Titel

Verfahren zum Ermiteln eines Spulenstroms einer Primärspule, Steuergerät für eine Primärspulenanordnung, Primärspulenanordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Spulenstroms einer Primärspule für eine die Primärspule und eine Sekundärspule aufweisende Energieübertragungseinrichtung, wobei der Primärspule eine Sensorspule derart zugeordnet wird, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule eine elektrische Spannung in die Sensorspule induziert wird.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Durchführen des oben genannten Verfahrens.

Ferner betrifft die Erfindung eine Primärspulenanordnung mit dem oben genannten Steuergerät.

Stand der Technik

Energieübertragungseinrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise weisen induktive Ladestationen eine Primärspule auf. Wird an die Primärspule ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung angelegt, so wird in der Primärspule ein Spulenstrom und durch den Spulenstrom

beziehungsweise durch die Primärspule ein Magnetfeld erzeugt. Wird nun eine Sekundärspule, beispielsweise eine Sekundärspule, die elektrisch mit einem Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist, in dem Magnetfeld angeordnet, wird durch das Magnetfeld eine elektrische Spannung in die Sekundärspule induziert, wobei durch die induzierte Spannung der Energiespeicher aufgeladen werden kann. Somit bilden die Primärspule und die Sekundärspule eine Energieübertragungseinrichtung.

Um das Vorhandensein metallischer Gegenstände in einer derartigen

Energieübertragungseinrichtung zu überwachen, ist es außerdem bekannt, der Primärspule eine Sensorspule derart zuzuordnen, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule eine elektrische Spannung in die Sensorspule induziert wird. Dabei wird in

Abhängigkeit von der in die Sensorspule induzierten Spannung erfasst, ob sich metallische Gegenstände in der Energieübertragungseinrichtung, insbesondere zwischen der Primärspule und der Sekundärspule, befinden.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Spulenstrom der Primärspule einfach und zuverlässig ermittelt wird. Die Kenntnis des Spulenstroms der Primärspule ist für Steuerungs- und Regelungsfunktionen, sowie für Sicherheitsfunktionen beim Betreiben der Energieübertragungseinrichtung vorteilhaft. Erfindungsgemäß ist dazu

vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der in die Sensorspule induzierten

Spannung der Spulenstrom der Primärspule ermittelt, insbesondere berechnet, wird. Hierzu wird zumindest ein Spannungswert der in die Sensorspule induzierten Spannung erfasst und in Abhängigkeit von dem zumindest einen Spannungswert der Spulenstrom der Primärspule ermittelt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die in die Sensorspule induzierte Spannung mit dem

Spulenstrom der Primärspule korreliert. Insbesondere ist die in die Sensorspule induzierte Spannung proportional zu dem Spulenstrom der Primärspule.

Dadurch, dass der Spulenstrom der Primärspule in Abhängigkeit von der in die Sensorspule induzierten Spannung ermittelt wird, ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Primärspulenstromsensor verzichtet werden kann. Daraus resultieren beispielsweise Kosteneinsparungen und

Bauraumeinsparungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der

Spulenstrom der Primärspule in Abhängigkeit von einem Verlauf der induzierten Spannung ermitelt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass, die Genauigkeit des Ermitelns des Spulenstroms gesteigert wird. Beispielsweise wird in Abhängigkeit von dem Verlauf der induzierten Spannung ein Verlauf des Spulenstroms ermitelt. Insbesondere werden in Abhängigkeit von dem Verlauf der induzierten Spannung Maximalwerte, Minimalwerte, Amplituden und/oder ein Mitelwert der induzierten Spannung beziehungsweise des Spulenstroms der Primärspule ermitelt. Derartig ermitelte Spulenstromwerte sind für eine vorteilhafte

Steuerung und/oder Regelung des Spulenstroms der Primärspule besonders geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Ermitlung beziehungsweise Berechnung ein Proportionalitätsfaktor

berücksichtigt wird. Daraus ergibt sich ein besonders einfaches Vorgehen bei der Berechnung des Spulenstroms der Primärspule. Es wird davon ausgegangen, dass der Spulenstrom der Primärspule zumindest in bestimmten

Strombetragsbereichen des Spulenstroms der Primärspule zumindest im

Wesentlichen proportional zu der in die Sensorspule induzierten Spannung ist. Somit kann der Spulenstrom der Primärspule direkt unter Verwendung des Proportionalitätsfaktors aus der induzierten Spannung berechnet werden.

Vorzugsweise wird dabei als Proportionalitätsfaktor ein in Vorversuchen ermitelter Proportionalitätsfaktor verwendet. Die Verwendung eines derartigen Proportionalitätsfaktors ist besonders vorteilhaft, weil beispielsweise in

Abhängigkeit von einer Beschaffenheit der Sensorspule und/oder einer

Anordnung der Sensorspule unterschiedliche Proportionalitätsfaktoren ein korrektes Ermiteln des Spulenstroms der Primärspule gewährleisten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Sensorspulen der Primärspule derart zugeordnet werden, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule jeweils eine elektrische Spannung in jede der mehreren Sensorspulen induziert wird, und dass in Abhängigkeit von den in die mehreren Sensorspulen induzierten Spannungen der Spulenstrom der Primärspule ermitelt wird. Durch das Verwenden mehrerer Sensorspulen wird dabei die Zuverlässigkeit des Verfahrens beziehungsweise des ermitelten Spulenstroms gesteigert. Durch das Verwenden mehrerer Sensorspulen wird beispielsweise gewährleistet, dass auch dann noch ein zumindest im Wesentlichen zuverlässiger Spulenstrom der Primärspule ermittelt wird, wenn die in eine der Sensorspulen induzierte

Spannung einen unerwarteten beziehungsweise falschen Spannungswert aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich die Anordnung einer der Sensorspulen verändert, verglichen mit der Anordnung dieser Sensorspule während des Ermittelns des Proportionalitätsfaktors.

Vorzugsweise wird der Spulenstrom der Primärspule in Abhängigkeit von einem Mittelwert der in die mehreren Sensorspulen induzierten Spannungen ermittelt. Durch eine derartige Vorgehensweise werden die in die mehreren Sensorspulen induzierten Spannungen vorteilhaft berücksichtigt. Als Mittelwert wird dabei beispielsweise ein arithmetisches Mittel ermittelt. Insbesondere werden nicht alle der in die mehreren Sensorspulen induzierten Spannungen beim Ermitteln des Spulenstroms der Primärspule berücksichtigt. Demnach wird zumindest eine der induzierten Spannungen beim Ermitteln des Spulenstroms ausgeschlossen. Vorzugsweise wird diejenige der induzierten Spannungen ausgeschlossen, die einen unerwarteten Spannungswert aufweist, sodass durch das Berücksichtigen dieses Spannungswertes beim Ermitteln des Spulenstroms der Primärspule ein unzuverlässiger Spulenstrom ermittelt werden könnte.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Sensorspule eine

Sensorspule einer Metalldetektionseinrichtung verwendet. Wie bereits beschrieben, ist der Primärspule einer Energieübertragungseinrichtung in der Regel ohnehin eine Metalldetektionseinrichtung mit zumindest einer Sensorspule zugeordnet. Durch Verwenden dieser Sensorspule kann auf das Vorsehen zusätzlicher Sensorspulen für das Ermitteln des Spulenstroms der Primärspule verzichtet werden. Hierdurch werden Kosten und Bauraum eingespart.

Das erfindungsgemäße Steuergerät für eine Primärspulenanordnung, die eine mit einem Wechselstromnetz verbindbare Primärspule und zumindest eine Sensorspule aufweist, die derart angeordnet ist, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule eine elektrische Spannung in die Sensorspule induziert wird, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 8 durch ein Steuergerät aus, das speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich daraus die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Primärspulenanordnung mit einer Primärspule, die mit einem Wechselstromnetz verbindbar ist, und zumindest einer Sensorspule, die derart angeordnet ist, dass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule eine elektrische Spannung in die Sensorspule induziert wird, zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 9 durch das erfindungsgemäße Steuergerät aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile.

Vorzugsweise ist die Primärspulenanordnung primärspulenstromsensorfrei ausgebildet. Die Primärspulenanordnung weist demnach keinen Stromsensor auf, der dazu ausgebildet ist, direkt den Spulenstrom der Primärspule zu erfassen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Kosten und Bauraum eingespart werden, die durch das Vorsehen eines zusätzlichen Primärspulenstromsensors zum Erfassen des Spulenstroms der Primärspule entstehen würden.

Vorzugsweise ist die Sensorspule direkt auf einer Stirnseite der Primärspule angeordnet. Daraus ergibt sich eine besonders effiziente Kopplung zwischen der Primärspule und der Sensorspule, sodass durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung an der Primärspule eine elektrische Spannung in die Sensorspule induziert werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei der Stirnseite um die Seite, insbesondere Oberseite der Primärspule, die der Sekundärspule zugewandt ist, wenn durch das Magnetfeld eine elektrische Spannung in die Sekundärspule induziert wird. Die Sensorspule ist demnach vorzugsweise direkt über der Primärspule angeordnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen Figur 1 eine Energieübertragungseinrichtung in einer schematischen

Darstellung,

Figur 2 ein vorteilhaftes Verfahren zum Ermitteln eines Spulenstroms einer Primärspule der Energieübertragungseinrichtung.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine

Energieübertragungseinrichtung 1 in einer Seitenansicht. Die

Energieübertragungseinrichtung 1 weist einen stationären Teil 2, der als induktive Ladestation 2 ausgebildet ist, und einen mobilen Teil 3 auf.

Der stationäre Teil 2 weist eine Primärspulenanordnung 4 auf, die eine

Primärspule 5 umfasst. Die Primärspule 5 ist durch eine erste elektrische Leitung 6 und eine zweite elektrische Leitung 7 mit einer Wechselstromquelle 8 elektrisch leitend verbunden. Die Wechselstromquelle 8 ist dazu ausgebildet, einen Wechselstrom an der Primärspule 5 anzulegen. Alternativ zu der in Figur 1 dargestellten Wechselstromquelle 8 ist eine Wechselspannungsquelle vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung an der Primärspule 5 anzulegen. Um eine Regelung des Wechselstroms beziehungsweise der Wechselspannung zu ermöglichen, sind zwischen der Wechselspannungsquelle 8 und der Primärspule 5 eine erste Leistungselektronik 9 und ein erstes

Kompensationsnetzwerk 10 geschaltet. Beim Anlegen eines Wechselstroms beziehungsweise einer Wechselspannung an der Primärspule 5 wird ein

Spulenstrom der Primärspule 5 und durch den Spulenstrom beziehungsweise durch die Primärspule 5 ein Magnetfeld 11 erzeugt.

Der mobile Teil 3 der Energieübertragungseinrichtung 1 weist eine

Sekundärspule 13 auf. Diese ist Bestandteil eines in Figur 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Antriebsmaschine und durch eine dritte elektrische Leitung 14 und eine vierte elektrische Leitung 15 elektrisch leitend mit einem Energiespeicher 16 des Kraftfahrzeugs verbunden. Dabei sind auch zwischen dem Energiespeicher 16 und der Sekundärspule 13 eine

Leistungselektronik, also eine zweite Leistungselektronik 17, und ein

Kompensationsnetzwerk, also ein zweites Kompensationsnetzwerk 18, geschaltet. Vorliegend ist das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Sekundärspule 13 derart angeordnet, dass durch das Magnetfeld 11 eine Spannung in die Sekundärspule 13 induziert wird, sodass der Energiespeicher 16 durch die in die Sekundärspule 13 induzierte Spannung aufgeladen werden kann.

Zusätzlich zu der Primärspule 5 weist die Primärspulenanordnung 4 zumindest eine, vorliegend vier, Sensorspulen 12 auf. Die Sensorspulen 12 sind derart angeordnet, dass durch das Magnetfeld 11 eine elektrische Spannung in jede der Sensorspulen 12 induziert wird. Vorzugsweise sind die Sensorspulen 12 hierzu direkt auf einer Stirnseite der Primärspule 5 angeordnet. Bei der Stirnseite handelt es sich um die Seite, insbesondere Oberseite, der Primärspule, die gemäß Figur 1 der Sekundärspule 13 zugewandt ist. Derartig angeordnete Sensorspulen 12 werden gemäß dem Stand der Technik verwendet, um zu erfassen, ob sich in einem Zwischenraum 19 zwischen der Primärspule 5 und der Sekundärspule 13 metallische Gegenstände befinden.

Gemäß der in Figur 1 dargestellten Energieübertragungseinrichtung 1 kann in Abhängigkeit von den in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen der Spulenstrom der Primärspule 5 ermittelt werden. Hierzu weist der stationäre Teil 2 ein Steuergerät 20 auf, das mit jeder der Sensorspulen 12 verbunden und dazu ausgebildet ist, die in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen zu erfassen und in Abhängigkeit von den erfassten induzierten Spannungen den Spulenstrom der Primärspule 5 zu ermitteln.

Im Folgenden wird mit Bezug auf Figur 2 ein vorteilhaftes Verfahren zum

Ermitteln des Spulenstroms der Primärspule 5 anhand eines Flussdiagramms erläutert.

In einem Schritt S1 wird ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung an der Primärspule 5 angelegt. Dies wird durch eine geeignete Ansteuerung der ersten Leistungselektronik 9 und des ersten Kompensationsnetzwerkes 10 erreicht. Durch den angelegten Wechselstrom beziehungsweise die angelegte

Wechselspannung werden ein Spulenstrom in der Primärspule 5 und dadurch das Magnetfeld 11 erzeugt. Durch das Magnetfeld 11 wird weiterhin in jede der Sensorspulen 12 eine elektrische Spannung induziert. Insbesondere wird in dem Schritt S1 durch das Magnetfeld 11 auch eine elektrische Spannung in die Sekundärspule 13 induziert, sodass der Energiespeicher 16 geladen werden kann, nämlich dann, wenn der mobile Teil 3 beziehungsweise die Sekundärspule 13 geeignet in dem Magnetfeld 11 angeordnet sind.

In einem Schritt S2 werden die in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen durch das Steuergerät 20 erfasst. Beispielsweise erfasst das Steuergerät 20 hierzu jeweils einen Verlauf der in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen.

In einem Schritt S3 ermittelt das Steuergerät 20 in Abhängigkeit von den erfassten in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen den Spulenstrom der Primärspule 5. Beispielsweise wird der Spulenstrom hierzu durch das

Steuergerät 20 aus den in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen berechnet. Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen den in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen und dem Spulenstrom der Primärspule 5 ist dies einfach unter Verwendung eines in Vorversuchen ermittelten Proportionalitätsfaktors möglich. Insbesondere ist für jede der Sensorspulen 12 jeweils ein Proportionalitätsfaktor vorgesehen, der bei der Berechnung des Spulenstroms verwendet wird. Vorliegend berechnet das Steuergerät 20 in Abhängigkeit von jeder der in die Sensorspulen 12 induzierten Spannungen jeweils einen vorläufigen Spulenstrom der Primärspule 5. Als Spulenstrom der Primärspule 5 wird dann ein Mittelwert der vorläufigen

Spulenströme berechnet.

Durch das Ermitteln des Spulenstroms der Primärspule 5 in Abhängigkeit von den in die Sensorspulen 12 induzierten elektrischen Spannungen kann auf das Vorsehen eines Primärspulenstromsensors, der ansonsten beispielsweise in der ersten elektrischen Leitung 6 oder der zweiten elektrischen Leitung 7, insbesondere zwischen der Primärspule 5 und dem Kompensationsnetzwerk 10, angeordnet ist, verzichtet werden. Somit ist die in Figur 1 dargestellte

Energieübertragungseinrichtung 1, beziehungsweise der stationäre Teil 2 der Energieübertragungseinrichtung 1, primärspulenstromsensorfrei ausgebildet. Hierdurch werden Kosten und Bauraum eingespart.