Title:
Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
Kind Code:
A1
Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung von mindestens einer Sendespule zu einer von der mindestens einen Sendespule beabstandeten mindestens einen Empfangsspule. Die Überwachungsvorrichtung umfasst ein Spulenarray, das Einzelspulen aufweist und dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule zu überwachen. Dabei sind die Einzelspulen individuell ansteuerbar. Die geeignete Ansteuerung kann zu einer variablen Detektionshöhe genutzt werden und den sicheren Betrieb auch bei Ausfall einer Einzelspule gewährleisten.



Inventors:
Henkel, Achim (70563, Stuttgart, DE)
Brenner, Ulrich (71696, Möglingen, DE)
Application Number:
DE102015224016A
Publication Date:
06/22/2017
Filing Date:
12/02/2015
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102011010049A1N/A2011-11-03
Claims:
1. Überwachungsvorrichtung (13) zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung (10) von mindestens einer Sendespule (11) zu einer von der mindestens einen Sendespule (11) beabstandeten mindestens einen Empfangsspule (12), wobei die Überwachungsvorrichtung (13) ein Spulenarray (15) umfasst, das Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16n) aufweist und dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum (14) zwischen der mindestens einen Sendespule (11) und der mindestens einen Empfangsspule (12) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16n) individuell ansteuerbar sind und die Detektionshöhe somit variabel einstellbar ist.

2. Überwachungsvorrichtung (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16n) in der dichtesten Kugelpackung angeordnet sind.

3. Überwachungsvorrichtung (13) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16n) des Spulenarrays (15) so verschaltet werden, dass bei Ausfall einer Einzelspule die verbliebenen Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16n) durch teilweises An- und Abschalten so verschaltet werden, dass sie symmetrische Maschen bzw. einen symmetrischen, geschlossenen Zug aus Kanten und Knoten bilden.

4. Überwachungsvorrichtung (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (16.1, 16.2, ... 16.n) als abgerundete oder eckige Planarspulen ausgeführt sind.

5. Überwachungsvorrichtung (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (13) dämpfungsgeregelt betrieben wird.

6. Überwachungsvorrichtung (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung resonant betrieben wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung.

Stand der Technik

Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, 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 (Sendevorrichtung) bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule (Ladespule bzw. Empfangsvorrichtung) innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktionsbatterie 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 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 3–30 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 oder elektrisch leitfähigen 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, bis diese entfernt sind, oder keine Gefahr mehr von Ihnen ausgeht.

Bekannte Methoden der Fremdobjekterkennung bestehen beispielsweise in herkömmlicher induktiver Metalldetektion mit zusätzlichen Probespulen, die pulsförmig angeregt werden und deren elektrisches Abklingverhalten analysiert wird. Hier bietet sich besonders eine Ausprägung eines Spulenarrays an, das über ein eigenes Magnetfeld mittels der Wirbelstromverluste bzw. über die Verschiebung des Kopplungsfaktors oder über die Variation der Spulengüte die Anwesenheit der Fremdobjekte detektiert. Dem Spulendurchmesser kommt dabei eine entscheidende Rolle zu. Je kleiner der Spulendurchmesser ist, desto genauer ist die Ortsauflösung und desto eher können kleine Gegenstände (Cent-Münze, Büroklammer, etc.) detektiert werden. Nachteilig ist, dass ein feinmaschiges Array nicht den kompletten Zwischenraum zwischen der auf dem/im Boden liegenden Sendespule und der im Fahrzeug befindlichen Empfangs-/Ladespule ausleuchtet. Dies liegt daran, dass das Magnetfeld des Sensorarrays / Spulenarrays ungefähr nur so hoch ausleuchtet/detektiert, wie der Spulendurchmesser lang ist. Somit detektiert ein fein engmaschiges Netz/Array keine Metallobjekte, die hoch über der Bodenspule angeordnet sind (zum Beispiel stehender Joghurtbecher mit Aludeckel, Zigarettenschachtel, rein ragende Metallstäbe, etc.).

Es besteht daher ein Bedarf nach einer Überwachungsvorrichtung induktiver Energieübertragungsvorrichtungen, mittels derer die Detektionshöhe des zur Detektion verwendeten Spulenarrays skalierbar gemacht wird, ohne dabei die mechanische Spulenausprägung zu verändern.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Detektionshöhe der Überwachungsvorrichtung variabel angepasst werden kann.

Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung von mindestens einer Sendespule zu einer von der mindestens einen Sendespule beabstandeten mindestens einen Empfangsspule, wobei die Überwachungsvorrichtung ein Spulenarray umfasst, Einzelspulen aufweist und dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule zu überwachen, wobei die Einzelspulen individuell ansteuerbar sind. Vorteilhaft ist, dass bei geeigneter Auslegung die Ausleuchtungshöhe/Detektionshöhe mithilfe einer geeigneten Bestromung der einzelnen Arrayspulen frei gewählt werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich diese Art der Detektion durch hohe Wetterunempfindlichkeit und geringe Abhängigkeit von der Beleuchtung des Bereichs unter dem Fahrzeugboden auszeichnet. Des Weiteren kann die Detektionsgrenze klar auf den Bereich unter dem Fahrzeug begrenzt werden, was die Fehldetektionsrate stark reduziert.

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

Vorteilhaft sind die Einzelspulen in der dichtesten Kugelpackung in mindestens einer Schicht angeordnet (dichteste Kreispackung für zwei Dimensionen). Dies hat den Vorteil, dass die Einzelspulen einander nur berühren, nicht aber überlappen, wobei der verbleibende Leerraum minimal gelassen wird. Das Array der Einzelspulen bzw. Detektionsspulen besteht vorteilhaft aus einer wabenförmigen Anordnung. Werden alle Einzelspulen gleich bestromt, kann damit eine hohe Ortsauflösung bei relativ niedriger Ausleuchtungshöhe erreicht werden. Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die Spulen gegenläufig bestromt werden.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Einzelspulen des Spulenarrays so verschaltet werden, dass bei Ausfall einer Einzelspule die verbliebenen Einzelspulen durch teilweises An- und Abschalten so verschaltet werden, dass sie symmetrische Maschen bzw. einen symmetrischen, geschlossenen Zug aus Kanten und Knoten bilden. Dies ist vorteilhaft, da die Beschaltung des Spulenarrays somit für Failsafety ausgelegt ist, sodass bei dem Ausfall einer Spulenzelle noch Muster betrieben werden können, die die ausgefallene Einzelspule/Spule nicht brauchen. Vorteilhafterweise sind dabei verschiedene Spulenmuster möglich, solange ein fehlerfreies Muster auch ohne die defekte Spule/Einzelspule entsteht.

Vorteilhafterweise werden die Einzelspulen als runde oder abgerundete oder eckige Planarspulen ausgeführt. Mit dieser Art von Spulenausführung lässt sich die dichteste Kugelpackung, respektive Kreispackung am besten gewährleisten.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Überwachungsvorrichtung dämpfungsgeregelt betrieben wird. Im dämpfungsgeregelten Betrieb wird die Dämpfung des Spulenarrays für die Generierung des Detektionssignals genutzt. Auch ist vorteilhaft, dass ein resonanter Betrieb möglich ist, bei dem die Induktivität der Detektionsspule mit Resonanzkondensatoren zum Schwingen angeregt wird.

Die Überwachungsvorrichtung kann resonant betrieben werden. Im Resonanzbetrieb wird das Spulenarray mit geeigneter Beschaltung im Resonanzpunkt angesteuert und dabei dann die Güte oder die Kopplung der Resonanzkreise für die Generierung des Detektionssignals gewählt. Durch die unterschiedliche Beschaltung des gleichen Spulenarrays kann auf diese Weise die Detektionshöhe und Auflösung vorteilhafterweise frei gewählt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung;

2: eine schematische Darstellung eines Spulenarrays;

3: eine weitere schematische Darstellung des Spulenarrays mit anderen Betriebsparametern;

4: eine weitere schematische Darstellung des Spulenarrays mit anderen Betriebsparametern;

5: eine weitere schematische Darstellung des Spulenarrays mit anderen Betriebsparametern;

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 17, einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 und einer Überwachungsvorrichtung 13. Das Fahrzeug/Elektrofahrzeug/Hybridfahrzeug 17 befindet sich im stehenden Zustand. Die Traktionsbatterie 18 (hier nicht dargestellt) wird über die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 geladen. Diesbezüglich ist eine Sendespule/Sendevorrichtung 11 im Unterboden 19 eingelassen bzw. liegt auf dem Unterboden 19 auf. Die Empfangsspule/Empfangsvorrichtung 12 ist im Fahrzeug 17 angeordnet – vorzugsweise im Unterboden des Fahrzeugs 17. Zwischen Sendespule 11 und Empfangsspule 12 befindet sich ein Zwischenraum 14, auch Luftspalt 14 genannt. Die Überwachungsvorrichtung 13 ist in diesem Zwischenraum 14 angeordnet und liegt vorzugsweise auf der Sendespule 11 auf. Die Überwachungsvorrichtung 13 umfasst ein Spulenarray 15, das Einzelspulen 16.1, 16.2, ... 16n aufweist. Diese Einzelspulen 16.1, 16.2, ... 16n sind unterschiedlich ansteuerbar und sind vorzugsweise in der dichten Kugelpackung angeordnet, bzw. 2-dimensional in der dichtesten Kreispackung. Dabei ist das Spulenarray (Array der Detektionsspulen) 15 beispielsweise als wabenförmige Anordnung von Einzelspulen ausgebildet. Bevorzugt sind die Einzelspulen 16.1, 16.2, ... 16n als runde, abgerundete oder eckige Planarspulen ausgeführt.

2 zeigt eine schematische Darstellung des Spulenarrays 15. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Beispiel der 2 werden alle Einzelspulen 16.1, 16.2, ... 16n gleichmäßig, vorzugsweise symmetrisch bestromt. Die Pfeile in 2 zeigen die Bestromung, aber nicht die Stromflußrichtung an. Dadurch kann eine hohe Ortsauflösung bei relativ niedriger Ausleuchtungshöhe/Detektionshöhe erreicht werden. Die Windungszahl eines jeden einzelnen Spulenelementes 16.116.n kann variieren und wird nach Funktionsaspekten und Kostengesichtspunkten optimiert. Im Extremfall besteht ein Spulenelement nur aus einer Leiterbahnschleife. Die Beschaltung des Spulenarrays 15 ist für Failsafety ausgelegt, sodass bei dem Ausfall einer Einzelspule/Spulenzelle aus dem Verbund der Einzelspule 16.1 ... 16.n noch Muster betrieben werden können, die die ausgefallene Einzelspule nicht mehr benötigen. Dabei sind verschiedene Spulenmuster möglich, solange ein fehlerfreies Muster auch ohne die defekte Einzelspule 16.x (x steht stellvertretend für 1, 2, ... n) entsteht.

3 und 4 zeigen weitere schematische Darstellungen des Spulenarrays 15 gemäß 2. Gleiche Elemente in Bezug auf 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einzelspule 16.x (durchgestrichen) ausgefallen. Die Beschaltung des Spulenarrays 15 ist für Failsafety ausgelegt, was dazu führt das bei dem Ausfall dieser Einzelspule Muster betrieben werden können, indem weitere Spulen (gestrichelt dargestellt) dergestalt abgeschaltet werden, dass sich Muster aus im Betrieb befindlichen Einzelspulen hoher Symmetrie bilden. Beispielsweise werden für die Erhöhung der Reichweite die magnetisch resultierenden Maschen vergrößert. Dazu bilden sich größere Unterstrukturen, die auch zu einer größeren Detektionshöhe führen. Bei geeigneter Auslegung, kann die Ausleuchtungshöhe/Detektionshöhe mithilfe einer angepassten Bestromung der einzelnen Arrayspulen frei gewählt werden. Die Detektionshöhe und damit die Erkennbarkeit von höheren (schwebenden) metallischen Objekten lässt sich auch mit weiteren Mustern steigern. Um eine möglichst feinfühlige / präzise Detektion zu ermöglichen, kann das gesamte aus Einzelspulen 16.1 ... 16.n bestehende Spulenarray 15 sowohl dämpfungsgeregelt als auch resonant betrieben werden. Im dämpfungsgeregelten Betrieb wird die Dämpfung des Spulenarrays 15 für die Generierung des Detektionssignals genutzt. Im Resonanzbetrieb wird das Spulenarrays 15 mit geeigneter Beschaltung im Resonanzpunkt angesteuert und dabei die Güte oder die Kopplung der Resonanzkreise für die Generierung des Detektionssignals gewählt. Durch die unterschiedliche Beschaltung des gleichen Spulenarrays 15 kann auf diese Weise die Detektionshöhe und Auflösung frei gewählt werden. Um verschiedene Objektgrößen zu detektieren, können die unterschiedlichen Bestromungsarten und geometrischen Maschenmuster auch nacheinander angeschaltet und ausgewertet werden.

5 und 6 zeigen weitere schematische Darstellungen des Spulenarrays 15 gemäß 2. Gleiche Elemente in Bezug auf 24 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Um eine ausreichende Symmetrie des Magnetfeldes zu erreichen, können die Stromstärken in den einzelnen Windungen des Spulenarrays 15 auch unterschiedlich ausgeprägt werden. So kann die Spulensorte, die beispielsweise in der Minderzahl ist (in den Figuren gestrichelt dargestellt) stärker bestromt werden. Auch ist es möglich, nur einen Teil der Spulen zu bestromen, um damit eine stärkere Strom-/Magnetkonzentration in den einzelnen Spulen zu erreichen. So kann nur jede 2. Spule bestromt werden, um damit eine lokale Auslöschung des Magnetfeldes zu verhindern oder die Magnetfeldstärke der verbleibenden Spulen zu erhöhen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel überlappen sich die Einzelspulen teilweise. Auch ist denkbar, dass das Rastermaß des Spulenarrays 15 auch in Abhängigkeit vom Zentrum des Spulenarrays variiert. So kann in der Mitte ein engeres Maschennetz gewählt werden wie am Rande, oder umgekehrt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102011010049 A1 [0003]