DE102018201824A1

DE102018201824A1 - Induktive Ladevorrichtung und Verfahren zum Überwachen einer induktiven Ladevorrichtung

Info

Publication number: DE102018201824A1
Application number: DE102018201824.3A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Krein; Moritz Braeuchle; Philipp Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-08
Also published as: WO2019154684A1; CN111655533A; CN111655533B; EP3749542A1; US20210257857A1; US11342794B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine induktive Ladevorrichtung für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Überwachen einer induktiven Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, wobei jeweils eine Metallobjektdetektion durchgeführt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Durchführen einer passiven Metallobjektdetektion, MOD, während ein induktives Laden einer Batterie eines Fahrzeugs (1) durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zum Induzieren eines Ladestroms (12) in einer Empfangsspulenstruktur (2) des Fahrzeugs (1) stattfindet; und Durchführen einer aktiven MOD zu Zeitpunkten, an welchen kein induktives Laden stattfindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive Ladevorrichtung für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Überwachen einer induktiven Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, wobei jeweils eine Metallobjektdetektion durchgeführt wird.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, welche elektrische Energie für einen Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an welcher der Energiespeicher wiederaufgeladen werden kann. Auch bei Hybridfahrzeugen kann es vorteilhaft sein, den elektrischen Energiespeicher mittels elektrischen Stroms wiederaufzuladen statt durch Verbrennen eines fossilen Kraftstoffs. Wenn in dem Folgenden von einem Elektrofahrzeug die Rede ist, soll darunter stets auch ein Hybridfahrzeug verstanden werden.
Bisher ist es üblich, dass an Ladestationen für Elektrofahrzeuge ein Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer manuell mechanisch hergestellt werden. Dabei ist es unter anderem erforderlich, dass die Ladestation und das Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen, mit anderen Worten, dass Stecker und Buchse von Ladestation und Elektrofahrzeug ineinander eingesteckt werden können.
Außerdem sind teilweise auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt. Bei diesen kann ein Elektrofahrzeug über einer Sendespule, welche auch Primärspule genannt wird, abgestellt werden. Der Bereich, in welchem das Elektrofahrzeug hierzu gefahren werden muss, wird auch als Ladepad, induktive Ladestation, oder Ladevorrichtung und dergleichen bezeichnet. Die Primärspule wird mit einem Wechselstrom bestromt und sendet daraufhin ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld aus. Dieses magnetische Wechselfeld erzeugt einen entsprechenden Wechselstrom in einer Empfangsspule, welche auch Sekundärspule genannt wird, innerhalb des Elektrofahrzeugs. Mittels des induzierten elektrischen Stroms kann somit der elektrische Energiespeicher, beispielsweise die Traktionsbatterie, des Elektrofahrzeugs geladen werden. Ein solches System zum induktiven Laden einer Fahrzeugbatterie ist beispielsweise in der DE 10 2011 010 049 A1 beschrieben.
Bei dem kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers, zum Beispiel einer Batterie, eines Elektrofahrzeugs ist typischerweise die Sendespule entweder in einem Straßenboden oder in einem Parkplatzboden eingelassen, oder als auf dem Boden aufgelegte Ladeplatte oder Ladepad ausgebildet und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit einem Stromnetz verbunden. Bei dem Stromnetz kann es sich um ein Inselstromnetz oder um das öffentliche Stromnetz handeln.
Die Empfangsspule, oder Sekundärspule, ist typischerweise fest im Unterboden des Elektrofahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit dem elektrischen Energiespeicher 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 bis 150 kHz.
Zwischen der Sendespule der Ladevorrichtung und der Empfangsspule in dem Elektrofahrzeug befindet sich stets ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Elektrofahrzeugen beträgt dieser Luftspalt typischerweise einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 3 bis 30 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie etwa ein Absenken der fahrzeugfesten Empfangsspule, des gesamten Elektrofahrzeugs und/oder Anheben der ortsfesten Sendespule ein ideal besonders kleiner Luftspalt erreicht wird.
Die im Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder sind dazu geeignet, in beliebigen metallischen oder elektrisch leitfähigen Objekten, welche sich im Luftspalt befinden, elektrische Wirbelströme zu induzieren. Durch Ohm'sche Verluste erhitzen sich diese sog. Fremdobjekte. Das Erhitzen der Fremdobjekte ist unerwünscht, da es insbesondere zu unnötigen Verlusten der Energieübertragung führt. Deswegen wird gewünscht, das Erhitzen solcher Fremdobjekte bei einem induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs entweder durch Limitierung des Magnetfelds zu begrenzen oder etwaige im Luftspalt befindliche Objekte durch geeignete Mittel zu detektieren und daraufhin die Energieübertragung zu deaktivieren, bis diese Objekte entfernt sind, oder zumindest bis deren Einfluss unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt.
Im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Metallobjektdetektion (MOD), wobei unter den Begriff Metallobjekte jegliche Fremdobjekte fallen sollen, in welchen magnetische Wechselfelder elektrische Wirbelströme induzieren, basieren auf herkömmlichen Metalldetektoren. Das Kernelement solcher Metalldetektoren ist üblicherweise eine Anzahl von Sensorspulen, beispielsweise ein Array, das heißt ein geordnetes Feld, von Sensorspulen. Hierbei gibt es im Wesentlichen zwei verschiedene Verfahren, welche als aktive Verfahren einerseits und passive Verfahren andererseits bezeichnet werden können.
Bei aktiven Verfahren wird das Sensorspulenarray angeregt, das heißt zumindest teilweise mit einem Wechselstrom bestromt. Daraufhin werden Messungen von Änderungen eines Empfangssignals (beispielsweise in einer der Spulen des Sensorspulenarrays) und/oder einer Änderung der elektrischen Eigenschaften des Sensorspulenarrays bei Vorhandensein eines Metallobjekts detektiert und ausgewertet.
Bei dem drahtlosen Laden von Elektrofahrzeugen ist jedoch die Anwendung herkömmlicher Metalldetektionsverfahren schwierig, da durch die Sendespule bei der Energieübertragung ein starkes magnetisches Hauptfeld erzeugt wird, was die aktive MOD stark erschwert. Daher werden üblicherweise aktive MOD-Verfahren entweder durchgeführt, während eine kurzzeitige Abschaltung der Energieübertragung, das heißt des Hauptfeldes, ausgeführt wird, oder komplizierte Sensorspulendesigns müssen eingesetzt werden.
Mit anderen Worten können bisherige Verfahren zur MOD, welche mit einer aktiven Anregung des Sensorspulenarrays arbeiten und elektrische Eigenschaften der Sensorspulen, beispielsweise Impedanz, Güte, Serienwiderstand, Induktivität und dergleichen mehr, auswerten, im Allgemeinen nur während unterbrochener Energieübertragung arbeiten, weil sie von dem starken Magnetfeld der Primärspule gestört werden. Das häufige Ein- und Ausschalten des Wechselmagnetfelds der Primärspule ist mit zusätzlichen Verlusten und einer verlängerten Ladezeit verbunden, was beides unerwünscht ist.
Ein alternatives Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2015 224 013 A1 beschrieben, welche ein passives Verfahren zur MOD beschreibt. Dieses Verfahren sieht keine aktive Anregung des Sensorspulenarrays vor, sondern beobachtet passiv das Magnetfeld während der Energieübertragung von der Primärspule zu der Sekundärspule, indem induzierte elektrische Ströme, oder Spannungen, in den Sensorspulen des Sensorspulenarrays beobachtet und ausgewertet werden.
Zur MOD gemäß solchen passiven Verfahren ist es üblicherweise notwendig, Kennfelder aufzunehmen und abzuspeichern. Diese Kennfelder können sehr komplex sein, da unter anderem die dreidimensionale Versatzsituation der beiden Energieübertragungsspulen (Primärspule und Sendespule) sowie der Strom in der Primärspule und der Sekundärspule berücksichtigt werden muss und somit bereits ein komplexes 5-dimensionales Problem vorliegt. Zudem sind solche passiven MOD-Verfahren ausschließlich während der Energieübertragung möglich. Bei ausgeschalteter Energieübertragung ist keine passive MOD möglich, da das Hauptmagnetfeld der Energieübertragung zur Überwachung benötigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine induktive Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist eine induktive Ladevorrichtung für ein Fahrzeug vorgesehen, mit: einer Sendespulenstruktur zum induktiven Laden einer Batterie eines Fahrzeugs durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zum Induzieren eines Ladestroms in einer Empfangsspulenstruktur des Fahrzeugs; einer Stromversorgungseinrichtung zum Bestromen der Sendespulenstruktur; einer Sensorspulenstruktur mit einer Anzahl von Sensorspulen; einer Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die induktive Ladevorrichtung in einen passiven Detektionsmodus zu versetzen, während ein induktives Laden stattfindet, und die induktive Ladevorrichtung in einen aktiven Detektionsmodus zu versetzen, wenn aktuell kein induktives Laden stattfindet; einer Passiv-Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, in dem passiven Detektionsmodus einen in der Sensorspulenstruktur induzierten Strom auszuwerten und für eine passive Metallobjektdetektion, MOD, im Bereich der Sendespulenstruktur zu verwenden; und einer Aktiv-Sensorelektronik, welche dazu ausgelegt ist, in dem aktiven Detektionsmodus ein magnetisches Sensorfeld für eine aktive MOD im Bereich der Sendespulenstruktur durch zumindest teilweises Bestromen der Sensorspulenstruktur zu erzeugen.
Die Primärspule, oder Sendespule, einerseits und die Sekundärspule, oder Empfangsspule, andererseits werden im Voranstehenden und im Nachfolgenden auch zusammenfassend als Energieübertragungsspulen bezeichnet. Unter der Energieübertragung ist insbesondere das Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds durch die Sendespule, oder Primärspule, zum Induzieren eines Ladestroms in der Sekundärspule zu verstehen.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Überwachen einer induktiven Ladevorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, mit den Schritten: Durchführen einer passiven Metallobjektdetektion, MOD, während ein induktives Laden einer Batterie eines Fahrzeugs durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zum Induzieren eines Ladestroms in einer Empfangsspulenstruktur des Fahrzeugs stattfindet;
und
Durchführen einer aktiven MOD zu Zeitpunkten, an welchen kein induktives Laden stattfindet.
Vorteile der Erfindung
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, bekannte Verfahren zur MOD in Kombination zu verwenden. Auf diese Weise können die Schwachstellen beider Verfahren umgangen bzw. ausgeglichen werden. Somit kann sowohl bei ausgeschalteter (deaktivierter) als auch eingeschalteter (aktivierter) Energieübertragung eine MOD sichergestellt werden. Die Ladestation ist somit besonders sicher und unanfällig gegenüber Fremdobjekten in der Umgebung.
Vorteilhaft kann auch ein Fremdobjekt vor dem Einschalten der Energieübertragung detektiert werden, nämlich durch das aktive MOD-Verfahren. Dies ist besonders von Vorteil, da während der Energieübertragung große magnetische Feldstärken zwischen den Energieübertragungsspulen auftreten können und somit schon sehr kurze Zeiten der Energieübertragung zu einer starken Erwärmung von Fremdobjekten, insbesondere metallischen Objekten, führen kann.
Außerdem kann eine Kennfeldbestimmung in den Dimensionen x, y und z (dreidimensionale Versatzsituation der beiden Energieübertragungsspulen) vor Auslieferung der induktiven Ladevorrichtung entfallen, was eine Auswertung des passiven MOD-Verfahrens wesentlich vereinfachen und die Komplexität der Kennfelder um die drei unbekannten Variablen x, y und z reduzieren kann. Somit verbleibt lediglich die Abhängigkeit von den Energieübertragungsspulenströmen I1 und I2, welche im Allgemeinen zur Regelung der Energieübertragung ohnehin gemessen werden. Somit ist der zusätzliche Aufwand für das Bereitstellen der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bzw. des Verfahrens verhältnismäßig gering.
Erfindungsgemäß kann die Kennfeldaufnahme optional vollständig entfallen, da zu Beginn eines Betriebs die Ladevorrichtung auf den fremdobjektfreien Zustand hin kalibriert werden kann. Bei einem Übergang von einem MOD-Verfahren zu dem anderen MOD-Verfahren, das heißt bei dem Übergang von dem passiven MOD-Verfahren zu dem aktiven MOD-Verfahren oder umgekehrt, jeweils beim Einschalten der Energieübertragung bzw. beim Ausschalten der Energieübertragung, wird das Vorhandensein eines Fremdobjekts im bisherigen Zeitverlauf ausgeschlossen und daraufhin vorteilhaft das jeweils beginnende Verfahren auf den gegenwärtigen, fremdobjektfreien Zustand hin kalibriert. Auf diese Weise können Umwelteinflüsse, Alterungseffekte und Umgebungseinflüsse minimiert werden, wodurch eine besonders genaue Auswertung der Metallobjektdetektion MOD ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft ist auch, dass die Anzahl der Sensorspulen sowohl von dem aktiven MOD-Verfahren als auch von dem passiven MOD-Verfahren genutzt werden, sodass ein besonders geringer zusätzlicher Hardware-Aufwand anfällt. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, ein Ergebnis der MOD in dem passiven Detektionsmodus für eine Kalibrierung oder Anpassung der Aktiv-Sensorelektronik zu verwenden. Somit kann stets eine besonders präzise aktive MOD durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, ein Ergebnis der MOD in dem aktiven Detektionsmodus für eine Kalibrierung oder Anpassung der Passiv-Auswerteelektronik zu verwenden. Somit kann stets eine besonders präzise passive MOD durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Aktiv-Sensorelektronik dazu ausgelegt, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Aktiv-Sensorelektronik dazu ausgelegt, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer zum Erzeugen des magnetischen Sensorfelds bestromten Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Aktiv-Sensorelektronik dazu ausgelegt, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer während des Erzeugens des magnetischen Sensorfelds nicht bestromten Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Anpassen oder Kalibrieren der aktiven MOD unter Verwendung von Ergebnissen der passiven MOD.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Anpassen oder Kalibrieren der passiven MOD unter Verwendung von Ergebnissen der aktiven MOD.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein Elektrofahrzeug sowie eine induktive Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist schematisch ein Elektrofahrzeug 1 dargestellt, welches eine Ladespule 2 aufweist, welche auch als Sekundärspule bezeichenbar ist. Das Fahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Ladeelektronik 3, welche dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen in der Sekundärspule 2 induzierten Ladestrom 12 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 4, beispielsweise einer Batterie des Elektrofahrzeugs 1, zu verwenden.
In 1 ist außerdem eine induktive Ladevorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die induktive Ladevorrichtung 10 weist eine Sendespule 12 auf, welche mittels einer Bestromungseinrichtung 13 mit einem elektrischen Sendestrom 11, welcher insbesondere ein hochfrequenter Wechselstrom ist, bestrombar ist. Die Sendespule 12 ist bevorzugt in einen Straßenboden oder Parkplatzboden eingelassen oder in einer Ladeplatte oder einem Ladepad angeordnet, welches auf einem Straßenboden oder einem Parkplatzboden aufgelegt oder auflegbar ist.
Zwischen der Position der Sendespule 12 und der gewünschten Position der Empfangsspule 2 zur Energieübertragung ist eine Sensorspulenstruktur, d.h. eine Anzahl von Sensorspulen 22-1, 22-2, 22-3, 22-4 angeordnet, welche im Folgenden zusammenfassend auch als 22-i bezeichnet werden. Eine durch vier teilbare Anzahl von Sensorspulen 22-i hat sich als vorteilhaft für ein räumliches Auflösen der MOD herausgestellt, sodass bevorzugt eine Anzahl von Sensorspulen 22-i bereitgestellt wird, welche ein ganzteiliges Vielfaches von vier darstellt. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Anzahlen von Sensorspulen 22-i verwendet werden können, beispielsweise geradzahlige Anzahlen von Sensorspulen 22-i wie etwa zwei oder sechs Sensorspulen 22-i oder auch beliebige andere Anzahlen von Sensorspulen 22-i, beispielsweise sogar nur eine einzige Sensorspule 22-i.
Wie in 1 weiterhin dargestellt, ist die Sensorspulenstruktur, d.h. die Anzahl der Sensorspulen 22-i, vorteilhaft mit einem Multiplexer 14 verbunden, welcher dazu ausgelegt und eingerichtet ist, Empfangssignale (d.h. insbesondere in den Sensorspulen 22-i induzierte elektrische Ströme 13) der Sensorspulen 22-i zeitlich zu multiplexen und, beispielsweise in einem einzigen Sensorspulen-Sensorsignal, für die Auswertung bereitzustellen. Statt eines Multiplexers 14 kann auch eine Vielzahl von Einzelleitungen vorgesehen sein, welche jeweils ein einzelnes Sensorspulen-Sensorsignal einer einzelnen Sensorspule zur Auswertung übertragen.
Weiterhin können auch einzelne Untergruppen von Sensorspulen 22-i jeweils über einen eigenen Multiplexer verfügen, sodass insgesamt zwei oder mehr Sensorspulen-Sensorsignale durch die Multiplexer bereitgestellt werden können, jedoch z.B. weniger Sensorspulen-Sensorsignale, als wenn jede Sensorspule 22-i ein eigenes Sensorspulen-Sensorsignal übertragen würde.
Im Folgenden wird die Ausführungsform gemäß 1 weiter anhand des Beispiels mit einem einzelnen Multiplexer 14 beschrieben, wobei die Ausführungsform gemäß den oben beschriebenen Varianten ohne Weiteres anpassbar ist.
Bei dem Sensorspulen-Sensorsignal kann es sich insbesondere um einen jeweiligen, in einer Sensorspule 22-i induzierten elektrischen Wechselstrom 13 oder um ein darauf basierendes Signal handeln. Das Sensorspulen-Sensorsignal (oder, in den oben beschriebenen Varianten, die mehreren Sensorspulen-Sensorsignale) werden auch für das passive MOD-Verfahren verwendet, da der induzierte elektrische Wechselstrom 13 sich bei Vorhandensein eines Fremdobjekts in einem Luftspalt zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 2 auf eine auswertbare Weise verändern kann.
Insbesondere kann anhand des Sensorspulen-Sensorsignals mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer Sensorspule 22-i bestimmt und ausgewertet werden, insbesondere die jeweilige elektrische Eigenschaft sämtlicher Sensorspulen 22-i. Bei der mindestens einen elektrischen Eigenschaft kann es sich um mindestens eine der folgenden elektrischen Größen handeln: Impedanz, Güte, Serienwiderstand, Induktivität.
Eine Passiv-Auswerteelektronik 16 der induktiven Ladevorrichtung 10 ist dazu ausgelegt und eingerichtet, das von dem Multiplexer 14 (oder entsprechend einer der oben beschriebenen Varianten direkt von den Sensorspulen 22-i) bereitgestellte Sensorspulen-Sensorsignal zu empfangen und darauf basierend eine passive MOD auszuführen, insbesondere wie im Folgenden mit Bezug auf 2 näher beschrieben.
Die Passiv-Auswerteelektronik 16 kann hierzu Signaleingänge aufweisen, an welchen die Passiv-Auswerteelektronik 16 weitere Parameter (bzw. solche Parameter indizierende Signale) empfangen kann, beispielsweise ein den Ladestrom I2 indizierendes Signal, ein den Sendestrom I1 indizierendes Signal und/oder dergleichen mehr. Das den Ladestrom I2 indizierende Signal kann beispielsweise von einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung des Elektrofahrzeugs 1 an eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung der Ladevorrichtung 10 übertragen werden.
Die Passiv-Auswerteelektronik 16 ist dazu ausgelegt und eingerichtet, das passive MOD-Verfahren nach einer im Stand der Technik bekannten Art und Weise durchzuführen, beispielsweise wie im Folgenden anhand von 2 näher erläutert.
Die induktive Ladevorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Aktiv-Sensorelektronik 18 zum Durchführen eines aktiven MOD-Verfahrens, beispielsweise wie im Folgenden mit Bezug auf 2 näher erläutert. Weiterhin umfasst die induktive Ladevorrichtung 10 eine Steuereinrichtung 20, mittels welcher die Passiv-Auswerteelektronik 16 und die Aktiv-Sensorelektronik 18 zumindest dahingehend steuerbar sind, dass das aktive MOD-Verfahren stets dann und nur dann durchgeführt wird, wenn aktuell keine Energieübertragung von der Sendespule 12 an die Empfangsspule 2 stattfindet (Energieübertragung deaktiviert), und dass das passive MOD-Verfahren stets dann und nur dann durchgeführt wird, wenn aktuell die Energieübertragung zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 2 stattfindet (Energieübertragung aktiviert).
Die Steuereinrichtung 20 kann weitere Funktionen aufweisen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 20 dazu eingerichtet und ausgelegt sein, eine optionale Kalibrierung der Passiv-Auswerteelektronik 16 und/oder der Aktiv-Sensorelektronik 18 durchzuführen, wie im Nachfolgenden mit Bezug auf 2 näher beschrieben werden wird.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung 20 dazu eingerichtet und ausgebildet sein, ein Ausgabesignal der Passiv-Auswerteelektronik 16 zu verwenden, um Referenzwerte für das aktive MOD-Verfahren für die Aktiv-Sensorelektronik 18 bereitzustellen und/oder ein Ausgabesignal der Aktiv-Sensorelektronik 18 auswerten, um Referenzwerte für das passive MOD-Verfahren für die Passiv-Auswerteelektronik 16 bereitzustellen.
Mit anderen Worten kann vorteilhaft die Aktiv-Sensorelektronik 18 unter Verwendung von Ergebnissen oder Ausgabesignalen der Passiv-Auswerteelektronik 16 angepasst oder kalibriert werden, und/oder die Passiv-Auswertelektronik 16 kann unter Verwendung von Ergebnissen oder Ausgabesignalen der Aktiv-Sensorelektronik 18 angepasst oder kalibriert werden.
2 beschreibt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß der weiteren Ausführungsform ist insbesondere unter Verwendung, oder mittels, der erfindungsgemäßen induktiven Ladevorrichtung durchführbar. Ebenso kann die erfindungsgemäße induktive Ladevorrichtung dazu ausgebildet und eingerichtet sein, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dementsprechend kann das Verfahren gemäß allen mit Bezug auf die Ladevorrichtung beschriebenen Weiterbildungen und Modifikationen angepasst werden und umgekehrt.
In einem Schritt S10 wird das Verfahren gestartet. Dies kann beispielsweise ein Parken oder Positionieren eines Elektrofahrzeugs 1 in einer induktiven Ladevorrichtung 10 in einer Ladeposition umfassen. Unter einer Ladeposition ist eine Position zu verstehen, in welcher die induktive Ladevorrichtung 10 zum induktiven Laden des Elektrofahrzeugs 1 in der Lage ist. Noch spezieller kann unter einer Ladeposition die optimale Position verstanden werden, welche das Elektrofahrzeug 1 zu dessen Laden durch die induktive Ladevorrichtung 10 annehmen kann. Es wird davon ausgegangen, dass sich mit Beginn des Verfahrens in Schritt S10 Versatzparameter, d.h. Abstände in allen drei Raumdimensionen, zwischen der Sendespulenstruktur 12 der Ladevorrichtung 10 nicht mehr ändern.
Der Schritt S10 kann auch ein Detektieren, dass ein Elektrofahrzeug 1 sich in der Ladeposition befindet, umfassen, oder das Empfangen eines Lade-Anforderungssignals durch die die induktive Ladevorrichtung 10, etwa auf eine Benutzereingabe, einen Münzeinwurf oder dergleichen hin.
In einem Schritt S20 wird ein aktives MOD-Verfahren durchgeführt, beispielsweise wie im Voranstehenden mit Bezug auf die Aktiv-Auswerteelektronik und die Sensorspulenstruktur beschrieben.
In einem Schritt S30 wird, beispielsweise durch die Steuereinrichtung 20, überprüft, ob ein metallobjektfreier Zustand vorliegt, d.h. ob das aktive MOD-Verfahren ein positives oder ein negatives Ergebnis hatte, also ob durch das aktive MOD-Verfahren festgestellt wurde, dass sich in dem Bereich der Sendespulenstruktur 12, insbesondere zwischen der Sendespulenstruktur 12 und der Empfangsspulenstruktur 2, aktuell ein Metallobjekt befindet, oder nicht.
Falls das Ergebnis des aktiven MOD-Verfahrens positiv ist, d.h. falls ein Metallobjekt detektiert wurde (in 2 durch ein eingekreistes Plus-Zeichen symbolisiert), wird in einem Schritt S40 bestimmt und gesteuert, beispielsweise durch die Steuereinrichtung 20, dass keine Energieübertragung durchgeführt wird. Es kann vorgesehen sein, dass in diesem Fall ein Warnsignal an das Elektrofahrzeug 1 und/oder an einen Benutzer des Elektrofahrzeugs 1 ausgegeben wird, beispielsweise an ein mobiles Endgerät des Benutzers. Somit wird die Anwesenheit eines Metallobjekts bei Beginn der Energieübertragung mit Hilfe des aktiven MOD-Verfahrens ausgeschlossen.
Falls das Ergebnis des aktiven MOD-Verfahrens negativ ist, d.h. falls kein Metallobjekt detektiert wurde (in 2 durch ein eingekreistes Minus-Zeichen symbolisiert), wird in einem Schritt S50 bestimmt und gesteuert, etwa durch die Steuereinrichtung 20, dass die induktive Energieübertragung gestartet wird.
Ein oder mehrere Ausgabesignale und/oder Ergebnisse der Aktiv-Sensorelektronik 18 können, z.B. durch die Steuereinrichtung 20, in einem Schritt S60 gespeichert und/oder ausgewertet werden, um Referenzwerte für ein passives MOD-Verfahren zu erzeugen, oder zuvor vorgegebene oder zuvor ermittelte Referenzwerte für das passive MOD-Verfahren anzupassen. Dazu kann in der Steuereinrichtung 20 beispielsweise ein Modell, oder ein Kennfeld, hinterlegt sein, mittels welchem basierend auf den Eigenschaften des Ausgabesignals (oder der mehreren Ausgabesignale) der aktiv-Sensorelektronik 18 entsprechende Referenzwerte für das passive MOD-Verfahren, oder nötige Anpassungen an den bestehenden Referenzwerten, bestimmbar sind.
Mit dem Beginn der Energieübertragung wird in einem Schritt S70 von dem aktiven MOD-Verfahren zu dem passiven MOD-Verfahren umgeschaltet, d.h. das Durchführen des aktiven MOD-Verfahrens wird eingestellt und es wird mit dem Durchführen des passiven MOD-Verfahrens begonnen. Das passive MOD-Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich oder regelmäßig durchgeführt, während die Energieübertragung abläuft, damit festgestellt werden kann, ob sich zwischenzeitlich ein Metallobjekt in den Magnetfeldbereich des Übertragungsmagnetfelds hineinbewegt hat. Das passive MOD-Verfahren wird bevorzugt unter Verwendung der in dem Schritt S60 erzeugten und/oder angepassten Referenzwerte durchgeführt, d.h. unter Verwendung der Referenzwerte kalibriert.
In einem Schritt S80 wird, beispielsweise durch die Steuereinrichtung 20, überprüft, ob das passive MOD-Verfahren ein positives oder ein negatives Ergebnis hatte, d.h. ob durch das passive MOD-Verfahren festgestellt wurde, dass sich in dem Bereich der Sendespulenstruktur 12, insbesondere zwischen der Sendespulenstruktur 12 und der Empfangsspulenstruktur 2, aktuell ein Metallobjekt befindet, oder nicht.
Falls das Ergebnis des passiven MOD-Verfahrens positiv ist, d.h. falls ein Metallobjekt detektiert wurde (in 2 durch ein eingekreistes Plus-Zeichen symbolisiert), wird in einem Schritt S90 bestimmt und gesteuert, beispielsweise durch die Steuereinrichtung 20, dass die Energieübertragung abgebrochen wird. Es kann vorgesehen sein, dass in diesem Fall ein Warnsignal an das Elektrofahrzeug 1 und/oder an einen Benutzer des Elektrofahrzeugs 1 ausgegeben wird, beispielsweise an ein mobiles Endgerät des Benutzers. Somit wird ausgeschlossen, dass sich während der Energieübertragung ein Metallobjekt in den Magnetfeldbereich des Übertragungsmagnetfelds hineinbewegt hat.
Falls das Ergebnis des aktiven MOD-Verfahrens negativ ist, d.h. falls kein Metallobjekt detektiert wurde (in 2 durch ein eingekreistes Minus-Zeichen symbolisiert), wird in einem Schritt S100 bestimmt und gesteuert, etwa durch die Steuereinrichtung 20, dass die induktive Energieübertragung weitergeführt wird, bis eine Abbruchbedingung vorliegt, beispielsweise bis ein Abbruchsignal ausgegeben wird, z.B. weil ein Benutzer das induktive Laden beenden möchte oder weil nicht mehr genügend Guthaben bereitsteht, um das induktive Laden zu bezahlen, oder weil das Elektrofahrzeug 1 bzw. dessen Energiespeicher 4 voll aufgeladen wurde. Selbstverständlich wird das induktive Laden auch dann unterbrochen, sobald in dem Schritt S80 doch das Vorliegen eines Metallobjekts detektiert wurde (Schritt S90).
Ein oder mehrere Ausgabesignale und/oder Ergebnisse der Passiv-Auswerteelektronik 16 können, z.B. durch die Steuereinrichtung 20, in einem Schritt S110 gespeichert und/oder ausgewertet werden, um Referenzwerte für das aktive MOD-Verfahren zu erzeugen, oder zuvor vorgegebene oder zuvor ermittelte Referenzwerte für das aktive MOD-Verfahren anzupassen. Dazu kann in der Steuereinrichtung 20 beispielsweise ein Modell, oder ein Kennfeld, hinterlegt sein, mittels welchem basierend auf den Eigenschaften des Ausgabesignals (oder der mehreren Ausgabesignale) der Passiv-Auswerteelektronik 16 entsprechende Referenzwerte für das aktive MOD-Verfahren, oder nötige Anpassungen an den bestehenden Referenzwerten, bestimmbar sind.
In einem Schritt S120 kann daraufhin wieder zu dem aktiven MOD-Verfahren umgeschaltet werden, etwa durch die Steuereinrichtung 20. Dabei kann das aktive MOD-Verfahren bevorzugt basierend auf den in dem Schritt S110 erzeugten und/oder angepassten Referenzwerten durchgeführt werden, d.h. darauf basierend kalibriert werden.
Der Schritt S120, d.h. das Durchführen des aktiven MOD-Verfahrens, kann nahtlos in den Schritt S20 übergehen. Alternativ kann das aktive MOD-Verfahren z.B. nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne beendet werden, und das Verfahren daraufhin wieder auf den Beginn mit Schritt S10 warten. Auf diese Weise kann eine induktive Ladevorrichtung 10 in jedem Zustand (d.h. insbesondere sowohl während, als auch außerhalb von, der induktiven Energieübertragung) auf Metallobjekte hin überwacht werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011010049 A1 [0004]
DE 102015224013 A1 [0013]

Claims

Induktive Ladevorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1), mit: einer Sendespulenstruktur (12) zum induktiven Laden einer Batterie eines Fahrzeugs (1) durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zum Induzieren eines Ladestroms (12) in einer Empfangsspulenstruktur (2) des Fahrzeugs (1); einer Stromversorgungseinrichtung (13) zum Bestromen der Sendespulenstruktur (12); einer Sensorspulenstruktur mit einer Anzahl von Sensorspulen (22-i); einer Steuereinrichtung (20), welche dazu eingerichtet ist, die induktive Ladevorrichtung (10) in einen passiven Detektionsmodus zu versetzen, während ein induktives Laden stattfindet, und die induktive Ladevorrichtung (10) in einen aktiven Detektionsmodus zu versetzen, wenn aktuell kein induktives Laden stattfindet; einer Passiv-Auswerteelektronik (16), welche dazu ausgelegt ist, in dem passiven Detektionsmodus einen in der Sensorspulenstruktur induzierten Strom auszuwerten und für eine Metallobjektdetektion, MOD, im Bereich der Sendespulenstruktur (12) zu verwenden; und einer Aktiv-Sensorelektronik (18), welche dazu ausgelegt ist, in dem aktiven Detektionsmodus ein magnetisches Sensorfeld für die MOD im Bereich der Sendespulenstruktur (12) durch zumindest teilweises Bestromen der Sensorspulenstruktur zu erzeugen.
Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein Ergebnis der MOD in dem passiven Detektionsmodus für eine Kalibrierung oder Anpassung der Aktiv-Sensorelektronik (18) zu verwenden.
Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein Ergebnis der MOD in dem aktiven Detektionsmodus für eine Kalibrierung oder Anpassung der Passiv-Auswerteelektronik (16) zu verwenden.
Ladevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktiv-Sensorelektronik (18) dazu ausgelegt ist, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Aktiv-Sensorelektronik (18) dazu ausgelegt ist, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer zum Erzeugen des magnetischen Sensorfelds bestromten Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Aktiv-Sensorelektronik (18) dazu ausgelegt ist, mindestens eine elektrische Eigenschaft mindestens einer während des Erzeugens des magnetischen Sensorfelds nicht bestromten Sensorspule der Sensorspulenstruktur zu erfassen und unter Verwendung der mindestens einen erfassten elektrischen Eigenschaft die MOD durchzuführen.
Verfahren zum Überwachen einer induktiven Ladevorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1), mit den Schritten: Durchführen (S70) einer passiven Metallobjektdetektion, MOD, während ein induktives Laden einer Batterie eines Fahrzeugs (1) durch Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zum Induzieren eines Ladestroms (12) in einer Empfangsspulenstruktur (2) des Fahrzeugs (1) stattfindet; und Durchführen (S20; S120) einer aktiven MOD zu Zeitpunkten, an welchen kein induktives Laden stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 7, mit dem Schritt: Anpassen oder Kalibrieren (S110) der aktiven MOD unter Verwendung von Ergebnissen der passiven MOD.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, mit dem Schritt: Anpassen oder Kalibrieren (S60) der passiven MOD unter Verwendung von Ergebnissen der aktiven MOD.