Energieübertragungssysteme

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erkennungssystem zur Erkennung von elektrisch leitenden Fremdkörpern im Bereich zwischen der Primär- und

Sekundärwicklung eines induktiven Energieübertragungssystems.

Die berührungslose Energieübertragung verwendet hochfrequente

magnetische Felder. Gelangen elektrisch leitende Fremdkörper in den Bereich dieser magnetischen Felder werden in ihnen Wirbelströme erzeugt, welche zur Erwärmung der Fremdkörper führen. Hinzu kommen noch

Ummagnetisierungsverluste bei ferromagnetischen Stoffen, die ebenfalls zur Erwärmung des Fremdkörpers beitragen. Durch die Wirbelströme entstehen zudem Verluste bei der Energieübertragung.

Die Fremdkörper können durch die Erwärmung entzündet werden. Sofern es sich bei den Fremdkörpern um Lebewesen handelt, sind diese aufgrund der möglichen Erwärmung einer großen Gefahr ausgesetzt.

Elektrisch leitende Fremdkörper stellen somit einen Störfaktor, z.B. bei der kontaktlosen Batterieladung elektrischer Fahrzeuge, dar. Es ist daher notwendig, dass vor jeder Energieübertragung mittels geeigneter Maßnahmen, wie z.B. automatischer oder manueller Reinigungsvorgänge, sichergestellt wird, dass Fremdkörper aus dem Bereich des hochfrequenten Magnetfeldes des Energieübertragungssystems entfernt worden sind. So kann z.B. der Fahrer eines Fahrzeuges, dessen Batterie induktiv geladen werden soll, stets vor dem Ladevorgang aufgefordert werden, evtl. Fremdkörper zu entfernen. Um ein unnötiges Reinigen zu vermeiden, ist es daher wünschenswert, wenn Fremdkörper automatisch erkann werden können, und nur bei tatsächlichem Vorhandensein von Fremdkörpern eine Aufforderung zur Reinigung des

Energieübertragungssystems an den Fahrer generiert wird.

Es sind zahlreiche Systeme zur Erkennung von Fremdkörpern bekannt. Die DE 102009033236 AI offenbart ein System zur Erkennung von Fremdkörpern, bei dem mittels eines Ultraschall-, Radar, Infrarot oder elektronischem Bildsensor Fremdkörper erkannt werden. Die Sensoren sind dabei bevorzugt an den Sekundärseite, also dem Fahrzeug, angeordnet. Nachteilig dabei ist, dass die Sensoren äußeren Witterungseinflüssen und Verschmutzung ausgesetzt und somit stör- und fehleranfällig sind und zudem durch Steinschlag oder äußere Kräfte leicht zerstört werden können.

Die DE 102009033237 AI offenbart ein System zur Erkennung von

Fremdkörpern, bei dem mittels einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten planaren Spulen als Meßinduktivitäten Fremdkörper erkannt werden sollen. Dabei werden die Induktivitäten aller Spulen mittels einer Auswerteeinrichtung überwacht und mittels einer Referenzimpedanz bzw. Referenzverteilung verglichen. Bei Vorliegen einer Abweichung vorbestimmten Ausmaßes wird ein Signal ausgegeben, welches die Abweichung anzeigt. Nachteilig bei diesem System ist, dass eine Vielzahl von Induktivitäten mittels geeigneter Elektronik überwacht werden muss. Zudem wird nur die Änderung der Induktivität aufgrund eines Fremdkörpers gemessen.

Die DE 69827733 T2 offenbart ein System zur Erkennung von Fremdkörpern, bei dem zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen vorgesehen sind, wobei die beiden primären Wicklungen mit einem gemeinsamen Kern verbunden aber räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, so dass jede ein

Wechselmagnetfeld in einem unterschiedlichen räumlichen Bereich erzeugt. Die sekundären Wicklungen sind analog zu den primären Wicklungen angeordnet, so dass sie während des Ladevorganges den primären Wicklungen gegenüberliegen. Begründet durch die getrennt angeordneten

Primärwicklungen reagieren die Oszillationsschaltkreise der Gegentaktzweige unabhängig voneinander auf ungleiche Lasten der räumlichen Regionen des magnetischen Wechselfeldes. In Verbindung mit Arbeitswerten können mit dem System Lasttypen in dem sekundären Teil des Wechselmagnetfeldes, wie beispielsweise Volllast, keine Last und unrichtige Last aufgrund eines

Fremdkörpers von dem System detektiert und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Nachteilig bei diesem System ist, dass für die Detektierung von Fremdkörpern stets der Ladevorgang begonnen werden muss.

Die DE 69834537 T2 offenbart ein System zu berührungslosen

Energieübertragung, bei dem primärseitig und sekundärseitig jeweils zwei getrennte Wicklungen angeordnet sind, wobei eine Wicklung jeweils für die Energieübertragung und eine Wicklung für die Signalübertragung vorgesehen ist. Der Ladevorgang kann stets nur dann erfolgen, wenn über die

Signalübertragungsspulen ein entsprechendes Signal an die Primärseite übertragen wird. Dieses System verhindert lediglich, dass sich Fremdkörper erhitzen können, sofern die Verbrauchereinheit nicht vor der Ladestation angeordnet ist. Dieses System kann keine Fremdkörper erkennen, sofern die Verbrauchereinheit vor der Primärseite der Ladestation angeordnet ist.

Aus der EP 2317625 A2 ist ein System zur berührungslosen

Energieübertragung bekannt, bei dem zur Erkennung von Fremdkörpern der Stromfluss durch die Primärwicklung gemessen und mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird, wobei zur Erkennung des Fremdkörpers die

Übertragungsfrequenz erhöht wird und die Last der Verbrauchereinheit von dem Sekundärschwingkreis getrennt wird. Nachteilig bei diesem System ist, dass der Abstand zwischen der Primär- und Sekundärwicklung nicht stets gleich und somit der Kopplungsfaktor stets unterschiedlich ist, so dass sich stets andere Ströme im Primärkries einstellen. Zudem muss für die Erkennung der Fremdkörper stets der Ladevorgang unterbrochen werden, was zu einem schnelleren Verschleiß und Altern der zu ladenden Batterie und der

verwendeten Bauteile führt. Ebenfalls nachteilig ist, dass aufgrund der Größe der Primär- und Sekundärwicklung im Verhältnis dazu kleine Fremdkörpern nicht sicher erkannt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Erkennungssystem

bereitzustellen, das auch kleine Fremdkörper sicher erkennt. Diese Erfindung wird vorteilhaft mit einem System mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche,

Je nach Werkstoff verursachen nicht ferromagnetische Metalle im Magnetfeld Verzerrungen in Form von Verdrängung bei reinen Wirbelstromeffekten.

Dagegen bündeln ferromagnetische Werkstoffe das magnetische Feld. Eine einfache Messung dieser Einflüsse kann durch die Ermittlung der Induktivität einer Wicklung erfolgen. Ein entsprechendes System ist wie oben beschrieben aus der DE 102009033236 AI vorbekannt. Die Änderung der Induktivität ist jedoch in der Regel zu gering um akkurate Schaltschwellen zu erzeugen.

Die Erfindung sieht deshalb vor, eine zweite Spule vorzusehen, die ebenso von der Feldverzerrung durch den oder die Fremdkörper betroffen ist. Die beiden verwendeten Spulen sind magnetisch gekoppelt, wobei die Kopplung durch die Fremdkörper verändert wird. Diese Veränderung kann durch Messen einer elektrischen Größe wie z.B. den durch eine Spule fließenden Strom oder durch die induzierte Spannung detektiert werden. Um die Änderung der Kopplung genau detektieren zu können, ist es von Vorteil, dass die gekoppelten Spulen Bestandteil von Schwingkreisen sind, die auf die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Durch die hohe Güte der gekoppelten Schwingkreise ist die

Änderung der Kopplung durch die sich ändernde Blindleistung gut zu

detektieren. So kann z.B. in die erste Spule ein Signal eingespeist werden und in der zweiten Spule die induzierte Spannung gemessen werden. Solange das System in Resonanz ist, ist die induzierte Spannung sehr hoch. Sobald sich jedoch ein Fremdkörper im Bereich der Spulen befindet, verstimmen sich beide Schwingkreise durch die Änderung der Induktivitäten, ändert sich die Kopplung zwischen den Spulen, wodurch die induzierte Spannung gegenüber dem Resonanzfall sinkt. Durch das Vorsehen der gekoppelten Schwingkreise ist die Änderung der induzierten Spannung hinreichend groß, so dass die induzierte Spannung zur Erkennung von elektrisch leitenden Fremdkörpern mit einem Schwellwert verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Erkennungssystem kann als eigenständiges System in einem eigenen Gehäuse untergebracht sein, welches z.B. auf die Primärwicklung eines induktiven Energieübertragungssystems gelegt oder auf diesem befestigt werden kann. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die beiden Spulen, welche bevorzugt als Flachspulen ausgebildet sein können, und optional auch die zugehörige Auswerteelektronik nebst Beschaltung der Spulen in dem primärseitigen oder sekundärseitigen Gehäuse des induktiven

Energieübertragungssystems angeordnet sind.

Die Primär- und Sekundärspule des Erkennungssystems decken bevorzugt die aktive Fläche des induktiven Energieübertragungssystems ab. Sie können insbesondere mindestens die Größe und Form der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung des Energieübertragungssystems aufweisen, je nachdem ob sie in der Nähe der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung des induktiven Energieübertragungssystems angeordnet sind. Die Spulen können jedoch auch von ihrer abgedeckten Fläche größer als die Wicklungen des

Energieübertragungssystems ausgebildet sein, so dass sie über diese seitlich hinausragen.

Um möglichst kleine Fremdkörper mittels des Erkennungssystems zu detektieren, sind die Spulen so ausgebildet, dass durch das magnetische Feld der Übertragungseinrichtung keine oder im Verhältnis zur Spannung der Quelle kleine elektrische Spannung in der Primär- und Sekundärspule des Erkennungssystems induziert wird. Dazu sind die Spulen vorteilhaft

mäanderförmig gestaltet, so dass sich die in den einzelnen Leiterabschnitten der Spulen induzierten Spannungen aufgrund des Magnetfeldes der

Energieübertragung gegenseitig aufheben. Hierzu kann jede Spule des

Erkennungssystems durch mehrere gerade Leitungsabschnitte gebildet sind, welche jeweils zueinander parallel und in Serie angeordnet sind, wobei gleichzeitig die geraden Leitungsabschnitte der Primär- und Sekundärspulen zueinander parallel, in einem Winkel von 45° oder senkrecht zueinander angeordnet sind.

Die Länge der geraden Leitungsabschnitte kann vorteilhaft so bemessen sein, dass sich die Leitungsabschnitte über die Primäranordnung oder

Sekundäranordnung, insbesondere deren Wicklungen, des

Energieübertragungssystems erstrecken. Der Abstand der benachbarten geraden und parallel zueinander angeordneten Leitungsabschnitte jeder Spule ist dabei an die Größe der kleinsten zu detektierenden Fremdkörper angepasst. Der Abstand kann je nach zu detektierenden Fremdkörpern 1 bis 10 cm, besonders bevorzugt 2,5 bis 8 cm, betragen.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des Erkennungssystems wird der primäre Schwingkreis durch die Primärspule und einen Kondensator, welche insbesondere in Reihe geschaltet sind, gebildet. Der sekundäre Schwingkreis wird durch die Sekundärspule und einen Kondensator, welche parallel oder seriell geschaltet sind, gebildet, wobei die Quelle eine Wechselspannungsoder Wechselstromquelle ist, an der primäre Schwingkreis angeschlossen ist. Ein Gleichrichter richtet dabei die sekundärseitige Ausgangsspannung des sekundärseitigen Schwingkreises gleich und glättet diese mittels eines

Kondensators. Eine Überwachungseinrichtung vergleicht dabei die

Ausgangsspannung des Gleichrichters mit einem in einem Speicher abgelegten Spannungswert. Sofern die gemessene Ausgangsspannung unter einen bestimmten Schwellwert fällt, wird ein Signal generiert, welche für einen detektierten Fremdkörper steht.

Die Überwachungseinrichtung kann vorteilhaft durch einen MikroController gebildet sein, der die Quelle, insbesondere mit einem PWM-Ausgang, bildet, und der mit einem Analog-Digitalwandler-Eingang die Ausgangsspannung des Gleichrichters ermittelt.

Vorteilhaft sind die Spulen des Erkennungssystems durch Leiterbahnen einer Leiterplatte gebildet, wodurch sie einfach und kostengünstig hergestellt werden können. So kann z.B. eine zweiseitig kaschierte leiterbahn verwendet werden, welche mit ihren beiden Seiten jeweils eine Spule bildet. Auf der Leiterplatte können zudem weitere elektrische Bauteile angeordnet werden, so dass sich eine kleine und kompakte Bauweise ergibt.

Das Erkennungssystem kann sich in Intervallen selbst kalibrieren, in dem die Frequenz der Quelle beim Kallibrierungsvorgang so lange variiert wird, bis die Resonanzfrequenz, bei der die maximale Blindleistung der

Schwingkreisanordnung auftritt, ermittelt ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 : Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Erkennungssystems;

Fig. 2: erste mögliche Ausbildung der Spulen des Erkennungssystems;

Fig. 3 : zweite mögliche Ausbildung der Spulen des Erkennungssystems;

Fig. 4: dritte mögliche Ausbildung der Spulen des Erkennungssystems;

Fig. 5: mögliche elektrische Schaltungsanordnung des Erkennungssystems

Fig. 6: Ersatzschaltbild zur Bestimmung der elektrischen Komponenten der

Schwingkreise.

Die Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen

Erkennungssystems. Das Erkennungssystem weist einen Primärschwingkreis auf, welcher durch die Reihenschaltung aus der Kapazität C _A und der

Induktivität L _A der primärseitigen Spule gebildet ist. Der primärseitige

Schwingkreis C _A -L _A wird durch ein Erregersignal zur Schwingung angeregt, wobei das Erregersignal selbst von einer Quelle 1 erzeugt wird. Der

sekundärseitige Parallelschwingkreis wird durch die Kapazität C _B und die Induktivität L _B der sekundärseitigen Spule gebildet. Die in den

sekundärseitigen Schwingkreis induzierte Spannung wird mittels der

Messvorrichtung 2 gemessen. Die Punkte A _x , A ₂ , B _! und B ₂ sind die

Anschlusspunkt der Induktivitäten L _A , L _B bzw. der Spulen des

Erkennungssystems.

Die Figur 2 zeigt eine erste mögliche Ausbildung der Spulen L _A und L _B des Erkennungssystems. Die einzelnen Leiterabschnitte der Spulen L _A und L _B weisen gerade Leiterabschnitte 4 auf, die zueinander parallel angeordnet und in Reihe angeordnet sind und an ihren Enden durch die halbkreisförmigen Verbindungsabschnitte 5 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Man kann auch davon sprechen, dass die Leiter der Spulen L _A und L _B mäanderförmig verlegt sind. Die Spulen L _A und L _B können z.B. durch Leiter einer Leiterplatte gebildet sein. Beide Spulen L _A und L _B decken vorteilhaft die Fläche 3 der kontaktlosen Energieübertragung ab. Vorteilhaft ist es, wenn die Spulen L _A und L _B über den Rand der Fläche 3, welche insbesondere durch die Primär- oder Sekundärspule des Energieübertragungssystems gebildet sein kann, hinausragen. Die geraden Abschnitte 4 der Spulen L _A und L _B sind bei der Anordnung gemäß Figur 2 senkrecht zueinander angeordnet. Der Abstand A zwischen den geraden Leiterabschnitten 4 bestimmt die Empfindlichkeit des Erkennungssystems. Je kleiner der Abstand A ist, desto kleinere Fremdkörper können vom Erkennungssystem erkannt werden. Die Anordnung gemäß Figur 2 mit einfach verlegten Leitungen hat den Nachteil, dass die Spulenanschlüsse Ai, A ₂ , Bi und B ₂ weit voneinander entfernt liegen, wodurch lange

Verbindungsleitungen zum Anschluss der Spulen L _A und L _B notwendig werden, wodurch eventuell das Hauptfeld der Energieübertragung mit den

Verbindungsleitungen koppeln könnten.

Das Erkennungssystems verwendet Spulen L _A und L _B die getrennt von den Wicklungen des Energieübertragungssystems 3 angeordnet sind.

Die Figur 3 zeigt eine zweite mögliche Ausbildung der Spulen L _A und L _B des Erkennungssystems, bei denen die geraden Leitungen doppelt verlegt sind, so dass die Spulenanschlüsse A _x , A ₂ , Bi und B ₂ dicht beieinander liegen und somit keine langen zusätzlichen Anschlussleitungen notwendig sind und das magnetische Hauptfeld keinen nachteiligen Einflüsse auf das

Erkennungssystems hat. Auch bei dieser Anordnung der Spulen L _A und L _B sind deren geraden Leitungsabschnitte 4 senkrecht zueinander angeordnet.

Die Spulen L _A und L _B können auf Leiterplatten aufgebracht sein, da der nötige Strom durch die Spulen L _A und L _B zur Messung der Fremdkörper F klein ist. Es bietet sich auch an, die Elektronik in Form eines Signalgenerators zur

Einspeisung und eine Messschaltung mit auf dieselbe Leiterplatte anzuordnen.

Die Figur 4 zeigt eine dritte mögliche Ausbildung der Spulen L _A und L _B des Erkennungssystems, bei denen die geraden Leitungsabschnitte 4 der Spulen L _A und L _B parallel zueinander angeordnet sind. Die Pfeile geben dabei die mögliche Stromflussrichtung während eines Augenblicks in der Spule L _B an. Die Figur 5 zeigt eine mögliche elektrische Schaltungsanordnung für das Erkennungssystem. Zur Einspeisung des primären Schwingkreises C _A -L _A wird ein Signalgenerator 7 verwendet, welcher die Wechselspannung V _gen mit einer Resonanzfrequenz f _res des Schwingkreises erzeugt. Theoretisch würde ein Rechtecksignal ausreichen, da nur die Grundharmonische vom Schwingkreis benötigt wird. Aus EMV-Gründen empfiehlt es sich jedoch einen Sinus- Generator einzusetzen. Je größer dessen Signalamplitude, desto genauer kann die Messung erfolgen, wobei jedoch ein Kompromiss mit der Störaussendung getroffen werden muss.

Auf der Sekundärseite ist der Parallelschwingkreis L _B -C _B angeordnet. Die in der Spule 1_B induzierte Spannung wird mittels des Gleichrichters 8 und des

Glättungskondensators C _tp gleichgerichtet und geglättet. Die gleichgerichtete Spannung wird mittels eines Komparators 9 mit einer Referenzspannung, welche durch den Spannungsteiler an R _sch an Eingang 1 des Komparators anliegt, verglichen, wobei der Ausgang 5 des Komparators das Signal FOD (Foreign Object Detection) an eine nachgeschaltete und nicht dargestellte Signal- und/oder Steuerungseinrichtung ausgibt. Sofern die geglättete

Spannung kleiner als die Referenzspannung ist, so wird dies dahingehend interpretiert, dass sich mindestens ein Fremdkörper im Bereich der aktiven Energieübertragungsfläche befindet. Sofern die geglättete Spannung über oder gleich der Referenzspannung ist, wird dies dahingehend interpretiert, dass sich kein Fremdkörper im System befindet. Es ist möglich, dass nur die

Komponenten im Bereich 10 auf einer Leiterplatte angeordnet werden.

Das Erkennungssystem kann auch während der Energieübertragung

Fremdkörper laufend erkennen, so dass eine Unterbrechung der

Energieübertragung zur Ermittlung von Fremdkörpern nicht notwendig ist.

Das Erkennungssystem kann zudem periodisch abgeglichen werden, indem die Referenzspannung den jeweiligen Bedingungen angepasst wird. Dies kann automatisch in bestimmten Zeitabständen erfolgen.

Die Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Bestimmung der elektrischen

Komponenten des primärseitigen und des sekundärseitigen Schwingkreises. Die Resonanz des in Figur 5 gezeigten primären Reihenschwingkreises mit dem sekundärseitigen Parallelschwingkreis kann mittels der Bauteile L _A , C _A , L _B und C _R Z . B. durch Abgleich zwischen dem Kondensator C _A bzw. C _B und der Streuinduktivität von L _A bzw. L _B erfolgen. Die gekoppelten Schwingkreise können durch das in Figur 6 gezeigte Ersatzschaltbild dargestellt werden, wobei die Spulen L _A bzw. L _B durch die zwei Streuinduktivitäten L _As und L _Bs und die Gegeninduktivitäten L _Ah und L _Bh dargestellt sind . Mindestens eine dieser drei Induktivitäten muss Bestandteil eines Resonanzkreises sein. Sofern die Resonanzkreise durch die Bauteile C _A -L _As und L _Bs -C _B gebildet werden, so errechnet sich die Resonanzfrequenz f _res aus mit der Bedingung Z = 0 anhand der folgenden Gleichung :

Der Abgleich kann somit derart vorgenommen werden, dass nur ein Teil jeder Spule L _A , L _B Bestandteil eines Schwingkreises ist.