EP2988962A2 - Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zum betrieb einer induktiven energieübertragungsvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zum betrieb einer induktiven energieübertragungsvorrichtung

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EP2988962A2
EP2988962A2 EP14715864.6A EP14715864A EP2988962A2 EP 2988962 A2 EP2988962 A2 EP 2988962A2 EP 14715864 A EP14715864 A EP 14715864A EP 2988962 A2 EP2988962 A2 EP 2988962A2
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EP
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coil
transmitting coil
receiving coil
vehicle
gap
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14715864.6A
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Inventor
Bernd Eckert
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60L53/124—Detection or removal of foreign bodies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
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Definitions

  • the present invention relates to a device for inductive energy transmission from a transmitting coil to a receiving coil spaced from the transmitting coil, and to a method for operating an inductive energy transmission device.
  • Electric vehicles usually have an electrical energy storage, such as a traction battery that provides the electrical energy for propulsion. If this electrical energy store is completely or partially discharged, then the electric vehicle has to control a charging station, at which the energy store can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system.
  • an electrical energy storage such as a traction battery that provides the electrical energy for propulsion. If this electrical energy store is completely or partially discharged, then the electric vehicle has to control a charging station, at which the energy store can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system.
  • the alternating magnetic field is from a
  • Reception coil is received within the vehicle and converted into electrical energy. By means of this electrical energy, a traction battery of the vehicle can then be charged.
  • the publication DE 10 201 1010 049 A1 discloses such a system for charging a vehicle battery, in which the energy is transmitted inductively.
  • the energy storage of the electric vehicle can also be used for feeding back.
  • a cable connection or an inductive power transmission can also be used.
  • an air gap In the wireless charging of a battery of an electric vehicle is located between the transmitting coil of the charging station and the receiving coil in the vehicle, an air gap. Due to the required ground clearance of motor vehicles, this air gap is a few centimeters. Air gaps in the size of 15-25 cm are very common, if not by measures such as lowering the vehicle-fixed coil, the entire
  • the present invention in one aspect, provides an apparatus for inductive energy transfer from a transmitting coil to a receiving coil spaced from the transmitting coil with an optical monitoring device configured to monitor a gap between the transmitting coil and the receiving coil.
  • the present invention provides a method of operating an inductive power transmission device, comprising the steps of
  • An essential advantage of the present invention is that it is thus ensured during the entire energy transmission that no disturbing Foreign bodies are located in the space between the transmitting coil and the receiving coil. Otherwise, invading foreign objects could be a major hazard during energy transfer.
  • animals which penetrate into the space between the transmitting coil and the receiving coil suffer damage due to the strong magnetic field.
  • penetrating objects, especially metal-containing objects heat up through the strong magnetic field and may even catch fire.
  • Such intrusion of both animals and other debris can be reliably detected by the interspace monitoring of the invention. If necessary, appropriate action can then be taken.
  • Another advantage is that just by an optical monitoring of the gap between the transmitting and receiving coil, the magnetic field of
  • the optical monitoring device is a
  • the inductive energy transfer device further comprises a cleaning device which is designed to clean the optical monitoring device. Since optical systems tend to be contaminated by environmental influences such as dust or fluidized dirt, such a cleaning device can significantly increase the reliability of the optical monitoring of the gap.
  • the optical monitoring device is designed to detect penetration of an object into the space between the transmitting coil and the receiving coil, and the
  • Disable transmit coil if an intrusion of an object has been detected. On In this way, the inductive energy transfer can be stopped quickly. Thus, a penetrating object is not exposed to the magnetic field of the transmitting coil.
  • the present invention further relates to a battery charging device with a power transmission device according to the invention.
  • the inventive method of operating the inductive power transmission device further comprises the steps of detecting an object in the space between the transmitting coil and the receiving coil and interrupting the power transmission when an object is detected in the space between the transmitting coil and the receiving coil.
  • the method according to the invention further comprises a step for signaling the detection of an object in the intermediate space between the transmitting coil and the receiving coil.
  • 1 shows a schematic representation of a cross section through a vehicle with an inductive energy transmission device according to an embodiment of the invention
  • 2 shows a schematic representation of an optical monitoring according to a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an optical monitoring according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an optical monitoring according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a method for operating a
  • inductive power transmission device according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a vehicle 20 parked above an inductive charging station.
  • the vehicle 20 is turned off so that the receiving coil 2 of the vehicle 20 is disposed above the transmitting coil 1. Due to the required ground clearance of the
  • Vehicle 20 is between the area 10, in which the transmitting coil 1 is arranged and the underside of the vehicle 20, in which the receiving coil 2 is located, a gap 30 with an air gap.
  • This gap 30 with the air gap can be several centimeters. In typical vehicle types today, air gaps between 15 and 25 cm are to be expected. But other sizes for the space between terrain 10 and vehicle underside are also possible.
  • This gap 30 is normally freely accessible. Therefore, there is a possibility that living beings or objects may invade this space 30 at any time. For example, animals, such as cats or mice, can invade. Furthermore, there is also the danger that objects such as dirt, debris, leaves or the like can penetrate into this intermediate space 30 due to external influences.
  • the transmitting coil 1 generates a magnetic alternating field. This alternating magnetic field is from the receiving coil. 2
  • Power supply network can also reverse the coil in the vehicle serve as a transmitting coil that generates a magnetic field.
  • the coil in the charging station then works as a receiving coil, which receives the energy of the magnetic field and converts it into electrical energy. This electrical energy can then turn into a
  • Reception coil 2 ensure that there are no unwanted objects in the gap 30, this gap 30 is monitored by an optical monitoring device 3.
  • FIG. 2 shows, for example, the monitoring of a gap 30 by means of a light barrier. For a better view, only a single light barrier between two corner points is shown. For the inventive approach of an optical monitoring of the gap 30, however, also several
  • the gap 30 can be monitored even more reliably in its entire volume by the use of multiple light barriers.
  • Such a light barrier comprises at least one light source which emits a light beam 31 and a light sensor which detects the light of the light source. If the light beam is interrupted or attenuated in its course, ie attenuated, this can be detected by the detector. Furthermore, it is also possible to redirect the light beam 31 transmitted from the light source by means of one or more mirrors, and thus to arrive at a more complex profile of the light beam 31. Thus, a very good monitoring of the volume in the gap 30 can already be achieved by one or only a few light beams.
  • the reliability of such a light barrier technology can, for example, additionally be improved by a combination with an optical distance measurement. In this case, an optical distance measurement usually uses coherent light, for example laser light.
  • an optical distance measurement usually uses coherent light, for example laser light.
  • Distance measuring device to detect the penetration of an object even if due to unwanted reflections of the emitted light beam would arrive in a different way to a detector.
  • FIG. 3 shows a further embodiment for the optical monitoring of the
  • the volume of the gap 30 is monitored by an optical scanner.
  • an optical scanner may be a laser scanner.
  • FIG. 4 shows a further embodiment for optical monitoring of the
  • the externa ßere edge of the gap 30 is monitored by one or more light curtains. If an object penetrates a surface monitored by such a light curtain, it is detected and signaled by the light curtain.
  • a light curtain between two opposite edges in each case an optical beam grating 32 which is at least partially interrupted upon penetration of an object.
  • optical monitoring by a light curtain only the outer edge of the gap 30 is monitored. Therefore, in this case, before initiating the charging process, it must be ensured that no foreign matter is present in the intermediate space 30 at the start time.
  • FIGS. 2 to 4 it goes without saying that further possibilities for optical monitoring of the
  • optical monitoring devices used in this case comprise at least active elements, such as a light source, which has one or more active elements
  • the optical monitoring devices 3 may also comprise passive elements.
  • the optical monitoring devices 3 may also comprise passive elements.
  • Monitoring devices 3 also have mirrors or other reflectors which reflect or deflect the light emitted by the light sources.
  • mirrors or other reflectors which reflect or deflect the light emitted by the light sources.
  • Vehicle 20 or at the charging station, ie at the bottom 10 are.
  • the other side is provided exclusively with passive components, such as mirrors or reflectors.
  • passive components such as mirrors or reflectors.
  • Charging station emit one or more light rays, which are then reflected by reflectors on the underside of the vehicle and thrown back to the detectors at the charging station.
  • the light sources are mounted on the underside of the vehicle 20, and the light is reflected by reflectors in the region of the transmitting coil 2 and then back to detectors on the
  • Vehicle base is passed.
  • each active optical elements are mounted.
  • the light can be emitted from the underside of the vehicle and received by detectors at the charging station in the area of the transmitting antenna 1.
  • the light can be emitted by light sources in the area of the transmitting antenna 1 and by detectors on the underside of the vehicle in the region of
  • Receiving antenna 2 is evaluated. Furthermore, mixed forms are possible.
  • the elements of the optical monitoring device are very strongly influenced by the environment both at the charging station and at the vehicle
  • Cleaning device 4 are provided, which are the elements of the optical
  • Monitoring device 3 cleans and thus freed of impurities.
  • the cleaning device 4 may have one or more nozzles, from which water is emitted with a suitable pressure.
  • a cleaning device may comprise, for example, a tank for a cleaning liquid, such as water, a pump and one or more nozzles.
  • Further possibilities for cleaning the optical monitoring device 3 are also possible.
  • To clean the optical monitoring device it is possible, for example, that the optical elements on the vehicle are already cleaned in the region of the receiving antenna 2 while driving. Thus, the monitoring device 3 is immediately available when parking the vehicle and can be used immediately. Alternatively, it is also possible to clean the optical elements of the monitoring device 3 only when parking the vehicle, or only when initiating the charging process. In the same way, the optical elements of the monitoring device 3 in the region of the transmitting antenna 1 by a cleaning device 4 of
  • this cleaning device 4 the optical elements to clean the transmitting antenna 1 either at regular intervals continuously, or alternatively only when a vehicle is parked on the charger, or the charging process is initiated.
  • the optical monitoring device 3 For cleaning the optical monitoring device 3, it is possible in this case for separate cleaning devices to be used both in the area of the transmitting antenna and in the area of the receiving antenna in the vehicle, which are specially adapted to the respective arrangement of the optical monitoring device. Alternatively, it is also possible to arrange only one cleaning device 4 either on the vehicle 20 or in the charging station in the area of the transmitting antenna 10, and to clean the optical elements both in the area of the transmitting antenna 1 and in the area of the receiving antenna 2 by this single cleaning device.
  • a data connection is established between the vehicle 20 and the charging station.
  • a data connection may preferably be a wireless connection.
  • the connection can be made optically, for example on the basis of infrared light, by means of a radio connection, such as WLAN, GSM, Bluetooth, etc., or by means of an inductive connection between the vehicle and the charging station.
  • Data connection can first be an authorization of the vehicle and / or the driver. Furthermore, the exchange of vehicle-specific Parameters, as well as the transmission of parameters for a later billing of the costs possible. If all the necessary data have been exchanged and the charging process is then to begin, the monitoring device 3 first checks whether the intermediate space 30 between the transmitting antenna 1 and the receiving antenna 2 is free. If the monitoring device 3 recognizes that there is an undesired object in the intermediate space 30, the charging process is not started.
  • the transmitting antenna 1 If, on the other hand, the intermediate space 30 is free, the transmitting antenna 1 generates a magnetic field. This magnetic field is received by the receiving antenna 2 and converted into electrical energy. This electrical energy is supplied via a suitable circuit 21 of the battery 22 of the vehicle 20.
  • Reception antenna 2 penetrates, so the monitoring device 3 can first output a warning signal. Is then the gap 30 within a
  • the charging process is continued without interruption. For example, it is thus conceivable that an invaded animal is frightened by the warning signal and then leaves the intermediate space 30 again. Another possibility is, for example, that a nearby user can immediately remove the penetrating object when the warning signal sounds, before major damage occurs. If, on the other hand, the detected object is not removed from the intermediate space 30 within a predetermined period of time, then the charging process is interrupted by the transmission coil 1 being deactivated. Thus it can be prevented that caused by the penetrated object greater damage. Alternatively, it is also possible to deactivate the transmitting coil 1 immediately upon detection of an intruding object and to stop the charging process. This may be useful in particular when using a light curtain shown in FIG.
  • the optical monitoring device 3 may also be coupled to an additional notification device (not shown) which, upon detection of an object in the gap 30, sends a notification to a user.
  • this may be a notification of the user via a mobile telephone connection or the sending of a message via a suitable further radio connection.
  • the user can be informed of the intrusion of an object in the gap 30 even if he is not in the immediate vicinity of the vehicle. Since the charging process of an electric vehicle can usually take several hours, it is possible that the user is also at a remote location during this time.
  • the user can also be formed in these cases about a fault occurring in. The user can then come to his vehicle, eliminate the fault and then resume charging.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a method 100 for operating an inductive energy transmission device, as can be used, for example, for charging a traction battery in an electric vehicle.
  • a transmitting coil 1 is provided.
  • it may be the transmitting coil of a charging station for the electric vehicle.
  • a receiving coil 2 is provided. This may be, for example, the receiving coil in the electric vehicle with which the traction battery is to be recharged.
  • an inductive energy transfer from the transmitting coil 1 to the receiving coil 2 is carried out
  • step 150 the penetration of an object in the gap 30 between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 can be detected and then, in step 160, the power transmission between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 is interrupted when an object in the gap 30 has been detected.
  • signaling may occur in a step 170 when in the
  • This signaling may, for example, be the output of an optical and / or acoustic signal. Additionally or alternatively, about In addition, the notification of a remote user by means of a
  • Radio connection done For this example, a mobile phone connection, a wireless connection or the like can be used.
  • the present invention relates to the monitoring of a
  • Interspace in particular of the air gap, between a transmitting coil and a receiving coil in an inductive energy transfer.
  • the monitoring of this gap takes place by means of an optical monitoring device.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Überwachung eines Zwischenraumes, insbesondere des Luftspaltes, zwischen einer Sendespule und einer Empfangsspule bei einer induktiven Energieübertragung. Die Überwachung dieses Zwischenraumes erfolgt dabei mittels einer optischen Überwachungsvorrichtung. Durch eine optische Überwachung des Luftspaltes zwischen Sende- und Empfangsspule kann dabei das Eindringen eines Objektes zuverlässig detektiert werden, ohne dass das Magnetfeld der induktiven Energieübertragung beeinflusst wird.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions-Batterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.
Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Spule abgestellt. Diese Spule sendet ein
magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer
Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktions-Batterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift DE 10 201 1 010 049 A1 offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird.
Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Leistungsübertragung verwendet werden. Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 15-25 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten
Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser
Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Aufgrund der starken magnetischen Felder ist es jedoch nicht erwünscht, dass sich während des Ladevorgangs Objekte, wie beispielsweise Verunreinigungen oder Tiere, in diesem Luftspalt aufhalten.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, die zuverlässig einen Gegenstand in dem Übertragungsbereich der induktiven
Energieübertragungsstrecke erkennen kann. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule mit einer optischen Überwachungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule zu überwachen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, mit den Schritten des
Bereitstellens einer Sendespule; des Bereitstellens einer Empfangsspule; einer induktiven Energieübertragung von der Sendespule zu der Empfangsspule; und des Überwachens des Zwischenraums zwischen der Sendespule und der Empfangsspule mit einer optischen Überwachungsvorrichtung.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Luftspalt einer induktiven
Energieübertragungsstrecke während der Energieübertragung mittels einer optischen Überwachungsvorrichtung zu überwachen und somit sicherzustellen, dass während der Energieübertragung keinerlei Fremdkörper in diesem Luftspalt vorhanden sind oder eindringen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass somit während der gesamten Energieübertragung gewährleistet wird, dass sich keinerlei störende Fremdkörper in dem Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule befinden. Eindringende Fremdkörper könnten andernfalls während der Energieübertragung eine große Gefahr darstellen. So können beispielsweise Tiere, welche in dem Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule eindringen, durch das starke magnetische Feld Schäden erleiden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass eindringende Gegenstände, insbesondere metallhaltige Gegenstände, sich durch das starke Magnetfeld erhitzen und gegebenenfalls sogar in Brand geraten können. Ein solches Eindringen sowohl von Tieren als auch von anderen Fremdkörpern kann durch die erfindungsgemäße Überwachung des Zwischenraums zuverlässig erkannt werden. Bei Bedarf können daraufhin geeignete Maßnahme eingeleitet werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass gerade durch eine optische Überwachung des Zwischenraums zwischen Sende- und Empfangsspule das Magnetfeld der
Energieübertragung nicht gestört wird. Das magnetische Feld zur Energieübertragung und die Lichtstrahlen der Überwachungsvorrichtung beeinflussen sich gegenseitig nicht, so dass die Energieübertragung ungehindert stattfinden kann und hierbei keine
Beeinflussung der optischen Überwachung erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Überwachungsvorrichtung eine
Lichtschranke, ein optischer Entfernungsmesser, ein optischer Scanner und/oder ein Lichtvorhang. Solche optischen Systeme eignen sich besonders gut zur Überwachung von Luftspalten, wie sie als Zwischenräume bei der induktiven Energieübertragung auftreten. In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung ferner eine Reinigungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die optische Überwachungsvorrichtung zu reinigen. Da gerade optische Systeme dazu neigen, durch Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Staub oder aufgewirbelten Schmutz verunreinigt zu werden, kann durch eine solche Reinigungsvorrichtung die Zuverlässigkeit der optischen Überwachung des Zwischenraums deutlich erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die optische Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Eindringen eines Objekts in den Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule zu erkennen und die
Sendespule zu deaktivieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde. Auf diese Weise kann die induktive Energieübertragung rasch gestoppt werden. Somit wird ein eindringendes Objekt nicht mit dem magnetischen Feld der Sendespule beaufschlagt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batterie-Ladevorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der induktiven Energieübertragungsvorrichtung ferner die Schritte des Detektierens eines Objekts im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und des Unterbrechens der Energieübertragung, wenn ein Objekt im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule detektiert wird. Durch eine solche Unterbrechung der Energieübertragung im Falle einer Detektion eines Objekts wird das detektierte Objekt nicht weiter mit dem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Somit können weitere negative Folgen, wie beispielsweise eine übermäßige Erwärmung des eindringenden Objektes oder ähnliches verhindert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner einen Schritt zur Signalisierung der Detektion eines Objekts im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule. Durch diese Signalisierung eines Objektes im Zwischenraum kann ein Benutzer rasch das Eindringen des Objektes erkennen und daraufhin sofort geeignete Gegenmaßnahmen einleiten. Wird bei dem Eindringen gleichzeitig die Sendespule deaktiviert und somit ein Ladevorgang für die Batterie unterbrochen, so kann der Benutzer aufgrund der Signalisierung rasch reagieren, die Störung beseitigen und daraufhin den Ladevorgang fortsetzen.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2: eine schematische Darstellung einer optischen Überwachung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer optischen Überwachung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer optischen Überwachung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer
induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische
Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 20, das über einer induktiven Ladestation abgestellt ist. Das Fahrzeug 20 ist dabei so abgestellt, dass die Empfangsspule 2 des Fahrzeugs 20 über der Sendespule 1 angeordnet ist. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit des
Fahrzeugs 20 besteht dabei zwischen dem Gelände 10, in dem die Sendespule 1 angeordnet ist und der Unterseite des Fahrzeugs 20, in dem sich die Empfangsspule 2 befindet, ein Zwischenraum 30 mit einem Luftspalt. Dieser Zwischenraum 30 mit dem Luftspalt kann dabei mehrere Zentimeter betragen. Bei heute üblichen Fahrzeugtypen sind Luftspalte zwischen 15 und 25 cm zu erwarten. Aber auch andere Größen für den Zwischenraum zwischen Gelände 10 und Fahrzeugunterseite sind ebenso möglich. Dieser Zwischenraum 30 ist dabei normalerweise frei zugänglich. Daher besteht die Möglichkeit, dass in diesem Zwischenraum 30 jederzeit Lebewesen oder Gegenstände eindringen können. So können beispielsweise Tiere, wie Katzen oder Mäuse, eindringen. Weiter besteht auch die Gefahr, dass aufgrund von äu ßeren Einflüssen Objekte, wie beispielsweise Schmutz, Unrat, Laub oder ähnliches, in diesen Zwischenraum 30 eindringen können. Insbesondere leicht brennbare, metallhaltige Gegenstände stellen während des induktiven Ladevorgangs dabei eine große Gefahr dar, da sich diese Gegenstände stark erwärmen und daraufhin gegebenenfalls entzünden können. Nachdem das Fahrzeug 20 so abgestellt wurde, dass die Empfangsspule 2 in dem Fahrzeug 20 sich über der Sendespule 1 befindet, kann das Aufladen der
Traktionsbatterie 22 beginnen. Hierzu erzeugt die Sendespule 1 ein magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld wird von der Empfangsspule 2
aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie steht daraufhin über eine geeignete Schaltung 21 zum Aufladen der Traktionsbatterie 22 zur Verfügung.
Für eine Rückspeisung elektrischer Energie vom Fahrzeug 20 in ein
Energieversorgungsnetz kann auch umgekehrt die Spule im Fahrzeug als Sendespule dienen, die ein magnetisches Feld erzeugt. Die Spule in der Ladestation arbeitet dann als Empfangsspule, die die Energie des magnetischen Felds empfängt und in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann daraufhin in ein
Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
Um während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der
Empfangsspule 2 sicherzustellen, dass sich in dem Zwischenraum 30 keinerlei unerwünschte Objekte befinden, wird dieser Zwischenraum 30 von einer optischen Überwachungsvorrichtung 3 überwacht.
Figur 2 zeigt beispielsweise die Überwachung eines Zwischenraums 30 mittels einer Lichtschranke. Für eine bessere Anschauung ist dabei nur eine einzige Lichtschranke zwischen zwei Eckpunkten dargestellt. Für den erfindungsgemäßen Ansatz einer optischen Überwachung des Zwischenraums 30 sind jedoch auch mehrere
Lichtschranken möglich. Dabei kann durch die Verwendung mehrerer Lichtschranken der Zwischenraum 30 in seinem ganzen Volumen noch zuverlässiger überwacht werden.
Eine solche Lichtschranke umfasst zumindest eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl 31 aussendet und einen Lichtsensor, der das Licht der Lichtquelle detektiert. Wird der Lichtstrahl dabei in seinem Verlauf unterbrochen oder gedämpft, das heißt abgeschwächt, so kann dies von dem Detektor erkannt werden. Weiterhin ist es auch möglich, den von der Lichtquelle aus gesendeten Lichtstrahl 31 mittels eines oder mehrerer Spiegel umzulenken, und so zu einem komplexeren Verlauf des Lichtstrahls 31 zu gelangen. Somit kann bereits auch durch einen oder nur wenige Lichtstrahlen eine sehr gute Überwachung des Volumens in dem Zwischenraum 30 erreicht werden. Die Zuverlässigkeit einer solchen Lichtschrankentechnik kann dabei beispielsweise noch zusätzlich durch eine Kombination mit einer optischen Entfernungsmessung verbessert werden. Dabei verwendet eine optische Entfernungsmessung üblicherweise kohärentes Licht, beispielsweise Laserlicht. Somit kann eine solche optische
Entfernungsmesseinrichtung das Eindringen eines Objektes auch dann erkennen, wenn aufgrund von ungewollten Reflexionen der ausgesendete Lichtstrahl auf anderem Wege zu einem Detektor gelangen würde.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform zur optischen Überwachung des
Zwischenraums 30. Dabei wird das Volumen des Zwischenraumes 30 durch einen optischen Scanner überwacht. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen optischen Scanner um einen Laserscanner handeln.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform zur optischen Überwachung des
Zwischenraums 30. Dabei wird der äu ßere Rand des Zwischenraums 30 durch einen oder mehrere Lichtvorhänge überwacht. Durchdringt dabei ein Objekt eine durch einen solchen Lichtvorhang überwachte Fläche, so wird dieses durch den Lichtvorhang erkannt und signalisiert. Hierzu spannt ein Lichtvorhang zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten jeweils ein optisches Strahlengitter 32 auf, das beim Eindringen eines Objektes zumindest teilweise unterbrochen wird. Bei dieser Ausführungsform der optischen Überwachung durch einen Lichtvorhang wird lediglich der äu ßere Rand des Zwischenraums 30 überwacht. Daher muss in diesem Fall vor Initiierung des Ladevorgangs sichergestellt werden, dass sich zum Startzeitpunkt kein Fremdkörper im Zwischenraum 30 befindet. Neben den in Zusammenhang mit den in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Verfahren sind selbstverständlich auch weitere Möglichkeiten zur optischen Überwachung des
Zwischenraums 30 möglich.
Die verwendeten optischen Überwachungsvorrichtungen umfassen dabei zumindest aktive Elemente, wie beispielsweise eine Lichtquelle, die einen oder mehrere
Lichtstrahlen aussendet und Detektorelemente, die das ausgesendete Licht empfangen und auswerten. Darüber hinaus können die optischen Überwachungsvorrichtungen 3 auch passive Elemente umfassen. Beispielsweise können die
Überwachungsvorrichtungen 3 auch Spiegel oder andere Reflektoren aufweisen, die das von den Lichtquellen ausgesendete Licht reflektieren oder umlenken. Zur optischen Überwachung des Zwischenraums 30 ist es dabei beispielsweise möglich, dass alle aktiven optischen Elemente, also Lichtquellen und Detektoren sich entweder am
Fahrzeug 20 oder an der Ladestation, also am Boden 10 befinden. Die jeweils andere Seite ist dabei ausschließlich mit passiven Bauelementen, wie Spiegeln oder Reflektoren, versehen. So kann beispielsweise zur Überwachung des Zwischenraums 30 die
Ladestation einen oder mehrere Lichtstrahlen aussenden, die daraufhin von Reflektoren an der Fahrzeugunterseite reflektiert und zu den Detektoren an der Ladestation zurückgeworfen werden. Alternativ ist es ebenso möglich, dass die Lichtquellen an der Unterseite des Fahrzeugs 20 angebracht sind, und das Licht von Reflektoren im Bereich der Sendespule 2 reflektiert wird und daraufhin zurück zu Detektoren an der
Fahrzeugunterseite geleitet wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist es darüber hinaus auch möglich, dass sowohl in der Ladestation mit der Sendeantenne 1 als auch am Fahrzeug 20 mit der
Empfangsantenne 2 jeweils aktive optische Elemente angebracht sind. Beispielsweise kann das Licht von der Fahrzeugunterseite ausgesendet werden und von Detektoren an der Ladestation im Bereich der Sendeantenne 1 empfangen werden. Alternativ ist es umgekehrt auch möglich, dass das Licht von Lichtquellen im Bereich der Sendeantenne 1 ausgesendet wird und von Detektoren an der Fahrzeugunterseite im Bereich der
Empfangsantenne 2 ausgewertet wird. Ferner sind auch Mischformen möglich.
Im vorliegenden Fall einer induktiven Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug 20 sind dabei die Elemente der optischen Überwachungsvorrichtung sowohl an der Ladestation als auch am Fahrzeug sehr stark Umwelteinflüssen
ausgesetzt. Daher kann es beispielsweise durch Staub oder aufgewirbelten Schmutz zu Verunreinigungen der optischen Überwachungsvorrichtung kommen. In diesem Falle wäre eine zuverlässige Überwachung des Zwischenraums 30 zwischen Sendeantenne 1 und Empfangsantenne 2 nicht mehr möglich. Daher kann weiterhin eine
Reinigungsvorrichtung 4 vorgesehen werden, die die Elemente der optischen
Überwachungsvorrichtung 3 reinigt und somit von Verunreinigungen befreit.
Beispielsweise kann eine solche Reinigungsvorrichtung 4 die Elemente der optischen
Überwachungsvorrichtung 3 mittels eines geeigneten Wasserstrahls reinigen. Hierzu kann die Reinigungsvorrichtung 4 eine oder mehrere Düsen aufweisen, aus denen Wasser mit einem geeigneten Druck herausgestrahlt wird. Eine solche Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise einen Tank für eine Reinigungsflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, eine Pumpe sowie eine oder mehrere Düsen aufweisen. Weitere Möglichkeiten zur Reinigung der optischen Überwachungsvorrichtung 3 sind ebenso möglich. Zur Reinigung der optischen Überwachungsvorrichtung ist es dabei beispielsweise möglich, dass die optischen Elemente am Fahrzeug im Bereich der Empfangsantenne 2 bereits während der Fahrt gereinigt werden. Somit steht die Überwachungsvorrichtung 3 beim Abstellen des Fahrzeugs unmittelbar zur Verfügung und kann sofort genutzt werden. Alternativ ist es auch möglich, die optischen Elemente der Überwachungsvorrichtung 3 erst beim Abstellen des Fahrzeuges, oder erst beim Initiieren des Ladevorgangs zu reinigen. In gleicher Weise können auch die optischen Elemente der Überwachungsvorrichtung 3 im Bereich der Sendeantenne 1 durch eine Reinigungsvorrichtung 4 von
Verunreinigungen befreit werden. Dabei kann diese Reinigungsvorrichtung 4 die optischen Elemente um die Sendeantenne 1 entweder in regelmäßigen Abständen kontinuierlich säubern, oder alternativ auch erst dann, wenn ein Fahrzeug über der Ladevorrichtung abgestellt wird, oder der Ladevorgang initiiert wird.
Zum Reinigen der optischen Überwachungsvorrichtung 3 ist es dabei möglich, dass sowohl im Bereich der Sendeantenne und im Bereich der Empfangsantenne im Fahrzeug jeweils separate Reinigungsvorrichtungen verwendet werden, die speziell auf die jeweilige Anordnung der optischen Überwachungsvorrichtung angepasst sind. Alternativ ist es ebenso möglich, nur eine Reinigungsvorrichtung 4 entweder am Fahrzeug 20 oder in der Ladestation im Bereich der Sendeantenne 10 anzuordnen, und durch diese einzige Reinigungsvorrichtung die optischen Elementen sowohl im Bereich der Sendeantenne 1 als auch im Bereich der Empfangsantenne 2 zu reinigen.
Ist nun das Fahrzeug 20 mit der Empfangsantenne 2 über der Ladestation mit der Sendeantenne 1 abgestellt und gegebenenfalls die optische Überwachungsvorrichtung 3 durch die Reinigungsvorrichtung 4 gereinigt, so kann das Aufladen der Traktions-Batterie 22 gestartet werden. Hierzu wird gegebenenfalls zunächst eine Datenverbindung zwischen dem Fahrzeug 20 und der Ladestation aufgebaut. Eine solche Datenverbindung kann vorzugsweise eine kabellose Verbindung sein. Beispielsweise kann die Verbindung optisch, zum Beispiel auf Basis von infrarotem Licht hergestellt werden, mittels einer Funkverbindung, wie zum Beispiel WLAN, GSM, Bluetooth etc., oder mittels einer induktiven Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation. Durch eine solche
Datenverbindung können zunächst eine Autorisierung des Fahrzeugs und/oder des Fahrzeugführers erfolgen. Weiterhin ist auch der Austausch von fahrzeugspezifischen Parametern, sowie die Übertragung von Parametern für eine spätere Abrechnung der Kosten möglich. Sind alle erforderlichen Daten ausgetauscht und soll daraufhin der Ladevorgang beginnen, so wird zunächst durch die Überwachungsvorrichtung 3 überprüft, ob der Zwischenraum 30 zwischen Sendeantenne 1 und Empfangsantenne 2 frei ist. Erkennt die Überwachungsvorrichtung 3 dabei, dass sich in dem Zwischenraum 30 ein unerwünschter Gegenstand befindet, so wird der Ladevorgang nicht gestartet.
Ist dagegen der Zwischenraum 30 frei, so erzeugt die Sendeantenne 1 ein magnetisches Feld. Dieses magnetische Feld wird von der Empfangsantenne 2 empfangen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie wird über eine geeignete Schaltung 21 der Batterie 22 des Fahrzeugs 20 zugeführt. Somit wird die
Fahrzeugbatterie 22 aufgeladen.
Wird während dieses Ladevorgangs durch die optische Überwachungsvorrichtung 3 erkannt, dass ein Objekt in dem Zwischenraum 30 zwischen Sendeantenne 1 und
Empfangsantenne 2 eindringt, so kann die Überwachungsvorrichtung 3 zunächst ein Warnsignal ausgeben. Wird daraufhin der Zwischenraum 30 innerhalb einer
vorbestimmten Zeit von dem detektierten Objekt befreit, so wird der Ladevorgang ohne Unterbrechung fortgesetzt. Beispielsweise ist es somit denkbar, dass ein eingedrungenes Tier durch das Warnsignal erschrickt und daraufhin den Zwischenraum 30 wieder verlässt. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass ein sich in der Nähe aufhaltender Benutzer beim Ertönen des Warnsignals unmittelbar den eindringenden Gegenstand entfernen kann, bevor größerer Schaden entsteht. Wird dagegen das detektierte Objekt nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne aus dem Zwischenraum 30 entfernt, so wird daraufhin der Ladevorgang unterbrochen, indem die Sendespule 1 deaktiviert wird. Somit kann verhindert werden, dass durch das eingedrungene Objekt größerer Schaden entsteht. Alternativ ist es auch möglich, bei der Detektion eines eindringenden Objektes sofort die Sendespule 1 zu deaktivieren und den Ladevorgang zu stoppen. Dies kann insbesondere bei der Verwendung eines in Figur 4 dargestellten Lichtvorhangs sinnvoll sein. Auch bei der sofortigen Abschaltung des Ladevorgangs und dem Deaktivieren der Sendespule 1 kann dabei optional ein geeignetes Warnsignal ausgegeben werden. Weiterhin kann die optische Überwachungsvorrichtung 3 auch mit einer zusätzlichen Benachrichtigungsvorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelt werden, die bei der Detektion eines Objektes im Zwischenraum 30 eine Benachrichtigung an einen Benutzer aussendet. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Benachrichtigung des Benutzers über eine Mobiltelefonverbindung handeln oder das Aussenden einer Nachricht über eine geeignete weitere Funkverbindung. Somit kann der Benutzer selbst dann über das Eindringen eines Objektes in dem Zwischenraum 30 informiert werden, wenn er sich nicht in unmittelbarer Nähe des Fahrzeuges aufhält. Da der Ladevorgang eines Elektrofahrzeuges in der Regel mehrere Stunden dauern kann, ist es möglich, dass sich der Benutzer während dieser Zeit auch an einem entfernten Ort aufhält. Durch eine zuvor beschriebene
Benachrichtigung mittels eines Funksignals kann der Benutzer auch in diesen Fällen über eine auftretende Störung in formiert werden. Der Benutzer kann daraufhin zu seinem Fahrzeug kommen, die Störung beseitigen und anschließend den Ladevorgang erneut fortsetzen.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, wie sie beispielsweise zum Aufladen einer Traktions-Batterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. In einem ersten Schritt 1 10 wird dabei eine Sendespule 1 bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um die Sendespule einer Ladestation für das Elektrofahrzeug handeln. In einem weiteren Schritt 120 wird eine Empfangsspule 2 bereitgestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Empfangsspule in dem Elektrofahrzeug handeln, mit dem die Traktions-Batterie wieder aufgeladen werden soll. In Schritt 130 erfolgt eine induktive Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der Empfangsspule 2. Weiterhin wird in Schritt 140 der
Zwischenraum zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 mit einer optischen Überwachungsvorrichtung 3 überwacht.
Ferner kann in Schritt 150 das Eindringen eines Objektes in dem Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 detektiert werden und daraufhin in Schritt 160 die Energieübertragung zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 unterbrochen werden, wenn ein Objekt in dem Zwischenraum 30 detektiert wurde.
Optional kann in einem Schritt 170 eine Signalisierung erfolgen, wenn in dem
Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 ein Objekt detektiert wurde. Bei dieser Signalisierung kann es sich beispielsweise um die Ausgabe eines optischen und/oder akustischen Signals handeln. Zusätzlich oder alternativ kann darüber hinaus auch die Benachrichtigung eines entfernten Benutzers mittels einer
Funkverbindung erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Mobiltelefonverbindung, eine WLAN-Verbindung oder ähnliches verwendet werden. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines
Zwischenraumes, insbesondere des Luftspaltes, zwischen einer Sendespule und einer Empfangsspule bei einer induktiven Energieübertragung. Die Überwachung dieses Zwischenraumes erfolgt dabei mittels einer optischen Überwachungsvorrichtung. Durch eine optische Überwachung des Luftspaltes zwischen Sende- und Empfangsspule kann dabei das Eindringen eines Objektes zuverlässig detektiert werden, ohne dass das Magnetfeld der induktiven Energieübertragung beeinflusst wird.

Claims

Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule (1 ) zu einer von der Sendespule (1 ) beabstandeten Empfangsspule (2), mit: einer optischen Überwachungsvorrichtung (3), die dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1 ) und der Empfangsspule (2) zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die optische Überwachungsvorrichtung (3) eine Lichtschranke, ein optischer Entfernungsmesser, ein optischer Scanner und/oder ein Lichtvorhang ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Reinigungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die optische Überwachungsvorrichtung (3) zu reinigen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optische
Überwachungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, ein Eindringen eines Objektes in den Zwischenraum (30) zwischen Sendespule (1 ) und Empfangsspule (2) zu erkennen und die Sendespule (1 ) zu deaktivieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde.
Batterie-Ladevorrichtung mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -4.
Verfahren (100) zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, mit den Schritten:
Bereitstellen (1 10) einer Sendespule (1 ); Bereitstellen (120) einer Empfangsspule (2); induktive Energieübertragung (130) von der Sendespule (1 ) zu der Empfangsspule (2); und Uberwachen (140) des Zwischenraumes (30) zwischen der Sendespule (1 ) und der Empfangsspule (2) mit einer optischen Überwachungsvorrichtung (3).
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die Schritte:
Detektion (150) eines Objektes im Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1 ) und der Empfangsspule (2); und
Unterbrechen (160) der Energieübertragung, wenn ein Objekt im Zwischenraum (30) zwischen Sendespule (1 ) und Empfangsspule (2) detektiert wurde.
8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Schritt (170) zur
Signalisierung der Detektion eines Objektes im Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1 ) und der Empfangsspule (2).
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