WO2013127445A1 - Charging system for the galvanically separated charging of an electrical energy accumulator of a vehicle, electrically powered vehicle, charging station for a vehicle, and corresponding method - Google Patents

Charging system for the galvanically separated charging of an electrical energy accumulator of a vehicle, electrically powered vehicle, charging station for a vehicle, and corresponding method Download PDF

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charging
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Monika POEBL
Richard Roskosch
Claus Seisenberger
Hans WÜNSCHE
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a charging system for the galvanically isolated charging of an electrical energy storage of an electrically driven vehicle with electrical energy, namely in particular an electrically driven motor vehicle, preferably a passenger car.
  • the charging system comprises a vehicle-external primary unit with a primary coil for delivering electrical energy, as well as a vehicle-side secondary unit with a coupled to the energy storage secondary coil for receiving the energy.
  • the invention also relates to an electrically driven vehicle, a charging station for such a vehicle, as well as a method for galvanically separate charging of an electrical energy storage of an electrically driven vehicle with electrical energy.
  • Electrically powered vehicles in particular motor vehicles, are already state of the art.
  • Such vehicles include an electric drive device - namely an electric drive motor - and are driven by means of the electric drive device.
  • the electric drive device is supplied with electrical energy from an energy store, namely in particular from a so-called "traction battery.”
  • a particular challenge with electrically driven vehicles is that the energy store can be fully charged with electrical energy very quickly
  • the user places the vehicle in the vicinity of a charging station ("charging station” or else a corresponding power connection) and connects it Vehicle via an electrical line with the charging station.
  • the charging of the electrical energy storage takes place here in the conventional way via a cable.
  • There are also more comfortable charging systems are known, which allow a wireless or galvanic separation of electrical energy.
  • the vehicle is parked above a ground unit (primary unit) such that a primary coil present in the primary unit is opposite a secondary coil arranged on the vehicle floor.
  • the energy transfer now takes place with the aid of an alternating magnetic field between the primary unit of the charging station on the one hand and the secondary unit of the vehicle on the other hand.
  • This is an inductive coupling between the primary coil and the secondary coil. It thus eliminates the manual connection of the vehicle to a charging station via appropriate lines.
  • the user only needs to park the vehicle within a certain area above the primary unit and, if necessary, also to release the charging process.
  • the interest is directed to the last-described more comfortable method, which allows wireless charging of the energy storage.
  • the described convenient charging system can even enable an uncomplicated recharging of the vehicle in many places if corresponding primary units or ground units are installed.
  • the disadvantage of the limited capacity of the energy storage can be compensated within certain limits:
  • the vehicle can always be recharged, for example during the parking period.
  • parking bays and the like thus the installation of corresponding primary units in large numbers makes sense.
  • a charging system is designed for electrically isolated charging of an electrical energy store of an electrically driven vehicle with electrical energy.
  • the charging system includes a vehicle-external primary unit with a primary coil for discharging electrical energy, as well as a vehicle-side secondary unit with a coupled to the energy storage secondary coil for receiving the energy.
  • at least one sensor coil arrangement is provided with at least one sensor coil for detecting an electrically conductive foreign object located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit.
  • the charging system also includes an electronic evaluation device, which is set up to detect the electrically conductive foreign body in the energy transmission area on the basis of a variable dependent on the inductance and / or the quality of the at least one sensor coil.
  • the invention thus goes the way, to detect an electrically conductive foreign body in the space between the primary unit on the one hand and the secondary unit on the other hand use a sensor coil arrangement with at least one sensor coil, by means of which the presence of the foreign body can be detected by inductive means.
  • the invention is based on the finding that the planned off armor of a plurality of parking spaces with respective primary units for charging electric vehicles, the problem arises that it is not possible at all, each parking and thus each primary unit or each charging se ready to monitor.
  • the invention further builds on the recognition that the gap between the Primärein- unit and the secondary unit must be monitored for the presence of elec trically conductive foreign bodies, because such foreign bodies could lead to a threat, such as for heating this foreign body or abe to a damage to the power electronics and the like. Another finding is that such foreign body detected by suitable sensors and, where appropriate, the energy transfer does not have to be released or even switched off and interrupted. First, the threat of manipulation attempts with the help of a permanent monitoring of parking or lockable boxes bypass. Conductive objects randomly located in the area of the power field could then be located by manual control. However, these measures argue against a widespread and frequently used charging procedure.
  • the invention allows an automated or automatic detection of an electrically conductive foreign body in the energy transmission area, so that after detection of this foreign body, the charging process may be interrupted or the start of the charging process can not be released at all.
  • the invention also has the advantage that the sensor coil assembly basically in all conceivable conditions can be used successfully, while optical systems are less practical, because sensitive to dirt.
  • the charging system according to the invention thus enables a reliable detection of foreign bodies, regardless of the prevailing conditions, in particular also independent of contamination of the primary unit / secondary unit. Overall, thus a particularly reliable and reliable charging of the energy storage is possible.
  • the sensor coil arrangement can be a coil arrangement that is different from the primary coil and from the secondary coil.
  • the at least one sensor coil is a coil formed separately from the primary coil and separately from the secondary coil.
  • the sensor coil arrangement comprises the primary coil and / or the secondary coil or is formed by the primary coil and / or the secondary coil.
  • the already existing coils can also serve as sensor coils for the detection of conductive objects in the region of the power field.
  • the electronic evaluation device can be inductively coupled to the primary coil and / or secondary coil.
  • such a sensor coil arrangement is integrated with at least one sensor coil in the vehicle-external primary unit.
  • conductive foreign bodies closer to the primary coil than the secondary coil can be detected.
  • this embodiment has the advantage that the foreign body can thus be detected even when charging the energy storage of such a vehicle whose secondary unit has no corresponding sensor coil arrangement.
  • it can also be provided that such a sensor coil arrangement is integrated with at least one sensor coil in the vehicle-internal secondary unit.
  • conductive foreign bodies can be detected particularly reliably, which lie in the vehicle vertical direction or in the vertical direction closer to the vehicle floor than the primary unit.
  • respective sensor coil arrangements are each integrated with at least one sensor coil both in the primary unit and in the secondary unit.
  • This has the advantage that conductive foreign bodies can be detected within the entire height range between the primary unit and the secondary unit without incorrectly detecting the vehicle floor itself or metal parts located in the lower area of the vehicle as foreign bodies.
  • the mutual sensor coil assemblies may have such ranges in the vertical direction that overlap each other, but are individually less than a minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit.
  • the entire height range between the primary unit and the secondary unit is covered in the vertical direction and thus can be checked for the presence of foreign matter, wherein the metal parts of the motor vehicle outside the detection range of the primary-side sensor coil assembly and thus can not cause misdetection.
  • the evaluation device is set up to check the energy transfer region for the presence of a foreign body before the start of a charging process and / or during the charging process.
  • the energy transfer area between the primary unit and the secondary unit is continuously or continuously monitored by means of the evaluation device for the presence of a foreign body. This monitoring preferably begins before the initiation the charging process and preferably lasts at least until the completion of the charging process.
  • the charging process is very safe.
  • the evaluation device can output a signal after detection of a foreign body in the energy transmission area, due to which a charging process is interrupted or the start of a charging process is prevented.
  • the at least one sensor coil is preferably a planar or planar sensor coil.
  • the sensor coil arrangement comprises a multiplicity of such planar sensor coils which are arranged in a common plane, for example also on a common printed circuit board.
  • the sensor coil arrangement can thus be a planar arrangement of a plurality of coils which are dimensioned in such a way that conductive objects of a specific size can still be detected up to a certain distance (preferably smaller than a minimum distance between primary unit and secondary unit).
  • the planar or planar configuration of the sensor coil arrangement provides, in particular, for a compact arrangement which, for example, can be easily integrated into the primary unit and / or secondary unit.
  • a helical configuration of the sensor coils in a plane has, in addition to the mentioned advantage with respect to the flat and simple construction, also functional advantages, namely in particular with regard to the characterization of the magnetic field.
  • the at least one sensor coil-in particular the multiplicity of sensor coils- is designed as a printed conductor structure on a flexible printed circuit board.
  • the arrangement of the sensor coil assembly on a flexible printed circuit board has the advantage that the entire sensor coil assembly requires relatively little space and thus even in can integrate the secondary unit of the vehicle, in which, as we know, little space is available.
  • the flexible circuit board can be easily inserted into the housing of the primary unit and / or secondary unit. Due to the planar arrangement of the individual coils, a uniform coverage of the detection range is achieved. If there are special objects in the housing in the vicinity of a single coil, such as fastening screws, the influence of these special objects can be taken into account by means of a modified geometry in the coil in question. In the case of a two-dimensional arrangement of coils, therefore, the geometry of that coil in whose vicinity or in the field special objects (own conductive objects of the system) are located in or on the housing (such as fastening screws) can be modified in such a way that an identical or otherwise a similar behavior - in particular an equal field distribution - as in the other coils results.
  • the sensor coil arrangement has a range in the vertical direction which is greater than half the maximum possible distance between the primary unit and the secondary unit. This means that by means of the sensor coil arrangement, the conductive foreign bodies can be detected up to a distance which is greater than half the maximum possible distance between the primary unit and the secondary unit. It is thus achieved that all foreign bodies located in the vicinity of the sensor coil arrangement can be detected, that is to say those foreign bodies which lie in the relevant energy transmission area.
  • the range of the sensor coil arrangement in the vertical direction is smaller than a minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit.
  • the maximum possible or the minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit is understood in particular to mean distances which result in an unladen motor vehicle on the one hand or a motor vehicle with maximum load on the other hand.
  • the minimum and maximum distances between the primary unit and the secondary unit may be determined taking into account the respective heights of all motor vehicles on the market. If the charging station for motor vehicles - especially for passenger cars - set up, it can be provided that is used as the maximum distance of the maximum distance in all possible passenger cars. Accordingly, the minimum possible distance for all passenger cars can be used as the minimum distance. This is based on the fact that the height at which the vehicle floor is located is standardized for passenger cars and thus lies within a predetermined value range. As a result of this procedure, it is achieved that the respective detection areas overlap in all possible passenger cars without the vehicle floor itself leading to a misdetection. If the charging station, however, for other types of
  • Vehicles - such as trucks or cleaning vehicles - determined, so the determination of the maximum and minimum distance can be made taking into account the respective vehicle.
  • respective sensor coil arrangements can also be integrated into both the primary unit and the secondary unit, namely in such a way that respective detection areas of the mutual sensor coil arrangements overlap in the vertical direction.
  • the entire height range between the primary unit and the secondary unit is deducted with respect to the detection of foreign bodies. covers, and it also misdetections are prevented due to fixed vehicle parts.
  • the above-mentioned distance between the primary unit and the secondary unit essentially corresponds to the distance between the vehicle floor on the one hand and the floor of the charging station on the other.
  • the secondary unit is in fact usually mounted on the vehicle floor or below the motor vehicle and thus also forms the vehicle floor itself.
  • Conductive objects in the area of the power field ie in the energy transmission area, can therefore be detected by inductive charging by means of suitable coil systems or respective sensor coil arrangements.
  • suitable coil systems or respective sensor coil arrangements In order to be able to monitor the entire area between the primary unit and the secondary unit, but avoid false triggering by the vehicle floor or metal parts in the lower area of the vehicle, the installation of the presented sensor coil arrangements in this case is proposed here-as already explained.
  • each coil assembly is preferably slightly more than half the maximum distance between the primary unit and the secondary unit (at minimum load), but is clearly less than the minimum distance between the primary unit and the secondary unit (at maximum load).
  • the detection ranges of the two sensor coil arrangements thus overlap only slightly (without loading) or somewhat further (medium or large load of the vehicle).
  • the represented design of the two sensor coil arrangements thus always ensures that that an introduced, conductive object can be detected at any time and independently of the current loading of the vehicle - and in particular also independently of the respective vehicle model - but the vehicle floor or body parts in the lower area of the vehicle do not cause a false triggering of the system ,
  • the sensor coil arrangement is assigned at least one test coil, by means of which the proper functioning of the sensor coil arrangement can be checked. This check is carried out in particular by short-circuiting the test coil.
  • the at least one test coil is preferably arranged above or below the sensor coil arrangement. If, for example, the test coil is short-circuited at predetermined times, in particular by the evaluation device, this should be determined by the evaluation device on the basis of the monitored variable, which is dependent on the inductance of the at least one sensor coil. Short-circuiting may e.g. by means of a relay in which a make contact shorts the relevant test coil. This self-test capability prevents additional manipulation, such as coupling a high-power "matching" oscillator signal to prevent detection of conductive objects in the area of the power field.
  • the evaluation device has an oscillator for providing an oscillator signal whose frequency can be changed depending on the inductance of the at least one sensor coil.
  • the evaluation device can then be set up to determine, on the basis of the frequency of the oscillator signal as a variable, whether or not an electrically conductive foreign body is located in the energy transmission region.
  • the sensor coil arrangement contains a plurality of sensor coils, each of the sensor coils or, optionally, any desired group - for example series connection - can be connected to the oscillator of the evaluation device from a plurality or even all of the coils. be sen. This means that each sensor coil can be assigned a separate oscillator or, alternatively, a group of sensor coils can be coupled to a common oscillator.
  • the at least one sensor coil can serve as an inductor of an LC sine oscillator, wherein a basic circuit known from the relevant literature can be used as LC oscillator.
  • Their effective inductance in turn is influenced by conductive objects in their environment. Namely, the magnetic field of the coil induces currents into the conductive foreign body, and eddy currents are formed here, which in turn have a retroactive effect on the magnetic field of the sensor coil.
  • the frequency of the oscillator signal also changes in the presence of conductive foreign bodies in the energy transfer region.
  • the evaluation device is integrated into that unit-primary unit or secondary unit-into which the sensor coil arrangement is also integrated. If two such sensor coil arrangements are used, namely one in the primary unit and one in the secondary unit, so too two separate electronic evaluation devices are used, namely an evaluation in the primary unit, and a separate evaluation in the secondary unit.
  • the evaluation device can also be arranged on the common printed circuit board as the sensor coil arrangement, namely in particular on a flexible printed circuit board. Alternatively, however, it can also be provided that the evaluation device is arranged on a separate printed circuit board, that is to say on a different printed circuit board than the sensor coil arrangement.
  • the evaluation device can then be coupled to the at least one sensor coil via suitable connection techniques-galvanically or else galvanically separated.
  • the evaluation device can be coupled to the at least one sensor coil by means of field coupling.
  • larger conductive areas on the flexible printed circuit board on the one hand and on the evaluation device on the other hand can oppose each other, so that they are capacitively coupled to one another.
  • Another possibility for coupling would be opposing coils integrated into the respective circuit boards, in which case an inductive coupling is provided. In principle, all types of field coupling are conceivable: capacitive, inductive and / or electromagnetic.
  • a vehicle is understood to mean in particular a motor vehicle, namely preferably a passenger car.
  • the invention is not limited to a motor vehicle and can also be applied to other electrically powered vehicle types, such as self-propelled cleaning machines, especially for corporate buildings, baggage trolleys at airports, forklifts and the like. It is only crucial that the electrical energy storage of the vehicle is charged by inductive means via a transformer including a primary coil and a secondary coil.
  • the invention also relates to an electrically driven vehicle, in particular a motor vehicle, which has an electric drive device for driving the vehicle, as well as an electrical energy storage, which provides electrical energy for the drive device.
  • the vehicle also includes a secondary unit with a secondary coil, which can be inductively coupled to charge the energy store with electrical energy with a vehicle-external primary coil of a primary unit.
  • the vehicle is a, especially in the secondary unit integrated,
  • Sensor coil assembly provided with at least one sensor coil, which is used for detecting a located in a power transmission area between the primary unit and the secondary unit, electrically conductive foreign body.
  • the vehicle also includes an electronic evaluation unit, which is also integrated, for example, in the secondary unit and which can detect the electrically conductive foreign body in the energy transmission range on the basis of a variable dependent on the inductance and / or the quality of the at least one sensor coil.
  • a charging station for an electrically driven vehicle is designed for galvanically separate charging of an electrical energy store of the vehicle with electrical energy and comprises a primary unit including a primary coil, which for charging the energy storage with electrical energy with a vehicle-side secondary coil of a secondary unit of the vehicle can be inductively coupled.
  • the charging station comprises a sensor coil arrangement, in particular integrated in the primary unit, with at least one sensor coil for detecting an electrically conductive foreign body located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit.
  • the charging station also includes an electronic evaluation device which is integrated in particular in the primary unit and which is designed to use one of the inductance and / or the quality of the at least one sensor. Sorspule dependent size to detect the electrically conductive foreign body in the energy transfer area.
  • the invention also includes a method for the galvanically isolated charging of an electrical energy store of an electrically driven vehicle with electrical energy by discharging electrical energy through a vehicle-external primary coil of a primary unit, as well as by receiving the energy through a coupled to the energy storage vehicle-side secondary coil of a secondary unit of the vehicle.
  • a electrically conductive foreign body located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit is detected by means of a sensor coil arrangement having at least one sensor coil, wherein the electrically conductive foreign body in the energy transfer area by means of an electronic evaluation device coupled to the at least one sensor coil is detected by the inductance of the at least one sensor coil dependent size.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a side view of a charging system according to an embodiment of the invention
  • FIGs 2 to 4 in a schematic representation of the charging system according to FIG 1, wherein different positions of an electrically conductive foreign body are shown in a power transmission area;
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a plan view of a sensor coil arrangement
  • FIG. 9 shows a block diagram of an electronic evaluation device, which is coupled to the sensor coil arrangement.
  • a charging system 1 shown schematically in FIG. 1 serves to charge an energy storage device 2 of an electrically driven vehicle 3 with electrical energy.
  • the vehicle 3 is for example a motor vehicle, for example a passenger car. With electrical energy from the energy storage device 2 while an electric drive device 4 is supplied, which is designed for driving the vehicle 3.
  • the drive device 4 is thus a electric drive motor, by means of which the wheels of the vehicle 3 are driven.
  • the energy storage 2 is a vehicle battery, which can supply not only the drive device 4 but also other components in the vehicle 3.
  • the energy storage 2 is charged wirelessly with electrical energy.
  • the energy storage device 2 is electrically connected to a secondary unit 5 of the vehicle 3.
  • This secondary unit 5 is arranged in the floor area of the vehicle 3, for example below the floor or integrated in the vehicle floor.
  • the arrangement of the secondary unit 5 in the front region of the vehicle 3 is shown merely by way of example; the secondary unit 5 can also be located in the middle region or else in the rear region of the vehicle 3, for example-viewed in the longitudinal direction of the vehicle 3.
  • the secondary unit 5 can, for example, have a housing in which the components belonging to the secondary unit 5 can be accommodated. These components include, in particular, a secondary coil, by means of which the energy store 2 can be charged with electrical energy by transformation. This secondary coil is electrically connected to the energy storage 2.
  • This coil can be, for example, a planar coil whose windings are all in one plane, wherein this coil can be arranged on a printed circuit board.
  • the entire secondary unit 5 is designed flat, so that its extent in the vehicle longitudinal direction and vehicle transverse direction is significantly greater than the extension in the vehicle vertical direction.
  • other components may be integrated, such as a rectifier and the like.
  • the charging station 6 includes a primary unit 7 which is mounted on a nem substrate or floor 8 rests and / or is integrated in the bottom 8.
  • the primary unit 7 is also flat and extends in the horizontal direction. It includes a primary coil, which is not shown in greater detail in the figures, and which can be inductively coupled to said secondary coil of the vehicle 3, as a result of which electrical energy can be transmitted from the primary coil to the secondary coil and thus into the energy store 2.
  • the primary coil may also be a planar or planar coil which is arranged on a printed circuit board and whose windings all lie in one plane.
  • the vehicle 3 For charging the energy storage device 2, the vehicle 3 is placed over the charging station 6, namely such that the secondary unit 5 is in vertical overlap with the primary unit 7 and thus lies above the primary unit 7.
  • the charging process is then controlled by means of an electronic control device 9 of the charging station 6, which is indicated only schematically in FIG.
  • the primary coil is driven in such a way that a magnetic alternating field is generated between the primary coil and the secondary coil arranged parallel thereto. This field then induces an electrical voltage on the secondary coil and electrical current flows in the secondary circuit. From this AC voltage, a DC voltage is then generated with the aid of a rectifier, with which the energy storage 2 is charged.
  • FIGS. 2 to 4 each show an enlarged view of the charging system 1 or the front area of the vehicle 3 (without the wheel). In the example according to FIG. 2, an electrically conductive foreign body 11 rests on the primary unit 7.
  • This foreign body 11 poses a risk that it may heat up when transmitting the electrical energy and, moreover, that the electronic components of the charging system 1 may be damaged.
  • This foreign body 11 is dangerous even if it is located at a distance to both the primary unit 7 and the secondary unit 5, as shown in FIG.
  • a spacer is also located between the foreign body 11 and the secondary unit 7
  • a sensor coil arrangement is respectively formed in one of the units 5, 7 or even both in the primary unit 7 and in the secondary unit 5
  • the sensor coil assembly 13 may include a plurality of planar sensor coils 15, all of which lie in a plane and are disposed on a, for example, flexible circuit board 16.
  • the sensor coil assembly 13 thus represents a coil array, which is used to detect metallic Foreign bodies in the energy transmission area 10 is used.
  • the planar sensor coil arrangement 13 is integrated in the respective unit (primary unit 7 or secondary unit 5) in such a way that the circuit board 16 extends in the horizontal direction and thus lies parallel to the primary coil and secondary coil.
  • the sensor coil arrangement 13 can be arranged, for example, below or above the respective power coil.
  • the sensor coil assembly 13 may even comprise or be formed by the primary coil and / or secondary coil.
  • the individual sensor coils 15 are also connected to terminals 17 on the circuit board 16, which are arranged on a tab 18 of the circuit board 16. Via these connections 17, sensor coils 15 can be connected to the electronic evaluation device 14.
  • each sensor coil 15 serves as an inductance of an LC Sinusos zillators 19, which outputs an oscillator signal 20 whose frequency depends on the inductance of the sensor coil 15.
  • the oscillation frequency of the oscillator 19 is therefore dependent inter alia on the inductance of the sensor coil 15. This inductance in turn is influenced by the conductive foreign body 11 in the energy transmission area 10.
  • the magnetic field of the sensor coil 15 induces currents in the conductive foreign body 11, and eddy currents are generated here, which in turn have a retroactive effect on the magnetic field of the sensor coil 15.
  • the frequency of the oscillator signal 20 also changes in the presence of a foreign body 11 in the energy transmission area 10.
  • the oscillator signal 20 is then supplied to a threshold value switch 21, which then triggers a microcontroller 22. Recognize the Microcontroller 22 that a foreign body 11 is present in the energy transfer area 10, so gives the microcontroller
  • control device 9 of the charging system 1 is for example to the control device 9 of the charging system 1 and / or to a corresponding control unit of
  • Vehicle 3 is discharged, so that the charging process is interrupted or not started at all.
  • the respective sensor coil assemblies 13 of the primary unit 7 and the secondary unit 5 are arranged and configured such that they collectively cover an area which comprises the entire energy transfer area 10 or the entire magnetic field of the primary coil. Thus, foreign objects 11 can be detected at any point in the energy transfer area 10.
  • FIGS. 5 to 7, the respective detection ranges of the mutual sensor coil arrangements 13 are explained in greater detail.
  • a sensor coil arrangement 13 is integrated into the secondary unit 5 and a corresponding sensor coil arrangement 13 into the primary unit 7.
  • the sensor coil arrangement 13 integrated into the secondary unit 5 has a detection area
  • the charging system 1 is designed so that the two detection areas 24, 25 overlap even at a maximum possible distance d max in the vertical direction.
  • This maximum possible distance d max between the primary unit 7 and the secondary unit 5 is shown in FIG. 5 and adjusts itself with a minimum load of the vehicle 3.
  • a minimum possible distance d m i n between the primary unit 7 and the secondary unit 5 is shown in FIG 7, in which case the loading of the vehicle 3 is maximum.
  • the primary unit 7 is outside the range or the detection range 24 of the vehicle-mounted sensor coil arrangement 13.
  • the secondary unit 5 is also located outside the range or range.
  • the respective sensor coil arrangements 13 are arranged and designed so that their respective ranges are greater than half the maximum distance d max , but smaller than the minimum distance d m i n .
  • the charging station 6 for motor vehicles - especially for passenger cars - set up it can be provided that the maximum distance d max the maximum possible distance is used in all possible passenger cars. Accordingly, the minimum possible distance for all passenger cars can be used as the minimum distance d m i n . This is based on the fact that the height at which the vehicle floor is located is standardized for passenger cars and thus lies within a predetermined value range. By this procedure it is achieved that in all possible passenger cars, the respective detection areas 24, 25 overlap, without the vehicle floor itself leading to a misdetection.
  • a distance di is shown as it is set for a mean load of the vehicle 3.
  • At least one test coil may be integrated, by means of which the proper Operation of the at least one sensor coil assembly 13 can be checked.
  • the at least one test coil can be short-circuited by means of an electrical switch at predetermined times, whereby the inductance of the sensor coils 15 is also influenced, which should be determined by the evaluation device 14.
  • This Ditest Anlagenkeit prevents additional manipulation, such as by coupling an external oscillator signal with high power.

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Abstract

The aim of the invention is to a solution for the galvanically separated charging of an energy accumulator of an electrically powered vehicle (3) in a safe and reliable way. In order to achieve said aim, the invention relates to a charging system (1) comprising a primary unit (7) outside the vehicle that has a primary coil for emitting electrical power and also a secondary unit (5) on the vehicle that has a secondary coil coupled to the energy accumulator (2) for receiving the power. At least one sensor coil arrangement (13) is provided with at least one sensor coil (15) which serves for detection of an electrically conductive foreign body (11) located in a power transmission region (10) between the primary unit (7) and the secondary unit (5). An electronic evaluation unit (14) detects the foreign body (11) by means of a variable that is dependent on the inductance of the at least one sensor coil (15).

Description

Beschreibung description
Ladesystem zum galvanisch getrennten Aufladen eines Charging system for galvanic charging of a
elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, elektrisch angetriebenes Fahrzeug, Ladestation für ein Fahrzeug und entsprechendes Verfahren electrical energy storage of a vehicle, electrically powered vehicle, charging station for a vehicle and corresponding method
Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum galvanisch getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elekt- risch angetriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie, nämlich insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, bevorzugt eines Personenkraftwagens. Das Ladesystem umfasst eine fahrzeugexterne Primäreinheit mit einer Primärspule zum Abgeben von elektrischer Energie, wie auch eine fahrzeugseitige Sekundäreinheit mit einer mit dem Energiespeicher gekoppelten Sekundärspule zum Empfangen der Energie. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, eine Ladestation für ein solches Fahrzeug, wie auch ein Verfahren zum galvanisch getrennten Aufladen eines elekt- rischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie. The invention relates to a charging system for the galvanically isolated charging of an electrical energy storage of an electrically driven vehicle with electrical energy, namely in particular an electrically driven motor vehicle, preferably a passenger car. The charging system comprises a vehicle-external primary unit with a primary coil for delivering electrical energy, as well as a vehicle-side secondary unit with a coupled to the energy storage secondary coil for receiving the energy. The invention also relates to an electrically driven vehicle, a charging station for such a vehicle, as well as a method for galvanically separate charging of an electrical energy storage of an electrically driven vehicle with electrical energy.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, sind bereits Stand der Technik. Solche Fahrzeuge beinhal- ten eine elektrische Antriebsvorrichtung - nämlich einen elektrischen Antriebsmotor - und werden mit Hilfe der elektrischen Antriebsvorrichtung angetrieben. Die elektrische Antriebsvorrichtung wird mit elektrischer Energie aus einem Energiespeicher versorgt, nämlich insbesondere aus einer so genannten „Traktionsbatterie". Eine besondere Herausforderung bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen besteht darin, den Energiespeicher besonders rasch mit elektrischer Energie vollständig aufzuladen. Die derzeit verfügbaren Technologien für elektrische Energiespeicher erfordern nämlich bei wirt- schaftlich sinnvoller Auslegung ein vergleichsweise häufiges Nachladen. Bei herkömmlichen Ladesystemen stellt der Benutzer das Fahrzeug in der Nähe einer Ladestation („Ladesäule" oder aber ein entsprechender Stromanschluss ) ab und verbindet das Fahrzeug über eine elektrische Leitung mit der Ladestation. Das Aufladen des elektrischen Energiespeichers erfolgt hier auf dem herkömmlichen Wege über ein Kabel . Es sind auch komfortablere Ladesysteme bekannt, welche eine kabellose bzw. galvanisch getrennte Übertragung elektrischer Energie ermöglichen. Hierbei wird das Fahrzeug beispielsweise so über einer Bodeneinheit (Primäreinheit) abgestellt, dass eine in der Primäreinheit vorhandene Primärspule einer an dem Fahrzeugboden angeordneten Sekundärspule gegenüber steht. Die Energieübertragung erfolgt nun mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes zwischen der Primäreinheit der Ladestation einerseits und der Sekundäreinheit des Fahrzeugs andererseits. Es handelt sich hier um eine induktive Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule . Es entfällt somit das manuelle Anschließen des Fahrzeugs an eine Ladestation über entsprechende Leitungen. Der Benutzer braucht für den Ladevorgang lediglich das Fahrzeug innerhalb eines bestimmten Bereiches über der Primäreinheit abzustellen und gegebenenfalls auch den Ladevorgang freizugeben. Electrically powered vehicles, in particular motor vehicles, are already state of the art. Such vehicles include an electric drive device - namely an electric drive motor - and are driven by means of the electric drive device. The electric drive device is supplied with electrical energy from an energy store, namely in particular from a so-called "traction battery." A particular challenge with electrically driven vehicles is that the energy store can be fully charged with electrical energy very quickly In the case of conventional charging systems, the user places the vehicle in the vicinity of a charging station ("charging station" or else a corresponding power connection) and connects it Vehicle via an electrical line with the charging station. The charging of the electrical energy storage takes place here in the conventional way via a cable. There are also more comfortable charging systems are known, which allow a wireless or galvanic separation of electrical energy. In this case, for example, the vehicle is parked above a ground unit (primary unit) such that a primary coil present in the primary unit is opposite a secondary coil arranged on the vehicle floor. The energy transfer now takes place with the aid of an alternating magnetic field between the primary unit of the charging station on the one hand and the secondary unit of the vehicle on the other hand. This is an inductive coupling between the primary coil and the secondary coil. It thus eliminates the manual connection of the vehicle to a charging station via appropriate lines. For the charging process, the user only needs to park the vehicle within a certain area above the primary unit and, if necessary, also to release the charging process.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf die zuletzt beschriebene komfortablere Methode, welche das kabellose Aufladen des Energiespeichers ermöglicht. Das beschriebene komfor- table Ladesystem kann sogar ein unkompliziertes Nachladen des Fahrzeugs an vielen Orten ermöglichen, wenn entsprechende Primäreinheiten bzw. Bodeneinheiten installiert sind. Dadurch kann der Nachteil der begrenzten Kapazität des Energiespeichers in gewissen Grenzen ausgeglichen werden: Das Fahrzeug kann beispielsweise während der Parkdauer stets nachgeladen werden. Auch auf öffentlichen Parkplätzen, Parkbuchten und dergleichen erscheint somit die Installation von entsprechenden Primäreinheiten in großer Zahl sinnvoll. Würde man jedoch eine solche Vielzahl von Parkplätzen und dergleichen mit ent- sprechenden Primäreinheiten ausstatten, so hätte man mit einer neuen Herausforderung zu kämpfen: Typischerweise kann nicht jeder Parkplatz abgeschlossen bzw. überwacht werden. Da sich durch leitfähige Objekte im Bereich des magnetischen Wechselfeldes Gefährdungen ergeben, müssen solche Objekte durch geeignete Maßnahmen erkannt und gegebenenfalls die Energieübertragung nicht freigegeben bzw. abgeschaltet werden können. Das Vorhandensein von elektrisch leitfähigen Fremd- körpern in dem Bereich des magnetischen Wechselfeldes bringt nämlich das Risiko mit sich, dass sich dieser leitfähige Gegenstand erhitzen kann und außerdem die Leistungselektronik der Primäreinheit/Sekundäreinheit beschädigt werden kann. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einem Ladesystem der eingangs genannten Gattung das Aufladen des Energiespeichers besonders wirkungsvoll und betriebssicher erfolgen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ladesystem, durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, durch eine Ladestation sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Pa- tentansprüche , der Beschreibung und der Figuren. In the present case, the interest is directed to the last-described more comfortable method, which allows wireless charging of the energy storage. The described convenient charging system can even enable an uncomplicated recharging of the vehicle in many places if corresponding primary units or ground units are installed. As a result, the disadvantage of the limited capacity of the energy storage can be compensated within certain limits: The vehicle can always be recharged, for example during the parking period. Also in public parking lots, parking bays and the like thus the installation of corresponding primary units in large numbers makes sense. However, if one were to equip such a large number of parking spaces and the like with corresponding primary units, one would have to contend with a new challenge: typically, not every parking space can be completed or monitored. As a result of conductive objects in the range of magnetic Alternating field hazards, such objects must be detected by appropriate measures and, where appropriate, the energy transfer can not be enabled or disabled. The presence of electrically conductive foreign bodies in the area of the alternating magnetic field entails the risk that this conductive object may heat up and, moreover, that the power electronics of the primary unit / secondary unit may be damaged. It is an object of the invention to provide a solution, as in a charging system of the type mentioned charging the energy storage can be done very effective and reliable. This object is achieved by a charging system, by an electrically powered vehicle, by a charging station and by a method having the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims, the description and the figures.
Ein erfindungsgemäßes Ladesystem ist zum galvanisch getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie ausge- bildet. Das Ladesystem beinhaltet eine fahrzeugexterne Primäreinheit mit einer Primärspule zum Abgeben von elektrischer Energie, wie auch eine fahrzeugseitige Sekundäreinheit mit einer mit dem Energiespeicher gekoppelten Sekundärspule zum Empfangen der Energie. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule zur De- tektion eines in einem Energieübertragungsbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers bereitgestellt. Außerdem umfasst das Ladesystem auch eine elektronische Auswerteein- richtung, welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Induktivität und/oder der Güte der zumindest einen Sensorspule abhängigen Größe den elektrisch leitfähigen Fremdkörper in dem Energieübertragungsbereich zu detektieren. Die Erfindung geht also den Weg, zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers in dem Zwischenraum zwischen der Primäreinheit einerseits und der Sekundäreinheit anderer seits eine Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule einzusetzen, mittels welcher die Präsenz des Fremdkörpers auf induktivem Wege erfasst werden kann. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass durch die geplante Aus rüstung einer Vielzahl von Parkplätzen mit jeweiligen Primär einheiten zum Laden von Elektrofahrzeugen sich die Problematik ergibt, dass es überhaupt nicht möglich ist, jeden Parkplatz und somit jede Primäreinheit bzw. jeden Ladevorgang se parat zu überwachen. Die Erfindung baut ferner auf der Erkenntnis auf, dass der Zwischenraum zwischen der Primärein- heit und der Sekundäreinheit auf das Vorhandensein von elekt risch leitfähigen Fremdkörpern hin überwacht werden muss, weil solche Fremdkörper zu einer Gefährdung führen könnten, wie beispielsweise zum Erhitzen dieses Fremdkörpers oder abe zu einem Schaden an der Leistungselektronik und dergleichen. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, dass solche Fremdkörper durch geeignete Sensoren erkannt und gegebenenfalls die Energieübertragung nicht freigegeben bzw. überhaupt abgeschaltet und unterbrochen werden muss. Zunächst ließe sich die Gefährdung durch Manipulationsversuche mit Hilfe einer dauerhaften Überwachung der Parkplätze oder aber durch abschließbare Boxen umgehen. Zufällig im Bereich des Leistungs feldes befindliche leitfähige Objekte könnten dann durch manuelle Kontrolle ausfindig gemacht werden. Diese Maßnahmen sprechen jedoch gegen ein weit verbreitetes und vielfach ein gesetztes Ladeverfahren. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung ein automatisiertes bzw. automatisches Erkennen eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers in dem Energieübertragungsbereich, sodass nach Erkennen dieses Fremdkörpers der Ladevorgang gegebenenfalls unterbrochen oder aber der Start des Ladevorgangs überhaupt nicht freigegeben werden kann. Ge genüber den in der Fachwelt vorgeschlagenen Infrarotdetektoren hat die Erfindung auch den Vorteil, dass die Sensorspulenanordnung grundsätzlich bei allen denkbaren Bedingungen erfolgreich eingesetzt werden kann, während optische Systeme wenig praxistauglich sind, weil schmutzempfindlich. Das erfindungsgemäße Ladesystem ermöglicht somit eine zuverlässige Detektion von Fremdkörpern unabhängig von den herrschenden Bedingungen, insbesondere auch unabhängig von einer Verschmutzung der Primäreinheit/Sekundäreinheit. Insgesamt wird somit ein besonders betriebssicheres und zuverlässiges Aufladen des Energiespeichers ermöglicht. Hinsichtlich der Sensorspulenanordnung sind zunächst grundsätzlich zwei unterschiedliche Ausführungsformen vorgesehen: Zum einen kann die Sensorspulenanordnung eine von der Primärspule und von der Sekundärspule verschiedene Spulenanordnung sein. Dies bedeutet, dass die zumindest eine Sensorspule eine separat zur Primärspule und separat zur Sekundärspule ausgebildete Spule ist. Zum anderen kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Sensorspulenanordnung die Primärspule und/oder die Sekundärspule umfasst oder aber durch die Primärspule und/oder die Sekundärspule gebildet ist. Somit können die be- reits vorhandenen Spulen (Primärspule und/oder Sekundärspule ) auch als Sensorspulen zur Erkennung von leitfähigen Objekten im Bereich des Leistungsfeldes dienen. Hierbei kann die elektronische Auswerteeinrichtung beispielsweise induktiv an die Primärspule und/oder Sekundärspule angekoppelt werden. A charging system according to the invention is designed for electrically isolated charging of an electrical energy store of an electrically driven vehicle with electrical energy. The charging system includes a vehicle-external primary unit with a primary coil for discharging electrical energy, as well as a vehicle-side secondary unit with a coupled to the energy storage secondary coil for receiving the energy. According to the invention, at least one sensor coil arrangement is provided with at least one sensor coil for detecting an electrically conductive foreign object located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit. In addition, the charging system also includes an electronic evaluation device, which is set up to detect the electrically conductive foreign body in the energy transmission area on the basis of a variable dependent on the inductance and / or the quality of the at least one sensor coil. The invention thus goes the way, to detect an electrically conductive foreign body in the space between the primary unit on the one hand and the secondary unit on the other hand use a sensor coil arrangement with at least one sensor coil, by means of which the presence of the foreign body can be detected by inductive means. The invention is based on the finding that the planned off armor of a plurality of parking spaces with respective primary units for charging electric vehicles, the problem arises that it is not possible at all, each parking and thus each primary unit or each charging se ready to monitor. The invention further builds on the recognition that the gap between the Primärein- unit and the secondary unit must be monitored for the presence of elec trically conductive foreign bodies, because such foreign bodies could lead to a threat, such as for heating this foreign body or abe to a damage to the power electronics and the like. Another finding is that such foreign body detected by suitable sensors and, where appropriate, the energy transfer does not have to be released or even switched off and interrupted. First, the threat of manipulation attempts with the help of a permanent monitoring of parking or lockable boxes bypass. Conductive objects randomly located in the area of the power field could then be located by manual control. However, these measures argue against a widespread and frequently used charging procedure. In contrast, the invention allows an automated or automatic detection of an electrically conductive foreign body in the energy transmission area, so that after detection of this foreign body, the charging process may be interrupted or the start of the charging process can not be released at all. Ge compared to the infrared detectors proposed in the art, the invention also has the advantage that the sensor coil assembly basically in all conceivable conditions can be used successfully, while optical systems are less practical, because sensitive to dirt. The charging system according to the invention thus enables a reliable detection of foreign bodies, regardless of the prevailing conditions, in particular also independent of contamination of the primary unit / secondary unit. Overall, thus a particularly reliable and reliable charging of the energy storage is possible. With regard to the sensor coil arrangement, basically two different embodiments are initially provided: Firstly, the sensor coil arrangement can be a coil arrangement that is different from the primary coil and from the secondary coil. This means that the at least one sensor coil is a coil formed separately from the primary coil and separately from the secondary coil. On the other hand, however, it can also be provided that the sensor coil arrangement comprises the primary coil and / or the secondary coil or is formed by the primary coil and / or the secondary coil. Thus, the already existing coils (primary coil and / or secondary coil) can also serve as sensor coils for the detection of conductive objects in the region of the power field. In this case, for example, the electronic evaluation device can be inductively coupled to the primary coil and / or secondary coil.
Auch hinsichtlich der Anordnung der zumindest einen Sensorspule sind verschiedenste Ausführungsformen vorgesehen: Also with regard to the arrangement of the at least one sensor coil various embodiments are provided:
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine solche Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule in die fahrzeugexterne Primäreinheit integriert ist. Somit können leitfähige Fremdkörper detektiert werden, welche näher der Primärspule als der Sekundärspule liegen. Außerdem hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass die Fremdkörper somit auch beim Aufladen des Energiespeichers eines solchen Fahrzeugs detektiert werden können, dessen Sekundäreinheit über keine entsprechende Sensorspulenanordnung verfügt. Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine solche Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule in die fahrzeuginterne Sekundäreinheit integriert ist. Somit wiederum lassen sich leitfähige Fremdkörper besonders zuverlässig detektieren, welche in Fahrzeughochrichtung bzw. in vertikaler Richtung näher dem Fahrzeugboden als der Primäreinheit liegen. In one embodiment, it is provided that such a sensor coil arrangement is integrated with at least one sensor coil in the vehicle-external primary unit. Thus, conductive foreign bodies closer to the primary coil than the secondary coil can be detected. In addition, this embodiment has the advantage that the foreign body can thus be detected even when charging the energy storage of such a vehicle whose secondary unit has no corresponding sensor coil arrangement. Additionally or alternatively, it can also be provided that such a sensor coil arrangement is integrated with at least one sensor coil in the vehicle-internal secondary unit. Thus, in turn, conductive foreign bodies can be detected particularly reliably, which lie in the vehicle vertical direction or in the vertical direction closer to the vehicle floor than the primary unit.
Es erweist sich dabei als vorteilhaft, wenn jeweilige Sensorspulenanordnungen je mit zumindest einer Sensorspule sowohl in die Primäreinheit als auch in die Sekundäreinheit integriert sind. Dies hat den Vorteil, dass leitfähige Fremdkörper innerhalb des gesamten Höhenbereiches zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit detektiert werden können, ohne dass der Fahrzeugboden selbst oder aber im unteren Bereich des Fahrzeugs befindliche Metallteile fälschlicherweise als Fremdkörper detektiert werden. Die beiderseitigen Sensorspulenanordnungen können nämlich in vertikaler Richtung solche Reichweiten aufweisen, die sich gegenseitig überlappen, die jedoch einzeln geringer als ein minimal möglicher Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit sind. Somit wird der gesamte Höhenbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit in vertikaler Richtung abgedeckt und kann folglich auf das Vorhandensein von Fremdkörpern hin überprüft werden, wobei die Metallteile des Kraftfahrzeugs außerhalb des Erfassungsbereiches der primärseitigen Sensorspulenanordnung liegen und somit keine Fehldetektion verursachen können. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, vor dem Start eines Ladevorgangs und/oder während des Ladevorgangs den Energieübertragungsbereich auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers hin zu überprüfen. Insbesondere wird der Energieübertragungsbe- reich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit kontinuierlich bzw. fortlaufend mittels der Auswerteeinrichtung auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers hin überwacht. Dieses Überwachen beginnt vorzugsweise noch vor dem Einleiten des Ladevorgangs und dauert bevorzugt wenigstens bis zum Ab- schluss des Ladevorgangs. Somit ist der Ladevorgang besonders sicher . Um die Sicherheit auf ein Maximum zu bringen, kann die Auswerteeinrichtung nach Erkennen eines Fremdkörpers in den Energieübertragungsbereich ein Signal ausgeben, aufgrund dessen ein Ladevorgang unterbrochen bzw. der Start eines Ladevorgangs verhindert wird. It proves to be advantageous if respective sensor coil arrangements are each integrated with at least one sensor coil both in the primary unit and in the secondary unit. This has the advantage that conductive foreign bodies can be detected within the entire height range between the primary unit and the secondary unit without incorrectly detecting the vehicle floor itself or metal parts located in the lower area of the vehicle as foreign bodies. Namely, the mutual sensor coil assemblies may have such ranges in the vertical direction that overlap each other, but are individually less than a minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit. Thus, the entire height range between the primary unit and the secondary unit is covered in the vertical direction and thus can be checked for the presence of foreign matter, wherein the metal parts of the motor vehicle outside the detection range of the primary-side sensor coil assembly and thus can not cause misdetection. In one embodiment, it is provided that the evaluation device is set up to check the energy transfer region for the presence of a foreign body before the start of a charging process and / or during the charging process. In particular, the energy transfer area between the primary unit and the secondary unit is continuously or continuously monitored by means of the evaluation device for the presence of a foreign body. This monitoring preferably begins before the initiation the charging process and preferably lasts at least until the completion of the charging process. Thus, the charging process is very safe. To bring the security to a maximum, the evaluation device can output a signal after detection of a foreign body in the energy transmission area, due to which a charging process is interrupted or the start of a charging process is prevented.
Die zumindest eine Sensorspule ist bevorzugt eine planare bzw. flächige Sensorspule. Besonders bevorzugt umfasst die Sensorspulenanordnung eine Vielzahl von solchen planaren Sensorspulen, welche in einer gemeinsamen Ebene - beispielsweise auch auf einer gemeinsamen Leiterplatte - angeordnet sind. The at least one sensor coil is preferably a planar or planar sensor coil. Particularly preferably, the sensor coil arrangement comprises a multiplicity of such planar sensor coils which are arranged in a common plane, for example also on a common printed circuit board.
Bei der Sensorspulenanordnung kann es sich somit um eine flächige Anordnung mehrerer Spulen handeln, welche derart dimensioniert sind, dass mit ihrer Hilfe leitfähige Gegenstände bestimmter Größe noch bis zu einem gewissen Abstand (bevorzugt kleiner als ein minimaler Abstand zwischen Primäreinheit und Sekundäreinheit) detektiert werden können. Die flächige bzw. planare Ausgestaltung der Sensorspulenanordnung sorgt insbesondere für eine kompakte Anordnung, welche beispiels- weise in die Primäreinheit und/oder Sekundäreinheit problemlos integriert werden kann. Eine spiralförmige Ausgestaltung der Sensorspulen in einer Ebene hat neben dem erwähnten Vorteil in Bezug auf den flachen und einfachen Aufbau auch funktionelle Vorteile, nämlich insbesondere hinsichtlich der Aus- prägung des magnetischen Feldes. The sensor coil arrangement can thus be a planar arrangement of a plurality of coils which are dimensioned in such a way that conductive objects of a specific size can still be detected up to a certain distance (preferably smaller than a minimum distance between primary unit and secondary unit). The planar or planar configuration of the sensor coil arrangement provides, in particular, for a compact arrangement which, for example, can be easily integrated into the primary unit and / or secondary unit. A helical configuration of the sensor coils in a plane has, in addition to the mentioned advantage with respect to the flat and simple construction, also functional advantages, namely in particular with regard to the characterization of the magnetic field.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Sensorspule - insbesondere die Vielzahl von Sensorspulen - als Leiterbahnstruktur auf einer flexiblen Leiterplatte ausgebildet. Die Anordnung der Sensorspulenanordnung auf einer flexiblen Leiterplatte hat den Vorteil, dass die gesamte Sensorspulenanordnung verhältnismäßig wenig Bauraum beansprucht und sich somit selbst in die Sekundäreinheit des Fahrzeugs integrieren lässt, in welcher bekanntlich nur wenig Bauraum zur Verfügung steht. Preferably, the at least one sensor coil-in particular the multiplicity of sensor coils-is designed as a printed conductor structure on a flexible printed circuit board. The arrangement of the sensor coil assembly on a flexible printed circuit board has the advantage that the entire sensor coil assembly requires relatively little space and thus even in can integrate the secondary unit of the vehicle, in which, as we know, little space is available.
Die flexible Leiterplatte kann auf einfache Art in das Gehäu- se der Primäreinheit und/oder Sekundäreinheit eingelegt werden. Durch die flächige Anordnung der einzelnen Spulen wird eine gleichmäßige Abdeckung des Erfassungsbereiches erzielt. Befinden sich in der Nähe einer einzelnen Spule besondere Objekte im Gehäuse, wie beispielsweise Befestigungsschrauben, so kann dem Einfluss dieser besonderen Objekte durch eine modifizierte Geometrie bei der betreffenden Spule Rechnung getragen werden. Bei einer flächigen Anordnung von Spulen kann also die Geometrie derjenigen Spule, in deren Nähe bzw. in deren Feld sich besondere Objekte (eigene leitfähige Objekte des Systems) in oder am Gehäuse befinden (etwa Befestigungsschrauben) derart modifiziert werden, dass sich ein gleiches oder aber ein ähnliches Verhalten - insbesondere eine gleiche Feldverteilung - wie bei den übrigen Spulen ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorspulenanordnung in vertikaler Richtung eine Reichweite aufweist, welche größer als die Hälfte eines maximal möglichen Abstands zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit ist. Dies bedeutet, dass mittels der Sensorspulenanord- nung die leitfähigen Fremdkörper bis zu einem Abstand detektiert werden können, welcher größer als die Hälfte des maximal möglichen Abstands zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit ist. Somit wird erreicht, dass alle in der Nähe der Sensorspulenanordnung befindlichen Fremdkörper detektiert werden können, also diejenigen Fremdkörper, welche in dem relevanten Energieübertragungsbereich liegen. The flexible circuit board can be easily inserted into the housing of the primary unit and / or secondary unit. Due to the planar arrangement of the individual coils, a uniform coverage of the detection range is achieved. If there are special objects in the housing in the vicinity of a single coil, such as fastening screws, the influence of these special objects can be taken into account by means of a modified geometry in the coil in question. In the case of a two-dimensional arrangement of coils, therefore, the geometry of that coil in whose vicinity or in the field special objects (own conductive objects of the system) are located in or on the housing (such as fastening screws) can be modified in such a way that an identical or otherwise a similar behavior - in particular an equal field distribution - as in the other coils results. In a preferred embodiment, it is provided that the sensor coil arrangement has a range in the vertical direction which is greater than half the maximum possible distance between the primary unit and the secondary unit. This means that by means of the sensor coil arrangement, the conductive foreign bodies can be detected up to a distance which is greater than half the maximum possible distance between the primary unit and the secondary unit. It is thus achieved that all foreign bodies located in the vicinity of the sensor coil arrangement can be detected, that is to say those foreign bodies which lie in the relevant energy transmission area.
Es erweist sich auch als besonders vorteilhaft, wenn die Reichweite der Sensorspulenanordnung in vertikaler Richtung kleiner als ein minimal möglicher Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit ist. Somit wiederum kann verhindert werden, dass die metallischen Bauteile des Fahr- zeugbodens zu einer Fehldetektion und somit zu einem ungewollten Unterbrechen des Ladevorgangs führen. It also proves to be particularly advantageous if the range of the sensor coil arrangement in the vertical direction is smaller than a minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit. Thus, in turn, it can be prevented that the metallic components of the driving soil to lead to a misdetection and thus to an unwanted interruption of the charging process.
Bei dem maximal möglichen bzw. den minimal möglichen Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit werden insbesondere Abstände verstanden, die sich bei einem unbela- denen Kraftfahrzeug einerseits bzw. einem Kraftfahrzeug mit maximaler Beladung andererseits ergeben. Bei Ladestationen für Kraftfahrzeuge, etwa für Personenkraftwagen, können der minimale und der maximale Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit unter Berücksichtigung der jeweiligen Höhen aller auf den Markt vorhandener Kraftfahrzeuge bestimmt werden. Wird die Ladestation für Kraftfahrzeuge - insbesondere für Personenkraftwagen - aufgestellt, so kann vorgesehen sein, dass als maximaler Abstand der maximal mögliche Abstand bei allen möglichen Personenkraftwagen verwendet wird. Entsprechend kann als minimaler Abstand der minimal mögliche Abstand bei allen Personenkraftwagen verwendet werden. Dies beruht darauf, dass die Höhe, auf welcher der Fahrzeugboden liegt, bei Personenkraftwagen standardisiert ist und somit bei einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, dass bei allen möglichen Personenkraftwagen sich die jeweiligen Erfassungsbereiche überlappen, ohne dass der Fahrzeugboden selbst zu einer Fehldetektion führt. Wird die Ladestation hingegen für andere Arten vonThe maximum possible or the minimum possible distance between the primary unit and the secondary unit is understood in particular to mean distances which result in an unladen motor vehicle on the one hand or a motor vehicle with maximum load on the other hand. For motor vehicle charging stations, such as passenger cars, the minimum and maximum distances between the primary unit and the secondary unit may be determined taking into account the respective heights of all motor vehicles on the market. If the charging station for motor vehicles - especially for passenger cars - set up, it can be provided that is used as the maximum distance of the maximum distance in all possible passenger cars. Accordingly, the minimum possible distance for all passenger cars can be used as the minimum distance. This is based on the fact that the height at which the vehicle floor is located is standardized for passenger cars and thus lies within a predetermined value range. As a result of this procedure, it is achieved that the respective detection areas overlap in all possible passenger cars without the vehicle floor itself leading to a misdetection. If the charging station, however, for other types of
Fahrzeugen - etwa Lastwagen oder aber Reinigungsfahrzeuge - bestimmt, so kann die Bestimmung des maximalen und des minimalen Abstands unter Berücksichtigung der jeweiligen Fahrzeugart erfolgen. Vehicles - such as trucks or cleaning vehicles - determined, so the determination of the maximum and minimum distance can be made taking into account the respective vehicle.
Wie bereits ausgeführt, können auch jeweilige Sensorspulenanordnungen sowohl in die Primäreinheit als auch in die Sekundäreinheit integriert sein, nämlich derart, dass sich jeweilige Erfassungsbereiche der beiderseitigen Sensorspulenanord- nungen in vertikaler Richtung überlappen. Somit wird der gesamte Höhenbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit hinsichtlich der Detektion von Fremdkörpern abge- deckt, und es werden außerdem Fehldetektionen auf Grund von festen Fahrzeugteilen verhindert. As already explained, respective sensor coil arrangements can also be integrated into both the primary unit and the secondary unit, namely in such a way that respective detection areas of the mutual sensor coil arrangements overlap in the vertical direction. Thus, the entire height range between the primary unit and the secondary unit is deducted with respect to the detection of foreign bodies. covers, and it also misdetections are prevented due to fixed vehicle parts.
Der oben genannte Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit entspricht im Wesentlichen der Entfernung zwischen dem Fahrzeugboden einerseits und dem Boden der Ladestation andererseits. Die Sekundäreinheit wird nämlich in der Regel am Fahrzeugboden bzw. unterhalb des Kraftfahrzeugs montiert und bildet somit auch selbst den Fahrzeugboden. The above-mentioned distance between the primary unit and the secondary unit essentially corresponds to the distance between the vehicle floor on the one hand and the floor of the charging station on the other. The secondary unit is in fact usually mounted on the vehicle floor or below the motor vehicle and thus also forms the vehicle floor itself.
Leitfähige Gegenstände im Bereich des Leistungsfeldes, also im Energieübertragungsbereich können beim induktiven Laden also durch geeignete Spulensysteme bzw. jeweilige Sensorspulenanordnungen erkannt werden. Um den gesamten Bereich zwi- sehen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit überwachen zu können, jedoch Fehlauslösungen durch den Fahrzeugboden oder Metallteile im unteren Bereich des Fahrzeugs zu vermeiden, wird vorliegend - wie bereits ausgeführt - der Einbau der vorgestellten Sensorspulenanordnungen in beide Einheiten vor- geschlagen. Der Erfassungsbereich der beiden SpulensystemeConductive objects in the area of the power field, ie in the energy transmission area, can therefore be detected by inductive charging by means of suitable coil systems or respective sensor coil arrangements. In order to be able to monitor the entire area between the primary unit and the secondary unit, but avoid false triggering by the vehicle floor or metal parts in the lower area of the vehicle, the installation of the presented sensor coil arrangements in this case is proposed here-as already explained. The detection range of the two coil systems
(also der maximale Abstand zwischen dem Spulensystem und einem leitfähigen Fremdkörper) lässt sich den Anforderungen entsprechend dimensionieren. Die Reichweite jeder Spulenanordnung beträgt dabei bevorzugt etwas mehr als die Hälfte des maximalen Abstandes zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit (bei minimaler Beladung) , ist aber eindeutig geringer als der minimale Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit (bei maximaler Beladung) . Damit können beim induktiven Laden Fahrzeuge mit unterschiedlicher Be- ladung und Fahrzeugtypen mit voneinander abweichenden Bodenfreiheiten auf metallische Fremdkörper im Energieübertragungsbereich überwacht und damit sicher geladen werden. (So the maximum distance between the coil system and a conductive foreign body) can be sized according to the requirements. The range of each coil assembly is preferably slightly more than half the maximum distance between the primary unit and the secondary unit (at minimum load), but is clearly less than the minimum distance between the primary unit and the secondary unit (at maximum load). With inductive charging, vehicles with different loading and vehicle types with differing ground clearances on metallic foreign bodies in the energy transmission area can be monitored and therefore safely charged.
Je nach Beladungszustand überschneiden sich somit die Erfas- sungsbereiche der beiden Sensorspulenanordnungen nur leicht (ohne Beladung) oder auch etwas weiter (mittlere bzw. große Beladung des Fahrzeugs) . Durch die dargestellte Auslegung der beiden Sensorspulenanordnungen ist also stets gewährleistet, dass ein eingebrachtes, leitfähiges Objekt zu jedem Zeitpunkt und unabhängig von der aktuellen Beladung des Fahrzeugs - und insbesondere auch unabhängig von dem jeweiligen Fahrzeugmodell - erkannt werden kann, aber der Fahrzeugboden bzw. Ka- rosserieteile im unteren Bereich des Fahrzeugs zu keiner Fehlauslösung des Systems führen. Depending on the load state, the detection ranges of the two sensor coil arrangements thus overlap only slightly (without loading) or somewhat further (medium or large load of the vehicle). The represented design of the two sensor coil arrangements thus always ensures that that an introduced, conductive object can be detected at any time and independently of the current loading of the vehicle - and in particular also independently of the respective vehicle model - but the vehicle floor or body parts in the lower area of the vehicle do not cause a false triggering of the system ,
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sensorspulenanordnung zumindest eine Testspule zugeordnet ist, mittels welcher die ordnungsgemäße Funktionsweise der Sensorspulenanordnung überprüft werden kann. Diese Überprüfung erfolgt insbesondere durch Kurzschließen der Testspule. Die zumindest eine Testspule ist vorzugsweise ober- oder unterhalb der Sensorspulenanordnung angeordnet. Wird beispielsweise die Test- spule zu vorbestimmten Zeitpunkten - insbesondere durch die Auswerteeinrichtung veranlasst - kurzgeschlossen, so sollte dies durch die Auswerteeinrichtung anhand der überwachten, von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule abhängigen Größe festgestellt werden. Das Kurzschließen kann z.B. mit Hilfe eines Relais erfolgen, bei welchem ein Schließkontakt die betreffende Testspule kurzschließt. Diese Selbsttest-Möglichkeit verhindert zusätzliche Manipulationen, wie beispielsweise das Einkoppeln eines „passenden" Oszillatorsignals mit einer hohen Leistung, um die Erkennung von leit- fähigen Objekten im Bereich des Leistungsfeldes zu verhindern . In one embodiment, it is provided that the sensor coil arrangement is assigned at least one test coil, by means of which the proper functioning of the sensor coil arrangement can be checked. This check is carried out in particular by short-circuiting the test coil. The at least one test coil is preferably arranged above or below the sensor coil arrangement. If, for example, the test coil is short-circuited at predetermined times, in particular by the evaluation device, this should be determined by the evaluation device on the basis of the monitored variable, which is dependent on the inductance of the at least one sensor coil. Short-circuiting may e.g. by means of a relay in which a make contact shorts the relevant test coil. This self-test capability prevents additional manipulation, such as coupling a high-power "matching" oscillator signal to prevent detection of conductive objects in the area of the power field.
Bevorzugt weist die Auswerteeinrichtung einen Oszillator zum Bereitstellen eines Oszillatorsignals auf, dessen Frequenz abhängig von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule veränderbar ist. Dann kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, anhand der Frequenz des Oszillatorsignals als Größe festzustellen, ob oder ob nicht ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper in dem Energieübertragungsbereich liegt. Beinhaltet die Sensorspulenanordnung mehrere Sensorspulen, so kann jede der Sensorspulen oder wahlweise eine beliebige Gruppe - etwa Reihenschaltung - aus mehreren oder sogar allen Spulen an den Oszillator der Auswerteeinrichtung angeschlos- sen sein. Dies bedeutet, dass jeder Sensorspule ein separater Oszillator zugeordnet werden kann oder aber alternativ eine Gruppe von Sensorspulen mit einem gemeinsamen Oszillator gekoppelt sein können. Die zumindest eine Sensorspule kann da- bei als Induktivität eines LC-Sinusoszillators dienen, wobei als LC-Os zillator eine aus einschlägiger Literatur bekannte Grundschaltung verwendet werden kann. Die Schwingfrequenz des Oszillators - also die Frequenz des Oszillatorsignals - hängt unter anderem von der Induktivität der zumindest einen Sen- sorspule ab. Deren effektive Induktivität wiederum wird durch leitfähige Objekte in ihrem Umfeld beeinflusst. Das magnetische Feld der Spule induziert nämlich Ströme in den leitfähigen Fremdkörper, und es bilden sich hier Wirbelströme aus, die wiederum eine Rückwirkung auf das magnetische Feld der Sensorspule haben. Somit verändert sich auch die Frequenz des Oszillatorsignals bei Vorhandensein von leitfähigen Fremdkörpern in dem Energieübertragungsbereich. Mit modernen Mikro- controllern ist dann eine Bestimmung der aktuellen Frequenz des Oszillatorsignals ohne viel Aufwand und mit hoher Genau- igkeit möglich. Wird nunmehr ein bestimmter Wertebereich für gerade noch zulässige Frequenzabweichungen festgelegt, so kann mit dieser Anordnung das Einbringen von leitfähigen Objekten in den Energieübertragungsbereich erkannt werden. Als überwachte Größe können ergänzend oder alternativ auch weitere Eigenschaften der Sensorspulenanordnung definiert werden, wie beispielsweise eine Spulengüte und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung an der zumindest einen Sensorspule und/oder eine Ausgangsamplitude des Oszillatorsignals. Preferably, the evaluation device has an oscillator for providing an oscillator signal whose frequency can be changed depending on the inductance of the at least one sensor coil. The evaluation device can then be set up to determine, on the basis of the frequency of the oscillator signal as a variable, whether or not an electrically conductive foreign body is located in the energy transmission region. If the sensor coil arrangement contains a plurality of sensor coils, each of the sensor coils or, optionally, any desired group - for example series connection - can be connected to the oscillator of the evaluation device from a plurality or even all of the coils. be sen. This means that each sensor coil can be assigned a separate oscillator or, alternatively, a group of sensor coils can be coupled to a common oscillator. The at least one sensor coil can serve as an inductor of an LC sine oscillator, wherein a basic circuit known from the relevant literature can be used as LC oscillator. The oscillation frequency of the oscillator-that is, the frequency of the oscillator signal-depends, inter alia, on the inductance of the at least one sensor coil. Their effective inductance in turn is influenced by conductive objects in their environment. Namely, the magnetic field of the coil induces currents into the conductive foreign body, and eddy currents are formed here, which in turn have a retroactive effect on the magnetic field of the sensor coil. Thus, the frequency of the oscillator signal also changes in the presence of conductive foreign bodies in the energy transfer region. With modern micro-controllers, it is then possible to determine the current frequency of the oscillator signal without much effort and with high accuracy. Now, if a certain range of values for just allowable frequency deviations set, so can be detected with this arrangement, the introduction of conductive objects in the energy transmission area. As a monitored variable, additional or alternatively further properties of the sensor coil arrangement can be defined, such as a coil quality and / or a phase shift between the current and the voltage at the at least one sensor coil and / or an output amplitude of the oscillator signal.
Hinsichtlich der Anordnung der Auswerteeinrichtung sind auch unterschiedliche Ausführungsformen vorgesehen: Insbesondere wird die Auswerteeinrichtung in diejenige Einheit - Primär- einheit bzw. Sekundäreinheit - integriert, in welche auch die Sensorspulenanordnung integriert ist. Werden zwei solche Sensorspulenanordnungen verwendet, nämlich eine in der Primäreinheit sowie eine in der Sekundäreinheit, so können auch zwei separate elektronische Auswerteeinrichtungen eingesetzt werden, nämlich eine Auswerteeinrichtung in der Primäreinheit, sowie eine separate Auswerteeinrichtung in der Sekundäreinheit . With regard to the arrangement of the evaluation device, different embodiments are also provided: In particular, the evaluation device is integrated into that unit-primary unit or secondary unit-into which the sensor coil arrangement is also integrated. If two such sensor coil arrangements are used, namely one in the primary unit and one in the secondary unit, so too two separate electronic evaluation devices are used, namely an evaluation in the primary unit, and a separate evaluation in the secondary unit.
Die Auswerteeinrichtung kann außerdem auf der gemeinsamen Leiterplatte wie die Sensorspulenanordnung angeordnet sein, nämlich insbesondere auf einer flexiblen Leiterplatte. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Auswerteein- richtung auf einer separaten Leiterplatte angeordnet ist, also auf einer anderen Leiterplatte als die Sensorspulenanordnung. Dann kann die Auswerteeinrichtung mit der zumindest einen Sensorspule über geeignete Verbindungstechniken - galvanisch oder aber galvanisch getrennt - gekoppelt sein. So kann beispielsweise die Auswerteeinrichtung mittels Feldkopplung an die zumindest eine Sensorspule angekoppelt sein. Beispielsweise können sich hier größere leitfähige Flächen auf der flexiblen Leiterplatte einerseits und auf der Auswerteeinrichtung andererseits gegenüberstehen, so dass diese kapa- zitiv miteinander gekoppelt sind. Eine weitere Möglichkeit zur Kopplung würden sich gegenüberstehende, in die jeweiligen Leiterplatten integrierte Spulen darstellen, wobei hier eine induktive Kopplung gegeben ist. Es sind grundsätzlich alle Arten einer Feldkopplung denkbar: kapazitiv, induktiv und/oder elektromagnetisch. The evaluation device can also be arranged on the common printed circuit board as the sensor coil arrangement, namely in particular on a flexible printed circuit board. Alternatively, however, it can also be provided that the evaluation device is arranged on a separate printed circuit board, that is to say on a different printed circuit board than the sensor coil arrangement. The evaluation device can then be coupled to the at least one sensor coil via suitable connection techniques-galvanically or else galvanically separated. For example, the evaluation device can be coupled to the at least one sensor coil by means of field coupling. By way of example, larger conductive areas on the flexible printed circuit board on the one hand and on the evaluation device on the other hand can oppose each other, so that they are capacitively coupled to one another. Another possibility for coupling would be opposing coils integrated into the respective circuit boards, in which case an inductive coupling is provided. In principle, all types of field coupling are conceivable: capacitive, inductive and / or electromagnetic.
Unter einem Fahrzeug wird vorliegend insbesondere ein Kraftfahrzeug verstanden, nämlich bevorzugt ein Personenkraftwagen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein Kraftfahrzeug be- schränkt und kann auch bei anderen elektrisch angetriebenen Fahrzeugarten angewendet werden, wie beispielsweise bei autark fahrenden Reinigungsmaschinen, insbesondere für Firmengebäude, Gepäcktransportwagen auf Flughäfen, Gabelstapler und dergleichen. Entscheidend ist lediglich, dass der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs auf induktivem Wege über einen Transformator einschließlich einer Primärspule sowie einer Sekundärspule aufgeladen wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, welches eine elektrische Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Fahrzeugs aufweist, wie auch einen elektrischen Energiespeicher, welcher elektrische Energie für die AntriebsVorrichtung bereitstellt. Das Fahrzeug umfasst auch eine Sekundäreinheit mit einer Sekundärspule, welche zum Aufladen des Energiespeichers mit elektrischer Energie mit einer fahrzeugexternen Primärspule einer Primäreinheit induktiv koppelbar ist. In dem Fahrzeug ist eine, insbesondere in die Sekundäreinheit integrierte,In the present case, a vehicle is understood to mean in particular a motor vehicle, namely preferably a passenger car. However, the invention is not limited to a motor vehicle and can also be applied to other electrically powered vehicle types, such as self-propelled cleaning machines, especially for corporate buildings, baggage trolleys at airports, forklifts and the like. It is only crucial that the electrical energy storage of the vehicle is charged by inductive means via a transformer including a primary coil and a secondary coil. The invention also relates to an electrically driven vehicle, in particular a motor vehicle, which has an electric drive device for driving the vehicle, as well as an electrical energy storage, which provides electrical energy for the drive device. The vehicle also includes a secondary unit with a secondary coil, which can be inductively coupled to charge the energy store with electrical energy with a vehicle-external primary coil of a primary unit. In the vehicle is a, especially in the secondary unit integrated,
Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule bereitgestellt, welche zur Detektion eines in einem Energieübertragungsbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers dient. Das Fahrzeug umfasst außerdem eine, beispielsweise auch in die Sekundäreinheit integrierte, elektronische Auswerteeinheit, welche anhand einer von der Induktivität und/oder der Güte der zumindest einen Sensorspule abhängigen Größe den elektrisch leitfähigen Fremdkörper in dem Energieübertra- gungsbereich detektieren kann. Sensor coil assembly provided with at least one sensor coil, which is used for detecting a located in a power transmission area between the primary unit and the secondary unit, electrically conductive foreign body. The vehicle also includes an electronic evaluation unit, which is also integrated, for example, in the secondary unit and which can detect the electrically conductive foreign body in the energy transmission range on the basis of a variable dependent on the inductance and / or the quality of the at least one sensor coil.
Eine erfindungsgemäße Ladestation für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug ist zum galvanischen getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs mit elekt- rischer Energie ausgebildet und umfasst eine Primäreinheit einschließlich einer Primärspule, welche zum Aufladen des Energiespeichers mit elektrischer Energie mit einer fahrzeug- seitigen Sekundärspule einer Sekundäreinheit des Fahrzeugs induktiv gekoppelt werden kann. Die Ladestation umfasst eine, insbesondere in die Primäreinheit integrierte, Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensorspule zur Detektion eines in einem Energieübertragungsbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers. Die Ladestation umfasst auch eine, insbe- sondere in die Primäreinheit integrierte, elektronische Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, anhand einer von der Induktivität und/oder der Güte der zumindest einen Sen- sorspule abhängigen Größe den elektrisch leitfähigen Fremdkörper in dem Energieübertragungsbereich zu detektieren. A charging station according to the invention for an electrically driven vehicle is designed for galvanically separate charging of an electrical energy store of the vehicle with electrical energy and comprises a primary unit including a primary coil, which for charging the energy storage with electrical energy with a vehicle-side secondary coil of a secondary unit of the vehicle can be inductively coupled. The charging station comprises a sensor coil arrangement, in particular integrated in the primary unit, with at least one sensor coil for detecting an electrically conductive foreign body located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit. The charging station also includes an electronic evaluation device which is integrated in particular in the primary unit and which is designed to use one of the inductance and / or the quality of the at least one sensor. Sorspule dependent size to detect the electrically conductive foreign body in the energy transfer area.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum galvanisch ge- trennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie durch Abgeben von elektrischer Energie durch eine fahrzeugexterne Primärspule einer Primäreinheit, wie auch durch Empfangen der Energie durch eine mit dem Energiespeicher gekoppelte fahrzeugseitige Sekundärspule einer Sekundäreinheit des Fahrzeugs. Es erfolgt ein Detektieren eines in einem Energieübertragungsbereich zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers mit Hilfe einer Sensorspulenanordnung mit zumindest einer Sensor- spule, wobei der elektrisch leitfähige Fremdkörper in dem Energieübertragungsbereich mittels einer mit der zumindest einen Sensorspule gekoppelten elektronischen Auswerteeinrichtung anhand einer von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule abhängigen Größe detektiert wird. The invention also includes a method for the galvanically isolated charging of an electrical energy store of an electrically driven vehicle with electrical energy by discharging electrical energy through a vehicle-external primary coil of a primary unit, as well as by receiving the energy through a coupled to the energy storage vehicle-side secondary coil of a secondary unit of the vehicle. A electrically conductive foreign body located in an energy transfer area between the primary unit and the secondary unit is detected by means of a sensor coil arrangement having at least one sensor coil, wherein the electrically conductive foreign body in the energy transfer area by means of an electronic evaluation device coupled to the at least one sensor coil is detected by the inductance of the at least one sensor coil dependent size.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Ladesystem vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrzeug, für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für die erfindungsgemäße Lade- Station. The preferred embodiments presented with reference to the charging system according to the invention and their advantages apply correspondingly to the vehicle according to the invention, to the method according to the invention and to the charging station according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreiben . Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinati- onen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the figures. All the features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es sei an dieser Stelle betont, dass das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung darstellt und die Erfindung somit nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. The invention will now be explained with reference to a preferred embodiment, as well as with reference to the accompanying drawings. It should be emphasized at this point that the embodiment described below represents only an exemplary embodiment of the invention and the invention is therefore not limited to this embodiment.
Es zeigen: Show it:
FIG 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht eines Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 shows a schematic representation of a side view of a charging system according to an embodiment of the invention;
FIG 2 bis 4 in schematischer Darstellung das Ladesystem gemäß FIG 1, wobei unterschiedliche Positionen eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers in einem Energieübertragungsbereich dargestellt sind; Figures 2 to 4 in a schematic representation of the charging system according to FIG 1, wherein different positions of an electrically conductive foreign body are shown in a power transmission area;
FIG 5 bis 7 das System gemäß FIG 1, wobei unterschiedliche 5 to 7, the system according to FIG 1, wherein different
Abstände zwischen einer Primäreinheit und ei- ner Sekundäreinheit aufgrund von unterschiedlichen Beladungs zuständen eines Kraftfahrzeugs dargestellt sind;  Distances between a primary unit and a secondary unit due to different loading states of a motor vehicle are shown;
FIG 8 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine Sensorspulenanordnung; und 8 shows a schematic representation of a plan view of a sensor coil arrangement; and
FIG 9 ein Blockschaltbild einer elektronischen Auswerteeinrichtung, welche mit der Sensorspulenanordnung gekoppelt ist. 9 shows a block diagram of an electronic evaluation device, which is coupled to the sensor coil arrangement.
Ein in FIG 1 in schematischer Darstellung gezeigtes Ladesystem 1 dient zum Aufladen eines Energiespeichers 2 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 3 mit elektrischer Energie. Das Fahrzeug 3 ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug, et- wa ein Personenkraftwagen. Mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 2 wird dabei eine elektrische Antriebsvorrichtung 4 versorgt, welche zum Antreiben des Fahrzeugs 3 ausgebildet ist. Die Antriebsvorrichtung 4 ist also ein elektrischer Antriebsmotor, mittels welchem die Räder des Fahrzeugs 3 angetrieben werden. A charging system 1 shown schematically in FIG. 1 serves to charge an energy storage device 2 of an electrically driven vehicle 3 with electrical energy. The vehicle 3 is for example a motor vehicle, for example a passenger car. With electrical energy from the energy storage device 2 while an electric drive device 4 is supplied, which is designed for driving the vehicle 3. The drive device 4 is thus a electric drive motor, by means of which the wheels of the vehicle 3 are driven.
Der Energiespeicher 2 ist eine Fahrzeugbatterie, welche neben der Antriebsvorrichtung 4 auch weitere Komponenten im Fahrzeug 3 versorgen kann. Der Energiespeicher 2 wird kabellos mit elektrischer Energie aufgeladen. Zu diesem Zwecke ist der Energiespeicher 2 mit einer Sekundäreinheit 5 des Fahrzeugs 3 elektrisch verbunden. Diese Sekundäreinheit 5 ist im Bodenbe- reich des Fahrzeugs 3 angeordnet, etwa unterhalb des Bodens oder aber in den Fahrzeugboden integriert . Die Anordnung der Sekundäreinheit 5 im vorderen Bereich des Fahrzeugs 3 ist lediglich beispielhaft dargestellt, die Sekundäreinheit 5 kann auch beispielsweise - in Längsrichtung des Fahrzeugs 3 gese- hen - im mittleren Bereich oder aber auch im Heckbereich des Fahrzeugs 3 liegen. The energy storage 2 is a vehicle battery, which can supply not only the drive device 4 but also other components in the vehicle 3. The energy storage 2 is charged wirelessly with electrical energy. For this purpose, the energy storage device 2 is electrically connected to a secondary unit 5 of the vehicle 3. This secondary unit 5 is arranged in the floor area of the vehicle 3, for example below the floor or integrated in the vehicle floor. The arrangement of the secondary unit 5 in the front region of the vehicle 3 is shown merely by way of example; the secondary unit 5 can also be located in the middle region or else in the rear region of the vehicle 3, for example-viewed in the longitudinal direction of the vehicle 3.
Die Sekundäreinheit 5 kann beispielsweise ein Gehäuse aufweisen, in welchem die zur Sekundäreinheit 5 zugehörigen Kompo- nenten untergebracht sein können. Zu diesen Komponenten gehört insbesondere eine Sekundärspule, über welche der Energiespeicher 2 transformatorisch mit elektrischer Energie aufgeladen werde kann. Diese Sekundärspule ist mit dem Energiespeicher 2 elektrisch verbunden. Diese Spule kann beispiels- weise eine planare Spule sein, deren Wicklungen alle in einer Ebene liegen, wobei diese Spule auf einer Leiterplatte angeordnet sein kann. Im Ausführungsbeispiel ist die gesamte Sekundäreinheit 5 flächig ausgeführt, so dass ihre Erstreckung in Fahrzeuglängsrichtung und Fahrzeugquerrichtung deutlich größer als die Erstreckung in Fahrzeughochrichtung ist. In die Sekundäreinheit 5 können auch andere Komponenten integriert sein, wie beispielsweise ein Gleichrichter und dergleichen . Unterhalb des Fahrzeugs 3 befindet sich eine Ladestation 6, welche beispielsweise in einen Parkplatz, eine Parkbucht oder aber eine andere Parkgelegenheit integriert sein kann. Die Ladestation 6 beinhaltet eine Primäreinheit 7, welche auf ei- nem Untergrund bzw. Boden 8 aufliegt und/oder in den Boden 8 integriert ist. Auch die Primäreinheit 7 ist flächig ausgeführt und erstreckt sich in horizontaler Richtung. Sie beinhaltet eine in den Figuren nicht näher dargestellte Primär- spule, welche mit der genannten Sekundärspule des Fahrzeugs 3 induktiv gekoppelt werden kann, wodurch elektrische Energie von der Primärspule an die Sekundärspule und somit in den Energiespeicher 2 übertragen werden kann. Auch die Primärspule kann eine planare bzw. flächige Spule sein, welche auf ei- ner Leiterplatte angeordnet ist und deren Wicklungen alle in einer Ebene liegen. The secondary unit 5 can, for example, have a housing in which the components belonging to the secondary unit 5 can be accommodated. These components include, in particular, a secondary coil, by means of which the energy store 2 can be charged with electrical energy by transformation. This secondary coil is electrically connected to the energy storage 2. This coil can be, for example, a planar coil whose windings are all in one plane, wherein this coil can be arranged on a printed circuit board. In the exemplary embodiment, the entire secondary unit 5 is designed flat, so that its extent in the vehicle longitudinal direction and vehicle transverse direction is significantly greater than the extension in the vehicle vertical direction. In the secondary unit 5, other components may be integrated, such as a rectifier and the like. Below the vehicle 3 is a charging station 6, which may be integrated, for example, in a parking lot, a parking bay or other parking opportunity. The charging station 6 includes a primary unit 7 which is mounted on a nem substrate or floor 8 rests and / or is integrated in the bottom 8. The primary unit 7 is also flat and extends in the horizontal direction. It includes a primary coil, which is not shown in greater detail in the figures, and which can be inductively coupled to said secondary coil of the vehicle 3, as a result of which electrical energy can be transmitted from the primary coil to the secondary coil and thus into the energy store 2. The primary coil may also be a planar or planar coil which is arranged on a printed circuit board and whose windings all lie in one plane.
Zum Aufladen des Energiespeichers 2 wird das Fahrzeug 3 über der Ladestation 6 abgestellt, nämlich derart, dass sich die Sekundäreinheit 5 in vertikaler Überlappung mit der Primäreinheit 7 befindet und somit oberhalb der Primäreinheit 7 liegt. Dazu können aus dem Stand der Technik bereits bekannte Zentriereinrichtungen und Ausrichtungseinheiten verwendet werden. Der Ladevorgang wird dann mit Hilfe einer elektronischen Steuereinrichtung 9 der Ladestation 6 gesteuert, welche in FIG 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Zum Aufladen des Energiespeichers 2 mit elektrischer Energie wird die Primärspule derart angesteuert, dass ein magnetisches Wechselfeld zwischen der Primärspule und der parallel dazu angeordneten Sekundärspule erzeugt wird. Dieses Feld induziert dann an der Sekundärspule eine elektrische Spannung, und es fließt elektrischer Strom in dem Sekundärstromkreis. Aus dieser Wechselspannung wird dann mit Hilfe eines Gleichrichters eine Gleichspannung erzeugt, mit welcher der Energiespeicher 2 aufgeladen wird. For charging the energy storage device 2, the vehicle 3 is placed over the charging station 6, namely such that the secondary unit 5 is in vertical overlap with the primary unit 7 and thus lies above the primary unit 7. For this purpose, already known from the prior art centering and alignment units can be used. The charging process is then controlled by means of an electronic control device 9 of the charging station 6, which is indicated only schematically in FIG. To charge the energy store 2 with electrical energy, the primary coil is driven in such a way that a magnetic alternating field is generated between the primary coil and the secondary coil arranged parallel thereto. This field then induces an electrical voltage on the secondary coil and electrical current flows in the secondary circuit. From this AC voltage, a DC voltage is then generated with the aid of a rectifier, with which the energy storage 2 is charged.
Das magnetische Feld befindet sich dabei in einem Zwischenbereich zwischen der Primärspule bzw. Primäreinheit 7 einerseits und der Sekundäreinheit 5 andererseits. Dieser Zwi- schenbereich wird nachfolgend als Energieübertragungsbereich 10 bezeichnet. In diesem Bereich findet nämlich die Übertragung der elektrischen Energie statt. In FIG 1 ist außerdem ein Abstand in vertikaler Richtung zwischen der Primäreinheit 7 und der Sekundäreinheit 5 mit d bezeichnet . Nun richtet sich das Interesse auf die Detektion eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers 11 in dem Energieübertragungsbereich 10. Die Figuren 2 bis 4 zeigen dabei jeweils eine vergrößerte Darstellung des Ladesystems 1 bzw. des vorderen Bereiches des Fahrzeugs 3 (ohne das Rad) . Im Beispiel gemäß FIG 2 liegt ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper 11 auf der Primäreinheit 7 auf. Dieser Fremdkörper 11 stellt eine Gefährdung dahingehend dar, dass er sich beim Übertragen der elektrischen Energie erwärmen kann und außerdem die elektronischen Komponenten des Ladesystems 1 beschädigt werden kön- nen. Dieser Fremdkörper 11 ist auch dann gefährlich, wenn er sich in einem Abstand sowohl zur Primäreinheit 7 als auch zur Sekundäreinheit 5 befindet, wie dies in FIG 3 dargestellt ist. Hier liegt zwischen dem Fremdkörper 11 und der Primäreinheit 7 zusätzlich noch ein elektrisch nicht-leitfähiger Abstandshalter 12. Von einem leitfähigen Objekt im Bereich des Leistungsfeldes geht auch dann eine Gefährdung aus, wenn der Fremdkörper 11 direkt unterhalb bzw. direkt an der Sekundäreinheit 5 unter dem Fahrzeug 3 liegt. Dies ist beispielhaft in FIG 4 dargestellt. Hier liegt zwischen dem Fremdkör- per 11 und der Sekundäreinheit 7 ebenfalls ein AbstandshalterThe magnetic field is located in an intermediate region between the primary coil or primary unit 7 on the one hand and the secondary unit 5 on the other hand. This intermediate region is referred to below as the energy transfer region 10. This is because the transmission of electrical energy takes place in this area. In Figure 1, a distance in the vertical direction between the primary unit 7 and the secondary unit 5 is also denoted by d. Now, the interest is directed to the detection of an electrically conductive foreign body 11 in the energy transmission area 10. FIGS. 2 to 4 each show an enlarged view of the charging system 1 or the front area of the vehicle 3 (without the wheel). In the example according to FIG. 2, an electrically conductive foreign body 11 rests on the primary unit 7. This foreign body 11 poses a risk that it may heat up when transmitting the electrical energy and, moreover, that the electronic components of the charging system 1 may be damaged. This foreign body 11 is dangerous even if it is located at a distance to both the primary unit 7 and the secondary unit 5, as shown in FIG. Here lies between the foreign body 11 and the primary unit 7 additionally an electrically non-conductive spacer 12. From a conductive object in the field of power field is also a threat from when the foreign body 11 directly below or directly to the secondary unit 5 under the Vehicle 3 is located. This is shown by way of example in FIG. Here, a spacer is also located between the foreign body 11 and the secondary unit 7
12. 12th
Um nun einen solchen Fremdkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material detektieren zu können, wird in eine der Ein- heiten 5, 7 oder sogar sowohl in die Primäreinheit 7 als auch in die Sekundäreinheit 5 jeweils eine SensorspulenanordnungIn order to be able to detect such a foreign body from an electrically conductive material, a sensor coil arrangement is respectively formed in one of the units 5, 7 or even both in the primary unit 7 and in the secondary unit 5
13 (FIG 8) mit einer dazugehörigen elektronischen Auswerteeinheit 14 (FIG 9) integriert. Bezugnehmend nun auf FIG 8 kann die Sensorspulenanordnung 13 eine Vielzahl von planaren Sensorspulen 15 beinhalten, welche alle in einer Ebene liegen und auf einer beispielsweise flexiblen Leiterplatte 16 angeordnet sind. Die Sensorspulenanordnung 13 stellt also ein Spulen-Array dar, welches zur Erkennung von metallischen Fremdkörpern in dem Energieübertragungsbereich 10 dient. Die flächig ausgeführte Sensorspulenanordnung 13 wird in die jeweilige Einheit (Primäreinheit 7 bzw. Sekundäreinheit 5) derart integriert, dass sich die Leiterplatte 16 in horizontaler Richtung erstreckt und somit parallel zur Primärspule und Sekundärspule liegt. Die Sensorspulenanordnung 13 kann beispielsweise unterhalb oder aber oberhalb der jeweiligen Leistungsspule angeordnet sein. Gegebenenfalls kann die Sensorspulenanordnung 13 sogar die Primärspule und/oder Sekundär- spule umfassen oder durch diese gebildet sein. Die einzelnen Sensorspulen 15 sind außerdem mit Anschlüssen 17 an der Leiterplatte 16 verbunden, welche an einer Lasche 18 der Leiterplatte 16 angeordnet sind. Über diese Anschlüsse 17 können dies Sensorspulen 15 mit der elektronischen Auswerteeinrich- tung 14 verbunden werden. 13 (FIG 8) with an associated electronic evaluation unit 14 (FIG 9) integrated. Referring now to FIG. 8, the sensor coil assembly 13 may include a plurality of planar sensor coils 15, all of which lie in a plane and are disposed on a, for example, flexible circuit board 16. The sensor coil assembly 13 thus represents a coil array, which is used to detect metallic Foreign bodies in the energy transmission area 10 is used. The planar sensor coil arrangement 13 is integrated in the respective unit (primary unit 7 or secondary unit 5) in such a way that the circuit board 16 extends in the horizontal direction and thus lies parallel to the primary coil and secondary coil. The sensor coil arrangement 13 can be arranged, for example, below or above the respective power coil. Optionally, the sensor coil assembly 13 may even comprise or be formed by the primary coil and / or secondary coil. The individual sensor coils 15 are also connected to terminals 17 on the circuit board 16, which are arranged on a tab 18 of the circuit board 16. Via these connections 17, sensor coils 15 can be connected to the electronic evaluation device 14.
Es kann nun vorgesehen sein, dass für jede Sensorspule 15 jeweils eine solche Auswerteeinrichtung 14 vorgesehen ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Untergruppe von Sensorspulen 15 oder sogar alle Sensorspulen 15 mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung 14 verbunden sind, wie sie in FIG 9 dargestellt ist. Im Folgenden wird ein mögliches Funktionsprinzip zur Auswertung umrissen: Die Sensorspule 15 dient dabei als Induktivität eines L-C-Sinusos zillators 19, welcher ein Oszillatorsignal 20 ausgibt, dessen Frequenz von der Induktivität der Sensorspule 15 abhängt. Die Schwingfrequenz des Oszillators 19 ist also unter anderem von der Induktivität der Sensorspule 15 abhängig. Diese Induktivität wiederum wird durch den leitfähigen Fremdkörper 11 im Ener- gieübertragungsbereich 10 beeinflusst. Das magnetische Feld der Sensorspule 15 induziert nämlich Ströme in dem leitfähigen Fremdkörper 11, und es bilden sich hier Wirbelströme aus, die wiederum eine Rückwirkung auf das magnetische Feld der Sensorspule 15 besitzen. Somit verändert sich auch die Fre- quenz des Oszillatorsignals 20 bei Vorhandensein eines Fremdkörpers 11 im Energieübertragungsbereich 10. Das Oszillatorsignal 20 wird dann einem Schwellwertschalter 21 zugeführt, welcher dann einen MikroController 22 triggert . Erkennt der Mikrocontroller 22, dass ein Fremdkörper 11 im Energieübertragungsbereich 10 vorhanden ist, so gibt der MikrocontrollerIt can now be provided that for each sensor coil 15 each such evaluation device 14 is provided. But it can also be provided that a subset of sensor coils 15 or even all sensor coils 15 are connected to a common evaluation device 14, as shown in FIG. The following is a possible functional principle outlined for evaluation: The sensor coil 15 serves as an inductance of an LC Sinusos zillators 19, which outputs an oscillator signal 20 whose frequency depends on the inductance of the sensor coil 15. The oscillation frequency of the oscillator 19 is therefore dependent inter alia on the inductance of the sensor coil 15. This inductance in turn is influenced by the conductive foreign body 11 in the energy transmission area 10. Namely, the magnetic field of the sensor coil 15 induces currents in the conductive foreign body 11, and eddy currents are generated here, which in turn have a retroactive effect on the magnetic field of the sensor coil 15. Thus, the frequency of the oscillator signal 20 also changes in the presence of a foreign body 11 in the energy transmission area 10. The oscillator signal 20 is then supplied to a threshold value switch 21, which then triggers a microcontroller 22. Recognize the Microcontroller 22 that a foreign body 11 is present in the energy transfer area 10, so gives the microcontroller
22 ein logisches bzw. digitales Signal 23 aus. Dieses Signal22 a logic or digital signal 23 from. This signal
23 wird beispielsweise an die Steuereinrichtung 9 des Lade- Systems 1 und/oder an eine entsprechende Steuereinheit des23 is for example to the control device 9 of the charging system 1 and / or to a corresponding control unit of
Fahrzeugs 3 abgegeben, so dass der Ladevorgang unterbrochen oder überhaupt nicht gestartet wird. Vehicle 3 is discharged, so that the charging process is interrupted or not started at all.
Die jeweiligen Sensorspulenanordnungen 13 der Primäreinheit 7 und der Sekundäreinheit 5 sind so angeordnet und ausgebildet, dass sie insgesamt einen Bereich erfassen, welcher den gesamten Energieübertragungsbereich 10 bzw. das gesamte magnetische Feld der Primärspule umfasst. Somit können Fremdkörper 11 an jeder Stelle des Energieübertragungsbereiches 10 detek- tiert werden. Bezugnehmend nun auf die Figuren 5 bis 7 werden die jeweiligen Erfassungsbereiche der beiderseitigen Sensorspulenanordnungen 13 näher erläutert: Wie bereits ausgeführt, ist eine Sensorspulenanordnung 13 in die Sekundäreinheit 5 sowie eine entsprechende Sensorspulenanordnung 13 in die Pri- märeinheit 7 integriert. Die in die Sekundäreinheit 5 integrierte Sensorspulenanordnung 13 weist einen ErfassungsbereichThe respective sensor coil assemblies 13 of the primary unit 7 and the secondary unit 5 are arranged and configured such that they collectively cover an area which comprises the entire energy transfer area 10 or the entire magnetic field of the primary coil. Thus, foreign objects 11 can be detected at any point in the energy transfer area 10. Referring now to FIGS. 5 to 7, the respective detection ranges of the mutual sensor coil arrangements 13 are explained in greater detail. As already explained, a sensor coil arrangement 13 is integrated into the secondary unit 5 and a corresponding sensor coil arrangement 13 into the primary unit 7. The sensor coil arrangement 13 integrated into the secondary unit 5 has a detection area
24 (abfallende Schraffur in den Figuren 5 bis 7) auf, während die in die Primäreinheit 7 integrierte Sensorspulenanordnung 13 ebenfalls einen entsprechenden Erfassungsbereich 25 (stei- gende Schraffur in den Figuren 5 bis 7) aufweist. Das Ladesystem 1 ist dabei so ausgebildet, dass sich die beiden Erfassungsbereiche 24, 25 selbst bei einem maximal möglichen Abstand dmax in vertikaler Richtung überlappen. Dieser maximal mögliche Abstand dmax zwischen der Primäreinheit 7 und der Se- kundäreinheit 5 ist in FIG 5 dargestellt und stellt sich bei einer minimalen Beladung des Fahrzeugs 3 ein. Demgegenüber ist ein minimal möglicher Abstand dmin zwischen der Primäreinheit 7 und der Sekundäreinheit 5 in FIG 7 dargestellt, wobei hier die Beladung des Fahrzeugs 3 maximal ist. Selbst bei dem minimalen Abstand dmin befindet sich die Primäreinheit 7 außerhalb der Reichweite bzw. des Erfassungsbereiches 24 der fahrzeugseitigen Sensorspulenanordnung 13. Auch die Sekundäreinheit 5 befindet sich außerhalb der Reichweite bzw. des Er- fassungsbereiches 25 der bodenseitigen Sensorspulenanordnung 13. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Sensorspulenanordnungen 13 so angeordnet und ausgebildet, dass deren jeweilige Reichweiten größer als die Hälfte des maximalen Abstands dmax, jedoch kleiner als der minimale Abstand dmin sind. Somit wird erreicht, dass einerseits der vollständige Energieübertragungsbereich 10 abgedeckt wird, andererseits jedoch die metallischen Komponenten des Fahrzeugbodens nicht fälschlicherweise als Fremdkörper interpretiert werden. Diese liegen näm- lieh außerhalb des Erfassungsbereiches der bodenseitigen Sensorspulenanordnung 13. 24 (sloping hatching in FIGS. 5 to 7), while the sensor coil arrangement 13 integrated into the primary unit 7 likewise has a corresponding detection area 25 (increasing hatching in FIGS. 5 to 7). The charging system 1 is designed so that the two detection areas 24, 25 overlap even at a maximum possible distance d max in the vertical direction. This maximum possible distance d max between the primary unit 7 and the secondary unit 5 is shown in FIG. 5 and adjusts itself with a minimum load of the vehicle 3. In contrast, a minimum possible distance d m i n between the primary unit 7 and the secondary unit 5 is shown in FIG 7, in which case the loading of the vehicle 3 is maximum. Even at the minimum distance d m i n , the primary unit 7 is outside the range or the detection range 24 of the vehicle-mounted sensor coil arrangement 13. The secondary unit 5 is also located outside the range or range. In other words, the respective sensor coil arrangements 13 are arranged and designed so that their respective ranges are greater than half the maximum distance d max , but smaller than the minimum distance d m i n . Thus, it is achieved that, on the one hand, the complete energy transmission area 10 is covered, but on the other hand, the metallic components of the vehicle floor are not mistakenly interpreted as foreign bodies. These lie lely borrowed outside the detection range of the bottom sensor coil assembly 13th
Wird die Ladestation 6 für Kraftfahrzeuge - insbesondere für Personenkraftwagen - aufgestellt, so kann vorgesehen sein, dass als maximaler Abstand dmax der maximal mögliche Abstand bei allen möglichen Personenkraftwagen verwendet wird. Entsprechend kann als minimaler Abstand dmin der minimal mögliche Abstand bei allen Personenkraftwagen verwendet werden. Dies beruht darauf, dass die Höhe, auf welcher der Fahrzeugboden liegt, bei Personenkraftwagen standardisiert ist und somit bei einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, dass bei allen möglichen Personenkraftwagen sich die jeweiligen Erfassungsbereiche 24, 25 überlappen, ohne dass der Fahrzeugboden selbst zu einer Fehl- detektion führt. If the charging station 6 for motor vehicles - especially for passenger cars - set up, it can be provided that the maximum distance d max the maximum possible distance is used in all possible passenger cars. Accordingly, the minimum possible distance for all passenger cars can be used as the minimum distance d m i n . This is based on the fact that the height at which the vehicle floor is located is standardized for passenger cars and thus lies within a predetermined value range. By this procedure it is achieved that in all possible passenger cars, the respective detection areas 24, 25 overlap, without the vehicle floor itself leading to a misdetection.
Wird die Ladestation 6 für andere Arten von Fahrzeugen - etwa Lastwagen oder aber Reinigungsfahrzeuge - aufgestellt, so kann die Bestimmung des maximalen und des minimalen Abstands dmax dmin unter Berücksichtigung der jeweiligen Fahrzeugart erfolgen . If the charging station 6 for other types of vehicles - such as trucks or cleaning vehicles - set up, so the determination of the maximum and minimum distance d max d m i n taking into account the respective vehicle type.
In FIG 6 ist ein Abstand di dargestellt, wie er sich für eine mittlere Beladung des Fahrzeugs 3 einstellt. In FIG. 6, a distance di is shown as it is set for a mean load of the vehicle 3.
In die Primäreinheit 7 und/oder die Sekundäreinheit 5 kann auch zumindest eine Testspule (in den Figuren nicht dargestellt) integriert sein, mittels welcher die ordnungsgemäße Funktionsweise der zumindest einen Sensorspulenanordnung 13 überprüft werden kann. Zu diesem Zwecke kann zu vorbestimmten Zeitpunkten die zumindest eine Testspule mit Hilfe eines elektrischen Schalters kurzgeschlossen werden, wodurch auch die Induktivität der Sensorspulen 15 beeinflusst wird, was durch die Auswerteeinrichtung 14 festgestellt werden sollte. Diese Selbsttestmöglichkeit verhindert zusätzliche Manipulationen, etwa durch Einkoppeln eines externen Oszillatorsignals mit hoher Leistung. In the primary unit 7 and / or the secondary unit 5, at least one test coil (not shown in the figures) may be integrated, by means of which the proper Operation of the at least one sensor coil assembly 13 can be checked. For this purpose, the at least one test coil can be short-circuited by means of an electrical switch at predetermined times, whereby the inductance of the sensor coils 15 is also influenced, which should be determined by the evaluation device 14. This Selbsttestmöglichkeit prevents additional manipulation, such as by coupling an external oscillator signal with high power.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ladesystem (1) zum galvanisch getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetrie- benen Fahrzeugs (3) mit elektrischer Energie, mit: 1. charging system (1) for electrically isolated charging of an electrical energy store (2) of an electrically driven vehicle (3) with electrical energy, comprising:
- einer fahrzeugexternen Primäreinheit (7) mit einer Primärspule zum Abgeben von elektrischer Energie, und  - a vehicle-external primary unit (7) with a primary coil for delivering electrical energy, and
- einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (5) mit einer mit dem Energiespeicher (2) gekoppelten Sekundärspule zum Empfan- gen der Energie,  a vehicle-side secondary unit (5) with a secondary coil coupled to the energy store (2) for receiving the energy,
gekennzeichnet durch marked by
- zumindest eine Sensorspulenanordnung (13) mit zumindest einer Sensorspule (15) zur Detektion eines in einem Energieübertragungsbereich (10) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) und  at least one sensor coil arrangement (13) with at least one sensor coil (15) for detecting an electrically conductive foreign body (11) located in an energy transfer area (10) between the primary unit (7) and the secondary unit (5)
- eine elektronische Auswerteeinrichtung (14), welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule (15) abhängigen Größe den elekt- risch leitfähigen Fremdkörper (11) in dem Energieübertragungsbereich (10) zu detektieren.  - An electronic evaluation device (14) which is adapted to detect on the basis of one of the inductance of the at least one sensor coil (15) dependent size of the electrically conductive foreign body (11) in the energy transfer area (10).
2. Ladesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine genannte Sensorspulenanordnung (13) in die Primär- einheit (7) integriert ist. 2. charging system (1) according to claim 1, characterized in that a said sensor coil arrangement (13) in the primary unit (7) is integrated.
3. Ladesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine genannte Sensorspulenanordnung (13) in die Sekundäreinheit (5) integriert ist. 3. charging system (1) according to claim 1 or 2, characterized in that a said sensor coil arrangement (13) in the secondary unit (5) is integrated.
4. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, vor dem Start eines Ladevorgangs und/oder während des Ladevorgangs den Energieübertragungsbe- reich (10) auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers (11) hin zu überprüfen. 4. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (14) is adapted to before the start of a charging process and / or during the charging process the Energieübertragungsbe- (10) for the presence of a foreign body (11 ).
5. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, nach Erkennen eines Fremdkörpers (11) in dem Energieübertragungsbereich (10) ein Signal (23) aus- zugeben, aufgrund dessen ein Ladevorgang unterbrochen bzw. der Start eines Ladevorgangs verhindert wird. 5. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (14) is adapted to after detection of a foreign body (11) in the energy transmission region (10) output a signal (23) due to a Charging interrupted or the start of a charging process is prevented.
6. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulenanordnung (13) eine Vielzahl von planaren Sensorspulen (15) aufweist, welche in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. 6. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor coil arrangement (13) has a plurality of planar sensor coils (15) which are arranged in a common plane.
7. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensorspule (15) als Leiterbahnstruktur auf einer flexiblen Leiterplatte (16) ausgebildet ist. 7. charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor coil (15) is designed as a conductor track structure on a flexible printed circuit board (16).
8. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulenanordnung (13) in vertikaler Richtung eine Reichweite aufweist, welche größer als die Hälfte eines maximal möglichen Abstands (dmax) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) ist . 8. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor coil assembly (13) in the vertical direction has a range which is greater than half of a maximum possible distance (d max ) between the primary unit (7) and the secondary unit (5).
9. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulenanordnung (13) in vertikaler Richtung eine Reichweite aufweist, welche kleiner als ein minimal möglicher Abstand (dmin ) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) ist. 9. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor coil assembly (13) in the vertical direction has a range which is smaller than a minimum possible distance (d m i n ) between the primary unit (7) and the secondary unit (5).
10. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Sensorspulenanordnungen (13) sowohl in die Primäreinheit (7) als auch in die Sekundäreinheit (5) integriert sind und sich jeweilige Erfas- sungsbereiche (24, 25) der beiderseitigen Sensorspulenanordnungen (13) überlappen. 10. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that respective sensor coil assemblies (13) in both the primary unit (7) and in the secondary unit (5) are integrated and respective detection ranges (24, 25) of overlap on both sides of sensor coil assemblies (13).
11. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorspulenanordnung (13) zumindest eine Testspule zugeordnet ist, mittels welcher, insbesondere durch Kurzschließen der Testspule, die ordnungs- gemäße Funktionsweise der Sensorspulenanordnung (13) überprüfbar ist. 11. charging system (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor coil assembly (13) is associated with at least one test coil, by means of which, in particular by shorting the test coil, the proper operation of the sensor coil assembly (13) can be checked.
12. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) ei- nen Oszillator (19) zum Bereitstellen eines Oszillatorsignals (20) aufweist, dessen Frequenz abhängig von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule (15) veränderbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, anhand der Frequenz des Oszillatorsignals (20) als Größe festzustel- len, ob oder ob nicht ein elektrisch leitfähiger Fremdkörper (11) in dem Energieübertragungsbereich (10) liegt. 12. Charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (14) has an oscillator (19) for providing an oscillator signal (20) whose frequency depends on the inductance of the at least one sensor coil (15). is variable, wherein the evaluation device (14) is adapted to determine on the basis of the frequency of the oscillator signal (20) as a size, whether or not an electrically conductive foreign body (11) in the energy transmission region (10).
13. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (3), insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen AntriebsVorrichtung (4) zum Antreiben des Fahrzeugs (3), mit einem elektrischen Energiespeicher (2) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die Antriebsvorrichtung (4), und mit einer Sekundäreinheit (5) mit einer Sekundärspule, welche zum Aufladen des Energiespeichers (2) mit elektrischer Energie mit einer fahr- zeugexternen Primärspule einer Primäreinheit (7) induktiv koppelbar ist, 13. Electrically powered vehicle (3), in particular a motor vehicle, with an electric drive device (4) for driving the vehicle (3), with an electrical energy store (2) for providing electrical energy for the drive device (4), and with a secondary unit (5) with a secondary coil which can be inductively coupled to charge electrical energy with a primary coil (7) external of the vehicle to charge the energy store (2),
gekennzeichnet durch marked by
- eine, insbesondere in die Sekundäreinheit (5) integrierte, Sensorspulenanordnung (13) mit zumindest einer Sensorspule (15) zur Detektion eines in einem Energieübertragungsbereich (10) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) und  - A, in particular in the secondary unit (5) integrated, sensor coil arrangement (13) with at least one sensor coil (15) for detecting a in an energy transfer area (10) between the primary unit (7) and the secondary unit (5) located, electrically conductive foreign body ( 11) and
- eine elektronische Auswerteeinrichtung (14), welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule (15) abhängigen Größe den elektrisch leitfähigen Fremdkörper (11) in dem Energieübertragungsbereich (10) zu detektieren. - An electronic evaluation device (14) which is adapted to detect on the basis of one of the inductance of the at least one sensor coil (15) dependent size of the electrically conductive foreign body (11) in the energy transfer area (10).
14. Ladestation (6) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (3), zum galvanisch getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) des Fahrzeugs (3) mit elektrischer Ener- gie, umfassend eine Primäreinheit (7) einschließlich einer14. charging station (6) for an electrically driven vehicle (3), for electrically isolated charging of an electrical energy storage device (2) of the vehicle (3) with electrical energy, comprising a primary unit (7) including a
Primärspule, welche zum Aufladen des Energiespeichers (2) mit elektrischer Energie mit einer fahrzeugseitigen Sekundärspule einer Sekundäreinheit (5) induktiv koppelbar ist, Primary coil, which can be coupled inductively to charge the energy store (2) with electrical energy with a vehicle-side secondary coil of a secondary unit (5),
gekennzeichnet durch marked by
- eine, insbesondere in die Primäreinheit (7) integrierte, Sensorspulenanordnung (13) mit zumindest einer Sensorspule (15) zur Detektion eines in einem Energieübertragungsbereich (10) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) und - A, in particular in the primary unit (7) integrated, sensor coil assembly (13) with at least one sensor coil (15) for detecting a in an energy transfer area (10) between the primary unit (7) and the secondary unit (5) located, electrically conductive foreign body ( 11) and
- eine elektronische Auswerteeinrichtung (14), welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule (15) abhängigen Größe den elektrisch leitfähigen Fremdkörper (11) in dem Energieübertra- gungsbereich (10) zu detektieren.  - An electronic evaluation device (14) which is adapted to detect on the basis of one of the inductance of the at least one sensor coil (15) dependent size of the electrically conductive foreign body (11) in the energy transmission range (10).
15. Verfahren zum galvanisch getrennten Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) mit elektrischer Energie, mit den Schritten: - Abgeben von elektrischer Energie durch eine fahrzeugexterne Primärspule einer Primäreinheit (7) und 15. A method for galvanically isolated charging of an electrical energy storage device (2) of an electrically driven vehicle (3) with electrical energy, comprising the steps of: - delivering electrical energy through a vehicle-external primary coil of a primary unit (7) and
- Empfangen der Energie durch eine mit dem Energiespeicher (2) gekoppelte fahrzeugseitige Sekundärspule einer Sekundäreinheit (5) des Fahrzeugs (3),  Receiving the energy by means of a vehicle-side secondary coil of a secondary unit (5) of the vehicle (3) coupled to the energy store (2),
gekennzeichnet durch marked by
- Detektieren eines in einem Energieübertragungsbereich (10) zwischen der Primäreinheit (7) und der Sekundäreinheit (5) befindlichen, elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) mit- hilfe einer Sensorspulenanordnung (13) mit zumindest einer Sensorspule (15),  Detecting an electrically conductive foreign body (11) located in an energy transmission region (10) between the primary unit (7) and the secondary unit (5) by means of a sensor coil arrangement (13) having at least one sensor coil (15),
- wobei der elektrisch leitfähige Fremdkörper (11) in dem Energieübertragungsbereich (10) mittels einer mit der zumindest einen Sensorspule (15) gekoppelten elektronischen Aus- Werteeinrichtung (14) anhand einer von der Induktivität der zumindest einen Sensorspule (15) abhängigen Größe detektiert wird . - wherein the electrically conductive foreign body (11) in the energy transmission region (10) by means of an at least one sensor coil (15) coupled electronic Aus¬ Value device (14) is detected based on a dependent of the inductance of the at least one sensor coil (15) size.
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