EP4275263A1 - Verfahren zum betrieb einer drahtlosen übertragungsvorrichtung zur erkennung und vermeidung unerwünschter abstrahlungen von hochfrequenten feldern - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer drahtlosen übertragungsvorrichtung zur erkennung und vermeidung unerwünschter abstrahlungen von hochfrequenten feldern

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EP4275263A1
EP4275263A1 EP21835710.1A EP21835710A EP4275263A1 EP 4275263 A1 EP4275263 A1 EP 4275263A1 EP 21835710 A EP21835710 A EP 21835710A EP 4275263 A1 EP4275263 A1 EP 4275263A1
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EP
European Patent Office
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energy transmission
measuring
transmission device
operating
measuring device
Prior art date
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Pending
Application number
EP21835710.1A
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Inventor
Michael Mahler
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a wireless energy transmission device, for example for charging an energy store of an electric vehicle, which includes a transmission coil suitable for the inductive transmission of electrical energy with a transmission coil control unit, wherein the inductive energy transmission device also includes a measuring device with a measuring element. Also includes the inductive
  • the inductive energy receiving device for the inductive reception of electrical energy receiving coil suitable with a receiving coil control unit, wherein the inductive energy receiving device also comprises a measuring device with a measuring element.
  • the measuring element measures the field strength of the alternating magnetic field in an air gap between the transmitting coil and the receiving coil in connection with the first measuring device.
  • the transmission coil control unit adjusts an operating point of the energy transmission device, taking into account the field strength value measured with the measuring element, such that the efficiency of the energy transmission device is maximized.
  • the wireless transmission of electrical energy for the energy supply of electrical devices and/or for charging battery-powered devices entails the problem that, in the case of inductive energy transmission, part of the energy emitted is radiated into the surrounding space. Only part of the emitted energy is absorbed by the receiving end and converted back into electrical energy. The remaining part of the emitted energy is lost for energy transfer and causes undesirable effects in the environment of the wireless, inductive energy transmission device.
  • the document EP 2 332 231 B1 describes an inductive charger which inductively supplies energy to one or more battery-powered devices, each device comprising a secondary coil which is designed in such a way that it encloses part of a magnetic field and in response thereto generates a current for Generates charging a battery of a device, the charger comprising two or more pairs of primary coils arranged in a circular pattern, the circular pattern being intended to surround the one or more secondary coils of the devices, and an AC power source arranged so is arranged to supply an alternating current to the pair of primary coils, the alternating current being then applied to the pair of primary coils to generate a rotating magnetic field between respective ones of the pair of primary coils.
  • the aim of this invention is a universal inductive charger in which a single primary can supply several different secondaries with electrical energy and an improved magnetic coupling and thus improved efficiency
  • Document EP 2 689512 B1 describes a method for determining the power loss in a system for inductive power transmission.
  • the method includes a power transmitter to inductively transmit power to a power receiver via a transmit coil and a receive coil.
  • the method comprises the following steps, after which the power transmitter receives a received power parameter transmitted by the power receiver in one step; further obtain time information transmitted from the power receiver for time alignment to enable the power transmitter to align the time of calculating a power loss during power transmission with the power receiver; and then the power loss accordingly to calculate the received time information and the received power parameter.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for reducing the EMC interference emissions while at the same time improving the transmission efficiency. According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent patent claim. Advantageous developments of the invention result from the features of the dependent patent claims.
  • the present invention of a method for operating a wireless energy transmission device with the characterizing part of claim 1 offers the advantage with the method according to the invention that in a first step a field strength in an air gap between the transmitting coil and the receiving coil is measured by the at least one measuring device using the measuring element and in a further step, the transmission coil control unit sets an operating point of the energy transmission, taking into account the field strength value measured with the measuring element, in such a way that an efficiency of the energy transmission device is maximized.
  • the operating point here is the setting of the parameters that characterize the transmission, such as current and voltage in the transmission coil, but above all the frequency, waveform and, if necessary, the type of modulation.
  • a reduction in the undesired EMC interference emission is associated with a maximized efficiency.
  • the consumption of electrical energy is reduced without the operation of the device supplied with energy having to be restricted.
  • the method according to the invention for operating a wireless energy transmission device with a direct connection of the measuring device to the transmission coil control unit offers the great advantage that the operating point of the energy transmission can be set immediately by other elements in the communication path, taking into account the field strength value measured with the measuring element.
  • the method according to the invention for operating a wireless energy transmission device with a second measuring device and with a second measuring element advantageously offers the advantage that the field strength in the air gap between the transmission coils cannot only be measured by a single measuring element.
  • the method according to the invention can advantageously also enable operation of a wireless transmission device in particularly EMC-sensitive environments with the aid of the second measuring device.
  • the first measuring device communicates with the second measuring device in the method according to the invention for operating a wireless energy transmission device.
  • This direct communication is advantageous in order to be able to detect measurement deviations.
  • the measuring devices thus monitor one another, and this mutual monitoring offers the advantage that the method according to the invention also enables operation of a wireless transmission device in particularly EMC-sensitive environments.
  • the first measuring device communicates with the second measuring device and an improved operating point with an improved degree of effectiveness can be set on the basis of the exchanged measurement results.
  • the method according to the invention for operating a wireless energy transmission device with a second measuring device and with a second measuring element offers the advantage that the specifications of the radio regulation are monitored and complied with. Since the radio regulation is still uniform at a regional level or sometimes only at a national level, the method according to the invention offers the advantage of simple adaptation to the regulations that apply locally.
  • the applicable specifications of the Frequency regulation selected by country or region selection can be produced in a standard variant and is adapted to the specifications of the radio regulation prevailing in the respective market through a selection made by the user. There is no need to laboriously produce and distribute country variants.
  • the method according to the invention for operating a wireless energy transmission device with a second measuring device and with a second measuring element advantageously offers the advantage that not only the field strength in the air gap between the transmission coils can be measured. It is advantageous to record further emissions from the wireless energy transmission device at least with the second measuring device.
  • These emissions can be caused, for example, by the supply lines to the coils or by the electronic power circuits, and are not detected solely by measuring the field in the air gap between the coils.
  • the second measuring device can record further emissions from the electrical device, which includes the wireless energy transmission device.
  • the second measuring device can thus advantageously also detect emissions from capacitive and/or inductive components such as electric drive motors and include them in the evaluation. In this way, it is achieved in an advantageous manner that the electrical device as a whole monitors and complies with the specifications of the radio regulation.
  • This holistic monitoring offers the advantage that the method according to the invention also enables the secure operation of a wireless transmission device in particularly EMC-sensitive environments.
  • the method according to the invention offers the great advantage that the first measuring device with the first measuring element and/or the second measuring device with the second measuring element detect changes in the field strength in the air gap between the coils, which are caused by interfering metallic objects.
  • operating situations are recognized in which, on the one hand, unwanted metallic Objects of the efficiency is lowered and on the other hand there is a risk that these objects are heated in an impermissible way.
  • FIG. 1 shows a wireless energy transmission device with a transmitting coil and a receiving coil
  • FIG. 2 shows a wireless energy transmission device with a transmission coil, a reception coil and a measuring device with a measuring element
  • FIG. 3 shows a wireless energy transmission device with a transmission coil, a reception coil and a second measuring device and with a second measuring element.
  • Figure 1 shows a wireless energy transmission device 1 of the prior art with a transmitter coil 4 suitable for inductive energy transmission and a receiver coil 6. Furthermore, Figure 1 shows a transmitter coil control unit 5 and a receiver coil control unit 7. The transmitter coil 4 is connected to an energy source 13. The transmitting device of the wireless energy transmission device 1 is spaced apart by an air gap 10 from the receiving device of the wireless Energy transmission device 1 arranged. In addition to the transmission of energy, information is also transmitted between the transmitting coil 4 and the receiving coil 6 . This information transmission can either use the energy transmission of the coils 4, 6 directly at the energy transmission frequency (as so-called in-band data transmission) or via the coils 4, 6 at a different frequency (as so-called out-of-band data transmission). . Also others can
  • the air gap 10 between the transmitting coil 4 and the receiving coil 6 results from the structural conditions of the devices. Since the transmitting coil 4 and the receiving coil 6 are usually each arranged within a device housing, a distance between the transmitting coil 4 and the receiving coil 6 results from the wall thickness of the housing walls, even if the devices are arranged without any further distance from one another So touch housing walls. If, on the other hand, the transmitter coil 4 is built into a table top, for example, there is a distance between the transmitter coil 4 and the receiver coil 6 that is determined by the thickness of the table top and the wall thickness of the housing wall of the receiving device.
  • This distance is usually always called an air gap 10, even if it is as in the cases described by way of example, there is not only necessarily air in the so-called air gap 10, but also, for example, housing material or the wood of a tabletop.
  • the consumer supplied with electrical energy by the reception coil 6 can be an electrical energy store or another consumer, for example an electric drive of a kitchen appliance or an electronic device.
  • An unfavorably enlarged air gap 10 and/or an insufficient alignment of the receiving coil 6 with the transmitting coil 4 lead to a large increase in the losses, which leads to a strong increase in the undesired emissions.
  • the air gap 10 can also be enlarged by objects between the receiving coil 6 and the transmitting coil 4, for example.
  • FIG. 2 shows a wireless energy transmission device 1 like FIG. 1, supplemented by a first measuring element 8.
  • This first measuring element 8 is independent of the transmitter coil 4, which is used to transmit electrical energy.
  • This additional first measuring element 8 is connected to a first measuring device 9 .
  • the measuring device 9 is part of the transmission coil control unit 5.
  • the additional first measuring element 8 can be used in conjunction with the measuring device 9 to provide information about the physical properties of the energy transmission on the transmitting side. For example, an alternating field whose physical properties are known can be generated via a predefined measurement signal. If the first measuring element 8 now determines physical properties that deviate from this, this indicates, for example, electrically conductive foreign objects in the vicinity of the transmission coil 4 .
  • the use of the transmission coil 4 with a powerful signal suitable for energy transmission would lead to undesirable heating of the electrically conductive foreign object due to the generation of eddy currents. Failure to detect this could result in injury or fire.
  • the arrangements of inductive transmitter coils 4 are not readily recognizable, particularly in the case of concealed installation of transmitter coils 4 in tabletops or worktops. Switching on such covered transmission coils 4 without supervision involves the great risk that, for example, metal objects carelessly left lying around will be heated and cause injuries or even fires. In addition, such objects significantly interfere with the wireless transmission of electrical energy, so that the efficiency of the wireless energy transmission device is reduced. This leads to an increase in unwanted emissions and, as a rule, to the legally regulated limit values being exceeded.
  • radio regulation covers the electromagnetic spectrum from 9 kHz to 275 GHz.
  • radio regulation is carried out by the ITU (International Telecommunication Union).
  • radio regulation is carried out by intergovernmental organizations such as the CEPT (Conference Europeenne des Administrations des Postes et des Telecommunications).
  • CEPT Confference Europeenne des Administrations des Postes et des Telecommunications
  • radio regulation is carried out and implemented in the Federal Republic of Germany, for example, by the BnetzA (Federal Network Agency) on behalf of the Federal Ministry of Economics.
  • radio regulation covers the use of the available spectrum and the allocation of usage options to specific user groups. With that the prohibition of use for other user groups also applies.
  • a wireless energy transmission device 1 which is supplemented by a first measuring element 8 with a first measuring device 9, can supply information about the field strength in the air gap 10 to the transmission coil control unit 5 by measuring the field strength in the air gap 10. On the basis of the measured field strength in the air gap 10, it is possible for the transmission coil control unit 5 to control the transmission coil 4 in such a way that the emission of electromagnetic fields is reduced in such a way that the efficiency of the wireless energy transmission device 1 is increased.
  • the optimum efficiency of the wireless energy transmission device 1 corresponds to what is known as the operating point AP, which is specified in data sheets, for example.
  • An operating point AP that is not permanently set has the advantage that it does not simply change in an uncontrolled manner due to external influences and other effects such as aging effects, but can be readjusted according to the respective specifications. In the configuration shown in Figure 2, this is particularly easy and efficient, since using the first measuring element 8 with the first measuring device 9 information about the physical state of the wireless Transmission device available. This information is used to readjust the operating point AP at any time.
  • FIG. 3 shows a wireless energy transmission device 1 like FIGS. 1 and 2, which additionally includes a second measuring element 11 .
  • the additional second measuring element 11 is used together with the second measuring device 12 to detect occurring electromagnetic alternating fields.
  • the additional second measuring element 11, together with the second measuring device 12 detects the wireless
  • the additional second measuring element 11 is used together with the second measuring device 12 to measure the alternating electromagnetic fields emitted by other electrical devices in addition to the wireless energy transmission device 1 such as, for example, by electric motors.
  • Information about the radiation behavior is therefore not only available for the wireless energy transmission device 1, but also for the entire device.
  • the information from the additional second measuring element 11 together with the second measuring device 12 is used to operate the entire device in accordance with the rules, since emissions of electromagnetic alternating fields that go beyond the regulated limit values are detected and countermeasures up to a complete shutdown of the wireless energy transmission device 1 and other electrical Components can be taken.
  • the additional second measuring element 11 together with the second measuring device 12 also serves to detect increased emissions of alternating electromagnetic fields caused by malfunctions and to avoid operation that does not conform to the rules. This reliably prevents radio interference caused by exceeding legally regulated limit values and avoids penalties due to the operation of devices outside the permissible range.
  • surprising changes can be determined by measuring the electromagnetic field of the wireless energy transmission device 1 .
  • Such surprising changes in the electromagnetic field indicate metallic objects in the air gap 10 between the transmitting coil 4 and the receiving coil 6 .
  • metallic object are generated by the electromagnetic field of energy transmission eddy currents, which lead to heating of the metallic object in the air gap 10 between the transmitting coil 4 and the receiving coil 6.
  • heating can lead to injuries or fires and must therefore be avoided at all costs.
  • the detection of the so-called foreign objects in the air gap 10 by the continuous measurement of the electromagnetic field leads to the energy transmission being switched off and thus to the elimination of the danger.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) beispielsweise zum Laden eines Energiespeichers (2) eines elektrischen Fahrzeuges, umfassend wenigstens eine zur induktiven Energieübertragung geeignete Sendespule (4) mit einer Sendespulensteuerungseinheit (5) und wenigstens eine zur Energieübertragung geeignete Empfangsspule (6) mit einer Empfangsspulensteuerungseinheit (7), weiterhin umfassend mindestens ein erstes Messelement (8) und eine mit dem Messelement verbundene erste Messeinrichtung (9), wobei in einem ersten Schritt durch die mindestens eine Messeinrichtung (9) mittels des Messelementes (8) eine Feldstärke in einem Luftspalt (10) zwischen Sendespule (4) und Empfangsspule (6) gemessen wird und in einem weiteren Schritt die Sendespulensteuerungseinheit (5) einen Arbeitspunkt der Energieübertragung unter Berücksichtigung des mit dem Messelement (8) gemessenen Feldstärkewertes dergestalt einstellt, dass ein Wirkungsgrad der Energieübertragungsvorrichtung (1) maximiert ist.

Description

Verfahren zum Betrieb einer drahtlosen Übertragungsvorrichtung zur Erkennung und Vermeidung unerwünschter Abstrahlungen von hochfrequenten Feldern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung beispielsweise zum Laden eines Energiespeichers eines elektrischen Fahrzeuges, welche eine zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie geeignete Sendespule mit einer Sendespulensteuerungseinheit umfasst, wobei die induktive Energieübertragungsvorrichtung außerdem eine Messeinrichtung mit einem Messelement umfasst. Ferner umfasst die induktive
Energieübertragungsvorrichtung eine zum induktiven Empfang von elektrischer Energie geeignete Empfangsspule mit einer Empfangsspulensteuerungseinheit, wobei die induktive Energieempfangsvorrichtung außerdem eine Messeinrichtung mit einem Messelement umfasst. Durch das Messelement wird die Feldstärke des magnetischen Wechselfelds in einem Luftspalt zwischen der Sendespule und der Empfangsspule in Verbindung mit der ersten Messeinrichtung gemessen. Auf Basis des erzielten Messergebnisses wird durch die Sendespulensteuerungseinheit ein Arbeitspunkt der Energieübertragungsvorrichtung unter Berücksichtigung des mit dem Messelement gemessenen Feldstärkewertes dergestalt einstellt, dass ein Wirkungsgrad der Energieübertragungsvorrichtung maximiert ist.
Stand der Technik
Die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie zur Energieversorgung elektrischer Geräte und/oder zum Laden von batterieelektrisch angetriebenen Geräten bringt das Problem mit sich, dass bei der induktiven Energieübertragung ein Teil der ausgesandten Energie in den umgebenden Raum abgestrahlt wird. Nur ein Teil der ausgesandten Energie wird von der Empfängerseite aufgenommen und wieder in elektrische Energie umgewandelt. Der verbleibende Teil der ausgesandten Energie ist für die Energieübertragung verloren und verursacht unerwünschte Wirkungen im Umfeld der drahtlosen, induktiven Energieübertragungsvorrichtung.
In der Schrift EP 2 332 231 Bl wird ein induktives Ladegerät beschrieben, welches einem oder mehreren batteriegespeisten Geräten induktiv Energie zuführt, wobei jedes Gerät eine Sekundärspule umfasst, die so ausgeführt ist, dass sie einen Teil eines Magnetfeldes umschließt und in Reaktion darauf einen Strom zum Laden einer Batterie eines Gerätes erzeugt, wobei das Ladegerät zwei oder mehr Primärspulenpaare umfasst, die in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind, wobei das kreisförmige Muster so vorgesehen ist, dass es die eine oder mehreren Sekundärspulen der Geräte umgibt sowie eine AC- Stromquelle, die so vorgesehen ist, dass sie dem Primärspulenpaar einen Wechselstrom zuführt, wobei die Primärspulenpaare anschließend mit dem Wechselstrom versehen werden, um ein rotierendes Magnetfeld zwischen jeweiligen Primärspulen der Primärspulenpaare zu erzeugen. Das Ziel dieser Erfindung ist ein universelles induktives Ladegerät, in welchem ein einziges Primärteil mehrere verschiedene Sekundärteile mit elektrischer Energie und einer verbesserten magnetischen Kopplung und somit verbessertem Wirkungsgrad versorgen kann
Nachteilig an diesem Vorschlag des Standes der Technik ist, dass die Schrift EP 2 332 231 Bl keinerlei Hinweise auf ein Verfahren zur Vermeidung unerwünschter Abstrahlungen offenbart.
In der Schrift EP 2 689512 Bl wird ein Verfahren zur Bestimmung des Leistungsverlustes in einem System zur induktiven Leistungsübertragung beschrieben. Das Verfahren umfasst einem Leistungssender, um Leistung über eine Sendespule und eine Empfangsspule induktiv zu einem Leistungsempfänger zu übertragen. Das Verfahren umfasst hierzu die folgenden Schritte, wonach der Leistungssender in einem Schritt einen von dem Leistungsempfänger übertragenen Empfangsleistungsparameter erhält; weiterhin von dem Leistungsempfänger übertragene Zeitinformationen zur Zeitabgleichung erhält, um den Leistungssender in die Lage zu versetzen, die Zeit des Berechnens eines Leistungsverlustes während der Leistungsübertragung mit dem Leistungsempfänger abzugleichen; und dann den Leistungsverlust entsprechend den erhaltenen Zeitinformationen und dem empfangenen Leistungsparameter zu berechnen.
Nachteilig an diesem Vorschlag des Standes der Technik ist, dass die Schrift EP 2 689512 Bl ebenfalls keinerlei Hinweise zur Vermeidung unerwünschter Abstrahlungen offenbart.
Diese unerwünschten Abstrahlungen führen einerseits in nachteiliger Weise zu Wirkungsgradeinbußen der induktiven Energieübertragungsvorrichtungen, andererseits aber auch zu nachteiligen unerwünschten Erwärmungen von metallischen Gegenständen in der Umgebung der induktiven Energieübertragungsvorrichtungen und weiterhin in nachteiliger Weise zu EMV- Störungen anderer Geräte. Diese EMV-Störungen sind in jedem Fall zu vermeiden, da sie in der Regel gegen Hochfrequenz- Regulierungen verstoßen. Der elektromagnetischen Verträglichkeit wird zwischenzeitlich auch durch die Regierungen besondere Beachtung zuteil. So werden beispielsweise in der Drucksache 19/24557 des Deutschen Bundestages die Herausforderungen bei der EMV besonders vor dem Hintergrund der Nutzung höherer Frequenzen und der steigenden Integrationsdichten gewürdigt. Ein Verstoß gegen gesetzlich Hochfrequenz- Regulierungen führt in der Regel dazu, dass die Geräte außer Betrieb zu nehmen sind, um andere Geräte zu schützen. Weitere Einschränkungen sind beispielsweise eine Untersagung des weiteren Inverkehrbringens solcher Geräte. Weiterhin ist mit hohen Kosten zu rechnen, wenn durch die zuständigen Behörden solche Einschränkungen erlassen oder Strafen verhängt werden.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zur Verminderung der EMV- Störabstrahlungen bei gleichzeitiger Verbesserung des Übertragungswirkungsgrads.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Verminderung der EMV-Störabstrahlungen bei gleichzeitiger Verbesserung des Übertragungswirkungsgrads zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände des unabhängigen Patentansprüchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung eines Verfahrens zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 bietet mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den Vorteil, dass in einem ersten Schritt durch die mindestens eine Messeinrichtung mittels des Messelementes eine Feldstärke in einem Luftspalt zwischen Sendespule und Empfangsspule gemessen wird und in einem weiteren Schritt die Sendespulensteuerungseinheit einen Arbeitspunkt der Energieübertragung unter Berücksichtigung des mit dem Messelement gemessenen Feldstärkewertes dergestalt einstellt, dass ein Wirkungsgrad der Energieübertragungsvorrichtung maximiert ist. Unter Arbeitspunkt ist hier die Einstellung der die Übertragung kennzeichnenden Parameter wie beispielsweise Strom und Spannung in der Sendespule, aber vor allem die Frequenz, Wellenform und ggfs, auch die Modulationsart zu verstehen. In vorteilhafter Weise ist mit einem maximierten Wirkungsgrad eine Verminderung der unerwünschten EMV-Störabstrahlung verbunden. Weiterhin wird mit einem maximierten Wirkungsgrad der Verbrauch an elektrischer Energie gesenkt, ohne dass der Betrieb des mit Energie versorgten Gerätes eingeschränkt werden müsste.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung mit einer direkten Verbindung der Messeinrichtung mit der Sendespulensteuerungseinheit den großen Vorteil, dass der Arbeitspunkt der Energieübertragung unter Berücksichtigung des mit dem Messelement gemessenen Feldstärkewertes ohne Zeitverzug durch weitere Elemente im Kommunikationspfad unmittelbar eingestellt werden kann. ln vorteilhafter Weise bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung mit einer zweiten Messeinrichtung und mit einem zweiten Messelement den Vorteil, dass die Feldstärke im Luftspalt zwischen den Übertragungsspulen nicht nur durch ein einziges Messelement gemessen werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei einem Ausfall eines Messelements eine zweite, unabhängige und redundante Messeinrichtung vorhanden ist und diese den Betrieb der Energieübertragungseinrichtung mit verminderter EMV-Störabstrahlung und gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad sicherstellt. In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der zweiten Messeinrichtung auch einen Betrieb einer drahtlosen Übertragungseinrichtung in besonders EMV- sensitiven Umgebungen ermöglichen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung die erste Messeinrichtung mit der zweiten Messeinrichtung kommuniziert. Diese direkte Kommunikation ist vorteilhaft, um Messabweichungen detektieren zu können. Somit überwachen sich die Messeinrichtungen gegenseitig, diese gegenseitige Überwachung bietet den Vorteil, dasss das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Betrieb einer drahtlosen Übertragungseinrichtung in besonders EMV- sensitiven Umgebungen ermöglicht.
Vorteilhaft ist es, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung die erste Messeinrichtung mit der zweiten Messeinrichtung kommuniziert und aufgrund der ausgetauschten Messergebnisse ein verbesserter Arbeitspunkt mit einem verbesserten Wikrungsgrad eingestellt werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung mit einer zweiten Messeinrichtung und mit einem zweiten Messelement den Vorteil, dass die Vorgaben der Funkregulierung überwacht und eingehalten werden. Da die Funkregulierung nach wie vor auf regionaler oder teilweise nur auf nationaler Ebene einheitlich ist, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer einfachen Anpassung an die jeweils vor Ort geltenden Vorschriften. In besonders vorteilhafter Weise werden die jeweils gültigen Vorgaben der Frequenzregulierung durch Auswahl des Landes bzw. der Region ausgewählt. Das Gerät kann in einer Standardvariante hergestellt werden und erhält die Anpassung an die in dem jeweiligen Markt vorherrschenden Vorgaben der Funkregulierung durch eine Auswahl des Nutzers. Es müssen keine Ländervarianten aufwändig hergestellt und vertrieben werden.
In vorteilhafter Weise bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung mit einer zweiten Messeinrichtung und mit einem zweiten Messelement den Vorteil, dass nicht nur die Feldstärke im Luftspalt zwischen den Übertragungsspulen gemessen werden kann. Es ist vorteilhaft, zumindest mit der zweiten Messeinrichtung weitere Abstrahlungen der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung zu erfassen.
Diese Abstrahlungen können beispielsweise durch Zuleitungen zu den Spulen oder durch die leistungselektronischen Schaltungen verursacht werden und werden durch die alleinige Messung des Feldes in dem Luftspalt zwischen den Spulen nicht erfasst.
Besonders vorteilhaft ist es, mit der zweiten Messeinrichtung weitere Abstrahlungen der elektrischen Vorrichtung, welche die drahtlosen Energieübertragungseinrichtung umfasst, zu erfassen. Somit kann die zweite Messeinrichtung in vorteilhafter Weise auch Abstrahlungen von kapazitiven und/oder induktiven Komponenten wie beispielsweise elektrischen Antriebsmotoren erfassen und in die Auswertung einbeziehen. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die elektrische Vorrichtung als ganze die Vorgaben der Funkregulierung überwacht und einhält. Diese ganzheitliche Überwachung bietet den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch den sicheren Betrieb einer drahtlosen Übertragungseinrichtung in besonders EMV-sensitiven Umgebungen ermöglicht.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren den großen Vorteil, dass durch die erste Messeinrichtung mit dem ersten Messelement und/oder die zweite Messeinrichtung mit dem zweiten Messelement Veränderungen der Feldstärke im Luftspalt zwischen den Spulen erfasst werden, welche von störenden metallischen Objekten verursacht werden. In vorteilhafter Weise werden so Betriebsituationen erkannt, in denen einerseits durch unerwünschte metallische Objekte der Wirkungsgrad abgesenkt wird und andererseits die Gefahr besteht, dass diese Objekte in unzulässiger Weise erwärmt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigt:
Fig. 1 eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung mit einer Sendespule und einer Empfangsspule;
Fig. 2 eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung mit einer Sendespule, einer Empfangsspule und einer Messeinrichtung mit einem Messelement;
Fig. 3 eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung mit einer Sendespule, einer Empfangsspule und einer zweiten Messeinrichtung und mit einem zweiten Messelement.
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
Die Figur 1 zeigt eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung 1 des Standes der Technik mit einer zur induktiven Energieübertragung geeigneten Sendespule 4 und einer Empfangsspule 6. Weiterhin zeigt Figur 1 eine Sendespulensteuerungseinheit 5 und eine Empfangsspulensteuerungseinheit 7. Die Sendespule 4 ist mit einer Energiequelle 13 verbunden. Das sendende Gerät der drahtlose Energieübertragungsvorrichtung 1 ist über einen Luftspalt 10 beabstandet zu dem empfangenden Gerät der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 angeordnet. Zwischen der Sendespule 4 und der Empfangsspule 6 findet neben der Energieübertragung auch eine Übertragung von Informationen statt. Diese Informationsübertragung kann entweder die Energieübertragung der Spulen 4, 6 direkt auf der Energie- Übertragungsfrequenz nutzen (als sogenannte In-Band-Datenübertragung) oder über die Spulen 4, 6 auf einer anderen Frequenz (als sogenannte Out-Of-Band- Datenübertragung) stattfinden. Ebenfalls können andere
Kommunikationsverfahren wie beispielsweise optische Kommunikationsverfahren verwendet werden. Der Luftspalt 10 zwischen der Sendespule 4 und der Empfangsspule 6 ergibt sich durch die Gegebenheiten des Aufbaus der Geräte. Da in der Regel die Sendespule 4 und die Empfangsspule 6 jeweils innerhalb eines Gerätegehäuses angeordnet sind, ergibt sich ein Abstand zwischen der Sendespule 4 und der Empfangsspule 6 bereits durch die Wanddicke der Gehäusewände, selbst wenn die Geräte ohne weiteren Abstand zueinander angeordnet sind, sich die Gehäusewände also berühren. Wenn die Sendespule 4 dagegen beispielsweise in einer Tischplatte eingebaut ist, ergibt sich ein durch die Dicke der Tischplatte und durch die Wandstärke der Gehäusewand des empfangenden Geräts bestimmter Abstand der Sendespule 4 zu der Empfangsspule 6. Dieser Abstand wird üblicherweise immer Luftspalt 10 genannt, selbst wenn sich wie in den beispielhaft beschriebenen Fällen nicht nur unbedingt Luft, sondern beispielsweise Gehäusematerial oder das Holz einer Tischplatte in dem sogenannten Luftspalt 10 befindet. Der von der Empfangsspule 6 mit elektrischer Energie versorgte Verbraucher kann ein elektrischer Energiespeicher oder ein anderer Verbraucher sein, beispielsweise ein elektrischer Antrieb eines Küchengeräts oder ein elektronisches Gerät. Bei einer optimalen Ausrichtung der Empfangsspule 6 zu der Sendespule 4 ist es möglich, einen Wirkungsgrad der induktiven Übertragungsstrecke von deutlich über 90% zu erreichen. Ein ungünstig vergrößerter Luftspalt 10 und/oder eine unzureichende Ausrichtung der Empfangsspule 6 zu der Sendespule 4 führen zu einem großen Anstieg der Verluste, welche zu einer starken Vergrößerung der unerwünschten Abstrahlungen führt. Der Luftspalt 10 kann außerdem beispielsweise durch Gegenstände zwischen der Empfangsspule 6 und der Sendespule 4 vergrößert sein.
Die Figur 2 zeigt eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung 1 wie Figur 1, ergänzt um ein erstes Messelement 8. Dieses erste Messelement 8 ist unabhängig von der Sendespule 4, welche zur Übertragung elektrischer Energie genutzt wird. Dieses zusätzliche erste Messelement 8 ist mit einer ersten Messeinrichtung 9 verbunden. In dieser Figur 2 ist die Messeinrichtung 9 ein Teil der Sendespulensteuerungseinheit 5. Das zusätzliche erste Messelement 8 kann in Verbindung mit der Messeinrichtung 9 genutzt werden, um Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Energieübertragung auf der Sendeseite zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann über ein vordefiniertes Messsignal ein Wechselfeld erzeugt werden, dessen physikalische Eigenschaften bekannt sind. Wenn nun das erste Messelement 8 davon abweichende physikalische Eigenschaften ermittelt, deutet dies beispielsweise auf elektrisch leitende Fremdobjekte in der Nähe der Sendespule 4 hin. In diesem Fall würde die Nutzung der Sendespule 4 mit einem zur Energieübertragung geeigneten leistungsstarken Signal zu einer unerwünschten Erwärmung des elektrisch leitenden Fremdobjektes aufgrund der Erzeugung von Wirbelströmen führen. Wenn dies nicht erkannt wird, können Verletzungen oder Brände die Folge sein. Besonders beim verdeckten Einbau von Sendespulen 4 in Tischplatten oder Arbeitsplatten sind die Anordnungen von induktiven Sendespulen 4 nicht ohne weiteres erkennbar. Ein nicht überwachtes Einschalten solcher verdeckter Sendespulen 4 birgt das große Risiko, dass beispielsweise unbedacht liegengelassene metallische Gegenstände erhitzt werden und Verletzungen oder sogar Brände verursachen. Außerdem stören solche Gegenstände die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie erheblich, so dass der Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung reduziert wird. Dies führt zu einem Anstieg der unerwünschten Abstrahlungen und somit in der Regel zu einer Überschreitung der gesetzlich regulierten Grenzwerte. Diese Funkregulierung umfasst das elektromagnetische Spektrum von 9 kHz bis 275 GHz. Auf internationaler Ebene wird die Funkregulierung durch die ITU (International Telecommunication Union) vorgenommen. Auf regionaler Ebene wird die Funkregulierung durch zwischenstaatliche Organisationen wie beispielsweise die CEPT (Conference Europeenne des Administrations des Postes et des Telecommunications) vorgenommen. Auf nationaler Ebene wird die Funkregulierung beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland durch die BnetzA (Bundesnetzagentur) im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums der Bundesregierung vorgenommen und umgesetzt. Im Wesentlichen umfasst die Funkregulierung die Nutzung des zur Verfügung stehenden Spektrums und die Zuteilung der Nutzungsmöglichkeit an bestimmte Nutzergruppen. Damit einher geht auch die Nutzungsuntersagung für andere Nutzergruppen. Die Überwachung der Nutzung des zur Verfügung stehenden Spektrums obliegt in der Bundesrepublik Deutschland ebenfalls der Bundesnetzagentur, welche unberechtigte Frequenznutzer ermittelt und sanktioniert. Diese unberechtigte Frequenznutzung kann vorsätzlich durch bewusste Nutzung von nicht zugeteilten Frequenzen geschehen, aber auch durch ungewollte und/oder unbewusste Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern. Die ungewollte und oft auch unbewusste Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern auf nicht zugeteilten Frequenzen führt zu Störungen anderer Funkdienste auf zugeteilten Frequenzen und wird sanktioniert. Aus diesem Grund ist die Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern in jedem Fall so zu begrenzen, dass sich keine Störungen von anderen Funkdiensten in deren zugeteilten Spektren ergeben. Dies kann durch eine laufende Erfassung der elektromagnetischen Felder mit dem zusätzlichen ersten Messelement 8 mit der damit verbundenen ersten Messeinrichtung 9 und einer entsprechenden Steuerung der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung 1 durch die Sendespulensteuerungseinheit 5 erreicht werden.
Eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung 1, welche um ein erstes Messelement 8 mit einer ersten Messeinrichtung 9 ergänzt ist, kann durch die Messung der Feldstärke im Luftspalt 10 der Sendespulensteuereinheit 5 Informationen über die Feldstärke im Luftspalt 10 liefern. Auf Basis der gemessenen Feldstärke im Luftspalt 10 ist es der Sendespulensteuereinheit 5 möglich, die Sendespule 4 so zu steuern, dass die Abstrahlung elektromagnetischer Felder so reduziert wird, dass der Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 erhöht wird. Das Optimum des Wirkungsgrads der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung 1 entspricht dem sogenannten Arbeitspunkt AP, welcher beispielsweise in Datenblättern angegeben wird. Ein nicht fest eingestellter Arbeitspunkt AP hat den Vorteil, dass er sich aufgrund von äußeren Einflüssen und anderen Effekten wie beispielsweise Alterungseffekten nicht einfach unkontrolliert verändert, sondern entsprechend den jeweiligen Vorgaben nachgestellt werden kann. In der in Figur 2 gezeigten Konfiguration ist dies besonders einfach und effizient möglich, da mit Hilfe des ersten Messelements 8 mit der ersten Messeinrichtung 9 Information über den physikalischen Zustand der drahtlosen Übertragungsvorrichtung zur Verfügung stehen. Diese Informationen dienen dazu, den Arbeitspunkt AP jederzeit nachzujustieren.
Die Figur 3 zeigt eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung 1 wie die Figuren 1 und 2, welche zusätzlich ein zweites Messelement 11 umfasst. Das zusätzliche zweite Messelement 11 dient zusammen mit der zweiten Messeinrichtung 12 dazu, auftretende elektromagnetische Wechselfelder zu erfassen. Im Regelfall erfasst das zusätzliche zweite Messelement 11 zusammen mit der zweiten Messeinrichtung 12 die von der drahtlose
Energieübertragungsvorrichtung 1 ausgesandten, unerwünschten Abstrahlungen. Weiterhin dient das zusätzliche zweite Messelement 11 zusammen mit der zweiten Messeinrichtung 12 dazu, die von anderen elektrischen Vorrichtungen neben der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung 1 wie beispielsweise von Elektromotoren abgestrahlten elektromagnetischen Wechselfelder zu messen.
Somit stehen Informationen über das Abstrahlungsverhalten nicht nur der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung 1, sondern auch des gesamten Geräts zur Verfügung. Die Informationen des zusätzlichen zweiten Messelements 11 zusammen mit der zweiten Messeinrichtung 12 dienen dazu, das ganze Gerät regelkonform zu betreiben, da über die regulierten Grenzwerte hinausgehende Abstrahlungen von elektromagnetischen Wechselfeldern erkannt werden und Gegenmaßnahmen bis hin zu einer kompletten Abschaltung der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 und anderer elektrischer Komponenten ergriffen werden können. Somit dient das zusätzliche zweite Messelement 11 zusammen mit der zweiten Messeinrichtung 12 dazu, auch durch Fehlfunktionen verursachte erhöhte Abstrahlungen von elektromagnetischen Wechselfeldern zu erkennen und einen nicht regelkonformen Betrieb zu vermeiden. Damit werden Funkstörungen aufgrund der Überschreitung von gesetzlich regulierten Grenzwerten sicher unterbunden und Sanktionen aufgrund des Betriebs von Geräten außerhalb des zulässigen Bereichs vermieden.
Weiterhin können durch die Messung des elektromagnetischen Felds der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 überraschende Änderungen festgestellt werden. Solche überraschenden Änderungen des elektromagnetischen Felds weisen auf metallische Gegenstände im Luftspalt 10 zwischen der Sendespule 4 und der Empfangsspule 6 hin. In einem solchen metallischen Gegenstand werden durch das elektromagnetische Feld der Energieübertragung Wirbelströme erzeugt, welche zu einer Erwärmung des metallischen Gegenstands im Luftspalt 10 zwischen der Sendespule 4 und der Empfangsspule 6 führen. Solche Erwärmungen können zu Verletzungen oder Bränden führen und sind daher unbedingt zu vermeiden. Die Erkennung der sogenannten Fremdobjekte im Luftspalt 10 durch die laufende Messung des elektromagnetischen Felds führt zur Abschaltung der Energieübertragung und somit zu einer Beseitigung der Gefahr.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) beispielsweise zum Laden eines Energiespeichers (2) eines elektrischen Fahrzeuges (3), umfassend wenigstens eine zur induktiven Energieübertragung geeignete Sendespule (4) mit einer Sendespulensteuerungseinheit (5) und wenigstens eine zur Energieübertragung geeignete Empfangsspule (6) mit einer Empfangsspulensteuerungseinheit (7), weiterhin umfassend mindestens ein erstes Messelement (8) und eine mit dem Messelement (8) verbundene erste Messeinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass
A. In einem ersten Schritt (A) durch die mindestens eine Messeinrichtung (9) mittels des Messelementes (8) eine Feldstärke in einem Luftspalt (10) zwischen Sendespule (4) und Empfangsspule (6) gemessen wird und
B. In einem Schritt (B) die Sendespulensteuerungseinheit (5) einen Arbeitspunkt (AP) der Energieübertragung unter Berücksichtigung des mit dem Messelement (8) gemessenen Feldstärkewertes dergestalt einstellt, dass ein Wirkungsgrad der Energieübertragungsvorrichtung (1) maximiert ist.
2. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung (9) mit der Sendespulensteuerungseinheit (5) verbunden ist.
3. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen
Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Messeinrichtung (12) mit einem zweiten Messelement (11) vorgesehen ist, die mit der Empfangsspulensteuereinheit (7) verbunden ist.
4. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens erste Messeinrichtung (9) mit der mindestens zweiten Messeinrichtung (12) kommuniziert.
5. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Sendespulensteuerungseinheit (5) als auch die Empfangsspulensteuerungseinheit (7) aufgrund der Kommunikation zwischen der ersten Messeinrichtung (9) und der zweiten Messeinrichtung (12) den Arbeitspunkt (AP) der Energieübertragung maximieren.
6. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Sendespulensteuerungseinheit (5) als auch
Empfangsspulensteuerungseinheit (7) aufgrund der Kommunikation zwischen erster Messeinrichtung (9) und zweiter Messeinrichtung (12) den Arbeitspunkt (AP) der Energieübertragung dergestalt einstellen, dass die Vorgaben der Funkregulierung eingehalten werden.
7. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung (12) mit dem zweiten Messelement (11) weitere Abstrahlungen der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) erfasst.
8. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen
Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung (12) mit dem zweiten Messelement (11) weitere
Abstrahlungen der elektrischen Vorrichtung (1), welche die drahtlose Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 enthält, erfasst.
9. Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste Messeinrichtung (9) mit dem ersten Messelement (8) und/oder die zweite Messeinrichtung (12) mit dem zweiten Messelement (11) von störenden metallischen Objekten verursachte Veränderungen der Feldstärke im Luftspalt (10) erfasst werden.
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