Title:
Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers
Kind Code:
A1
Abstract:

Bei einem Verfahren zur Detektion eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) an einer Primärspule (2) einer induktiven Ladestation für ein Elektrofahrzeug (1) unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten (12), die im Bereich der Primärspule (12) auf deren im Betrieb einer Sekundärspule (4) des Elektrofahrzeugs (1) zugewandten Seite über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) verteilt angeordnet sind, werden eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Gruppen (A–I) von Messinduktivitäten (12) durchgeführt werden. Jede Messung an einer Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) wird an allen Messinduktivitäten (12) der Gruppe (A–I) gleichzeitig durchgeführt. Die Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) haben untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand, der so gewählt ist, dass das Übersprechen zwischen den Messsignalen der einzelnen Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.



Inventors:
Kozlowski, Peter (73207, Plochingen, DE)
Duarte Almeida, Elvys Melo (79541, Lörrach, DE)
Application Number:
DE102016103044A
Publication Date:
08/24/2017
Filing Date:
02/22/2016
Assignee:
IPT Technology GmbH, 79588 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102009033237A1N/A2011-01-20
Foreign References:
201400153292014-01-16
201503311352015-11-19
WO2011006758A22011-01-20
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Charrier Rapp & Liebau, 86150, Augsburg, DE
Claims:
1. Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers (11) an einer Primärspule (2) einer induktiven Ladestation für ein Elektrofahrzeug (1) unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten (12), die im Bereich der Primärspule (12) auf deren im Betrieb einer Sekundärspule (4) des Elektrofahrzeugs (1) zugewandten Seite über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Gruppen (A–I) von Messinduktivitäten (12) durchgeführt werden, dass jede Messung an einer Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) an allen Messinduktivitäten (12) der Gruppe (A–I) gleichzeitig durchgeführt wird, und dass die Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, der so gewählt ist, dass das Übersprechen zwischen den Messsignalen der einzelnen Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) in einem regelmäßigen Muster verteilt angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinduktivitäten (12) jeder Gruppe (A–I) den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) soweit ausfüllen, dass weitere Messinduktivitäten (12) derselben Gruppe (A–I) bei einer Fortsetzung des regelmäßigen Musters außerhalb des Querschnitts des Feldbereiches liegen würden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) erfassten Messsignale ausgewertet werden, während parallel dazu die Messsignale an der nächsten Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) erfasst werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignal ausgewertet wird, indem mindestens ein Parameter des Messsignals mit dem entsprechenden Parameter eines ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) ermittelten Referenzsignals verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses über das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) im Bereich der Messinduktivität (11) entschieden wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) anzeigendes Alarmsignal erzeugt und an eine Anzeigeeinheit (16) und/oder eine Steuereinheit (7) der Ladestation abgegeben wird, sobald bei der Auswertung des Messsignals irgendeiner Messinduktivität (12) das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) festgestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende eines Messzyklus, in dem alle Gruppen (A–I) von Messinduktivitäten (12) gemessen und deren Messsignale ausgewertet wurden, aus den Ergebnissen der Auswertungen aller einzelnen Messsignale Daten ermittelt werden, welche die Position und die Größe eines leitfähigen Fremdkörpers (11) angeben.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe (A–I) von Messinduktivitäten (12) vor Beginn der Messung an dieser Gruppe (A–I) durch einen Analogmultiplexer (13) mit je einer Messeinrichtung (14) pro Messinduktivität (12) verbunden wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Energieübertragung durch eine Steuereinheit (7) der Ladestation blockiert, abgebrochen oder in der Leistung reduziert wird, wenn bei der Auswertung der Messsignale das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers (11) festgestellt wurde.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie finden unter anderem Verwendung zum Laden einer in einem Elektrofahrzeug eingebauten, wiederaufladbaren Batterie. Während der Energieübertragung wird zwischen einer stationären Primärspule und einer fahrzeugseitigen Sekundärspule ein magnetisches Feld hoher Feldstärke und Flussdichte aufgebaut. Dies ist notwendig, um in der Sekundärspule einen für die angestrebte Übertragungsleistung ausreichend hohen Strom zu induzieren.

Werden Gegenstände aus metallischen Werkstoffen in den Bereich eines solchen Feldes eingebracht, so werden in diesen Wirbelströme induziert, die zu einer von Material, Dauer der Einbringung und Höhe der Feldstärke abhängigen Erwärmung führen. Bei Vorhandensein entsprechender Bedingungen kann ein solcher Gegenstand eine Temperatur erreichen, die zu Beschädigungen, z.B. zum Einschmelzen in Kunststoffoberflächen, oder zu Gefährdungen von Personen führen können. Letztere treten insbesondere dann auf, wenn die Sekundärseite entfernt wurde und erwärmte Metallgegenstände frei zugänglich sind und von Personen berührt werden können. Für einen weitgehend automatischen Betrieb induktiver Ladestationen für Elektrofahrzeuge, insbesondere beim Einsatz derartiger Ladestationen in öffentlich zugänglichen Bereichen, sind wirksame Sicherheitsmaßnahmen nötig, um Schäden und Gefährdungen von Personen durch erwärmte metallische Fremdkörper zu vermeiden.

Aus der DE 10 2009 033 237 A1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei der zur Detektion eines leitfähigen Fremdkörpers über der Primärspule eine Vielzahl von Messinduktivitäten angeordnet sind, die jeweils mit einer Impedanzmesseinrichtung und mit einer gemeinsamen Auswertungseinrichtung verbunden sind. Hierbei kann jeder Messinduktivität eine eigene Impedanzmesseinrichtung zugeordnet sein, oder es können mehrere Messinduktivitäten über einen Analogmultiplexer mit einer gemeinsamen Impedanzmesseinrichtung verbunden sein. Des weiteren können die Messinduktivitäten auch zu Gruppen zusammengeschaltet sein, an denen nur die resultierende Impedanz der gesamten Gruppe gemessen wird. Die Schrift lässt jedoch offen, welche der genannten Möglichkeiten zu bevorzugen wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten aufzuzeigen, das eine möglichst schnelle und genaue Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden zur Detektion eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an einer Primärspule einer induktiven Ladestation für ein Elektrofahrzeug unter Verwendung einer Vielzahl von Messinduktivitäten, die im Bereich der Primärspule auf deren im Betrieb einer Sekundärspule des Elektrofahrzeugs zugewandten Seite über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule (2) verteilt angeordnet sind, eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen an verschiedenen Gruppen von Messinduktivitäten durchgeführt, wobei jede Messung an einer Gruppe von Messinduktivitäten an allen Messinduktivitäten der Gruppe gleichzeitig durchgeführt wird und die Messinduktivitäten jeder Gruppe untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, der so gewählt ist, dass das Übersprechen zwischen den Messsignalen der einzelnen Messinduktivitäten jeder Gruppe unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt.

Hierdurch wird vermieden, dass sich die Messungen an den einzelnen Messinduktivitäten gegenseitig stören, d.h. dass durch das von jeder Messinduktivität bei der Messung ausgehende Magnetfeld bei benachbarten Messinduktivitäten einen Messfehler verursacht, der die Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers beeinträchtigen würde. Andererseits erfolgt die Fremdkörpererkennung durch die gleichzeitige Messung möglichst vieler Messinduktivitäten so schnell wie möglich.

Vorzugsweise sind die Messinduktivitäten jeder Gruppe über den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule in einem regelmäßigen Muster verteilt angeordnet und die Messinduktivitäten jeder Gruppe füllen den Querschnitt des Feldbereiches der Primärspule soweit aus, dass weitere Messinduktivitäten derselben Gruppe bei einer Fortsetzung des regelmäßigen Musters außerhalb des Querschnitts des Feldbereiches liegen würden. Hierdurch wird eine vollständige Abdeckung des Feldbereiches durch die Fremdkörpererkennung gewährleistet.

Um den Ablauf der Fremdkörpererkennung zu beschleunigen, ist es vorteilhaft, wenn die an einer Gruppe von Messinduktivitäten erfassten Messsignale ausgewertet werden, während parallel dazu die Messsignale an der nächsten Gruppe von Messinduktivitäten erfasst werden. Hierdurch ergibt sich eine Verkürzung der Dauer eines Messzyklus, bei dem alle Messinduktivitäten gemessen und die Ergebnisse ausgewertet werden.

Ein Messsignal kann zweckmäßig ausgewertet werden, indem mindestens ein Parameter des Messsignals mit dem entsprechenden Parameter eines ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers ermittelten Referenzsignals verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses über das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers im Bereich der Messinduktivität entschieden wird.

Bevorzugt wird ein das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers anzeigendes Alarmsignal erzeugt und an eine Anzeigeeinheit und/oder eine Steuereinheit der Ladestation abgegeben, sobald bei der Auswertung des Messsignals irgendeiner Messinduktivität das Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers festgestellt wird. Auf diese Weise können die bei Vorhandensein eines Fremdkörpers nötigen Maßnahmen so schnell wie möglich eingeleitet werden, noch bevor ein Messzyklus vollständig abgelaufen ist.

Am Ende eines Messzyklus, in dem alle Gruppen von Messinduktivitäten gemessen und deren Messsignale ausgewertet wurden, können aus den Ergebnissen der Auswertungen aller einzelnen Messsignale Daten zu ermitteln, welche die Position und die Größe eines leitfähigen Fremdkörpers angeben. Dies ermöglicht eine präzise Information für den Benutzer der Ladestation über den festgestellten Fehler und eine quantitative Bewertung des Fehlers.

Durch den Einsatz eines Analogmultiplexers, durch den eine Gruppe von Messinduktivitäten vor Beginn der Messung an dieser Gruppe mit je einer Messeinrichtung pro Messinduktivität verbunden wird, kann die Anzahl der benötigten Messvorrichtungen auf die Maximalzahl der Mitglieder einer Gruppe beschränkt werden, wodurch sich bei einer großen Anzahl an Messinduktivitäten eine Einsparung von Hardware zur Durchführung der Messungen ergibt.

Je nachdem, ob ein Fremdkörper vor oder während einer induktiven Energieübertragung detektiert wurde, kann die induktive Energieübertragung durch eine Steuereinheit der Ladestation blockiert, abgebrochen oder in der Leistung reduziert werden. Letzteres wird dadurch ermöglicht, dass ein Feld einer Vielzahl von Messinduktivitäten eine Ortung und Abschätzung der Größe und Form eines Fremdkörpers gestattet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Ladestation zur induktiven Energieübertragung mit einem in Ladeposition befindlichen Elektrofahrzeug,

2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers an der Primärspule der Ladestation von 1,

3 eine räumliche Verteilung verschiedener Gruppen von Messinduktivitäten der Vorrichtung von 2,

4 eine Darstellung eines ersten Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Programmablaufplans und

5 eine Darstellung eines zweiten Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Programmablaufplans.

1 zeigt ein Elektrofahrzeug 1, welches zum Aufladen seiner Batterie über der Primärspule 2 einer Ladestation steht, in einer schematischen Schnittansicht (oben) und in einer schematischen Draufsicht (unten). An der Unterseite des Fahrzeugs 1 befindet sich in einem Gehäuse 3 eine Sekundärspule 4, die mit einer Ladeelektronik 5 verbunden ist. Diese wandelt die Parameter der induktiv in die Sekundärspule 4 übertragenen elektrischen Leistung in zur Ladung der Batterie des Fahrzeugs 1 geeignete Werte. Die Primärspule 2 wird von einer Stromversorgungseinheit 6 der Ladestation gespeist und ist in einem Gehäuse 8 untergebracht, welches stationär an einem Fahrzeugabstellplatz angebracht ist. Die Stromversorgungseinheit 6 wird von einer Steuereinheit 7 der Ladestation gesteuert.

Gestrichelt sind in 1 einige Feldlinien 9 des von der Primärspule 2 im Betrieb erzeugten magnetischen Wechselfeldes angedeutet. Seine Hauptrichtung entspricht der Richtung der Spulenachse der Primärspule 2 und ist somit die Vertikalrichtung. In dem Zwischenraum 10 unmittelbar oberhalb des Gehäuses 8 der Primärspule 2 herrscht im Betrieb eine hohe magnetische Feldstärke und Flussdichte.

Auf dem Gehäuse 8 der Primärspule 2 liegt ein metallischer Gegenstand 11. Dieser kann sich beispielsweise von einem anderen Fahrzeug, welches vor dem Fahrzeug 1 an der Ladestation gestanden hat, gelöst haben. Es könnte sich auch um einen von einer Person verlorenen Gebrauchgegenstand oder um eine leere Getränkedose handeln. Nicht zuletzt könnte der Gegenstand 11 auch von einer Person in Sabotageabsicht absichtlich dort deponiert worden sein. Wie eingangs bereits dargelegt, würde sich der Gegenstand bei einer Bestromung der Primärspule 2 infolge der in ihm induzierten Wirbelströme erhitzen und dadurch zu einer Gefahrenquelle werden. Im übrigen würde durch ihn die Effizienz der Energieübertragung zu der Sekundärspule 4 beeinträchtigt.

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers 11 an einer Ladestation der anhand 1 erläuterten Art, wobei der Fremdkörper 11 wie in 1 auf der Oberfläche des Gehäuses 8 der Primärspule 2, von der in 2 nur vier Windungen skizziert sind, liegt. Um den Fremdkörper 11 zu detektieren, sind in dem Gehäuse 8 zwischen dessen oberer Wand und der Primärspule 2 eine Vielzahl von Messinduktivitäten 12 angeordnet. Diese Messinduktivitäten 12 sind jeweils wesentlich kleiner als die Primärspule 2. Sie sind in dem gezeigten Beispiel als planare Spulen realisiert und können beispielsweise in Form von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder einer Folie realisiert sein, die von innen an der oberen Wand des Gehäuses 8 befestigt ist. Auch könnten die Messinduktivitäten 12 als direkt auf der inneren Oberfläche der Oberseite des Gehäuses 8 verlaufende Leiterbahnen ausgeführt sein.

Die Messinduktivitäten 12 bilden eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung nach Art einer Matrix mit gleichem Rastermaß in den Reihen und Spalten. Die zu den einzelnen Messinduktivitäten 12 führenden Zuleitungen wie auch die Zuleitungen zu der Primärspule 2 sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Zu ihrer Unterscheidung sind die Messinduktivitäten 12 in 2 nach einem periodischen Schema mit Buchstaben von A bis I gekennzeichnet. Hierauf wird später näher eingegangen.

Die Messinduktivitäten 12 sind über einen Analogmultiplexer 13 mit einer Vielzahl von gleichartigen Messeinrichtungen 14 verbunden. Die Anzahl der tatsächlich von jeder Spalte der Matrix der Messinduktivitäten 12 zu dem Multiplexer 13 verlaufenden Leitungen hängt von der Anzahl der in der Matrix vorhandenen Reihen ab, was in 2 durch die Punkte zwischen den zwei von jeder Spalte zu dem Multiplexer 13 führenden Leitungen angedeutet ist. Die Messeinrichtungen 14 sind mit einer zentralen Auswertungseinrichtung 15 verbunden. Diese ist mit der Steuereinheit 7 der Ladestation und mit einer Anzeigeeinheit 16 verbunden.

Zur Detektion eines Fremdkörpers müssen die Messinduktivitäten 12 durch die Messeinrichtungen 14 jeweils mit einem Messstrom beaufschlagt werden, der um jede Messinduktivität 12 herum ein Messfeld erzeugt, das in einem auf dem Gehäuse 8 über der jeweiligen Messinduktivität 12 liegenden metallischen Fremdkörper 11 Wirbelströme hervorruft. Diese Wirbelströme haben eine Rückwirkung auf die jeweilige Messinduktivität 12 in Form einer Erhöhung ihres Verlustfaktors. Im Ersatzschaltbild einer Messinduktivität 12 äußert sich dies in Form eines zusätzlichen Serienwiderstandes, dessen Wert je nach Position, Form und Leitfähigkeit des Fremdkörpers 11 den Wert des normalen Wicklungswiderstandes erheblich übersteigen kann.

Für die Durchführung der Messung existieren verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist beispielsweise eine Impedanzmessung mit einer Messbrücke bekannter Art. Eine andere ist die Anregung und Beobachtung einer abklingenden Schwingung eines Serienschwingkreises durch Anschalten einer auf eine bekannte Spannung geladenen Kapazität parallel zu einer Messinduktivität, deren Verluste die Dämpfung der hierdurch in dem Serienschwingkreis ausgelösten Schwingung maßgeblich bestimmen.

Unabhängig von der schaltungstechnischen Realisierung einer Messeinrichtung 14 muss stets ein Messstrom in jede Messinduktivität 12 eingespeist und so ein magnetisches Messfeld erzeugt werden, um einen leitfähigen Fremdkörper 11 detektieren zu können. Das Messfeld jeder Messinduktivität 12 durchsetzt jedoch auch benachbarte Messinduktivitäten 12 und induziert dort ein Signal, welches einen Messfehler verursacht, wenn dort gleichzeitig eine Messung vorgenommen wird. Dies kann dazu führen, dass ein Fremdkörper 11 erkannt wird, obwohl keiner vorhanden ist. Hebt man zur Vermeidung einer solchen Fehlerkennung infolge der gegenseitigen Störung der Messinduktivitäten 12 untereinander die Ansprechschwelle des Systems für die Erkennung eines Fremdkörpers 11 an, so verschlechtert dies die Empfindlichkeit, so dass kleine Fremdkörper 11 nicht mehr erkannt werden und damit ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines sich über den Querschnitt des Feldbereiches des Primärspule 2 erstreckenden Feldes von zahlreichen kleinen Messinduktivitäten 12 verlorengeht.

Um dieses Problem zu beheben, werden erfindungsgemäß nicht alle Messinduktivitäten 12 gleichzeitig gemessen, sondern es werden nacheinander verschiedene Gruppen von Messinduktivitäten 12 gemessen, deren Mitglieder untereinander einen vorbestimmten Mindestabstand haben, so dass die gegenseitige Störung, d.h. der durch diese verursachte Messfehler unterhalb einer vorbestimmten Schwelle bleibt. Die Mitglieder jeder Gruppe werden gleichzeitig gemessen. In 2 sind diese Gruppen mit den Buchstaben A bis I gekennzeichnet, d.h. es existieren insgesamt neun solche Gruppen. Dabei beträgt der minimale Abstand zwischen zwei Mitgliedern derselben Gruppe jeweils das Dreifache des Rastermaßes des Rasters, in dem die Messinduktivitäten 12 angeordnet sind.

Eine gruppenweise getrennte Darstellung der Verteilung der einzelnen Gruppen A bis I über die Oberfläche des Gehäuses 8 der Primärspule 2 zeigt 3. Darin ist erkennbar, dass die Anzahl der Mitglieder der Gruppen unterschiedlich ist und dass die größte Gruppe die Gruppe A mit neun Mitgliedern ist. Hieraus ergibt sich, dass zur gleichzeitigen Messung aller Mitglieder jeder Gruppe neun Messeinrichtungen 14 benötigt werden, wie es in 2 gezeigt ist. Der Analogmultiplexer 13 muss also bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens 49 Kanäle zum Anschluss der Messinduktivitäten 12 und mindestens neun Kanäle zum Anschluss der Messeinrichtungen 14 haben, wobei aber nur für die Gruppe A alle neun Kanäle benötigt werden. In 3 ist den einzelnen Gruppen A bis I jeweils ein Wert eines Index N zugeordnet, auf den später Bezug genommen wird.

Aus der Anzahl von neun Gruppen A bis I ergibt sich, dass die Zeit zur Messung aller Messinduktivitäten 12 das Neunfache der Zeit zur Messung einer einzelnen Messinduktivität 12 zuzüglich der Zeit für die Umschaltung durch den Multiplexer 13 beträgt. Diese Verlängerung der Messzeit wird in Kauf genommen, um eine gegenseitige Störung der Messinduktivitäten 12 bei der Messung zu vermeiden.

Eine Darstellung eines ersten Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 4 in Form eines Programmablaufplans. In Schritt 17 wird zu Beginn eines Messzyklus der Index N der als nächstes zu messenden Gruppen von Messinduktivitäten 12 mit Null initialisiert. In Schritt 18 wird dieser Index inkrementiert und in Schritt 19 die Gruppe mit dem aktuellen Index N durch den Analogmultiplexer 13 mit den Messeinrichtungen 14 verbunden. In Schritt 20 werden alle Messinduktivitäten 12 der aktuell mit den Messeinrichtungen 14 verbundenen Gruppe gleichzeitig gemessen. Dies beinhaltet auch die Übertragung der Messwerte an die Auswertungseinrichtung 15. Anschließend wird in Schritt 21 die aktuelle Gruppe N durch den Analogmultiplexer 13 wieder von den Messeinrichtungen 14 getrennt. In Schritt 22 wird geprüft, ob das Ende eines Zyklus erreicht ist oder nicht. Wenn nicht, wird mit Schritt 18 fortgefahren, d.h. die Messung der nächsten Gruppe eingeleitet. Andernfalls ist der Messzyklus beendet.

Während der Messung an der nächsten Gruppe N + 1 wertet die Auswertungseinrichtung 15 bereits die Messdaten der zuletzt vorher gemessenen Gruppe N aus. Diese parallel ablaufende Auswertung ist in 5 ebenfalls in Form eines Programmablaufplans dargestellt. Sie beginnt in Schritt 23 mit dem Einlesen eines Messdatensatzes von den Messeinrichtungen 14. In Schritt 24 wird der Messdatensatz ausgewertet, indem aus ihm für jede einzelne Messinduktivität 12 der gemessenen Gruppe N ein Parameter ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird, der ohne Vorhandensein eines leitfähigen Fremdkörpers 11 bei einer Kalibrierung ermittelt und gespeichert wurde. In Schritt 25 wird für den ermittelten Parameter jeder Messinduktivität gemessenen Gruppe N überprüft, ob er um mehr als eine vorbestimmte Schwelle von seinem Referenzwert abweicht. In diesem Fall gilt ein Fremdkörper 11 als erkannt und es wird in Schritt 26 ein Alarm ausgelöst, der eine Blockierung bzw. einen Abbruch der induktiven Energieübertragung zur Folge hat.

Andernfalls wird der Schritt 26 übersprungen und es wird geprüft, ob der zuletzt ausgewertete Messdatensatz insgesamt der letzte ist, d.h. ob die Messdatensätze aller Gruppen von Messinduktivitäten vorliegen. Wenn ja werden in Schritt 28 die gespeicherten Einzelergebnisse der vorherigen Durchläufe des Schritts 25 verknüpft und aus ihnen Informationen über Ort und Größe eines Fremdkörpers 11 abgeleitet, sofern bereits ein solcher in Schritt 25 an mindestens einer Messinduktivität 12 erkannt wurde. Andernfalls wird der Schritt 28 übersprungen und die Verarbeitung des aktuellen Messdatensatzes der Gruppe N ist beendet.

Durch die Auswertung des Messdatensatzes jeder Gruppe unmittelbar nach ihrer Erfassung wird trotz der seriellen Messung der einzelnen Gruppen von Messinduktivitäten 12 ein leitfähiger Fremdkörper bereits vor dem Ende eines Messzyklus erkannt, wenn er eine Größe hat, die eine Überdeckung oder Teilüberdeckung mehrerer Messinduktivitäten 12 bewirkt. Zumindest eine der überdeckten Messinduktivitäten 12 gehört dann zu einer Gruppe, die nicht erst als letzte gemessen wird, wodurch ein Alarm bereits vor dem Ende des Messzyklus ausgelöst werden kann. So sind bei dem in 2 gezeigten Beispiel Messinduktivitäten 12 der Gruppen E, F, H und I zumindest teilweise überdeckt. Wenn die Messungen entsprechend der Nummerierung in 3 in alphabetischer Reihenfolge der Gruppen erfolgen, dann würde der Fremdkörper 11 anhand der Gruppe E erstmals erkannt, also bereits nach ungefähr der Hälfte der Zykluszeit und nicht erst an deren Ende.

Grundsätzlich steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fremdkörper frühzeitig erkannt wird, mit seiner Größe, wobei mit Größe hier in erster Linie die von ihm überdeckte Fläche gemeint ist. Es kommt jedoch auch auf die Form an, indem beispielsweise ein ringförmiger Fremdkörper einem magnetischen Wechselfeld gegebener Stärke mehr Leistung entzieht als ein stabförmiger Fremdkörper gleichen Volumens und die Ansprechschwelle der Messung somit auch von der Form eines Fremdkörpers abhängt.

Bei Erkennung eines leitfähigen Fremdkörpers 11 gibt die Auswertungseinrichtung 15 ein Ausgangssignal an eine Anzeigeeinrichtung 16 aus, welche eine optische und/oder akustische Warnung für den Benutzer der Ladestation abgibt, die auch die aus der räumlichen Verteilung der betroffenen Messinduktivitäten 12 abgeleitete Information über Position und Größe des Fremdkörpers enthalten kann. Darüber hinaus gibt die Auswertungseinrichtung 15 auch an die Steuereinheit 7 der Ladestation Signale aus, welche für eine Blockierung oder einen Abbruch der induktiven Energieübertragung, d.h. der Bestromung der Primärspule 2 sorgen und die Steuereinheit 7 über Ort und Größe des erkannten Fremdkörpers 11 informieren.

Aufgrund der Information über Ort und Größe eines Fremdkörpers 11 entscheidet die Steuereinheit 7, ob die Energieübertragung bis zu einer Entfernung des Fremdkörpers 11 ganz unterbleiben muss, oder ob noch ein Notbetrieb mit einer verminderten Übertragungsleistung, bei der die Erwärmung des Fremdkörpers 11 noch ein tolerierbares Ausmaß hat, möglich ist. Dies ist ein Vorteil der Verwendung eines Feldes kleiner Messinduktivitäten 12 im Vergleich zu einer einzigen großen Messinduktivität, die keine Lokalisierung und Größenabschätzung eines Fremdkörpers 11 erlauben würde. Das erfindungsgemäße Messverfahren ist sowohl vor Beginn als auch während einer induktiven Energieübertragung anwendbar, da die Messinduktivitäten 12 von der Primärspule 2 separate Komponenten sind.

Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zweier Messinduktivitäten 12 jeder Gruppe A bis I jeweils das Dreifache des Rastermaßes in Richtung der Reihen und auch der Spalten. Es versteht sich, dass die Anordnung der Messinduktivitäten 12 jeder Gruppe und ihr gegenseitiger Abstand von der Form und der Anordnung der Messinduktivitäten sowie von der Stärke des Messsignals, welches die Stärke des bei einer Messung erzeugten Magnetfeldes bestimmt, abhängt. Wenn beispielsweise wie in der eingangs genannten DE 10 2009 033 237 A1 aufeinanderfolgende Reihen von Messinduktivitäten 12 jeweils um ein halbes Rastermaß versetzt angeordnet sind, so kann auch ein entsprechender Versatz in der Anordnung der Mitglieder der einzelnen Gruppen auftreten. Für eine gewählte Anordnung von Messinduktivitäten 12 muss das Ausmaß des Übersprechens stets in Abhängigkeit von der Gruppeneinteilung ermittelt und diejenige Gruppeneinteilung gewählt werden, für welche bei minimalem Abstand das Übersprechen unter einer tolerierbaren Schwelle bleibt.

Die in den 2 und 3 dargestellte Gruppeneinteilung ist als beispielhaft zu verstehen. Es sind auch andere Einteilungen möglich. Darüber hinaus können die Messinduktivitäten 12 nicht nur wie in dem vorausgehend vorgestellten Ausführungsbeispiel zweidimensional über die Querschnittsfläche des Feldbereiches der Primärspule 2 verteilt sein, sondern es kann auch eine dreidimensionale Verteilung in Form von zwei oder mehr lateral gegeneinander versetzten Lagen von Messinduktivitäten 12 übereinander, innerhalb derer die Verteilung jeweils zweidimensional ist, vorgesehen werden. Die Erfindung kann auch auf solche mehrlagige Anordnungen von Messinduktivitäten 12 angewendet werden, wobei eine gleichzeitig gemessene Gruppe auch Messinduktivitäten 12 unterschiedlicher Lagen enthalten kann.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102009033237 A1 [0004, 0041]