DE102016222999A1 - Spuleneinheit und Fahrzeug mit Sekundärspuleneinheit - Google Patents

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Abstract

Spuleneinheit zur kabellosen Übertragung von elektrischer Leistung zu oder von einer Spulengegeneinheit über ein elektromagnetisches Wechselfeld, wobei die Spuleneinheit zumindest eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit umfasst, und die Ultraschall-Sender-Detektoreinheit dazu eingerichtet ist, in einen Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen zu emittieren und einen reflektierten Anteil der emittierten Ultraschallwellen zu detektieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit zur kabellosen Übertragung von elektrischer Leistung zu oder von einer Spulengegeneinheit über ein elektromagnetisches Wechselfeld sowie ein Fahrzeug mit einer Sekundärspuleneinheit zum kabellosen Übertragen von elektrischer Leistung über ein elektromagnetisches Wechselfeld von einer das elektromagnetische Wechselfeld generierenden fahrzeugexternen Primärspuleneinheit zur Sekundärspuleneinheit.
  • Elektro- und Hybridfahrzeuge können meist an einer externen Ladeeinheit kabelgebunden geladen werden. Komfortabler ist kabelloses Laden, das durch induktive Ladeverfahren umsetzbar ist. Aus dem Stand der Technik sind induktive Leistungsübertragungssysteme bekannt, siehe etwa GB 2 347 801 A1 . Die Induktionsladevorrichtung besteht üblicherweise aus einer fahrzeugexternen Spuleneinheit mit einer Primärspule und einer fahrzeugseitigen Spuleneinheit mit einer Sekundärspule. Beim induktiven Laden stehen sich die beiden Spulen räumlich gegenüber und bilden einen Übertragungs- oder Ausbreitungsbereich, in dem das elektromagnetische Übertragungsfeld im Wesentlichen befindlich ist. Nach dem Stand der Technik, siehe etwa die Schrift DE102011076186A1 , sind Systeme bekannt, die den Übertragungs- bzw. Ausbreitungsbereich mittels einer Temperatursensorik überwachen, um Fremdkörper im Übertragungs- bzw. Ausbreitungsbereich zu erkennen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Spuleneinheit zur kabellosen Übertragung von elektrischer Leistung zu oder von einer Spulengegeneinheit über eine elektromagnetisches Wechselfeld sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einer Sekundärspuleneinheit zum kabellosen Übertragen von elektrischer Leistung über ein elektromagnetisches Wechselfeld von einer das elektromagnetische Wechselfeld generierenden fahrzeugexternen Primärspuleneinheit zur Sekundärspuleneinheit bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Spuleneinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Spuleneinheit zumindest eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit, die dazu eingerichtet ist, in einen Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen zu emittieren und einen reflektierten Anteil der emittierten Ultraschallwellen zu detektieren.
  • Auf diese Weise wird erreicht, dass im Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfelds Ultraschallwellen reflektierende Gegenstände erkannt werden können. Aufgrund der langen Zeitdauer beim kabellosen Übertragen von elektrischer Leistung, z.B. beim induktiven Laden eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, ist es ausreichend, wenn während des Übertragungsvorgangs Ultraschallwellen in größeren zeitlichen Abständen entsandt werden als zum Beispiel beim Einsatz von Ultraschall-Sender-Detektoreinheiten für Parkanwendungen.
  • Es ist von besonderer Bedeutung, dass nicht der Spalt zwischen der Primärspuleneinheit und der Sekundärspuleneinheit überwacht wird, sondern der gesamte Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfelds, der auch über diesen Spalt hinausragt. Dabei kommt es auf die gesamte „Ausleuchtung“ des Wellenfeldes an.
  • Weiterhin erfordert der Einsatz der Ultraschall-Sender-Detektoreinheit eine Korrektur der vom Untergrund reflektierten Schallwellen, falls die Ultraschall-Sender-Detektoreinheit Bestandteil der Sekundärspuleneinheit ist, oder der vom Unterboden des Fahrzeugs reflektierten Schallwellen, falls die Ultraschall-Sender-Detektoreinheit Bestandteil der Primäreinheit ist. Im ersteren Fall werden Schallwellen vom Untergrund, d.h. dem Parkplatzbelag bzw. der Primärspuleneinheit selbst reflektiert und detektiert, auch wenn kein Gegenstand im Spalt befindlich ist. Durch eine Laufzeitmessung der Schallwellen sowie durch Erfassung der Detektionsintensität der Schallwellen ist feststellbar, ob die Wellen vom Untergrund reflektiert werden oder ob ein Gegenstand im Spalt befindlich ist. Eine Untergrundreflexion stellt ein Rauschen als Offset bei der Detektion des reflektierten Wellenanteils dar oder - anders ausgedrückt - eine Reflexion bei stets gleichem Abstand. Damit ist, auch wenn lediglich eine Positiv-/Negativinformation über die Existenz eines Gegenstands im Ausbreitungsraum erzielt werden soll, eine kombinierte Laufzeit- und Intensitätsmessung erforderlich.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Spuleneinheit eine Primärspule und die Spulengegeneinheit eine Sekundärspule ist, wobei die Spuleneinheit das elektromagnetische Wechselfeld generiert, das elektromagnetische Wechselfeld von der Spuleneinheit schaltbar ist, und das elektromagnetische Wechselfeld von der Spuleneinheit abschaltbar oder schwächbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  • Bei dieser Variante der Erfindung erfolgt die Spaltüberwachung durch die das elektromagnetische Wechselfeld emittierende Spuleneinheit. Die Primärspule ist also dazu eingerichtet, den Spalt mittels der Ultraschall-Sender-Detektoreinheit zu überwachen und das elektromagnetische Wechselfeld abzuschalten oder zu drosseln, falls ein Gegenstand im Spalt detektiert wird. Das ist der Fall, wenn die Reflexion z.B. einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, der den Offset der Untergrundreflexion darstellt. Alternativ oder zusätzlich kann zur Detektion ein vorgebbarerer Laufzeitschwellwert unterschritten werden, um eine Abweichung von der Untergrundreflexion festzustellen.
  • Nach einer anderen Ausführungsform kann die Spuleneinheit eine Sekundärspule und die Spulengegeneinheit eine das elektromagnetische Wechselfeld generierende Primärspule sein, wobei die Spuleneinheit dazu eingerichtet ist, eine Warninformation auszugeben, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  • Demgemäß ist die Überwachung Funktionsumfang der sekundärseitigen Spule, die das elektromagnetische Wechselfeld nicht emittiert. Es kann dann eine entsprechende Warninformation durch die Sekundärspuleneinheit abgegeben werden. Falls eine Kommunikationsverbindung zwischen der Sekundärspuleneinheit und der Primärspuleneinheit möglich ist, kann die Warninformation direkt an die Primärspuleneinheit übermittelt werden und/oder die Sekundärspuleneinheit anhand der Warninformation die Primärspuleneinheit direkt schalten. Schalten meint in diesem Dokument das elektromagnetische Wechselfeld abzuschalten oder zu drosseln, falls ein Gegenstand im Spalt detektiert wird.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung basiert darauf, dass ein System die erfindungsgemäße Spuleneinheit sowie eine Spulengegeneinheit umfasst, wobei das elektromagnetische Wechselfeld von dem System schaltbar ist, und das elektromagnetische Wechselfeld abschaltbar oder schwächbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  • Ein solches System besteht aus einer Primärspulen- und Sekundärspuleneinheit mit Ultraschallwellen-basierter Überwachung des Spaltes zwischen Primärspule und Sekundärspule und Schaltbarkeit des das elektromagnetischen Wechselfeldes bei Detektion eines Gegenstandes im Spalt.
  • Außerdem ist ein Fahrzeug erfindungsgemäß, das zumindest eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, in einen Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen zu emittieren und einen reflektierten Anteil der emittierten Ultraschallwellen zu detektieren, wobei das Fahrzeug weiterhin dazu eingerichtet ist, eine Kommunikationsverbindung mit der Primärspuleneinheit herzustellen, und durch das Fahrzeug eine Warninformation an die Primärspuleneinheit übermittelbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet, um das elektromagnetische Wechselfeld abzuschalten oder zu schwächen.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
  • Das induktive Laden von elektrifizierten Fahrzeugen beruht auf dem Prinzip, dass das Fahrzeug mit der Empfangsspule, auch Sekundärspule genannt, räumlich oberhalb der Sendespule, auch Primärspule genannt, parkt. Die Sekundärspule ist typischerweise im Bereich des Vorderwagens im Unterflur verortet. Der Bereich zwischen den Spulen sollte vor dem Beginn des Ladevorgangs und auch während des Ladevorgangs auf Fremdkörper geprüft werden, um eine unerwünschte Wirkung des wechselnden, die Ladeleistung über den Spalt übertragenden Magnetfeldes mit einem im Spalt befindlichen Fremdkörper zu vermeiden. Typische Systeme zum induktiven Laden detektieren metallische Objekte zwischen Sende- und Empfangsspule während des Ladens durch Detektion der Veränderung der sekundärseitigen Empfangsleistung, d.h. mit anderen Worten durch eine Bestimmung der Verlustleistung beim Übertragen der Ladeleistung.
  • Eine Erkennung, ob sich Objekte im Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule befinden, lässt sich über verschiedene andere Messprinzipien umsetzen. Aufgrund der bekannten Wirkung von magnetischen Feldern, insbesondere Wechselfeldern, die eine Erwärmung von metallischen oder elektrisch leitenden Objekten hervorrufen, ist beispielsweise auch eine Detektion über thermosensitive Messmittel naheliegend, die eine Temperaturänderung der Gegenstände erkennen. Diese Technik ist insbesondere naheliegend, da eine Erwärmung von Gegenständen im Spalt das Ereignis darstellt, das bevorzugt erkannt werden und anschließend darauf reagiert werden soll. Insoweit macht man sich die an sich unerwünschte Wechselwirkung von Fremdkörper und Wechselfeld zum Zwecke der Fremdkörperdetektion nach dem „Rauchmelderprinzip“ sogar zu Nutze. Rauch ist einerseits unerwünscht, andererseits selbst das Detektionsmedium für Warnsysteme.
  • Wichtig erscheint es deshalb, Objekte, die während des Ladevorgangs zwischen die Spulen, also unter das Auto gelangen, zuverlässig und frühzeitig zu erkennen, bevorzugt bevor messbar Verlustleistung auftritt oder das Objekt eine Temperaturänderung zeigt. Es ist eine Beeinflussung der im Spalt während der Leistungsübertragung befindlichen Objekte (z.B. Erwärmung von Metallen) zur oder während deren Erkennung bestmöglich auszuschließen. So ist zum Beispiel bei Thermosensoren oder Infrarotsensoren nachteilig, dass ein Objekt zuerst die Wirkung des magnetischen Feldes erfährt, sich somit erwärmt und danach erst erkannt werden kann. Sofern das Objekt noch optisch vom Infrarotdetektor isoliert ist, beispielsweise durch eine nichtmetallische Abdeckung, könnte eine Erkennung zusätzlich erschwert sein. Es wird deshalb eine alternative, noch sensiblere Erkennung von Objekten im Spalt als die Detektion der Verlustleistung oder von Temperaturänderungen vorgeschlagen, die bei allen Betriebszuständen kostengünstig und effektiv ist.
  • Es wird die Integration von Ultraschallsensoren - und detektoren in das induktive Ladesystem vorgeschlagen. Um den Bereich starker Feldstärken vor Fremdobjekten oder Zugriff (d.h. im Wesentlichen den Spalt zwischen Primär- und Sekundärspule) effektiv zu schützen, werden Ultraschallsensoren und - detektoren in das Ladesystem integriert und auf den Spalt gerichtet.
  • Es könnten sich dabei in einer einfachen Ausbaustufe einer Sensor-Detektor-Kombination handeln, die im Kraftfahrzeugbau bereits an anderer Stelle und mit anderer Funktion Anwendung finden, z.B. im Bereich der optisch-akustischen Einparkhilfen.
  • Die Anordnung der Sensor-Detektor-Kombination sollte dabei so erfolgen, dass ein Objekt, welches sich unter das Fahrzeug in Richtung der Spulen bewegt, erkannt wird und der Ladevorgang ggf. eingeschränkt oder unterbrochen wird.
  • Objekte jeglicher Art, die während des Ladevorgangs zwischen die Spulen geraten könnten, werden durch die Ultraschallsensoren erkannt und eine mögliche Beeinflussung der Objekte durch das Magnetfeld vermieden. Die Anwendung von Ultraschallsensoren und - detektoren ermöglicht eine kontaktfreie, annähernd räumliche Überwachung. Hierzu ist keine natürliche oder künstliche Beleuchtung erforderlich, d.h. das System ist auch bei Dunkelheit funktionsfähig.
  • Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass das System auch bei Dunkelheit sensibel ist und nicht erst, wenn Ladeleistung übertragen wird wie etwa bei thermosensitiven Systemen, bei denen das zu detektierende Objekt auf das Übertragungsfeld „reagiert“. Die Ultraschall-Sensor-Detektor-Kombination beruht auf Emission von Schallwellen, Reflexion der Schallwellen am Objekt und Detektion der reflektierten Schallwellen. Es wird dabei in einer Auswerteelektronik der Ultraschallsensor-Detektor-Kombination ein „Bild“ des leeren überwachten Feldes abgespeichert und dieses gegen das jeweils aktuell gemessene Bild verglichen.
  • Vorteilhaft erscheint die Funktion sowohl in öffentlichen Bereichen als auch im Werkstattbereich: Es kann detektiert werden, ob Gegenstände sich in der Nähe des Übertragungsweges befinden. Aufgrund der verbesserten Erkennung von Objekten im Luftspalt könnten sich auch neue Möglichkeiten in der Integration der Sekundärspule innerhalb des Fahrzeugs ergeben.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
    • 1 Fahrzeug mit Sekundärspule und Ultraschall-Sender-Detektoreinheit beim induktiven Laden an einer fahrzeugexternen Primärspule
  • Es zeigt 1 schematisch die Silhouette des Unterbodenbereichs (5) eines Fahrzeugs (1). Das Fahrzeug ist mit einer Sekundärspuleneinheit (2) ausgestattet, über welche an einer fahrzeugexternen Primärspuleneinheit (3) ein Energieversorgungssystem des Fahrzeugs mit elektrischer Leistung speisbar oder ein Energiespeicher des Fahrzeugs ladbar ist. Die Primärspuleneinheit ist auf dem Fahr- und Standuntergrund (6) des Fahrzeugs befindlich oder in diesem oder auf diesem integriert. Das Fahrzeug umfasst weiterhin eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit (4), die in den Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen (4a) emittiert. Falls ein Gegenstand (7) in dem Bereich zwischen der Primärspuleneinheit und der Sekundärspuleneinheit befindlich ist, kommt es zu einer Reflexion (7a) der Ultraschallwellen, die von der Detektoreinheit detektierbar ist und die von der Reflexion des Untergrunds abweicht. Auf diese Weise ist die Existenz des Gegenstands in dem Spalt feststellbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • GB 2347801 A1 [0002]
    • DE 102011076186 A1 [0002]

Claims (5)

  1. Spuleneinheit zur kabellosen Übertragung von elektrischer Leistung zu oder von einer Spulengegeneinheit über ein elektromagnetisches Wechselfeld, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spuleneinheit zumindest eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit umfasst, und - die Ultraschall-Sender-Detektoreinheit dazu eingerichtet ist, in einen Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen zu emittieren und einen reflektierten Anteil der emittierten Ultraschallwellen zu detektieren.
  2. Spuleneinheit gemäß Anspruch 1, wobei die Spuleneinheit eine Primärspule ist und die Spulengegeneinheit eine Sekundärspule ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spuleneinheit das elektromagnetische Wechselfeld generiert, - das elektromagnetische Wechselfeld von der Spuleneinheit schaltbar ist, und - das elektromagnetische Wechselfeld von der Spuleneinheit abschaltbar oder schwächbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  3. Spuleneinheit gemäß Anspruch 1, wobei die Spuleneinheit eine Sekundärspule ist und die Spulengegeneinheit eine das elektromagnetisches Wechselfeld generierende Primärspule ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spuleneinheit dazu eingerichtet ist, eine Warninformation auszugeben, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  4. System umfassend eine Spuleneinheit gemäß Anspruch 1 und umfassend die Spulengegeneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass - das elektromagnetische Wechselfeld von dem System schaltbar ist, und - das elektromagnetische Wechselfeld abschaltbar oder schwächbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet.
  5. Fahrzeug mit einer Sekundärspuleneinheit zum kabellosen Übertragen von elektrischer Leistung über eine elektromagnetisches Wechselfeld von einer das elektromagnetische Wechselfeld generierenden fahrzeugexternen Primärspuleneinheit zur Sekundärspuleneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass - das Fahrzeug zumindest eine Ultraschall-Sender-Detektoreinheit umfasst, - die Ultraschall-Sender-Detektoreinheit dazu eingerichtet ist, in einen Ausbreitungsraum des elektromagnetischen Wechselfeldes Ultraschallwellen zu emittieren und einen reflektierten Anteil der emittierten Ultraschallwellen zu detektieren, - das Fahrzeug dazu eingerichtet ist, eine Kommunikationsverbindung mit der Primärspuleneinheit herzustellen, und - durch das Fahrzeug eine Warninformation an die Primärspuleneinheit versendbar ist, wenn der reflektierte Anteil der emittierten Ultraschallwellen einen vorgebbaren Reflexionsschwellwert überschreitet, um das elektromagnetische Wechselfeld abzuschalten oder zu schwächen.
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