Title:
Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
Kind Code:
A1
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.



Inventors:
Sgarz, Heiko (71229, Leonberg, DE)
Pohlmann, Martin (70567, Stuttgart, DE)
Kilic, Ahmet (71032, Böblingen, DE)
Mecks, Joerg (71717, Beilstein, DE)
Mayer, Markus (74076, Heilbronn, DE)
Diekhans, Tobias (70563, Stuttgart, DE)
Oettle, Gerald Heinrich (73732, Esslingen, DE)
Application Number:
DE102013216953A
Publication Date:
02/26/2015
Filing Date:
08/26/2013
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
Domestic Patent References:
DE102011010049A1N/A2011-11-03
DE102009033236A1N/A2011-01-20
Claims:
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.

11. 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).

Description:

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 2011 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-loaded 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.

In 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:

1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

2: ein schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl. des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

3: ein weiteres schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl. des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

4: ein weiteres schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bzgl. des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

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.

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).

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.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in 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.

4 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in 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.

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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102011010049 A1 [0003]
  • DE 102009033236 A1 [0005, 0005]