Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung und Induktionsladevorrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine

Induktionsladevorrichtung und eine Induktionsladevorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Es ist bekannt, akkubetriebene Handgeräte wie Zahnbürsten, Mobilfunkgeräte, elektrisch betriebene Handwerkzeuge oder dergleichen drahtlos zu laden. Dazu wird ein elektromagnetisches Feld zur induktiven Energieübertragung von einer Induktionsladevorrichtung zu einer Akkuvorrichtung des Handgeräts genutzt, wobei die Induktionsladevorrichtung und die Akkuvorrichtung bzw. das Handgerät jeweils 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, können sich 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 induktiven Ladesystems nicht mehr gewährleistbar ist. Außerdem kann das Fremdobjekt Energie aus dem elektromagnetischen Feld entziehen, sodass die

Energieübertragung zur Akkuvorrichtung gestört ist. Aus der DE 10 2012 205 693 AI 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 noch nicht veröffentlichten 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 Induktionsladevorrichtung sowie die entsprechenden Induktionsladevorrichtungen weiter zu verbessern und die Erkennungsgenauigkeit von Fremdobjekten zu erhöhen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren zur

Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung eine obere Grenze und/oder eine untere Grenze des Soll-Gütebereichs und den Verlauf der Ist-Güte aneinander anpasst. Auf diese Weise kann der Soll-Gütebereich, innerhalb dem ein fehlerfreier Ladebetrieb des induktiven Ladesystems gewährleistest ist, verkleinert werden, was zu einer erhöhten Präzision und Empfindlichkeit der Erkennung von Fehlerfällen infolge von Fremdobjekten führt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs derart innerhalb einer maximalen Soll-Güte und einer minimalen Soll-Güte zu verändern, dass ihr Verlauf weitestgehend dem Verlauf der Ist-Güte entspricht. Hierdurch wird bei im Wesentlichen

gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte und der oberen bzw. der unteren Grenze der effektive Soll-Gütebereich verkleinert. Als Folge kann die Genauigkeit der Fremdobjekterkennung, insbesondere im Falle einer stärkeren Fehlpositionierung der Akkuvorrichtung relativ zu zumindest einer Ladespule der Induktionsvorrichtung mit größeren Werten für die Resonanzfrequenz und die Ist- Güte, d.h. in der Nähe der maximal zulässigen Resonanzfrequenz, gesteigert werden.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ist-Güte derart mit einem Korrekturfaktor korrigiert wird, dass ihr Verlauf linear und/oder konstant ist. Der Korrekturfaktor ist beispielsweise definiert als die Inverse der Ist-Güte. Er kann aber auch als feste Korrekturkurve in einem Speicher der

Induktionsladevorrichtung abgelegt sein. In vorteilhafter Weise lassen sich bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte und der oberen bzw. der unteren Grenze die maximale Soll-Güte des Soll-Gütebereichs verringern und die minimale Soll-Güte des Soll-Gütebereichs erhöhen, was zu einer Verkleinerung des Soll-Gütebereichs führt. Dazu ist weiter vorgesehen, dass auch die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs mit dem Korrekturfaktor multipliziert werden, wodurch der Soll-Gütebereich eine im Wesentlichen rechteckige Fläche erhält. Somit ist ein sehr einfacher Vergleich zur Fremdobjekterkennung und eine gleichbleibende Genauigkeit der

Fremdobjekterkennung unabhängig von der Resonanzfrequenz möglich.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Induktionsladevorrichtung mit einer

Schwingkreisschaltung und einer Steuer- und Regeleinheit, insbesondere für eine Handwerkzeugmaschine, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fremdobjekterkennung, wobei die Steuer- und Regeleinheit die obere und/oder die untere Grenze des Soll-Gütebereichs und den Verlauf der Ist- Güte aneinander anpasst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.

Es zeigen

Fig. 1: eine Induktionsladevorrichtung zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fremdobjekterkennung und eine zu ladende Akkuvorrichtung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2: eine Relationstabelle einer Steuer- und Regeleinheit der

Induktionsladevorrichtung nach dem Stand der Technik in Form eines schematischen Diagramms,

Fig. 3: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit der

Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm und

Fig. 4: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit der

Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt eine Induktionsladevorrichtung 10 zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung eines Fremdobjektes 11. Ferner zeigt Figur 1 eine zu ladende Akkuvorrichtung 12 für eine nicht gezeigte

Handwerkzeugmaschine. Die Induktionsladevorrichtung 10 bildet die Primärseite eines Ladesystems 14 und ist dazu vorgesehen, die als Handwerkzeugakkus oder Handwerkzeugmaschinen mit eingebauten Akkus ausgebildete

Akku Vorrichtung 12 zu laden. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, mit der Induktionsladevorrichtung 10 andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Akkuvorrichtungen zu laden.

Figur 1 zeigt die Induktionsladevorrichtung 10 und die zu ladende

Akkuvorrichtung 12 in einem Ladebetrieb. Dabei ist die Akkuvorrichtung 12 auf einer Oberseite eines Gehäuses 16 der Induktionsladevorrichtung 10 aufgestellt und wird über zumindest eine Ladespule 18 der Induktionsladevorrichtung 10 drahtlos geladen. Die Induktionsladevorrichtung 10 weist eine

Ladeelektronikeinheit 20 auf, die ihrerseits eine Steuer- und Regeleinheit 22 sowie eine Schwingkreisschaltung 24 mit der zumindest einen Ladespule 18 umfasst. Die Steuer- und Regeleinheit 22 der Induktionsladevorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, eine Resonanzfrequenz f _R und eine dazu gehörige Ist-Güte Qi(f _R ) zu bestimmen. Des Weiteren ist die Steuer- und Regeleinheit 22 dazu vorgesehen, die Ist-Güte Qi(f _R ) mit einer von der Resonanzfrequenz f _R abhängigen Soll-Güte Q _s (f _R ) zu vergleichen. Zu diesem Zweck weist die Steuer- und Regeleinheit 22 einen Speicher 26 auf, in dem eine Relationstabelle hinterlegt ist, die für die ermittelte Resonanzfrequenz f _R einen Soll-Gütebereich q _s mit mehreren Soll- Güten Q _s (f _R ) enthält (vgl. hierzu auch die nachfolgenden Ausführungen zu Figur 2). Während eines Ladebetriebs der Induktionsladevorrichtung 10 wird in regelmäßigen Abständen eine Fremdobjekterkennung durchgeführt. Bei der Fremdobjekterkennung wird überprüft, ob sich ein oder mehrere Fremdobjekte 11, die einen Ladebetrieb beeinträchtigen können, zwischen der

Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 oder einfach nur auf der Induktionsladevorrichtung 10 befinden und/oder einen Bediener oder die Induktionsladevorrichtung 10 gefährden. Die Fremdobjekterkennung erfolgt nach einem in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2013 212 588 beschriebenen Verfahren, derart, dass zunächst die Resonanzfrequenz f _R und die dazu gehörige Ist-Güte Qi(f _R ) bestimmt werden. Nachfolgend wird die Ist-Güte Qi(f _R ) mit der von der Resonanzfrequenz f _R abhängigen Soll-Güte Q _s (f _R ) verglichen, um

abschließend anhand des definierten Soll-Gütebereichs q _s eine Entscheidung darüber zu treffen, ob mindestens ein Fremdobjekt 11 vorhanden ist, oder nicht.

Figur 2 zeigt die im Speicher 26 abgelegte Relationstabelle der Steuer- und Regeleinheit 22 in Form eines schematischen Diagramms, bei dem auf der Abszisse die Resonanzfrequenz f _R und auf der Ordinate die Güte Q aufgetragen ist. Das Diagramm ist in drei Bereiche 30, 32, 34 aufgeteilt. Ein erster Bereich 30 ist von einem Soll-Gütebereich q _s für einen Betrieb mit der Akkuvorrichtung 12 gebildet. Liegt die Ist-Güte Qi(f _R ) innerhalb einer oberen Grenze q _So und einer unteren Grenze q _Su des Bereichs 30, wird davon ausgegangen, dass sich kein Fremdobjekt 11 in einem Bereich zwischen der Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 befindet. Ferner wird davon ausgegangen, dass die Akkuvorrichtung 12 auf der Induktionsladevorrichtung 10 aufliegt und geladen werden soll. Ein zweiter Bereich 32 ist von einem Soll-Gütebereich q _s für einen Betrieb ohne Akkuvorrichtung 12 gebildet. Liegt die Ist-Güte Qi(f _R ) innerhalb der oberen Grenze q _So und der unteren Grenze q _Su des Bereichs 32, wird davon ausgegangen, dass sich kein Fremdkörper 11 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet. Ferner wird davon ausgegangen, dass sich keine Akkuvorrichtung 12 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet.

Ein dritter Bereich 34, welcher den ersten Bereich 30 und den zweiten Bereich 32 umgibt, ist von einem Fehlerbereich gebildet. Liegt die Ist-Güte Qi(f _R ) in diesem Bereich 34, wird davon ausgegangen, dass ein beliebiger Fehler vorliegt oder die Akkuvorrichtung 12 derart schlecht zu der Induktionsladevorrichtung 10 positioniert ist, dass ein Laden der Akkuvorrichtung 12 nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich ist. Der Fehler kann dabei sowohl in der

Induktionsladevorrichtung 10, in der Akkuvorrichtung 12 als auch in einer Umgebung des Ladesystems 14 liegen. Der dritte Bereich 34 weist zwei Teilbereiche 34', 34" auf. Der erste Teilbereich 34' des dritten Bereichs 34 ist dabei bezogen auf die Güte Q unterhalb der unteren Grenze q _Su des ersten Bereichs 30 angeordnet. Liegt die Ist-Güte Qi(f _R ) innerhalb dieses ersten

Teilbereichs 34', wird davon ausgegangen, dass sich mindestens ein

Fremdobjekt 11 in einem Bereich zwischen der Induktionsladevorrichtung 10 und der Akkuvorrichtung 12 befindet. Der zweite Teilbereich 34" des dritten Bereichs 34 ist bezogen auf die Güte Q unterhalb der unteren Grenze q _Su des zweiten Bereichs 32 angeordnet. Liegt die Ist-Güte Qi(f _R ) innerhalb dieses zweiten Teilbereichs 34", wird davon ausgegangen, dass sich mindestens ein

Fremdobjekt 11 auf der Induktionsladevorrichtung 10 befindet.

Für den Verlauf der Ist-Güte Qi(f _R ) gilt dabei folgender in Figur 2 zu erkennender, nichtlinearer Zusammenhang, der eine sichere Fremdobjekterkennung innerhalb des Soll-Gütebereichs q _s erschwert. Vergrößert sich der Abstand zwischen der Akkuvorrichtung 12 und der Induktionsvorrichtung 10, so steigen sowohl die Resonanzfrequenz f _R als auch die Ist-Güte Qi(f _R ) an. Entsprechendes ist zu beobachten, wenn die Akkuvorrichtung 12 unabhängig von der Richtung auf der Oberfläche der Induktionsvorrichtung 10 außerhalb ihrer optimalen Position - dem Zentrum der zumindest einen Ladespule 18 - verschoben bzw. positioniert wird. Diese beiden Fälle beschreiben durchaus häufig vorkommende Szenarien. So muss ein laterales Versetzen der Akkuvorrichtung 12 auf der

Induktionsvorrichtung 10 erlaubt sein, da ein Benutzer in der Regel die

Akkuvorrichtung 12 nicht exakt mittig über der zumindest einen Ladespule 18 der Induktionsvorrichtung 10 absetzen wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Induktionsvorrichtung 10 eine ebene Oberfläche ohne mechanische Führungshilfen für die Akkuvorrichtung 12 aufweist. Weiterhin ist auch ein vertikales Versetzen infolge von Fremdobjekten 11 zwischen der Akkuvorrichtung 12 und der Induktionsvorrichtung 10 möglich. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die obere Grenze q _So und/oder die untere

Grenze q _Su des Soll-Gütebereichs q _s und den Verlauf der Ist-Güte Qi(f _R ) aneinander anzupassen. Die nachfolgenden Figuren 3 und 4 zeigen dies für den ersten Bereich 30. In Figur 3 sind die obere Grenze q _So und die untere Grenze q _Su des Soll- Gütebereichs q _s derart innerhalb einer maximalen Soll-Güte Q _Sm ax und einer minimalen Soll-Güte Q _Sm in verändert, dass ihr Verlauf weitestgehend dem Verlauf der Ist-Güte Qi(f _R ) entspricht. Hierdurch wird bei im Wesentlichen

gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte Qi(f _R ) und der oberen bzw. der unteren Grenze q _So , qsu der effektive Soll-Gütebereich q _s , innerhalb dem ein fehlerfreier Ladebetrieb erlaubt ist, verkleinert. Als Folge steigt die Genauigkeit der Fremdobjekterkennung, insbesondere im Falle einer stärkeren

Fehlpositionierung der Akkuvorrichtung 12 relativ zu der zumindest einen Ladespule 18 der Induktionsvorrichtung 10 mit größeren Werten für die

Resonanzfrequenz f _R und die Ist-Güte Qi(fR) , d.h. in der Nähe der maximal zulässigen Resonanzfrequenz f _Rma x.

Auch in Figur 4 ist der effektive Soll-Gütebereich q _s gegenüber Figur 3 deutlich verkleinert. Im Unterschied zu Figur 3 wird nun jedoch die Ist-Güte Qi(f _R ) derart korrigiert, dass ihr Verlauf linear und/oder konstant ist, so dass sich bei im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand zwischen der Ist-Güte Qi(f _R ) und der oberen bzw. der unteren Grenze q _So , qsu die maximale Soll-Güte Q _Sm ax verringern und die minimale Soll-Güte Q _Sm in erhöhen lassen. Die Literarisierung der Ist-Güte Qi(f _R ) erfolgt dabei durch Multiplikation mit ihrer Inversen K = Qo/Qi(fR) oder mit einem zuvor im Speicher 26 abgelegten, entsprechenden Korrekturfaktor K, wobei Q ₀ eine zuvor definierte Referenz-Güte beschreibt. Infolge der Linearisierung von Qi(f _R ) erhält der Soll-Gütebereich q _s eine im Wesentlichen rechteckige Fläche, was einen sehr einfachen Vergleich zur Fremdobjekterkennung ermöglicht. Zudem bewirkt diese Anpassung eine gleichbleibende Genauigkeit der Fremdobjekterkennung unabhängig von der Resonanzfrequenz f _R . Alternativ oder ergänzend können auch die obere und/oder die untere Grenze q _So , qsu des Soll-Gütebereichs q _s mit dem

Korrekturfaktor K multipliziert werden, um ihren Verlauf zu linearisieren.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten

Ausführungsbeispiele der Erfindung weder auf die in den Figuren gezeigten Kurvenverläufe noch auf die Ausgestaltung des induktiven Ladesystems gemäß Figur 1 beschränkt ist.