Title:
Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung von einer Energiesendevorrichtung zu einem Verbraucher sowie drahtlose Energiesendevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Kind Code:
A1


Abstract:

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur drahtlosen, insbesondere induktiven, Energieübertragung von einer Energiesendevorrichtung (14) zu einem Verbraucher (18), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine Unterbrechung der Energieübertragung von der Energiesendevorrichtung (14) zu dem Verbraucher (18) in Verbindung mit einer Fremdobjekterkennung erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrenschritt (56, 56.6) eine Zykluszeit (Tcycle) des Verfahrens und/oder eine Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung abhängig von einer Energieübertragungskenngröße der drahtlosen Energieübertragung angepasst wird. embedded image




Inventors:
Gonda, Martin (77815, Bühl, DE)
Mack, Juergen (73035, Göppingen, DE)
Krupezevic, Dragan (70565, Stuttgart, DE)
Application Number:
DE102017214741A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
08/23/2017
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
Verfahren zur drahtlosen, insbesondere induktiven, Energieübertragung von einer Energiesendevorrichtung (14) zu einem Verbraucher (18), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine Unterbrechung der Energieübertragung von der Energiesendevorrichtung (14) zu dem Verbraucher (18) in Verbindung mit einer Fremdobjekterkennung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrenschritt (56, 56.6) eine Zykluszeit (Tcycle) des Verfahrens und/oder eine Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung abhängig von einer Energieübertragungskenngröße der drahtlosen Energieübertragung angepasst wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.7) eine Genauigkeitskenngröße, insbesondere eine Anzahl diskreter Frequenzpunkte und/oder eine Anzahl an Frequenzdurchlauf-Zyklen der Fremdobjekterkennung abhängig von der Energieübertragungskenngröße der drahtlosen Energieübertragung angepasst wird.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Anzahl diskreter Frequenzpunkte und/oder der Anzahl an Frequenzdurchlauf-Zyklen zwischen einer Standard-Fremdobjekterkennung, insbesondere mit einer Zykluszeit (Tcycle) von 1 bis 10 Sekunden, und einer schnellen Fremdobjekterkennung, insbesondere mit einer Zykluszeit (Tcycle) von weniger als 10 Millisekunden, unterschieden wird.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdobjekterkennung in zumindest einem Verfahrensschritt (54; 54.1, 54.2) zumindest zwischen einem Standby-Modus (58b) und einen Energieübertragungsmodus (58a) der drahtlosen Energieübetragung unterscheiden kann, und dass bei einem Wechsel von dem Standby-Modus (58b) zum Energieübertragungsmodus (58a) oder umgekehrt eine Standard-Fremdobjekterkennung durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine schnelle Fremdobjekterkennung durchgeführt wird, wenn sich die Energieübertragungskenngröße von einem zum nächsten Zyklus des Verfahrens nur gering, vorzugsweise um weniger als 10 %, besonders bevorzugt um weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt um weniger als 1 %, verändert hat.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fremdobjekterkennung in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.1, 56.2) eine nachfolgende Kommunikation zwischen der Energiesendevorrichtung (14) und dem Verbraucher (18) zugeordnet ist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem Unterschreiten eines, insbesondere unteren, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße die Fremdobjekterkennung für einen definierten Zeitraum, bis zu einer Änderung oder bis zum Ende der Energieübertragung (66) ausgesetzt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem Überschreiten eines, insbesondere oberen, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße die Fremdobjekterkennung weiterhin durchgeführt und/oder die Zykluszeit (Tcycle) reduziert wird (56, 56.6, 62a).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße eine zwischen der Energiesendevorrichtung (14) und dem Verbraucher (18) übertragene elektrische Leistung bzw. ein Leistungsgradient ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße eine in der Energiesendevorrichtung (14) und/oder dem Verbraucher (18) gemessene Temperatur bzw. ein Temperaturgradient ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße ein von dem Verbraucher (18) benötigter Energiebedarf ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigendem Energiebedarf verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Energiebedarf erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße ein Ladezustand des als wiederaufladbaren Energiespeicher ausgebildeten Verbrauchers (18) ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigendem Ladezustand erhöht und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Ladezustand verringert wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße ein Gradient einer erfassten Ist-Güte (Qact,n+1(fres)) ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße eine in der Energiesendevorrichtung (14) und/oder dem Verbraucher (18) gemessene Vibration bzw. ein Vibrationsgradient ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße ein elektrischer Strom bzw. ein Stromgradient in der Sendespule (22) der Energiesendevorrichtung (14), eine an der Sendespule (22) anliegende elektrische Spannung bzw. ein Spannungsgradient und/oder eine Temperatur bzw. ein Temperaturgradient der Sendespule (22) ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungskenngröße eine aufgenommene Leistung bzw. ein Leistungsgradient eines Netzteils der Energiesendevorrichtung (14) und/oder eine Versorgungsspannung bzw. ein Versorgungsspannungsgradient des Netzteils der Energiesendevorrichtung (14) ist (56, 56.5), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (56, 56.6) die Zykluszeit (Tcycle) mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdobjekterkennung mit einer Anregespannung einer primärseitigen Sendespule (22) der Energiesendevorrichtung (14) von weniger als 10V, vorzugsweise zwischen 2,5 und 5V, durchgeführt wird.

Drahtlose Energiesendevorrichtung (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Energiesendevorrichtung (14) für einen Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie innerhalb einer unteren Leistungsgrenze von 5 W und einer oberen Leistungsgrenze von 30 W, insbesondere 15 W, ausgelegt ist.

Drahtlose Energiesendevorrichtung (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Energiesendevorrichtung (14) für einen Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie innerhalb einer unteren Leistungsgrenze von 30 W und einer oberen Leistungsgrenze von 200 W, insbesondere 65 W, ausgelegt ist.

Drahtlose Energiesendevorrichtung (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Energiesendevorrichtung (14) für einen Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie oberhalb einer unteren Leistungsgrenze von 200 W, insbesondere 2000 W, ausgelegt ist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen, insbesondere induktiven, Energieübertragung von einer Energiesendevorrichtung zu einem Verbraucher, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine Unterbrechung der Energieübertragung von der Energiesendevorrichtung zu dem Verbraucher in Verbindung mit einer Fremdobjekterkennung erfolgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine drahtlose Energiesendevorrichtung, insbesondere eine induktive Ladevorrichtung, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Stand der Technik

Es ist bekannt, akkubetriebene Handgeräte wie Zahnbürsten, Mobilfunkgeräte, oder Computer sowie elektrisch betriebene Handwerkzeuge, Messgeräte, Gartengeräte oder dergleichen drahtlos mit Energie zu versorgen. Zukünftig werden auch die Energiespeicher von elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, wie eBikes, eScooter oder PKW, Busse, LKW, etc. drahtlos geladen. Ein weiterer Anwendungsfall für die drahtlose Energieübetragung sind Geräte, die ohne weiteren Energiespeicher oder nur mit kleinem Energiespeicher beispielsweise in Form von Kondensatoren ausgestattet sind und die die drahtlos übertragene Energie direkt verbrauchen. Zu derartigen Geräten gehören Küchengeräte, wie Mixer, Töpfe, etc. die direkt auf einem Induktionskochfeld betreibbar sind, aber zunehmend auch Notebooks, Leuchten, Lüfter oder dergleichen. In der Regel erfolgt die drahtlose Energieübertragung mittels eines elektromagnetisches Felds von einer primärseitigen Energieversorgungseinrichtung zu einem sekundärseitigen Verbraucher, wobei die Primärseite und die Sekundärseit jeweils mindestens eine Spule aufweisen, die in geringem Abstand zueinander positionierbar sind und so zusammen im Wesentlichen einen Transformator bilden.

Gerät ein elektrisch leitfähiges Fremdobjekt in den Bereich des elektromagnetischen Feldes der Spulen, können sich jedoch Wirbelströme bilden, die das Fremdobjekt erwärmen. Ist das Fremdobjekt magnetisierbar, so kann dieses auch durch Ummagnetisierungs- bzw. Hystereseverluste erwärmt werden. Die Erwärmung kann beträchtlich sein, sodass eine Betriebssicherheit des drahtlosen Energieübertragungssystems nicht mehr gewährleistbar ist. Außerdem kann das Fremdobjekt Energie aus dem elektromagnetischen Feld entziehen, sodass die Energieübertragung zum Verbraucher gestört ist.

Aus der DE 10 2012 205 693 A1 ist ein induktives Ladesystem bekannt mit einer Induktionsladevorrichtung zur drahtlosen Energieübertragung zu einer Akkuvorrichtung, wobei ein Resonanztransformator der Induktionsladevorrichtung mit einer Ladespule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Eine Bestimmungseinrichtung ist zur Erfassung eines Objekts im Bereich der Ladespule in Abhängigkeit eines elektrischen Parameters am Resonanztransformator vorgesehen. Außerdem umfasst die Induktionsladevorrichtung eine Steuer- und Regeleinheit zur Veränderung eines Gütefaktors des Resonanztransformators, um eine Energieübertragung bei einem niedrigen Gütefaktor und eine Erfassung des Objekts bei einem hohen Gütefaktor zu erlauben.

Aus der DE 10 2013 212 588 ist ferner ein Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung bekannt, bei dem eine Resonanzfrequenz und eine dazu gehörige Ist-Güte einer Schwingkreisschaltung der Induktionsladevorrichtung erfasst werden und nachfolgend die Ist-Güte mit einer von der Resonanzfrequenz abhängigen Soll-Güte verglichen wird. Anhand eines definierten Soll-Gütebereichs wird dann eine Entscheidung über das Vorhandensein eines Fremdobjekts getroffen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine drahtlose Energieübertragungsvorrichtung sowie die entsprechenden drahtlosen Energieübertragungsvorrichtungen weiter zu verbessern und die Energieübertragung weiter zu optimieren.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in zumindest einem Verfahrenschritt eine Zykluszeit des Verfahrens und/oder eine Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung abhängig von einer Energieübertragungskenngröße der drahtlosen Energieübertragung angepasst wird. Hierdurch können vorteilhaft Unterbrechungen der drahtlosen Energieübertragung aufgrund einer notwendigen Fremdobjekterkennung gering gehalten werden. Zudem können in besonders vorteilhafter Weise lange Zyklen erreicht werden, was zu eine insgesamt verkürzten Energieübertragungsdauer führt. Es kann vorteilhaft ein Beschädigungsrisiko einer drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung, insbesondere einer drahtlosen Energiesendevorrichtung, bei der Durchführung einer Fremdobjekterkennung berücksichtigt werden.

Unter einer „drahtlosen Energiesendevorrichtung“ soll insbesondere eine primärseitige Vorrichtung zum drahtlosen, insbesondere induktiven, Übertragen von Energie an einen sekundärseitigen Verbraucher, insbesondere einen wiederaufladbaren Energiespeicher, verstanden werden. Ein Beispiel für eine drahtlose Energieübertragung ist ein induktives Ladesystem für einen Akkupack einer Handwerkzeugmaschine. Die Erfindung kann jedoch auch auf die verschiedensten Arten der drahtlosen Energieübetragung sowie Energiesende- und - empfangs-vorrichtungen angewendet werden, bei denen eine Fremdobjekterkennung sinnvoll oder notwendig ist. Dies kann auch eine drahtlose Energieübertragung umfassen, die optisch, akustisch, kapazitiv oder auf Grundlage von Luftströmungen oder dergleichen basiert.

Unter einer „Häufigkeit“ der Fremdobjekterkennung soll insbesondere eine Frequenz einer Ausführung der Fremdobjekterkennung während der drahtlosen Energieübetragung oder während eines Standby-Betriebs der Energiesendevorrichtung verstanden werden.

Vorzugsweise weist die Energiesendevorrichtung zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit auf, die zumindest dazu vorgesehen ist, einen drahtlose Energieübertragung zu steuern oder zu regeln. Unter einem „Verbraucher“ soll dabei insbesondere eine Vorrichtung zum temporären Speichern und/oder verbrauchen elektrischer Energie, beispielsweise ein Akkumulator oder ein direkt mit der drahtlos übertragenen, elektrischen Energie versorgtes Gerät, wie ein Radio, eine Leuchte, ein Mixer oder dergleichen, verstanden werden. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende, wiederaufladbare Energiespeicher denkbar; insbesondere soll darunter jedoch ein Lithium-Ionen-Akkumulator verstanden werden.

Des Weiteren soll unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.

Unter einer „Fremdobjekterkennung“ soll insbesondere eine Erkennung und/oder eine Überprüfung eines Vorhandenseins von Fremdobjekten, insbesondere in einer Umgebung der drahtlosen Energiesendevorrichtung und/oder des Verbrauchers, verstanden werden. Vorzugsweise soll darunter insbesondere das Erkennen und/oder das Überprüfen eines Vorhandenseins von Fremdobjekten, die in einem Kontaktbereich zwischen der drahtlosen Energiesendevorrichtung und dem Verbraucher angeordnet sind und während einer drahtlosen Energieübetragung zu deren Beeinträchtigung führen können, verstanden werden. Unter „Fremdobjekten“ sollen dabei insbesondere metallische und/oder magnetische Bauteile, Teilstücke oder andere Objekte verstanden werden.

Unter einer „Energieübertragungskenngröße“ soll insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, welche während der drahtlosen Energieübertragung einen Energiefluss, im Falle der induktiven Energieübertragung insbesondere einen elektromagnetischen Energiefluss, zwischen der Energiesendevorrichtung und dem Verbraucher bevorzugt quantitativ charakterisiert.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Genauigkeitskenngröße, insbesondere eine Anzahl diskreter Frequenzpunkte und/oder eine Anzahl an Frequenzdurchlauf-Zyklen der Fremdobjekterkennung abhängig von der Energieübertragungskenngröße der drahtlosen Energieübertragung angepasst wird. Hierdurch kann vorteilhaft eine vereinfachte Ausführung der Fremdobjekterkennung erreicht werden. Zudem können Unterbrechungen der drahtlosen Energieübertragung aufgrund einer optimierten Fremdobjekterkennung vorteilhaft gering gehalten werden. Unter einer „Genauigkeitskenngröße“ soll insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, welche zumindest teilweise eine Präzision der Fremdobjekterkennung charakterisiert.

Unter einem „Frequenzdurchlauf“ soll im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Prozess verstanden werden, bei dem in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz innerhalb eines definierten Frequenzbereichs nach einem lokalen Maximum einer erfassten bzw. gemessenen Ist-Güte der drahtlosen Energieübertragung gesucht wird. Ist ein derartiges lokales Maximum gefunden, wird der Frequenzumlauf in der Regel beendet, so dass nicht sämtliche Frequenzpunkte durchlaufen werden müssen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, in zumindest einem Verfahrensschritt abhängig von der Anzahl diskreter Frequenzpunkte und/oder der Anzahl an Frequenzdurchlauf-Zyklen zwischen einer Standard-Fremdobjekterkennung, insbesondere mit einer Zykluszeit von 1 bis 10 Sekunden, und einer schnellen Fremdobjekterkennung, insbesondere mit einer Zykluszeit von weniger als 10 Millisekunden, zu unterscheiden. Dabei bietet die Standard-Fremdobjekterkennung den Vorteil der Erkennung von metallischen Fremdobjekten in der Größe einer Unterlegscheibe, eines Schlüssels, einer Geldmünze oder dergleichen, die sich auf der Energiesendevorrichtung oder zwischen der Energiesendevorrichtung und dem Verbraucher befinden und eine längere Aufheizzeit aufweisen, während die schnelle Fremdobjekterkennung in der Lage ist, plötzliche Veränderungen, wie z.B. ein Verrutschen des Verbrauchers relativ zur Energiesendevorrichtung zu erkennen und schneller auf z.B. Überspannungen, Übertemperaturen oder dergleichen im Verbraucher zu reagieren. Im Vergleich zur Standard-Fremdobjekterkennung führt die schnelle Fremdobjektierkennung dagegen zu einer insgesamt längeren Energieübertragung, da diese häufiger von der Fremdobjekterkennung unterbrochen werden muss.

Die Fremdobjekterkennung ist in zumindest einem Verfahrensschritt in der Lage, zwischen zumindest einem Standby-Modus und einem Energieübertragungsmodus der drahtlosen Energieübetragung zu unterscheiden und bei einem Wechsel von dem Standby-Modus zum Energieübertragungsmodus oder umgekehrt eine Standard-Fremdobjekterkennung durchzuführen. Hierdurch kann eine Anzahl an Ausführungen der Fremdobjekterkennung vorteilhaft gering gehalten werden.

Mit besonderem Vorteil wird eine schnelle Fremdobjekterkennung durchgeführt, wenn sich die Energieübertragungskenngröße von einem zum nächsten Zyklus des Verfahrens nur gering, vorzugsweise um weniger als 10 %, besonders bevorzugt um weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt um weniger als 1 %, verändert hat. Dadurch lässt sich die drahtlose Energieübertragung insgesamt beschleunigen ohne ein erhöhtes Risiko hinsichtlich eines vorhandenen Fremdobjekts eingehen zu müssen. Zudem kann ein geringes Beschädigungsrisiko der drahtlosen Energiesendevorrichtung erreicht werden.

Der Fremdobjekterkennung ist in zumindest einem Verfahrensschritt eine nachfolgende Kommunikation zwischen der Energiesendevorrichtung und dem Verbraucher zugeordnet. Auf diese Weise können mit Vorteil Informationen des Verbrauchers für eine nachfolgende Fremdobjekterkennung herangezogen werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, in Abhängigkeit von einem Unterschreiten eines, insbesondere unteren, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße die Fremdobjekterkennung für einen definierten Zeitraum, bis zu einer Änderung oder bis zum Ende der Energieübertragung auszusetzen. Auf diese Weise ist es möglich, zum Beispiel einen drahtlosen Schnellenergieübertragungsmodus zu realisieren. Grundsätzlich lässt sich hierdurch eine kürzere Energieübertragungsdauer mit längeren Energieübertragungszyklen realisieren.

Alternativ oder ergänzend zum Schnellenergieübertragungsmodus kann vorgesehen sein, in Abhängigkeit von einem Überschreiten eines, insbesondere oberen, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße die Fremdobjekterkennung weiterhin durchzuführen und/oder die Zykluszeit zu reduzieren. Somit ist gewährleistet, dass die Fremdobjekterkennung möglichst schnell und sicher auf plötzliche Veränderungen, Fehler und/oder Fremdobjekte reagieren kann. Grundsätzlich führt dies zu einer längeren Energieübertragungsdauer mit kürzeren Energieübertragungszyklen.

Mit besonderem Vorteil ist die Energieübertragungskenngröße eine zwischen der Energiesendevorrichtung und dem Verbraucher übertragene elektrische Leistung bzw. ein Leistungsgradient, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird. Insbesondere kann die Häufigkeit während einer Energieübertragung mit einer mittleren Übertragungsleistung, beispielsweise zwischen 5W und 10W, gegenüber einer Häufigkeit während einer Energieübetragung mit einer hohen Übertragungsleistung, beispielsweise von mehr als 10W, reduziert sein. Bei einer drahtlosen Energieübertragung mit einer geringen Übertragungsleistung kann eine Ausführung der Fremdobjekterkennung mit den zuvor erwähnten Vorteilen auch vollständig unterlassen werden.

Alternativ oder ergänzend kann die Energieübertragungskenngröße eine in der Energiesendevorrichtung und/oder dem Verbraucher gemessene Temperatur bzw. ein Temperaturgradient sein, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Auch ist denkbar, dass die Energieübertragungskenngröße ein von dem Verbraucher benötigter Energiebedarf ist, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigendem Energiebedarf verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Energiebedarf erhöht wird.

Ebenso kann die Energieübertragungskenngröße ein Ladezustand des als wiederaufladbaren Energiespeicher ausgebildeten Verbrauchers sein, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigendem Ladezustand erhöht und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Ladezustand verringert wird.

Weiterhin kann die Energieübertragungskenngröße ein Gradient der erfassten Ist-Güte sein, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigendem Gradienten erhöht wird.

Als Energieübertragungskenngröße kann zudem eine in der Energiesendevorrichtung und/oder dem Verbraucher gemessene Vibration bzw. ein Vibrationsgradient dienen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Zykluszeit mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten verringert und/oder die Dauer und/oder Häufigkeit der Fremdobjekterkennung mit steigender Amplitude bzw. steigendem Gradienten erhöht wird.

Wie bereits zuvor erwähnt, ermöglichen die unterschiedlich ausgestalteten Energieübertragungskenngrößen eine sehr flexible Anpassung der Fremdobjekterkennung und der damit verbundenen Energieübertragungszyklen an die jeweils vorliegende Übertragungssituation zwischen Energiesendevorrichtung und Verbraucher.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Fremdobjekterkennung mit einer Anregespannung der primärseitigen Sendespule der Energiesendevorrichtung von weniger als 10V, vorzugsweise zwischen 2,5 und 5V, durchgeführt wird. Dadurch kann die Fremdobjekterkennung mit einer vernachlässigbaren Übertragungsleistung erfolgen, so dass eine Energieübertragung zum Verbraucher vermieden und eine daraus resultierende Fehlmessung der Ist-Güte verhindert werden kann. Auch liefert der Verbraucher auf diese Weise keine „fehlerhaften“ Datenwerte „Rx Data“, wie z.B. einen nicht korrekten Ladestatus eines aufzuladenden Akkumulators, die eine nachfolgende Fremdobjekterkennung verfälschen könnten. In vorteilhafter Weise ist die Anregespannung derart gewählt, dass zwar keine drahtlose Energieübertragung mehr zum Verbraucher erfolgt, aber eine Kommunikation mit ihm stattfinden kann. Erwähnenswerte Vorteile sind auch die Einhaltung von Ruhestromanforderungen für Ladegeräte im Standby-Betrieb sowie die Möglichkeit von sekundärseitigen „Open-Circuit“-Empfangsspulen, bei denen die System-Induktivität überwiegend nur durch die Schirmung beeinflusst wird.

Die Erfindung betrifft auch eine drahtlose Energiesendevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie innerhalb einer unteren Leistungsgrenze von 5 W und einer oberen Leistungsgrenze von 30 W, insbesondere 15 W. Als Beispiel für entsprechende Energiesendevorrichtungen seien hier stellvertretend Notebooks, Tablets, Smartphones, aber auch Radios, Leuchten, kleinere Mess- und Handwerkzeuggeräte etc. genannt.

Ebenso kann die Erfindung auch für drahtlose Energiesendevorrichtungen für einen Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie innerhalb einer unteren Leistungsgrenze von 30 W und einer oberen Leistungsgrenze von 200 W, insbesondere 65 W, ausgelegt sein. Stellvertretend für diesen Leistungsbereich seien viele Motor angetriebene Geräte, wie z.B. Elektrohandwerkzeuge, wie Bohrmaschinen, Schleifgeräte, Sägen, Hobel, Schleifer, etc. oder Küchengeräte, wie Mixer, Küchenmaschinen sowie Elektrofahrzeuge, wie Elektrofahrräder, Scooter, etc. genannt.

Die Erfindung eignet sich zudem für drahtlose Energiesendevorrichtungen mit einem Leistungsbereich der drahtlos zu übertragenen Energie oberhalb einer unteren Leistungsgrenze von 200 W, insbesondere 2000 W, wie elektrisch angetriebene PKW, LKW, Busse, Gabelstapler oder dergleichen und Küchengeräte wie Elektrogrills, Kochtöpfe oder dergleichen sowie stationär betriebene Elektrowerkzeugmaschinen und Industrieanlagen.

für eine Handwerkzeugmaschine, ein Küchengerät oder ein Elektrofahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

AusführungsbeispieleFigurenliste

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.

Es zeigen

  • 1: ein drahtloses Energieübertragungssystem mit einer primären Energiesendevorrichtung und einem sekundärseitigen Verbraucher in einer schematischen Darstellung,
  • 2: ein schematisches Diagramm der unterschiedlichen Arbeitsbereiche der drahtlosen Energieübertragungsvorrichtung,
  • 3: einen Programmablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung in einer schematischen Darstellung,
  • 4: einen ergänzenden Programmablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

1 zeigt ein drahtloses Energieübertragungssystem 10 in Form eines induktiven Ladesystems mit einer als Ladevorrichtung 12 ausgebildeten primären Energiesendevorrichtung 14 und einem als Akkupack 16 ausgebildeten sekundärseitigen Verbraucher 18 für eine nicht gezeigte Handwerkzeugmaschine.

Ebenso kann der Verbraucher 18 aber auch ein in der Handwerkzeugmaschine fest integrierter Akku sein. Wie eingangs erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf induktive Ladesysteme für Handwerkzeugmaschinen und deren Akkus bzw. Akkupacks eingeschränkt. Vielmehr kann sie auf die verschiedensten Arten der drahtlosen Energieübetragung sowie Energiesende- und -empfangsvorrichtungen angewendet werden, bei denen eine Fremdobjekterkennung sinnvoll oder notwendig ist. Dies kann auch eine drahtlose Energieübertragung umfassen, die optisch, akustisch, kapazitiv oder auf Grundlage von Luftströmungen oder dergleichen basiert.

1 zeigt den auf einer Oberseite eines Gehäuses 20 der drahtlosen Ladevorrichtung 12 positionierten Akkupack 16. Er wird über zumindest eine in der Ladevorrichtung 12 integrierte, primärseitige Sendespule 22 und eine in dem Akkupack 16 integrierte, sekundärseitige Empfangsspule (nicht dargestellt) des drahtlosen Energieübertragungssystems 10 geladen. Das drahtlose Energieübertragungssystem 10 weist dazu eine primärseitige Elektronikeinheit 24 in der Ladevorrichtung 12 auf, die ihrerseits eine Steuer- und Regeleinheit 26 sowie eine die Sendespule 22 aufweisende Schwingkreisschaltung 28 umfasst.

Die Steuer- und Regeleinheit 26 des drahtlosen Energieübertragungssystems 10 ist dazu vorgesehen, eine Resonanzfrequenz fres und eine dazu gehörige Ist-Güte Qact(fres) zu bestimmen. Des Weiteren vergleicht die Steuer- und Regeleinheit 26 die Ist-Güte Qact mit einer von der Resonanzfrequenz fres abhängigen Soll-Güte Qtar(fres). Zu diesem Zweck weist die Steuer- und Regeleinheit 26 einen Speicher 30 auf, der für die ermittelte Resonanzfrequenz fres einen Soll-Gütebereich qtar mit mehreren Soll-Güten Qtar(fres) enthält (vgl. hierzu auch die nachfolgenden Ausführungen zu den 2 und 3).

Während der drahtlosen Energieübertragung erfolgt in definierten Zeitabständen Tcycle, z.B. jede Sekunde, eine Fremdobjekterkennung, bei der überprüft wird, ob sich ein oder mehrere Fremdobjekte 32, die die Energieübertragung beeinträchtigen und/oder ein Sicherheitsrisiko darstellen könnten, zwischen der Energiesendevorrichtung 14 und dem Verbraucher 18 oder einfach nur auf der Energiesendevorrichtung 14 befinden. Die Fremdobjekterkennung arbeitet im Wesentlichen derart, dass zunächst die Resonanzfrequenz fres und die dazu gehörige Ist-Güte Qact(fres) bestimmt werden und nachfolgend die Ist-Güte Qact(fres) mit der von der Resonanzfrequenz fres abhängigen Soll-Güte Qtar(fres) verglichen wird. Abschließend erfolgt anhand des definierten Soll-Gütebereichs qtar eine Entscheidung über den Betriebszustand des drahtlosen Energieübertragungssystems 10 bzw. der Energiesendevorrichtung 14.

Die Fremdobjekterkennung wird mit einer Anregespannung der primärseitigen Sendespule 22 der Energiesendevorrichtung 14 von weniger als 10 V, vorzugsweise zwischen 2,5 V und 5 V, durchgeführt. Dadurch kann die Fremdobjekterkennung mit einer vernachlässigbaren Übertragungsleistung erfolgen, so dass eine Energieübertragung zum Verbraucher vermieden und eine daraus resultierende Fehlmessung der Ist-Güte Qact(fres) verhindert werden kann. Auch sendet der Verbraucher 18 auf diese Weise keine „fehlerhaften“ Datenwerte an die Energiesendevorrichtung 14, wie z.B. einen nicht korrekten Ladestatus eines aufzuladenden Akkumulators, die eine nachfolgende Fremdobjekterkennung verfälschen könnten.

2 zeigt die im Speicher 30 der Steuer- und Regeleinheit 26 abgelegten Soll-Gütebereiche qtar in Form eines schematischen Diagramms, bei dem auf der Abszisse die Resonanzfrequenz fres und auf der Ordinate die Güte Q aufgetragen ist. Das Diagramm ist in drei Bereiche 34, 36, 38 (38a, 38b) aufgeteilt. Ein erster Bereich 34 definiert einen Soll-Gütebereich qtar für einen Betrieb mit dem Verbraucher 18. Liegt die Ist-Güte Qact(fres) zwischen einer oberen Grenze qtar_up und einer unteren Grenze qtar_lo des ersten Bereichs 34, wird davon ausgegangen, dass sich kein die Energieübertragung beeinflussendes Fremdobjekt 32 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 befindet. Ferner wird in diesem Bereich von einer drahtlosen Energieübertragung von der Energiesendevorrichtung 14 zum Verbraucher 18 ausgegangen. Ein zweiter Bereich 36 definiert einen Soll-Gütebereich qtar für einen Standby-Betrieb ohne aufliegenden Verbraucher 18. Liegt die Ist-Güte Qact(fres) zwischen der oberen Grenze qtar_up und der unteren Grenze qtar_lo des zweiten Bereichs 36, wird davon ausgegangen, dass sich weder ein Fremdobjekt 32 noch ein Verbraucher 18 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 befindet.

Ein zwei Teilbereiche 38a, 38b aufweisender dritter Bereich 38 ist von einem Fehlerbereich gebildet. Grundsätzlich kann ein Fehler sowohl in dem drahtlosen Energieübertragungssystem 10, in der Energiesendevorrichtung 14, in dem Verbraucher 18 als auch in einer Umgebung des Energieübertragungssystem 10 liegen. Ein erster Teilbereich 38a ist bezogen auf die Güte Q unterhalb der unteren Grenze qtar_lo des ersten Bereichs 34 und ein zweiter Teilbereich 38b unterhalb der unteren Grenze qtar_lo des zweiten Bereichs 36 angeordnet. Liegt die Ist-Güte Qact(fres) innerhalb des ersten Teilbereichs 38a, wird davon ausgegangen, dass sich während der Energieübertragung mindestens ein Fremdobjekt 32 in einem diese beeinflussenden Bereich auf der Energiesendevorrichtung 14 oder zwischen der Energiesendevorrichtung 14 und dem Verbraucher 18 befindet. Auch kann davon ausgegangen werden, dass ein beliebiger Fehler vorliegt, oder dass der Verbraucher 18 derart ungünstig auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 positioniert ist, dass eine Energieübetragung nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich ist. Liegt die Ist-Güte Qact(fres) innerhalb des zweiten Teilbereichs 38b, wird davon ausgegangen, dass sich während des Standby-Betriebs mindestens ein Fremdobjekt 32 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 befindet.

Für den Verlauf der Ist-Güte Qact gilt folgender in 2 zu erkennender, nichtlinearer Zusammenhang. Vergrößert sich der Abstand zwischen dem Verbraucher 18 und der Energiesendevorrichtung 14, so steigen sowohl die Resonanzfrequenz fres als auch die Ist-Güte Qact(fres) an. Entsprechendes ist zu beobachten, wenn der Verbraucher 18 unabhängig von der Richtung auf der Oberfläche der Energiesendevorrichtung 14 außerhalb ihrer optimalen Position - dem Zentrum der zumindest einen primärseitigen Sendespule 22 - verschoben bzw. positioniert wird. Diese beiden Fälle beschreiben durchaus häufig vorkommende Szenarien. So muss ein lateraler Versatz des Verbrauchers 18 zu der Energiesendevorrichtung 14 erlaubt sein, da ein Benutzer in der Regel die sekundärseitige Empfangsspule des Verbrauchers 18 nicht immer exakt mittig über die zumindest einen Sendespule 22 der Energiesendevorrichtung 14 positionieren können wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Energiesendevorrichtung 14 eine ebene Oberfläche ohne mechanische Führungshilfen für den Verbraucher 18 aufweist, oder wenn - wie im Falle eines zu ladenden Fahrzeugs - die Positionen der zumindest einen primärseitigen Sendespule 22 und/oder der zumindest einen sekundärseitigen Empfangsspule nicht genau bekannt bzw. einsehbar sind. Weiterhin ist insbesondere bei einem direkten Aufsetzen des Verbrauchers 18 auf die Energiesendevorrichtung 14 auch ein vertikales Verkanten infolge von Fremdobjekten 32 zwischen dem Verbraucher 18 und der Energiesendevorrichtung 14 denkbar.

3 zeigt einen Programmablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung. Nach dem Start 40 wird im ersten Schritt 42 ein so genannter Power-On-Self-Test (POST) der Energiesendevorrichtung 14 durchgeführt. Der Start 40 kann automatisch mit dem Auflegen des Verbrauchers 18 auf die Energiesendevorrichtung 14 oder manuell durch Betätigung eines nicht gezeigten Tasters an der Energiesendevorrichtung 14 und/oder dem Verbraucher 18 erfolgen. Ist der POST in Schritt 42 erfolgreich durchlaufen worden, initialisiert die Steuer- und Regeleinheit 26 der Energiesendevorrichtung 14 die Resonanzfrequenz fres, die Ist-Güte Qact(fres) und die Zyklusdauer Tcycle der nachfolgenden Verfahrensschritte in einem zweiten Schritt 44 mit fres = fstdby, Qact,n(fres) = 0 und Tcycle = Tmin, wobei fstdby eine zulässige Resonanzfrequenz im Standby-Betrieb (vergleiche 2) und Tmin eine minimale Zyklusdauer (z.B. 10 ms) beschreiben. Alternativ ist es ebenso möglich, Tcycle initial auf Tmin = 0 zu setzen.

Im nächsten Schritt 46 wird zunächst für die initialisierte Resonanzfrequenz eine Ist-Güte Qact,n+1(fres) gemessen und nachfolgend im vierten Schritt 48 mit der initialisierten Ist-Güte Qact,n(fres) verglichen. Da es unmittelbar nach dem Start des Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung keine Übereinstimmung zwischen der initialisierten und der gemessenen Ist-Güte gibt, folgt mit einem fünften Schritt 50 ein von der Steuer- und Regeleinheit 26 durchgeführter Teilprozess in Gestalt eines Frequenz-Durchlaufs derart, dass die Steuer- und Regeleinheit 26 eine nicht dargestellte Frequenzeinheit der primärseitigen Elektronikeinheit 24 ansteuert, wobei die Frequenzeinheit der Schwingkreisschaltung 28 vorgeschaltet ist. Dem Fachmann ist die Ansteuerung einer derartigen Schwingkreisschaltung zur Durchführung eines Frequenzdurchlaufs im Wesentlichen bekannt. Daher soll hierauf nicht näher eingegangen werden.

Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz fres wird in dem fünften Schritt 50 während des Frequenzdurchlaufs eine Resonanzüberhöhung an der primärseitigen Sendespule 22 erfasst. Aus der an der Stelle der Resonanzüberhöhung ermittelten Amplitude kann dann in bekannter Weise die Ist-Güte Qact,n+1(fres) berechnet werden; die Stelle der Resonanzüberhöhung entspricht der ermittelten Resonanzfrequenz fres. Diese beiden Werte werden nun mit den in dem Speicher 30 der Steuer- und Regeleinheit 26 hinterlegten Soll-Gütebereich qtar (Schritt 52, siehe auch 2) in einem siebten Schritt 54 verglichen.

Liegt die Ist-Güte Qact,n+1(fres) zwischen der oberen und der unteren Grenze qtar_up, qtar_lo des ersten Bereichs 34 gemäß 2, kann davon ausgegangen werden, dass sich für die anstehende drahtlose Energieübertragung kein diese beeinflussendes Fremdobjekt 32 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 befindet, so dass das Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung den nachfolgenden, aus vier Teilschritten 56.1, 56.2, 56.3, 56.4 bestehenden Teilprozess 56 durchläuft, in dem eine Kommunikation zwischen der Energiesendevorrichtung 14 und dem Verbraucher 18 aufgebaut und überprüft wird. Im ersten Teilschritt 56.1 wird von der Steuer- und Regeleinheit 26 der Energiesendevorrichtung 14 ein Synchronisations-Impuls erzeugt und vorzugsweise über die primärseitige Sendespule 22 und die sekundärseitige Empfangsspule an den Verbraucher 18 gesendet. Alternativ wäre für die Kommunikation zwischen Energiesendevorrichtung 14 und Verbraucher 18 auch eine andere drahtlose Datenübertragung, z.B. per Bluetooth, optisch, akustisch oder dergleichen, denkbar. Werden nach dem Synchronisations-Impuls die notwendigen Empfangsdaten „Rx Data“ des Verbrauchers 18 im zweiten Teilschritt 56.2 durch die primärseitige Elektronikeinheit 24 der Energiesendevorrichtung 14 empfangen, kann die Kopplung zwischen Energiesendevorrichtung 14 und Verbraucher 18 im dritten Teilschritt 56.3 überprüft werden. Ist die Überprüfung der Kopplung und der Empfangsdaten erfolgreich, wird im vierten Teilschritt 56.4 entschieden, die drahtlose Energieübertragung zum Verbraucher 18 gemäß einem achten Schritt 58a zu starten. Ist sie dagegen nicht erfolgreich, wird von einem Fehler und/oder einem Fremdobjekt 32 in einem alternativen, achten Schritt 58c ausgegangen.

Liegt die Ist-Güte Qact,n+1(fres) zwischen der oberen und der unteren Grenze qtar_up, qtar_lo des zweiten Bereichs 36 gemäß 2, wird davon ausgegangen, dass sich das drahtlose Energieübertragungssystem 10 in einem Standby-Betrieb befindet und kein Fremdobjekt 32 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 liegt. Somit springt das Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung ausgehend vom sechsten Schritt 52 direkt in einen weiteren alternativen, achten Schritt 58b.

Ergibt der Vergleich zwischen der Ist-Güte Qact,n+1(fres) und der Soll-Güte Qtar(fres) im sechsten Schritt 52, dass die Ist-Güte Qact,n+1(fres) außerhalb des Soll-Gütebereichs qtar liegt, so wird gemäß der obigen Ausführungen zu 2 in Schritt 58c ein Fehler und/oder ein vorhandenes Fremdobjekt 32 angenommen.

Ausgehend von den drei möglichen, achten Schritten 58a (Betrieb zur drahtlosen Energieübertragung), 58b (Standby-Betrieb), 58c (Fehler oder Fremdobjekt erkannt) wird in einem neunten Verfahrensschritt 60 entschieden, ob die eingestellte Zykluszeit Tcycle eine maximale Zykluszeit Tmax von z.B. einer Sekunde überschritten hat. Tcycle definiert die Periodendauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung. Die Schritte 46 bis 58 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur drahtlosen Energieübertragung dauern dagegen in der Regel nur wenige Millisekunden und hängen maßgeblich von der Rechenleistung der primärseitigen Steuer- und Regeleinheit 26 ab. So lange die Zykluszeit Tcycle die maximale Zykluszeit Tmax in dem neunten Schritt 60 noch nicht überschritten hat, wird sie in einen zehnten Schritt 62a sukzessive oder einmalig auf einen festgelegten Wert erhöht. Während des Durchlaufs der Schritte 60 und 62a ist das eigentliche Verfahren zur Betriebsarten- und/oder Fehler- bzw. Fremdobjekterkennung gemäß der Schritte 46 bis 58 bereits abgeschlossen, so dass abhängig von der in dem sechsten Schritt 54 vorgenommenen Entscheidung so lange die drahtlose Energieübertragung gemäß Schritt 58a, der Standby-Betrieb gemäß Schritt 58b oder eine Unterbrechung der Energieübertragung bzw. des Standby-Betriebs gemäß Schritt 58c erfolgt, bis Tcycle die maximale Zykluszeit Tmax überschritten hat. Danach wird in Schritt 62b entschieden, ob das Verfahren wiederholt oder beendet werden soll. Im Falle einer Wiederholung, werden in einem elften Schritt 64 die bisher hinterlegte Ist-Güte Qact,n(fres) auf den Wert der aktuellen Ist-Güte Qact,n+1(fres) des zurückliegenden Zyklus und die Zykluszeit Tcycle auf den Minimalwert Tmin gesetzt. Danach beginnt das Verfahren mit dem dritten Schritt 46 und der Messung einer neuen Ist-Güte Qact,n+1(fres) erneut, wobei der nachfolgende Frequenzdurchlauf gemäß Schritt 50 ausgelassen wird, wenn sich bisher hinterlegte und neue Ist-Güte wegen Qact,n+1(fres) = Qact,n(fres) nicht unterscheiden.

Wurde im ersten Schritt 42 ein Fehler während des POST festgestellt oder wurde im elften Schritt 64 entschieden, den Zyklus nicht zu wiederholen, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mit dem abschließenden Schritt 66 gestoppt.

Eine besondere Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung kommen die in dem zweiten Teilschritt 56.2 des Teilprozesses 56 empfangenen Daten „Rx Data“ gemäß 4 zu. Dabei stellt das in 4 gezeigte Flussdiagramm lediglich einen Ausschnitt des in 3 gezeigten Programmablaufplans dar, wobei identische Verfahrensschritte jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen wurden und der siebte Verfahrensschritt 54 in zwei Teilschritte 54.1 und 54.2 zerlegt wurde.

Liegt die Ist-Güte Qact,n+1(fres) in Teilschritt 54.1 zwischen der oberen und der unteren Grenze qtar_up, qtar_lo des zweiten Bereichs 36 gemäß 2, wird entsprechend 3 davon ausgegangen, dass sich das drahtlose Energieübertragungssystem 10 in einem Standby-Betrieb befindet und kein Fremdobjekt 32 auf der drahtlosen Energiesendevorrichtung 14 liegt. Somit springt das Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung ausgehend vom sechsten Schritt 52 direkt in den achten Schritt 58b. Liegt die Ist-Güte Qact,n+1(fres) in Teilschritt 54.1 dagegen außerhalb des zweiten Bereichs 36, wird in einem nachfolgenden Teilschritt 54.2 geprüft, ob sie zwischen der oberen und der unteren Grenze qtar_up, qtar_lo des ersten Bereichs 34 gemäß 2 liegt. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 58c von einem Fehler und/oder einem Fremdobjekt 32 ausgegangen. Entspricht die Ist-Güte Qact,n+1(fres) dagegen einer Soll-Güte Qtar(fres) des ersten Bereichs 34, so wird in dem nachfolgenden Teilprozess 56 eine Kommunikation zum Verbraucher 18 aufgebaut.

Erfindungsgemäß ist nun in gegenüber 3 zusätzlichen Teilschritten 56.5 und 56.6 vorgesehen, eine aus den empfangenen Daten des Verbrauchers 18 „Rx Data“ und/oder in der Energiesendevorrichtung 14 sensierten Daten ableitbare Energieübertragungskenngröße für die nachfolgende Fremdobjekterkennung zu berücksichtigen. Die Energieübertragungskenngröße ist insbesondere eine Kenngröße, welche während der drahtlosen Energieübertragung einen Energiefluss, im Falle der induktiven Energieübertragung insbesondere einen elektromagnetischen Energiefluss, zwischen der Energiesendevorrichtung 14 und dem Verbraucher 18 bevorzugt quantitativ, charakterisiert. So kann die Energieübertragungskenngröße eine zwischen der Energiesendevorrichtung 14 und dem Verbraucher 18 übertragene elektrische Leistung bzw. ein Leistungsgradient, eine Temperatur bzw. ein Temperaturgradient, ein benötigter Energiebedarf des Verbrauchers 18, ein Ladezustand des als wiederaufladbaren Energiespeichers ausgebildeten Verbrauchers 18, ein Gradient der erfassten Ist-Güte Qact,n+1(fres), eine in dem Verbraucher gemessene Vibration bzw. ein Vibrationsgradient und/oder eine Authentifizierungs-Information über die Berechtigung des Verbrauchers 18 zur drahtlosen Energieübertragung sein.

Alternativ oder ergänzend kann die Elektronikeinheit 24 der Energiesendevorrichtung 14 aber auch eine mit der Steuer- und Regeleinheit 26 verbundene Sensoreinheit 68 zur kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Erfassung der Energieübertragungskenngröße aufweisen. Dabei kann die Erfassung sowohl während der Fremdobjekterkennung als auch während der drahtlosen Energieübertragung, während des Standby-Betriebs oder auch während einer Unterbrechung der Energieübertragung infolge eines erkannten Fehlers und/oder Fremdobjekts erfolgen. Eine entsprechende Sensoreinheit 70 kann zusätzlich oder alternativ auch in dem Verbraucher 18 zur Erzeugung der obigen Empfangsdaten „Rx Data“ erforderlich sein (vergleiche 1). Die Sensorvorrichtung kann aus unterschiedlichsten Sensoren, wie einem Shuntwiderstand, einem Temperaturfühler, einem Beschleunigungssensor, einem Drehratensensor, aber auch einem Luftdruckmesser, einem Feuchtigkeitsmesser oder dergleichen bestehen. Da dem Fachmann entsprechende Sensoren hinlänglich bekannt sind, soll hierauf nicht weiter eingegangen werden. Bei der sensierten Energieübertragungskenngröße kann es sich somit um einen elektrischen Strom bzw. einen Stromgradienten in der Sendespule 22, eine an der Sendespule 22 anliegende elektrische Spannung bzw. einen Spannungsgradienten, eine Temperatur bzw. einen Temperaturgradienten der Sendespule 22, eine aufgenommene Leistung bzw. einen Leistungsgradienten eines Netzteils der Energiesendevorrichtung 14, eine Versorgungsspannung bzw. ein Versorgungsspannungsgradient des Netzteils der Energiesendevorrichtung 14 oder dergleichen handeln. Als Energieübertragungskenngröße kann auch eine gemessene Vibration bzw. ein Vibrationsgradient der Energiesendevorrichtung 14 in Frage kommen.

Ebenfalls ist es denkbar, die Energieübertragungskenngröße abhängig von einem Montageort der Energiesendevorrichtung 14, zum Beispiel stationär in einer Werkstatt oder mobil in einem Fahrzeug, auszugestalten. Der Montageort lässt sich beispielsweise anhand der gemessen Vibration bzw. des gemessenen Vibrationsgradienten der Energiesendevorrichtung 14 bestimmen. Ebenso können hierfür aber auch vorhandene Geschwindigkeits- und/oder GPS-Daten eines Fahrzeugs oder dergleichen herangezogen werden.

Zur Optimierung der Fremdobjekterkennung lassen sich mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit 26 aus der Energieübertragungskenngröße verschiedene Parameter zur Regelung der Fremdobjekterkennung bestimmen. In zumindest einem Teilschritt 56.6 wird in Abhängigkeit von der zumindest einen Energieübertragungskenngröße zumindest eine Genauigkeitskenngröße, beispielsweise eine Anzahl diskreter Frequenzpunkte und/oder eine Anzahl an Frequenzdurchlauf-Zyklen (vergleiche Schritt 50 in 3), der Fremdobjekterkennung bestimmt. Zudem kann eine Dauer und/oder Häufigkeit, insbesondere eine Frequenz, einer Ausführung der Fremdobjekterkennung während der drahtlosen Energieübertragung in Abhängigkeit von der zumindest einen Energieübertragungskenngröße bestimmt werden. So kann die Häufigkeit während der drahtlosen Energieübetragung mit einer mittleren Übertragungsleistung, beispielsweise einer Übertragungsleistung zwischen 5 W und 10 W, gegenüber einer Häufigkeit während einer drahtlosen Energieübertragung mit einer hohen Übertragungsleistung, beispielsweise einer Übertragungsleistung von mehr als 10 W, reduziert sein. Bei einer drahtlosen Energieübertragung mit einer geringen Übertragungsleistung kann eine Ausführung einer Fremdobjekterkennung vollständig unterlassen werden. Weiterhin kann in Teilschritt 56.6 in Abhängigkeit von der zumindest einen Energieübertragungskenngröße die maximale Zykluszeit Tmax und/oder eine zeitliche Länge des in Schritt 50 durchzuführenden Frequenzdurchlaufs bestimmt werden.

Anhand der in Teilschritt 56.6 festgelegten Maßnahmen wird im abschließenden Teilschritt 56.7 entschieden, ob die Fremdobjekterkennung für eine definierte Zeitspanne bzw. für die restliche Energieübertragung deaktiviert werden kann und/oder ob die in Schritt 56.6 festgelegten Grenzwerte der für den Energieübertragungsvorgang erfindlichen Resonanzfrequenz fres und Ist-Güte Qact,n+1(fres) eingehalten wurden. Ist dies der Fall und wurde die Fremdobjekterkennung fehlerlos durchlaufen, kann die Energie in Schritt 58a drahtlos von der Energiesendevorrichtung 14 auf den Verbraucher 18 übertragen werden. Wurde dagegen in Teilschritt 56.7 entschieden, dass die Grenzwerte überschritten wurden bzw. die Fremdobjekterkennung nicht ausgesetzt werden darf, so wird gemäß Schritt 58c auf ein Fehler oder ein vorhandenes Fremdobjekt 32 geschlossen, so dass bis zur Entscheidung über die Wiederholung des Zyklus in Schritt 62b keine weitere Energieübertragung erfolgt.

Die Energieübertragung wird durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 26 der Energiesendevorrichtung 14 kontinuierlich in Abhängigkeit von der Zykluszeit Tcycle auf Unregelmäßigkeiten überprüft. Erkennt die Steuer- und/oder Regeleinheit 26 eine zeitliche Änderung, insbesondere eine Schwankungsamplitude und/oder einen Gradienten, der Energieübertragungskenngröße, wird die Energieübetragung unterbrochen und eine erneute Fremdobjekterkennung gemäß der in 3 gezeigten Schritte 60 bis 64 initiiert.

In Abhängigkeit von einem Unterschreiten eines, insbesondere unteren, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße wird die Fremdobjekterkennung in Teilschritt 56.7 für einen definierten Zeitraum oder bis zum Ende der Energieübertragung durch entsprechendes Erhöhen der maximalen Zykluszeit Tmax in Teilschritt 56.6 ausgesetzt. In Abhängigkeit von einem Überschreiten eines, insbesondere oberen, Grenzwerts durch einen Wert der Energieübertragungskenngröße wird in Teilschritt 56.7 entschieden, die Fremdobjekterkennung weiterhin durchzuführen und/oder die maximale Zykluszeit Tmax in Teilschritt 56.6 zu reduzieren. Insbesondere wird die Durchführung der Fremdobjekterkennung bei Unterschreiten eines unteren Grenzwerts einer Übertragungsleistung, beispielsweise bei einem Absinken der Übertragungsleistung auf einen Wert unterhalb von 5 W, ausgesetzt. Bei Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts der Übertragungsleistung wird die Fremdobjekterkennung wieder eingesetzt.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass das gezeigte Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 4 noch auf die genannten Leistung und Spannungswerte beschränkt ist. Insbesondere kann die Erfindung auch bei drahtlosen Energieübertragungen mit Übertragungsleistungen von deutlich mehr als 10W, beispielsweise für Anwendungen in Küchen oder Elektrofahrzeugen, zum Einsatz kommen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102012205693 A1 [0004]
  • DE 102013212588 [0005]