EP4702637A1 - System zur induktiven leistungsübertragung von einem primärgerät an ein sekundärgerät, primärgerät und verfahren zum betreiben eines solchen systems - Google Patents

System zur induktiven leistungsübertragung von einem primärgerät an ein sekundärgerät, primärgerät und verfahren zum betreiben eines solchen systems

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Publication number
EP4702637A1
EP4702637A1 EP24721586.6A EP24721586A EP4702637A1 EP 4702637 A1 EP4702637 A1 EP 4702637A1 EP 24721586 A EP24721586 A EP 24721586A EP 4702637 A1 EP4702637 A1 EP 4702637A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
primary
power
primary device
distance
data
Prior art date
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Pending
Application number
EP24721586.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias GERZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Turck Holding GmbH
Original Assignee
Turck Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Turck Holding GmbH filed Critical Turck Holding GmbH
Publication of EP4702637A1 publication Critical patent/EP4702637A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
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    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
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    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices

Definitions

  • the present invention relates to a system for inductive power transmission from a primary device to a secondary device, a primary device and a method for operating a system for inductive power transmission. It therefore lies in the technical field of contactless power transmission (wireless power transfer) and inductive couplers.
  • Systems are known in which inductive power transmission between a primary device (transmitter) and a secondary device (receiver) takes place via an electromagnetic field.
  • An important variable when using such inductive couplers is the axial offset between the transmitter and the receiver, in particular the distance between the transmitter and receiver in the axial direction.
  • the primary device is designed to inductively transmit power to a secondary resonant circuit of the secondary device during power transmission via a primary resonant circuit.
  • the control unit is designed to record secondary power data of the secondary device and a frequency parameter of the primary device.
  • the control unit is also designed to use the recorded secondary power data and the frequency parameter to determine an actual distance between the primary device and the secondary device using a distance characteristic map.
  • the distance characteristic map includes reference secondary power data as a function of reference frequency parameters and as a function of reference distances.
  • the invention therefore uses a distance characteristic map to be able to determine the distance between the primary and secondary device using the frequency parameter and the recorded secondary power data.
  • an axial offset is assumed, i.e.
  • the frequency parameter of the primary device relates to a primary frequency of the primary device, wherein in particular the primary intermediate circuit of the primary device is operated with a predetermined constant primary voltage.
  • the secondary performance data relates to a secondary voltage induced in a secondary intermediate circuit of the secondary device. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 3/36 and/or a secondary current supplied from the secondary intermediate circuit of the secondary device.
  • the distance characteristic map shows a relationship between the frequency parameter, in particular the primary frequency of the primary device set for power transmission, and the transmitted secondary power, in particular the secondary voltage of the secondary device, at different distances between the primary device and the secondary device. Depending on the recorded values of the frequency parameter and the secondary power data, it can then be determined which distance this combination of values corresponds to.
  • the distance characteristic map is in particular independent of the primary current strength set in the primary device. In this way, the distance between the primary and secondary devices can be determined without, for example, variations in the primary current strength having a disruptive effect if a foreign object is present that absorbs part of the inductively transmitted power, which in turn leads to a higher required primary current strength.
  • the primary device and the secondary device each have field distributions that are formed in such a way that maximum inductive power transmission is possible when the primary device and the secondary device are arranged one above the other along a defined axis.
  • the primary resonant circuit and the secondary resonant circuit have coils that each have a longitudinal axis; for optimal inductive coupling, it can then be provided that these longitudinal axes are arranged one above the other.
  • the coils of the primary resonant circuit and the secondary resonant circuit are arranged in the extension of their respective coil longitudinal axes.
  • the 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 4/36 Longitudinal axes of the coils correspond to the longitudinal axes of the respective devices, i.e. the primary device and the secondary device; however, this is generally not mandatory.
  • the electromagnetic field distributions of the primary device and the secondary device are assumed to be lobe-shaped, so that maximum inductive power transmission can occur when the lobes of the transmitter and receiver are arranged one above the other.
  • the control unit is comprised by the primary device. In further embodiments, it can be comprised by the secondary device or be designed as an external control unit, for example as a control module of a higher-level control system.
  • the primary and secondary power data are recorded in a manner known per se using suitable sensors.
  • the measured values can be transmitted to the control unit in various ways.
  • the control unit is set up to record the secondary power data via an IO-Link connection.
  • Other types of data connection can be provided alternatively or additionally.
  • the data connection can exist between a primary interface of the primary device and a secondary interface of the secondary device.
  • the IO-Link or other data connection can exist between the primary device and the secondary device, especially if the control unit is included in the primary device.
  • primary performance data can be transferred directly from a sensor to the control unit and the secondary performance data can be transferred to the control unit via an IO-Link connection or another data connection.
  • a data connection in particular for transmitting the secondary performance data to the primary device, can be implemented by modulating a signal for data transmission onto the electromagnetic field for inductive power transmission, this in particular enabling data transmission from the primary device to the secondary device.
  • the distance characteristic map can be determined using a distance reference measurement, wherein during the distance reference measurement, actual secondary performance data of the secondary device are measured for a plurality of reference distances within a predetermined working range between the primary device and the secondary device as a function of the frequency parameter of the primary device.
  • the distance characteristic map comprises individual characteristics for different distances which describe the relationship between the frequency parameter and the secondary performance data.
  • the parameters of a function are determined by means of a compensation calculation, which then corresponds to a characteristic curve of the distance characteristic map or which represents the course of the entire distance characteristic map.
  • the individual characteristics of the distance characteristic map can be determined by means of a regression analysis, in particular a linear or polynomial curve fitting, as functions of the measured secondary performance data depending on the frequency parameter.
  • a compensation calculation is carried out using the least squares (LS) method. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 6/36
  • the fit determines the parameters of an nth degree polynomial, such as first degree for a linear curve, second degree for a parabola or third degree for a hyperbolic function.
  • the specified operating range can, for example, relate to a certain interval of distances as well as power and/or frequency ranges within which the inductive power transmission between the primary device and the secondary device is operated.
  • the frequency parameter here is a primary frequency that characterizes the electromagnetic field generated by the primary device for inductive power transmission.
  • the primary frequency is generated by the control unit, such as the frequency of a square wave signal.
  • the resonant circuit of the primary device is alternately controlled via power switches in the amplifier circuit. This creates an alternating current in the front coil, which in turn results in an alternating electromagnetic field.
  • the frequency of the alternating electromagnetic field corresponds to the frequency output by the control unit.
  • a distance reference measurement is carried out, wherein actual secondary power data of the secondary device are measured for a plurality of reference distances within a predetermined working range between the primary device and the secondary device as a function of a primary frequency of the primary device.
  • a primary frequency of the primary device is measured, which is regulated at a fixed primary voltage so that a certain reference secondary power is obtained in the secondary device.
  • This measurement is carried out at a fixed distance for a plurality of values of the 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 7/36 reference secondary power, so that a curve is obtained which shows a relationship between the regulated primary frequency and the secondary power at a constant distance.
  • the individual characteristic curves are determined for different reference distances between the primary and secondary devices, so that a dependency of the primary frequency to be regulated on the distance is also determined.
  • the reference distances are selected within a predetermined working range between the primary device and the secondary device.
  • the individual characteristic curves determined for different reference distances can be combined to form the distance characteristic map.
  • a compensation calculation can then be carried out for the curves obtained in this way in order to obtain the parameters of a function, for example a linear or other approximate curve, which can then be used as a power characteristic curve.
  • parameters of a function which represents the distance characteristic map can also be determined by means of a compensation calculation.
  • the control unit is also set up to generate an output or a control signal depending on the determined actual distance.
  • a specific distance can be output in this way.
  • a parameter of the inductive power transmission can be determined, such as a suitable current and/or voltage from the primary device in order to transmit a specific power over this distance to the secondary device.
  • a target value can also be used to monitor the integrity of the inductive power transmission and, for example, to detect foreign objects. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 8/36
  • a foreign object, in particular an at least partially metallic object, is deemed to be detected, for example, if its presence is determined within a transmission range of the system.
  • the transmission range is in particular a space in the vicinity of the primary device within which a significant inductive power transfer to a metallic foreign object takes place, in particular in such a way that the foreign object can heat up significantly.
  • the control unit is further configured to determine primary target power data based on the recorded secondary power data and the determined actual distance by means of a power characteristic curve.
  • the control unit is further configured to record primary power data of the primary device and to detect a foreign object by comparing the primary target power data with the primary power data.
  • the power characteristic curve includes reference target power data as a function of reference secondary power data and as a function of reference distances.
  • the performance characteristic is particularly specific to a certain axial offset or axial distance between the primary device and the secondary device.
  • a position of the devices relative to one another can also be taken into account, such as an angle of the devices relative to one another and/or a radial offset.
  • the control unit can also be set up to generate and output a switching signal when a foreign object is detected, for example to stop the inductive power transmission through the primary device or to reduce the primary power to a predetermined value.
  • a power characteristic curve is now used which indicates a connection between the secondary power data received from the secondary device and the primary target power data to be set by the primary device.
  • the performance characteristic is determined in particular in a reference situation in which it can be ensured that no relevant foreign object is present.
  • a deviation can be determined, for example, which is then compared with a threshold value. If the deviation exceeds the threshold value, it is assumed that a foreign object is present.
  • the control unit can now be set up to generate a control signal when a foreign object is detected, for example to stop the inductive power transmission through the primary device or to reduce the primary power to a predetermined value. Alternatively or additionally, a warning signal can be issued.
  • a threshold value used for evaluating the comparison between the primary performance data and the primary target performance data can, for example, be fixed. It can also be determined as a predetermined percentage of the primary target performance data, for example as a percentage. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 10/36 proportion of a primary target current strength, so that the threshold value for a permissible deviation is greater the larger a parameter value of the primary target power data is.
  • the foreign object detection takes place dynamically, i.e. at different distances between the primary and secondary device and at different transmitted powers.
  • the primary or secondary power data in the sense of the invention relate to an electrical power in the primary or secondary device. Accordingly relevant parameters are in particular a current strength and/or a voltage. The size of the power results from the product of the current strength and voltage.
  • the secondary performance data includes a secondary voltage and/or a secondary current; the product of these parameters results in particular in the electrical power transmitted inductively to the secondary device.
  • the parameters output by an intermediate circuit of the secondary device are taken into account.
  • the primary performance data can also include a primary voltage and/or a primary current; the product of these parameters results in particular in the power that is used by the primary device during the inductive power transmission to the secondary device.
  • the primary performance data relate to a primary current in a primary intermediate circuit of the primary device.
  • the primary intermediate circuit of the primary device can be operated with a predetermined constant primary voltage.
  • the secondary performance data can relate to a secondary voltage induced in a secondary intermediate circuit of the secondary device and a secondary current supplied from the secondary intermediate circuit of the secondary device.
  • the primary device is operated with a predetermined primary voltage.
  • the primary performance data recorded by the control unit may be sufficient for the primary performance data recorded by the control unit to include a primary current strength.
  • the primary voltage then does not need to be recorded separately; it can also be assumed to be constant for the evaluation.
  • the primary current is regulated in such a way that predetermined secondary power data is obtained.
  • the primary-side voltage can also be regulated.
  • the primary-side power i.e. the product of the input current and voltage, is then a controlled variable.
  • the determined primary target power data also relate in particular to a primary target current.
  • the control unit of the system therefore determines the primary target performance data using a performance characteristic curve and based on the recorded secondary performance data as well as the distance between the transmitter and receiver. For example, a primary target current is determined, whereby it is particularly assumed that a certain primary voltage is fixed.
  • the performance characteristic curve can be stored in a memory connected to the control unit, for example for a certain type or model of the system.
  • the performance characteristic can be determined based on at least one performance reference measurement or based on a plurality of performance reference measurements. In the performance reference measurement, actual primary performance data of the primary device are measured as a function of a plurality of reference secondary performance data of the secondary device.
  • the reference secondary power data can include a plurality of parameter values of the secondary power data, which are in particular distributed equidistantly within an interval.
  • the system or a system of the same type can be measured without a foreign body, wherein, at a given primary voltage, the primary frequency of the primary device is regulated so that a primary current strength is set as a manipulated variable in order to obtain certain values of the secondary power output in the intermediate circuit of the secondary device.
  • these certain values of the secondary power can be arranged equidistantly within an interval; the interval in which the power reference measurements are carried out can correspond to an operating range of the electrical power transmitted inductively by means of the system.
  • the reference primary power data is determined based on the measured actual primary power data.
  • the data measured in the power reference measurement can, for example, be filtered, smoothed and/or processed by means of averaging.
  • the actual primary power data is also measured as a function of a plurality of reference distances within a predetermined working range between the primary device and the secondary device. Specific performance characteristics are therefore determined for the respective distance.
  • the performance characteristics are determined by means of a regression analysis, in particular a linear or polynomial curve fitting, as a function of the measured actual primary power data as a function of the reference secondary power data.
  • a compensation calculation is carried out using the least squares (LS) method.
  • the parameters of a polynomial of the nth degree are determined during the fit, for example of the first degree for a linear curve.
  • the invention further relates to a primary device for inductively transmitting power to a secondary device, wherein the primary device comprises a control unit and a primary device interface.
  • the control unit is designed to detect a frequency parameter of the primary device and to detect secondary power data of a secondary device coupled to the primary device for inductive power transmission via the primary device interface.
  • the control unit is also designed to use the detected secondary power data and the frequency parameter to determine an actual distance between the primary device and the secondary device using a distance characteristic map.
  • the distance characteristic map includes reference secondary performance data as a function of reference frequency parameters and as a function of reference distances.
  • the primary device is in particular a primary device for the system described above. The corresponding further developments are therefore conceivable.
  • a frequency parameter of the primary device and secondary performance data of the secondary device are recorded during the inductive power transmission. Based on the recorded secondary performance data and the frequency parameter, an actual distance between the primary device and the secondary device is determined using a distance characteristic map.
  • the distance characteristic map includes reference secondary performance data as a function of reference frequency parameters and as a function of reference distances.
  • Fig.1 shows a schematic representation of an embodiment of a system for inductive power transmission
  • Fig.2 shows an embodiment of the method for operating a system for inductive power transmission
  • Fig.3 shows an example of recorded data of a power reference measurement at different distances
  • Fig.4 an example of a power characteristic curve determined on the basis of the recorded data
  • Fig.5 a schematic representation of an embodiment of a functional principle for inductive power transmission
  • Fig.6 an example of recorded data of a distance reference measurement
  • Fig.7 an example of power characteristics determined on the basis of the recorded data
  • Fig.8 an example of fitted characteristics of a distance characteristic field.
  • a system 10 for inductive power transmission and for detecting a metallic object in the electromagnetic field between a primary device 100, here a transmitter 100, and a secondary device 200, here a receiver 200, during contactless power transmission comprises the primary device 100 and the secondary device 200.
  • the primary device 100 comprises a single coil 104 located in a (primary) resonant circuit for inductive energy transmission between the coupled primary device 100 and secondary device 200, with the primary device 100 taking on the role of the transmitter 100.
  • the primary device 100 also comprises a control unit 107 for adjusting the load and distance-dependent resonant circuit frequency, as well as a voltage converter 101 with a constant output voltage and a voltage intermediate circuit 102 for adjusting the input voltage to the resonant circuit voltage.
  • the primary device 100 also comprises an amplifier 103, in particular a “current-mode class-D amplifier”, for adjusting the control signals of the control unit 107 to the resonant circuit with the single coil 104, as well as a current measuring unit 106 between the voltage intermediate circuit 102 and an amplifier 103.
  • the primary device 100 further comprises a voltage measuring unit 105 on the voltage intermediate circuit 102 and an evaluation and control unit 107 for controlling the voltage converter 101 and the amplifier 103.
  • the primary device 100 further comprises an interface for data transmission 108 between a coupled primary device 100 and secondary device 200, wherein in particular an IO-Link method can be used to operate a data connection with the secondary device 200.
  • the secondary device 200 also comprises an individual coil 204 located in a (secondary) resonant circuit for inductive energy transmission between the coupled primary device 100 and the secondary device 200, wherein the secondary device 200 takes on the role of the receiver 200.
  • the secondary device further comprises a rectifier 203 with a voltage intermediate circuit 202 for storing the received energy.
  • the secondary device 200 also comprises a voltage converter 201 for adapting the intermediate circuit voltage to the output voltage and a current measuring unit 206 between the voltage intermediate circuit 202 and the voltage converter 201.
  • the secondary device 200 further comprises a voltage measuring unit 205 on the voltage intermediate circuit 202 and an interface for data transmission 208 between the secondary device 200 and the primary device 100, which is data-technically coupled to it.
  • a method for operating the system 10 explained above with reference to Fig. 1 is also explained. The method is used in particular to detect a foreign object in the area of the electromagnetic field during inductive power transmission.
  • the data transmission can also take place by modulating a carrier signal onto the transmitted electrical power, so that the data and the electrical power are transmitted via the same channel.
  • the current primary current ⁇ ⁇ is recorded in this step S1.
  • the recorded data is averaged or smoothed over a specific time interval. This results in averaged values for the primary current ⁇ ⁇ _ ⁇ and for the secondary power ⁇ ⁇ _ ⁇ .
  • a distance ⁇ between the primary 100 and the secondary device 200 is assumed, which is in a working range of 0 mm to 7 mm.
  • the power characteristic curve has approximately the following form:
  • the power characteristic curve is used during power transmission to cyclically calculate the "target" primary current (target primary current, ⁇ ⁇ _ ⁇ ) for the resonant circuit of the primary device 100 on the basis of an averaged, i.e. smoothed, recorded output power of the intermediate circuit 202 of the secondary device 200 (averaged secondary power, ⁇ ⁇ _ ⁇ ).
  • target primary current ⁇ ⁇ _ ⁇ is determined, which should be regulated according to the power characteristic curve in order to provide a certain (averaged) secondary power ⁇ ⁇ _ ⁇ .
  • a maximum permissible input current ⁇ ⁇ _ ⁇ is determined based on the calculated primary target input current ⁇ ⁇ _ ⁇ , which, for example, exceeds the calculated target input current ⁇ ⁇ _ ⁇ by a certain percentage x%:
  • the actually recorded primary current ⁇ ⁇ _ ⁇ is compared with the maximum permissible input current ⁇ ⁇ _ ⁇ and if this threshold is exceeded, i.e. at ⁇ ⁇ _ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ _ ⁇ , there is an impermissible deviation of the actual averaged input current in the resonant circuit of the primary device 100. From this it is concluded in particular that a foreign object is present.
  • a corresponding output is then generated, such as a warning message and/or a switching signal which, for example, terminates the inductive power transmission. If the threshold is not exceeded, i.e. at , no output is generated in a step S7. Alternatively, an output can be generated to indicate that no foreign object was detected.
  • the process is repeated in the loop after the predetermined interval ⁇ t.
  • the deviation between the measured and the calculated input current in the resonant circuit of the primary device 100 can be evaluated independently of which working ranges for the transmittable power 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 20/36 and/or the distance between the primary 100 and secondary device 200 can be specified. The method can be used, for example, for higher secondary power (approx.
  • the power characteristic curve should be determined over the entire working ranges used for the distance and/or secondary power.
  • the method can therefore be easily adapted for different working ranges of the secondary power and the distances, in particular by using power characteristics for corresponding working ranges.
  • the method can be used to detect metallic deposits at an early stage, for example on the front cap of one of the primary 100 and/or secondary devices 200. Maintenance and cleaning work on the coupler system can therefore be designed in such a way that wear and tear and energy consumption are reduced.
  • the reliable and rapid detection of foreign objects also reduces the danger posed by heated metal objects in the electromagnetic field between the primary device 100 and the secondary device 200 during inductive power transmission.
  • the method for dynamic foreign object detection is explained again below in other words.
  • the method is based on the functional relationship between the input current ( ⁇ ⁇ _ ⁇ ) in the oscillating circuit of the primary device 100 without a foreign object and its control in order to obtain a certain secondary output voltage ( ⁇ ⁇ _ ⁇ ) and a secondary output current ( ⁇ ⁇ _ ⁇ ll ) at the voltage intermediate circuit 202 of the secondary device 200 without a foreign object for a given primary voltage ( ⁇ ⁇ ).
  • Fct.1 shows the functional relationship mentioned: 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 21/36 ⁇ ⁇ _ ⁇ [A] Input current in the resonant circuit of the primary device without foreign object ⁇ ⁇ _ ⁇ [V] Voltage at the intermediate circuit capacitor of the secondary device without foreign object ⁇ ⁇ _ ⁇ [A] Current from the intermediate circuit capacitor of the secondary device without foreign object ⁇ ⁇ _ ⁇ [W] Output power from the voltage intermediate circuit of the secondary device without foreign object
  • This gives the following relationship for the function Fct.2: ⁇ ⁇ _ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ _ ⁇ ) Fct.2 Since the voltage converter 101 of the primary device 100 has a constant output voltage ( ⁇
  • the example method for dynamic foreign object detection assumes that the functional relationship specified in function Fct. 2 can be well approximated as a linear characteristic curve.
  • the measured maximum value ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ ) of all functional characteristics taken into account is used at each point on the curve.
  • the distance dependence of the relationship is therefore avoided by evaluating the highest measured values ⁇ ⁇ _ ⁇ for each value of the secondary power ⁇ ⁇ _ ⁇ as the relevant points on the power characteristic curve.
  • these maximum values ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ are indicated as a dashed line d_max.
  • the resulting functional characteristic curve is then linearized by determining the parameters of a linear fit function using a compensation calculation, in particular using the least squares method.
  • the slope ( ⁇ ) and the shift constant ( ⁇ ) of the linearized functional characteristic curve are stored as parameters.
  • a different function can be used for the fit, for example an n-th order polynomial. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 23/36
  • the maximum values ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ are shown as points d_max and the linearized function ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ continuous curve d_max_lin.
  • ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ [A] Maximum input current in the resonant circuit of the primary device without foreign object ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ [W] Minimum output power from the voltage intermediate circuit of the secondary device without foreign object
  • ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ Eq.2 ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ [V] Minimum voltage at the intermediate circuit capacitor of the secondary device without foreign object ⁇ ⁇ _ ⁇ _ ⁇ [A] Minimum current from the intermediate circuit capacitor of the secondary device without foreign object
  • the “minimum” voltage or current of the intermediate circuit capacitor of the secondary device is understood to be the respective values that are obtained at a minimum for a given primary current ⁇ ⁇ _ ⁇ ′.
  • ⁇ ⁇ _ ⁇ ⁇ ⁇ _ ⁇ ′ + ⁇ ⁇ _ ⁇ ′ ⁇ ⁇ % Eq.4 ⁇ ⁇ _ ⁇ [A] Maximum permissible input current in the resonant circuit of the primary device 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 25/36 ⁇ ⁇ _ ⁇ ′ [A] Linearized maximum input current in the resonant circuit of the primary device without foreign object ⁇ % [-] Percentage of permissible deviation of the linearized maximum input current in the resonant circuit of the primary device without foreign object
  • the primary-side input power ⁇ ⁇ to which the input current ⁇ ⁇ and the input voltage ⁇ ⁇ kept constant in the example, and the secondary-side output power ⁇ ⁇ , to which the output current ⁇ ⁇ and the output voltage ⁇ ⁇ contribute, and the distance ⁇
  • the power characteristic is constructed in such a way that the distance ⁇ is not taken into account for the comparison with a threshold value of the maximum permissible input current of the primary device.
  • the axial distance ⁇ between the transmitter and the receiver is determined and taken into account in order to determine the target primary power or the maximum permissible primary current.
  • the appropriate power characteristic is determined using a power characteristic field which includes power characteristics for different values of the distance ⁇ .
  • the measurements shown in Fig. 3 of the values of the regulated actual primary current ⁇ ⁇ _ ⁇ are calculated as a function of the secondary 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 26/36 Output power ⁇ ⁇ _ ⁇ evaluated at different distances ⁇ .
  • a separate power characteristic curve is determined using a compensation calculation and fitted to an n-th order polynomial or another suitable function using a compensation calculation.
  • the power characteristics recorded for different distances ⁇ now form a distance characteristic map.
  • the system 500 shown here essentially corresponds to the system that was already explained above with reference to Fig. 1. It is therefore not necessary to describe all the elements in detail again.
  • the system 500 for inductive power transmission comprises a primary device 600 and a secondary device 700.
  • the control unit is not shown separately here, but it is intended to be included in the primary device 600.
  • a control 607 of the primary device 600 is fed from a source 510 with a primary current intensity ⁇ ⁇ .
  • the control 607 then provides a pulse width modulated signal ⁇ ⁇ to control an oscillating circuit 504.
  • a primary frequency of 105.0 to 129.5 kHz is achieved in the exemplary embodiment.
  • 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 27/36 A power transfer 540 takes place from the primary-side oscillating circuit 604 to a secondary-side oscillating circuit 704.
  • a data transfer 530 is implemented between the primary device 600 and the secondary device 700, with an IO-Link connection being provided in the example; in further embodiments, other data connections can be provided alternatively or additionally.
  • the alternating voltage induced in the oscillating circuit 704 of the secondary device 700 depends on the distance ⁇ between the primary device 600 and the secondary device 700. Using this induced alternating voltage, a direct voltage ⁇ ⁇ is then generated by a rectifier 707 on an intermediate circuit capacitor of the secondary device 700. As soon as the secondary device 700 delivers power to a load 520, a measurable secondary current ⁇ ⁇ flows from the intermediate circuit capacitor. The current values for the secondary current ⁇ ⁇ and the secondary voltage ⁇ ⁇ are measured and transmitted to the primary device 600 via the data transmission 530. Within the limits of the frequency of the PWM control signal ⁇ ⁇ , the primary device 600 regulates the intermediate circuit voltage ⁇ ⁇ of the secondary device 700 to a desired value, in the embodiment 24 V.
  • the graph shown in Fig. 6 illustrates by way of example a functional relationship between the frequency of the PWM control signal ⁇ ⁇ of the primary device 600 and the intermediate circuit voltage ⁇ ⁇ of the secondary device 700.
  • the graph shown in Fig. 7 illustrates by way of example a functional relationship between the frequency of the PWM control signal ⁇ ⁇ of the 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 28/36 primary device 600 and the secondary current ⁇ ⁇ of the secondary device 700.
  • This graph shows curves of measurements at different distances ⁇ , here 0 mm, 2 mm and 4 mm.
  • the values of the y-axis are thus transformed as follows: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ This means that the curves shown in Fig.
  • the curves measured for the distances ⁇ can be fitted using a compensation calculation, whereby, for example, the parameters of a third-order polynomial are determined.
  • the courses of such characteristic curves for the distances ⁇ between 0 mm and 7 mm are shown as examples in Fig.8. In the embodiment, these characteristic curves for different distances ⁇ form the distance characteristic field.
  • the primary frequency ⁇ ⁇ of the primary device 100, 600 and the secondary power ⁇ ⁇ received from the intermediate circuit of the secondary device 200, 700 are recorded.
  • the secondary power ⁇ ⁇ is transmitted from the secondary device 200, 700 to the primary device 100, 600 via the data connection 530, such as an IO-Link connection. It can now be determined which of the characteristics of the distance characteristic field the measured value pair is closest to. The corresponding distance ⁇ is then output and can be used, for example, for foreign body detection. In further embodiments, the characteristics of the distance characteristic field can be formed in a different way.
  • the basic idea here is that the characteristics represent a relationship between the primary frequency ⁇ ⁇ of the primary device 100, 600 and the secondary power ⁇ ⁇ obtained in the intermediate circuit of the secondary device 200, 700 for different distances ⁇ . These parameters are recorded during the inductive power transfer and it is checked which characteristic the recorded pair of values corresponds most closely to. The corresponding distance ⁇ can then be specified.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System (10) zur induktiven Leistungsübertragung, umfassend ein Primärgerät (100) und ein Sekundärgerät (200); sowie eine Steuereinheit (120); wobei das Primärgerät (100) dazu eingerichtet ist, während der Leistungsübertragung induktiv über einen Primärschwingkreis Leistung an einen Sekundärschwingkreis des Sekundärgeräts (200) zu übertragen; wobei die Steuereinheit (120) dazu eingerichtet ist, Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts (200) zu erfassen und anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und mittels einer Leistungs-Kennlinie Primär-Soll-Leistungsdaten zu bestimmen; die Steuereinheit (120) ferner dazu eingerichtet ist, Primär-Leistungsdaten des Primärgeräts (100) zu erfassen und anhand eines Vergleichs der Primär-Soll-Leistungsdaten mit den Primär-Leistungsdaten ein Fremdobjekt zu detektieren; wobei die Leistungs-Kennlinie Referenz-Soll-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Sekundär-Leistungsdaten umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems.

Description

38875.TUR.P110PC S/Wi/js 1/36 System zur induktiven Leistungsübertragung von einem Primärgerät an ein Sekundärgerät, Primärgerät und Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur induktiven Leistungsübertragung von einem Primärgerät an ein Sekundärgerät, ein Primärgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Leistungsübertragung. Sie liegt daher auf dem technischen Gebiet der kontaktlosen Leistungsübertragung (englisch: Wireless Power Transfer) und der induktiven Koppler. Es sind Systeme bekannt, bei denen über ein elektromagnetisches Feld eine induktive Leistungsübertragung zwischen einem Primärgerät (Sender) und einem Sekundärgerät (Empfänger) erfolgt. Eine wichtige Größe bei der Verwendung solcher induktiven Koppler ist der axiale Versatz zwischen dem Sender und dem Empfänger, also insbesondere der Abstand zwischen Sender und Empfänger in axialer Richtung. Die Kenntnis dieses Parameters erlaubt beispielsweise eine genauere Abschätzung der auf der Senderseite aufzubringenden Leistung, um eine bestimmte Ziel-Leistung durch Induktion auf die Empfängerseite zu übertragen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur induktiven Leistungsübertragung, ein Primärgerät und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems bereitzustellen, wobei der axiale Versatz zwischen Sender und Empfänger auf besonders einfache Weise bestimmbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System, ein Primärgerät und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 2/36 Danach wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur induktiven Leistungsübertragung, welches ein Primärgerät und ein Sekundärgerät sowie eine Steuereinheit umfasst. Dabei ist das Primärgerät dazu eingerichtet, während der Leistungsübertragung induktiv über einen Primärschwingkreis Leistung an einen Sekundärschwingkreis des Sekundärgeräts zu übertragen. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts und einen Frequenzparameter des Primärgeräts zu erfassen. Dabei ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, anhand der erfassten Sekundär- Leistungsdaten und des Frequenzparameters mittels eines Abstands-Kennfeldes einen Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät zu bestimmen. Dabei umfasst das Abstands-Kennfeld Referenz-Sekundär- Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen. Bei der Erfindung wird also ein Abstands-Kennfeld verwendet, um anhand des Frequenzparameters und der erfassten Sekundär-Leistungsdaten den Abstand zwischen Primär- und Sekundärgerät bestimmen zu können. Insbesondere wird dabei von einem axialen Versatz ausgegangen, das heißt einem im Wesentlichen nur in eine axiale Richtung ausgeprägten Abstand zwischen Sender und Empfänger, ohne beispielsweise einen gleichzeitigen seitlichen Versatz oder eine Winkelabweichung, durch welche das Primär- und das Sekundärgerät nicht direkt aufeinander ausgerichtet sind. Derartige Abweichungen können bei weiteren Ausbildungen des Systems mit berücksichtigt oder modelliert werden. Bei einer Ausbildung betrifft der Frequenzparameter des Primärgeräts eine Primärfrequenz des Primärgeräts, wobei insbesondere der Primär-Zwischenkreis des Primärgeräts mit einer vorgegebenen konstanten Primärspannung betrieben wird. Bei einer weiteren Ausbildung betreffen die Sekundär-Leistungsdaten eine in einen Sekundär-Zwischenkreis des Sekundärgeräts induzierte Sekundärspannung 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 3/36 und/oder einen aus dem Sekundär-Zwischenkreis des Sekundärgeräts gelieferten Sekundärstrom. Insbesondere gibt das Abstands-Kennfeld dabei einen Zusammenhang zwischen dem Frequenzparameter, insbesondere der zur Leistungsübertragung eingestellten primären Frequenz des Primärgeräts, und der übertragenen Sekundärleistung, insbesondere der Sekundärspannung des Sekundärgeräts, bei verschiedenen Abständen zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät, wieder. Je nach den erfassten Werten des Frequenzparameters und der Sekundär-Leistungsdaten kann dann bestimmt werden, welchem Abstand diese Kombination der Werte entspricht. Das Abstands-Kennfeld ist dabei insbesondere unabhängig von der bei dem Primärgerät eingeregelten primären Stromstärke. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Primär- und Sekundärgerät bestimmt werden, ohne dass dabei zum Beispiel Variationen der Primär-Stromstärke störend einfließen, wenn etwa ein Fremdobjekt anwesend ist, das einen Teil der induktiv übertragenen Leistung aufnimmt, was wiederum zu einer höheren erforderlichen Primär-Stromstärke führt. Bei der Definition der Achse eines axialen Versatzes kann davon ausgegangen werden, dass das Primärgerät und das Sekundärgerät jeweils Feldverteilungen aufweisen, die so gebildet sind, dass eine maximale induktive Leistungsübertragung möglich ist, wenn das Primärgerät und das Sekundärgerät entlang einer definierten Achse übereinander liegend angeordnet werden. Beispielsweise weisen der Primärschwingkreis und der Sekundärschwingkreis Spulen auf, die jeweils eine Längsachse haben; zu optimalen induktiven Kopplung kann dann vorgesehen sein, dass diese Längsachsen übereinander liegend angeordnet sein sollen. Beispielsweise sind die Spulen des Primärschwingkreises und des Sekundärschwingkreises in der Verlängerung ihrer jeweiligen Spulenlängsachsen angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 4/36 Längsachsen der Spulen den Längsachsen der jeweiligen Geräte, das heißt des Primärgeräts und des Sekundärgeräts entsprechen; dies ist aber im Allgemeinen nicht zwingend erforderlich Bei einem weiteren Beispiel wird von jeweils keulenförmigen Verteilungen des elektromagnetischen Feldes des Primärgeräts und des Sekundärgeräts ausgegangen, sodass eine maximale induktive Leistungsübertragung erfolgen kann, wenn die Keulen von Sender und Empfänger übereinander angeordnet sind. Bei einer Ausbildung des Systems ist die Steuereinheit von dem Primärgerät umfasst. Sie kann bei weiteren Ausbildungen von dem Sekundärgerät umfasst oder als externe Steuereinheit ausgebildet sein, etwa als Steuermodul eines übergeordneten Steuersystems. Das Erfassen der Primär- und Sekundär-Leistungsdaten erfolgt auf an sich bekannte Weise mittels geeigneter Sensoren. Die Übertragung der gemessenen Werte an die Steuereinheit kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Bei einer weiteren Ausbildung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Sekundär-Leistungsdaten über eine IO-Link-Verbindung zu erfassen. Andere Typen datentechnischer Verbindung können alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein. Dabei kann die datentechnische Verbindung zwischen einer Primär- Schnittstelle des Primärgeräts und einer Sekundär-Schnittstelle des Sekundärgeräts bestehen. Die IO-Link- oder andere datentechnische Verbindung kann zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät bestehen, insbesondere dann, wenn die Steuereinheit von dem Primärgerät umfasst ist. Primär-Leistungsdaten können in diesem Fall direkt von einem Sensor an die Steuereinheit übergeben werden und die Sekundär-Leistungsdaten können über IO-Link-Verbindung oder über eine andere datentechnische Verbindung an die Steuereinheit übertragen werden. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 5/36 Bei einer weiteren Ausbildung des Systems kann eine datentechnische Verbindung, insbesondere zum Übertragen der Sekundär-Leistungsdaten an das Primärgerät, dadurch realisiert sein, dass ein Signal zur Datenübertragung auf das elektromagnetische Feld zur induktiven Leistungsüberragung aufmoduliert wird, wobei hierdurch insbesondere eine Datenübertragung vom Primärgerät an das Sekundärgerät ermöglicht wird. Bei einer Weiterbildung ist das Abstands-Kennfeld anhand einer Abstands- Referenzmessung bestimmbar, wobei bei der Abstands-Referenzmessung für eine Mehrzahl von Referenz-Abständen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät Ist-Sekundär- Leistungsdaten des Sekundärgeräts in Abhängigkeit von dem Frequenzparameter des Primärgeräts gemessen werden. Insbesondere umfasst das Abstands-Kennfeld einzelne Kennlinien für verschiedene Abstände, die den Zusammenhang zwischen dem Frequenzparameter und den Sekundär-Leistungsdaten beschreiben. Es kann ferner vorgesehen sein, dass mittels einer Ausgleichsrechnung die Parameter einer Funktion bestimmt werden, die dann einer Kennlinie des Abstands-Kennfelds entspricht oder die den Verlauf des gesamten Abstands- Kennfelds repräsentiert. Bei einer weiteren Ausbildung können die einzelnen Kennlinien des Abstands- Kennfeldes mittels einer Regressionsanalyse, insbesondere einer linearen oder polynomischen Kurvenanpassung, als Funktionen der gemessenen Sekundär- Leistungsdaten in Abhängigkeit von dem Frequenzparameter ermittelt werden. Insbesondere wird eine Ausgleichsrechnung anhand der Methode der kleinsten Quadrate (least square, LS) ausgeführt. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 6/36 Zum Beispiel werden bei dem Fit die Parameter eines Polynoms n-ten Grades ermittelt, etwa ersten Grades für eine lineare Kurve, zweiten Grade für eine Parabel oder dritten Grades für eine hyperbolische Funktion. Der vorgegebene Arbeitsbereich kann beispielsweise ein bestimmtes Intervall von Abständen sowie Leistungs- und/oder Frequenzbereiche betreffen, innerhalb derer die induktive Leistungsübertragung zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät betrieben wird. Insbesondere ist der Frequenzparameter hier eine Primärfrequenz, die das von dem Primärgerät erzeugte elektromagnetische Feld zur induktiven Leistungsübertragung kennzeichnet. Zum Beispiel wird die Primärfrequenz von der Steuereinheit erzeugt, etwa als Frequenz eines Rechtecksignals. Über Leistungsschalter der Verstärkerschaltung wird der Schwingkreis des Primärgerätes wechselseitig angesteuert. Somit entsteht in der Frontspule ein Wechselstrom, der wiederum ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Folge hat. Die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes entspricht dabei der Frequenz, welche die Steuereinheit ausgibt. Bei einem Verfahren zum Bestimmen des Abstands-Kennfeldes wird eine Abstands-Referenzmessung ausgeführt, wobei für eine Mehrzahl von Referenz- Abständen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät Ist-Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts in Abhängigkeit von einer Primärfrequenz des Primärgeräts gemessen werden. Zum Beispiel wird eine Primärfrequenz des Primärgeräts gemessen, die bei einer fest vorgegebenen Primärspannung eingeregelt wird, sodass bei dem Sekundärgerät eine bestimmte Referenz-Sekundärleistung erhalten wird. Diese Messung erfolgt bei einem festen Abstand für eine Mehrzahl von Werten der 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 7/36 Referenz-Sekundärleistung, sodass sich eine Kurve ergibt, die einen Zusammenhang zwischen der eingeregelten Primärfrequenz und der Sekundärleistung bei jeweils konstantem Abstand darstellt. Dabei werden die einzelnen Kennlinien für verschiedene Referenz-Abstände zwischen dem Primär- und dem Sekundärgerät ermittelt, sodass ferner eine Abhängigkeit der einzuregelnden Primärfrequenz vom Abstand bestimmt wird. Die Referenz-Abstände werden innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät gewählt. Die einzelnen dabei ermittelten Kennlinien für verschiedene Referenz-Abstände können zu dem Abstands-Kennfeld zusammengefasst werden. Für die so erhaltenen Kurven kann dann jeweils eine Ausgleichsrechnung durchgeführt werden, um die Parameter einer Funktion zu erhalten, beispielsweise einer linearen oder anderen Näherungskurve, welche dann als Leistungs- Kennlinie verwendet werden kann. Ferner können ebenfalls mittels Ausgleichsrechnung Parameter einer Funktion bestimmt werden, welche das Abstands-Kennfeld repräsentiert. Insbesondere ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem bestimmten Ist-Abstand eine Ausgabe oder ein Steuersignal zu erzeugen. Beispielsweise kann der auf diese Weise ein bestimmter Abstand ausgegeben werden. Ferner kann in Abhängigkeit von dem bestimmten Ist-Abstand ein Parameter der induktiven Leistungsübertragung bestimmt werden, etwa ein geeigneter Strom und/oder eine Spannung seitens des Primärgeräts, um eine bestimmte Leistung über diesen Abstand an das Sekundärgerät zu übertragen. Ein solcher Soll-Wert kann ferner genutzt werden, um die Integrität der induktiven Leistungsübertragung zu überwachen und beispielsweise Fremdobjekte zu detektieren. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 8/36 Ein Fremdobjekt, insbesondere ein zumindest teilweise metallischer Gegenstand, gilt zum Beispiel als detektiert, wenn seine Anwesenheit innerhalb eines Übertragungsbereichs des Systems festgestellt wird. Der Übertragungsbereich ist dabei insbesondere ein Raum in der Umgebung des Primärgeräts, innerhalb dessen eine signifikante induktive Leistungsübertragung auf ein metallisches Fremdobjekt stattfindet, insbesondere so, dass es zu einer signifikanten Erwärmung des Fremdobjekts kommen kann. Bei einer Ausbildung ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des bestimmten Ist-Abstands mittels einer Leistungs-Kennlinie Primär-Soll-Leistungsdaten zu bestimmen. Dabei ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, Primär-Leistungsdaten des Primärgeräts zu erfassen und anhand eines Vergleichs der Primär-Soll-Leistungsdaten mit den Primär-Leistungsdaten ein Fremdobjekt zu detektieren. Dabei umfasst die Leistungs-Kennlinie Referenz-Soll-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz- Sekundär-Leistungsdaten sowie in Abhängigkeit von Referenz-Abständen. Die Leistungs-Kennlinie ist insbesondere spezifisch für einen bestimmten axialen Versatz beziehungsweise axialen Abstand zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät. Bei einer zusätzlichen Ausbildung kann ferner eine Lage der Geräte zueinander berücksichtigt werden, etwa ein Winkel der Geräte relativ zueinander und/oder ein radialer Versatz. Indem die Abhängigkeit der Leistungs-Kennlinie vom Ist-Abstand zwischen Primär- und Sekundärgerät berücksichtigt wird, können die Primär-Soll- Leistungsdaten genauer bestimmt werden. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, wenn ein Fremdobjekt detektiert wird, ein Schaltsignal zu erzeugen und auszugeben, beispielsweise um die induktive Leistungsübertragung durch das Primärgerät zu stoppen oder die Primär-Leistung auf einen vorgegebenen Wert zu verringern. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 9/36 Dabei wird unter anderem die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Präsenz eines Fremdobjekts – insbesondere eines metallischen Fremdobjekts – im Bereich der induktiven Leistungsübertragung dazu führt, dass ein Teil der vom Primärgerät aufgewandten Primärleistung abfließt, beispielsweise indem das Fremdobjekt erhitzt wird. Um dennoch eine vorgegebene Sekundär-Leistung zu erhalten, muss folglich eine entsprechend höhere Primär-Leistung eingeregelt werden. Bei dem System soll nun die daraus resultierende Abweichung vom „Soll“-Wert der Primär- Leistung genutzt werden, um die Anwesenheit eines Fremdobjekts zu detektieren. Bei der Präsenz eines Fremdobjekts im Bereich der Leistungsübertragung muss also eine höhere Primär-Leistung aufgewandt werden, um die gleiche vorgegebene Sekundär-Leistung des Sekundärgeräts bereitzustellen. Es wird nun eine Leistungs-Kennlinie genutzt, die einen Zusammenhang zwischen den bei dem Sekundärgerät erhaltenen Sekundär-Leistungsdaten und den dafür seitens des Primärgeräts einzuregelnden Primär-Soll-Leistungsdaten angibt. Die Leistungs-Kennlinie wird insbesondere in einer Referenzsituation ermittelt, bei der sichergestellt werden kann, dass kein relevantes Fremdobjekt präsent ist. Beim Vergleich der tatsächlich eingeregelten Primär-Leistungsdaten mit den Primär-Soll-Leistungsdaten gemäß der Leistungs-Kennlinie kann beispielsweise eine Abweichung bestimmt werden, die dann mit einem Schwellenwert verglichen wird. Überschreitet die Abweichung den Schwellenwert, so wird davon ausgegangen, dass ein Fremdobjekt präsent ist. Die Steuereinheit kann nun dazu eingerichtet sein, wenn ein Fremdobjekt detektiert wird, ein Steuersignal zu erzeugen, beispielsweise um die induktive Leistungsübertragung durch das Primärgerät zu stoppen oder die Primär-Leistung auf einen vorgegebenen Wert zu verringern. Alternativ oder zusätzlich kann ein Warnsignal ausgegeben werden. Ein für die Auswertung des Vergleichs zwischen den Primär-Leistungsdaten und den Primär-Soll-Leistungsdaten verwendeter Schwellenwert kann beispielweise fest vorgegeben sein. Er kann ferner als vorgegebener prozentualer Anteil der Primär-Soll-Leistungsdaten bestimmt werden, etwa als in Prozent angegebener 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 10/36 Anteil einer Primär-Soll-Stromstärke, sodass der Schwellenwert für eine zulässige Abweichung umso größer ist, je größer ein Parameterwert der Primär-Soll- Leistungsdaten ist. Die Fremdobjekterkennung erfolgt dabei dynamisch, das heißt, bei verschiedenen Abständen zwischen Primär- und Sekundärgerät sowie bei unterschiedlichen übertragenen Leistungen. Da bei dem System ein Fremdobjekt präziser als bei den bekannten Systemen detektiert wird – selbst in einer Situation, bei der geringere Leistung an das Sekundärgerät übertragen werden soll – kann insbesondere ein Aufheizen metallischer Gegenstände im gesamten Leistungs- und Abstandbereich des induktiven Kopplersystems vermieden werden. Ein damit verbundenes Gefährdungspotential wird deutlich minimiert. Die Primär- beziehungsweise Sekundär-Leistungsdaten im Sinne der Erfindung betreffen eine elektrische Leistung bei dem Primär- beziehungsweise Sekundärgerät. Entsprechend relevante Parameter sind insbesondere eine Stromstärke und/oder eine Spannung. Aus dem Produkt von Stromstärke und Spannung ergibt sich die Größe der Leistung. Beispielsweise umfassen die Sekundär-Leistungsdaten eine Sekundär-Spannung und/oder eine Sekundär-Stromstärke; das Produkt dieser Parameter ergibt insbesondere die induktiv an das Sekundärgerät übertragene elektrische Leistung. Insbesondere werden dabei die von einem Zwischenkreis des Sekundärgeräts ausgegebenen Parameter berücksichtigt. Auch die Primär-Leistungsdaten können eine Primär-Spannung und/oder eine Primär-Stromstärke umfassen; das Produkt dieser Parameter ergibt insbesondere die Leistung, die bei dem Primärgerät während der induktiven Leistungsübertragung an das Sekundärgerät aufgewandt wird. Insbesondere 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 11/36 werden dabei die von einem Zwischenkreis des Primärgeräts ausgegebenen Parameter berücksichtigt. Bei einer Ausbildung des Systems betreffen die Primär-Leistungsdaten einen Primärstrom in einem Primär-Zwischenkreis des Primärgeräts. Dabei kann insbesondere der Primär-Zwischenkreis des Primärgeräts mit einer vorgegebenen konstanten Primärspannung betrieben werden. Ferner können die Sekundär-Leistungsdaten eine in einen Sekundär- Zwischenkreis des Sekundärgeräts induzierte Sekundärspannung und einen aus dem Sekundär-Zwischenkreis des Sekundärgeräts gelieferten Sekundärstrom betreffen. Bei einer Ausbildung ist vorgesehen, dass das Primärgerät mit einer vorgegebenen Primär-Spannung betrieben wird. In einem solchen Fall kann es genügen, dass die von der Steuereinheit erfassten Primär-Leistungsdaten eine Primär-Stromstärke umfassen. Insbesondere braucht die Primär-Spannung dann nicht eigens erfasst werden; sie kann ferner für die Auswertung als konstant angenommen werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass während der induktiven Leistungsübertragung – bei im Wesentlichen konstant gehaltener Primär- Spannung – die Primär-Stromstärke so geregelt wird, dass vorgegebene Sekundär-Leistungsdaten erhalten werden. Bei weiteren Beispielen kann auch die primärseitige Spannung geregelt werden. Insbesondere ist dann die primärseitige Leistung, das heißt das Produkt aus Eingangs-Strom und -Spannung, eine Regelgröße. Auch die bestimmten Primär-Soll-Leistungsdaten betreffen insbesondere eine Primär-Soll-Stromstärke. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 12/36 Die Steuereinheit des Systems bestimmt demnach die Primär-Soll-Leistungsdaten mittels einer Leistungs-Kennlinie und anhand der erfassten Sekundär- Leistungsdaten sowie anhand des Abstands zwischen Sender und Empfänger. Beispielsweise wird dabei eine Primär-Soll-Stromstärke bestimmt, wobei insbesondere davon ausgegangen wird, dass eine bestimmte Primär-Spannung fest vorgegeben ist. Die Leistungs-Kennlinie kann dabei bei einem mit der Steuereinheit verbundenen Speicher hinterlegt sein, etwa für einen bestimmten Typ oder ein Modell des Systems. Bei einer Ausbildung ist die Leistungs-Kennlinie anhand zumindest einer Leistungs-Referenzmessung beziehungsweise anhand einer Mehrzahl von Leistung-Referenzmessungen bestimmbar. Dabei werden bei der Leistungs- Referenzmessung Ist-Primär-Leistungsdaten des Primärgeräts in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Referenz-Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts gemessen. Beispielsweise können die Referenz-Sekundär-Leistungsdaten eine Mehrzahl von Parameterwerten der Sekundär-Leistungsdaten umfassen, die insbesondere äquidistant innerhalb eines Intervalls verteilt sind. Für die Leistungs-Referenzmessung kann beispielsweise das System oder ein typengleiches System ohne einen Fremdkörper vermessen werden, wobei bei einer vorgegebenen Primär-Spannung die Primär-Frequenz des Primärgerätes so geregelt wird, dass sich eine Primär-Stromstärke als Stellgröße einstellt, um bestimmte Werte der bei dem Zwischenkreis des Sekundärgeräts ausgegebenen Sekundär-Leistung zu erhalten. Diese bestimmten Werte der Sekundär-Leistung können bei dem Beispiel äquidistant innerhalb eines Intervalls angeordnet sein; das Intervall, in dem die Leistungs-Referenzmessungen ausgeführt werden, kann dabei einem Betriebsbereich der mittels des Systems induktiv übertragenen elektrischen Leistung entsprechen. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 13/36 Insbesondere werden bei einer solchen Leistungs-Referenzmessung anhand der gemessenen Ist-Primär-Leistungsdaten die Referenz-Primär-Leistungsdaten bestimmt. Die bei der Leistungs-Referenzmessung gemessenen Daten können dazu beispielsweise gefiltert, geglättet und/oder mittels Durchschnittsbildung verarbeitet werden. Bei einer Weiterbildung werden bei der Leistungs-Referenzmessung die Ist- Primär-Leistungsdaten ferner in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Referenz- Abständen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät gemessen. Es werden also für den jeweiligen Abstand spezifische Leistungs-Kennlinien ermittelt. Bei einer Ausbildung werden die Leistungs-Kennlinien mittels einer Regressionsanalyse, insbesondere einer linearen oder polynomischen Kurvenanpassung, als Funktion der gemessenen Ist-Primär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von den Referenz-Sekundär-Leistungsdaten ermittelt. Insbesondere wird eine Ausgleichsrechnung anhand der Methode der kleinsten Quadrate (least square, LS) ausgeführt. Zum Beispiel werden bei dem Fit die Parameter eines Polynoms n-ten Grades ermittelt, etwa ersten Grades für eine lineare Kurve. Die Erfindung betrifft ferner ein Primärgerät zum induktiven Übertragen von Leistung an ein Sekundärgerät, wobei das Primärgerät eine Steuereinheit und eine Primärgerät-Schnittstelle umfasst. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen Frequenzparameter des Primärgeräts zu erfassen und über die Primärgerät-Schnittstelle Sekundär-Leistungsdaten eines zur induktiven Leistungsübertragung mit dem Primärgerät gekoppelten Sekundärgeräts zu erfassen. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des Frequenzparameters mittels eines Abstands- Kennfeldes einen Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 14/36 zu bestimmen. Dabei umfasst das Abstands-Kennfeld Referenz-Sekundär- Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen. Das Primärgerät ist insbesondere ein Primärgerät für das oben beschriebene System. Es sind daher die entsprechenden Weiterbildungen denkbar. Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems zur induktiven Leistungsübertragung von einem Primärgerät an ein Sekundärgerät werden während der induktiven Leistungsübertragung ein Frequenzparameter des Primärgeräts und Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts erfasst. Anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des Frequenzparameters wird mittels eines Abstands-Kennfeldes ein Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät bestimmt. Dabei umfasst das Abstands-Kennfeld Referenz- Sekundär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen. Das Verfahren ist insbesondere dazu eingerichtet, das hier beschriebene System zu betreiben. Es weist daher die gleichen Vorteile auf und kann in der hier beschriebenen Weise weitergebildet werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur induktiven Leistungsübertragung; Fig.2 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben eines Systems zur induktiven Leistungsübertragung; Fig.3 ein Beispiel von erfassten Daten einer Leistungs-Referenzmessung bei verschiedenen Abständen; 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 15/36 Fig.4 ein Beispiel einer anhand der erfassten Daten bestimmten Leistungs- Kennlinie; Fig.5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Funktionsprinzips zur induktiven Leistungsübertragung; Fig.6 ein Beispiel von erfassten Daten einer Abstands-Referenzmessung; Fig.7 ein Beispiel von anhand der erfassten Daten bestimmten Leistungs- Kennlinien; sowie Fig.8 ein Beispiel von gefitteten Kennlinien eines Abstands-Kennfeldes. Mit Bezug zu Fig.1 wird ein Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zur induktiven Leistungsübertragung und zum Detektieren eines metallischen Objektes im elektromagnetischen Feld zwischen einem Primärgerät 100, hier ein Sender 100, und einem Sekundärgerät 200, hier ein Empfänger 200, während der kontaktlosen Leistungsübertragung erläutert. Das System 10 umfasst das Primärgerät 100 sowie das Sekundärgerät 200. Bei dem Ausführungsbeispiel umfasst das Primärgerät 100 eine in einem (Primär- )Schwingkreis befindliche Einzelspule 104 zur induktiven Energieübertragung zwischen dem gekoppelten Primär- 100 und Sekundärgerät 200, wobei das Primärgerät 100 die Rolle des Senders 100 einnimmt. Es umfasst ferner eine Ansteuereinheit 107 zur Anpassung der last- und abstandsabhängigen Schwingkreisfrequenz sowie einen Spannungswandler 101 mit konstanter Ausgangsspannung und einen Spannungszwischenkreis 102 zur Anpassung der Eingangsspannung an die Schwingkreisspannung. Das Primärgerät 100 umfasst ferner einen Verstärker 103, insbesondere einen „Current-Mode Class-D Amplifier“, zur Anpassung der Steuersignale der Ansteuereinheit 107 an den Schwingkreis mit der Einzelspule 104 sowie eine Strommesseinheit 106 zwischen dem Spannungszwischenkreis 102 und einem Verstärker 103. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 16/36 Das Primärgerät 100 umfasst ferner eine Spannungsmesseinheit 105 am Spannungszwischenkreis 102 und eine Auswerte- und Ansteuereinheit 107 zur Ansteuerung des Spannungswandlers 101 und des Verstärkers 103. Das Primärgerät 100 umfasst ferner eine Schnittstelle zur Datenübertragung 108 zwischen einem gekoppelten Primärgerät 100 und Sekundärgerät 200, wobei insbesondere ein IO-Link-Verfahren genutzt werden kann, um eine datentechnische Verbindung mit dem Sekundärgerät 200 zu betreiben. Das Sekundärgerät 200 umfasst ebenfalls eine in einem (Sekundär-)Schwingkreis befindliche Einzelspule 204 zur induktiven Energieübertragung zwischen dem gekoppelten Primärgerät 100 und dem Sekundärgerät 200, wobei das Sekundärgerät 200 die Rolle des Empfängers 200 einnimmt. Das Sekundärgerät umfasst ferner einen Gleichrichter 203 mit einem Spannungszwischenkreis 202 zur Speicherung der empfangenen Energie. Das Sekundärgerät 200 umfasst zudem einen Spannungswandler 201 zur Anpassung der Zwischenkreisspannung an die Ausgangsspannung sowie eine Strommesseinheit 206 zwischen dem Spannungszwischenkreis 202 und dem Spannungswandler 201. Das Sekundärgerät 200 umfasst ferner eine Spannungsmesseinheit 205 am Spannungszwischenkreis 202 und eine Schnittstelle zur Datenübertragung 208 zwischen dem Sekundärgerät 200 und dem damit datentechnisch gekoppelten Primärgerät 100. Mit Bezug zu Fig.2 wird ferner ein Verfahren zum Betreiben des oben mit Bezug zu Fig. 1 erläuterten Systems 10 erläutert. Das Verfahren dient insbesondere dazu, ein Fremdobjekt im Bereich des elektromagnetischen Feldes bei der induktiven Leistungsüberragung zu detektieren. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 17/36 Während der Leistungsübertragung zwischen Primärgerät 100 und Sekundärgerät 200 werden zyklisch, bei dem vorliegenden Beispiel in Intervallen von Δt = 10 ms, die in das Sekundärgerät 200 induzierte Zwischenkreisspannung (Sekundärspannung, ^^^^) sowie der aus dem Zwischenkreis 202 des Sekundärgerätes 200 bereitgestellte Strom (Sekundärstrom, ^^^^) erfasst. Diese Werte werden über die Schnittstelle 208 an die entsprechende Schnittstelle 108 des Primärgeräts 100 übertragen. Bei dem Ausführungsbeispiel wird dabei eine datentechnische Verbindung gemäß IO-Link verwendet, es kann aber auch eine andere Art der Datenübertragung gewählt werden, insbesondere kabelgebunden oder kabellos. Beispielsweise kann die Datenübertragung auch dadurch erfolgen, dass ein Trägersignal auf die übertragene elektrische Leistung aufmoduliert wird, sodass die Daten und die elektrische Leistung über den gleichen Kanal übertragen werden. Aus den so erfassten Werten wird in einem Schritt S1 die aktuelle Leistung (^^^^ = ^^^^ ∙ ^^^^) des Sekundärgeräts 200 bestimmt. Ferner wird in diesem Schritt S1 der aktuelle Primärstrom ^^^^ erfasst. In einem Schritt S2 erfolgt eine Mittelung beziehungsweise Glättung der erfassten Daten über eine bestimmtes Zeitintervall. Hieraus ergeben sich gemittelte Werte für den Primärstrom ^^^^_^^^ und für die Sekundärleistung ^^^^ _^^^. Bei dem vorliegenden Beispiel wird von einem Abstand ^ zwischen dem Primär- 100 und dem Sekundärgerät 200 ausgegangen, welcher in einem Arbeitsbereich von 0 mm bis 7 mm liegt. Ferner wird bei dem Beispiel von einem Laststrom ^^^^ des Sekundärgeräts 200 in einem Bereich von 0 mA bis 750 mA ausgegangen. In anderen Beispielen können andere Bereiche für den Abstand ^ und Laststrom ^^^^ vorgesehen sein. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 18/36 Für den Fall, dass sich kein metallisches Fremdobjekt im elektromagnetischen Feld zwischen Primär- und Sekundärgerät befindet, ergibt sich ein – in erster Näherung lineares – Verhältnis zwischen dem Eingangsstrom in den Resonanzkreis des Primärgerätes (Primärstrom, ^^^^) und der sekundären Ausgangsleistung des Zwischenkreises des Sekundärgerätes (Sekundärleistung, ^^^^ = ^^^^ ∙ ^^^^). Dieses Verhältnis wird mittels einer Leistungs-Kennlinie angegeben, die bei der Auswerte- und Steuerungseinheit 107 des Primärgeräts 100 hinterlegt ist und von dieser ausgewertet wird. Die Leistungs-Kennlinie hat etwa die folgende Form: In einem Schritt S3 erfolgt mittels der Leistungs-Kennlinie während der Leistungsübertragung eine zyklische Berechnung des „Soll“-Primärstroms (Soll- Primärstrom, ^^^^_^^^^) für den Resonanzkreis des Primärgerätes 100 auf Basis einer gemittelten, das heißt bei der Erfassung geglätteten, erfassten Ausgangsleistung des Zwischenkreises 202 des Sekundärgerätes 200 (gemittelte Sekundärleistung, ^^^^_^^^). Das heißt, es wird der Soll-Primärstrom ^^^^_^^^^ ermittelt, der gemäß der Leistungs-Kennlinie eingeregelt werden sollte, um eine bestimmte (gemittelte) Sekundärleistung ^^^^_^^^ bereitzustellen. Dies ermöglicht eine arbeitspunktgenaue Auswertung des tatsächlich gemessenen und gemittelten Eingangsstromes ^^^^_^^^ in den Resonanzkreis des Primärgerätes 100 und des aktuellen berechneten „Soll“-Eingangsstromes ^^^^_^^^^ in den Resonanzkreis des Primärgerätes 100. Ein metallisches Fremdobjekt im elektromagnetischen Feld zwischen Primär- 100 und Sekundärgerät 200 während der induktiven Leistungsübertragung führt zur Entnahme von Leistung, etwa durch Erwärmung des Fremdobjekts. Diese Leistung wird vom Sender 100 bereitgestellt, aber nicht vom Empfänger 200 empfangen. Der Primärstrom ^^^^_^^^ muss also über den berechneten „Soll“- 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 19/36 Eingangsstrom ^^^^_^^^^ hinaus erhöht werden, um dennoch eine bestimmte Sekundärleistung bereitzustellen. In einem Schritt S4 wird anhand des berechneten primären Soll-Eingangsstromes ^^^^_^^^^ ein maximal zulässiger Eingangsstrom ^^^^_^^^ bestimmt, der beispielsweise den berechneten Soll-Eingangsstrom ^^^^_^^^^ um einen bestimmten Prozentsatz x% übersteigt: Der tatsächlich erfasste Primärstrom ^^^^_^^^ wird mit dem maximal zulässigen Eingangsstrom ^^^^_^^^ verglichen und bei Überschreiten, das heißt bei dieses Schwellenwerts, das hießt bei ^^^^_^^^ ≥ ^^^^_^^^ , liegt eine nicht zulässige Abweichung des tatsächlichen gemittelten Eingangsstroms in den Resonanzkreis des Primärgerätes 100 vor. Hieraus wird insbesondere geschlossen, dass ein Fremdobjekt präsent ist. In einem Schritt S6 wird dann eine entsprechende Ausgabe erzeugt, etwa eine Warnmeldung und/oder ein Schaltsignal, das beispielsweise die induktive Leistungsübertragung abbricht. Wenn der Schwellenwert nicht überschritten wird, das heißt bei , wird in einem Schritt S7 keine Ausgabe erzeugt. Alternativ kann eine Ausgabe erzeugt werden um anzugeben, dass kein Fremdobjekt detektiert wurde. Das Verfahren wird in der Schleife nach dem vorgegebenen Intervall Δt wiederholt. Die Abweichung zwischen dem gemessenen und dem berechneten Eingangsstrom in den Resonanzkreis des Primärgerätes 100 kann unabhängig davon ausgewertet werden, welche Arbeitsbereiche für die übertragbare Leistung 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 20/36 und/oder den Abstand zwischen Primär- 100 und Sekundärgerät 200 vorgegeben werden. Das Verfahren kann beispielsweise für höhere Sekundärleistungen (etwa > 18 W) und/oder größere Abstände (etwa > 7 mm) angewandt werden. Hierfür sollte insbesondere die Leistungs-Kennlinie über die gesamten verwendeten Arbeitsbereiche für Abstand und/oder Sekundärleistung bestimmt werden. Das Verfahren ist insofern einfach für verschiedene Arbeitsbereiche der Sekundärleistung und der Abstände anpassbar, insbesondere indem Leistungs- Kennlinien für entsprechende Arbeitsbereiche verwendet werden. Durch das Verfahren können metallische Ablagerungen, beispielsweise auf der Frontkappe eines der Primär- 100 und/oder Sekundärgeräte 200 frühzeitig erkannt werden. Somit können Wartung- und Reinigungsarbeiten am Kopplersystem so gestaltet werden, dass der Verschleiß und der Energiebedarf verringert werden. Durch die sichere und schnelle Erkennung von Fremdobjekten wird zudem die Gefahr durch erhitzte metallische Gegenstände im elektromagnetischen Feld zwischen Primär- 100 und Sekundärgerät 200 während der induktiven Leistungsübertragung verringert. Das Verfahren zur dynamischen Fremdobjekterkennung wird nachfolgend nochmals in anderen Worten erläutert. Das Verfahren basiert auf dem funktionalen Zusammenhang zwischen dem Eingangsstrom (^^^^_^^^^) in den Schwingkreis des Primärgerätes 100 ohne Fremdobjekt und seiner Regelung, um bei einer vorgegebenen Primärspannung (^^^^) eine bestimmte sekundäre Ausgangsspannung (^^^^_^^^^) und einen sekundären Ausgangsstrom (^^^^_^^^^ ll) am Spannungszwischenkreis 202 des Sekundärgerätes 200 ohne Fremdobjekt zu erhalten. Fkt.1 zeigt den genannten funktionalen Zusammenhang: 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 21/36 ^^^^_^^^^ [A] Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes ohne Fremdobjekt ^^^^_^^^^ [V] Spannung am Zwischenkreiskondensator des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt ^^^^_^^^^ [A] Strom aus dem Zwischenkreiskondensator des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt ^^^^_^^^^ [W] Ausgangsleistung aus dem Spannungszwischenkreis des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt Mit der folgenden Gleichung Gl.1 kann die Funktion Fkt.1 umgeformt werden: ^^^^_^^^^ = ^^^^_^^^^ ∙ ^^^^_^^^^ Gl.1 ^^^^_^^^^ [W] Ausgangsleistung aus dem Spannungszwischenkreis des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt (205, 206) Hieraus ergibt sich für die Funktion Fkt.2 der Zusammenhang: ^^^^_^^^^ = ^(^^^^_^^^^) Fkt.2 Da der Spannungswandler 101 des Primärgerätes 100 eine konstante Ausgangsspannung (^^^^) am Spannungszwischenkreis 102 erzeugt, wird die Ausgangsspannung (^^^^) im Weiteren für das Ausführungsbeispiel nicht berücksichtigt. Mit Bezug zu Fig.3 und Fig.4 werden beispielhaft Messungen zum Ermitteln einer Leistungs-Kennlinie erläutert. Dabei sind in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber Messungen für Abstände ^ von 0 mm, 3 mm und 7 mm zwischen den einander zugewandten Abdeckkappen des Primär- 100 und Sekundärgeräts 200 gezeigt, es 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 22/36 wurden allerdings Messungen in engeren Intervallen vorgenommen und ausgewertet. Die Messungen des eingeregelten Ist-Primärstroms ^^^^_^^^^ erfolgten ferner in einem Bereich der sekundären Ausgangsleistung ^^^^_^^^^ von etwa 1 W bis etwa 20 W. Es erfolgt also eine Messung des Zusammenhangs von ^^^^_^^^^ = ^(^^^^_^^^^) über ^ von 0 mm bis 7 mm. Das beispielhafte Verfahren zur dynamische Fremdobjekterkennung geht davon aus, dass der in Funktion Fkt. 2 angegebene funktionale Zusammenhang als lineare Kennlinie gut genähert werden kann. Zu diesem Zweck wird auf Grundlage der in Fig. 3 gezeigten gemessenen Funktionskennlinien für die abhängige Variable ^^^^_^^^^ aus Funktion Fkt. 2 an jedem Punkt der Kurve der gemessene Maximalwert ^^^^_^^^^_^^^ = ^(^^^^_^^^^_^^^) aller berücksichtigen Funktionskennlinien herangezogen. Die Abstandsabhängkeit des Zusammenhangs wird also dadurch umgangen, dass als relevante Punkte der Leistungs-Kennlinie die für jeden Wert der Sekundärleistung ^^^^_^^^^ die jeweils höchsten gemessenen Werte ^^^^_^^^^ ausgewertet werden. In Fig. 3 sind diese Maximalwerte ^^^^_^^^^_^^^ als gestrichelte Linie d_max angedeutet. Die resultierende Funktionskennlinie wird anschließend linearisiert, indem die Parameter einer linearen Fit-Funktion mittels Ausgleichsrechnung bestimmt werden, insbesondere mittels der Methode der kleinsten Quadrate. Die Steigung (^) sowie die Verschiebungskonstante (^) der linearisierten Funktionskennlinie werden als Parameter hinterlegt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann eine andere Funktion für den Fit verwendet werden, etwa ein Polynom n-ter Ordnung. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 23/36 In Fig.4 sind die Maximalwerte ^^^^_^^^^_^^^ als Punkte d_max und die linearisierte Funktion ^^^^_^^^^_^^^ durchgehende Kurve d_max_lin angegeben. Für die Maximalwerte der Funktionskennlinienverläufe aus Fkt.2 über die Abstände ^ von 0 mm bis 7 mm gilt: ^^^^_^^^^_^^^ [A] Maximaler Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes ohne Fremdobjekt ^^^^_^^^^_^^^ [W] Minimale Ausgangsleistung aus dem Spannungszwischenkreis des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt Dabei gilt zudem die folgende Gleichung Gl.2: ^^^^_^^^^_^^^ = ^^^^_^^^^_^^^ ∙ ^^^^_^^^^_^^^ Gl.2 ^^^^_^^^^_^^^ [V] Minimale Spannung am Zwischenkreiskondensator des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt ^^^^_^^^^_^^^ [A] Minimaler Strom aus dem Zwischenkreiskondensator des Sekundärgerätes ohne Fremdobjekt Als „minimale“ Spannung oder Stromstärke des Zwischenkreiskondensators des Sekundärgeräts werden dabei die jeweiligen Werte verstanden, die mindestens bei einem vorgegebenen Primärstrom ^^^^_^^^^′ erhalten werden. Das heißt, es werden die minimal erreichte Sekundärleistung ^^^^_^^^^_^^^ im Sekundärgerät und der maximal dafür aufgewandte Primärstrom ^^^^_^^^^′ in Beziehung gesetzt. Hierdurch wird die Leistungs-Kennlinie so bestimmt, dass auf jeden Fall genügend 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 24/36 Reserven vorgesehen sind, um mittel der induktiven Leistungsüberragung die gewünschte Leistung zu erzielen. Für die Linearisierung der Funktion Fkt. 3 wird ein Fit an eine Gleichung wie in Gl.3 angegeben ausgeführt: ^^^^_^^^^′ [A] Linearisierter maximaler Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes ohne Fremdobjekt (106) ^ [V-1] Steigung der Funktion Fkt.3 (hier: 0,053) ^ [A] Verschiebungskonstante der Funktion Fkt.3 (hier: 0,2245) Fig. 4 zeigt beispielhaft die linearisierte Funktionskennlinie der Fkt. 3 für die gemessenen Maximalwerte bei den Abständen ^ von 0 mm bis 7 mm. Es wird mittels Ausgleichsrechnung ein maximaler und linearisierter Leistungs- Kennlinienverlauf für ^^^^_^^^^_^^^ = ^(^^^^_^^^^_^^^) über ^ von 0 mm bis 7 mm gezeigt. Befindet sich während der Leistungsübertragung ein metallisches Fremdobjekt im elektromagnetischen Feld zwischen Primär- und Sekundärgerät, erzeugt dieses eine nicht zulässige Abweichung des auf Grundlage der Fkt. 3 errechneten Eingangsstroms in den Schwingkreis des Primärgerätes (^^^^_^^^^′) und wird folglich als Fremdobjekt identifiziert. Zur Berechnung des maximal zulässigen Eingangsstromes in den Schwingkreis des Primärgerätes gilt: ^^^^_^^^ = ^^^^_^^^^ ′ + ^^^^_^^^^′ ∙ ^% Gl.4 ^^^^_^^^ [A] Maximal zulässiger Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 25/36 ^^^^_^^^^′ [A] Linearisierter maximaler Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes ohne Fremdobjekt ^% [-] Prozentual angegebene, zulässige Abweichung des linearisierten maximalen Eingangsstrom in den Schwingkreis des Primärgerätes ohne Fremdobjekt Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, gibt es einen Zusammenhang zwischen der primärseitigen Eingangsleistung ^^^^, zu welcher der Eingangsstrom ^^^^ und die in dem Beispiel konstant gehaltene Eingangsspannung ^^^^, und der sekundärseitigen Ausgangsleistung ^^^^ , zu welcher der Ausgangsstrom ^^^^ und die Ausgangsspannung ^^^^ beitragen, und dem Abstand ^ zwischen Primär- 100 und Sekundärgerät 200. Vereinfacht gesagt, muss primärseitig umso mehr Eingangsleistung ^^^^ aufgewandt werden, um die gleiche sekundärseitige Ausgangsleistung ^^^^ zu erreichen, je größer der Abstand ^ ist. Bei dem in Fig.4 illustrierten Vorgehen wird die Leistungs-Kennlinie so konstruiert, dass der Abstand ^ für den Vergleich mit einem Schwellenwert des maximal zulässigen Eingangsstroms des Primärgerätes nicht berücksichtigt wird. Allerdings besteht eine Abhängigkeit zwischen den Soll-Primär-Leistungsdaten auf der Senderseite, den erzielten Sekundär-Leistungsdaten auf der Empfängerseite und dem Abstand zwischen Sender und Empfänger. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist daher vorgesehen, dass der axiale Abstand ^ zwischen dem Sender und dem Empfänger bestimmt und berücksichtig wird, um die Soll-Primärleistung beziehungsweise den maximal zulässigen Primärstrom zu bestimmen. Hierzu wird die passende Leistungs-Kennlinie anhand eines Leistungs-Kennfeldes bestimmt, welches Leistungs-Kennlinien für verschiedene Werte des Abstands ^ umfasst. Insbesondere werden die in Fig. 3 gezeigten Messungen der Werte des eingeregelten Ist-Primärstroms ^^^^_^^^^ in Abhängigkeit von der sekundären 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 26/36 Ausgangsleistung ^^^^_^^^^ bei verschiedenen Abständen ^ ausgewertet. Für jeden Abstand ^ beziehungsweise für einen bestimmten Bereich von Abständen wird mittels einer Ausgleichsrechnung eine eigene Leistungs-Kennlinie bestimmt und mittels Ausgleichsrechnung an ein Polynom n-ter Ordnung oder an eine andere geeignete Funktion gefittet. Die für verschiedene Abstände ^ erfassten Leistungs-Kennlinien bilden nun ein Abstands-Kennfeld. Um dieses Abstands-Kennfeld auszuwerten, müssen nun die geforderte sekundärseitige Ausgangsleistung und der Abstand ^ erfasst werden. Dann wird die zum Abstand ^ passende Leistungs-Kennlinie bestimmt und anhand dieser Leistungs-Kennlinie werden die Soll-Primär-Leistungsdaten bestimmt, bei dem Beispiel also der maximale primärseitige Eingangsstrom, wobei hier von einer fest vorgegebenen primärseitigen Eingangsspannung ausgegangen wird. Mit Bezug zu Fig. 5 wird nachfolgend die Bestimmung des axialen Abstands zwischen dem Primärgerät und dem Sekundärgerät erläutert. Das hier gezeigte System 500 entspricht im Wesentlichen dem System, das oben bereits mit Bezug zu Fig.1 erläutert wurde. Es wird daher darauf verzichtet, alle Elemente im Detail erneut zu beschreiben. Das System 500 zur induktiven Leistungsübertragung umfasst ein Primärgerät 600 und ein Sekundärgerät 700. Die Steuereinheit ist hier nicht eigens gezeigt, sie soll allerdings von dem Primärgerät 600 umfasst sein. Während einer induktiven Leistungsübertragung wird eine Ansteuerung 607 des Primärgeräts 600 von einer Quelle 510 mit einer Primär-Stromstärke ^^^^ gespeist. Die Ansteuerung 607 stellt dann ein pulsweitenmoduliertes Signal ^^^^ bereit, um einen Schwingkreis 504 anzusteuern. Hierdurch wird bei dem Ausführungsbeispiel eine primärseitige Frequenz von 105,0 bis 129,5 kHz erreicht. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 27/36 Es erfolgt eine Leistungsübertragung 540 vom primärseitigen Schwingkreis 604 zu einem sekundärseitigen Schwingkreis 704. Parallel hierzu ist eine Datenübertragung 530 zwischen dem Primärgerät 600 und dem Sekundärgerät 700 implementiert, wobei in dem Beispiel eine IO-Link- Verbindung vorgesehen ist; bei weiteren Ausführungsbeispielen können alternativ oder zusätzlich andere datentechnische Verbindungen vorgesehen sein. Die in den Schwingkreis 704 des Sekundärgeräts 700 induzierte Wechselspannung hängt dabei von dem Abstand ^ zwischen dem Primärgerät 600 und dem Sekundärgerät 700 ab. Mittels dieser induzierten Wechselspannung wird anschließend durch einen Gleichrichter 707 an einem Zwischenkreiskondensator des Sekundärgeräts 700 eine Gleichspannung ^^^^ erzeugt. Sobald von dem Sekundärgerät 700 Leistung an eine Last 520 abgegeben wird, fließt aus dem Zwischenkreiskondensator ein messbarer Sekundär-Strom ^^^^. Die aktuellen Werte für den Sekundär-Strom ^^^^ und die Sekundär-Spannung ^^^^ werden gemessen und über die Datenübertragung 530 an das Primärgerät 600 übertragen. In den Grenzen der Frequenz des PWM-Ansteuersignals ^^^^ regelt das Primärgerät 600 die Zwischenkreisspannung ^^^^ des Sekundärgeräts 700, auf einen gewünschten Wert, bei dem Ausführungsbeispiel 24 V. Der in Fig. 6 gezeigte Graph illustriert beispielhaft einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz des PWM-Ansteuersignals ^^^^ des Primärgeräts 600 und der Zwischenkreisspannung ^^^^ des Sekundärgeräts 700. Ferner illustriert der in Fig. 7 gezeigte Graph beispielhaft einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz des PWM-Ansteuersignals ^^^^ des 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 28/36 Primärgeräts 600 und dem Sekundär-Strom ^^^^ des Sekundärgeräts 700. In diesem Graph sind Kurven von Messungen bei verschiedenen Abständen ^, hier 0 mm, 2 mm und 4 mm. Um diese Kurven besser auswerten zu können, wird auf der x-Achse die Sekundär-Leistung ^^^^ = ^^^^ ∙ ^^^^ aufgetragen und auf der y-Achse der Wert von ^^^^ ∙ ^^^^ ∙ ^, wobei der Faktor ^ = ^ ∙ ^^ mit einer Konstante ^ = 30 sowie einem Parameter ^ = ^^^^ = ^^^^ ∙ ^^^^ mit dem Exponenten ^ = −1 bestimmt wird. Damit ergibt sich bei diesem Beispiel für die Werte der y-Achse die Umformung: ^^^^ ∙ ^^^^ ∙ ^ Das heißt, die in Fig. 7 gezeigten Kurven zeigen die den Zusammenhang des Wertes ^^^^/^^^^ in Abhängigkeit von der Sekundärleistung ^^^^ für verschiedene Abstände ^. In einem weiteren Schritt können die für die Abstände ^ gemessenen Kurven mittels einer Ausgleichsrechnung gefittet werden, wobei beispielsweise die Parameter eines Polynoms dritter Ordnung bestimmt werden. Bei dem Beispiel werden auf diese Weise die Konstanten (^1, ^2, ^3, ^4) für ein Polynom der Form: Die Verläufe solcher Kennlinien für die Abstände ^ zwischen 0 mm und 7 mm sind in Fig.8 beispielhaft gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel bilden diese Kennlinien für verschiedene Abstände ^ das Abstands-Kennfeld. 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 29/36 Um nun einen Abstand zwischen dem Sender 100, 600 und dem Empfänger 200, 700 zu bestimmen, werden die Primär-Frequenz ^^^^ des Primärgeräts 100, 600 und die beim Zwischenkreis des Sekundärgeräts 200, 700 erhaltene Sekundär- Leistung ^^^^ erfasst. Insbesondere wird die Sekundär-Leistung ^^^^ über die datentechnische Verbindung 530, etwa eine IO-Link-Verbindung, vom Sekundärgerät 200, 700 an das Primärgerät 100, 600 übertragen. Es kann nun bestimmt werden, welcher der Kennlinien des Abstands-Kennfeldes das gemessene Wertepaar am nächsten kommt. Der entsprechende Abstand ^ wird dann ausgegeben und kann beispielsweise bei der Fremdkörperdetektion verwendet werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Kennlinien des Abstands- Kennfeldes auf andere Weise gebildet werden. Die grundlegende Idee hierbei besteht darin, dass die Kennlinien einen Zusammenhang zwischen der Primär- Frequenz ^^^^ des Primärgeräts 100, 600 und der beim Zwischenkreis des Sekundärgeräts 200, 700 erhaltenen Sekundär-Leistung ^^^^ für verschiedene Abstände ^ repräsentieren. Diese Parameter werden während der induktiven Leistungsübertragung erfasst und es wird geprüft, welcher Kennlinie das erfasste Wertepaar am ehesten entspricht. Der entsprechende Abstand ^ kann dann angegeben werden.
38875.TUR.P110PC S/Wi/js 30/36 Bezugszeichenliste 10 System 100 Primärgerät; Sender 101 Spannungswandler 102 Spannungszwischenkreis; Primär-Zwischenkreis 103 Verstärker 104 Einzelspule 105 Spannungsmesseinheit 106 Strommesseinheit 107 Auswerte- und Ansteuereinheit 108 Primär-Schnittstelle; Schnittstelle (Datenübertragung) 110 Eingang 120 Ausgang 130 Datenübertragung 140 Leistungsübertragung 200 Sekundärgerät; Empfänger 201 Spannungswandler 202 Spannungszwischenkreis; Sekundär-Zwischenkreis 203 Gleichrichter 204 Einzelspule 205 Spannungsmesseinheit 206 Strommesseinheit 207 Auswertungs- und Ansteuereinheit 208 Sekundär-Schnittstelle; Schnittstelle (Datenübertragung) 500 System 510 Quelle 520 Last 530 Datentechnische Verbindung 540 Leistungsübertragung 600 Primärgerät 38875.TUR.P110PC S/Wi/js 31/36 604 Primär-Schwingkreis 607 Ansteuerung 700 Sekundärgerät 704 Sekundär-Schwingkreis 707 Gleichrichter d Abstand S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 Schritt

Claims

38875.TUR.P110PC S/Wi/js 32/36 Patentansprüche 1. System (10) zur induktiven Leistungsübertragung, umfassend - ein Primärgerät (100) und ein Sekundärgerät (200); sowie - eine Steuereinheit (120); - wobei das Primärgerät (100) dazu eingerichtet ist, während der Leistungsübertragung induktiv über einen Primärschwingkreis Leistung an einen Sekundärschwingkreis des Sekundärgeräts (200) zu übertragen; wobei - die Steuereinheit (120) dazu eingerichtet ist, Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts (200) und einen Frequenzparameter des Primärgeräts (100) zu erfassen; wobei - die Steuereinheit (120) ferner dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des Frequenzparameters mittels eines Abstands-Kennfeldes einen Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät (100) und dem Sekundärgerät (200) zu bestimmen; wobei - das Abstands-Kennfeld Referenz-Sekundär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen umfasst. 2. System (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzparameter des Primärgeräts (100) eine Primärfrequenz des Primärgeräts (100) betrifft; und/oder dass die Sekundär-Leistungsdaten eine in einen Sekundär-Zwischenkreis (202) des Sekundärgeräts (200) induzierte Sekundärspannung und/oder einen aus dem Sekundär-Zwischenkreis (202) des Sekundärgeräts (200) gelieferten Sekundärstrom betreffen.
38875.TUR.P110PC S/Wi/js 33/36 3. System (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (120) von dem Primärgerät (100) umfasst ist; und/oder dass die Steuereinheit (120) dazu eingerichtet ist, die Sekundär- Leistungsdaten über eine IO-Link-Verbindung zu erfassen. 4. System (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstands-Kennfeld anhand einer Abstands-Referenzmessung bestimmbar ist; wobei bei der Abstands-Referenzmessung für eine Mehrzahl von Referenz- Abständen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs zwischen dem Primärgerät (100) und dem Sekundärgerät (200) Ist-Sekundär- Leistungsdaten des Sekundärgeräts (200) in Abhängigkeit von dem Frequenzparameter des Primärgeräts (100) gemessen werden. 5. System (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kennlinien des Abstands-Kennfeldes mittels einer Regressionsanalyse, insbesondere einer linearen oder polynomischen Kurvenanpassung, als Funktionen der gemessenen Sekundär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von dem Frequenzparameter ermittelt werden. 6. System (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (120) ferner dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des bestimmten Ist-Abstands mittels einer Leistungs-Kennlinie Primär-Soll-Leistungsdaten zu bestimmen; wobei die Leistungs-Kennlinie Referenz-Soll-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Sekundär-Leistungsdaten sowie in Abhängigkeit von Referenz- Abständen umfasst; wobei
38875.TUR.P110PC S/Wi/js 34/36 die Steuereinheit (120) ferner dazu eingerichtet ist, Primär-Leistungsdaten des Primärgeräts (100) zu erfassen und anhand eines Vergleichs der Primär- Soll-Leistungsdaten mit den Primär-Leistungsdaten ein Fremdobjekt zu detektieren. 7. System (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Kennlinie anhand einer Leistungs-Referenzmessung bestimmbar ist; wobei bei der Leistungs-Referenzmessung Ist-Primär-Leistungsdaten des Primärgeräts (100) in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Referenz- Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts (200) gemessen werden. 8. Primärgerät (100) zur induktiven Leistungsübertragung von dem Primärgerät (100) an ein Sekundärgerät (200), umfassend - eine Steuereinheit (120) und eine Primärgerät-Schnittstelle (108); wobei - die Steuereinheit (120) dazu eingerichtet ist, einen Frequenzparameter des Primärgeräts (100) zu erfassen und über die Primärgerät-Schnittstelle (108) Sekundär-Leistungsdaten eines zur induktiven Leistungsübertragung mit dem Primärgerät (100) gekoppelten Sekundärgeräts (200) zu erfassen; und - wobei die Steuereinheit (120) ferner dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des Frequenzparameters mittels eines Abstands-Kennfeldes einen Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät (100) und dem Sekundärgerät (200) zu bestimmen; - wobei das Abstands-Kennfeld Referenz-Sekundär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen umfasst. 9. Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) zur induktiven Leistungsübertragung von einem Primärgerät (100) an ein Sekundärgerät (200); wobei
38875.TUR.P110PC S/Wi/js 35/36 - während der induktiven Leistungsübertragung ein Frequenzparameter des Primärgeräts (100) und Sekundär-Leistungsdaten des Sekundärgeräts (200) erfasst werden; und - anhand der erfassten Sekundär-Leistungsdaten und des Frequenzparameters mittels eines Abstands-Kennfeldes ein Ist-Abstand zwischen dem Primärgerät (100) und dem Sekundärgerät (200) bestimmt wird; wobei - das Abstands-Kennfeld Referenz-Sekundär-Leistungsdaten in Abhängigkeit von Referenz-Frequenzparametern und in Abhängigkeit von Referenz-Abständen umfasst.
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