WO2017102113A1 - Überwachungsvorrichtung für ein induktives ladesystem und induktives ladesystem - Google Patents

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WO2017102113A1
WO2017102113A1 PCT/EP2016/070821 EP2016070821W WO2017102113A1 WO 2017102113 A1 WO2017102113 A1 WO 2017102113A1 EP 2016070821 W EP2016070821 W EP 2016070821W WO 2017102113 A1 WO2017102113 A1 WO 2017102113A1
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monitoring device
coil assembly
individual coils
charging system
coil
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Ulrich Brenner
Achim Henkel
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a monitoring device for an inductive charging system and an inductive charging system.
  • the present invention relates to a monitoring device for an inductive charging system for a vehicle, and more particularly to an inductive charging system for charging an operating device and in particular a vehicle with electrical energy by means of inductive coupling.
  • the monitoring device with the features of independent claim 1 has the advantage over that a complete monitoring of a predetermined detection area by the
  • Reception coil arrangement is achieved. This is achieved according to the invention by the features of independent claim 1, by providing a monitoring device for an inductive charging system and in particular for a vehicle comprising (i) a transmitting coil arrangement for generating an alternating magnetic field and (ii) a receiving coil arrangement for receiving the signal directly or indirectly of the
  • the transmitting coil assembly and / or the receiving coil assembly comprises a plurality of individual coils that are separate but closely adjacent to one another and whose coil cross-sectional areas do not overlap and overlap a predetermined detection area, and the plurality of individual coils is formed from at least two different coil types. Due to the provision of at least two different types of coils, the strict symmetry of the transmitting coil arrangement and / or the
  • Reception coil arrangement could be measured generated. It is also possible that individual coils both transmit and
  • An advantageous expression may consist of the combination of
  • Magnetic field is minimized at the edges of the coil elements.
  • the vehicle may include at least one wheel. It may therefore be a bicycle, a car, a truck or bus, a quad or a multi-axle vehicle, e.g. to trade a rail vehicle.
  • a respective coil arrangement which is also referred to as a coil array, can assume both transmitting and receiving functions, in particular depending on a current supply.
  • the array can be used both on or at a bottom coils, as well as on a vehicle side and can be electrically independent of the energy transfer.
  • Transmitting and receiving coil can coincide completely or partially.
  • the individual coils of the transmitting coil arrangement and / or the receiving coil arrangement can be distinguished from one another in terms of their properties in a very diverse manner, so that even with a uniform detection surface, which is to be covered, there is no high-grade symmetry of the underlying coil arrangement.
  • the coil types with regard to at least one of the properties (i) value of the coil cross-sectional area, (ii) shape of the
  • Detection gaps can be particularly reliably avoided if just directly adjacent individual coils of different types of coils are formed.
  • Monitoring device provided that the detection surface of the individual coils and / or groups of individual coils is covered area and / or checkerboard-like.
  • the monitoring device when the of the
  • Coil cross-sectional areas lie in a plane parallel to the detection surface.
  • the detection surface may be curved and / or curved.
  • control and evaluation unit is respectively set up (i) for evaluating the received magnetic field and / or generating an object detection signal representative of the presence or absence of a metallic object (50) in the region of the detection surface , (ii) for arbitrarily interconnected loading of individual coils with electric current to generate a predetermined field pattern, in particular with a circumferential flow contour to one of the interconnected acted upon individual coils covered simple
  • control and evaluation unit can also be set up, the monitoring result, for example in the form of a
  • control and evaluation unit is adapted to control the operation of an underlying inductive charging system, in particular for a vehicle, on the basis of the object detection signal and in particular to prevent a charge, if that
  • Object detection signal indicates that there is a metallic object in the area of the detection surface.
  • It can be a transmitting coil assembly and a receiving coil assembly - with or without energy transfer - initially independent of each other and in particular separately formed components.
  • the monitoring device can be realized when the principle of inductive interaction or self-induction interaction is used.
  • the transmitting coil assembly and the receiving coil assembly partially or completely match, and in particular the receiving of the magnetic field by shared individual coils on the principle of inductive interaction or self-induction interaction and / or a change in the induction or Inductance characteristics takes place.
  • the monitoring device according to the invention is advantageously used in an inductive charging system.
  • Transmitting coil assembly partially or completely coincides with a Energy emitting coil assembly or with a part thereof and / or that the receiving coil assembly partially or completely coincides with a power receiving coil assembly or with a part thereof, namely a respective underlying inductive charging system.
  • the present invention relates to an inductive charging system for charging an operating device and in particular a mobility carrier or vehicle with electrical energy by means of inductive coupling, with (i) an energy-emitting coil arrangement for generating a magnetic
  • the transmitting coil arrangement partially or completely coincides with the energy-emitting coil arrangement and / or the receiving coil arrangement partially or completely coinciding with the
  • Figure 1 shows in the manner of a block diagram in a schematic manner
  • FIGS. 2 and 3 show in a schematic plan view coil arrangements, which in embodiments of the invention
  • Monitoring device can be used.
  • Figures 4 and 5 show a schematic plan view different
  • Figures 6 and 7 show in a schematic plan view coil arrangements that can be used in conventional monitoring devices.
  • Figures 6 and 7 show a schematic plan view conventional
  • Coil assemblies 20 ', 30' which cover a predetermined detection surface 40 with identical here individual coils 21 of the same kind.
  • Single coils 21 consists of a coil winding 22 with one or more turns.
  • the coil winding encloses a coil cross-sectional area 23 in the coil cross-section perpendicular to the coil axis. In the embodiment of Figure 6 are still applied
  • FIG. 1 shows an embodiment of a charging system 100 according to the invention in use with a vehicle 1.
  • the vehicle 1 has a chassis 2, wheels 3 and a drive system which is at least partially fed by a battery as energy storage 4.
  • the inductive charging system 100 is provided according to the present invention.
  • the embodiment of the charging system 100 according to the invention according to FIG. 1 comprises a terminal 102 for connecting the device 100 to a power source 101. Via lines 105, 106 and 107, the primary energy, eg electrical current with a frequency of 50 Hz, a voltage of 220 V. The rectified voltage is then supplied to an inverter 104 to form an AC voltage, which is then supplied via the line 107 to the power transmitting coil assembly 120, which in turn generates a magnetic alternating field 125. The magnetic alternating field 125 is then of the
  • Energy transmission coil assembly 120 a transmitting coil assembly 20 for the monitoring device 10.
  • the energy receiving coil assembly 130 may in turn partially or completely form the receiving coil assembly 30 of the monitoring device 10.
  • the transmitting coil arrangement 20 and the receiving coil arrangement 30 of the monitoring device 10 can also be embodied as separate components which are provided by the energy-transmitting coil 120 and the
  • Energy receiving coil 130 are completely decoupled, be provided.
  • FIG. 1 In the embodiment of FIG. 1 is a part of
  • Reception coil assembly 30 as a separate component in the rear
  • Energy receiving coil assembly 130 that is in the reality between the bottom and the bottom coil on the one hand and the vehicle 1 on the other hand metallic objects. If critical metallic objects are detected by the monitoring device 10, the operation of the charging system 100 is not started, a charging process does not take place; a warning to the operator.
  • FIGS. 2 and 3 show in a schematic plan view embodiments of transmitting coil assemblies 20 and receiving coil assemblies 30 with individual coils 21, each covering a detection surface 40.
  • Coils with a larger dimension and a second type 21 -2 also with a square shape but only a quarter of the cross-sectional area 23 are used.
  • the individual coils 21 of the first type 21 -2 and groups of four individual coils 21 of the second type 21 -2 cover the detection area 40 in an approximately checkered manner.
  • the embodiment of the coil arrangements 20, 30 according to FIG. 3 is constructed similarly to the embodiment according to FIG. 2.
  • the coil assemblies 20, 30 are also on the one hand composed of individual square coils 21 of the first type 21 -1, but now have triangular single coils 21 of a third type 21 -3 with smaller cross-sectional area 23, again with the square single coils 21 of the first type 21 -1 Groups of triangular single coils 21 of the third type 21 -3 to four cover the detection surface 40 like a checkerboard.
  • metallic objects 45 and their presence can generally be detected without detection gap 25 at all.
  • the surface pattern 41, 42 by means of a correspondingly selective wiring, exactly the surface pattern 41, 42, i.
  • the shape or contour of the surface pattern 41, 42 are determined, which is covered by a respective object 45 on the detection surface 40, for example, to distinguish the patterns 41 and 42 from the shape and / or size ago.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the similar coils 21 can be controlled individually to produce a pattern 41, 42 with the array 20, 30. It may be local, between the coils 21 to extinguish the magnetic flux density.
  • FIGS. 6 and 7 show detection weaknesses in the sense of detection gaps 25 in the center of conventional symmetrical arrays 20 ', 30'.
  • a new coil arrangement 20, 30 which comprises at least two different coil forms 21 -1, 21 -2, 21 -3 for
  • Single coils 21 is formed and can be formed in a suitable manner possible pattern 41, 42 or surface pattern of the detection surface 40, the one
  • Figures 2 and 3 show inventively used coil arrays 20, 30 with two Einzelzellenspulensorten 21 -1, 21 -2 and 21 -1, 21 -3.
  • the number of turns of a single coil element or a single coil 21 can vary and is optimized according to functional aspects and cost aspects. In the extreme case, there is only one single coil 21
  • the individual cells can be combined into forms. With proper circuitry, the shape can act as a whole and the fields inside can largely cancel out. The result is a magnetic letter that is bounded by a continuous flow direction on the contour. In this case, patterns with the same "letters" are possible, as shown in FIG. 4, where a coil array 20, 30 with two types of single cell coil 21 -1, 21 -3 and identical evaluation patterns 41 is inserted.
  • the user can classify the charging pad as "free of foreign objects", so that the system response can be taught in even of complex shapes and any change during the charging process can trigger a check for possible foreign objects.
  • FIG. 3 shows a coil array 20, 30 with two Einzelzellenspulensorten 21 -1, 21 -2 same shape of different sizes.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betriffteine Überwachungsvorrichtung (10) für ein induktives Ladesystem (100), insbesondere für einen Mobilitätsträger oder für ein Fahrzeug (1), mit (i) einer Sendespulenanordnung (20) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und (ii) einer Empfangsspulenanordnung (30) zum mittelbaren oder unmittelbaren Empfangen des von der Sendespulenanordnung (20) ausgesandten magnetischen Feldes bei welcher die Sendespulenanordnung (20) und/oder die Empfangsspulenanordnung (30) eine Mehrzahl von Einzelspulen (21) aufweist, die von einander getrennt, aber dicht zueinander benachbart sind und deren Spulenquerschnittsflächen (23) sich nicht überlappen und eine vorgegebene Detektionsfläche (40) überdecken, und die Mehrzahl der Einzelspulen (21) gebildet wird von mindestens zwei unterschiedlichen Spulenarten.

Description

Beschreibung
Titel
Überwachungsvorrichtung für ein induktives Ladesvstem und induktives
Ladesvstem
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für ein induktives Ladesystem sowie ein induktives Ladesystem. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Überwachungsvorrichtung für ein induktives Ladesystem für ein Fahrzeug und insbesondere ein induktive Ladesystem zum Laden einer Betriebsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung.
Beim Laden von Akkumulatoren und dergleichen werden zur Vermeidung von Steckkontakten und deren Nachteilen vermehrt induktive Ladesysteme verwendet, dies betrifft insbesondere den Bereich der Hybrid- und
Elektrofahrzeuge.
Problematisch ist dabei, dass beim induktiven Laden verwendete hochfrequente magnetische Wechselfelder im Ladebereich befindliche metallische Gegenstände beeinflussen können, indem sie sie gefährlich aufheizen. Es ist daher notwendig, vor einem Laden mittels eines induktiven Ladesystems durch entsprechende Überwachungsvorrichtungen sicherzustellen, dass sich im Ladebereich oder in dessen Nähe keine metallischen Objekte befinden.
Nachteilig ist dabei, dass übliche Überwachungskonzepte auf der Grundlage von Bewegungsmeldern, Infrarotkameras, kapazitiver Kopplungen oder auch induktiver Kopplungen keine ausreichende Zuverlässigkeit besitzen.
Insbesondere entstehen bei herkömmlichen induktiven Kopplungen
Überwachungslücken. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine lückenlose Überwachung einer vorgegebenen Detektionsfläche durch die
Ausgestaltung der Sendespulenanordnung und/oder der
Empfangsspulenanordnung erreicht wird. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, indem eine Überwachungsvorrichtung für ein induktives Ladesystem und insbesondere für ein Fahrzeug geschaffen wird mit (i) einer Sendespulenanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und (ii) einer Empfangsspulenanordnung zum mittelbaren oder unmittelbaren Empfangen des von der
Sendespulenanordnung ausgesandten magnetischen Feldes,
bei welcher die Sendespulenanordnung und/oder die Empfangsspulenanordnung eine Mehrzahl von Einzelspulen aufweist, die voneinander getrennt, aber dicht zueinander benachbart sind und deren Spulenquerschnittsflächen sich nicht überlappen und eine vorgegebene Detektionsfläche überdecken, und die Mehrzahl der Einzelspulen gebildet wird von mindestens zwei unterschiedlichen Spulenarten. Auf Grund des Vorsehens mindestens zweier unterschiedlicher Spulenarten wird die strikte Symmetrie der Sendespulenanordnung und/oder der
Empfangsspulenanordnung, die beim Verwenden identischer Einzelspulen aufträte, gebrochen. Dadurch wird insbesondere vermieden, dass im engen Bereich direkt zueinander benachbart angeordnete Einzelspulen
Detektionslücken insbesondere dadurch auftreten, dass sich dort auf Grund des hohen Grades an Symmetrie bei Verwendung gleichartiger Einzelspulen die magnetischen Flüsse aufheben und somit ein dort etwaig vorgesehenes detektierbares Objekt keine messbare Feldänderung, die mit der
Empfangsspulenanordnung gemessen werden könnte, erzeugt. Es ist auch möglich, dass einzelne Spulen sowohl Sende- als auch
Empfangsfunktionen übernehmen.
Herkömmlicherweise lassen sich bei nur einer Spulenform nur sehr begrenzte Detektionsmuster mit dem magnetischen Feld erzeugen, wodurch die
Detektionsgenauigkeit stark einschränkt wird. Die Erfindung vermeidet dieses
Problem. Durch verschiedene Spulengeometrien wird insbesondere die abbildbare Formenvielfalt des magnetischen Flussbildes erhöht. Eine vorteilhafte Ausprägung kann besteht aus der Kombination von
Spulenformen in der Form von Rechtecken bzw. Kreisen mit Dreiecken bestehen, wodurch bei geeigneter Bestromung die Auslöschung des
Magnetfeldes an den Kanten der Spulenelemente minimiert wird.
Bei der Anwendung kann das Fahrzeug mindestens ein Rad aufweisen. Es kann sich also um ein Fahrrad, einen PKW, einen Lastkraftwagen oder Bus, ein Quad oder um ein mehrachsiges Fahrzeug, z.B. um ein Schienenfahrzeug handeln.
Eine jeweilige Spulenanordnung, die auch als Spulenarray bezeichnet wird, kann sowohl Sende- als auch Empfangsfunktionen übernehmen, insbesondere abhängig von einer Bestromung. Das Array kann sowohl an oder bei einer Bodenspulen, als auch auf einer Fahrzeugseite eingesetzt werden und kann elektrisch unabhängig sein von der Energieübertragung.
Sende- und Empfangsspule können ganz oder teilweise zusammenfallen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Je nach Anwendung können die Einzelspulen der Sendespulenanordnung und/oder der Empfangsspulenanordnung hinsichtlich ihrer Eigenschaften auf sehr vielfältige Weise voneinander unterscheidbar ausgebildet werden, so dass auch bei gleichförmiger Detektionsfläche, die es zu überdecken gilt, keine hochgradige Symmetrie der zu Grunde liegenden Spulenanordnung vorliegt.
So ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Überwachungsvorrichtung vorgesehen, dass sich die Spulenarten hinsichtlich mindestens einer der Eigenschaften (i) Wert der Spulenquerschnittsfläche, (ii) Form der
Spulenquerschnittsfläche und (iii) Eigeninduktivität, insbesondere Wicklungszahl unterscheiden.
Detektionslücken lassen sich besonders zuverlässig vermeiden, wenn gerade direkt zueinander benachbarte Einzelspulen von unterschiedlichen Spulenarten gebildet werden.
Um eine besonders gute Überdeckung der zu überwachenden Detektionsfläche zu erreichen, ist es bei einer andere Fortbildung der erfindungsgemäßen Uberwachungsvorrichtung vorgesehen, dass die Detektionsflache von den Einzelspulen und/oder von Gruppen von Einzelspulen flächig und/oder schachbrettartig überdeckt wird.
Besonders wirkungsvoll gestaltet sich das Detektionsprinzip der
erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung dann, wenn die von den
Einzelspulen erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen auf die Detektionsfläche, die es zu überwachen gilt, konzentrieren.
Daher ist es bei einer anderen Fortbildung der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung vorgesehen, dass die Einzelspulen mit ihren
Spulenquerschnittsflächen in einer zur Detektionsfläche parallelen Ebene liegen.
Die Detektionsfläche kann gebogen und/oder gewölbt sein.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung werden gerade bei der Ausgestaltung des auszusendenden magnetischen
Wechselfeldes oder bei dessen Detektion besondere Maßnahmen ergriffen, um eine zuverlässige und genaue Objekterkennung zu gewährleisten.
So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung vorgesehen, dass diese eine Steuer- und
Auswerteeinheit aufweist. Diese kann verschiedene Aufgaben übernehmen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuer- und Auswerteeinheit jeweils eingerichtet ist (i) zum Bewerten des empfangenen magnetischen Feldes und/oder zum Erzeugen eines Objektdetektionssignales, welches repräsentativ ist für die Anwesenheit oder Abwesenheit eines metallischen Objektes (50) im Bereich der Detektionsfläche, (ii) zur beliebig verschalteten Beaufschlagung von Einzelspulen mit elektrischem Strom, um ein vorgegebenes Feldmuster zu generieren, insbesondere mit einer umlaufenden Flusskontur zu einem von den verschaltet beaufschlagten Einzelspulen überdeckten einfach
zusammenhängenden Gebiet der Detektionsfläche und/oder (ii) zur beliebig verschalteten Auslesung der Einzelspulen, um ein vorgegebenes Flächenmuster der Detektionsfläche abzutasten, insbesondere eines von den auszulesenden Einzelspulen überdeckten einfach zusammenhängenden Gebietes der
Detektionsfläche. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinheit auch eingerichtet sein, das Überwachungsergebnis, zum Beispiel in Form eines
Objektdetektionssignals nutzbringend beim Betrieb eines zu Grunde liegenden induktiven Ladesystems einzusetzen.
So ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, den Betrieb eines zu Grunde liegenden induktives Ladesystem, insbesondere für ein Fahrzeug, auf der Grundlage des Objektdetektionssignales zu steuern und insbesondere ein Laden zu unterbinden, falls das
Objektdetektionssignal anzeigt, dass im Bereich der Detektionsfläche ein metallisches Objekt vorliegt.
Es können eine Sendespulenanordnung und eine Empfangsspulenanordnung - mit oder ohne Energieübertragung - zunächst voneinander unabhängige und insbesondere von einander separat ausgebildete Komponenten.
Besonders platzsparend und mit besonders geringem materiellem Aufwand lässt sich die Überwachungsvorrichtung jedoch dann realisieren, wenn das Prinzip der induktiven Wechselwirkung oder Selbstinduktionswechselwirkung verwendet wird. So ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung vorgesehen, dass die Sendespulenanordnung und die Empfangsspulenanordnung teilweise oder vollständig übereinstimmen, und insbesondere das Empfangen des magnetischen Feldes durch gemeinsam genutzte Einzelspulen nach dem Prinzip der induktiven Wechselwirkung oder Selbstinduktionswechselwirkung und/oder über eine Veränderung der Induktionsoder Induktivitätskennwerte erfolgt. Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung wird vorteilhafterweise bei einem induktiven Ladesystem eingesetzt.
Dabei kann es jedoch sinnvoll sein, beim induktiven Ladesystem ohnehin bestehende Komponenten auch im Zusammenhang mit der
Überwachungsfunktionalität einzusetzen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung ist es daher vorgesehen, dass die
Sendespulenanordnung teilweise oder vollständig übereinstimmt mit einer Energiesendespulenanordnung oder mit einem Teil davon und/oder dass die Empfangsspulenanordnung teilweise oder vollständig übereinstimmt mit einer Energieempfangsspulenanordnung oder mit einem Teil davon, und zwar eines jeweils zu Grunde liegenden induktiven Ladesystems.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein induktives Ladesystem zum Laden einer Betriebsvorrichtung und insbesondere eines Mobilitätsträgers oder Fahrzeuges mit elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung, mit (i) einer Energiesendespulenanordnung zum Erzeugen eines magnetischen
Wechselfeldes und mit (ii) einer Energieempfangsspulenanordnung zum
Empfangen des von der Sendespulenanordnung ausgesandten magnetischen Feldes und zum Wandeln des empfangenen magnetischen Feldes in elektrische Energie mittels Induktion sowie mit (iii) einer Energiespeichereinrichtung zum Speichern der erzeugten elektrischen Energie, welche eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung aufweist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen induktiven Ladesystems wird eine besonders kompakte Bauweise dadurch erreicht, dass die Sendespulenanordnung teilweise oder vollständig übereinstimmend mit der Energiesendespulenanordnung und/oder die Empfangsspulenanordnung teilweise oder vollständig übereinstimmend mit der
Energieempfangsspulenanordnung des induktiven Ladesystems ausgebildet ist. Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Art und
Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Ladesystems im Zusammenhang mit einem Fahrzeug. Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Draufsicht Spulenanordnungen, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung zum Einsatz kommen können.
Figuren 4 und 5 zeigen in schematischer Draufsicht unterschiedliche
Anwendungsformen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 3.
Figuren 6 und 7 zeigen in schematischer Draufsicht Spulenanordnungen, die bei herkömmlichen Überwachungsvorrichtungen zum Einsatz kommen können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und
Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Bevor im Detail auf die erfindungsgemäßen Konzepte eingegangen wird, soll anhand der Figuren 6 und 7 das herkömmliche Vorgehen unter Verwendung vollständig symmetrischer Spulenanordnungen und dessen Nachteile erläutert werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen in schematischer Draufsicht herkömmliche
Spulenanordnungen 20', 30', die eine vorgegebene Detektionsfläche 40 mit hier identischen Einzelspulen 21 ein und derselben Art überdecken. Jede der
Einzelspulen 21 besteht aus einer Spulenwicklung 22 mit einer oder mehreren Windungen. Die Spulenwicklung fasst im Spulenquerschnitt senkrecht zur Spulenachse eine Spulenquerschnittsfläche 23 ein. Bei der Ausführungsform nach Figur 6 sind noch die angelegten
Wechselspannungen 26 und deren Ausrichtung in Bezug auf die
Spulengeometrie gezeigt und mit V1 1 bis V32 bezeichnet.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 sind noch mit Pfeilen 27 die Richtungen der aufgeprägten elektrischen Ströme dargestellt.
Bei beiden herkömmlichen Ausführungsformen gemäß den Figuren 6 und 7 treten auf Grund der Symmetrie der Spulenanordnungen 20', 30', hervorgerufen durch die Verwendung ein und derselben Spulenform für sämtliche Einzelspulen 21 , Detektionslücken 25 im Nachbarschaftsbereich zwischen direkt benachbarten Einzelspulen 21 auf.
Diese Detektionslücken 25 können bei einer Verwendung der herkömmlichen Spulenanordnungen 20' und 30' in einer Überwachungsvorrichtung für ein induktives Ladesystem zu Fehlfunktionen und Betriebsproblemen führen. Ziel der Erfindung ist, diese Problematik mit möglichst einfachen und zuverlässigen Maßnahmen zu vermeiden.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems 100 in Verwendung mit einem Fahrzeug 1.
Das Fahrzeug 1 weist ein Chassis 2, Räder 3 und ein Antriebssystem auf, welches zumindest teilweise von einer Batterie als Energiespeicher 4 gespeist wird. Zum Laden des Energiespeichers 4 mit elektrischer Energie ist das induktive Ladesystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen.
Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems 100 gemäß Fig. 1 umfasst einen Anschluss 102 zum Anschließen der Vorrichtung 100 an eine Energiequelle 101. Über Leitungen 105, 106 und 107 wird die Primärenergie, z.B. elektrischer Strom mit einer Frequenz von 50 Hz, einer Spannung von 220 V in Sinusform zunächst gleichgerichtet unter Verwendung eines Gleichrichters 103. Die gleichgerichtete Spannung wird dann einem Wechselrichter 104 zugeführt, um eine Wechselspannung auszubilden, die dann über die Leitung 107 der Energiesendespulenanordnung 120 zugeführt wird, die ihrerseits ein magnetisches Wechselfeld 125 erzeugt. Das magnetische Wechselfeld 125 wird dann von der
Energieempfangsspulenanordnung 130 empfangen und über Induktion in eine entsprechende Wechselspannung mit einem Wechselstrom gewandelt, welche über die Leitung 6 an einen Gleichrichter 5 übergeben und nach Gleichrichtung über die Leitung 7 in die Batterie als Energiespeicher 4 eingespeist werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bildet zumindest ein Teil der
Energiesendespulenanordnung 120 eine Sendespulenanordnung 20 für die Überwachungsvorrichtung 10. Die Energieempfangsspulenanordnung 130 kann ihrerseits teilweise oder vollständig die Empfangsspulenanordnung 30 der Überwachungsvorrichtung 10 bilden.
Alternativ zu diesem Vorgehen können die Sendespulenanordnung 20 und die Empfangsspulenanordnung 30 der Überwachungsvorrichtung 10 auch als separate Komponenten, die von der Energiesendespule 120 und der
Energieempfangsspule 130 vollständig entkoppelt sind, vorgesehen sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Teil der
Empfangsspulenanordnung 30 als separate Komponente im hinteren
Fahrzeugbereich angeordnet. Diese Ausführungsform ist jedoch nicht zwingend.
Im Betrieb wird vor dem eigentlichen Ladevorgang zunächst geprüft, ob sich im Bereich zwischen Energiesendespulenanordnung 120 und
Energieempfangsspulenanordnung 130, also in der Realität zwischen dem Boden und der Bodenspule einerseits und dem Fahrzeug 1 andererseits metallische Gegenstände befindet. Werden kritische metallische Gegenstände durch die Überwachungsvorrichtung 10 detektiert, so wird der Betrieb des Ladesystems 100 nicht begonnen, ein Ladeprozess findet nicht statt, vielmehr erfolgt z.B. eine Warnung an den Betreiber.
Liegt dagegen keine Gefahrensituation vor, weil sich kein kritisches metallisches Objekt im Bereich der Detektionsfläche 40 zwischen der
Energiesendespulenanordnung 120 und der Energieempfangsspulenanordnung 130 befindet, so kann das magnetische Wechselfeld zur Energieübertragung zwischen den Spulenanordnungen 120 und 130 erzeugt und damit Energie von der Energiequelle 101 zum Energiespeicher 4 übertragen werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Draufsicht Ausführungsformen von Sendespulenanordnungen 20 bzw. Empfangsspulenanordnungen 30 mit Einzelspulen 21 , die jeweils eine Detektionsflache 40 überdecken. Dabei kommen als Einzelspulen 21 eine erste Art 21 -1 in Form quadratischer
Spulen mit größerer Dimension und eine zweite Art 21 -2 ebenfalls mit quadratischer Form aber nur einem Viertel der Querschnittsfläche 23 zum Einsatz. Die Einzelspulen 21 der ersten Art 21 -2 und Gruppen von je vier Einzelspulen 21 der zweiten Art 21 -2 überdecken die Detektionsfläche 40 in etwa schachbrettartig.
Ebenso ist auch das Prinzip mit runden oder gleichartigen vieleckigen Spulen anzuwenden
Jede der Einzelspulen 21 , seien diese nach der ersten Art 21 -1 oder der zweiten Art 21 -2 ausgebildet, bestehen aus einer Wicklung 22 und besitzen eine
Querschnittsfläche 23 senkrecht zur Spulenachse, wobei die Mehrzahl der Querschnittsflächen 23 der Spulenanordnungen 20, 30 in etwa in einer Ebene parallel zur Detektionsfläche 40 liegen.
Durch den Stromfluss 27, der mittels entsprechender Pfeile in den Figuren gekennzeichnet ist, entsteht das magnetische Feld mit der magnetischen Flussdichte mit einem räumlich-zeitlichen Verlauf gemäß den Maxwellschen Gleichungen.
Die Ausführungsform der Spulenanordnungen 20, 30 gemäß Figur 3 ist ähnlich aufgebaut zu der Ausführungsform gemäß Figur 2.
Die Spulenanordnungen 20, 30 sind ebenfalls einerseits aus quadratischen Einzelspulen 21 der ersten Art 21 -1 zusammengesetzt, besitzen jedoch nunmehr dreieckige Einzelspulen 21 einer dritten Art 21 -3 mit kleinerer Querschnittsfläche 23, wobei wieder die quadratischen Einzelspulen 21 der ersten Art 21 -1 mit Gruppen von dreieckigen Einzelspulen 21 der dritten Art 21 -3 zu vieren die Detektionsfläche 40 schachbrettartig überdecken.
Bei beiden Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 wird erfindungsgemäß durch den Einsatz zueinander unterschiedlicher Arten 21 -1 , 21 -2 bzw. 21 -3 von Einzelspulen 21 erreicht, dass der hohe Grad an Symmetrie, der
herkömmlicherweise gemäß den Figuren 6 und 7 zum Einsatz kommt, aufgebrochen wird, so dass bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 keine Detektionslücken 25 auftreten.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Anwendungsfälle der Ausführungsform der
Spulenanordnungen 20 und 30 aus der Figur 3 mit metallischen Objekten 45, die ein erstes Flächenmuster 41 bzw. ein zweites Flächenmuster 42 auf der jeweiligen Detektionsfläche 40 überdecken.
Zunächst können erfindungsgemäß metallische Objekte 45 und deren Präsenz überhaupt ganz allgemein ohne Detektionslücke 25 detektiert werden.
Aber es kann erfindungsgemäß durch eine entsprechend selektive Beschaltung noch genau das Flächenmuster 41 , 42, d.h. also die Form oder Kontur des Flächenmusters 41 , 42 ermittelt werden, welches durch ein jeweiliges Objekt 45 auf der Detektionsfläche 40 überdeckt wird, um zum Beispiel die Muster 41 und 42 von der Form her und/oder von der Größe her zu unterscheiden. Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Beim induktiven Laden von Akkus werden häufig hochfrequente Magnetfelder eingesetzt. Der Vorteil dieser Technik ist der Verzicht auf einen Steckkontakt. Dies lässt sich z.B. bei Werkzeug-Akkus, Elektrof ahrrädern oder Elektro-/Hybrid-
Autos anwenden.
Doch muss das magnetische Feld überwacht werden, wenn metallische
Fremdkörper sich darin gefährlich aufheizen können.
Es gibt verschiedene Überwachungssysteme, diese Metallobjekte zu detektieren, diese umfassen Bewegungsmelder, IR-Kameras, Kapazitive Kopplungen, Induktive Kopplungen.
Bekannte System zur Metallobjekterkennung arbeiten mit einem symmetrischen Array 20', 30' von gleichartigen Spulen 21 , z.B. zirkulär oder rechteckig, wie dies in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist. Dabei können die gleichartigen Spulen 21 einzeln angesteuert werden, um ein Muster 41 , 42 mit dem Array 20, 30 zu erzeugen. Dabei kann es lokal, zwischen den Spulen 21 zur Auslöschung der magnetischen Flussdichte kommen.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Detektionsschwachen im Sinne von Detektionslücken 25 im Zentrum von herkömmlichen symmetrischen Arrays 20', 30'.
Erfindungsgemäß wird eine neue Spulenanordnung 20, 30 geschaffen, die von mindestens zwei unterschiedlichen Spulenformen 21 -1 , 21 -2, 21 -3 für
Einzelspulen 21 gebildet wird und die in geeigneter Weise mögliche Muster 41 , 42 oder Flächenmuster der Detektionsfläche 40 entstehen lässt, die eine
Detektionsschwäche im Sinne von Detektionslücken 25 minimieren.
Dazu werden z.B. Einzelspulen 21 in der Form von Dreiecken, Quadraten und/oder Rechtecken in einer Weise kombiniert, dass sich der magnetische Fluss in Nachbarschaftsbereichen benachbarter Einzelspulen 21 nicht mehr aufhebt oder aufheben muss.
Die Figuren 2 und 3 zeigen erfindungsgemäß eingesetzte Spulenarrays 20, 30 mit zwei Einzelzellenspulensorten 21 -1 , 21 -2 bzw. 21 -1 , 21 -3.
Die Windungszahl eines einzelnen Spulenelementes oder einer Einzelspule 21 kann variieren und wird nach Funktionsaspekten und Kostengesichtspunkten optimiert. Im Extremfall besteht eine Einzelspule 21 nur aus einer
Leiterbahnschleife.
Die Kombination aus verschiedenen Spulengeometrien 21 -1 , 21 -2, 21 -3 erlaubt die Auswertung von ganz neuartigen Mustern 41 , 42 im Detektionsbereich 40, die in ihrer spezifischen Kopplung noch mehr Informationen über mögliche Fremdkörper erlaubt.
Dabei können die einzelnen Zellen zu Formen kombiniert werden. Bei geeigneter Beschaltung kann die Form als Ganzes wirken und die Felder im Inneren sich weitgehendes aufheben. Es entsteht quasi ein magnetischer Buchstabe, der durch eine durchgängige Flussrichtung an der Kontur begrenzt wird. Dabei sind Muster mit gleichen„Buchstaben" möglich, wie dies in Figur 4 gezeigt ist, wo ein Spulenarray 20, 30 mit zwei Einzelzellenspulensorten 21 -1 , 21 -3 und gleiche Auswertemustern 41 eingesetzt ist.
Ebenso können unterschiedliche„Buchstaben" verwendet werden, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, wo dieselben zwei Einzelzellenspulensorten 21 -1 , 21 -3 mit unterschiedlichem Auswertemustern 41 , 42 eingesetzt sind.
Ebenso kann ein Mechanismus des Einlernens genutzt werden, um die
Auswertesignale zu eichen.
So kann vor Ladebeginn der Nutzer das Ladepad als„frei von Fremdobjekten" klassifizieren. Damit kann die Systemantwort auch von komplexen Formen eingelernt werden und jede Änderung während des Ladevorganges einen Prüfungsvorgang auf mögliche Fremdobjekte auslösen.
Ein ähnlicher Effekt kann ausgelöst werden, wenn Einzelspulen 21 der gleichen Grundform, aber mit unterschiedlicher Größe kombiniert werden. Figur 3 zeigt ein Spulenarray 20, 30 mit zwei Einzelzellenspulensorten 21 -1 , 21 -2 gleicher Form unterschiedlicher Größe.

Claims

Ansprüche
Uberwachungsvorrichtung (10) für ein induktives Ladesystem (100), insbesondere für ein Fahrzeug (1 ),
- mit (i) einer Sendespulenanordnung (20) zum Erzeugen eines
magnetischen Wechselfeldes und (ii) einer Empfangsspulenanordnung (30) zum mittelbaren oder unmittelbaren Empfangen des von der Sendespulenanordnung (20) ausgesandten magnetischen Feldes
- bei welcher
- die Sendespulenanordnung (20) und/oder die
Empfangsspulenanordnung (30) eine Mehrzahl von Einzelspulen (21 ) aufweist, die von einander getrennt, aber dicht zueinander benachbart sind und deren Spulenquerschnittsflächen (23) sich nicht überlappen und eine vorgegebene Detektionsfläche (40) überdecken, und
- die Mehrzahl der Einzelspulen (21 ) gebildet wird von mindestens zwei unterschiedlichen Spulenarten (21 -1 , 21 -2, 21 -3).
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 ,
bei welcher sich die Spulenarten (21 -1 , 21 -2, 21 -3) hinsichtlich mindestens einer der Eigenschaften
(i) Wert der Spulenquerschnittsfläche (23),
(ii) Form der Spulenquerschnittsfläche (23) und
(iii) Eigeninduktivität, insbesondere Wicklungszahl
unterscheiden.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei welcher direkt benachbarte Einzelspulen (21 ) unterschiedlichen
Spulenarten (21 -1 , 21 -2, 21 -3) angehören. 4. Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Detektionsfläche (40) von den Einzelspulen (21 ) und/oder von Gruppen von Einzelspulen (21 ) flächig und/oder schachbrettartig überdeckt wird.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Einzelspulen (21 ) mit ihren Spulenquerschnittsflächen (23) in einer zur Detektionsfläche (40) parallelen Ebene liegen.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (40), welche eingerichtet ist
(i) zum Bewerten des empfangenen magnetischen Feldes und/oder zum Erzeugen eines Objektdetektionssignales, welches repräsentativ ist für die Anwesenheit oder Abwesenheit eines metallischen Objektes (50) im Bereich der Detektionsfläche (40),
(ii) zur beliebig verschalteten Beaufschlagung von Einzelspulen (21 ) mit elektrischem Strom, um ein vorgegebenes Feldmuster zu generieren, insbesondere mit einer umlaufenden Flusskontur zu einem von den verschaltet beaufschlagten Einzelspulen (21 ) überdeckten einfach zusammenhängenden Gebiet der Detektionsfläche (40) und/oder
(iii) zur beliebig verschalteten Auslesung der Einzelspulen (21 ), um ein vorgegebenes Flächenmuster (41 , 42) der Detektionsfläche (40) abzutasten, insbesondere eines von den auszulesenden Einzelspulen (21 ) überdeckten einfach zusammenhängenden Gebietes der
Detektionsfläche (40).
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6,
bei welcher die Steuer- und Auswerteeinheit (40) eingerichtet ist, den Betrieb eines zu Grunde liegenden induktives Ladesystem (100), insbesondere für ein Fahrzeug (1 ), auf der Grundlage des
Objektdetektionssignales zu steuern und insbesondere ein Laden zu unterbinden, falls das Objektdetektionssignal anzeigt, dass im Bereich der Detektionsfläche (40) ein metallisches Objekt vorliegt.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Sendespulenanordnung (20) und die
Empfangsspulenanordnung (30) teilweise oder vollständig übereinstimmen, und insbesondere das Empfangen des magnetischen Feldes durch gemeinsam genutzte Einzelspulen (21 ) nach dem Prinzip der induktiven Wechselwirkung erfolgt.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher
- die Sendespulenanordnung (20) teilweise oder vollständig
übereinstimmt mit einer Energiesendespulenanordnung (120) oder mit einem Teil und/oder
- die Empfangsspulenanordnung (30) teilweise oder vollständig
übereinstimmt mit einer Energieempfangsspulenanordnung (130) oder mit einem Teil davon
eines jeweils zu Grunde liegenden induktiven Ladesystems (100).
Induktives Ladesystem (100) zum Laden einer Betriebsvorrichtung und insbesondere eines Mobilitätsträgers oder Fahrzeuges (1 ) mit elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung,
- mit (i) einer Energiesendespulenanordnung (120) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und mit (ii) einer
Energieempfangsspulenanordnung (130) zum Empfangen des von der Sendespulenanordnung (20) ausgesandten magnetischen Feldes und zum Wandeln des empfangenen magnetischen Feldes in elektrische Energie mittels Induktion sowie mit (iii) einer Energiespeichereinrichtung (140) zum Speichern der erzeugten elektrischen Energie,
- welche eine Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Ladesystem (100) nach Anspruch 10,
bei welcher
- die Sendespulenanordnung (20) teilweise oder vollständig
übereinstimmend mit der Energiesendespulenanordnung (120) und/oder
- die Empfangsspulenanordnung (30) teilweise oder vollständig
übereinstimmend mit der Empfangsspulenanordnung (130)
des induktiven Ladesystems (100) ausgebildet ist.
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