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 einer Sendespule und einer Empfangsspule bei einer induktiven Energieübertragung. Die Überwachung dieses Zwischenraumes erfolgt dabei mittels einer Überwachungsvorrichtung, die Ultraschallwandler aufweist. 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:
Sparbert, Jan (71277, Rutesheim, DE)
Mayer, Markus (74076, Heilbronn, DE)
Gerlach, Andre (71229, Leonberg, DE)
Application Number:
DE102013220124A
Publication Date:
04/09/2015
Filing Date:
10/04/2013
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102011010049A1N/A2011-11-03
DE102009033236A1N/A2011-01-20
Claims:
1. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendespule (1) zu mindestens einer von der Sendespule (1) beabstandeten Empfangsspule (2), mit einer Überwachungsvorrichtung (3, 3'), die dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum (4) zwischen der mindestens einen Sendespule (1) und der mindestens einen Empfangsspule (2) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') Ultraschallwandler (5) aufweist, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (5) dergestalt in einer Matrixanordnung angeordnet sind, dass die Ultraschallwandler (5) lückenlos voneinander oder lückig voneinander beabstandet sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3, 3') auf der Seite der Sendespule (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwander (5) mit einem Mittel zum Abdecken (6) beschichtet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Abdecken (6) eine Folie ist, die wasserdicht und mechanisch belastbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwander (5) auf einer Trägerplatte (9) aufgebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (9) gerade oder gekrümmt ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (5) piezoelektrische oder elektrostatische Wandler oder Piezoelektret-Wandler sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (5) Polyvinylidenfluorid enthalten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelektret-Wandler (5) Polypropylen oder flouriertes Ethylen Propylen oder Ethylen-Tetraflourethylen enthalten.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Überwachungsvorrichtung (3, 3') dazu ausgelegt ist, ein Eindringen eines Objektes in den Zwischenraum (4) zwischen Sendespule (1) und Empfangsspule (2) zu erkennen und die Sendespule (1) zu deaktivieren oder die Leistung zu reduzieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde.

12. Batterie-Ladevorrichtung mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendespule zu mindestens einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule.

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 Sendespule 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 ist typischerweise die Sendespule des Transformators entweder im Straßenboden eingelassen oder als auf dem Boden aufgelegte Ladeplatte (Ladepad) ausgeformt und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit dem Stromnetz verbunden. Die Empfangsspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs montiert und ihrerseits mit mittels geeigneter Elektronik mit der Traktionsbatterie des Fahrzeugs verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Sendespule bzw. Primärspule ein hochfrequentes Wechselfeld, das die Empfangsspule bzw. Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Da einerseits die übertragene Leistung linear mit der Schaltfrequenz skaliert, andererseits die Schaltfrequenz durch die Ansteuerungselektronik und Verluste im Übertragungspfad begrenzt ist, ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 30–150 kHz.

Zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug befindet sich 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. Die im Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder sind dazu geeignet, in beliebigen metallischen Objekten, die sich im Luftspalt befinden, elektrische Wirbelströme zu induzieren. Durch Ohmsche Verluste erhitzen sich diese sogenannten Fremdobjekte. Diese Erhitzung stellt nicht nur für die Personensicherheit, sondern auch für die Betriebssicherheit des Fahrzeugs eine erhebliche Gefahr dar. Daher ist es notwendig, die Erhitzung eines induktiven Ladesystems entweder durch Limitierung des Magnetfeldes zu begrenzen oder etwaige im Luftspalt befindliche Objekte durch geeignete Mittel zu detektieren und daraufhin die Energieübertragung zu deaktivieren.

Bekannte Methoden der Fremdobjekterkennung bestehen beispielsweise in herkömmlicher induktiver Metalldetektion mit zusätzlichen Probespulen, die pulsförmig angeregt werden und deren elektrisches Abklingverhalten analysiert wird. Ein Nachteil hiervon ist insbesondere der zusätzliche Aufbau im Spulenbau. Andere Verfahren basieren auf 2D- oder 3D-Objekterkennungsmethoden, wobei hier durch nichtmetallische Objekte Fehlererkennungen auftreten können.

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 als auch Flüssigkeiten oder veränderliche Beläge und Verschmutzungen zu erkennen.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, die zuverlässig einen Gegenstand (insbesondere metallische Objekte, z.B. Münzen, etc.), ein Lebewesen (z.B. hineingehaltene Hand), Bewegungen als auch Flüssigkeiten, Beläge und Verschmutzungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen kann.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, sowohl bewegte als auch unbewegte Objekte oder Lebewesen und auch Flüssigkeiten, Beläge und Verschmutzungen 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 Ultraschallwandler aufweist, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Vorteilhaft führt der mechanische Kontakt eines bodenständigen Objekts mit dem Ultraschallwandler zu einer Frequenzverschiebung oder Dämpfung in der Normalfrequenz, die detektiert werden kann. Durch die Verteilung auf mehrere Ultraschallwandler kann die notwendige Empfindlichkeit über die gesamte Fläche der Matrixanordnung gewährleistet werden. Bei nicht-bodenständigen Objekten (z.B. eine in den Luftspalt gehaltene Hand) kann diese vorteilhaft nach dem Sonar-Messprinzip detektiert werden. Dabei wird vorteilhaft mit wenigstens einem Ultraschallwandler ein Schallimpuls ausgesandt und die Reflexion am nicht bodenständigen Objekt über wenigstens einen Ultraschallwandler empfangen. Bei flächiger, matrixartiger Anordnung bzw. Verteilung der Wandler kann durch Beschränkung der Laufzeit des Schalls eine Trennung von Fremdobjekten im Luftspalt und dem über dem Spalt befindlichen Fahrzeugboden erreicht werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Vorteilhaft sind die Ultraschallwandler dergestalt in einer Matrixanordnung angeordnet, dass die Ultraschallwandler lückenlos voneinander oder lückig voneinander beabstandet sind. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Anordnung die lückenlose Objektdetektion. Zusätzlich wird die Ausbreitung von Wirbelströmen in den Wandlerelementen verhindert und somit eine Erwärmung des Sensorsystems während eines induktiven Ladevorgangs verringert bzw. weitestgehend verhindert.

Vorteilhaft ist die Überwachungseinrichtung auf der Seite der Empfangsspule und / oder auf der Seite der Sendespule angeordnet.

Vorteilhaft sind die Ultraschallwandler mit einem Mittel zum Abdecken beschichtet. Dieses Mittel zum Abdecken kann eine Folie sein, die wasserdicht und mechanische belastbar ist und somit vorteilhaft zum Schutz der Vorrichtung beiträgt. Zusätzlich erlaubt diese Folie eine gute Schallkopplung mit der Oberfläche.

Weiterhin sind die Ultraschallwandler vorteilhaft auf einer Trägerplatte aufgebracht, um die Stabilität der Vorrichtung zu gewährleisten.

Die Trägerplatte, auf der die Ultraschallwandler aufgebracht sind, ist vorteilhafterweise gerade oder gekrümmt. Die Krümmung führt zu einer Selbstreinigung oder unterstützt durch Vibration die Entfernung von Objekten oder Belägen.

Die Ultraschallwandler sind vorteilhafterweise piezoelektrische oder elektrostatische Wandler oder Piezoelektret-Wandler. Die Wandlerelemente sind im Bereich der elektroakustischen Wandlung elektrisch nicht leitfähig, weshalb sich keine Wirbelströme ausbreiten können. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass piezoelektrische Wandler Polyvinylidenflourid (PVDF) enthalten. Weiterhin ist vorteilhaft, dass Piezoelektret-Wandler Polypropylen (PP) oder fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) oder Ethylen-Tetraflourethylen (ETFE) enthalten.

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 reduziert oder gestoppt werden. Somit wird ein eindringendes Objekt nicht oder weniger, zum Beispiel im Rahmen von zulässigen Grenzwerten, mit dem magnetischen Feld der Sendespule beaufschlagt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batterie-Ladevorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung.

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: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine induktive Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

3: eine erste Aufsicht der Trägerplatte und der Ultraschallwandler;

4: eine zweite Aufsicht der Trägerplatte und der Ultraschallwandler;

5: eine dritte Aufsicht der Trägerplatte und der Ultraschallwandler.

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 (bzw. Fußboden) 8, in dem die Sendespule 1 angeordnet ist und der Unterseite bzw. dem Fahrzeugunterboden 7 des Fahrzeugs 20, in dem sich die Empfangsspule 2 befindet, ein Zwischenraum 4 mit einem Luftspalt. Dieser Zwischenraum 4 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 4 zwischen Gelände 8 und Fahrzeugunterseite 7 sind ebenso möglich. Dieser Zwischenraum 4 ist dabei normalerweise frei zugänglich. Daher besteht die Möglichkeit, dass in diesem Zwischenraum 4 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 4 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 vor und während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der Empfangsspule 2 sicherzustellen, dass sich in dem Zwischenraum 4 keinerlei unerwünschte Objekte befinden, wird dieser Zwischenraum 4 von einer Überwachungsvorrichtung 3, 3' überwacht, wobei die Überwachungsvorrichtung 3, 3' Ultraschallwandler 5 verwendet, die in einer Matrixanordnung bzw. als Array angeordnet sind.

Die Ultraschallwandlerelemente 5 sind auf einer Trägerplatte 9 aufgebracht, die entweder gerade oder gekrümmt ausgeführt sein kann. Die Trägerplatte 9 ist stabil ausgeführt und erlaubt aufgrund ihrer Stabilität ein Betreten oder Befahren des Ladesystems bzw. der Überwachungsvorrichtung 3, 3'. Um die Ultraschallwandler 5 zu schützen, muss eine wasserdichte, mechanisch belastbare Schicht als Mittel zum Abdecken 6 auf die Ultraschallwandlerelemente 5 aufgebracht werden. Als Schutz wird daher eine Folie 6 aufgebracht, die zusätzlich eine gute Schallkopplung mit der Oberfläche erlaubt.

Die Anordnung der Ultraschallwandler bzw. Wandlerelemente 5 kann sowohl als lückiges Array, als lückige Matrix als auch als lückenfreies Array bzw. lückenfreie Matrix vorgenommen werden. Die flächigen Wandlerelemente 5 können auch in anderen geometrischen Formen gestaltet sein und dahingehend optimiert werden, dass sich keine oder geringe Wirbelströme in dem Wandlerelement 5 ausbreiten können und somit eine Erwärmung des Sensorsystems 3, 3' während eines induktiven Ladevorgangs verhindert bzw. verringert werden kann. Die Wandlerelemente 5 sind im Bereich der elektroakustischen Wandlung (z.B. PVDF oder Piezoelektret oder elektroakustischer Wandler) nicht elektrisch leitfähig. Die Bereiche der elektroakustischen Wandlung müssen durch elektrisch leitfähige Elektroden begrenzt werden. In diesen Elektroden können Wirbelströme entstehen, daher sind die Flächen in der Größe zu begrenzen und in Bezug auf die Form geeignet zu gestalten. Für eine Minimierung der Wirbelströme kann eine elektrische Leitfähigkeit sehr viel kleiner als die von Metallen gewählt werden, insbesondere wenn der Eingangswiderstand der den Wandlern 5 zugeordneten Verstärkerschaltung sehr hoch gewählt wird.

In einer ersten Ausführungsform der 1 ist jedes Wandlerelement der Matrix unabhängig von den anderen Wandlerelementen. Ein Wandlerelement sendet ein Signal und empfängt danach nur das von ihm selbst gesendete Signal. Dies ist insbesondere geeignet, um bodenständige Objekte zu detektieren, die eine Verschiebung der Frequenz oder Dämpfung der Schwingung verursachen. Es können aber auch nicht-bodenständige Objekte durch die Auswertung des Objektechos erfasst werden. Die Menge der Wandlerelemente sendet und empfängt unabhängig voneinander, dies gleichzeitig oder vorteilhaft in einer zeitlich aufeinanderfolgenden Sequenz, um ein Übersprechen zwischen den Wandlerelementen zu verhindern.

In einer zweiten Ausführung der 1 empfangen alle Wandlerelemente das reflektierte Signal eines einzelnen, sendenden Wandlerelements. Diese Betriebsart wird auch Kreuzechobetrieb genannt. Dadurch wird die Ortung eines nicht-bodenständigen Objekts erheblich genauer, weil viele Empfänger den Abstand zum Objekt ermitteln. Durch eine Veränderung des sendenden Wandlerelements innerhalb der Matrix, z.B. in einer zeitlich aufeinanderfolgenden Sequenz von sendenden Wandlerelementen, wird die Ortung weiter verbessert. Besonders vorteilhaft ist, wenn innerhalb der zeitlichen Sequenz jedes Wandlerelement der Matrix mindestens einmal sendend ist.

In einer dritten Ausführungsform der 1 sind die einzelnen Wandlerelemente so eng nebeneinander angeordnet und mit einer elektrischen Einheit verbunden, dass die Laufzeitunterschiede der eintreffenden Welle an zwei unterschiedlichen Wandlerelementen als Phasendifferenz ermittelt werden kann. Diese Anordnung wird auch als Phasenarray bezeichnet. Der Abstand direkt benachbarter Wandlerlemente liegt vorteilhaft in der Nähe der halben Wellenlänge des gesendeten Signals. Vorteil des Phasenarrays ist die hohe Genauigkeit der Ortsbestimmung des Objekts und die kostengünstige Fertigung der integrierten Wandlerelemente in einem Bauteil gegenüber einzelnen, diskreten Wandlerelementen.

In einer vierten Ausführungsform der 1 ist das Phasenarray als sogenannter Folienwandler ausgeführt. Folienwandler werden aus piezoelektrisch aktiven Kunststoffen hergestellt und können z.B. in einem dem Offset-Druck ähnlichen Verfahren auf einen Träger aufgebracht werden. Vorteile sind die extrem flache Bauform und die reduzierten Kosten.

Bei einer gekrümmten Trägerplatte 9 führt die Krümmung zu einer Selbstreinigung oder unterstützt durch Vibration die Entfernung von Objekten oder Belägen. Der Reinigungseffekt wird verstärkt, wenn die Oberfläche mit Wasser benetzt wird. Dazu könnte eine Dosiervorrichtung 11 (hier nicht dargestellt) ergänzt werden, aber auch das Tropfwasser nach Regenfahrt verwendet werden. Ein Reinigungseffekt kann ebenfalls durch spezielle Nano-Beschichtung der Oberfläche unterstützt werden.

Bei einer flächigen Benetzung mit Schnee oder auch Regen ist zu erwarten, dass über die komplette Fläche eine gleichmäßige Abweichung (z.B. Offset der Amplitude, Änderung der Frequenz) der einzelnen Ultraschallwandler erfolgt und weiterhin bodenständige Fremdobjekte detektiert werden können.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine induktive Energieübertragungsvorrichtung gemäß der in 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 20 ist dabei so abgestellt, dass die Empfangsspule 2 des Fahrzeugs 20 über der Sendespule 1 angeordnet ist. Zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 befindet sich der Zwischenraum 4, der von der Überwachungsvorrichtung 3, 3' überwacht wird. Die Überwachungsvorrichtung 3, 3' weist auf der Sendespule 1 eine Trägerplatte 9 auf, auf der Ultraschallwandler 5 angebracht sind. Diese Ultraschallwandler 5 sind in einer Matrixanordnung oder als Array angeordnet. Die Ultraschallwandler sind von einem Mittel zum Abdecken 6 geschützt, wobei dieses wahlweise eine Folie, oder eine Beschichtung ist, die wasserdicht, mechanisch belastbar ist und eine gute Schallkopplung mit der Oberfläche erlaubt. Die Anordnung der Ultraschallwandler bzw. Wandlerelemente 5 kann sowohl als lückiges Array, als lückige Matrix als auch als lückenfreies Array bzw. lückenfreie Matrix vorgenommen werden.

3 zeigt eine erste Aufsicht auf die Trägerplatte 9 der in 1 und 2 erwähnten Überwachungsvorrichtung 3, 3'. Die Ultraschallwandlerelemente 5 sind auf der Trägerplatte 9 aufgebracht, die entweder gerade oder gekrümmt ausgeführt sein kann. Die Trägerplatte 9 ist stabil ausgeführt und erlaubt aufgrund ihrer Stabilität ein Betreten oder Befahren des Ladesystems bzw. der Überwachungsvorrichtung 3, 3'. Die Anordnung der Ultraschallwandler bzw. Wandlerelemente 5 ist in diesem Fall als lückiges Array bzw. als lückige Matrix ausgeführt. Die Mindestanzahl an Ultraschallwandlern 5 beträgt zwei Ultraschallwandler 5. Die hier dargestellte Form der Ultraschallwandler ist rund. Allerdings können die flächigen Wandlerelemente 5 auch in anderen geometrischen Formen gestaltet sein wie in dem weiteren Ausführungsbeispiel der 4 dargestellt. Hier sind die Ultraschallwandlerelemente 5 viereckig ausgebildet und analog zu 3 auf der Trägerplatte 9 aufgebracht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt 5. Hier sind die viereckigen Ultraschallelemente 5 auf der Trägerplatte 9 der Überwachungsvorrichtung 3, 3' (wie zu 2 und 3 beschrieben) aufgebracht, wobei die Anordnung als lückenfreies Array bzw. lückenfreie Matrix vorgenommen ist. Die flächigen Wandlerelemente 5 können auch in anderen geometrischen Formen gestaltet sein, die eine lückenfreie Anordnung gewährleisten (z.B. hexagonal, etc.) und dahingehend optimiert werden, dass sich keine oder geringe Wirbelströme in dem Wandlerelement 5 ausbreiten können und somit eine Erwärmung des Sensorsystems 3, 3' während eines induktiven Ladevorgangs verhindert bzw. verringert werden kann.

In einer zweiten Ausführung empfangen alle Wandlerelemente das reflektierte Signal eines einzelnen, sendenden Wandlerelements. Diese Betriebsart wird auch Kreuzechobetrieb genannt. Dadurch wird die Ortung eines nicht-bodenständigen Objekts erheblich genauer, weil viele Empfänger den Abstand zum Objekt ermitteln. Durch eine Veränderung des sendenden Wandlerelements innerhalb der Matrix, z.B. in einer zeitlich aufeinanderfolgenden Sequenz von sendenden Wandlerelementen, wird die Ortung weiter verbessert. Besonders vorteilhaft ist, wenn innerhalb der zeitlichen Sequenz jedes Wandlerelement der Matrix mindestens einmal sendend ist.

In einer dritten Ausführungsform sind die einzelnen Wandlerelemente so eng nebeneinander angeordnet und mit einer elektrischen Einheit verbunden, dass die Laufzeitunterschiede der eintreffenden Welle an zwei unterschiedlichen Wandlerelementen als Phasendifferenz ermittelt werden kann. Diese Anordnung wird auch als Phasenarray bezeichnet. Der Abstand direkt benachbarter Wandlerlemente liegt vorteilhaft in der Nähe der halben Wellenlänge des gesendeten Signals. Vorteil des Phasenarrays ist die hohe Genauigkeit der Ortsbestimmung des Objekts und die kostengünstige Fertigung der integrierten Wandlerelemente in einem Bauteil gegenüber einzelnen, diskreten Wandlerelementen.

In einer vierten Ausführungsform ist das Phasenarray als sogenannter Folienwandler ausgeführt. Folienwandler werden aus piezoelektrisch aktiven Kunststoffen hergestellt und können z.B. in einem dem Offset-Druck ähnlichen Verfahren auf einen Träger aufgebracht werden. Vorteile sind die extrem flache Bauform und die reduzierten Kosten. Hierzu bitte dringend RS mit Herrn Andre Gerlach halten!

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102011010049 A1 [0003]
  • DE 102009033236 A1 [0008, 0008]