EP3900153A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion von elektrisch leitfähigen fremdkörpern bei der induktiven energieübertragung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion von elektrisch leitfähigen fremdkörpern bei der induktiven energieübertragung

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EP3900153A1
EP3900153A1 EP18833421.3A EP18833421A EP3900153A1 EP 3900153 A1 EP3900153 A1 EP 3900153A1 EP 18833421 A EP18833421 A EP 18833421A EP 3900153 A1 EP3900153 A1 EP 3900153A1
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EP
European Patent Office
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coil
resonant circuit
current
primary coil
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP18833421.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mike Böttigheimer
Nejila Parspour
Stefanie HERMANN
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Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Filing date
Publication date
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting electrically conductive foreign bodies in the inductive energy transmission between a primary coil and a secondary coil, in particular in the case of inductive charging processes, in which at least one
  • the invention also relates to a device which is designed to carry out the method.
  • Inductive energy transmission is a contactless transmission technology that can be used, for example, to charge the battery of an electric vehicle.
  • the primary coil is in the floor of a parking space and the secondary coil is on the underbody of the vehicle.
  • the advantage of such a charging system is that no charging cable has to be inserted manually and the components of the
  • inductive transmission links do not take up space above ground and are not at risk of vandalism.
  • metallic foreign objects such as coins can easily get into the transmission field.
  • Electrically conductive foreign bodies are heated in an alternating magnetic field by induced eddy currents and magnetic reversal. The degree of heating depends on the electrical conductivity and magnetic permeability of the object as well as the magnetic flux density and the frequency of the field. By heating such a foreign body, there is a risk that people on
  • Sensor coils are recognized. However, camera and lighting systems get dirty easily. Weight measurement is disturbed by rain or snow and is too imprecise for small objects. Temperature monitoring can also be disturbed by environmental influences and also only detects a foreign body when it is already very hot. Measurable properties in the primary coil change only slightly with small foreign bodies. The detection is therefore too imprecise and unreliable for small objects.
  • DE 10 2012 218 589 A1 discloses a charging device for charging the energy store of a portable electrical device, in which a sensor coil arrangement with at least one sensor coil is used within the transmission path, from whose frequency or phase detuning can be determined whether an electrical conductive foreign body is located within the transmission path.
  • the sensor coil is connected between a reference potential and the first input of a synchronous rectifier, the second input of which is connected to the resonance circuit for the excitation of the primary coil. Due to the synchronous rectifier there is a phase difference between the synchronous rectifier and the synchronous rectifier.
  • Resonant circuit and the sensor coil can be determined. With this method, however, only foreign bodies can be detected that generate a power loss greater than approx. 1% of the nominal power. This makes it suitable
  • the object of the present invention is to provide a method and an apparatus for
  • the task is with the procedure and the
  • At least one sensor coil is placed between the primary coil and the
  • the primary coil, secondary coil and sensor coil are each to be understood as components which are formed from at least one winding or conductor loop of a current conductor.
  • the sensor coil is provided with at least one
  • a sensor resonant circuit which is based on the excitation frequency of the Primary coil is matched.
  • This excitation frequency is determined in a known manner using a suitable one
  • Control circuit for the primary coil set thus includes
  • the sensor coil as well as the capacitance, which are selected to suit the excitation frequency of the primary coil.
  • the inductance of the sensor coil is significantly smaller than the inductance of the
  • Primary coil selected, preferably by a factor of at least 5 and particularly preferably of at least 30 smaller than the inductance of the primary coil. A phase position of the detected current in the sensor resonant circuit with respect to a reference signal is then used to determine whether between the primary coil and the secondary coil
  • Metallic or other electrically conductive foreign bodies influence the behavior of coupled coils by changing the coupling factor and the self-inductances and thus on the amplitude and phase position of the current in the
  • the phase position of the current also changes in comparison to a reference signal, for example the voltage at the primary coil.
  • a reference signal for example the voltage at the primary coil.
  • the amount of the phase position or the phase shift relative to the reference signal moves outside of a predeterminable one
  • Transmission path and energy transmission is preferably interrupted.
  • the proposed device comprises at least one sensor coil, which is arranged above the primary coil is, preferably at a distance of more than 1mm and less than 5cm and below the upper edge of the
  • the sensor coil is
  • the evaluation device is designed such that it detects the current in the sensor resonant circuit and from a phase position of the
  • the method and the device also allow an adaptation to a change in the working point in the primary circuit with the primary coil by the
  • Detection device consisting of sensor resonant circuit and evaluation device after each change of
  • a phase shift detected during this calibration between the current in the sensor resonant circuit and the reference signal is then compensated for or taken into account in the evaluation when subsequent detection processes are carried out.
  • the compensation can take place, for example, via a delay element for the detected current signal.
  • the phase shift detected during the calibration can also be carried out in a controller
  • Evaluation device can be subtracted from the phase position of the current detected during the detection in the sensor resonant circuit.
  • Another possibility of compensation is to suitably adjust the capacitance in the resonant circuit sensor. This can, for example.
  • the senor resonant circuit is connected to a cascade of capacitances which can be switched on individually or in groups.
  • the calibration thus results in an offset adjustment to the in usually existing phase offset between current and voltage in the primary circuit.
  • the voltage curve in the primary circuit in particular the voltage at the primary coil, and the input voltage of the
  • Primary coil or the primary circuit is based on a PWM signal (PWM: pulse width modulation), this PWM signal is preferably used as a reference signal.
  • PWM pulse width modulation
  • Sensor coils distributed over the surface of the primary coil or to be arranged at defined positions over this surface. Crossings of the sensor coils are also possible. Each sensor coil is in turn connected with at least one capacitance to form a sensor resonant circuit that is based on the excitation frequency of the
  • Phase positions of the current in comparison to the reference signal and the positions of the respective sensor coils can also be the approximate position of a detected one
  • the foreign body can be determined.
  • the foreign body is closest to the sensor coil with the greatest phase shift compared to the reference signal
  • Triangulation or similar techniques based on the phase shifts recorded and the Positions of the individual sensor coils can be performed.
  • the proposed method and the associated device are particularly suitable for the detection of foreign bodies in the automotive sector, since they are independent of the
  • Detection sensitivity is very high and independent of the operating point of the energy transmission path.
  • Sensitivity of detection is also independent of the nominal transmission power over a wide range.
  • the method and the device are particularly suitable for applications with high transmission powers, but can of course also be used for applications with lower transmission powers if required.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the
  • Fig. 2 is a schematic representation of a
  • Fig. 3 shows a circuit diagram to illustrate the energy transmission and detection in the proposed method and the proposed device
  • Fig. 4 shows an example of the comparison with
  • Fig. 5 shows an example of the comparison result in FIG. 5 without (partial illustration A) and with (partial illustration B) foreign bodies in the transmission path;
  • Fig. 6 shows an example of a measurement of the
  • Fig. 7 shows two examples of the geometry of
  • the primary coil 1 is, for example, in the floor of a parking space and the secondary coil 2 is on the underbody of the vehicle 3
  • these are formed as compensated conductor loops, which are preferably placed in the area enclosed by the primary coil 1 or above this area.
  • the sensor coils 5 are each with a
  • Capacitance connected to a resonant circuit, which is tuned to the excitation frequency of the primary coil 1, and therefore coupled to the primary coil 1.
  • the transmission field indicated by the magnetic field lines in FIG. 2 induces a voltage in each of the conductor loops or sensor coils 5, as a result of which currents are formed which are in each case detected by a current transformer.
  • the detection and evaluation device 6 is also indicated in FIG. 2.
  • FIG. 3 shows an electrical circuit diagram for an embodiment of such a transmission link.
  • the primary circuit contains the primary coil Li and one
  • Capacity Ci s The voltage U N on the primary side is set by an inverter, which preferably works with pulse width or pulse width modulation.
  • the energy transfer takes place by coupling the
  • FIG. 3 also shows the proposed one
  • this phase position is recorded in relation to a reference signal.
  • the PWM signal of the inverter is preferably used as the reference signal for driving the primary circuit
  • the proposed device is calibrated so that the phase angle between the voltage (PWM signal) in the primary circuit and the current in the sensor circuit is 0 ° in a state without foreign bodies. This can be done via a delay element in the line path of the tapped current signal.
  • FIG. 4 shows an example of a comparison of the two signals, ie the PWM signal (PWM) and the current signal (SENS) after prior calibration. It can be seen from the figure that the detected current signal in this example is firstly compared with a comparator 7 Binary signal and then using the delay element 8 (delay) compared to the PWM signal to a phase angle of 0 °.
  • the XOR comparison of the two signals gives a value of 0 if there is no foreign body in the transmission path.
  • FIG. 5A shows the PWM signal, the SENS signal and the XOR signal at the phase angle of 0 ° and the duty cycle of 0%. If there is a foreign body within the transmission path, an amount of the phase angle of 0 ° and also a duty cycle of 0% are obtained, as is indicated by way of example in FIG. 5B, which in turn shows the three signals of FIG. 5A.
  • offset depends on the phase angle on the primary side for G ⁇ ih and can be calibrated out in various ways with the proposed method three variants are given below.
  • the sensor resonant circuit is expanded with the help of an x - stage cascade of capacitors that can be switched on individually or in groups. With this cascade it is possible, depending on the operating or working point in the primary circuit, to set the sensor resonant circuit so that no offset occurs.
  • the offset of the phase angle cjp ensor of the current in the sensor resonant circuit can also be compared to the
  • Voltage in the sensor resonant circuit can be measured as a reference signal. This process is complete
  • Figure 6 shows an example of a measurement with a rectangular sensor winding with dimensions of 2x20cm, in which different one after the other
  • FIG. 6 shows the measured phase shift on the y-axis and indicates the different foreign bodies on the x-axis with the numbers 1 to 15, the lateral dimensions of which are also indicated in the figure.
  • the figure shows that the amount of the phase shift of the current in the
  • FIG. 7 shows, by way of example in partial illustration A, a simple geometry of the sensor winding of a sensor coil 5 and in partial illustration B a more complex geometry of a sensor coil 5, as can be used in the proposed method and the associated device.
  • the proposed method reacts to the change in inductance of the sensor coil by the
  • Suitable geometries of the sensor coils 5 can lower the inductance of the sensor winding without the
  • Figure 7B shows one
  • Areas also have, for example, circular or elliptical shapes.
  • the sensor winding or sensor coil is in the preferred application in which the primary coil
  • the primary coil is usually located under a cover.
  • the sensor coil is preferably as close as possible to the surface of this cover integrated or attached to be as close as possible to foreign objects lying on the cover.
  • the sensor resonant circuit with the sensor coil can be completely potential-free
  • the method and the device enable a very precise detection of metallic foreign bodies.
  • the phase position with respect to a passive winding results in a significantly higher change than if the phase position in energy
  • the separate resonant circuit is more sensitive than other changes in measured values on the sensor winding.
  • the position of the metallic foreign body can also be determined by arranging a plurality of sensor coils with corresponding resonant circuits, for example in the form of an array.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven Energieübertragung zwischen einer Primärspule (1) und einer Sekundärspule (2) wird wenigstens eine Sensorspule (5) zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2) angeordnet und ein während der Energieübertragung in der Sensorspule (5) durch die induzierte Spannung fließender Strom erfasst und ausgewertet. Die Sensorspule (5) ist dabei mit wenigstens einer Kapazität zu einem Schwingkreis verschaltet, der auf die Anregungsfrequenz der Primärspule (1) abgestimmt ist. Aus der Phasenlage des Stroms im Schwingkreis gegenüber einem Referenzsignal wird dann bestimmt, ob zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2) elektrisch leitfähige Fremdkörper (4) vorhanden sind. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung wird eine hohe Sensitivität auch gegenüber kleinen elektrisch leitfähigen Fremdkörpern innerhalb der Energieübertragungsstrecke erreicht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven
Energieübertragung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven Energieübertragung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule, insbesondere bei induktiven Ladevorgängen, bei dem wenigstens eine
Sensorspule zwischen der Primärspule und der Sekundär spule angeordnet und ein während der Energieübertragung in der Sensorspule indizierter Strom erfasst und ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
Die induktive Energieübertragung stellt eine kontaktlose Übertragungstechnik dar, die bspw. zum Laden des Akkumulators eines Elektrofahrzeugs einge- setzt werden kann. Dabei befindet sich die Primärspule im Boden eines Stellplatzes und die Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs. Der Vorteil eines solchen Ladesystems besteht darin, dass kein Ladekabel manuell eingesteckt werden muss und die Komponenten der
Primärseite im Boden versenkt sind, so dass sie
oberirdisch keinen Platz verbrauchen und nicht durch Vandalismus gefährdet sind. Ein Problem bei derartigen induktiven Übertragungsstrecken besteht jedoch darin, dass in das Übertragungsfeld leicht metallische Fremd- körper wie bspw. Münzen gelangen können. Elektrisch leitfähige Fremdkörper werden in einem magnetischen Wechselfeld durch induzierte Wirbelströme und Ummagnetisierung erwärmt. Die Stärke der Erwärmung ist sowohl von der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität des Objekts als auch von der magnetischen Flussdichte und der Frequenz des Feldes abhängig. Durch die Erhitzung eines solchen Fremd körpers besteht die Gefahr, dass sich Personen am
Fremdkörper verbrennen können oder dass durch die starke Erhitzung des Fremdkörpers ein Brand ausgelöst wird. Gerade bei hohen Übertragungsleistungen ist es daher erforderlich, evtl, vorhandene elektrisch
leitfähige Fremdkörper innerhalb der Übertragungs strecke zwischen der Primärspule und der Sekundärspule zu detektieren, um die Energieübertragung bei einer Detektion unterbrechen zu können.
Stand der Technik
Die bisher bekannten Verfahren zur Detektion elektrisch leitfähiger Fremdkörper innerhalb derartiger Übertragungsstrecken sind vielfältig. So können
Fremdkörper mittels Kameraüberwachung, Lichtschranken, Temperaturüberwachung, Messung der Gewichtskraft auf die Primärspule, Überwachung der elektrischen Größen der Primärspule oder mit Hilfe von separaten
Sensorspulen erkannt werden. Kamera- und Lichtsysteme verschmutzen allerdings leicht. Die Gewichtskraft messung wird durch Regen oder Schnee gestört und ist für kleine Objekte zu ungenau. Auch eine Temperatur überwachung kann durch Umwelteinflüsse gestört werden und detektiert zudem erst dann einen Fremdkörper, wenn dieser bereits stark erhitzt ist. Messbare Eigen schaften in der Primärspule ändern sich bei kleinen Fremdkörpern nur geringfügig. Die Detektion ist damit für kleine Objekte zu ungenau und unzuverlässig.
Aus der DE 10 2012 218 589 Al ist eine Lade vorrichtung zur Ladung des Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts bekannt, bei dem eine Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule innerhalb der Übertragungsstrecke eingesetzt wird, aus deren Frequenz- oder Phasenverstimmung ermittelt werden kann, ob sich ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper innerhalb der Übertragungsstrecke befindet. Die
Sensorspule ist hierbei in einer Ausgestaltung zwischen einem Bezugspotential und dem ersten Eingang eines Synchrongleichrichters verschaltet, dessen zweiter Eingang mit dem Resonanzkreis für die Anregung der Primärspule verbunden ist. Durch den Synchrongleich richter ist ein Phasenunterschied zwischen dem
Resonanzkreis und der Sensorspule ermittelbar. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nur Fremdkörper detektieren, die eine höhere Verlustleistung als ca. 1% der Nennleistung erzeugen. Damit eignet sich das
Verfahren nicht für das induktive Laden von Elektro- fahrzeugen, bei denen Übertragungsleistungen von 3 kW bis 20 kW auftreten können. Ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper könnte dabei Leistungen von 30 bis 200 W aufnehmen, ohne dass er durch das Verfahren dieser Druckschrift detektiert werden könnte. Weiterhin lässt sich bei diesem Verfahren auch keine Anpassung an
Änderungen des Arbeitspunktes des Primärkreises, wie zum Beispiel induktives Schalten am Wechselrichter vornehmen. Damit könnten bei einer Änderung dieses Arbeitspunktes Fehldetektionen auftreten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven Energieübertragung zwischen einer
Primärspule und einer Sekundärspule bereitzustellen, mit denen auch kleine Fremdkörper mit geringen
Verlustleistungen zuverlässig erkannt werden können.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der
Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patent ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird wenigstens eine Sensorspule zwischen der Primärspule und der
Sekundärspule der Energieübertragungsstrecke angeordnet und ein während der Energieübertragung in der
Sensorspule induzierter Strom erfasst und ausgewertet. Unter Primärspule, Sekundärspule und Sensorspule sind hierbei jeweils Bauelemente zu verstehen, die aus wenigstens einer Wicklung oder Leiterschleife eines Stromleiters gebildet sind. Die Sensorspule ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren mit wenigstens einer
Kapazität zu einem geschlossenen Schwingkreis
verschaltet, im Folgenden auch als Sensorschwingkreis bezeichnet, der auf die Anregungsfrequenz der Primärspule abgestimmt ist. Diese Anregungsfrequenz wird in bekannter Weise über eine geeignete
Ansteuerschaltung für die Primärspule festgelegt. Der Schwingkreis mit der Sensorspule umfasst damit
wenigstens die Sensorspule sowie die Kapazität, die zur Abstimmung auf die Anregungsfrequenz der Primärspule geeignet gewählt sind. Die Induktivität der Sensorspule wird deutlich kleiner als die Induktivität der
Primärspule gewählt, vorzugsweise um einen Faktor von wenigstens 5 und besonders bevorzugt von wenigstens 30 kleiner als die Induktivität der Primärspule. Aus einer Phasenlage des erfassten Stroms im Sensorschwingkreis gegenüber einem Referenzsignal wird dann bestimmt, ob zwischen der Primärspule und der Sekundärspule
elektrisch leitfähige Fremdkörper vorhanden sind.
Metallische oder andere elektrisch leitfähige Fremdkörper nehmen Einfluss auf das Verhalten von gekoppelten Spulen durch eine Änderung des Koppel- faktors und der Eigeninduktivitäten und damit auf Amplitude und Phasenlage des Stromes in der
Sensorspule. Dabei ändert sich auch die Phasenlage des Stroms im Vergleich zu einem Referenzsignal, bspw. der Spannung an der Primärspule. Bewegt sich der Betrag der Phasenlage bzw. der Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal außerhalb eines vorgebbaren
Toleranzbereichs, so ist dies ein Zeichen für
elektrisch leitfähige Fremdkörper innerhalb der
Übertragungsstrecke und die Energieübertragung wird vorzugsweise unterbrochen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst wenigstens eine Sensorspule, die über der Primärspule angeordnet ist, vorzugsweise in einem Abstand von mehr als 1mm und weniger als 5cm und unterhalb der Oberkante der
Konstruktion, auf der Fremdkörper zum Liegen kommen können, vorzugsweise mit einem Abstand von weniger als 1cm von dieser Oberkante. Die Sensorspule ist
entsprechend mit wenigstens einer Kapazität zu einem Schwingkreis verschaltet, der auf die Anregungsfrequenz der Primärspule abgestimmt und mit einer Auswertein richtung verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie den Strom im Sensor schwingkreis erfasst und aus einer Phasenlage des
Stroms im Sensorschwingkreis gegenüber einem Referenz signal bestimmt, ob zwischen der Primärspule und der Sekundärspule elektrisch leitfähige Fremdkörper
vorhanden sind.
Durch die Verschaltung der Sensorspule in einem geschlossenen Schwingkreis, der auf die Anregungs frequenz der Primärspule abgestimmt ist, wird eine hochsensitive Detektion von Fremdkörpern innerhalb der Energieübertragungsstrecke erreicht. Durch Nutzung eines geschlossenen Schwingkreises ist eine
potenzialfreie Strommessung mit hoher Amplitude und bei Störeinkopplungen durch die hohe Amplitude bedingte deutliche Erkennung von Nulldurchgängen möglich.
Bereits kleine elektrisch leitfähige Fremdkörper verursachen aufgrund der resultierenden Verstimmung des Sensorschwingkreises eine deutlich messbare
Phasenverschiebung des Stroms im Sensorschwingkreis gegenüber dem Referenzsignal. Dadurch lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen
Vorrichtung auch kleine elektrisch leitfähige Fremdkörper mit geringen Verlustleistungen zuverlässig detektieren .
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen auch eine Anpassung an eine Veränderung des Arbeitspunktes im Primärkreis mit der Primärspule, indem die
Detektionseinrichtung bestehend aus Sensorschwingkreis und Auswerteeinrichtung nach jeder Änderung des
Arbeitspunktes des Primärkreises kalibriert wird. Bei dieser Kalibrierung wird die Phasenlage des Stroms im Sensorschwingkreis gegenüber dem Referenzsignal ohne Fremdkörper zwischen Primär- und Sekundärspule erfasst. Es muss somit mit anderen Mitteln, bspw. durch
Inaugenscheinnahme oder durch Zusatzverfahren,
sichergestellt werden, dass bei der Kalibrierung kein
Fremdkörper innerhalb der Übertragungsstrecke vorhanden ist. Eine bei dieser Kalibrierung erfasste Phasen verschiebung zwischen dem Strom im Sensorschwingkreis und dem Referenzsignal wird dann kompensiert oder bei Durchführung nachfolgender Detektionsprozesse bei der Auswertung berücksichtigt. Die Kompensation kann bspw. über ein Verzögerungsglied für das erfasste Stromsignal erfolgen. Die bei der Kalibrierung erfasste Phasen verschiebung kann auch in einem Controller der
Auswerteeinrichtung von der während der Detektion erfassten Phasenlage des Stroms im Sensorschwingkreis subtrahiert werden. Eine weitere Möglichkeit einer Kompensation besteht darin, die Kapazität im Sensor schwingkreis geeignet anzupassen. Dies kann bspw.
dadurch erfolgen, dass der Sensorschwingkreis mit einer Kaskade von Kapazitäten verbunden ist, die einzeln oder in Gruppen zuschaltbar sind. Durch die Kalibrierung erfolgt somit jeweils eine Offset-Anpassung an den in der Regel vorhandenen Phasen-Offset zwischen Strom und Spannung im Primärkreis.
Als Referenzsignal wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung vorzugsweise der Spannungsverlauf im Primärkreis, insb. die Spannung an der Primärspule, die Eingangsspannung des
Primärkreises bzw. die Ausgangsspannung des
Wechselrichters genutzt. Falls die Anregung der
Primärspule bzw. des Primärkreises auf Basis eines PWM- Signals (PWM: Pulsweitenmodulation) erfolgt, wird als Referenzsignal vorzugsweise dieses PWM-Signal genutzt.
Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere der
Sensorspulen über die Fläche der Primärspule verteilt oder an definierten Positionen über dieser Fläche anzuordnen. Auch Kreuzungen der Sensorspulen sind möglich. Jede Sensorspule ist dabei wiederum mit wenigstens einer Kapazität zu einen Sensorschwingkreis verschaltet, der auf die Anregungsfrequenz der
Primärspule abgestimmt ist. Durch einen Vergleich der in den einzelnen Sensorschwingkreisen ermittelten
Phasenlagen des Stroms im Vergleich zum Referenzsignal und den Positionen der jeweiligen Sensorspulen kann auch die ungefähre Position eines detektierten
Fremdkörpers ermittelt werden. Der Fremdkörper ist dabei der Sensorspule am nächsten, bei der die größte Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal
ermittelt wird. Weiterhin kann auch eine genauere
Lokalisierung des Fremdkörpers bspw. mittels
Triangulation oder ähnlichen Techniken auf Basis der jeweils erfassten Phasenverschiebungen und der Positionen der einzelnen Sensorspulen durchgeführt werden .
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind besonders für die Fremdkörperdetektion im Automotive-Bereich geeignet, da unabhängig vom
Arbeitspunkt des Primärkreises auch kleinste elektrisch leitfähige Objekte erfasst werden können. Die
Sensitivität der Detektion ist sehr hoch und unabhängig vom Arbeitspunkt der Energieübertragungsstrecke. Die
Empfindlichkeit der Detektion ist auch in einem weiten Bereich unabhängig von der Nenn-Übertragungsleistung . Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich besonders für Anwendungen mit hohen Übertragungsleistungen, können jedoch selbstverständlich bei Bedarf auch bei Anwendungen mit niedrigeren Übertragungsleistungen eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der
Verhältnisse bei der induktiven
Energieübertragung am Beispiel eines Elektrofahrzeugs ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
beispielhaften Anordnung mehrerer
Sensorspulen bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung;
Fig . 3 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Energieübertragung und Detektion bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung;
Fig. 4 ein Beispiel für den Vergleich mit
einem Referenzsignal bei vorheriger Kalibrierung;
Fig . 5 ein Beispiel für das Vergleichsergebnis bei Figur 5 ohne (Teilabbildung A) und mit (Teilabbildung B) Fremdkörper in der Übertragungsstrecke;
Fig . 6 ein Beispiel einer Messung der
Phasenverschiebung bei Vorhandensein unterschiedlicher Fremdkörper in der Übertragungsstrecke; und
Fig. 7 zwei Beispiele für die Geometrie von
Sensorspulen, wie sie bei dem vorge schlagenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung zum Einsatz kommen können.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei der Nutzung induktiver Energieübertragung zum Laden eines Elektrofahrzeugs ist die Primärspule 1 beispielsweise im Boden eines Stellplatzes und die Sekundärspule 2 am Unterboden des Fahrzeugs 3
angebracht, wie die stark schematisiert in Figur 1 dargestellt ist. Befinden sich ein oder mehrere metallische Fremdkörper 4 innerhalb der Übertragungs strecke zwischen Primärspule 1 und Sekundärspule 2, so können sich diese Fremdkörper 4 durch die magnetischen Wechselfelder soweit erwärmen, dass sich hieraus
Gefahren ergeben. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung werden Sensorspulen 5 zur
Detektion von Fremdkörpern innerhalb der Übertragungs strecke eingesetzt. Diese sind im Beispiel der Figur 2 als kompensierte Leiterschleifen ausgebildet, die vorzugsweise in dem von der Primärspule 1 umschlossenen Bereich oder oberhalb dieses Bereiches platziert werden. Die Sensorspulen 5 sind jeweils mit einer
Kapazität zu einem Schwingkreis verschaltet, der auf die Anregungsfrequenz der Primärspule 1 abgestimmt ist, und daher mit der Primärspule 1 gekoppelt. Das durch die magnetischen Feldlinien in der Figur 2 angedeutete Übertragungsfeld induziert in jeder der Leiterschleifen bzw. Sensorspulen 5 eine Spannung, wodurch sich Ströme ausbilden, die jeweils über einen Stromwandler erfasst werden. Die Erfassungs- und Auswerteeinrichtung 6 ist in Figur 2 ebenfalls angedeutet.
Figur 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild für eine Ausgestaltung einer derartigen Übertragungsstrecke. Der Primärkreis enthält die Primärspule Li sowie eine
Kapazität Cis. Die Spannung UN an der Primärseite wird durch einen Wechselrichter gestellt, der vorzugsweise mit Pulsbreiten- bzw. Pulsweitenmodulation arbeitet.
Die Energieübertragung erfolgt durch Kopplung der
Primärspule Li mit der Sekundärspule L2 eines
Sekundärkreises, der eine Kapazität C2S sowie den
Lastwiderstand RL enthält. Die Spannung UL an der
Sekundärseite liegt bei Ladevorgängen am Gleichrichter an. In der Figur 3 ist auch die vorgeschlagene
Sensorspule L3 zu erkennen, die zu einem entsprechenden Schwingkreis mit der Kapazität C3S verschaltet ist. In diesem geschlossenen Schwingkreis wird für die
Detektion eines Fremdkörpers der Strom I3 erfasst. Die Kopplung zwischen den einzelnen Spulen Li, L2 und L3 dieser Anordnung ist durch die Pfeile mit den
Kopplungsfaktoren M12, M13 und M23 angedeutet.
Metallische Fremdkörper nehmen Einfluss auf das
Verhalten derart gekoppelter Spulen durch eine Änderung des Koppelfaktors und der Eigeninduktivitäten und damit auf den Strom innerhalb der Sensorspule. Dabei ändert sich im Schwingkreis der Sensorspule auch die
Phasenlage des Stroms im Vergleich zur Spannung an der Primärspule.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der
vorgeschlagenen Vorrichtung wird diese Phasenlage gegenüber einem Referenzsignal erfasst. Vorzugsweise wird als Referenzsignal das PWM-Signal des Wechsel richters für die Ansteuerung des Primärkreises
herangezogen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die vorgeschlagene Vorrichtung dabei so kalibriert, dass der Phasenwinkel zwischen der Spannung (PWM- Signal) im Primärkreis und dem Strom im Sensorschwing kreis bei einem Zustand ohne Fremdkörper 0° beträgt. Dies kann über ein Verzögerungsglied im Leitungspfad des abgegriffenen Stromsignals erfolgen. Figur 4 zeigt hierzu beispielhaft einen Vergleich der beiden Signale, d.h. des PWM-Signals (PWM) und des Stromsignals (SENS) nach vorheriger Kalibrierung. Aus der Figur ist zu entnehmen, dass das erfasste Stromsignal in diesem Beispiel zunächst mit Hilfe eines Komparators 7 in ein Binärsignal und dann mit Hilfe des Verzögerungsglieds 8 (Delay) gegenüber dem PWM-Signal auf einen Phasenwinkel von 0° abgeglichen wird. Durch diese Kalibrierung ergibt der XOR-Vergleich der beiden Signale, der in diesem Beispiel das zu detektierende Signal ergibt, einen Wert von 0, falls kein Fremdkörper in der Übertragungsstrecke vorhanden ist. Dies ist in Figur 5A angedeutet, die das PWM- Signal, das SENS-Signal sowie das XOR-Signal bei dem Phasenwinkel von 0° und dem Duty Cycle von 0% zeigt. Befindet sich ein Fremdkörper innerhalb der Übertra gungsstrecke, so wird ein Betrag des Phasenwinkels von 0° und auch ein Duty Cycle von 0% erhalten, wie dies beispielhaft in Figur 5B angedeutet ist, die wiederum die drei Signale der Figur 5A zeigt.
Bei einer induktiven Energieübertragungsstrecke ohne selbstschwingende Schaltung wird üblicherweise leicht induktiv geschaltet. Der Strom in die Primär spule eilt dabei der Spannung um frG±ih = 1-10° nach.
Dadurch wird Blindleistung im System erzeugt und es existiert ein anderer Arbeitspunkt. Ein weiterer Grund für einen anderen Arbeitspunkt (anderer Phasenwinkel auf der Primärseite) kann auch eine leicht versetzte Positionierung der Sekundärseite gegenüber der
Primärseite in x-, y- oder z-Richtung sein. Der bei dem vorgeschlagenen Verfahren gemessene Phasenwinkel ist <|>sensor = (|>offset + <|>FK. Durch Änderung des Phasenwinkels auf der Primärseite entsteht ein Offset (|)offset · Dieser
Offset hängt unter anderem vom Phasenwinkel auf der Primärseite frGίih ab und kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren auf verschiedene Arten herauskalibriert werden, von denen im Folgenden drei Varianten angegeben sind .
1) Wird ein neuer Arbeitspunkt auf der Primärseite eingestellt, so wird der aktuell gemessene Phasenwinkel ((»Sensor mit Hilfe einer Signalverzögerung c(>offset_Korrektur im Controller oder mit einem Verzögerungsglied
Fqίfset_Korrektur Z U ((»Sensor — FEK kalibriert. Dazu mU S S fqίίeqί nicht gemessen werden. Diese Variante eignet sich besonders bei Anregung der Primärseite mit Fest
frequenz, da hierbei frGΐih nicht gemessen werden muss. Bei der Kalibrierung ist selbstverständlich darauf zu achten, dass sich kein Fremdkörper im Übertragungsfeld befindet .
2) Der Offset foίίXqί wird im Controller, der f3qh G misst, abgezogen. Hierzu muss foίίXqί ~ frhqh ebenfalls gemessen werden. Diese Variante eignet sich besonders für ein autoresonantes Verfahren, bei welchem frG^ geregelt wird, da hierbei frGίih prinzipbedingt gemessen werden muss und somit bereits zur Verfügung steht.
3) Der Sensorschwingkreis wird mit Hilfe einer x - stufigen Kaskade an Kondensatoren erweitert, die einzeln oder in Gruppen zuschaltbar sind. Mit dieser Kaskade ist es möglich, abhängig vom Betriebs- bzw. Arbeitspunkt im Primärkreis den Sensorschwingkreis so einzustellen, dass kein Offset entsteht.
Die beiden letztgenannten Möglichkeiten zur
Offset-Anpassung sind besonders stabil bei
Lastschwankungen und Schwankungen des Arbeitspunktes. Alternativ zum Vergleich mit der primärseitigen Spannung kann auch der Versatz des Phasenwinkels cjpensor des Stromes im Sensorschwingkreis gegenüber der
Spannung im Sensorschwingkreis als Referenzsignal gemessen werden. Dieses Verfahren ist komplett
unabhängig vom Arbeitspunkt und benötigt keinerlei Kalibrierung und Offset-Abgleich .
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung wird ausgenutzt, dass eine zusätzliche Sensorwicklung mit kleiner Induktivität sehr stark von einem metallischen Fremdkörper
beeinflusst wird. Der Einfluss ist sehr viel stärker als auf eine der energieübertragenden Wicklungen (Li oder L2) . Figur 6 zeigt beispielhaft eine Messung mit einer rechteckförmigen Sensorwicklung mit Abmessungen von 2x20cm, bei der nacheinander unterschiedliche
Fremdkörper in der Übertragungsstrecke platziert wurden. Bei diesen Fremdkörpern handelt es sich um Fremdkörper aus unterschiedlichen metallischen
Materialien, wie Aluminium, Kupfer und Stahl, mit unterschiedlichen Querschnittsflächen und unterschied lichen Dicken zwischen 0,5 und 3mm, die zum Teil längs oder quer zur Sensorwicklung angeordnet wurden. Die in Figur 6 dargestellte Messung zeigt auf der y-Achse die gemessene Phasenverschiebung und gibt auf der x-Achse mit den Ziffern 1 bis 15 die unterschiedlichen Fremd körper an, deren laterale Abmessungen in der Figur ebenfalls angegeben sind. Die Figur zeigt, dass der Betrag der Phasenverschiebung des Stroms in der
Sensorwicklung in einem gut nachweisbaren Bereich liegt und nahezu unabhängig von dem Material und den
Abmessungen der Fremdkörpers ist. Figur 7 zeigt beispielhaft in Teilabbildung A eine einfache Geometrie der Sensorwicklung einer Sensorspule 5 und in Teilabbildung B eine komplexere Geometrie einer Sensorspule 5, wie sie bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung einsetzbar sind. Das vorgeschlagene Verfahren reagiert auf die Induktivitätsänderung der Sensorspule durch den
Einfluss des Fremdkörpers. Bereits eine sehr kleine Induktivitätsänderung der Primärspule 1 (Li) führt zu einer großen Änderung der Induktivität der Sensorspule 5 (L3) , was zu einer starken Vertrimmung des Sensor schwingkreises führt und gut detektierbar ist.
Geeignete Geometrien der Sensorspulen 5 können die Induktivität der Sensorwicklung absenken ohne die
Wicklungen zu verkleinern. Figur 7B zeigt eine
derartige Sensorwicklung, die für den Einsatz beim vorgeschlagenen Verfahren und der zughörigen
Vorrichtung besonders gut geeignet ist, da durch die Überkreuzungen die Eigeninduktivität sinkt, der relative Einfluss eines Fremdkörpers steigt. Eine derartige Sensorwicklung muss selbstverständlich nicht die dargestellte rechteckige Form in den einzelnen Teilbereichen aufweisen, sondern kann in diesen
Bereichen auch bspw. kreisförmige oder elliptische Formen haben.
Die Sensorwicklung bzw. Sensorspule ist bei der bevorzugten Anwendung, bei der die Primärspule
bodenseitig angeordnet ist, über der Primärspule angeordnet. Üblicherweise liegt die Primärspule unter einer Abdeckung. Die Sensorspule ist dabei vorzugsweise möglichst nahe an der Oberfläche dieser Abdeckung integriert oder angebracht, um auf der Abdeckung liegenden Fremdkörpern möglichst nahe zu sein.
Das Verfahren ist komplett unabhängig vom
Arbeitspunkt der Energieübertragungsstrecke, sowohl gegen Änderung der Wirkleistung als auch gegen Änderung der Blindleistung. Der Sensorschwingkreis mit der Sensorspule kann komplett potentialfrei zur
Energieübertragungsstrecke ausgeführt werden und ist dadurch besonders sicher und unempfindlich gegen
Störeinkopplungen durch EMV. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine sehr genaue Detektion metallischer Fremdkörper. Die Phasenlage bezüglich einer passiven Wicklung ergibt eine wesentlich höhere Änderung als wenn die Phasenlage in der Energie
übertragenden Primärwicklung detektiert werden würde. Der separate Schwingkreis ist empfindlicher als andere Änderungen von Messwerten an der Sensorwicklung. Durch die Anordnung mehrerer Sensorspulen mit entsprechenden Schwingkreisen, bspw. in Form eines Arrays, kann auch eine Positionsbestimmung des metallischen Fremdkörpers erfolgen .
Bezugszeichenliste
1 Primärspule (Li)
2 Sekundärspule (L2)
3 Elektrofahrzeug
4 metallischer Fremdkörper
5 Sensorspule (L3)
6 Erfassungs- und Auswerteeinrichtung 7 Komparator
8 Verzögerungsglied

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion von elektrisch leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven Energieübertragung zwischen einer Primärspule (1) und einer Sekundär spule (2), insbesondere bei induktiven Lade vorgängen, bei dem wenigstens eine Sensorspule (5) zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2) angeordnet und ein während der Energieüber tragung in der Sensorspule (5) induzierter Strom erfasst und ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorspule (5) mit wenigstens einer Kapazität (C3S) zu einem Schwingkreis verschaltet ist, der auf eine Anregungsfrequenz der Primär spule (1) abgestimmt ist, und
aus einer Phasenlage des Stroms im Schwingkreis gegenüber einem Referenzsignal bestimmt wird, ob zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Fremd körper (4) vorhanden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Anregung der Primärspule (1) auf Basis eines PWM-Signals erfolgt, wobei das PWM-Signal als Referenzsignal für die Phasenlage des Stroms im Schwingkreis genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass vorab eine Kalibrierung erfolgt, bei der die Phasenlage des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal ohne einen Fremdkörper (4) zwischen Primärspule (1) und Sekundärspule (2) erfasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kalibrierung nach jeder Änderung eines Arbeitspunktes bei der Anregung der Primärspule (1) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine bei der Kalibrierung erfasste
Phasenverschiebung des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines oder mehrerer Fremdkörper (4) kompensiert oder berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensation durch ein Verzögerungsglied (8) oder durch einen Controller erfolgt, der die Bestimmung durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensation im Schwingkreis der
Sensorspule (5) durch Änderung der wenigstens einen Kapazität (C3S) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere der Sensorspulen (5) zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2)
angeordnet werden und bei Detektion eines
Fremdkörpers (4) aus einem Vergleich der
jeweiligen Phasenlagen des Stroms in den
Schwingkreisen der Sensorspulen (5) gegenüber dem Referenzsignal und den Positionen der Sensorspulen (5) die ungefähre Position des Fremdkörpers (4) bestimmt wird.
9. Vorrichtung zur Detektion von elektrisch
leitfähigen Fremdkörpern bei der induktiven
Energieübertragung zwischen einer Primärspule (1) und einer Sekundärspule (2), insbesondere bei induktiven Ladevorgängen, die wenigstens eine Sensorspule (5) aufweist, die über der Primärspule (1) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorspule (5) mit wenigstens einer Kapazität (C3S) zu einem Schwingkreis verschaltet ist, der auf eine Anregungsfrequenz der Primär spule (1) abgestimmt und mit einer Auswerte einrichtung (6) verbunden ist, durch die der Strom im Schwingkreis erfasst und aus einer Phasenlage des Stroms im Schwingkreis gegenüber einem
Referenzsignal bestimmt wird, ob zwischen der Primärspule (1) und der Sekundärspule (2) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Fremdkörper (4) vorhanden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärspule (1) mit einer Anregungs schaltung verbunden ist, die ein PWM-Signal zur Anregung der Primärspule (1) nutzt, und die
Auswerteeinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie das PWM-Signal als Referenzsignal für die Phasenlage des Stroms im Schwingkreis nutzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteschaltung (6) so ausgebildet ist, dass sie eine bei einer Kalibrierung der
Vorrichtung erfasste Phasenverschiebung des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines oder mehrerer Fremdkörper (4) kompensiert oder berück sichtigt .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (6) ein Verzögerungs glied (8) aufweist, über das die bei der
Kalibrierung der Vorrichtung erfasste Phasen- Verschiebung des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal kompensierbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie die bei der Kalibrierung der
Vorrichtung erfasste Phasenverschiebung des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines oder mehrerer Fremdkörper (4) von der Phasenlage des Stroms im Schwingkreis subtrahiert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schwingkreis mit einer Kaskade von
Kapazitäten verbunden ist, die zur Änderung der Kapazität (C3S) im Schwingkreis einzeln oder in Gruppen zuschaltbar sind, um eine Kompensation der bei der Kalibrierung der Vorrichtung erfassten Phasenverschiebung des Stroms im Schwingkreis gegenüber dem Referenzsignal zu erreichen.
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