Titel

Induktive Energieübertragungseinrichtung, Ladesystem

Die Erfindung betrifft eine induktive Energieübertragungseinrichtung, insbesondere von einer Ladestation für Kraftfahrzeuge, mit einer bestrombaren Primärspule, die dazu ausgebildet ist, bei ihrer Bestromung in einer

Sekundärspule, insbesondere des Kraftfahrzeugs, eine elektrische Spannung zu induzieren, und mit einer Sensoreinrichtung zum Überwachen eines

Zwischenraums zwischen Primärspule und Sekundärspule auf Fremdobjekte.

Stand der Technik

Induktive Energieübertragungseinrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum elektrischen Aufladen von

Energiespeichern elektrisch betreibbarer Kraftfahrzeuge ist es bekannt, diese durch ein Ladekabel elektrisch zu kontaktieren oder eine berührungslose beziehungsweise kontaktlose Energieübertragung vorzunehmen. Bei der berührungslosen Energieübertragung wird das Induktionsprinzip genutzt, bei welchem eine Primärspule bestromt wird, die in einer der Primärspule gegenüberliegend beabstandet angeordneten Sekundärspule einen Strom oder eine Spannung induziert. Ist die Sekundärspule mit dem Ladesystem des Kraftfahrzeugs verbunden, so wird der induzierte Strom zum Aufladen des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs genutzt. Typischerweise ist dabei die Primärspule entweder in einen Straßenboden eingelassen oder als auf den Boden aufgelegte Ladeplatte ausgeformt und mittels einer geeigneten Elektronik mit einem lokalen Stromnetz verbunden. Die Sekundärspule ist in der Regel in den Unterboden eines Kraftfahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der Fahrzeugbatterie beziehungsweise dem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Die dabei in dem Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder können in metallischen Objekten, die sich in dem Zwischenraum zwischen Primärspule und Sekundärspule befinden, elektrische Wirbelströme induzieren. Durch ohmsche Verluste erhitzen sich diese mit aus Metall bestehenden Fremdobjekte. Die Erhitzung stellt nicht nur für die Personensicherheit, sondern auch für die Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs beziehungsweise des Ladesystems eine Gefahr dar. Darüber hinaus können sich auch biologische Fremdobjekte in dem Zwischenraum befinden, wie Tiere, Körperteile von Menschen oder dergleichen, die dann den Magnetfeldern ausgesetzt sind.

Zur Erkennung von Fremdobjekten ist es daher bekannt, eine Sensoreinrichtung vorzusehen, die dazu ausgebildet ist, Fremdobjekte in dem Zwischenraum zu erkennen. Als Sensoreinrichtung ist es beispielsweise bekannt,

Bewegungsmelder vorzusehen oder Objekterkennungseinrichtungen, wie Laserscanner, Videokameras oder dergleichen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Energieübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit einer einfachen und kostengünstig realisierbaren Sensoreinrichtung sowohl metallische Fremdobjekte als auch biologische Fremdobjekte in dem Zwischenraum zwischen Primärspule und Sensorspule sicher erkannt werden können. Insbesondere ist dabei von Vorteil, dass eine einzige Art von Sensoren verwendet werden kann, sodass die Teilevielfalt reduziert ist und auch die Auswertung vereinfacht wird.

Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, Infrarotstrahlung zu erfassen. Damit reagiert die

Sensoreinrichtung auf Wärme, die sowohl von biologischen Fremdkörpern als auch von metallischen Fremdkörpern abgestrahlt werden kann. Somit ist es möglich, durch die Sensoreinrichtung sowohl Lebewesen oder biologische Fremdkörper als auch elektrisch leitfähige beziehungsweise metallische

Fremdobjekte zu detektieren. Durch das Erfassen von Infrarotstrahlung können die Fremdobjekte darüber hinaus auch in gewisser Entfernung erfasst werden, also auch im Umfeld der Primärspule, sodass auch neben der Primärspule befindliche Fremdobjekte detektierbar sind. Dies ist von Vorteil, weil das magnetische Streufeld während eines Ladevorgangs häufig über den Bereich der Primärspule hinaus ragt. Darüber hinaus erlaubt das Überwachen der

Infrarotstrahlung eine zeitnahe Reaktion, wodurch beispielsweise bei Erkennen eines Fremdkörpers schnell Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise das

Abbrechen eines Ladevorgangs, durchgeführt werden können. Weil die

Sensoreinrichtung der Primärspule zugeordnet ist, ist sie darüber hinaus auch in der Lage, die Sekundärspule, sofern sie gegenüber der Primärspule angeordnet ist, zu erfassen und dadurch beispielsweise auch eine Überhitzung der

Sekundärspule zu erfassen. Dadurch können beispielsweise

Temperatursensoren, die ansonsten der Sekundärspule zu deren Überwachung zugeordnet wären, entfallen. Dadurch, dass mithilfe der Infrarotstrahlung die Temperatur des erfassten Fremdobjekts ermittelt wird, kann auch trotz vorhandenem Fremdobjekt in einem Zwischenraum der Ladevorgang weiter durchgeführt werden, wobei dann bevorzugt die Leistung der Energieübertragung reduziert wird, um das Erreichen einer kritischen Temperatur des Fremdobjekts zu vermeiden. Wird jedoch die kritische Temperatur überschritten, so wird der Ladevorgang bevorzugt vollständig abgebrochen.

Bevorzugt weist die Sensoreinrichtung zum Erfassen der Infrarotstrahlung zumindest eine Thermosäule, einen Bolometer oder einen pyroelektrischen Sensor auf. Bei diesen Sensoren handelt es sich um bekannte Bauteile, die damit kostengünstig zur Realisierung der Sensoreinrichtung verwendet werden können. Darüber hinaus erlauben diese Sensortypen auch eine absolute

Temperaturmessung, sodass auch zwischen verschiedenen Fremdobjekten unterschieden werden kann. Wird beispielsweise eine Objekttemperatur von circa 36°C erfasst, so wird darauf erkannt, dass sich ein biologisches Objekt, insbesondere ein Lebewesen, in dem Zwischenraum befindet. Nimmt die

Temperatur des Fremdobjekts im Magnetfeld zu, wird darauf erkannt, dass es sich um ein durch das Magnetfeld erhitztes Metallobjekt handelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die

Sensoreinrichtung alternativ oder zusätzlich zumindest einen Temperatursensor auf, der einen Infrarotstrahlung-absorbierenden Temperaturfühler aufweist. Durch die Kombination eines stark Infrarot-absorbierenden Materials des Temperaturfühlers mit einem diesem zugeordneten Temperatursensor, wie beispielsweise NTC, PTC, Halbleiterdiode oder dergleichen, wird der Vorteil geboten, dass gleichzeitig Wärmestrahlung und Kontaktwärme, die

beispielsweise durch ein aufliegendes erwärmtes metallisches Fremdobjekt entsteht, gleichermaßen detektiert werden können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die

Sensoreinrichtung eine Vielzahl gleicher oder unterschiedlicher Sensoren auf, die in insbesondere nur einer gemeinsamen Ebene ein Sensorfeld bildend angeordnet sind. Durch ein derartiges Sensorarray wird eine genaue örtliche Auflösung der Fremdobjekterfassung realisiert, sodass nicht nur das

Vorhandensein eines Fremdobjekts, sondern auch der Ort und optional die Abmaße des Fremdobjekts ermittelt werden. Dadurch können

Gegenmaßnahmen besonders vorteilhaft durchgeführt werden.

Vorzugsweise sind die Sensoren gleichmäßig verteilt in dem Sensorfeld angeordnet, insbesondere matrixförmig, sodass eine vorteilhafte Abdeckung des Sensorbereichs, insbesondere des Zwischenraums beziehungsweise der Primärspule gewährleistet ist.

Besonders bevorzugt sind die Sensoren parallel zu der Primärspule auf der der Sekundärspule zugeordneten beziehungsweise zuordenbaren Seite angeordnet. Damit ist sichergestellt, dass die Sensoren den Zwischenraum auf der der Sekundärspule zugewandten Seite der Primärspule überwachen und eine Fremdobjekterkennung sicher gewährleistet ist.

Vorzugweise erstreckt sich das Sensorfeld zumindest über die Primärspule, sodass der gesamte Bereich der Primärspule durch das Sensorfeld abgedeckt und eine sichere Fremdobjekterkennung in diesem Bereich gewährleistet ist.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensoren durch eine Abdeckung, insbesondere durch ein Gehäuse, geschützt angeordnet sind, wobei die

Abdeckung zumindest abschnittsweise durchlässig für Infrarotstrahlung ausgebildet ist. Durch die Abdeckung beziehungsweise das Gehäuse sind die Sensoren sicher vor äußeren Einflüssen, wie Verschmutzung und Feuchtigkeit, geschützt. Dadurch ist eine hohe Lebensdauer der Sensoreinrichtung gewährleistet. Zweckmäßigerweise ist die Abdeckung zumindest abschnittsweise durchlässig für Infrarotstrahlung, damit die Sensoren die zuvor beschriebene Funktion erfüllen können. Um die Durchlässigkeit der Abdeckung zu erreichen, können beispielsweise durchsichtige Abschnitte der Abdeckung genutzt werden.

Insbesondere weist die Abdeckung dazu für jeden der Sensoren jeweils ein für Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster auf. Dieses ist beispielsweise aus HDPE (high density Polyethylen) gefertigt, um einerseits die Schutzfunktion und andererseits das Durchlässen der Infrarotstrahlung zu gewährleisten.

Zweckmäßigerweise ist das jeweilige Fenster in einer dafür vorgesehenen Öffnung der Abdeckung angeordnet. Die Sensoren sind dabei vorzugsweise auf einer Leiterplatte angeordnet, die der Abdeckung gegenüberliegend angeordnet ist, sodass jedem Sensor eine Öffnung der Abdeckung gegenüberliegt beziehungsweise eines der Fenster.

Besonders bevorzugt ist das jeweilige Fenster als fokussierende Linse, insbesondere als Fresnel-Linse ausgebildet. Durch die Linse wird eine

Fokussierung der Infrarotstrahlung auf den jeweiligen Sensor erreicht, und somit die Auflösung der Sensoreinrichtung sowie der zu überwachende Bereich vergrößert. Durch die bevorzugte Ausführung der Linse als Fresnel-Linse werden Material und Bauhöhe gespart, sodass eine kostengünstige und

bauraumsparende Ausführung gewährleistet ist.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung insgesamt durchlässig für Infrarotstrahlung, sodass auf das Vorsehen einzelner Öffnungen und Fenster verzichtet werden kann. Dadurch wird die Herstellung weiter vergünstigt. Bevorzugt ist jedem der Sensoren in die Abdeckung jeweils eine Linse, insbesondere Fresnel-Linse, integriert. Dieses ist beispielsweise durch eine Auswölbung der Abdeckung an einer dem jeweiligen Sensor gegenüberliegenden Stelle erreicht. Die insbesondere konvexe Auswölbung der einzelnen Linsen kann sich dabei nach innen oder nach außen richten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedem der Sensoren eine Magnetfeldabschirmung zugeordnet. Weil die Sensoreinrichtung auf der der Sekundärspule zugewandten Seite der Primärspule angeordnet ist, durchdringt das Wechselmagnetfeld auch die Sensoreinrichtung. Durch die

Magnetfeldabschirmung wird erreicht, dass die Sensoren von dem Magnetfeld nicht beeinflusst werden. Insbesondere wird als Magnetfeldabschirmung eine Ferit-Form dem jeweiligen Sensor zugeordnet, der das Magnetfeld an dem Sensor herum vorbei leitet.

Das selektive Ladesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Energieübertragungseinrichtung aus. Dadurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Dazu zeigen

Figur 1 ein induktives Ladesystem für ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Seitendarstellung,

Figur 2 eine vorteilhafte Sensoreinrichtung des Ladesystems in einer Draufsicht,

Figur 3 eine vereinfachte Detailansicht der Sensoreinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 eine vereinfachte Detailansicht der Sensoreinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 5 eine vereinfachte Detailansicht der Sensoreinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 6 eine weitere Detailansicht der Sensoreinrichtung gemäß einer

vorteilhaften Weiterbildung und Figur 7 eine weitere Detailansicht der Sensoreinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Seitenansicht ein Ladesystem 1 für ein elektrisches Kraftfahrzeug 2. Das Ladesystem 1 weist eine stationäre

Ladestation 3 auf, die elektrisch mit einem Stromnetz eines lokalen

Stromversorgers verbunden ist. Die Ladestation 3 weist eine Leistungselektronik mit einem Steuergerät 4 sowie eine Primärspule 5 als induktive

Energieübertragungseinrichtung 6 auf. Das Steuergerät 4 ist dazu ausgebildet, die Primärspule derart zu bestromen beziehungsweise anzusteuern, dass diese ein elektrisches Magnetfeld erzeugt, welches zur Übertragung elektrischer Energie nutzbar ist.

Das Ladesystem 1 weist weiterhin eine Ladeeinrichtung 7 auf, die dem

Kraftfahrzeug 2 zugehörig ist. Die Ladeeinrichtung 7 weist eine Sekundärspule 8 auf, die elektrisch mit einem Steuergerät 9 des Kraftfahrzeugs 2 sowie mit einem Energiespeicher 10 verbunden ist.

Befindet sich die Sekundärspule 8 oberhalb der Primärspule 5, wie in Figur 1 gezeigt, und wird die Primärspule 5 dazu angesteuert, das hochfrequente Wechselmagnetfeld zu erzeugen, so durchdringt das Magnetfeld auch die Sekundärspule 8, wobei in der Sekundärspule 8 ein elektrischer Strom beziehungsweise eine elektrische Spannung induziert wird, die durch das Steuergerät 9 dem Energiespeicher 10 zu dessen Aufladen zugeführt wird. Die Primärspule 8 ist dabei dem Fahrzeugboden des Kraftfahrzeugs 2 zugeordnet, sodass sie möglichst nahe zu der Primärspule 5 liegt, beziehungsweise damit ein möglichst kleiner Luftspalt zwischen Primärspule 5 und Sekundärspule 8 vorliegt. In den Zwischenraum 11, dessen Höhe durch den Abstand von Primärspule 5 zu Sekundärspule 8 definiert wird, können Fremdobjekte 12 gelangen. Bei diesen Fremdobjekten kann es sich beispielsweise um biologische Fremdobjekte wie Lebewesen handeln, die während des Ladevorgangs oder vor einem

Ladevorgang auf den Bereich der Fahrbahn laufen, in welchem die Primärspule 5 angeordnet ist, wie in Figur 1 beispielhaft gezeigt. Alternativ kann es sich auch um metallische beziehungsweise elektrisch leitfähige Fremdobjekte 12 handeln, die in dem Zwischenraum 11 liegen. Wird der Ladevorgang durchgeführt, bewirkt das elektromagnetische Feld, dass das metallische Fremdobjekt 12 aufgeladen und erwärmt oder ein biologisches Fremdobjekt 12 durch dieses hochfrequente Wechselmagnetfeld belastet wird.

Um den Ladevorgang daher bei Bedarf, also, wenn sich ein Fremdobjekt 12 in dem Zwischenraum 11 befindet, zeitnah abrechen oder beeinflussen zu können, weist die Übertragungseinrichtung 6 eine der Primärspule 5 zugeordnete

Sensoreinrichtung 13 auf.

Figur 2 zeigt hierzu in einer vereinfachten Draufsicht auf die Primärspule 5 der Ladestation 3 die Sensoreinrichtung 13. Diese weist ein Gehäuse 14 auf, in welchem eine Vielzahl von Sensoren 15 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, um ein Sensorfeld 16 zu bilden. Die Sensoren 15 liegen dabei alle in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Primärspule 5.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Sensoren 15 um Thermosensoren, die auf Infrarotstrahlung reagieren und insbesondere als Thermosäulen, Bolometer oder pyroelektrische Sensoren ausgebildet sind.

Dadurch ist insbesondere auch eine absolute Temperaturmessung auf

Entfernung möglich. Durch die absolute Messung kann außerdem zwischen verschiedenen Objekten unterschieden werden. Wie Figur 2 zeigt, sind die Sensoren 15 über die Primärspule 5 hinaus verteilt angeordnet, sodass zum einen auch die Umgebung der Primärspule durch die Sensoreinrichtung 13 erfassbar ist, und zum anderen eine genaue örtliche Auflösung über die Fläche der Primärspule 5 gewährleistet wird. Durch die gleichmäßig verteilt

angeordneten Sensoren 15 ist somit eine Lage als auch eine Größenbestimmung des Fremdobjekts 12 in dem Zwischenraum 11 gewährleistet. Außerdem ist es möglich, durch das Sensorfeld 16 zu ermitteln, ob sich das Objekt bewegt. Durch die Sensorfeldanordnung kann bei gleichem Öffnungswinkel und gleichem Abstand ein weit größerer Bereich überwacht werden als nur mit einem einzelnen Sensor.

Durch das Gehäuse 14 ist die Sensoranordnung vor Verschmutzung und Feuchtigkeit geschützt. Insbesondere sind die Sensoren 15 durch eine Gehäusewand, die eine Abdeckung 17 bildet, gegenüber der Fahrbahn geschützt. Damit dennoch die Infrarotmessung möglich ist, muss die Abdeckung zumindest abschnittsweise für Infrarotstrahlen durchlässig sein.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 ist hierzu vorgesehen, dass die Abdeckung 17 eine Vielzahl von Öffnungen 18 aufweist, wobei jeweils eine Öffnung 18 einem der Sensoren 15 zugeordnet ist. Jede der Öffnungen 18 ist durch ein für Infrarotstrahlen durchlässiges Fenster 19 verschlossen, sodass Feuchtigkeit und Schmutz nicht im Bereich der Sensoren 15 in dem Gehäuse 14 gelangen kann.

Insbesondere sind die Fenster, von denen in Figur 3 nur ein einziges gezeigt ist, als Linse ausgebildet, welche Infrarotstrahlung zu dem dahinter liegenden Sensor 15 fokussiert, um die Auflösung und den zu überwachenden Bereich zu vergrößern. Optional ist die Linse 20 als Fresnel-Linse ausgebildet, um Material und Bauhöhe zu sparen.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 13 in einer vereinfachten Detail-Schnittdarstellung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die Abdeckung 17 insgesamt aus für Infrarotstrahlung durchlässigem Material, beispielsweise HDPE, gefertigt ist. Die Linsen 20 für die Sensoren 15 sind dabei als konvexe Auswölbungen 21 an der der

Sekundärspule zugewandten Seite der Abdeckung 17 ausgebildet. Alternativ können die Auswölbungen 21 auch auf der den Sensoren 15 zugewandten Seite der Abdeckung 17 ausgebildet sein.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem

vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die

Auswölbungen 21 nunmehr den Sensoren 15 zugewandt sind, und dass die Linsen 20 als Fresnel-Linsen ausgebildet sind, um Infrarotstrahlung vorteilhaft zu den Sensoren zu fokussieren beziehungsweise zu bündeln. In den Figuren sind die Infrarotstrahlen jeweils durch Pfeile angedeutet.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 13, das sich von dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3 dadurch unterscheidet, dass die Sensoren als Temperatursensoren ausgebildet sind, die jedoch jeweils einen Temperaturfühler 22 aufweisen, der aus einem Infrarotstrahlung stark absorbierenden Material gefertigt ist. Dadurch wird der Temperaturfühler durch die Infrarotstrahlung erhitzt und diese Erwärmung durch den jeweiligen

Temperatursensor 15 erfasst. Die Temperatursensoren können in diesem Fall beispielsweise als Halbleiterdioden, NTC-, oder PTC- Elemente ausgebildet sein. Diese Variante hat den Vorteil, dass gleichzeitig Wärmeabstrahlung und

Kontaktwärme, beispielsweise durch ein auf der Abdeckung 17 aufliegendes den Fremdkörper 12 gleichermaßen detektiert werden können.

Weil die Sensoren 15 oberhalb der Primärspule platziert sind, um ein

uneingeschränktes Blickfeld in Richtung der Sekundärspule zu haben, werden sie auch von dem Hauptmagnetfeld der Primärspule 5 durchflossen, wenn diese bestromt wird. Um eine Beeinträchtigung der Sensoren 15 zu vermeiden, ist diesen vorteilhafterweise jeweils eine Magnetabschirmung 23 zugeordnet. Diese ist, wie im Ausführungsbeispiel von Figur 7 beispielhaft gezeigt, beispielsweise als U-förmiges Ferritelement ausgebildet. Der Sensor 15, insbesondere

Thermosensor, ist dabei auf einer Leiterplatte 24 der Sensoreinrichtung 13 angeordnet und durch das Ferritelement 23 vor dem Hauptmagnetfeld gestützt, weil der Ferrit das Hauptmagnetfeld um den Sensor herumleitet, wie durch

Magnetfeldlinien in Figur 7 gezeigt. Insbesondere werden nur die Sensoren 15 mit einer Magnetabschirmung 23 versehen, die sich in einem kritischen Bereich des Magnetfelds beziehungsweise Primärspule befinden, in welchem besonders hohe Feldkräfte auftreten können. So ist beispielsweise bei den weiter am Außenrand liegenden Sensoren 15 eine derartige Abschirmung nicht unbedingt notwendig und wird daher bevorzugt aus Kostengründen dort, wo die

Magnetfeldstärke weniger stark auftritt, vermieden.