DE102015224013A1 - Method for operating a monitoring device for monitoring an inductive energy transmission device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung von mindestens einer Sendespule zu einer von der mindestens einen Sendespule beabstandeten mindestens einen Empfangsspule, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Datenspeicher aufweist, in dem Referenzkennfelder Uij,meas-ref in Abhängigkeit von Versatzparametern dx, dy, dz zwischen Sendespule und Empfangsspule abgelegt sind, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (A) die vorliegenden Versatzparameter dx, dy, dz zwischen Sendespule und Empfangsspule bestimmt werden. In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine durch das Magnetfeld induzierte Spannung Uij,meas mittels des Spulenarrays nach Betrag und Phase gemessen. In einem dritten Verfahrensschritt (C) werden die ermittelten Messwerte der induzierten Spannung Uij,meas mit im Datenspeicher abgelegten Referenzkennfeldern Uij,meas-ref verglichen und schließlich in einem vierten Verfahrensschritt (D) anhand der Abweichungen zwischen Messwerten der induzierten Spannung Uij,meas und im Datenspeicher abgelegten Referenzkennfeldern Uij,meas-ref auf die An- bzw. Abwesenheit eines Fremdobjektes geschlossen.The present invention relates to a method for operating a monitoring device for monitoring an inductive energy transmission device of at least one transmitting coil to at least one receiving coil spaced from the at least one transmitting coil, wherein the monitoring device comprises a data memory in the reference characteristic Uij, meas-ref depending on offset parameters dx, dy, dz are stored between the transmitting coil and the receiving coil, wherein in a first method step (A) the present offset parameters dx, dy, dz between the transmitting coil and the receiving coil are determined. In a second method step, a voltage Uij, meas induced by the magnetic field is measured in terms of magnitude and phase by means of the coil array. In a third method step (C), the determined measured values of the induced voltage Uij, meas are compared with reference characteristic diagrams Uij, meas-ref stored in the data memory and finally in a fourth method step (D) on the basis of the deviations between measured values of the induced voltage Uij, meas and Data storage stored reference maps Uij, meas-ref on the presence or absence of a foreign object closed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung. The present invention relates to a method for operating a monitoring device for monitoring an inductive energy transmission device.
Stand der TechnikState of the art
Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen. Electric vehicles and hybrid vehicles usually have an electrical energy storage, such as a traction battery, which provides the electrical energy for propulsion. If this electrical energy store is completely or partially discharged, then the electric vehicle has to control a charging station, at which the energy store can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system.
Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Sendespule (Sendevorrichtung) bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule (Ladespule bzw. Empfangsvorrichtung) innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift
Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Energie- bzw. Leistungsübertragung verwendet werden.Furthermore, the energy storage of the electric vehicle can also be used for feeding back. For this purpose, a cable connection or an inductive energy or power transmission can also be used.
Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges ist typischerweise die Sendespule des Transformators entweder im Straßenboden eingelassen oder als auf dem Boden aufgelegte Ladeplatte (Ladepad) ausgeformt und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit dem Stromnetz verbunden. Die Empfangsspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der Traktionsbatterie des Fahrzeugs verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Sendespule bzw. Primärspule ein hochfrequentes Wechselfeld, das die Empfangsspule bzw. Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Da einerseits die übertragene Leistung linear mit der Schaltfrequenz skaliert, andererseits die Schaltfrequenz durch die Ansteuerungselektronik und Verluste im Übertragungspfad begrenzt ist, ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 30–150 kHz. In the wireless charging of a battery of an electric vehicle typically the transmitting coil of the transformer is either embedded in the street floor or formed as laid on the floor charging plate (charging pad) and is connected by means of suitable electronics to the mains. The receiver coil of the transformer is typically fixedly mounted in the underbody of the vehicle and in turn connected by suitable electronics to the traction battery of the vehicle. For energy transmission, the transmitting coil or primary coil generates a high-frequency alternating field which penetrates the receiving coil or secondary coil and induces a corresponding current there. Since, on the one hand, the transmitted power scales linearly with the switching frequency, and on the other hand the switching frequency is limited by the control electronics and losses in the transmission path, a typical frequency range of 30-150 kHz results.
Zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug befindet sich ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 3–30 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Die im Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder sind dazu geeignet, in beliebigen metallischen oder elektrisch leitfähigen Objekten, die sich im Luftspalt befinden, elektrische Wirbelströme zu induzieren. Durch Ohmsche Verluste erhitzen sich diese sogenannten Fremdobjekte. Diese Erhitzung stellt nicht nur für die Personensicherheit, sondern auch für die Betriebssicherheit des Fahrzeugs eine erhebliche Gefahr dar. Daher ist es notwendig, die Erhitzung eines induktiven Ladesystems entweder durch Limitierung des Magnetfeldes zu begrenzen oder etwaige im Luftspalt befindliche Objekte durch geeignete Mittel zu detektieren und daraufhin die Energieübertragung zu deaktivieren, bis diese entfernt sind, oder keine Gefahr mehr von Ihnen ausgeht.Between the transmitting coil of the charging station and the receiving coil in the vehicle there is an air gap. Due to the required ground clearance of motor vehicles, this air gap is a few centimeters. Air gaps in the size of 3-30 cm are very common, unless by measures such as lowering the vehicle-fixed coil, the entire vehicle or lifting the stationary coil or a combination of these measures, an ideal small air gap is achieved. The alternating magnetic fields generated in the air gap during the transmission are suitable for inducing electrical eddy currents in any metallic or electrically conductive objects which are located in the air gap. Ohmic losses heat these so-called foreign objects. This heating is not only for personal safety, but also for the operational safety of the vehicle is a significant risk. Therefore, it is necessary to limit the heating of an inductive charging system either by limiting the magnetic field or any objects located in the air gap by suitable means to detect and then turn off the power transfer until they are removed, or you are no longer at risk.
Bekannte Methoden der Fremdobjekterkennung bestehen beispielsweise zweckmäßigerweise aus herkömmlichen Metalldetektoren, deren Kernelement eine oder mehrere Sensorspulen sind. Diese Verfahren beruhen auf einer aktiven Anregung der Sensorspule/Sensorspulen und Messung der Änderung des Empfangssignals bei Vorhandensein eines Metallobjektes oder der Messung einer Änderung der elektrischen Eigenschaften der Sensorspule/Sensorspulen. Beim induktiven Laden/bei induktiver Energieübertragung ist die Anwendung herkömmlicher Metalldetektionsverfahren aufgrund des starken magnetischen Hauptfeldes jedoch nicht trivial, weshalb bekannte Metallobjektdetektionsverfahren (MOD) entweder eine kurzzeitige Abschaltung der Energieübertragung (und damit des magnetischen Hauptfeldes) oder spezielle Sensorspulendesigns (zum Beispiel mäanderförmige Sensorspulen) vorschlagen, um eine Metalldetektion durchführen zu können. Beides ist mit signifikanten Nachteilen verbunden.Known methods of foreign object detection, for example, expediently consist of conventional metal detectors whose core element is one or more sensor coils. These methods are based on active excitation of the sensor coil / sensor coils and measurement of the change in the received signal in the presence of a metal object or the measurement of a change in the electrical properties of the sensor coil / sensor coils. However, in inductive charging / inductive power transmission, the use of conventional metal detection techniques is not trivial because of the strong magnetic field, so known metal object detection (MOD) techniques suggest either momentary shutdown of the energy transfer (and thus of the main magnetic field) or special sensor coil designs (e.g., meandering sensor coils) to perform a metal detection. Both are associated with significant disadvantages.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer effektiveren und kostengünstigeren Überwachungsvorrichtung induktiver Energieübertragungsvorrichtungen.There is therefore a need for a more effective and less expensive monitoring device of inductive power transmission devices.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass eine kurzzeitige Abschaltung der Energieübertragung (und damit des magnetischen Hauptfeldes) bzgl. einer effizienten Objekterkennung nicht mehr notwendig ist. The inventive method with the characterizing part of
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass im Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung von mindestens einer Sendespule zu einer von der mindestens einen Sendespule beabstandeten mindestens einen Empfangsspule, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Datenspeicher aufweist, in dem Referenzkennfelder Uij,meas-ref in Abhängigkeit von Versatzparametern dx, dy, dz zwischen Sendespule und Empfangsspule abgelegt sind, in einem ersten Verfahrensschritt (A) die vorliegenden Versatzparameter dx, dy, dz zwischen Sendespule und Empfangsspule bestimmt werden. In einem zweiten Verfahrensschritt (B) wird eine durch das Magnetfeld induzierte Spannung Uij,meas mittels des Spulenarrays nach Betrag und Phase gemessen. In einem dritten Verfahrensschritt (C) werden die ermittelten Messwerte der induzierten Spannung Uij,meas mit im Datenspeicher abgelegten Referenzkennfeldern Uij,meas-ref verglichen und schließlich in einem vierten Verfahrensschritt (D) anhand der Abweichungen zwischen Messwerten der induzierten Spannung Uij,meas und im Datenspeicher abgelegten Referenzkennfeldern Uij,meas-ref auf die An- bzw. Abwesenheit eines Fremdobjektes geschlossen. Vorteilhaft ist, dass das magnetische Hauptfeld der Energieübertragung explizit neben der Aufladung einer Traktionsbatterie ebenfalls für die Metalldetektion ausgenutzt wird und nicht nur parasitär betrachtet wird, wie es bei den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik der Fall ist. Mit anderen Worten wird das magnetische Hauptfeld ausgenutzt und muss für die Metalldetektion nicht abgeschaltet werden, wodurch eine kontinuierliche Energieübertragung gewährleistet bleibt.According to the invention, in the method for operating a monitoring device for monitoring an inductive energy transmission device, at least one transmitting coil is separated from the at least one transmitting coil by at least one receiving coil, the monitoring device having a data memory in the reference characteristic diagrams U ij, meas-ref in Dependent on offset parameters dx, dy, dz are stored between the transmitting coil and the receiving coil, in a first method step (A) the present offset parameters dx, dy, dz between the transmitting coil and the receiving coil are determined. In a second method step (B), a voltage U ij, meas induced by the magnetic field is measured in terms of magnitude and phase by means of the coil array. In a third method step (C), the determined measured values of the induced voltage U ij, meas are compared with reference characteristic diagrams U ij, meas-ref stored in the data memory and finally in a fourth method step (D) on the basis of the deviations between measured values of the induced voltage U ij, meas and stored in the data memory reference maps U ij, meas-ref closed on the presence or absence of a foreign object. It is advantageous that the main magnetic field of the energy transfer is explicitly exploited in addition to the charging of a traction battery for metal detection and not only considered parasitic, as is the case with the known methods of the prior art. In other words, the main magnetic field is utilized and need not be turned off for metal detection, thereby ensuring continuous energy transfer.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous refinements of the method specified in the independent claim are possible.
Vorteilhaft wird die durch das Magnetfeld induzierte Spannung Uij,meas mittels eines Spulenarrays gemessen, das dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und der mindestens einen Empfangsspule zu überwachen. Durch die Verwendung eines Spulenarrays kann eine deutlich bessere Ortsauflösung erzielt werden, wodurch Fremdobjekte im Bereich der Energieübertragung besser lokalisiert werden können.Advantageously, the voltage U ij, meas induced by the magnetic field is measured by means of a coil array which is designed to monitor a gap between the at least one transmitting coil and the at least one receiving coil. By using a coil array, a significantly better spatial resolution can be achieved, whereby foreign objects in the field of energy transmission can be better localized.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Spulenarray auf der Sendespule aufliegt bzw. auf der Oberseite der Sendespule verbaut ist. Durch diese Anordnung benötigt die Überwachungsvorrichtung nur einen sehr geringen Platzbedarf und kann zusätzlich vom zu ladenden Fahrzeug überfahren werden. Zusätzlich/alternativ kann ein weiteres Spulenarray auf der fahrzeugseitigen Empfangsspule verbaut sein kann, sodass Überwachung auch zusätzlich vom Fahrzeug her gewährleistet wird.It is also advantageous that the coil array rests on the transmitting coil or is installed on the top of the transmitting coil. By this arrangement, the monitoring device requires only a very small footprint and can also be run over by the vehicle to be loaded. Additionally / alternatively, another coil array can be installed on the vehicle-side receiver coil, so that monitoring is also ensured by the vehicle forth.
Weiterhin sind die Einzelspulen des Spulenarrays flach ausgeführt. Durch diese Bauweise lassen sich die Einzelspulen sehr gut in einem flachen Ladepad verbauen. Die Geometrie der Windungen der Einzelspulen kann dabei alternativ eine kreisförmige, n-eckige, quadratische, bzw. quaderförmige Ausprägung besitzen.Furthermore, the individual coils of the coil array are made flat. Due to this design, the single coils can be installed very well in a flat charging pad. The geometry of the turns of the individual coils may alternatively have a circular, n-square, square, or cuboid shape.
Die Referenzkennfelder Uij,meas-ref sind vorteilhaft in Abhängigkeit von Versatzparametern dx, dy, dz (und alternativ in Abhängigkeit anderer Betriebsparameter wie Übertragungsleistung, etc.) im Datenspeicher abgelegt. Diese Referenzkennfelder werden vorteilhaft durch eine Kalibrierung vor der Auslieferung der induktiven Energieübertragungsvorrichtung bestimmt und in Abhängigkeit der Versatzparameter der Energieübertragungsvorrichtung (des Spulensystems) dx, dy, dz abgelegt.The reference characteristics U ij, meas-ref are advantageously stored as a function of offset parameters dx, dy, dz (and alternatively as a function of other operating parameters such as transmission power, etc.) in the data memory. These reference characteristic diagrams are advantageously determined by a calibration prior to delivery of the inductive energy transmission device and stored as a function of the offset parameters of the energy transmission device (of the coil system) dx, dy, dz.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Überwachungsvorrichtung passiv arbeitet. Durch die passive Arbeitsweise entfällt für die Überwachungsvorrichtung/das Spulenarray jegliche Art von Anregeschaltung. Dadurch muss das magnetische Hauptfeld nicht abgeschaltet werden bzw. die Energieübertragung nicht unterbrochen werden, um eine Metalldetektion durchführen zu können. Dadurch wird die Energieübertragung effizienter und es kann eine kontinuierliche Energieübertragung gewährleistet werden.Furthermore, it is advantageous that the monitoring device works passively. Due to the passive mode of operation, there is no need for any type of starting circuit for the monitoring device / coil array. As a result, the main magnetic field does not have to be switched off or the energy transfer must be interrupted in order to be able to carry out a metal detection. As a result, the energy transfer becomes more efficient and a continuous energy transfer can be ensured.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Sendespule bei Anwesenheit eines Fremdobjektes im Zwischenraum deaktiviert oder die Leistung reduziert wird, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde.Furthermore, it is advantageous that the transmission coil is deactivated in the presence of a foreign object in the intermediate space or the power is reduced when an intrusion of an object has been detected.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which are not to be construed as limiting the invention with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.All figures are merely schematic representations of devices according to the invention or of their components according to embodiments of the invention. In particular, distances and size relationships are not shown to scale in the figures. In the various figures, corresponding elements are provided with the same reference numbers.
Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt A die vorliegenden Versatzparameter dy, dy, dz zwischen Sendespule
First, in a first method step A, the present offset parameters dy, dy, dz between the transmitting
Im 2. Fall ist die bei der Messung konkret vorliegende Versatzsituation unbekannt. Aus dem Vergleich mit den abgelegten Referenzkennfeldern kann die bei der konkreten Messung vorliegende Versatzsituation (Versatzparameter dy, dy, dz) bestimmt werden. Hierbei fällt die möglicherweise vorliegende Abweichung von der Referenz durch ein metallisches Objekt nicht ins Gewicht, weil diese nur auf einer Sensorspule oder wenigen Sensorspulen/Einzelspulen des Spulenarrays (
Die Verteilung des Magnetfeldes auf die verschiedenen Einzelspulen des Sensorarrays ist von der Versatzsituation und von den in den beiden Leistungsübertragungsspulen (Sendespule/Empfangsspule) angeregten Strömen abhängig. Dieses Verfahren kann auch unabhängig von der Metalldetektion bzw. Fremdobjekterkennung zur Bestimmung des Spulenversatzes es zwischen Sendespule
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