WO2015028168A1 - Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zum betrieb einer induktiven energieübertragungsvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zum betrieb einer induktiven energieübertragungsvorrichtung Download PDF

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transmitting coil
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monitoring device
inductive energy
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Heiko SGARZ
Martin Pohlmann
Gerald Heinrich Oettle
Tobias Diekhans
Ahmet Kilic
Joerg Mecks
Markus Mayer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for inductive energy transmission from at least one transmitting coil to at least one receiving coil spaced from the transmitting coil, and to a method for operating an inductive
  • Electric vehicles and hybrid vehicles usually have an electrical energy store, for example a traction battery, which provides the electrical energy for the drive. Is this electrical energy storage fully or partially discharged, so the electric vehicle must control a charging station, where the
  • Energy storage can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system. In addition, occasionally also wireless charging systems for electric vehicles or
  • Hybrid vehicles known. For this purpose, an electric vehicle is parked above a coil or a charging pad or charging device. This coil sends a magnetic
  • Alternating field The alternating magnetic field is absorbed by a receiving coil within the vehicle and converted into electrical energy. By means of this electrical energy, a traction battery of the vehicle can then be charged.
  • the publication DE 10 201 1010 049 A1 discloses such a system for charging a vehicle battery, in which the energy is transmitted inductively.
  • the energy storage of the electric vehicle can also be used for feeding back.
  • a cable connection or an inductive energy or power transmission can also be used.
  • an air gap In the wireless charging of a battery of an electric vehicle is located between the transmitting coil of the charging station and the receiving coil in the vehicle, an air gap. Due to the required ground clearance of motor vehicles, this air gap is a few centimeters. Air gaps in the size of 10-25 cm are very common, if not by measures such as lowering the vehicle-fixed coil, the entire
  • Transmission range of the inductive energy transmission path can be detected while small and built concealed, in addition a small
  • the device according to the invention with the characterizing part of claim 1 has the advantages of being able to recognize both an object and a living being and movements in the transmission range of the inductive energy transmission path. According to the invention it is provided that the device for inductive
  • Energy transfer from at least one transmitting coil to at least one of the Transmitter coil spaced receiving coil with a monitoring device is designed to monitor a gap between the at least one transmitting coil and the at least one receiving coil and a defined protection area wherein the monitoring device is an ultra-wideband radar.
  • An advantage of an ultra-wideband radar is that the frequency is chosen so that materials
  • the present invention provides a method of operating an inductive power transmission device, comprising the steps of
  • Monitoring device which is an ultra-wideband radar.
  • a monitoring device which is an ultra-wideband radar to monitor and thus ensure that during the energy transfer no critical foreign matter or living beings in this air gap or penetrate.
  • Transmitter coil and receiver coil are located. Invading foreign bodies (such as e.g.
  • penetrating objects in particular metal-containing objects, to heat themselves by the strong magnetic field and may possibly catch even nearby objects or combustible materials on fire.
  • Such intrusion of both animals and other foreign bodies can be achieved by the invention
  • a further advantage consists in the fact that the magnetic field of the energy transmission is not disturbed precisely by monitoring by means of an ultra-wideband radar of the intermediate space between the transmitting and receiving coils.
  • the magnetic field for energy transmission and the radar signals of the monitoring device do not influence each other, so that the energy transfer can take place unhindered and this does not affect the monitoring.
  • the monitoring device is arranged on the side of the receiving coil and / or on the side of the transmitting coil. Furthermore, the monitoring device advantageously operates at frequencies in the range of 2 to 15 GHz, preferably in the range of 6 to 8.5 GHz. The frequency is chosen so that both materials can be penetrated and that the antennas used have a compact size. Furthermore, the monitoring device is advantageously operated with a frequency bandwidth of at least 500 MHz, preferably with a frequency bandwidth of at least 1 GHz. The choice of this frequency bandwidth is advantageous in that it can be realized by a resolution accurate to centimeters. The choice of these frequencies and bandwidths offers advantages over radar systems for which these properties do not apply or only to a limited extent. So it is advantageous that at the lower frequency, a greater penetration depth is present. In addition, the damping by mist, moisture,
  • Foreign objects in the protected area are successfully separated and their size determined or estimated.
  • the measurements can take place in the immediate vicinity of the antennas, resulting in a small dead zone.
  • the classification or identification of foreign objects or living beings is based on features such as measurable or distinguishable parameters of a foreign object (eg water content, material parameters of the foreign object or size information in Use of multiple antennas) possible. It can also be advantageously determined whether a movement originates from a living being or another object.
  • an ultra-wideband radar uses, by default, a lower spectral power density than a narrow-band radar system, which is expected to cause less interference from other systems. Since a narrow-band radar system sends quasi only one frequency, the entire transmission power is completely in this frequency. Another system that works at this frequency can easily be disturbed. At a
  • Ultrabroadband radar is the total transmission power distributed over a wide frequency range.
  • the spectral power density may therefore be lower, and thereby disturbances of other systems may advantageously be lower. Only this is an ultra-wideband radar or a
  • Ultra-broadband radar system even allows to use frequency ranges that are actually reserved for other radio services. Furthermore, it is advantageous that the monitoring device has at least one antenna.
  • a vivalid antenna is used, which is very broadband, can be produced cheaply and has a low radiation.
  • a broadband patch antenna for example "stacked patched antenna” which can be inexpensively manufactured, requires a small installation space and radiates directionally.
  • point antennas e.g., "top-loaded
  • the monitoring device is designed to prevent an object from penetrating into the object
  • the present invention further relates to a battery charging device with a power transmission device according to the invention.
  • the method of operating the inductive energy transfer device according to the invention further comprises the steps of detecting an object in the space between the transmitting coil and the receiving coil and interrupting the energy transfer when an object is detected in the space between the sending coil and the receiving coil.
  • the method according to the invention further comprises a step for signaling the detection of an object in the intermediate space between the transmitting coil and the receiving coil.
  • a charging station operator, user or other person can quickly recognize the intrusion of the object and then immediately initiate appropriate countermeasures. If at the same time the transmission coil is deactivated during penetration and thus a charging process for the battery is interrupted, the user may, due to the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a vehicle with an inductive energy transmission device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a further schematic diagram of the different steps with respect to FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a transmitting or receiving coil with the respective antennas or sensors.
  • FIG. 1 shows a vehicle 20 parked above an inductive charging station.
  • the vehicle 20 is turned off so that the receiving coil 2 of the vehicle 20 is disposed above the transmitting coil 1. Due to the required ground clearance of the
  • Vehicle 20 is between the area 10, in which the transmitting coil 1 is arranged and the underside of the vehicle 20, in which the receiving coil 2 is located, a gap 30 with an air gap.
  • This gap 30 with the air gap can be several centimeters. In typical vehicle types today, air gaps between 10 and 25 cm are to be expected. But other sizes for the
  • This gap 30 is normally freely accessible. Therefore, there is the possibility that living beings, body parts or objects can invade this space 30 at any time. For example, animals such as dogs, cats or mice can invade. Next there is also the danger that due to external
  • Influences objects such as dirt (metal shavings, packaging material, beverage cans, etc.) rubbish, leaves or the like, can penetrate into this gap 30.
  • dirt metal shavings, packaging material, beverage cans, etc.
  • flammable, metal-containing objects pose a great danger during the inductive charging process, since these objects heat up strongly and can then ignite if necessary.
  • Vehicle 20 is located above the transmitting coil 1, the charging of the
  • Traction battery 22 (not shown here) begin.
  • the transmitting coil 1 generates a magnetic alternating field. This alternating magnetic field is generated by the
  • Receiving coil 2 recorded and converted into electrical energy. This electrical energy is then available via a suitable circuit 21 (not shown here) for charging the traction battery 22.
  • the coil in the vehicle serve as a transmitting coil that generates a magnetic field.
  • the coil in the charging station then works as a receiving coil, which receives the energy of the magnetic field and converts it into electrical energy. This electrical energy can then be fed into a power grid.
  • this space is 30 of a
  • Monitoring device 3, 3 ' is monitored, which is an ultra-wideband radar.
  • Frequency range of 6 to 8.5 GHz which is released in Europe as a generic ultra-wideband radar band.
  • electromagnetic waves in different polarization directions can be used.
  • This information can be used to construct a polarimetric ultra-wideband radar system 3, 3 'which can be used with the aid of Polarization information (backscatter properties of objects are dependent not only on the frequency used but also on the polarization of the incident electromagnetic wave) makes an additional object discrimination.
  • An angular resolution of the system is achieved by means of the combination of different antennas 4, 4 '. If necessary, the signals are calculated so well that the space to be monitored can be scanned. In addition, a determination of parameters of a foreign object is possible.
  • different types of antennas can be used.
  • the antennas used should radiate as broadband as possible (relative bandwidth at least greater than 10%, advantageously greater than 30%) and require the smallest possible installation space. Depending on the positioning, antennas with a high
  • Beam focusing (directed) or antennas used with a panoramic view Beam focusing (directed) or antennas used with a panoramic view.
  • Vivaldi antenna broadband patch antennas, isotropic radiators or LCR antennas are used.
  • At least one antenna 4, 4 ' is used.
  • An antenna 4, 4 ' allows the determination of the distance between antenna 4, 4' and foreign object. However, so no statement about the lateral location information of a foreign object is possible. It is possible to separate consecutive materials if the material can be penetrated and determine the material properties of the foreign object.
  • antennas 4, 4 allow the exact determination or limitation of the position of a foreign object or a moving object or living being and both a lateral resolution or angular separation and division of the
  • Arrangement of the antennas 4, 4 ' can be used to e.g. to mask out a film of water or a layer of ice on the transmitting coil 1 or receiving coil 2 or a drift of the detected data, e.g. by drying a film of water on the transmitting coil 1 or receiving coil 2 not to be regarded as movements of a living being (e.g.
  • a vehicle underbody 5 can be detected and taken into account during calibration of the monitoring device 3, 3', whereby the high spatial resolution of the ultra-wideband radar system is additionally utilized. Vehicle movements (eg by unloading and loading or getting off) can
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a method for operating an inductive energy transfer device, as it can be used for example for charging a traction battery in an electric vehicle.
  • a transmission coil 1 is provided.
  • it may be the transmitting coil of a charging station for the electric vehicle.
  • a receiving coil 2 is provided. This may be, for example, the receiving coil in the electric vehicle with which the traction battery is to be recharged.
  • step C an inductive energy transfer from the transmitting coil 1 to the receiving coil 2 takes place.
  • step D the gap between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 is monitored with a monitoring device 3, 3 '. Step C and D can also be carried out in parallel or step D can also be done before step C.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the continuation of the method described in FIG. 2 for operating an inductive energy transmission device. Further, in step E, the presence of an object in the gap 30 between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 can be detected, and then in step F, the power transmission between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 is interrupted when an object in the gap 30 is detected.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the continuation of the method described in FIG. 3 for operating an inductive energy transmission device.
  • signaling may take place in a step G if an object has been detected in the intermediate space 30 between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2.
  • This signaling may, for example, be the output of an optical and / or acoustic signal.
  • the signaling may, for example, be the output of an optical and / or acoustic signal.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a transmitting coil 1 or receiving coil 2 with the respective antennas 4, 4 'or sensors 6, 6' in which the antennas 4, 4 'can be integrated. Shown is a transmitting coil 1 or a charging or transmitting pad or receiving coil 2, which is for example quadrangular, but may also have round, oval, polygonal or other suitable shapes.
  • the at least one antenna 4, 4 'or the at least one sensor 6, 6' is mounted in such a way that it outshines a protective area which may include the transmitting coil 1 or receiving coil 2.
  • the field of view of the antenna 4, 4 'or the sensor 6, 6' is designed so that it extends beyond the transmitting coil 1 or receiving coil 2 depending on the desired protection range. If at least two antennas are used, they are so arranged that their field of view covers the entire transmitting coil 1 or receiving coil 2.

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Überwachung eines Zwischenraumes, insbesondere des Luftspaltes, zwischen mindestens einer Sendespule und mindestens einer Empfangsspule bei einer induktiven Energieübertragung. Die Überwachung dieses Zwischenraumes erfolgt dabei mittels einer Überwachungsvorrichtung, die eine Ultrabreitbandradar ist. Durch eine Überwachung des Luftspaltes zwischen Sende- und Empfangsspule kann dabei das Eindringen eines Objektes zuverlässig detektiert werden, ohne dass das Magnetfeld der induktiven Energieübertragung beeinflusst wird.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendespule zu mindestens einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer induktiven
Energieübertragungsvorrichtung.
Stand der Technik Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions-Batterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der
Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen. Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge oder
Hybridfahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Spule bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein magnetisches
Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktions-Batterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift DE 10 201 1 010 049 A1 offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird.
Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Energie- bzw. Leistungsübertragung verwendet werden. Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 10-25 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten
Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser
Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Aufgrund der starken magnetischen Felder, die mit relativ hohen magnetischen Flußdichten auftreten, ist zu gewährleisten, dass Lebewesen durch den Einsatz des Systems nicht gefährdet werden und
Fremdkörper wie metallische Gegenstände nicht oder nicht zu stark erhitzt werden. Für das Ladesystem kritische Fremdobjekte sind für einen sicheren Betrieb zu detektieren. Ein System zur kabellosen Energieübertragung wird beispielsweise in der DE 10 2009 033 236 A1 beschrieben. Die Überwachung des Zwischenraumes bei kontaktlosem Laden erfolgt hier mittels Ultraschall-, Radar- oder Infrarot- oder elektronischer Bildsensoren. Nachteilig an dem in der DE 10 2009 033 236 A1 genannten Überwachung ist, dass sie nicht gestattet, sowohl Materialien zu durchdringen, verdeckt eingebaut werden zu können, eine hohe Distanzauflösung und somit hohe Trennfähigkeiten von Objekten zu gewährleisten, Lebewesen zu detektieren, Bewegungen zu detektieren und dabei eine geringere Abstrahlung zu gewährleisten.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, die zuverlässig einen Gegenstand, ein Lebewesen oder auch Bewegungen in dem
Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen kann und dabei klein gebaut und verdeckt eingebaut werden kann, zusätzlich eine geringe
Abstrahlung aufweist und das Magnetfeld während des Ladens nicht stört bzw. vom Magnetfeld während des Ladens nicht gestört wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, sowohl einen Gegenstand, als auch ein Lebewesen und Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen zu können. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Vorrichtung zur induktiven
Energieübertragung von mindestens einer Sendespule zu mindestens einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule mit einer Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule sowie einen definierten Schutzbereich zu überwachen wobei die Überwachungsvorrichtung ein Ultrabreitbandradar ist. Vorteilhaft an einem Ultrabreitbandradar ist, dass die Frequenz so gewählt wird, dass Materialien
durchdrungen werden können, jedoch auch entsprechend so hoch ist, dass die
verwendeten Antennen eine geeignete kompakte Größe aufweisen, die sowohl ein verdecktes als auch tiefes Einbauen ermöglichen. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, mit den Schritten des
Bereitstellens einer Sendespule; des Bereitstellens einer Empfangsspule; einer induktiven Energieübertragung von der Sendespule zu der Empfangsspule; und des Überwachens des Zwischenraums zwischen der Sendespule und der Empfangsspule mit einer
Überwachungsvorrichtung, die ein Ultrabreitbandradar ist.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Luftspalt einer induktiven
Energieübertragungsstrecke vor und während der Energieübertragung mittels einer Überwachungsvorrichtung, die ein Ultrabreitbandradar ist zu überwachen und somit sicherzustellen, dass während der Energieübertragung keinerlei kritische Fremdkörper oder Lebewesen in diesem Luftspalt vorhanden sind oder eindringen.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass somit während der gesamten Energieübertragung gewährleistet wird, dass sich keinerlei störende
Fremdkörper (wie z.B. Gegenstände oder Lebewesen) in dem Zwischenraum zwischen
Sendespule und Empfangsspule befinden. Eindringende Fremdkörper (wie z.B.
Gegenstände oder Lebewesen) könnten andernfalls während der Energieübertragung eine große Gefahr darstellen. So können beispielsweise Tiere, welche in dem
Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule eindringen, durch das starke magnetische Feld Schäden erleiden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass
eindringende Gegenstände, insbesondere metallhaltige Gegenstände, sich durch das starke Magnetfeld erhitzen und gegebenenfalls sogar naheliegende Gegenstände oder brennbare Materialien in Brand geraten können. Ein solches Eindringen sowohl von Tieren als auch von anderen Fremdkörpern kann durch die erfindungsgemäße
Überwachung des Zwischenraums zuverlässig erkannt werden.
Bei Bedarf können daraufhin geeignete Maßnahme eingeleitet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass gerade durch eine Überwachung mittels eines Ultrabreitbandradars des Zwischenraums zwischen Sende- und Empfangsspule das Magnetfeld der Energieübertragung nicht gestört wird. Das magnetische Feld zur Energieübertragung und die Radarsignale der Überwachungsvorrichtung beeinflussen sich gegenseitig nicht, so dass die Energieübertragung ungehindert stattfinden kann und hierbei keine Beeinflussung der Überwachung erfolgt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhaft ist die Überwachungseinrichtung auf der Seite der Empfangsspule und / oder auf der Seite der Sendespule angeordnet. Weiterhin arbeitet die Überwachungsvorrichtung vorteilhaft mit Frequenzen im Bereich von 2 bis 15 GHz, bevorzugt im Bereich von 6 bis 8,5 GHz. Die Frequenz ist so gewählt, dass sowohl Materialien durchdrungen werden können als auch dass die verwendeten Antennen eine kompakte Größe aufweisen. Weiterhin wird die Überwachungsvorrichtung vorteilhaft mit einer Frequenzbandbreite von mindestens 500 MHz betrieben, vorzugsweise mit einer Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz. Die Wahl dieser Frequenzbandbreite ist insofern vorteilhaft, als dadurch eine auf Zentimeter genaue Auflösung realisiert werden kann. Durch die Wahl dieser Frequenzen und Bandbreiten ergeben sich Vorteile gegenüber Radarsystemen, für die diese Eigenschaften nicht oder nur eingeschränkt zutreffen. So ist es vorteilhaft, dass bei der niedrigeren Frequenz eine größere Eindringtiefe vorliegt. Zusätzlich ist die Dämpfung durch Nebel, Feuchtigkeit,
Wasser u.ä. ist verringert, woraus eine größere Robustheit resultiert. Weiterhin ist ein verdeckter Einbau beispielsweise im Automotive Bereich möglich, da beispielsweise Kunststoff-Schichten des Gehäuses gut durchdrungen werden können. Eine hohe Trennfähigkeit von Objekten, eine hohe Distanzauflösung in Mehrzielszenarien ist durch Nutzung der beschriebenen Bandbreite gewährleistet. Somit können mehrere
Fremdobjekte im Schutzbereich erfolgreich separiert und deren Größe bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Zusätzlich können die Messungen in unmittelbarer Nähe der Antennen erfolgen, woraus ein geringer Totbereich resultiert. Nicht zuletzt ist auch die Klassifikation bzw. Identifikation von Fremdobjekten bzw. Lebewesen anhand von Merkmalen wie z.B. messbare oder unterscheidbare Parameter eines Fremdobjektes (z.B. Wassergehalt, Materialparameter des Fremdobjektes oder Größeninformation bei Nutzung mehrerer Antennen) möglich. Auch kann vorteilhaft festgestellt werden, ob eine Bewegung von einem Lebewesen oder einem sonstigen Objekt stammt. Zusätzlich nutzt eine Ultrabreitbandradar standardmäßig eine geringere spektrale Leistungsdichte als ein schmalbandiges Radarsystem, wodurch geringere Störungen von anderen Systemen zu erwarten sind. Da ein schmalbandiges Radarsystem quasi nur bei einer Frequenz sendet, steckt die gesamte Sendeleistung komplett in dieser Frequenz. Ein anderes System, das auch bei dieser Frequenz arbeitet, kann leicht gestört werden. Bei einem
Ultrabreitbandradar ist die gesamte Sendeleistung auf einen großen Frequenzbereich verteilt. Die spektrale Leistungsdichte (Leistung bei einer Frequenz) kann deshalb geringer sein und dadurch können Störungen anderer Systeme vorteilhaft geringer ausfallen. Nur dadurch ist es einem Ultrabreitbandradar bzw. einem
Ultrabreitbandradarsystem überhaupt erlaubt, Frequenzbereiche zu verwenden, die eigentlich anderen Funkdiensten vorbehalten sind. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Überwachungsvorrichtung mindestens eine Antenne aufweist. Vorteilhaft wird eine Vivalid-Antenne verwendet, die sehr breitbandig ist, günstig hergestellt werden kann und eine geringe Abstrahlung aufweist. Es kann auch vorteilhaft eine breitbandige Patch-Antenne (z.B. "stacked patched Antenna") zum Einsatz kommen, die günstig hergestellt werden kann, eines kleinen Bauraumes bedarf und gerichtet abstrahlt. Weiterhin kommen beispielsweise Punkt-Antennen (z.B. "Top-Ioaded
Monopole") zum Einsatz, die eine Rundumsicht gestatten und eine kleine Bauform aufweisen. LCR-Antennen sind breitbandig, weisen eine kleine Bauform auf und erleiden nur geringe Verstimmungen durch Dielektrika im Nahfeld der Antenne und können dementsprechend ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Eindringen eines Objekts in den
Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule zu erkennen und die
Sendespule zu deaktivieren oder die übertragene Leistung zu reduzieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde. Auf diese Weise kann die induktive
Energieübertragung rasch gestoppt werden. Somit wird ein eindringendes Objekt nicht mit dem magnetischen Feld der Sendespule beaufschlagt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batterie-Ladevorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung. ln einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der induktiven Energieübertragungsvorrichtung ferner die Schritte des Detektierens eines Objekts im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und des Unterbrechens der Energieübertragung, wenn ein Objekt im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule detektiert wird. Durch eine solche Unterbrechung der Energieübertragung im Falle einer Detektion eines Objekts wird das detektierte Objekt nicht weiter mit dem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Somit können weitere negative Folgen, wie beispielsweise eine übermäßige Erwärmung des eindringenden Objektes oder ähnliches verhindert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner einen Schritt zur Signalisierung der Detektion eines Objekts im Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule. Durch diese Signalisierung eines Objektes im Zwischenraum kann ein Ladestationsbetreiber, Benutzer oder andere Person rasch das Eindringen des Objektes erkennen und daraufhin sofort geeignete Gegenmaßnahmen einleiten. Wird bei dem Eindringen gleichzeitig die Sendespule deaktiviert und somit ein Ladevorgang für die Batterie unterbrochen, so kann der Benutzer aufgrund der
Signalisierung rasch reagieren, die Störung beseitigen und daraufhin den Ladevorgang fortsetzen.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2: ein schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl. des
Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3: ein weiteres schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl. des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven
Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4: ein weiteres schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl.
des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven
Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Sende- oder Empfangsspule mit den jeweiligen Antennen bzw. Sensoren.
Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 20, das über einer induktiven Ladestation abgestellt ist. Das Fahrzeug 20 ist dabei so abgestellt, dass die Empfangsspule 2 des Fahrzeugs 20 über der Sendespule 1 angeordnet ist. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit des
Fahrzeugs 20 besteht dabei zwischen dem Gelände 10, in dem die Sendespule 1 angeordnet ist und der Unterseite des Fahrzeugs 20, in dem sich die Empfangsspule 2 befindet, ein Zwischenraum 30 mit einem Luftspalt. Dieser Zwischenraum 30 mit dem Luftspalt kann dabei mehrere Zentimeter betragen. Bei heute üblichen Fahrzeugtypen sind Luftspalte zwischen 10 und 25 cm zu erwarten. Aber auch andere Größen für den
Zwischenraum zwischen Gelände 10 und Fahrzeugunterseite sind ebenso möglich. Dieser Zwischenraum 30 ist dabei normalerweise frei zugänglich. Daher besteht die Möglichkeit, dass in diesem Zwischenraum 30 jederzeit Lebewesen, Körperteile oder Gegenstände eindringen können. So können beispielsweise Tiere, wie Hunde, Katzen oder Mäuse, eindringen. Weiter besteht auch die Gefahr, dass aufgrund von äußeren
Einflüssen Objekte, wie beispielsweise Schmutz (Metallspäne, Verpackungsmaterial, Getränkedosen, etc.) Unrat, Laub oder ähnliches, in diesen Zwischenraum 30 eindringen können. Insbesondere leicht brennbare, metallhaltige Gegenstände stellen während des induktiven Ladevorgangs dabei eine große Gefahr dar, da sich diese Gegenstände stark erwärmen und daraufhin gegebenenfalls entzünden können. Nachdem das Fahrzeug 20 so abgestellt wurde, dass die Empfangsspule 2 in dem
Fahrzeug 20 sich über der Sendespule 1 befindet, kann das Aufladen der
Traktionsbatterie 22 (hier nicht dargestellt) beginnen. Hierzu erzeugt die Sendespule 1 ein magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld wird von der
Empfangsspule 2 aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie steht daraufhin über eine geeignete Schaltung 21 (hier nicht dargestellt) zum Aufladen der Traktionsbatterie 22 zur Verfügung. Für eine Rückspeisung elektrischer Energie vom Fahrzeug 20 in ein Energieversorgungsnetz kann auch umgekehrt die Spule im Fahrzeug als Sendespule dienen, die ein magnetisches Feld erzeugt. Die Spule in der Ladestation arbeitet dann als Empfangsspule, die die Energie des magnetischen Felds empfängt und in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann daraufhin in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
Um während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der
Empfangsspule 2 sicherzustellen, dass sich in dem Zwischenraum 30 keinerlei unerwünschte Objekte befinden, wird dieser Zwischenraum 30 von einer
Überwachungsvorrichtung 3, 3' überwacht, die ein Ultrabreitbandradar ist.
Es wird ein breitbandiges elektromagnetisches Signal ausgesendet. Dies geschieht bei Pulsradaren z.B. über das Aussenden von Pulsen, bei FSCW-Radar durch das zeitlich nacheinander erfolgende Aussenden von Signalen bei verschiedenen Frequenzen. Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen werden an Objekten, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften vom Ausbreitungsmedium (z.B. Luft) unterscheiden, reflektiert. Die reflektierten Signale werden im Empfänger registriert und ihre Laufzeit bzw. Phase und Amplitude bestimmt. Über die Messung der Laufzeit und / oder Phase ist eine
Entfernungsbestimmung möglich.
Bevorzugt werden sehr kurze Pulse im Nanosekunden bzw. Sub-Nanosekundenbereich oder andere Signale mit einer hohen Bandbreite (GHz) ausgesendet. Hierdurch wird eine hohe Ortsauflösung im Zentimeter- Bereich erreicht. Bevorzugt wird hier der
Frequenzbereich von 6 bis 8.5 GHz vorgeschlagen, der in Europa als generisches Ultrabtreitbandradar-Band freigegeben ist.
Zusätzlich können elektromagnetische Wellen in verschiedenen Polarisationsrichtungen verwendet werden. Diese Informationen können genutzt werden, um ein polarimetrisches Ultrabreitbandradarsystem 3, 3' aufzubauen, welches mit Hilfe der Polarisationsinformationen (Rückstreueigenschaften von Objekten sind neben der verwendeten Frequenz auch von der Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Welle abhängig) eine zusätzliche Objektdiskriminierung vornimmt. Eine Winkelauflösung des Systems wird mit Hilfe der Kombination aus verschiedenen Antennen 4, 4' erreicht. Die Signale werden bei Bedarf so geschickt miteinander verrechnet, dass der zu überwachende Raum abgescannt werden kann. Darüber hinaus ist eine Bestimmung von Parametern eines Fremdobjekts möglich. Bei der Zwischenraumüberwachung können verschiedene Antennenarten genutzt werden. Die genutzten Antennen sollten möglichst breitbandig abstrahlen (rel. Bandbreite mindestens größer als 10%, vorteilhaft größer als 30%) und einen möglichst geringen Bauraum benötigen. Je nach Positionierung werden Antennen mit einer hohen
Strahlfokussierung (gerichtet) oder Antennen mit einer Rundumsicht verwendet.
Vorteilhafterweise werden Vivaldi-Antenne, breitbandige Patch-Antennen, isotrope Strahler oder LCR-Antennen verwendet.
Es kommt mindestens eine Antenne 4, 4' zum Einsatz. Eine Antenne 4, 4' ermöglicht die Bestimmung der Distanz zwischen Antenne 4, 4' und Fremdobjekt. Allerdings ist so keine Aussage über die laterale Ortsinformation eines Fremdobjektes möglich. Es ist möglich, hintereinander liegende Materialien zu separieren, wenn das Material durchdrungen werden kann und die Materialeigenschaften des Fremdobjektes zu bestimmen.
Mehrere Antennen 4, 4' ermöglichen die genaue Bestimmung bzw. Eingrenzung der Position eines Fremdobjektes bzw. eines bewegten Objektes oder Lebewesens und sowohl eine laterale Auflösung bzw. Winkeltrennung und Aufteilung des
Detektionsbereichs in lateraler Richtung. Die Abschätzung der Größe eines Objektes wird durch Verwendung mehrerer Antennen 4, 4' möglich. Die optional symmetrische
Anordnung der Antennen 4, 4' kann genutzt werden, um z.B. einen Wasserfilm oder eine Eisschicht auf der Sendespule 1 bzw. Empfangsspule 2 auszublenden oder einen Drift der erfassten Daten z.B. durch Abtrocknen eines Wasserfilmes auf der Sendespule 1 bzw. Empfangsspule 2 nicht als Bewegungen eines Lebewesens zu werten (z.B.
langsamer Drift der Messsignale mehrerer Antennen, evtl. Zeitkonstanten). Mittels mehrerer Antennen 4, 4' kann ein Fahrzeugunterboden 5 erkannt werden und bei Kalibrierung der Überwachungsvorrichtung 3, 3' berücksichtigt werden, wobei ergänzend die hohe Ortsauflösung des Ultrabreitbandradarsystems ausgenutzt wird. Fahrzeugbewegungen (z.B. durch Ent- und Beladen oder Aussteigen) können
ausgeblendet werden und werden nicht als Bewegung eines Lebewesens gewertet (z.B. gleiches Verhalten in Form von Schwingungen der Messsignale mehrerer Antennen). Weiterhin können temperaturbedingte Effekte ausgeblendet werden (z.B. langsamer Drift der Messsignale mehrerer Antennen 4, 4', evtl. Zeitkonstanten).
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, wie sie beispielsweise zum Aufladen einer Traktions-Batterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. In einem ersten Schritt A wird dabei eine Sendespule 1 bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um die Sendespule einer Ladestation für das Elektrofahrzeug handeln. In einem weiteren Schritt B wird eine Empfangsspule 2 bereitgestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Empfangsspule in dem Elektrofahrzeug handeln, mit dem die Traktions-Batterie wieder aufgeladen werden soll. In Schritt C erfolgt eine induktive Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der Empfangsspule 2. Weiterhin wird in Schritt D der Zwischenraum zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 mit einer Überwachungsvorrichtung 3, 3' überwacht. Schritt C und D können ebenfalls parallel erfolgen bzw. Schritt D kann auch vor Schritt C erfolgen. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in Figur 2 beschriebenen Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung. Ferner kann in Schritt E das Eindringen bzw. Vorhandensein eines Objektes in dem Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 detektiert werden und daraufhin in Schritt F die Energieübertragung zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 unterbrochen werden, wenn ein Objekt in dem Zwischenraum 30 detektiert wurde.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in Figur 3 beschriebenen Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung. Optional kann in einem Schritt G eine Signalisierung erfolgen, wenn in dem Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 ein Objekt detektiert wurde. Bei dieser Signalisierung kann es sich beispielsweise um die Ausgabe eines optischen und/oder akustischen Signals handeln. Zusätzlich oder alternativ kann darüber hinaus auch die
Benachrichtigung eines entfernten Benutzers mittels einer Funkverbindung erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Mobiltelefonverbindung, eine WLAN-Verbindung oder ähnliches verwendet werden. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendespule 1 oder Empfangsspule 2 mit den jeweiligen Antennen 4, 4' bzw. Sensoren 6, 6', in denen die Antennen 4, 4' integriert sein können. Gezeigt ist eine Sendespule 1 bzw. ein Lade- oder Sendepad oder Empfangsspule 2, die beispielsweise viereckig ausgeführt ist, aber auch runde, ovale, mehreckige oder andere geeignete Formen aufweisen kann. Die mindestens eine Antenne 4, 4' bzw. der mindestens eine Sensor 6, 6' ist so angebracht, dass sie einen Schutzbereich überstrahlt, der die Sendespule 1 bzw. Empfangsspule 2 beinhalten kann. Das Sichtfeld der Antenne 4, 4' bzw. des Sensors 6, 6' ist so gestaltet, dass es abhängig vom gewünschten Schutzbereich über die Sendespule 1 bzw. Empfangsspule 2 hinaus reicht. Falls mindesten zwei Antennen zum Einsatz kommen, so sind diese dermaßen angeordnet, dass ihr Sichtfeld die gesamte Sendespule 1 bzw. Empfangsspule 2 überdeckt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendespule (1) zu einer von der mindestens einen Sendespule (1) beabstandeten mindestens einen Empfangsspule (2), mit einer Überwachungsvorrichtung (3, 3'), die dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum (30) zwischen der mindestens einen
Sendespule (1) und der mindestens einen Empfangsspule (2) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') ein
Ultrabreitband-Radar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die
Überwachungsvorrichtung (3, 3') auf der Seite der mindestens einen
Empfangsspule (2) und / oder auf der Seite der mindestens einen Sendespule (1) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') mit Frequenzen im Bereich von 2 bis 15 GHz arbeitet, bevorzugt im Bereich von 6 bis 8,5 GHz.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') mit einer Frequenzbandbreite von mindestens 500 MHz, bevorzugt 1 GHz betrieben wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') mindestens eine Antenne (4, 4') umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Antenne (4, 4') eine Vivaldi Antenne, eine breitbandige Patch-Antenne, ein isotroper Strahler oder eine LCR-Antenne ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Überwachungsvorrichtung (3, 3') dazu ausgelegt ist, ein Eindringen oder
Vorhandensein eines Objektes in den Zwischenraum (30) zwischen Sendespule (1) und Empfangsspule (2) zu erkennen und die Sendespule (1) zu deaktivieren oder die Sendeleistung zu reduzieren, wenn ein Eindringen oder Vorhandensein eines Objektes erkannt wurde.
8. Batterie-Ladevorrichtung mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7.
9. Verfahren (100) zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, mit den Schritten:
- Bereitstellen (A) einer Sendespule (1);
- Bereitstellen (B) einer Empfangsspule (2);
- induktive Energieübertragung (C) von der Sendespule (1) zu der
Empfangsspule (2); und
- Überwachen (D) des Zwischenraumes (30) zwischen der Sendespule (1) und der Empfangsspule (2) mit einer Überwachungsvorrichtung (3, 3'), die ein Ultrabreitband-Radar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend die Schritte:
- Detektion (E) eines Objektes im Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1) und der Empfangsspule (2); und
- Unterbrechen (F) oder Reduzieren der Energieübertragung, wenn ein Objekt im Zwischenraum (30) zwischen Sendespule (1) und Empfangsspule (2) detektiert wurde.
1 1 Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Schritt (G) zur
Signalisierung der Detektion eines Objektes im Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1) und der Empfangsspule (2).
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