JP2018537941A - 誘導的なエネルギー伝送装置を監視する監視装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの送信コイルから、当該少なくとも１つの送信コイルと間隔を取った少なくとも１つの受信コイルへの誘導的なエネルギー伝送装置を監視する監視装置に関する。監視装置は、コイルアレイを備え、コイルアレイは、個別コイルを有し、かつ、少なくとも１つの送信コイルと少なくとも１つの受信コイルとの間の空間を監視するよう構成される。個別コイルは、個別に駆動可能である。適切な制御が、可変的な検出高さのために利用され、個別コイルが故障した際にも確実な駆動が保証されうる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導的なエネルギー伝送装置を監視する監視装置に関する。

電気自動車及びハイブリッド自動車は、通常では、電気エネルギー貯蔵器を有しており、例えば、駆動のための電気エネルギーを提供する主電池を有している。この電気エネルギー貯蔵器が完全に又は部分的に放電した場合には、電気自動車は、エネルギー貯蔵器を再充電できる充電ステーションを目指さなければならない。これについて従来では、そのような充電ステーションでは電気自動車をケーブル接続によって充電ステーションに接続するのが常である。上記接続はユーザが通常では手動で形成しなければならない。さらにその際には、充電ステーションと電気自動車とが、互いに対応する接続システムを有していことも必要である。

さらに、電気自動車又はハイブリッド自動車用の非接触式充電システムも時折開示されている。これについて、電気自動車は、送信コイル（送信装置）又は充電パッド又は充電装置の上方で止められる。上記送信コイルは、高周波の交番磁界を発する。この交番磁界は、車両内の受信コイル（充電コイル又は受信装置）によって受信されて、電気エネルギーに変換される。この後に上記電気エネルギーを用いて、車両の主電池を充電することが可能である。独国特許出願公開第１０２０１１０１００４９号明細書には、車両電池を充電するためのそのようなシステムが開示されており、このシステムでは、エネルギーが誘導的に伝送される。

さらに、電気自動車のエネルギー貯蔵器は回収のためにも利用されうる。このために、ケーブル接続も同様に利用され、又は誘導的なエネルギー又は電力伝送も利用されうる。

電気自動車の電池への非接触式充電においては、典型的に、変圧器の送信コイルが道路の中に埋め込まれ、又は地面に置かれた充電プレート（充電パッド）として形作られ、適切な電子機器によって電力網と接続される。変圧器の受信コイルは、典型的に、車両のアンダーボディに固定的に取り付けられており、自身は適切な電気機器によって車両の主電値と接続されている。エネルギー伝送のために、送信コイル又は一次コイルは、高周波の交番磁界を生成し、この交番磁界が受信コイル又は二次コイルを通過し、そこで、対応する電流を誘導する。一方では、伝送される電力が、切り替え周波数により線形的に増減され、他方では、切り替え周波数が、制御電子機器及び伝送経路内の損失によって制限されているため、３０〜１５０ｋＨｚの典型的な周波数範囲が得られる。

充電ステーションの送信コイルと車両内の受信コイルとの間には空隙が存在する。自動車の必要な最低地上高に基づいて、この空隙は数センチメートルである。車両に固定されたコイルを下げる、車両全体を下げる、若しくは、固定されたコイルを上げる、又は、これらの措置を組み合わせるなどの措置によっては、理想的に小さな空隙が実現されない場合に、３〜３０ｃｍの大きさの空隙が非常に広く普及している。伝送中に空隙で発生する交番磁界は、空隙に存在する任意の金属製の又は導電性を帯びた物体で電気的な渦電流を誘導するために適している。この所謂異物は、抵抗損によって加熱される。この加熱は、人間の安全のみならず、車両の動作信頼性にとっても重大な危険となる。従って、誘導的な充電システムの加熱を磁場の制限によって制限すること、又は、空隙に存在する何らかの物体を適切な手段で検出し、こののち、物体が遠ざかり若しくはこの物体からもはや危険が生じなくなるまでエネルギー伝送を停止することが必要である。

公知の異物検出方法は、例えば、追加的な試験コイルを用いた従来の誘導的な金属検出である。追加的な試験コイルはパルス形状に励起され、その電気的な減衰特性が解析される。ここでは特に、独自の磁場を介して渦電流損を用いて、又は、結合係数のずれを介して、若しくはコイル品質の変化を介して異物の存在を検出するコイルアレイの特徴が考慮に値する。その際に、コイル直径に決定的な役割が与えられる。コイル直径が小さくなるほど、空間分解能（Ｏｒｔｓａｕｆｌｏｅｓｕｎｇ）がより細かくなり、小さな事物（セント（Ｃｅｎｔ）硬貨、クリップ等）がより簡単に検出されうる。不都合なことは、目の細かいアレイは、地上又は地中に存在する送信コイルと車両内に存在する受信／充電コイルとの間の空間全体をくまなく明らかにしないことである。これは、センサアレイ／コイルアレイの磁場がだいたい、コイル直径の長さと同じ高さまでしか明らかにせず又は検出しないことに起因する。従って、細かく目が詰まった網の目／アレイは、地上コイルの上方の高いところに配置された金属製の物体（例えば、アルミニウム製の蓋が付いた、立っているヨーグルト容器、（紙巻き）タバコの包装箱、突出した棒鉄等）を検出しない。

従って、誘導的なエネルギー伝送装置の監視装置であって、検出のために利用されるコイルアレイの検出高さをスケーラブル（拡張可能）（ｓｋａｌｉｅｒｂａｒ）にし、その際に機械的なコイル特性を変えない上記監視装置に対する必要性が生じる。

請求項１の特徴を備えた本発明に係る装置には、監視装置の検出高さが可変的に適合可能であるという利点がある。

本発明に基づいて、少なくとも１つの送信コイルから、当該少なくとも１つの送信コイルと間隔を取った少なくとも１つの受信コイルへの誘導的なエネルギー伝送装置を監視する監視装置であって、監視装置は、コイルアレイを備え、コイルアレイは、個別コイルを有し、かつ、少なくとも１つの送信コイルと少なくとも１つの受信コイルとの間の空間を監視するよう構成され、個別コイルは個別に駆動可能である、上記監視装置が設けられる。有利に、適切な設計において、観察高さ（Ａｕｓｌｅｕｃｈｔｕｎｇｓｈｏｅｈｅ）／検出高さを、個別アレイコイルへの適切な電流供給によって自由に選択することが可能である。さらに有利に、この形態による検出は、天候から影響を受けにくいこと、及び、フロアパネルの下方の領域の照明にあまり依存しないことにより卓越している。さらに、検出限界が、車両の下方の領域に明確に制限され、このことにより、誤検出率が著しく低減される。

従属請求項で挙げた措置によって、独立請求項に示された方法の有利な発展形態が可能である。

有利に、個別コイルは、少なくとも１つの層に最密球充填により配置される（二次元についての最密円充填）。このことには、個別コイル同士が接触するだけで互いに重ならず、その際に、空いた空間が最小限で残されるという利点がある。個別コイル又は検出コイルのアレイは、有利にハニカム形状の構成から成る。全ての個別コイルが同様に電流供給される場合には、比較的低い観察高さで高い空間分解能が実現されうる。同様に、コイルが逆方向に電流供給されることも有利でありうる。

更に有利に、コイルアレイの個別コイルは、１の個別コイルが故障した際に残りの個別コイルが部分的な作動及び停止によって対称的な網の目を形成し又はエッジとノードとから成る対称的で閉じた一群を形成する、ように接続される。このことは好都合である。なぜならば、コイルアレイの配線は、フェイルセーフティ（Ｆａｉｌｓａｆｅｔｙ）のために設計されており、従って、１のコイルセルが故障した際に未だ、故障した個別セル／セルを必要としないパタンが駆動可能だからである。有利に、故障したコイル／個別コイルが無くてもエラーフリーのパタンが生じる限りは、様々なコイルパタンが可能である。

有利に、個別コイルは、円形の又は丸みが付いた又は角張った平面コイルとして実現される。この形態によるコイル実現によって、最密球充填、各円充填が最良に保証される。

さらに有利に、監視装置は、減衰制御されて（ｄａｅｍｐｆｕｎｇｓｇｅｒｅｇｅｌｔ）駆動される。減衰制御された駆動においては、コイルアレイの減衰が、検出信号の生成のために利用される。さらに有利に、共振コンデンサによって検出コイルのインダクタが振動のために励起される共振的な駆動が可能である。

監視装置は、共振的に駆動されうる。共振的な駆動時には、コイルアレイが、適切な配線によって共振点に駆動され、その際に、共振回路の品質又は結合が、検出信号の生成のために選択される。同一コイルアレイの様々な配線によって、このようにして、検出高さ及び分解能を有利に自由に選択することが可能である。

本発明の更なる別の特徴及び利点は、例示的な実施形態であって、本発明として限定的には解釈されない上記実施形態についての以下の明細書の記載から、添付の図面を参照して明らかとなろう。

車両及び誘導的なエネルギー伝送装置の概略図を示す。 コイルアレイの概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。

全ての図は、本発明の実施例による本発明に係る装置及びその構成要素を概略的に示しているに過ぎない。特に、間隔、及び、構成要素同士の大きさの関係性は、図では縮尺に忠実に反映されていない。様々な図において、対応する構成要素には、同じ参照符号が付される。

図１は、車両１７、誘導的なエネルギー伝送装置１０、及び監視装置１３の概略図を示している。車両／電気自動車／ハイブリッド自動車１７は停止した状態にある。主電池１８（図示せず）が、誘導的なエネルギー伝送装置１０を介して充電される。これに関して、送信コイル／送信装置１１が、地中１９に埋め込まれ又は地上１９に置かれている。受信コイル／受信装置１２が、車両１７内に配置されており、好適に、車両１７のアンダーボディに配置されている。送信コイル１１と受信コイル１２との間には、空隙１４とも呼ばれる空間１４が存在する。監視装置１３は、この空間１４に配置され、好適に、送信コイル１３に載っている。監視装置１３は、コイルアレイ１５を備え、このコイルアレイ１５は、個別コイル１６．１、１６．２、…、１０．ｎを有する。この個別コイル１６．１、１６．２、…、１０．ｎは様々に駆動可能であり、好適に密な球充填により配置され、又は、二次元的に最密円充填により配置される。その際に、コイルアレイ（検出コイルのアレイ）１５は、ハニカム形状による個別コイルの構成として形成される。好適に、個別コイル１６．１、１６．２、…、１０．ｎは、円形の、丸みが付いた、又は角張った平面アレイとして実現される。

図２は、コイルアレイ１５の概略図を示している。図１に関して同一の構成要素には、同じ符号が付され、詳細には解説されない。図２の本例では、全ての個別コイル１６．１、１６．２、…、１０．ｎが一様に、好適に対称的に電流供給される。図２の矢印は電流供給を示しており、電流の流れの方向は示していない。これにより、比較的低い観察高さ／検出高さで高い空間分解能が実現されうる。各個別コイル要素１６．１、１６．２、…、１０．ｎの巻き数は異なっていてもよく、機能の観点及びコストの観点から最適化されうる。極端な場合に、コイル要素は、１つの導体路ループのみで構成される。コイルアレイ１５の配線は、フェイルセーフティのために設計され、従って、個別コイル１６．１、１６．２、…、１０．ｎの結合体からの１の個別コイル／コイルセルが故障した際には、故障した個別コイルをもはや必要としないパタンが駆動されうる。その際に、故障した個別コイル１６．ｘ（ｘは、１、２．…、ｎを表す）が無くてもエラーフリーのパタンが生じる限りは、様々なコイルパタンが可能である。

図３及び図４は、図２に係るコイルアレイ１５の他の概略図を示している。図２に関して同一の構成要素には、同じ符号が付され、詳細には解説されない。本実施例では、（線で消された）個別セル１６．ｘが故障している。コイルアレイ１５の配線は、フェイルセーフティのために設計されており、従って、この個別コイルが故障した際には、駆動時に存在する個別コイルで構成される対称性が高いパタンが形成されるように他のコイル（点線で示す）への電流供給を止めることで、パタンが駆動されうる。例えば、航続距離を伸ばすために、磁気的に得られる網の目が拡大される。このためにより大きな下位構造が形成され、この下位構造によって、より大きな検出高さももたらされる。適切な設計において、観察高さ／検出高さを、個々のアレイコイルへの調整された電流供給を用いて自由に選択することが可能である。検出高さと、比較的高い（浮遊する）金属製物体の検知可能性とが、他のパタンによっても上げられる。可能な限り感度の良い／精確な検出を可能とするために、個別コイル１６．１、…、１６．ｎから成るコイルアレイ１５全体が、減衰制御されて駆動されてもよく、共振的に駆動されてもよい。減衰制御された駆動においては、コイルアレイ１５の減衰が、検出信号の生成のために利用される。共振的な駆動においては、コイルアレイ１５が、適切な配線によって共振点に駆動され、その際に共振回路の品質又は結合が、検出信号の生成のために選択される。同じコイルアレイ１５の様々な配線によって、このようにして、検出高さ及び分解能を自由に選択することが可能である。様々な大きさの物体を検出するために、様々な電流供給形態及び幾何学的な網の目パタンを連続して作動させて、評価することも可能である。

図５及び図６は、図２に係るコイルアレイ１５の他の概略的な図を示している。図２に関して同一の構成要素には、同じ符号が付され、詳細には解説されない。十分な対称的な磁場を実現するために、電流の強さが、コイルアレイ１５の個々の巻き数によって様々に示されうる。従って、例えば少数派のコイル（図では点線で示される）の場所がより強く電流供給されうる。さらに、コイルの一部のみを電流供給し、これにより、複数の個別コイルの中でより強い電流／磁場の集中を実現することも可能である。従って、コイルを１つおきに電流供給し、これにより、磁場の局所的な消失を防止し、又は残りのコイルの磁場強度を上げることが可能である。更なる別の実施例において、個別コイルは部分的に重なっている。さらに、コイルアレイ１５のピッチ（Ｒａｓｔｅｒｍａｓｓ）が、コイルアレイの中心に従っても変わることが構想されうる。従って、中央では周縁部よりもより密な網の目を選択することが可能であり、又はその反対も然りである。

車両及び誘導的なエネルギー伝送装置の概略図を示す。 コイルアレイの概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。 他の駆動パラメータによるコイルアレイの他の概略図を示す。

図１は、車両１７、誘導的なエネルギー伝送装置１０、及び監視装置１３の概略図を示している。車両／電気自動車／ハイブリッド自動車１７は停止した状態にある。主電池１８（図示せず）が、誘導的なエネルギー伝送装置１０を介して充電される。これに関して、送信コイル／送信装置１１が、地中１９に埋め込まれ又は地上１９に置かれている。受信コイル／受信装置１２が、車両１７内に配置されており、好適に、車両１７のアンダーボディに配置されている。送信コイル１１と受信コイル１２との間には、空隙１４とも呼ばれる空間１４が存在する。監視装置１３は、この空間１４に配置され、好適に、送信コイル１１に載っている。監視装置１３は、コイルアレイ１５を備え、このコイルアレイ１５は、個別コイル１６．１、１６．２、…、１６．ｎを有する。この個別コイル１６．１、１６．２、…、１６．ｎは様々に駆動可能であり、好適に密な球充填により配置され、又は、二次元的に最密円充填により配置される。その際に、コイルアレイ（検出コイルのアレイ）１５は、ハニカム形状による個別コイルの構成として形成される。好適に、個別コイル１６．１、１６．２、…、１６．ｎは、円形の、丸みが付いた、又は角張った平面アレイとして実現される。

図２は、コイルアレイ１５の概略図を示している。図１に関して同一の構成要素には、同じ符号が付され、詳細には解説されない。図２の本例では、全ての個別コイル１６．１、１６．２、…、１６．ｎが一様に、好適に対称的に電流供給される。図２の矢印は電流供給を示しており、電流の流れの方向は示していない。これにより、比較的低い観察高さ／検出高さで高い空間分解能が実現されうる。各個別コイル要素１６．１、１６．２、…、１６．ｎの巻き数は異なっていてもよく、機能の観点及びコストの観点から最適化されうる。極端な場合に、コイル要素は、１つの導体路ループのみで構成される。コイルアレイ１５の配線は、フェイルセーフティのために設計され、従って、個別コイル１６．１、１６．２、…、１６．ｎの結合体からの１の個別コイル／コイルセルが故障した際には、故障した個別コイルをもはや必要としないパタンが駆動されうる。その際に、故障した個別コイル１６．ｘ（ｘは、１、２．…、ｎを表す）が無くてもエラーフリーのパタンが生じる限りは、様々なコイルパタンが可能である。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの送信コイル（１１）から、当該少なくとも１つの送信コイル（１１）と間隔を取った少なくとも１つの受信コイル（１２）への誘導的なエネルギー伝送装置（１０）を監視する監視装置（１３）であって、前記監視装置（１３）は、コイルアレイ（１５）を備え、前記コイルアレイ（１５）は、個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）を有し、かつ、前記少なくとも１つの送信コイル（１１）と前記少なくとも１つの受信コイル（１２）との間の空間（１４）を監視するよう構成される、前記監視装置（１３）において、
   前記個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）が個別に駆動可能であり、従って検出高さが可変的に調整可能であることを特徴とする、監視装置（１３）。
2. 前記個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）は、最密球充填により配置されることを特徴とする、請求項１に記載の監視装置（１３）。
3. 前記コイルアレイ（１５）の前記個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）は、１の個別コイルが故障した際に残りの前記個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）が部分的な作動及び停止によって対称的な網の目を形成し又はエッジとノードとから成る対称的で閉じた一群を形成する、ように接続されることを特徴とする、請求項１及び２に記載の監視装置（１３）。
4. 前記個別コイル（１６．１、１６．２、…、１６．ｎ）は、丸みが付いた又は角張った平面コイルとして実現されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の監視装置（１３）。
5. 前記監視装置（１３）は、減衰制御されて駆動されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の監視装置（１３）。
6. 前記監視装置は共振的に駆動されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の監視装置（１３）。
   

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