CN111655533B - 感应式充电装置和用于监控感应式充电装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种用于车辆的感应式充电装置以及一种用于监控用于车辆的感应式充电装置的方法，其中分别执行金属物体探测。该方法包括以下步骤：在通过产生电磁场用以在车辆（1）的接收线圈结构（2）中感生充电电流（I2）而发生车辆（1）的电池的感应充电期间，执行被动金属物体探测MOD；以及在不发生感应充电的时间点执行主动MOD。

Description

感应式充电装置和用于监控感应式充电装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的感应式充电装置以及一种用于监控用于车辆的感应式充电装置的方法，其中分别执行金属物体探测。

背景技术

电动车辆和混合动力车辆通常拥有电储能器、例如牵引电池，所述电储能器提供用于驱动车辆的电能。如果该电储能器完全或部分地放电，则电动车辆必须向充电站行驶，在所述充电站处可以对储能器进行再充电。在混合动力车辆情况下也可能有利的是，借助于电流而不是通过燃烧化石燃料来对电储能器进行再充电。如果在下文中谈及电动车辆，则也应始终将其理解为混合动力车辆。

迄今常见的是，在用于电动车辆的充电站处，电动车辆借助于线缆连接被连接到充电站。该连接必须由用户手动地以机械方式建立。在此尤其是需要充电站和电动车辆具有彼此相对应的连接系统，换句话说，充电站和电动车辆的插头和插口可以被插入彼此。

此外，用于电动车辆的无线充电系统部分地也是已知的。在所述无线充电系统情况下，电动车辆可以被停放在发射线圈上方，该发射线圈也称为初级线圈。其中机动车必须驶向的区域也被称为充电垫、感应式充电站或充电装置等。以交变电流对初级线圈通电，并且接着发射出高频交变磁场。该交变磁场在电动车辆之内的接收线圈（也称为次级线圈）中产生相应的交变电流。因此，可以借助于感生的电流对电动车辆的电储能器、例如牵引电池充电。例如在DE 10 2011 010 049 A1中描述了这种用于对车辆电池以感应方式充电的系统。

在对电动车辆的电储能器（例如电池）无线地进行充电时，发射线圈典型地嵌进道路地面或停车场地面中，或者被构造为放置在地面上的充电板或充电垫，并且借助于合适的电子设备与电网连接。电网可以是独立电网或公共电网。

接收线圈或次级线圈典型地固定地被安装在电动车辆的底部中，并且在其侧借助于合适的电子设备与车辆的电储能器连接。为了传输能量，发射线圈或初级线圈产生高频交变场，该高频交变场穿透接收线圈或次级线圈并且在那里感生相应的电流。由于一方面所传输的功率与切换频率线性地成比例，另一方面切换频率受操控电子设备以及传输路径中的损耗限制，因此得出30至150 kHz的典型频率范围。

在充电装置的发射线圈和电动车辆中的接收线圈之间始终有气隙。由于电动车辆的所需要的离地间隙，因此该气隙典型地为几厘米。如果不通过措施、诸如降低车辆固定的接收线圈、整个电动车辆和/或抬高位置固定的发射线圈来实现理想地特别小的气隙，则在此3至30cm大小的气隙是非常流行的。

在传输期间在气隙中出现的交变磁场适合于在位于气隙中的任意金属或导电物体中感生涡电流。由于欧姆损耗，这些所谓的异物发热。异物发热是不期望的，因为这尤其导致能量传输的不必要的损耗。因此，期望通过限定磁场来限制在以感应方式对电动车辆充电时这些异物的发热或者通过合适的装置探测位于气隙中的可能物体，并且接着去活能量传输，直至移除这些物体为止，或者至少直至其影响低于预定阈值为止。

在现有技术中已知的用于金属物体探测（MOD）的方法基于传统的金属探测器，其中交变磁场在其中感生涡电流的任何异物均应该属于术语金属物体。这种金属探测器的核心元件通常是多个传感器线圈，例如传感器线圈的阵列、即有序场。在此情况下，基本上存在两种不同的方法，所述方法一方面可以称为主动方法，而另一方面可以称为被动方法。

在主动方法的情况下，传感器线圈阵列被激励，即至少部分地以交变电流通电。接着，对在存在金属物体情况下传感器线圈阵列的电特性的变化和/或（例如在传感器线圈阵列的线圈之一中）接收信号的变化的测量进行探测和评估。

然而，由于在能量传输时由发射线圈产生强主磁场，因此在对电动车辆无线地充电时难以应用传统的金属探测方法，这使主动MOD变得很困难。因此，在实施能量传输（即主场）的暂时关断期间，通常执行主动MOD方法，或者必须使用复杂的传感器线圈设计。

换句话说，用于MOD的迄今方法通常只能在中断的能量传输期间工作，因为它们受初级线圈的强磁场干扰，其中所述用于MOD的迄今方法利用传感器线圈阵列的主动激励工作并且评估传感器线圈的电特性、例如阻抗、品质、串联电阻、电感等等。初级线圈的交变磁场的频繁接通和切断与附加的损耗和延长的充电时间相关联，这两者均是不期望的。

例如在DE 10 2015 224 013 A1中描述了替代方法，所述替代方法描述用于MOD的被动方法。该方法不设置传感器线圈阵列的主动激励，而是在从初级线圈向次级线圈的能量传输期间被动地观察磁场，其方式是观察和评估传感器线圈阵列的传感器线圈中的感生的电流或电压。

为了根据这种被动方法进行MOD，通常需要记录并且存储特性曲线族。这些特性曲线族可能非常复杂，因为尤其是必须考虑两个能量传输线圈（初级线圈和发射线圈）的三维偏移状况（Versatzsituation）以及初级线圈和次级线圈中的电流，并且因此已经存在复杂的5维问题。此外，这种被动MOD方法仅仅在能量传输期间是可能的。因为需要能量传输的主磁场用于监控，所以在切断的能量传输情况下，被动MOD是不可能的。

发明内容

本发明公开一种具有专利权利要求1的特征的感应式充电装置和具有专利权利要求7的特征的方法。

因此，设置一种用于车辆的感应式充电装置，所述感应式充电装置具有：用于通过产生电磁场用以在所述车辆的接收线圈结构中感生充电电流来对车辆的电池以感应方式充电的发射线圈结构；用于给发射线圈结构通电的供电装置；具有多个传感器线圈的传感器线圈结构；控制设备，其被设立用于在发生感应充电期间将感应式充电装置置于被动探测模式，并且在当前不发生感应充电时将所述感应式充电装置置于主动探测模式；被动评估电子设备，其被设计用于在被动探测模式下评估在所述传感器线圈结构中感生的电流，并且将其用于在所述发射线圈结构的区域中进行被动金属物体探测MOD；和主动传感器电子设备，其被设计用于通过至少部分地对所述传感器线圈结构通电而在主动探测模式下产生磁传感器场用于在发射线圈结构的区域中进行主动MOD。

一方面初级线圈或发射线圈以及另一方面次级线圈或接收线圈在前面以及随后也概括性地称为能量传输线圈。能量传输尤其应被理解为通过发射线圈或初级线圈产生交变磁场用以在次级线圈中感生充电电流。

此外提供一种用于监控用于车辆的感应式充电装置的方法，该方法具有以下步骤：在通过产生电磁场用以在车辆的接收线圈结构中感生充电电流而发生车辆电池的感应充电期间执行被动金属物体探测MOD；以及在不发生感应充电的时间点执行主动MOD。

发明优点

本发明所基于的思想在于以组合的方式使用用于MOD的已知方法。以这种方式可以回避或均衡两种方法的弱点。因此，既可以在能量传输断开（去活）时也可以在能量传输接通（激活）时确保MOD。因此，充电站是特别安全的，并且对于周围环境中的异物不易受影响。

也可以有利地在接通能量传输之前，即通过主动MOD方法探测异物。这是特别有利的，因为在能量传输期间在能量传输线圈之间可能出现大的磁场强度，并且因此能量传输的非常短的时间已经可能导致异物、尤其是金属物体的强烈加热。

此外，可以取消在移交给感应式充电装置之前在维度x、y和z中的特性曲线族确定（两个能量传输线圈的三维偏移状况（Versatzsituation）），这可以显著简化被动MOD方法的评估并且可以减少关于三个未知变量x、y和z的特性曲线族的复杂性。因此仅仅能量传输线圈电流I1和I2的相关性保留，所述能量传输线圈电流通常原本被测量用以调节能量传输。因此，用于提供根据本发明的充电装置或方法的附加耗费比较低。

由于可以在运行开始时根据无异物状态校准充电装置，因此根据本发明可以可选地完全取消特性曲线族记录。在从一种MOD方法过渡到另一MOD方法时、也就是说在从被动MOD方法过渡到主动MOD方法时或者反之亦然，分别在接通能量传输情况下或在断开能量传输情况下，排除在迄今的时间过程中存在异物，并且接着有利地根据目前的无异物状态校准分别开始的方法。以这种方式，可以最小化环境影响、老化效应和周围环境影响，由此使得能够特别精确地评估金属物体探测MOD。

也特别有利的是，不仅由主动MOD方法而且由被动MOD方法使用多个传感器线圈，使得出现特别低的附加硬件耗费。有利的实施方式和改进方案由从属权利要求以及由参照图的描述得出。

根据一种优选的改进方案，控制设备被设计用于使用在被动探测模式下MOD的结果用于校准或适配主动传感器电子设备。因此始终可以执行特别精确的主动MOD。

根据另一优选的改进方案，控制设备被设计用于使用在主动探测模式下MOD的结果用于校准或适配被动评估电子设备。因此，始终可以执行特别精确的被动MOD。

根据另一优选的改进方案，主动传感器电子设备被设计用于检测传感器线圈结构的至少一个传感器线圈的至少一个电特性并且在使用至少一个所检测的电特性的情况下执行MOD。

根据另一优选的改进方案，主动传感器电子设备被设计用于检测传感器线圈结构的至少一个为了产生磁传感器场被通电的传感器线圈的至少一个电特性，并且在使用至少一个所检测的电特性情况下执行MOD。

根据另一优选的改进方案，主动传感器电子设备被设计用于检测传感器线圈结构的至少一个在产生磁传感器场期间不被通电的传感器线圈的至少一个电特性，并且在使用至少一个所检测的电特性情况下执行MOD。

根据一种优选的改进方案，根据本发明的方法包括在使用被动MOD的结果的情况下适配或校准主动MOD。

根据另一优选的改进方案，根据本发明的方法包括在使用主动MOD的结果的情况下适配或校准被动MOD。

附图说明

随后根据在附图的示意图中示出的实施例更详细地阐述本发明。其中：

图1示意性地示出根据本发明的一种实施方式的电动车辆以及感应式充电装置；和

图2示出用于阐述根据本发明的另一实施方式的方法的示意流程图。

在所有图中，只要无另外说明，相同或功能相同的元件和装置配备有相同的附图标记。方法步骤的编号用于一目了然性，并且只要无另外说明，尤其是不应暗示特定的时间顺序。尤其是，多个方法步骤也可以同时被执行。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了电动车辆1，所述电动车辆具有充电线圈2，所述充电线圈2也可以称为次级线圈。车辆1此外包括充电电子设备3，所述充电电子设备3被设立和布置用于使用在次级线圈2中感生的充电电流I2用以对电储能器4、例如电动车辆1的电池进行充电。

在图1中此外示出了根据本发明的一种实施方式的感应式充电装置10。感应式充电装置10具有发射线圈12，其中可以借助于通电装置13以发射电流I1对所述发射线圈通电，所述发射电流I1尤其是高频交变电流。发射线圈12优选地嵌进道路地面或停车场地面中或者布置在充电板或充电垫中，所述充电板或充电垫放置或者可以放置在道路地面或停车场地面上。

在用于能量传输的接收线圈2的期望位置和发射线圈12的位置之间布置传感器线圈结构，即多个传感器线圈22-1、22-2、22-3、22-4，所述传感器线圈在下文中概括性地也称为22-i。可除以四的数量的传感器线圈22-i对于在空间上解析MOD已经证明是有利的，使得优选地提供是四的整数倍的数量的传感器线圈22-i。然而，可以理解，也可以使用其他数量的传感器线圈22-i，例如偶数数量的传感器线圈22-i、诸如两个或六个传感器线圈22-i或者也可以使用任何其他数量的传感器线圈22-i，例如甚至仅一个唯一的传感器线圈22-i。

如在图1中此外示出的，传感器线圈结构、即多个传感器线圈22-i有利地与复用器14连接，所述复用器被设计和设立用于在时间上多路复用传感器线圈22-i的接收信号（即尤其是在传感器线圈22-i中感生的电流I3）并且例如在唯一的传感器线圈传感器信号中进行提供用以评估。代替复用器14，也可以设置大量单线路，所述单线路分别传输单个传感器线圈的单个传感器线圈传感器信号用以评估。

此外，传感器线圈22-i的各个子组也可以分别拥有自己的复用器，使得可以通过复用器提供总共两个或更多个传感器线圈传感器信号，但是例如可以提供与在每个传感器线圈22-i将会传输自己的传感器线圈传感器信号时相比更少的传感器线圈传感器信号。

在下文中进一步根据具有单个复用器14的示例描述根据图1的实施方式，其中可以毫无问题地根据上述变型方案适配该实施方式。

传感器线圈传感器信号尤其可以是在传感器线圈22-i中感生的相应的交变电流I3或者是基于此的信号。传感器线圈传感器信号（或在上述变型方案中，多个传感器线圈传感器信号）也被用于被动MOD方法，因为当在发射线圈12与接收线圈2之间的气隙中存在异物时，感生的交变电流I3可能以可评估的方式改变。

尤其是，可以根据传感器线圈传感器信号确定和评估至少一个传感器线圈22-i的至少一个电特性、尤其是所有传感器线圈22-i的相应电特性。所述至少一个电特性可以是以下电参量中的至少一个：阻抗、品质、串联电阻、电感。

感应式充电装置10的被动评估电子设备16被设计和设立用于接收由复用器14（或根据上述变型方案之一直接由传感器线圈22-i）提供的传感器线圈传感器信号并且基于此执行被动MOD，尤其是如在下文中参照图2更详细地描述的那样。

为此，被动评估电子设备16可以具有信号输入端，其中被动评估电子设备16可以在所述信号输入端处接收其他参数（或指示这种参数的信号），例如指示充电电流I2的信号、指示发射电流I1的信号等等。指示充电电流I2的信号可以例如从电动车辆1的无线通信装置被传输给充电装置10的无线通信装置。

被动评估电子设备16被设计和设立用于根据在现有技术中已知的方式执行被动MOD方法，例如如下文中根据图2更详细地阐述的那样。

感应式充电装置10此外包括用于执行主动MOD方法的主动传感器电子设备18，例如如在下文中参照图2更详细地阐述的那样。此外，感应式充电装置10包括控制设备20，借助于所述控制设备可以至少如下控制被动评估电子设备16和主动传感器电子设备18，即当且仅当当前不发生从发射线圈12向接收线圈2的能量传输（去活能量传输）时始终执行主动MOD方法，并且当且仅当当前在发射线圈12和接收线圈2之间发生能量传输（激活能量传输）时始终执行被动MOD方法。

控制设备20可以具有其他功能。例如，控制设备20可以被设立和设计用于执行对被动评估电子设备16和/或主动传感器电子设备18的可选校准，如将在下面参照图2更详细地描述的那样。

尤其是，控制设备20可以被设立和构造用于使用被动评估电子设备16的输出信号，以便针对主动MOD方法为主动传感器电子设备18提供参考值和/或评估主动传感器电子设备18的输出信号，以便针对被动MOD方法为被动评估电子设备16提供参考值。

换句话说，主动传感器电子设备18可以有利地在使用被动评估电子设备16的结果或输出信号的情况下被适配或校准，和/或被动评估电子设备16可以在使用主动传感器电子设备18的结果或输出信号的情况下被适配或校准。

图2描述用于阐述根据本发明的另一实施方式的方法的示意流程图。根据另一实施方式的方法尤其可以在使用根据本发明的感应式充电装置的情况下或借助于根据本发明的感应式充电装置被执行。同样，根据本发明的感应式充电装置可以被构造和设立用于执行根据本发明的方法。与此相应地，该方法可以根据参照充电装置描述的所有改进方案和修改方案被适配，并且反之亦然。

在步骤S10中开始该方法。这例如可以包括在感应式充电装置10中将电动车辆1停靠或定位在充电位置。充电位置应被理解为以下位置，即在所述位置中感应式充电装置10能够对电动车辆1以感应方式进行充电。还更具体地，充电位置可以被理解为电动车辆1为了通过感应式充电装置10对其充电可以采用的最佳位置。假设随着该方法在步骤S10中开始，在充电装置10的发射线圈结构12之间的偏移参数、即在所有三个空间维度上的间距不再改变。

步骤S10也可以包括探测电动车辆1位于充电位置，或者例如根据用户输入、硬币投入等通过感应式充电装置10接收充电请求信号。

在步骤S20中，例如如以上参照主动评估电子设备和传感器线圈结构描述的那样，执行主动MOD方法。

在步骤S30中，例如通过控制设备20检验是否存在无金属物体的状态，即主动MOD方法是具有肯定的结果还是否定的结果，即通过主动MOD方法是否确定出金属物体当前位于发射线圈结构12的区域中、尤其是在发射线圈结构12和接收线圈结构2之间。

如果主动MOD方法的结果是肯定的，即如果已经探测到金属物体（在图2中通过被环绕的加号象征性表示），则在步骤S40中例如由控制设备20确定并且控制：不执行能量传输。可以规定，在这种情况下将报警信号输出给电动车辆1和/或电动车辆1的用户，例如输出给用户的移动终端设备。因此，在能量传输开始时借助于主动MOD方法排除金属物体的存在。

如果主动MOD方法的结果是否定的，即如果未探测到金属物体（在图2中通过被围绕的负号象征性表示），则在步骤S50中例如通过控制设备20确定并且控制：开始感应式能量传输。

主动传感器电子设备18的一个或多个输出信号和/或结果可以例如通过控制设备20在步骤S60中被存储和/或评估，以便针对被动MOD方法产生参考值，或适配针对被动MOD方法的先前预先给定的或先前确定的参考值。为此，例如模型或特性曲线族可以存放在控制设备20中，借助于所述模型或特性曲线族，基于主动传感器电子设备18的该输出信号（或多个输出信号）的特性，可以针对被动MOD方法确定相应的参考值，或确定与现有参考值的必要适配。

随着能量传输的开始，在步骤S70中，从主动MOD方法被切换到被动MOD方法，也即主动MOD方法的执行被停止，而开始执行被动MOD方法。在能量传输运行期间优选地连续地或有规律地执行被动MOD方法，以便可以确定金属物体在此期间是否已经移动进入传输磁场的磁场区域中。被动MOD方法优选地在使用在步骤S60中产生和/或适配的参考值被执行，即在使用参考值的情况下被校准。

在步骤S80中，例如通过控制设备20检验被动MOD方法是具有肯定的结果还是否定的结果，即通过被动MOD方法是否已确定出金属物体当前处于发射线圈结构12的区域中、尤其是在发射线圈结构12和接收线圈结构2之间。

如果被动MOD方法的结果是肯定的，即如果已探测到金属物体（在图2中通过被围绕的加号象征性表示），则在步骤S90中例如通过控制设备20确定并且控制：能量传输被中止。可以规定，在这种情况下将报警信号输出给电动车辆1和/或电动车辆1的用户，例如输出给用户的移动终端设备。因此排除在能量传输期间金属物体已经移动进入传输磁场的磁场区域中。

如果主动MOD方法的结果是否定的，即如果未探测到金属物体（在图2中通过被围绕的负号象征性表示），则在步骤S100中例如由控制设备20确定并且控制：继续感应式能量传输，直至存在中止条件为止，例如直至中止信号被输出为止，例如因为用户想要结束感应充电，或者因为不再有足够的存款可用以支付感应充电，或者因为电动车辆1或其储能器4已充满电。当然，一旦在步骤S80中确实探测到金属物体的存在，感应充电也被中断（步骤S90）。

被动评估电子设备16的一个或多个输出信号和/或结果可以例如通过控制设备20在步骤S110中被存储和/或评估，以便针对主动MOD方法产生参考值，或者针对主动MOD方法适配先前预先给定的或先前确定的参考值。为此，例如模型或特性曲线族可以存放在控制设备20中，借助于所述模型或特性曲线族，基于被动评估电子设备16的该输出信号（或多个输出信号）的特性可以针对主动MOD方法确定相应的参考值，或确定与现有参考值的必要适配。

接着在步骤S120中，可以例如通过控制设备20又被切换到主动MOD方法。在此，主动MOD方法可以优选地基于在步骤S110中产生和/或适配的参考值被执行，即基于此被校准。

步骤S120、即执行主动MOD方法可以无缝地转入步骤S20中。可替代地，主动MOD方法例如可以在预定义的时间段到期之后被结束，并且接着该方法再次等待开始步骤S10。以此方式，可以在每种状态下（即，尤其是不仅在感应式能量传输期间而且在感应式能量传输之外）根据金属物体监控感应式充电装置10。

尽管以上已经根据优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以各种各样的方式被修改。尤其是，可以以多种多样的方式改变或修改本发明，而不偏离本发明的核心。

Claims (5)

1.一种用于车辆(1)的感应式充电装置(10)，所述感应式充电装置具有：

用于通过产生电磁场用以在车辆(1)的接收线圈结构(2)中感生充电电流(I2)来对所述车辆(1)的电池以感应方式充电的发射线圈结构(12)；

用于对所述发射线圈结构(12)通电的供电装置(13)；

具有多个传感器线圈(22-i)的传感器线圈结构；

控制设备(20)，其被设立用于在发生感应充电期间将所述感应式充电装置(10)置于被动探测模式，并且在当前不发生感应充电时将所述感应式充电装置(10)置于主动探测模式；

被动评估电子设备(16)，其被设计用于在所述被动探测模式下评估在所述传感器线圈结构中感生的电流，并且将其用于在所述发射线圈结构(12)的区域中进行金属物体探测；和

主动传感器电子设备(18)，其被设计用于通过至少部分地对所述传感器线圈结构通电而在所述主动探测模式下产生磁传感器场用于在所述发射线圈结构(12)的区域中进行金属物体探测；

其中所述控制设备(20)被设计用于使用在所述被动探测模式下金属物体探测的结果用以校准或适配所述主动传感器电子设备(18)，或者其中所述控制设备(20)被设计用于使用在所述主动探测模式下金属物体探测的结果用以校准或适配所述被动评估电子设备(16)。

2.根据权利要求1所述的感应式充电装置(10)，其中所述主动传感器电子设备(18)被设计用于检测所述传感器线圈结构的至少一个传感器线圈的至少一个电特性，并且在使用至少一个所检测到的电特性的情况下执行所述金属物体探测。

3.根据权利要求2所述的感应式充电装置(10)，其中所述主动传感器电子设备(18)被设计用于检测所述传感器线圈结构的至少一个为了产生磁传感器场而被通电的传感器线圈的至少一个电特性，并且在使用至少一个所检测到的电特性的情况下执行所述金属物体探测。

4.根据权利要求2所述的感应式充电装置(10)，其中所述主动传感器电子设备(18)被设计用于检测所述传感器线圈结构的至少一个在产生磁传感器场期间不被通电的传感器线圈的至少一个电特性，并且在使用至少一个所检测到的电特性的情况下执行所述金属物体探测。

5.一种用于监控用于车辆(1)的感应式充电装置(10)的方法，具有以下步骤：

在通过产生电磁场用以在车辆(1)的接收线圈结构(2)中感生充电电流(I2)而发生对所述车辆(1)的电池的感应充电期间，执行被动金属物体探测；

在不发生感应充电的时间点执行主动金属物体探测；和

在使用所述被动金属物体探测的结果的情况下适配或校准所述主动金属物体探测，或者在使用所述主动金属物体探测的结果的情况下适配或校准所述被动金属物体探测。