EP3542443A1 - Vorrichtung zum induktiven laden eines elektrofahrzeugs und verfahren zur detektion von elektrisch leitfähigen fremdkörpern in einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum induktiven laden eines elektrofahrzeugs und verfahren zur detektion von elektrisch leitfähigen fremdkörpern in einer solchen vorrichtung

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EP3542443A1
EP3542443A1 EP17780707.0A EP17780707A EP3542443A1 EP 3542443 A1 EP3542443 A1 EP 3542443A1 EP 17780707 A EP17780707 A EP 17780707A EP 3542443 A1 EP3542443 A1 EP 3542443A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
sensor
sensor coil
coil system
main magnetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17780707.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gabriel Krein
Moritz Braeuchle
Philipp Schumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3542443A1 publication Critical patent/EP3542443A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device for inductive charging of a
  • Electric vehicle comprising a primary coil for generating a
  • Main magnetic field and a sensor coil system for the detection of electrically conductive foreign bodies which has at least one sensor coil.
  • the invention also relates to a method for detecting electrically conductive foreign bodies in a device according to the invention.
  • Electric vehicles usually have an electrical energy storage, such as a traction battery, which can store electrical energy for the drive. Is this electrical energy storage completely or partially discharged, it can be recharged at a corresponding charging station.
  • charging stations are known in which the electrical energy by means of a charging cable to the electric
  • Charging stations are also known in which the electrical energy is transmitted inductively by means of a magnetic field, that is to say wirelessly, to the electrical energy store of the electric vehicle.
  • a charging station comprises a primary coil, which is designed for example as a set on the floor pallet.
  • the electric vehicle has a secondary coil which is mounted on an underbody of the electric vehicle. Between the primary coil and the secondary coil there is an air gap.
  • a magnetic field is generated by means of the primary coil, which penetrates the secondary coil and induces a corresponding current there.
  • the magnetic field is generated at a frequency of several kHz.
  • AI is an inductive energy transmission system and a method for detecting foreign objects in the inductive
  • the energy transmission system comprises a metal detector, which can detect metallic foreign objects by means of additional test coils.
  • a method and a device for determining a foreign object are also known from DE 10 2013 219 678 AI.
  • a capacitance element is connected to a coil and a magnetic field is generated.
  • the frequency of the magnetic field is varied and a recorded trace is compared with a reference profile.
  • Main magnetic field and a sensor coil system for the detection of electrically conductive foreign bodies The sensor coil system has at least one sensor coil.
  • the primary coil is traversed by an alternating current with a main frequency and the main magnetic field is thus an alternating magnetic field with the same main frequency.
  • the primary coil is, for example, circular in shape and generates a main magnetic field, which penetrates into a secondary coil, which is attached to an underbody of the electric vehicle.
  • the sensor coils of the sensor coil system are arranged and interconnected relative to the primary coil in such a way that no voltage is induced by the main magnetic field in the absence of sensor-generated magnetic fields in the sensor coil system, and that in the presence of a generated by a foreign body interference magnetic field in the
  • Sensor coils are induced.
  • the sensor coils are designed and interconnected such that in the absence of electrically conductive foreign bodies, the partial voltages induced by the subfields of the main magnetic field cancel each other out.
  • no voltage can be measured at the sensor coil system.
  • a relatively low voltage can be measured, which is below a predetermined threshold.
  • Partial voltages no longer open. On the sensor coil system thus a voltage can be measured, which is above the predetermined threshold.
  • Sensor coil system a sensor coil which is arranged such that in the absence of interference magnetic fields generated by foreign bodies, the sensor coil of two subfields of the main magnetic field of the same field strength and opposite direction is traversed.
  • the sensor coil system has at least two sensor coils, which are arranged such that in the absence of interference magnetic fields generated by foreign bodies, the at least two sensor coils are traversed by the same subfield of the main magnetic field.
  • the sub-field of the main magnetic field thus induces the same partial voltage with the same amount in each sensor coil.
  • the sensor coils are connected in series such that the
  • the sensor coil system at least two sensor coils, which are arranged such that in the absence of interference magnetic fields generated by foreign bodies, the at least two sensor coils of two subfields of
  • Main magnetic field of the same field strength and opposite direction are flowed through.
  • the two sub-fields of the main magnetic field thus induce in each sensor coil the same sub-voltage with the same amount.
  • Sensor coils are connected in series in such a way that the partial voltages point in opposite directions and cancel each other out.
  • Sensor coil system exactly two sensor coils, which are configured identically.
  • Sensor coil system at least two sensor coils, which
  • the means for generating a sensor magnetic field comprise in particular an AC power source or an AC voltage source.
  • the means for determining properties of the sensor coil system include, for example, measuring devices for measuring current and voltage and a phase shift between current and voltage.
  • a method for detecting electrically conductive foreign bodies in a device according to the invention is also proposed.
  • a main magnetic field for transmitting energy to the secondary coil is generated on the underbody of the electric vehicle.
  • a voltage induced in the sensor coil system by the main magnetic field is measured.
  • an electrically conductive foreign body is detected when the measured voltage exceeds a predetermined threshold. In this case, will be on the
  • Sensor coil system are determined.
  • the determination of properties of the sensor coil system represents an additional possibility for the detection of electrically conductive foreign bodies in the device according to the invention, which is independent of the main magnetic field.
  • an impedance, an inductance, an ohmic resistance and / or a quality of the sensor coil system are determined.
  • current and voltage as well as a phase shift between current and voltage of the sensor coil system are measured.
  • the desired variables impedance, inductance, ohmic resistance and quality of the sensor coil system can be determined by calculation from the measured values.
  • the sensor magnetic field preferably has a sensor frequency which deviates from the main frequency of the main magnetic field. This is the result
  • the inventive device for inductively charging an electric vehicle and the method according to the invention allow a relatively simple detection of electrically conductive foreign bodies in the device.
  • Main magnetic field is induced allows.
  • an active detection of foreign bodies by generating a sensor magnetic field by means of the sensor coil system and determination of properties of the sensor coil system is made possible.
  • Said active detection is independent of the main magnetic field and can be carried out before the main magnetic field is generated, for example shortly before the beginning of a charging process.
  • the active detection can also take place in parallel with the inductive charging of the electric vehicle.
  • the main magnetic field does not induce
  • Noise voltages which influence the means for determining properties of the sensor coil system In particular, a decoupling of Main magnetic field and the sensor magnetic field possible if both magnetic fields have different frequencies.
  • Ferritic foreign bodies can also be detected by means of the device according to the invention and by the method according to the invention. Ferritic foreign bodies cause a local amplification and a local weakening of the main magnetic field.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electric vehicle and a
  • Figure 2 is a schematic plan view of a main magnetic field of a
  • Figure 3 is a schematic plan view of a main magnetic field of a
  • Figure 4 is a schematic plan view of a main magnetic field of a
  • Figure 5 is a schematic plan view of a main magnetic field of a
  • Figure 6 is a schematic plan view of a main magnetic field of a
  • FIG. 1 shows an electric vehicle 17, which is placed over a device for inductive charging of the electric vehicle 17, shown schematically.
  • a device for inductive charging of the electric vehicle 17 is also referred to as inductive charging station.
  • the device for inductively charging the electric vehicle 17 is located on a floor 15 below the electric vehicle 17 and includes a
  • a secondary coil 12 is mounted on an underbody 16 of the electric vehicle 17.
  • the electric vehicle 17 is in the present case turned off so that the
  • Secondary coil 12 is arranged largely over the primary coil 11.
  • the main magnetic field 10 generated by the primary coil 11 thus penetrates the secondary coil 12, whereby energy from the primary coil 11 to the
  • Secondary coil 12 receives the energy transmitted from the primary coil 11 and charges a traction battery 18 of the electric vehicle 17.
  • Gap 14 with the air gap also extends between the
  • Primary coil 11 and the secondary coil 12 The primary coil 11 and the secondary coil 12.
  • the device for inductively charging the electric vehicle 17 also includes
  • Secondary coil 12 can be located.
  • the sensor coil system 30 in this case has one or more sensor coils 31, 32, 33, which are presently arranged on the primary coil 11 and in the intermediate space 14.
  • the primary coil 11 is presently formed approximately as an annular coil or circular coil.
  • the main magnetic field 10 is depicted by drawn field lines. The field lines of the main magnetic field 10 generated by the primary coil 11 penetrate the primary coil 11 and the
  • the primary coil 11 is traversed by an alternating current with a main frequency and the main magnetic field 10 is thus an alternating
  • Magnetic field with the same main frequency of, for example, 85 kHz.
  • the main magnetic field 10 is to a defined
  • the main magnetic field 10 comprises a first subfield 21, in which the
  • the main magnetic field 10 comprises a second subfield 22 in which the field lines of the main magnetic field 10 extend approximately perpendicularly from the underbody 16 of the electric vehicle 17 to the ground 15, that is to say downwards.
  • Figure 2 shows a schematic plan view of the main magnetic field 10 of a
  • the sensor coil system 30 has a first sensor coil 31, which is arranged such that the first sensor coil 31 is uniformly flowed through by the first sub-field 21 and by the second sub-field 22.
  • the first subfield 21 and the second subfield 22 thus induce in the first sensor coil 31 two sub-voltages of the same magnitude and
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the main magnetic field 10 of a device according to a second embodiment.
  • the sensor coil system 30 has a first sensor coil 31 and a second sensor coil 32, which are arranged such that the first sensor coil 31 and the second
  • Sensor coil 32 are flowed through by the second subfield 22.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are of similar construction and in particular have the same number of turns and the same cross-sectional area.
  • the second subfield 22 thus induces in the first sensor coil 31 and in the second sensor coil 32 the same sub-voltage with the same amount.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are connected in series in such a way that the partial voltages point in opposite directions and cancel each other out. At the sensor coil system 30 thus theoretically no voltage can be measured.
  • Figure 4 shows a schematic plan view of the main magnetic field 10 of a device according to a third embodiment.
  • the sensor coil system 30 has a first sensor coil 31 and a second sensor coil 32, which are arranged such that the first sensor coil 31 is flowed through by the first sub-field 21 and the second sensor coil 32 is flowed through by the second sub-field 22.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are of similar construction and in particular have the same number of
  • the first subfield 21 and the second subfield 22 thus induce in the first sensor coil 31 and in the second sensor coil 32, the same partial voltage with the same amount.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are connected in series such that the partial voltages in opposite
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the main magnetic field 10 of a device according to a fourth embodiment.
  • the sensor coil system 30 has a first sensor coil 31, a second sensor coil 32 and a third sensor coil 33, which are arranged such that the first sensor coil
  • the first sensor coil 31 is flowed through by the first subfield 21 and the second sensor coil 32 and the third sensor coil 33 are traversed by the second subfield 22.
  • the second sensor coil 32 and third sensor coil 33 are of similar construction and in particular have the same number of turns and the same cross-sectional area.
  • the first sensor coil 31 has a different structure therefrom and in particular has twice the number of turns as the second sensor coil 32 and the third sensor coil 33.
  • the first subfield 21 induces a in the first sensor coil 31 a
  • the second subfield 22 induces the same in the second sensor coil 32 and in the third sensor coil 33, which are connected in series
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of the main magnetic field 10 of FIG.
  • the sensor coil system 30 has a first sensor coil 31 and a second sensor coil 32, which are arranged such that the first sensor coil 31 and the second
  • Sensor coil 32 are flowed through by the first sub-field 21.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are arranged concentrically one above the other.
  • the turns of the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are of similar construction and in particular have the same number of turns and the same cross-sectional area. However, the turns of the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 have
  • the first subfield 21 thus induces in the first sensor coil 31 and in the second sensor coil 32 the same sub-voltage with the same amount.
  • the first sensor coil 31 and the second sensor coil 32 are connected in series in such a way that the partial voltages point in opposite directions and cancel each other out. At the sensor coil system 30 thus theoretically no voltage can be measured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs (17), umfassend eine Primärspule (11) zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes (10) und ein Sensorspulensystem (30) zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern, das mindestens eine Sensorspule aufweist. Die Sensorspulen sind derart relativ zu der Primärspule (11) angeordnet und verschaltet, dass bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern in dem Sensorspulensystem (30) keine Spannung durch das Hauptmagnetfeld (10) induziert wird, und dass bei Anwesenheit eines durch einen Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldes in dem Sensorspulensystem (30) eine Spannung durch das Hauptmagnetfeld (10) induziert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei mittels der Primärspule (11) ein Hauptmagnetfeld (10) erzeugt wird, und wobei eine in dem Sensorspulensystem (30) durch das Hauptmagnetfeld (10) induzierte Spannung gemessen wird, und ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper detektiert wird, wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs und Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Laden eines
Elektrofahrzeugs, umfassend eine Primärspule zur Erzeugung eines
Hauptmagnetfeldes und ein Sensorspulensystem zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern, das mindestens eine Sensorspule aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge weisen üblicherweise einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions-Batterie auf, welche elektrische Energie für den Antrieb speichern kann. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so kann dieser an einer entsprechenden Ladestation wieder aufgeladen werden. Hierzu sind Ladestationen bekannt, bei welchen die elektrische Energie mittels eines Ladekabels zu dem elektrischen
Energiespeicher übertragen wird.
Es sind auch Ladestationen bekannt, bei welchen die elektrische Energie induktiv mittels eines Magnetfelds, also kabellos, zu dem elektrischen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs übertragen wird. Eine solche Ladestation umfasst eine Primärspule, welche beispielsweise als eine auf den Boden gesetzte Ladeplatte ausgeführt ist. Das Elektrofahrzeug weist eine Sekundärspule auf, welche an einem Unterboden des Elektrofahrzeugs montiert ist. Zwischen der Primärspule und der Sekundärspule befindet sich ein Luftspalt. Zur Energieübertragung wird mittels der Primärspule ein Magnetfeld erzeugt, welches die Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Das Magnetfeld wird dabei mit einer Frequenz von mehreren kHz erzeugt. Wenn sich in dem Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule metallische Fremdkörper befinden können elektrische Wirbelströme in diesen Fremdkörpern induziert werden. Hierdurch können sich die Fremdkörper erheblich erhitzen. Dies verursacht einerseits eine Verlustleistung beim Laden des elektrischen Energiespeichers und stellt ferner eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Daher ist es für einen sicheren Betrieb der Ladestation notwendig, metallische Fremdkörper zu erkennen.
Aus der DE 10 2013 223 794 AI ist ein induktives Energieübertragungssystem und ein Verfahren zur Erkennung von Fremdobjekten in dem induktiven
Energieübertragungssystem bekannt. Das Energieübertragungssystem umfasst dazu einen Metalldetektor, welcher mittels zusätzlicher Probespulen metallische Fremdobjekte detektieren kann.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Fremdobjekts sind auch aus der DE 10 2013 219 678 AI bekannt. Dabei wird ein Kapazitätselement mit einer Spule verbunden und es wird ein Magnetfeld erzeugt. Dabei wird die Frequenz des Magnetfelds variiert und eine aufgenommene Messkurve wird mit einem Referenzprofil verglichen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, welche eine Primärspule zur Erzeugung eines
Hauptmagnetfeldes und ein Sensorspulensystem zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern umfasst. Das Sensorspulensystem weist dabei mindestens eine Sensorspule auf.
Die Primärspule wird von einem Wechselstrom mit einer Hauptfrequenz durchflössen und das Hauptmagnetfeld ist somit ein alternierendes Magnetfeld mit der gleichen Hauptfrequenz. Die Primärspule ist beispielsweise zirkulär ausgebildet und erzeugt ein Hauptmagnetfeld, welches in eine Sekundärspule eindringt, die an einem Unterboden des Elektrofahrzeugs angebracht ist. Erfindungsgemäß sind die Sensorspulen des Sensorspulensystems derart relativ zu der Primärspule angeordnet und verschaltet, dass bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern in dem Sensorspulensystem keine Spannung durch das Hauptmagnetfeld induziert wird, und dass bei Anwesenheit eines durch einen Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldes in dem
Sensorspulensystem eine Spannung durch das Hauptmagnetfeld induziert wird.
Das Sensorspulensystem ist derart angeordnet, dass von Teilfeldern des Hauptmagnetfelds gegebenenfalls Teilspannungen in den einzelnen
Sensorspulen induziert werden. Die Sensorspulen sind jedoch derart ausgebildet und verschaltet, dass bei Abwesenheit von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern die durch die Teilfelder des Hauptmagnetfelds induzierten Teilspannungen sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem ist somit theoretisch keine Spannung messbar. In der Praxis kann eine verhältnismäßig geringe Spannung messbar sein, welche unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt.
Bei Anwesenheit eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers erzeugt das
Hauptmagnetfeld Wirbelströme in diesem Fremdkörper, welche ein
Störmagnetfeld erzeugen. Der Fremdkörper erzeugt somit ein Störmagnetfeld, welches sich dem Hauptmagnetfeld überlagert und dem Hauptmagnetfeld entgegen gerichtet ist. Dadurch wird das Hauptmagnetfeld lokal abgeschwächt. In diesem Fall heben sich die in dem Sensorspulensystem induzierten
Teilspannungen nicht mehr auf. An dem Sensorspulensystem ist somit eine Spannung messbar, welche oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das
Sensorspulensystem eine Sensorspule auf, welche derart angeordnet ist, dass bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die Sensorspule von zwei Teilfeldern des Hauptmagnetfelds gleicher Feldstärke und entgegengesetzter Richtung durchflössen wird. Die zwei Teilfelder des
Hauptmagnetfelds induzieren somit in der Sensorspule zwei Teilspannungen mit gleichem Betrag und entgegengesetzter Richtung, welche sich gegenseitig aufheben. An der Sensorspule des Sensorspulensystems ist somit theoretisch keine Spannung messbar. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Sensorspulensystem mindestens zwei Sensorspulen auf, welche derart angeordnet sind, dass bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die mindestens zwei Sensorspulen von dem gleichen Teilfeld des Hauptmagnetfelds durchflössen werden. Das Teilfeld des Hauptmagnetfelds induziert somit in jeder Sensorspule die gleiche Teilspannung mit gleichem Betrag. Die Sensorspulen sind derart seriell verschaltet, dass die
Teilspannungen in entgegengesetzte Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem ist somit theoretisch keine Spannung messbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Sensorspulensystem mindestens zwei Sensorspulen auf, welche derart angeordnet sind, dass bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die mindestens zwei Sensorspulen von zwei Teilfeldern des
Hauptmagnetfelds gleicher Feldstärke und entgegengesetzter Richtung durchflössen werden. Die zwei Teilfelder des Hauptmagnetfelds induzieren somit in jeder Sensorspule die gleiche Teilspannung mit gleichem Betrag. Die
Sensorspulen sind derart seriell verschaltet, dass die Teilspannungen in entgegengesetzte Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem
Sensorspulensystem ist somit theoretisch keine Spannung messbar.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das
Sensorspulensystem genau zwei Sensorspulen auf, welche gleichartig ausgestaltet sind.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das
Sensorspulensystem mindestens zwei Sensorspulen auf, welche
verschiedenartig ausgestaltet sind.
Bei der Ausgestaltung sowie bei der Dimensionierung der Sensorspulen existieren mehrere Freiheitsgrade. Insbesondere können die Anzahl von
Windungen, der Wickelsinn und die Querschnittsfläche der einzelnen
Sensorspulen variiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines Sensormagnetfelds mittels des Sensorspulensystems sowie Mittel zur Bestimmung von
Eigenschaften des Sensorspulensystems vorgesehen. Die Mittel zur Erzeugung eines Sensormagnetfelds umfassen insbesondere eine Wechselstromquelle oder eine Wechselspannungsquelle. Die Mittel zur Bestimmung von Eigenschaften des Sensorspulensystems umfassen beispielsweise Messgeräte zur Messung von Strom und Spannung sowie einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.
Es wird auch ein Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Dabei wird in der Vorrichtung mittels der Primärspule ein Hauptmagnetfeld zur Übertragung von Energie zu der Sekundärspule an dem Unterboden des Elektrofahrzeugs erzeugt.
Erfindungsgemäß wird dabei eine in dem Sensorspulensystem durch das Hauptmagnetfeld induzierte Spannung gemessen. Dabei wird ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper detektiert, wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In diesem Fall bei wird auf die
Anwesenheit eines durch einen Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldes und damit auf die Anwesenheit eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers
geschlossen.
Bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern ist, bereits erwähnt, theoretisch keine Spannung an dem Sensorspulensystem messbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels des
Sensorspulensystems ein Sensormagnetfeld erzeugt und Eigenschaften des
Sensorspulensystems werden bestimmt. Die Bestimmung von Eigenschaften des Sensorspulensystems stellt eine zusätzliche Möglichkeit zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, welche von dem Hauptmagnetfeld unabhängig ist. Vorzugsweise werden dabei eine Impedanz, eine Induktivität, ein ohmscher Widerstand und/oder eine Güte des Sensorspulensystems bestimmt. Dabei werden beispielsweise Strom und Spannung sowie eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung des Sensorspulensystems gemessen. Die gewünschten Größen Impedanz, Induktivität, ohmscher Widerstand sowie Güte des Sensorspulensystems können rechnerisch aus den gemessenen Werten bestimmt werden.
Bevorzugt weist das Sensormagnetfeld dabei eine Sensorfrequenz auf, welche von der Hauptfrequenz des Hauptmagnetfelds abweicht. Dadurch ist die
Bestimmung der Eigenschaften des Sensorspulensystems von dem
Hauptmagnetfeld unabhängig.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs und das erfindungsgemäße Verfahren gestatten eine verhältnismäßig einfache Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in der Vorrichtung.
Insbesondere ist es nicht erforderlich, Kennfelder des Hauptmagnetfeldes für verschiedene Betriebsfälle aufzunehmen und eine an dem Sensorspulensystem anliegende Spannung mit den Kennfeldern abzugleichen. Somit ist während des induktiven Ladens des Elektrofahrzeugs eine passive Detektion von
Fremdkörpern durch einfache Messung einer Spannung, die durch das
Hauptmagnetfeld induziert wird, ermöglicht.
Zusätzlich ist eine aktive Detektion von Fremdkörpern durch Erzeugung eines Sensormagnetfelds mittels des Sensorspulensystems und Bestimmung von Eigenschaften des Sensorspulensystems ermöglicht. Besagte aktive Detektion ist dabei unabhängig von dem Hauptmagnetfeld und kann durchgeführt werden, bevor das Hauptmagnetfeld erzeugt wird, beispielsweise kurz vor Beginn eines Ladevorgangs. Die aktive Detektion kann auch parallel zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs erfolgen. Das Hauptmagnetfeld induziert keine
Störspannungen, welche die Mittel zur Bestimmung von Eigenschaften des Sensorspulensystems beeinflussen. Insbesondere ist eine Entkopplung des Hauptmagnetfeldes und des Sensormagnetfeldes möglich, wenn beide Magnetfelder unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
Auch ferritische Fremdkörper können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtu sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren detektiert werden. Ferritische Fremdkörper verursachen dabei eine lokale Verstärkung und eine lokale Abschwächung des Hauptmagnetfelds.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs und einer
Vorrichtung zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs,
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein Hauptmagnetfeld einer
Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein Hauptmagnetfeld einer
Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein Hauptmagnetfeld einer
Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
Figur 5 eine schematische Draufsicht auf ein Hauptmagnetfeld einer
Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform und
Figur 6 eine schematische Draufsicht auf ein Hauptmagnetfeld einer
Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In Figur 1 ist ein Elektrofahrzeug 17, welches über einer Vorrichtung zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs 17 abgestellt ist, schematisch dargestellt. Eine solche Vorrichtung wird auch als induktive Ladestation bezeichnet. Die Vorrichtung zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs 17 befindet sich auf einem Boden 15 unterhalb des Elektrofahrzeugs 17 und umfasst eine
Primärspule 11 zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes 10.
An einem Unterboden 16 des Elektrofahrzeugs 17 ist eine Sekundärspule 12 angebracht. Das Elektrofahrzeug 17 ist vorliegend derart abgestellt, dass die
Sekundärspule 12 weitestgehend über der Primärspule 11 angeordnet ist. Das von der Primärspule 11 erzeugte Hauptmagnetfeld 10 durchdringt somit die Sekundärspule 12, wodurch Energie von der Primärspule 11 zu der
Sekundärspule 12 des Elektrofahrzeugs 17 induktiv übertragen wird. Die
Sekundärspule 12 nimmt die von der Primärspule 11 übertragene Energie auf und lädt eine Traktionsbatterie 18 des Elektrofahrzeugs 17.
Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit des Elektrofahrzeugs 17 besteht zwischen dem Boden 15 und dem Unterboden 16 des Elektrofahrzeugs 17 ein Zwischenraum 14 mit einem Luftspalt, welcher mehrere Zentimeter beträgt. Der
Zwischenraum 14 mit dem Luftspalt erstreckt sich auch zwischen der
Primärspule 11 und der Sekundärspule 12. Die Primärspule 11 und die
Sekundärspule 12 sind also beabstandet voneinander abgeordnet. Die Vorrichtung zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs 17 umfasst auch ein
Sensorspulensystem 30 zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern, welche in dem Zwischenraum 14 zwischen der Primärspule 11 und der
Sekundärspule 12 befinden können. Das Sensorspulensystem 30 weist dabei eine oder mehrere Sensorspulen 31, 32, 33 auf, welche vorliegend auf der Primärspule 11 und in dem Zwischenraum 14 angeordnet sind. Die Primärspule 11 ist vorliegend annähernd als Ringspule oder Zirkularspule ausgebildet. In der hier gezeigten Darstellung ist das Hauptmagnetfeld 10 durch eingezeichnete Feldlinien abgebildet. Die Feldlinien des von der Primärspule 11 erzeugten Hauptmagnetfelds 10 durchdringen dabei die Primärspule 11 und die
Sekundärspule 12 und schließen sich außerhalb der Primärspule 11 und der Sekundärspule 12 wieder.
Die Primärspule 11 wird von einem Wechselstrom mit einer Hauptfrequenz durchflössen und das Hauptmagnetfeld 10 ist somit ein alternierendes
Magnetfeld mit der gleichen Hauptfrequenz von beispielsweise 85 kHz. In der gezeigten Darstellung ist das Hauptmagnetfeld 10 zu einem definierten
Zeitpunkt, also statisch, gezeigt. Dabei umfasst das Hauptmagnetfeld 10 ein erstes Teilfeld 21, in welchem die
Feldlinien des Hauptmagnetfelds 10 annähernd senkrecht von dem Boden 15 zu dem Unterboden 16 des Elektrofahrzeugs 17, also nach oben, verlaufen. Ferner umfasst das Hauptmagnetfeld 10 ein zweites Teilfeld 22, in welchem die Feldlinien des Hauptmagnetfelds 10 annähernd senkrecht von dem Unterboden 16 des Elektrofahrzeugs 17 zu dem Boden 15, also nach unten, verlaufen.
Unabhängig von der hier gezeigten Darstellung sind die beiden Teilfelder 21, 22 des Hauptmagnetfelds 10 zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt gerichtet und weise eine gleiche Feldstärke auf. Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Hauptmagnetfeld 10 einer
Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Sensorspulensystem 30 weist eine erste Sensorspule 31 auf, welche derart angeordnet ist, dass die erste Sensorspule 31 gleichmäßig von dem ersten Teilfeld 21 und von dem zweiten Teilfeld 22 durchflössen wird.
Das erste Teilfeld 21 und das zweite Teilfeld 22 induzieren somit in der ersten Sensorspule 31 zwei Teilspannungen mit gleichem Betrag und
entgegengesetzter Richtung, welche sich gegenseitig aufheben. An der ersten Sensorspule 31 des Sensorspulensystems 30 ist somit theoretisch keine Spannung messbar. Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Hauptmagnetfeld 10 einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Sensorspulensystem 30 weist eine erste Sensorspule 31 und eine zweite Sensorspule 32 auf, welche derart angeordnet sind, dass die erste Sensorspule 31 und die zweite
Sensorspule 32 von dem zweiten Teilfeld 22 durchflössen werden. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind gleichartig aufgebaut und weisen insbesondere die gleiche Anzahl von Windungen und die gleiche Querschnittsfläche auf.
Das zweite Teilfeld 22 induziert somit in der ersten Sensorspule 31 und in der zweiten Sensorspule 32 die gleiche Teilspannung mit gleichem Betrag. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind derart seriell verschaltet, dass die Teilspannungen in entgegengesetzte Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem 30 ist somit theoretisch keine Spannung messbar.
Figur 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Hauptmagnetfeld 10 einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Sensorspulensystem 30 weist eine erste Sensorspule 31 und eine zweite Sensorspule 32 auf, welche derart angeordnet sind, dass die erste Sensorspule 31 von dem ersten Teilfeld 21 durchflössen wird und die zweite Sensorspule 32 von dem zweiten Teilfeld 22 durchflössen wird. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind gleichartig aufgebaut und weisen insbesondere die gleiche Anzahl von
Windungen und die gleiche Querschnittsfläche auf.
Das erste Teilfeld 21 und das zweite Teilfeld 22 induzieren somit in der ersten Sensorspule 31 und in der zweiten Sensorspule 32 die gleiche Teilspannung mit gleichem Betrag. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind derart seriell verschaltet, dass die Teilspannungen in entgegengesetzte
Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem 30 ist somit theoretisch keine Spannung messbar.
Figur 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Hauptmagnetfeld 10 einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Das Sensorspulensystem 30 weist eine erste Sensorspule 31, eine zweite Sensorspule 32 und eine dritte Sensorspule 33 auf, welche derart angeordnet sind, dass die erste Sensorspule
31 von dem ersten Teilfeld 21 durchflössen wird und die zweite Sensorspule 32 und die dritte Sensorspule 33 von dem zweiten Teilfeld 22 durchflössen werden. Die zweite Sensorspule 32 und dritte Sensorspule 33 sind gleichartig aufgebaut und weisen insbesondere die gleiche Anzahl von Windungen und die gleiche Querschnittsfläche auf. Die erste Sensorspule 31 ist davon verschieden aufgebaut und weist insbesondere die doppelte Anzahl von Windungen wie die zweite Sensorspule 32 und die dritte Sensorspule 33 auf.
Das erste Teilfeld 21 induziert dabei in der ersten Sensorspule 31 eine
Teilspannung. Das zweite Teilfeld 22 induziert in der zweiten Sensorspule 32 und in der dritten Sensorspule 33, welche seriell verschaltet sind die gleiche
Teilspannung mit gleichem Betrag. Die erste Sensorspule 31 ist mit der zweiten Sensorspule 32 und mit der dritten Sensorspule 33 derart seriell verschaltet, dass die Teilspannungen in entgegengesetzte Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem 30 ist somit theoretisch keine Spannung messbar. Figur 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Hauptmagnetfeld 10 einer
Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform. Das Sensorspulensystem 30 weist eine erste Sensorspule 31 und eine zweite Sensorspule 32 auf, welche derart angeordnet sind, dass die erste Sensorspule 31 und die zweite
Sensorspule 32 von dem ersten Teilfeld 21 durchflössen werden. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind dabei konzentrisch übereinander angeordnet. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule
32 sind gleichartig aufgebaut und weisen insbesondere die gleiche Anzahl von Windungen und die gleiche Querschnittsfläche auf. Die Windungen der ersten Sensorspule 31 und der zweiten Sensorspule 32 weisen jedoch
unterschiedlichen Wickelsinn auf.
Das erste Teilfeld 21 induziert somit in der ersten Sensorspule 31 und in der zweiten Sensorspule 32 die gleiche Teilspannung mit gleichem Betrag. Die erste Sensorspule 31 und die zweite Sensorspule 32 sind derart seriell verschaltet, dass die Teilspannungen in entgegengesetzte Richtungen zeigen und sich gegenseitig aufheben. An dem Sensorspulensystem 30 ist somit theoretisch keine Spannung messbar.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs (17),
umfassend
eine Primärspule (11) zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes (10) und ein Sensorspulensystem (30) zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern, das mindestens eine Sensorspule (31, 32, 33) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensorspulen (31, 32, 33) derart relativ zu der Primärspule (11) angeordnet und verschaltet sind, dass
bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern in dem Sensorspulensystem (30) keine Spannung durch das
Hauptmagnetfeld (10) induziert wird, und dass
bei Anwesenheit eines durch einen Fremdkörper erzeugten
Störmagnetfeldes
in dem Sensorspulensystem (30) eine Spannung durch das
Hauptmagnetfeld (10) induziert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorspulensystem (30) eine Sensorspule (31) aufweist, welche derart angeordnet ist, dass
bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die Sensorspule (31) von zwei Teilfeldern (21, 22) des
Hauptmagnetfelds (10) gleicher Feldstärke und entgegengesetzter Richtung durchflössen wird. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorspulensystem (30) mindestens zwei Sensorspulen (31, 32) aufweist, welche derart angeordnet sind, dass
bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die mindestens zwei Sensorspulen (31, 32) von dem gleichen Teilfeld (21, 22) des Hauptmagnetfelds (10) durchflössen werden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorspulensystem (30) mindestens zwei Sensorspulen (31, 32) aufweist, welche derart angeordnet sind, dass
bei Abwesenheit von durch Fremdkörper erzeugten Störmagnetfeldern die mindestens zwei Sensorspulen (31, 32) von zwei Teilfeldern (21, 22) des Hauptmagnetfelds (10) gleicher Feldstärke und entgegengesetzter Richtung durchflössen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Sensorspulensystem (30) genau zwei Sensorspulen (31, 32) aufweist, welche gleichartig ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Sensorspulensystem (30) mindestens zwei Sensorspulen (31, 32) aufweist, welche verschiedenartig ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zur Erzeugung eines Sensormagnetfelds mittels des
Sensorspulensystems (30) sowie
Mittel zur Bestimmung von Eigenschaften des Sensorspulensystems (30) vorgesehen sind.
8. Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern in einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der Primärspule (11) ein Hauptmagnetfeld (10) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
eine in dem Sensorspulensystem (30) durch das Hauptmagnetfeld (10) induzierte Spannung gemessen wird, und dass
ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper detektiert wird, wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des Sensorspulensystems (30) ein Sensormagnetfeld erzeugt wird, und dass Eigenschaften des Sensorspulensystems (30) bestimmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Impedanz, eine Induktivität, ein Widerstand und/oder eine Güte des Sensorspulensystems (30) bestimmt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensormagnetfeld eine Sensorfrequenz aufweist, welche von der Hauptfrequenz des Hauptmagnetfelds (10) abweicht.
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