung einer elektrischen Größe des Serienschwingkreises, – Vergleichen des gemessenen zeitlichen Verlaufes mit einem ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) ermittelten Referenzverlauf, – Feststellen des Vorhandenseins eines leitfähigen Fremdkörpers (11) anhand des Ergebnisses des Vergleichs.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte vor Beginn und/oder während der induktiven Übertragung elektrischer Energie von der stationären Einheit zu dem Elektrofahrzeug (1) über die Primärspule (2) und die Sekundärspule (4) durchgeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) dann als vorhanden festgestellt wird, wenn der Betrag der Abweichung zwischen einem Parameter des gemessenen zeitlichen Verlaufes und dem entsprechenden Parameter des Referenzverlaufes eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der aktuelle Wert der Hüllkurve des zeitlichen Verlaufes oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Größe nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls ist, das mit der Bildung des Serienschwingkreises durch Verbindung der Messkapazität (C) mit der Messinduktivität 12 beginnt, oder dass der Parameter die Länge eines mit der Bildung des Serienschwingkreises durch Verbindung der Messkapazität (C) mit der Messinduktivität 12 beginnenden Zeitintervalls ist, nach Ablauf dessen die Hüllkurve des zeitlichen Verlaufs oder des Effektivwertes der gemessenen elektrischen Größe einen vorbestimmten Wert erreicht oder unterschreitet.
Vorrichtung nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene zeitliche Verlauf fortlaufend auf das Auftreten relativer Maxima des Betrages überwacht wird und der Betrag des letzten festgestellten relativen Maximums als Näherungswert für den aktuellen Wert der Hüllkurve verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene elektrische Größe die Spannung U_C über der Messkapazität (C) oder der Strom in dem Serienschwingkreis ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der abklingenden Schwingung des Serienschwingkreises so weit von der Betriebsfrequenz der induktiven Energieübertragung abweicht, dass der Wert des in dem Serienschwingkreis durch das Magnetfeld der Primärspule (2) induzierten Stromes unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Messinduktivitäten (12), die in einer regelmäßigen Anordnung über die Querschnittsfläche der Primärspule (2) verteilt sind, vorgesehen sind, und dass aus den anhand der einzelnen Messinduktivitäten (12) erhaltenen Ergebnissen Daten über Größe und Ort eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) ermittelt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestelltem Vorhandensein eines Fremdkörpers (11) die Einspeisung elektrischer Leistung in die Primärspule (2) blockiert, unterbrochen oder vermindert und eine Anzeigeeinheit aktiviert und/oder eine Fehlermeldung an eine übergeordnete Einheit und/oder einen Benutzer der Vorrichtung abgesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Messschaltung (13), die – eine von der Primärinduktivität (2) einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung separate Messinduktivität (12), – eine von anderen Kapazitäten einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung separate Messkapazität (C), – eine elektrische Energiequelle (V_DC), – einen ersten steuerbaren Schalter (S₁), durch den die Messkapazität (C) zum Schließen eines Ladestromkreises mit der elektrischen Energiequelle (V_DC) verbindbar ist, – einen zweiten steuerbaren Schalter (S₂), durch den die Messkapazität (C) zum Schließen eines Serienschwingkreises mit der Messinduktivität (12) verbindbar ist, – eine Messeinrichtung (V) zum Messen einer elektrischen Größe des Serienschwingkreises, enthält, aufweist, und dass sie eine Auswertungseinrichtung (14), die zum Vergleich mindestens eines Parameters des zeitlichen Verlaufes der gemessenen elektrischen Größe mit einem gespeicherten Parameter eines Referenzverlaufes und zur Feststellung des Vorhandenseins eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) anhand des Ergebnisses des Vergleichs eingerichtet ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Messinduktivität (12) und der Messkapazität (C) so gewählt sind, dass die Eigenfrequenz des Serienschwingkreises so weit von der Betriebsfrequenz der induktiven Energieübertragung abweicht, dass der Wert des in dem Serienschwingkreis durch das Magnetfeld der Primärspule (2) induzierten Stromes unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von in einer regelmäßigen Anordnung über die Querschnittsfläche der Primärspule (2) verteilten Messinduktivitäten (12) und eine Vielzahl von Messschaltungen (13) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass weniger Messeinrichtungen (13) als Messinduktivitäten (12) vorgesehen sind, und dass die Messinduktivitäten (12) mit den Messschaltungen (13) über einen Multiplexer verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagen (12A; 12B) von Messinduktivitäten (12) jeweils in einem zweidimensionalen Raster senkrecht zur Querschnittsfläche der Primärspule (2) übereinander und parallel zur Querschnittsfläche der Primärspule (2) gegeneinander versetzt angeordnet sind, und dass sich die Messinduktivitäten (12) verschiedener Lagen (12A; 12B) parallel zur Querschnittsfläche der Primärspule (2) überlappen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinduktivitäten in zwei Lagen (12A; 12B) parallel zur Querschnittsfläche der Primärspule (2) mit dem gleichem Rastermaß in beiden Richtungen angeordnet und jeweils um die Hälfte des Rastermaßes gegeneinander versetzt sind.