DE202014010660U1

DE202014010660U1 - Drahtloses Batterieladesystem für eine Einrichtung mit aufladbarer Batterie und mit Fremdkörpererkennung

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Publication number: DE202014010660U1
Application number: DE202014010660.6U
Authority: DE
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2024-09-19
Also published as: DE102014218758A1

Abstract

Ladevorrichtung (20) zur induktiven Energieübertragung an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) mit einer aufladbaren Batterie (326), die Ladevorrichtung (20) aufweisend: einen Wechselstrom- oder Wechselspannungsgenerator (28), der dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Wechselstrom oder eine elektrische Wechselspannung mit einer in einem vorbestimmten Frequenzbereich (502, 602) zeitvariablen Frequenz (500, 600) und einer der zeitvariablen Frequenz zugeordneten, vorbestimmten Strom- oder Spannungsamplitude zu erzeugen und einem eine Sendespule (46) enthaltenden Senderesonanzkreis (64) zu beaufschlagen, die Sendespule (46), durch die hindurch ein Wechselstrom führbar oder an der eine Wechselspannung anlegbar ist und die dazu ausgebildet ist, ein unter Wirkung des hindurchgeführten Wechselstroms oder eines von der angelegten Wechselspannung getriebenen Wechselstroms erzeugtes, magnetisches Wechselfeld, dessen Feldstärke mit der zeitvariablen Frequenz (500, 600) variiert, in ein vorbestimmtes Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) abzustrahlen, gekennzeichnet durch eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (74, 66), die dazu ausgebildet ist, als Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) eine Abhängigkeit einer Amplitude (504, 604) eines durch die Sendespule (46) fließenden Mess-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule (46) anliegenden Mess-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz (500, 600) zu messen, und eine Auswerteeinrichtung (82), die dazu ausgebildet ist, (a) eine Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) hinsichtlich eines oder mehrerer, aus den folgenden ausgewählten, charakteristischen Merkmale auszuwerten: (i) eine Gesamtinduktivität des Senderesonanzkreises (64), (ii) eine Resonanzfrequenz (402, 520) des Senderesonanzkreises (64), (iii) eine Strom- oder Spannungsamplitude (404) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz (402), (iv) eine Strom- oder Spannungsamplitude (504, 604) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich (502, 502) enthaltenen Messfrequenz (500, 600), (v) eine aus der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) bestimmte Güte (522) des Senderesonanzkreises, (vi) eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) in dem vorbestimmten Frequenzbereich (502, 602) und (vii) eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) mit einer Referenz-Frequenzkennlinie (506, 606), die eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule (46) fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz darstellt, wobei die Referenz-Frequenzkennlinie (506, 606) unter einer Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) im Wesentlichen frei von einem Gegenstand ist, und (b) basierend auf einer Auswertung von mindestens einem der charakteristischen Merkmale (i) bis (vii) auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands (26) in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) zu schließen, wobei die Auswerteeinrichtung (82) dazu ausgebildet ist, zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) einer vorbestimmten Art, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audio-Wiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper (26), wie etwa eine Münze, eine Metallfolie, ein Metallring und/oder eine Büroklammer, vorhanden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet eines drahtlosen, insbesondere induktiven, Batterieladesystems mit einer Ladevorrichtung zum Aufladen einer Batterie einer batteriebetriebenen elektrischen Einrichtung.
Ein herkömmliches Batterieladesystem, das eine Ladevorrichtung und ein mit Energie zu versorgendes, insbesondere batteriebetriebenes, Gerät mit einer aufladbaren Batterie, das ohne eine Drahtverbindung zwischen der Ladevorrichtung und dem Gerät auskommt, kann auf induktiver, kapazitiver oder elektromagnetischer Energieübertragung beruhen oder einen Laserstrahl, Schall, Druckluft, einen Flüssigkeitsstrahl oder eine Hydraulikanordnung zur Energieübertragung verwenden.
Der Bereich der drahtlosen Energieübertragung bzw. der drahtlosen Aufladung (wireless power charging) der Batterien von Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen, Smartphones oder auch Elektrofahrzeugen, ist ein innovatives Aufgabengebiet, in dem derzeit intensiv an technologischer Aus- und Weiterentwicklung gearbeitet und geforscht wird. Als Beispiel für derartige Forschung und Entwicklung sei auf die Arbeit des am 17. Dezember 2008 gegründeten, internationalen Firmenkonsortiums „Wireless Power Consortium” (WPC) verwiesen, in dessen Rahmen ein globaler Industriestand mit dem Namen Qi (chinesisches Wort für „Lebensenergie”) für die Aufladung von elektronischen Produkten entwickelt und eingeführt worden ist.
Eine Energieübertragung, die auf einer induktiven Kopplung zwischen der Ladevorrichtung und dem mit Energie zu versorgenden Gerät basiert, erfolgt über eine transformatorische bzw. induktive Kopplung zwischen einer in der Ladevorrichtung angeordneten Lade- bzw. Sendespule und einer in dem mit Energie zu versorgenden Gerät angeordneten Empfangsspule. Dabei wird die Sendespule mit einem Wechselstrom beaufschlagt, so dass sie ein magnetisches Wechselfeld aussendet, von dem die Empfangsspule einen Teil des magnetischen Wechselflusses „einfängt”, der in der Empfangsspule eine Wechselspannung induziert, mit der ein Versorgungs- bzw. Ladestrom zum Versorgen des Geräts mit Energie bzw. zum Aufladen von deren Batterie getrieben wird.
Die induktive Kopplung ist besonders effizient, wenn in der Ladevorrichtung ein die Sendespule enthaltender Senderesonanzkreis mit einer Senderesonanzfrequenz ausgebildet ist und wenn in dem Gerät ein die Empfangsspule enthaltender Empfangsresonanzkreis mit einer Empfangsresonanzfrequenz ausgebildet ist, wobei die Empfangsresonanzfrequenz auf die Senderesonanzfrequenz abgestimmt ist. Wenn jedoch in einem derartig effizienzoptimierten Batterieladesystem während der Energieübertragung bzw. des Ladevorgangs örtlich in der Nähe, d. h. im Magnetfeld-Aussenderaumgebiet der Sendespule, Fremdkörper, die einen elektrisch leitenden Stoff, wie etwa ein Metall, enthalten, angeordnet sind, werden in einem derartigen Fremdkörper elektrische Wirbelströme induziert. Derartige Wirbelströme führen hinsichtlich der zu übertragenden Energie zu Wirbelstromverlusten in diesen Fremdkörpern und können auch eine Erwärmung dieser Fremdkörper bewirken. Die Wärme kann auf die Ladevorrichtung, etwa auf ein Gehäuse oder Gehäuseteile der Ladevorrichtung, übertragen werden und in extremen Fällen zu Beschädigungen führen. Des Weiteren stehen die durch Wirbelstromverluste und Wärme entzogenen Energieanteile dem zu versorgenden Gerät nicht mehr zur Verfügung, so dass sich ein Ladevorgang verlängert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf induktiver Kopplung zwischen einer Ladevorrichtung und einem mit Energie zu versorgenden Gerät basierendes Batterieladesystem zu schaffen, bei dem ein Vorhandensein von Fremdkörpern mit metallischen Anteilen im Magnetfeld-Aussenderaumgebiet der Sendespule detektiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung und wie beansprucht wird eine Ladevorrichtung bereitgestellt, die zur induktiven Energieübertragung an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung mit einer aufladbaren Batterie dient. Die Ladevorrichtung weist folgendes auf:
einen Wechselstrom- oder Wechselspannungsgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Wechselstrom oder eine elektrische Wechselspannung mit einer in einem vorbestimmten Frequenzbereich zeitvariablen Frequenz und einer der zeitvariablen Frequenz zugeordneten, vorbestimmten Strom- oder Spannungsamplitude zu erzeugen und einem eine Sendespule enthaltenden Senderesonanzkreis zu beaufschlagen,
die Sendespule, durch die hindurch ein Wechselstrom führbar oder an der eine Wechselspannung anlegbar ist und die dazu ausgebildet ist, ein unter Wirkung des hindurchgeführten Wechselstroms oder eines von der angelegten Wechselspannung getriebenen Wechselstroms erzeugtes, magnetisches Wechselfeld, dessen Feldstärke mit der zeitvariablen Frequenz variiert, in ein vorbestimmtes Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet abzustrahlen.
Erfindungsgemäß umfasst die Ladevorrichtung ferner
eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, als Mess-Frequenzkennlinie eine Abhängigkeit einer Amplitude eines durch die Sendespule fließenden Mess-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Mess-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz zu messen, und
eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist,

(a) eine Mess-Frequenzkennlinie hinsichtlich eines oder mehrerer, aus den folgenden ausgewählter, charakteristischer Merkmale auszuwerten:
(i) eine Gesamtinduktivität des Senderesonanzkreises,
(ii) eine Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises,
(iii) eine Strom- oder Spannungsamplitude des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz,
(iv) eine Strom- oder Spannungsamplitude des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich enthaltenen Messfrequenz,
(v) eine aus der Mess-Frequenzkennlinie bestimmte Güte des Senderesonanzkreises,
(vi) eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie in dem vorbestimmten Frequenzbereich, und
(vii) eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie mit einer Referenz-Frequenzkennlinie, die eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz darstellt, wobei die Referenz-Frequenzkennlinie unter einer Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet im Wesentlichen frei von einem Gegenstand ist, und
(b) basierend auf einer Auswertung von mindestens einem der charakteristischen Merkmale (i) bis (vii) auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet zu schließen.

Mit anderen Worten umfasst die Ladevorrichtung ferner eine Auswerteeinrichtung, die eine Mess-Frequenzkennlinie hinsichtlich zumindest einer Größe, die von Metall in einem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet beeinflusst wird, auswerten kann. Diese Größen sind insbesondere vorangehend genannt. Die Auswerteeinrichtung (82) ist ferner in der Lage, basierend auf dieser Auswertung auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands in einem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule zu schließen.
Die Auswerteeinrichtung ist ferner eingerichtet, zu unterscheiden, ob eine mit Energie zu versorgende Einrichtung oder ein anderes Metallobjekt in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet vorliegt. Dadurch kann bei der Erfassung einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung mit der Energieübertragung (d. h. mit dem Ladeprozess) begonnen werden bzw. diese kann durch geführt werden, während bei der Erfassung eines anderen Objekts (d. h. keine mit Energie zu versorgenden Einrichtung, jedoch liegt Metall im Bestrahlungsraumgebiet vor) keine Energieübertragung (d. h. kein Ladeprozess) stattfindet.
Ein etwaig in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordneter Gegenstand, der ein Metall enthält, bewirkt eine Ausbildung eines charakteristischen Merkmals in der Mess-Frequenzkennlinie, einschließlich etwa einer Veränderung der Form der Frequenzkennlinie bzw. eine Frequenzverstimmung, d. h. eine Änderung der Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises, insbesondere im Vergleich mit einer Referenz-Frequenzkennlinie, die unter der Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet frei von einem Fremdkörper ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, bewirkt ein in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordneter, ein Metall enthaltender Gegenstand, dass eine Mess-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises eines oder mehrere der genannten charakteristischen Merkmale zeigt, das in einer Referenz-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises bei der Bedingung, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet kein Gegenstand vorhanden ist, nicht enthalten ist.
Ein charakteristisches Merkmal kann durch Auswerten einer Mess-Frequenzkennlinie des Senderesonanzkreises bestimmt werden. Auf der Grundlage einer derartigen Bestimmung kann dann auf das Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstandes in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet geschlossen werden.
Ein Körper, in dem kein Wirbelstrom induziert wird, wie etwa ein Körper, der aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht und der in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet angeordnet ist, kann mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Ladevorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Auswertung einer Frequenzkennlinie nicht sicher detektiert werden.
Die Auswerteeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung einer vorbestimmten Art, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audio-Wiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper, wie etwa eine Münze, eine Metallfolie, ein Metallring und/oder eine Büroklammer, vorhanden ist.
Die Auswerteeinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, basierend auf einer Auswertung der Änderung der Resonanzfrequenz und/oder der Güte zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung einer vorbestimmten Art oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper vorhanden ist.
In einer in der Ladevorrichtung, beispielsweise in der Auswerteeinrichtung enthaltenen, Speichereinrichtung können ein erster und zweiter, vorbestimmter Resonanzfrequenzschwellwert sowie ein erster und zweiter, vorbestimmter Güteschwellwert gespeichert sein. Bei diesen Werten ist der zweite Resonanzfrequenzschwellwert größer als der erste Resonanzfrequenzschwellwert und der zweite Güteschwellwert größer als der erste Güteschwellwert. Diese Werte sind empirisch derart gewählt, dass ein Vergleich von Messwerten für die Resonanzfrequenz und die Güte des Senderesonanzkreises mit diesen Schwellwerten unterscheidend ist für das Vorhandensein einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung, eines Fremdkörpers oder keines Fremdkörpers in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet.
In einer, beispielsweise empirisch bestimmten, Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, wenn die Resonanzfrequenz größer als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte kleiner als der erste Güteschwellwert ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet ein ein Metallenthaltender Fremdkörper, der von einer mit elektrischer Energie zu versorgenden Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist.
In einer anderen, beispielsweise ebenfalls empirisch bestimmten, Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, wenn die Resonanzfrequenz größer als der erste und kleiner als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte größer als der zweite Güteschwellwert ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet eine mit Energie zu versorgende Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten vorhanden ist.
In der Ladevorrichtung kann ferner eine Ausgabeeinrichtung vorgesehen sein. Diese kann operativ mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt und dazu ausgebildet sein, dass sie, wenn die Auswerteeinrichtung detektiert hat, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet ein ein Metall enthaltender Fremdkörper, der von einer mit elektrischer Energie zu versorgenden Einrichtung von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist, ein Hinweissignal ausgeben kann, das auf diesen detektierten Umstand hinweist. Das Ausgabesignal kann eine Ausgabe, etwa eine Schriftausgabe, auf einer Anzeigeeinrichtung, ein optisches Signal, oder auch ein akustisches Signal sein. Wenn ein Benutzer das Hinweissignal wahrnimmt, kann er den Fremdkörper aus dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet entfernen.
Das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet kann zumindest abschnittsweise mittels einer mechanischen Wandung begrenzt sein. Dabei kann die Wandung insbesondere eine Form eines Kugelabschnitts, eines Ellipsoidabschnitts, eines Konus, einer Schale oder auch einer im Wesentlichen planaren Fläche aufweisen. Die Form der Wandung kann an eine äußere Form eines zusammen mit der Ladevorrichtung zu betreibenden Geräts angepasst sein, beispielsweise derart, dass das Gerät von der Wandung getragen und/oder gestützt wird.
Die Ladevorrichtung kann ferner einen Kondensator mit einer Kapazität aufweisen. Der Kondensator kann mit der Sendespule in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung geschaltet sein. Dadurch kann aus dem Kondensator und der Sendespule hin Senderesonanzkreis ausgebildet sein. Der Wert der Kapazität und der Wert der Induktivität können so aufeinander abgestimmt sein, dass diese Reihen- oder Parallelschaltung bzw. der Senderesonanzkreis eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung und wie ebenfalls beansprucht, wird eine mit Energie zu versorgende Einrichtung bereitgestellt, die eine aufladbare Batterie aufweist und die zur Verwendung in induktiver Kopplung mit einer Ladevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.
Die Einrichtung kann ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audiowiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, sein.
Alternativ dazu kann die Einrichtung ein Elektrofahrzeug sein, wobei die aufladbare Batterie eine Fahrbatterie des Elektrofahrzeugs ist.
Die Einrichtung kann einen Gleichrichter, der einen ersten und zweiten Wechselspannungseingang und einen ersten und zweiten Gleichspannungsausgang aufweist, und eine Empfangsspule, die in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungseingang geschaltet ist, umfassen. Dabei kann die aufladbare Batterie in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsausgang schaltbar, insbesondere geschaltet, sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung und wie ebenfalls beansprucht, wird ein Batterieladesystem bereitgestellt, das eine Ladevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine mit Energie zu versorgende Einrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Die Ladevorrichtung ist zur induktiven Übertragung von Energie zu der Einrichtung, insbesondere zum Aufladen von deren Batterie, ausgebildet.
In dem Batterieladesystem kann die Ladevorrichtung einen Kondensator mit einer Kapazität, der mit der Sendespule in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung geschaltet ist, aufweisen, wodurch ein Senderesonanzkreis ausgebildet wird und wobei der Wert der Kapazität und der Wert der Induktivität so aufeinander abgestimmt sind, dass diese Reihen- oder Parallelschaltung bzw. der Senderesonanzkreis eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist. Die mit Energie zu versorgende Einrichtung kann einen Empfangskreiskondensator umfassen, der mit der Empfangsspule in Reihe oder parallel geschaltet ist, wodurch ein Empfangsresonanzkreis ausgebildet wird. Dabei können eine Induktivität der Empfangsspule und eine Kapazität des Empfangskreiskondensators so aufeinander abgestimmt sein, dass eine Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Empfangsspule und des Empfangskreiskondensators bzw. eine Resonanzfrequenz des Empfangsresonanzkreises im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Sendespule und des Kondensators bzw. des Senderesonanzkreises der Ladevorrichtung ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Batterieladesystems mit einer ersten Ausführungsform einer Ladevorrichtung und einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung gemäß der Erfindung.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines experimentellen Aufbaus einer noch anderen Ausführungsform einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung, wobei ein Fremdkörper in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule angeordnet werden kann.
5 zeigt ein Balkendiagramm mit Messergebnissen, die mittels des Aufbaus aus der 4 für eine Mehrzahl unterschiedlicher, im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule angeordneter Fremdkörper erhalten worden sind.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Frequenzkennlinie eines eine Spule und einen Kondensator enthaltenden Resonanzkreises, zur Veranschaulichung der Bestimmung von Messwerten für die Resonanzfrequenz und der Güte.
7 zeigt eine Darstellung von einer Referenz-Frequenzkennlinie und von zwei Mess-Frequenzkennlinien, die mit zwei verschiedenartigen Körpern im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule mittels des Aufbaus aus der 4 aufgenommen worden sind.
8 zeigt eine Darstellung von einer Referenz-Frequenzkennlinie und von Mess-Frequenzkennlinien, die mit verschiedenartigen Körpern im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule mittels des Aufbaus aus der 4 aufgenommen worden sind.
9 zeigt eine Darstellung von einer Referenz-Frequenzkennlinie und von Mess-Frequenzkennlinien, die mit einem Körper, der an verschiedenen Positionen im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule mittels des Aufbaus aus der 4 aufgenommen worden sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Das in 1 gezeigte, drahtlose Batterieladesystem 10 umfasst eine Ladevorrichtung 20 gemäß der Erfindung und eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300, die induktiv miteinander gekoppelt sind, so dass die Ladevorrichtung 20 über die induktive Kopplung 12 Energie an die Einrichtung 300 übertragen kann.
Die Ladevorrichtung 20 weist einen Wechselstrom- und Sweepgenerator 28, einen Verstärker 36, einen Senderesonanzkreis 64, der aus einer Sendespule 46 und einem Kondensator 52 ausgebildet ist, eine Spannungsmesseinrichtung 66, eine Strommesseinrichtung 74, eine Auswerteeinrichtung 82, einer Steuereinrichtung 84, eine Speichereinrichtung 86 und eine Ausgabeeinrichtung 88 auf. Der Wechselstrom- und Sweepgenerator 28 ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Wechselstrom mit einer in einem vorbestimmten Frequenzbereich 502, 602 (siehe 7, 8 und 9) zeitvariablen Frequenz 400, 600 und einer der zeitvariablen Frequenz zugeordneten, vorbestimmten Stromamplitude zu erzeugen und über seinen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 30 und 32 auszugeben. Der Generator 28 hat einen Generatorsteuereingang 34, über den ihm ein Generatorsteuersignal zugeführt werden kann. Das Generatorsteuersignal wird in der Steuereinrichtung 84 erzeugt und steuert die Zeitabhängig der Frequenz und die Amplitude des erzeugten elektrischen Wechselstroms.
Der Verstärker 36 bewirkt eine Leistungsverstärkung des von dem Wechselstrom- und Sweepgenerator 28 erzeugten Wechselstroms und gibt einen leistungsverstärkten Wechselstrom zum Betreiben der Sendespule 46 aus. Der Verstärker 36 hat einen ersten und einen zweiten Eingang 38 und 40, die an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss 30 und 32 des Wechselstromgenerators 28, respektive, angeschlossen sind, und über die ihm das vom Generator 28 erzeugte Wechselstromsignal mit zeitabhängiger Frequenz zugeführt wird. Der Verstärker 36 hat ferner einen ersten und einen zweiten Ausgang 42 und 44, zwischen denen er den leistungsverstärkten Wechselstrom bereitstellt und in den Senderesonanzkreis 64 einspeist. Der Verstärker 36 hat ferner einen Verstärkersteuereingang 45, über den ihm ein Verstärkersteuerungssignal zugeführt werden kann. Das Verstärkersteuerungssignal wird ebenfalls in der Steuereinrichtung 84 erzeugt; es steuert die Verstärkung (Amplitudenverstärkung) des dem Verstärker 36 zugeführten Wechselstroms.
Der Senderesonanzkreis 64 ist als eine Reihenschaltung des Kondensators 52 und der Sendespule 46 ausgeführt. In der Reihenschaltung ist ferner die Strommesseinrichtung 74 in Reihe mit der Sendespule 46 geschaltet. Zum Ausbilden Senderesonanzkreises 64 ist ein erster Anschluss 54 des Kondensators 52 mit dem ersten Ausgang 42 des Verstärkers 36, ein erster Anschluss 48 der Sendespule 46 mit dem zweiten Anschluss 56 des Kondensators 52, ein zweiter Anschluss 50 der Sendespule 46 mit einem ersten Anschluss 76 der Strommesseinrichtung 74 und ein zweiter Anschluss 78 der Strommesseinrichtung 74 mit dem zweiten Ausgang 44 des Verstärkers 36 elektrisch leitend verbunden. Durch die Einbindung der Strommesseinrichtung 74 in die Reihenschaltung des Kondensators 52 und der Sendespule 46 ist die Strommesseinrichtung 74 in der Lage, den durch die Sendespule 46 getriebenen Wechselstrom zu messen.
Die Spannungsmesseinrichtung 66 ist parallel zu der Sendespule 46 geschaltet. Dazu ist ein erster Anschluss 68 der Spannungsmesseinrichtung 66 mit dem ersten Anschluss 48 der Sendespule 46 und ein zweiter Anschluss 70 der Spannungsmesseinrichtung 66 mit dem zweiten Anschluss 50 der Sendespule 46 elektrisch leitend verbunden. Durch diese Parallelschaltung der Spannungsmesseinrichtung 66 mit der Sendespule 46 ist die Spannungsmesseinrichtung 66 in der Lage, die an der Sendespule 46 beaufschlagte Wechselspannung zu messen.
Alternativ könnte die Spannungsmesseinrichtung 66 auch parallel zu dem Kondensator 52 geschaltet werden, so dass sie in der Lage, die an dem Kondensator 52 beaufschlagte Wechselspannung zu messen. In diesem Fall ist die Auswertung von Parametern von am Kondensator 52 gemessenen Mess-Frequenzkennlinien geeignet anzupassen bzw. abzuändern gegenüber der Auswertung von Parametern von an der Sendespule 46 gemessenen Mess-Frequenzkennlinien.
Der von dem Verstärker 36 bereitgestellte, leistungsverstärkte Wechselstrom wird durch die Sendespule 46 hindurch geführt. Somit ist die Sendespule 46 in der Lage, ein unter Wirkung dieses Wechselstroms erzeugtes, magnetisches Wechselfeld in ein vorbestimmtes Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 abzustrahlen. Die Feldstärke des von der Sendespule 46 erzeugten, magnetischen Wechselfelds variiert mit der zeitvariablen Frequenz 300, 400 (siehe 7, 8 und 9).
Das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 ist abschnittsweise mittels einer mechanischen Wandung 24 definiert bzw. begrenzt. Die Wandung 24 hat in der gezeigten Ausführungsform eine Form einer Schale. Diese Form ist an die Form eines Gehäuseabschnitts der mit der Ladevorrichtung 20 induktiv zu koppelnden und so mit Energie zu versorgenden Einrichtung 100 angepasst, so dass die Einrichtung 100 durch von der schalenförmigen Wandung 24 aufgenommen und von dieser abgestützt wird.
Die Strommesseinrichtung 74 ist dazu ausgebildet, als Mess-Frequenzkennlinie (siehe z. B. 510, 512 in 7 und 608 bis 616 in den 8 und 9) die Abhängigkeit der Amplitude 504, 604 des durch die Sendespule 46 fließenden Mess-Wechselstroms von der zeitvariablen Frequenz (siehe z. B. 500 in 7 und 600 in den 8 und 9) zu messen. Entsprechend ist die Spannungsmesseinrichtung 66 dazu ausgebildet, als alternative Mess-Frequenzkennlinie die Abhängigkeit der Amplitude der an der Sendespule 64 angelegten Mess-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz zu messen.
Die Steuereinrichtung 84 ist dazu ausgebildet, den Wechselstromgenerator 28 und den Verstärker 36 anzusteuern. Genauer gesagt ist die Steuereinrichtung 84 in der Lage, dem Wechselstromgenerator 28 über dessen Generatorsteuereingang 34 Steuersignale zuzuführen, die die Stromamplitude und die Frequenz, einschließlich der Zeitabhängigkeit der Frequenz, steuern, und ferner dem Verstärker 36 über dessen Verstärkersteuereingang 45 ein Steuersignal zuzuführen, dass den (Strom)-Verstärkungsfaktor des Verstärkers 36 steuert.
Die Zeitabhängigkeit der Frequenz des von dem Wechselstromgenerator 28 erzeugten Wechselstroms kann in geeigneter Weise einen sägezahnförmigen Zeitverlauf mit einer periodischen Abfolge, die eine zeitlineare Zunahme der Frequenz und einen schnelle, im Wesentlichen instantane Abnahme bzw. Zurückführung der Frequenz umfasst (nicht gezeigt), aufweisen. Eine derartige Zeitabhängigkeit der Frequenz wird auch Frequenzsweep genannt. Während der zeitlinearen Zunahme der Frequenz überstreicht der Frequenzsweep einen Frequenzbereich (siehe 502 in 7 und 602 in den 8 und 9), der durch eine minimale Frequenz und eine maximale Frequenz definiert ist.
In den nachfolgend anhand der 4 bis 9 beschriebenen Messbeispielen ist die minimale Frequenz 40 kHz und die maximale Frequenz 240 kHz. In dem in 4 gezeigten Messaufbau wird als Sendespule 46 eine Spulenanordnung mit einem spiralförmig im Wesentlichen in einer Ebene angeordneten elektrischen Leiterdraht, eine sogenannte Litz-Wire Antenne 47, verwendet. Die Litz-Wire Antenne 47 ist in Reihe mit einem Kondensator 46 mit einer Kapazität von 94 nF (nano-Farad) geschaltet und bildet einen Senderesonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz f_res von nominal ca. 110 kHz, also ein Wert, der in dem Frequenzbereich 502, 602 von 40 kHz bis 240 kHz enthalten ist.
Die Auswerteeinrichtung 82 ist dazu ausgebildet, den von der Spannungsmesseinrichtung 66 gemessenen Wert der Amplitude der Wechselspannung, der ihr über die Spannungsmesssignalleitung 72 zugeführt wird, und die Zeitabhängigkeit der Amplitude der Wechselspannung aufzunehmen und in der Speichereinrichtung 86 für weitere Auswertungen zu speichern. Des Weiteren ist die Auswerteeinrichtung 82 dazu ausgebildet, auch den von der Strommesseinrichtung 72 gemessenen Wert der Amplitude des Wechselstroms, der ihr über die Strommesssignalleitung 80 zugeführt wird, und die Zeitabhängigkeit der Amplitude des Wechselstroms aufzunehmen und ebenfalls in der Speichereinrichtung 86 für weitere Auswertungen zu speichern.
Die Auswerteeinrichtung 82 ist ferner dazu ausgebildet, als Referenz-Frequenzkennlinie (siehe die Kurve 506 in 7 und die Kurve 606 in den 8 und 9) eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule 46 fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz in der Speichereinrichtung 86 zu speichern. Die Bezeichnung dieser Messung als „Referenz” bedeutet, dass die Referenz-Frequenzkennlinie 506, 606 unter einer Bedingung gemessen wird, bei der das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule 46 im Wesentlichen frei von einem Fremdkörper 26 ist.
Die Auswerteeinrichtung 82 ist ferner dazu ausgebildet, gemäß der im Patentanspruch 1 genannten Funktion (a), eine Mess-Frequenzkennlinie (siehe die Kurven 510 bis 512 in 7 und die Kurven 608 bis 616 in den 8 und 9) aufzunehmen, etwa unter einer Bedingung, dass ein Gegenstand, wie etwa ein Fremdkörper 26 oder eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule 46 angeordnet ist, die Mess-Frequenzkennlinie in der Speichereinrichtung 86 zu speichern, die Mess-Frequenzkennlinie auszuwerten im Hinblick auf das Auftreten von einem oder mehreren charakteristischen Merkmalen, die aus den folgenden ausgewählt sein können: (1) eine Gesamtinduktivität eines Senderesonanzkreises 64, (ii) eine Resonanzfrequenz 402 (siehe 6) bzw. 520 (siehe 5) eines Senderesonanzkreises 64, (iii) eine Strom- oder Spannungsamplitude des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz 402 bzw. 520, (iv) eine Strom- oder Spannungsamplitude 504, 604 des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich 502, 602 enthaltenen Messfrequenz 500, 600, (v) eine aus einer Frequenzkennlinie (siehe die Kurven 506 und 510 bis 512 in 7 und die Kurven 606 und 608 bis 616 in den 8 und 9) der der Mess-Frequenzkennlinie bestimmte Güte 522, (vi) eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie (oder auch einer Referenz-Frequenzkennlinie) in dem vorbestimmten Frequenzbereich 502, 602, und (vii) eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie 510–512, 608–616 mit einer Referenz-Frequenzkennlinie 506, 606, die eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule 46 fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz darstellt, wobei die Referenz-Frequenzkennlinie 306, 406 unter einer Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 im Wesentlichen frei von einem Gegenstand ist.
Ferner ist die Auswerteeinrichtung 82 allgemein dazu ausgebildet, gemäß der im Patentanspruch 1 genannten Funktion (b), basierend auf einer Auswertung von mindestens einem der charakteristischen Merkmale (i) bis (vii) auf ein Vorhandensein eines Gegenstands, der ein Metall enthält, zu schließen.
Insbesondere und wie dies nachfolgend anhand von Messbeispielen gezeigt wird, ist die Auswerteeinrichtung 82 dazu ausgebildet, in einer Ausgestaltung der im Patentanspruch genannten Funktion (b), aus einer Auswertung von charakteristischen Merkmalen der Mess-Frequenzkennlinie bzw. eines Vergleichs der Eigenschaften der Mess-Frequenzkennlinie mit der Frequenz-Frequenzkennlinie zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 von einer vorbestimmten Art oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper 26, vorhanden ist.
In einer Ausführungsform der Ladevorrichtung 20 kann die von der Ladevorrichtung 20 mit Energie zu versorgende Einrichtung 100 ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audio-Wiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, also ein tragbares oder mit einer Hand eines Benutzers tragbares bzw. mobiles Kleingerät sein. Dabei ist die Ladevorrichtung 20 für eine Verwendung unter Raumbedingungen, d. h. „indoor”, etwa in einer Büroumgebung, vorgesehen. Dabei kann der ein Metall enthaltende Fremdkörper 26 beispielsweise eine Münze, eine Metallfolie, ein Metallring und/oder eine Büroklammer sein.
In einer anderen Ausführungsform kann die von der Ladevorrichtung 20 mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 ein Elektrofahrzeug sein, dessen Fahrbatterie aufgeladen werden soll. Dabei ist die Ladevorrichtung 20 für eine Verwendung im Freien, d. h. „outdoor”, vorgesehen. Dabei kann der ein Metall enthaltende Fremdkörper 26 ein Metallblech oder ein Karosserieteil des Fahrzeugs sein.
Messbeispiele
Die Erfindung wurde beispielhaft mit einem experimentellen Aufbau einer Ladevorrichtung 20, der in 4 schematisch gezeigt ist, ausgeführt. Inder in 4 gezeigten Ausgestaltung umfasste die „Ladevorrichtung” 20 als Wechselstromgenerator 28 einen Signalgenerator vom Typ Agilent 33220A, als diesem nachgeschalteten Verstärker 36 einen Halbbrücken-Power-Amplifier vom Typ APEX PA16 und einen von dem Verstärker 36 gespeisten Senderesonanzkreis, der in einer Ausführungsform einen Kondensator 52 mit einer Kapazität C von nominal C = 94 nF und in einer anderen Ausführungsform keinen Kondensator, und in jedem Fall eine Sendespule 46, die als eine spiralförmige Litz-Wire-Antenne 47 mit einem Durchmesser von ca. 4 cm ausgebildet war, umfasste. In dem Senderesonanzkreis war ein Wechselstrommessgerät mit der Sendespule 46 in Reihe geschaltet, wie dies in der 1 gezeigt ist. Ein Personalcomputer (nicht gezeigt) wurde verwendet, um die von dem Wechselstrommessgerät erzeugten Strommesswerte und die zugehörigen (zeitabhängigen) Frequenzen des von dem Signalgenerator erzeugten Wechselstroms einzulesen und somit Zeitabhängigkeiten der Amplitude des Wechselstroms aufzunehmen, und ferner die Zeitabhängigkeiten in Abhängigkeiten der Wechselstromamplitude von der Frequenz, d. h. Referenz- und Mess-Frequenzkennlinien, umzurechnen und in einer Speichereinrichtung (nicht gezeigt) des Personalcomputers abzuspeichern.
Erste Serie von Messungen

Mit der vorstehend beschriebenen und in 4 gezeigten „Ladevorrichtung”, in der Ausführungsform ohne Kondensator im Senderesonanzkreis, und in der vorbeschriebenen Weise wurden Frequenzkennlinien aufgenommen für folgende auf der Litz-Wire-Antenne 47, d. h. „im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Antenne 47”, angeordnete Proben:

540	Probe #0:	Referenzmessung, ohne aufgelegten Gegenstand
542	Probe #1:	Smartphone vom Typ Google Nexus^® 5
544	Probe #2:	Smartphone vom Typ iPhone^® 5
546	Probe #3:	Smartphone vom Typ Samsung S3^® mini (ohne WPC- bzw. Qi-Aufladefunktion)
548:	Probe #4:	Münze der Art 5 Euro-Cent
550:	Probe #5:	Münze der Art 1 Euro
552:	Probe #6:	Münze der Art 2 Euro
554:	Probe #7:	Münze der Art 50 Euro-Cent
556:	Probe #8:	Münze der Art 2 Euro (Probe #6) zusammen mit Smartphone Google Nexus 5 (Probe #1)

7 zeigt als Referenz-Frequenzkennlinie 506 die Frequenzkennlinie der Referenzmessung 540, d. h. ohne einen auf der Spule 47 aufgelegten Gegenstand, und ferner beispielhaft als eine erste Mess-Frequenzkennlinie 510 die Frequenzkennlinie, die mit der Probe #2 (544) aufgenommen wurde, und als eine zweite Mess-Frequenzkennlinie 512 die Frequenzkennlinie, die mit der Probe #6 (552) aufgenommen wurde. Aus der Referenz-Frequenzkennlinie 506 ist abzulesen, dass die Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises in der „Ladevorrichtung” 20 aus 3 bei 121 kHz liegt und dass die Frequenzkennlinie einen ausgeprägten Peak mit einer relativ, d. h. im Vergleich zu den Kennlinien 510 und 512 geringen Breite aufweist. Aus einem Vergleich der ersten und zweiten Mess-Frequenzkennlinien 510 und 512 mit der Referenz-Frequenzkennlinie 506 ist abzulesen, dass beim Auflegen der jeweiligen Proben die Resonanzfrequenz anstieg und die Breite des Peaks der Kennlinie zunahm.
Insgesamt wurde für jede der vorgenannten Proben eine Mess-Frequenzkennlinie der in 7 gezeigten Art aufgenommen. Dabei wurde von dem verwendeten Wechselstromgenerator eine feste und für alle Proben gleiche Frequenz von 110 kHz vorgegeben.
Die Mess-Frequenzkennlinien wurden ausgewertet hinsichtlich des Werts der Resonanzfrequenz f_res und einer aus der Breite Δf = |f₂ – f₁| des Peaks der Kennlinie abgeleiteten Größe, nämlich der sogenannten Güte (Symbol Q) des Senderesonanzkreises. Diese Auswertungen sind in 6 anhand einer schematischen Frequenzkennlinie 400 dargestellt und nachfolgend erläutert. Die Güte Q eines Senderesonanzkreises ist allgemein definiert als der Quotient aus der im Maximum, d. h. am Niveau A₀ (404) der Frequenzkennlinie abgelesenen Resonanzfrequenz f_res (402) und der Breite Δf = |f₂ – f₁| des Peaks der Frequenzkennlinie: Q = f_res/Δf = f_res/|f₂ – f₁| (1)
Die Breite Δf = |f₂ – f₁| des Peaks der Frequenzkennlinie wird auf einem Niveau von anteilsmäßig 1/√2 = 0,707 des Maximalniveaus A₀ (404) des Peaks abgelesen, d. h. auf einem Niveau 406 von A₀/√2 = A₀ × 0,707 (2) als Differenz der diesem Niveau 406 zugeordneten Frequenzen f₁ (408) und f₂ (410).

Für die Probe #0 wurde die Referenz-Frequenzkennlinie 506 und für jede der Proben #1 bis #8 eine Mess-Frequenzkennlinie aufgenommen. Des Weiteren wurden die (veränderte) Induktivität L der Sendespule ohne bzw. mit aufgelegter Probe und der Serienwiderstand R des Senderesonanzkreises gemessen. Aus den Frequenzkennlinien wurde die Güte bestimmt. Schließlich wurde für jede Probe aus der bekannten Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz f_res, der (veränderten) Induktivität L und der Kapazität C des Resonanzkreises, nämlich der Beziehung

ω² = 2πf_res = 1/LC ⇔ f_res = 1/(2π × √LC) (3)

die (veränderte) Resonanzfrequenz f_res des Senderesonanzkreises berechnet. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. In dem Balkendiagramm der 5 sind für jede der Proben #0 bis #8 die aus der Tabelle 1 entnommene Güte Q und die Resonanzfrequenz f_res des Senderesonanzkreises in grafischer Form dargestellt. Tabelle 1: Messwerte aus der ersten Serie von Messungen

#	Probe	Position	L [μH]	R [mΩ]	Q	f_res [kHz]
0	ohne		18,47	95	133	120,2
1	Nexus 5	mittig	21,38	283	51	111,7
2	iPhone	mittig	16,04	185	59	128,9
3	Samsung S3 mini	mittig	13,3	325	30	141,6
4	5 Cent	mittig	14,6	838	12,1	135,1
5	1 Euro	mittig	13,9	486	19,8	138,5
6	2 Euro	mittig	13,4	720	12,9	141,1
7	50 Cent	mittig	12,6	543	16,2	145,5
8	2 Euro + Nexus 5	mittig	12,3	989	8,79	147,2

Es wird angemerkt, dass die Proben 1 und 2 Smartphones sind, die beispielhaft für eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 sind und eine zum drahtlosen Empfang von Energie (wireless power charging) geeignete Einrichtung gemäß dem eingangs genannten Qi-Standard des Firmenkonsortiums WPC aufweisen. Dementsprechend haben diese einen Empfangsresonanzkreis 314 (siehe 1) mit einer eingebauten Empfangsspule 302, die in ihrer geometrischen Form scheibenförmig und damit ähnlich wie die in der Messanordnung verwendete Litz-Wire-Antenne 47 geformt ist. Das „Anordnen der Einrichtung 300 im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule 46” erfolgte durch Auflegen des jeweiligen Smartphones auf die Litz-Wire-Antenne 47, wobei die Empfangsspule 302 relativ nahe an die Sendespule 46 kam und parallel zu dieser angeordnet war (so wie dies in 3 rechts gezeigt ist), was zu einer effektiven induktiven Kopplung führt und einen besonders ausgeprägten Einfluss der Einrichtung 300 (Smartphone von den genannten Typen) auf die Frequenzkennlinie bewirkt. Im Gegensatz dazu enthielt das Smartphone (Typ Samsung S3 mini) der Probe 3 keine Drahtlos-Ladeeinrichtung, mithin keine eingebaute Empfangsspule 302 eines Empfangsresonanzkreis 314, wodurch für diese Probe 3 ein geringerer Einfluss auf die (Veränderung der) Frequenzkennlinie zu erwarten ist.
In einer Gesamtschau der in der Tabelle 1 gelisteten und in 5 dargestellten Ergebnisse lässt sich folgendes zusammenfassen.

(1) Wenn ein Gegenstand, der ein Metall bzw. metallisches Material enthält, im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule 46 (hier: Litz-Wire-Antenne 47) angeordnet ist, dann verändert sich die Gesamtinduktivität L des Systems bestehend aus der Sendespule und dem in ihrem Bestrahlungsraumgebiet angeordneten Gegenstand, erhöht sich die Resonanzfrequenz f_res des Senderesonanzkreises und verringert sich dessen Güte Q bzw. vergrößert sich die Breite des Resonanzpeaks der Frequenzkennlinie. Somit ist prinzipiell das Vorhandensein eines Fremdkörpers im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule durch eine Auswertung bzw. Messung der Änderung der Gesamtinduktivität L, der Resonanzfrequenz f_res oder der Güte Q möglich.
(2) Wenn der Gegenstand ein Smartphone ist (Proben #1 bis #3), nimmt die Güte Q zwar ab, jedoch weniger stark als wenn die Probe ein massives Metallstück (Münze) ist (Proben #4 bis #8). Somit kann durch Wählen von geeigneten Schwellwerten (erster Güteschwellwert 528 und zweiter Güteschwellwert 530) unterschieden werden, ob es sich bei dem Gegenstand um ein Smartphone (Proben #1 bis 443, als Beispiel eines mit Energie zu versorgenden Geräts 300) oder um eine Münze (Proben #4 bis #8, als Beispiel für einen massiv-metallischen Fremdkörper 26) handelt.

Aus Tabelle 1 und 5 ist abzulesen, dass für die erste Messreihe ein erster (niedrigerer) Güteschwellwert 528 von ca. 20 definiert werden kann, mit der Bedeutung, dass eine gemessene, verringerte Güte Q, die kleiner als der erste Güteschwellwert 528 ist, auf das Vorhandensein einer Münze (Proben #4 bis #8, als Beispiel für einen massiv-metallischen Fremdkörper 26) im Bestrahlungsraumgebiet der Sendespule schließen lässt.
Aus Tabelle 1 und 5 ist ferner abzulesen, dass für die erste Messreihe ein zweiter (höherer) Güteschwellwert 330 von ca. 30 definiert werden kann, mit der Bedeutung, dass eine gemessene, gegenüber der Referenz verringerte Güte Q, die jedoch größer als der zweite Güteschwellwert 530 ist, auf das Vorhandensein eines Smartphones (Proben #1 bis #3, als Beispiel eines mit Energie zu versorgenden Geräts 300) im Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule schließen lässt.

(3) Wenn der Gegenstand ein massives Metallstück (Münze, Proben #4 bis #8) ist, dann steigt die Resonanzfrequenz f_res an, und zwar stärker als wenn die Probe ein Smartphone mit einer Drahtlos-Ladeeinrichtung (Proben #1 und #2) ist. Somit kann durch Wählen von geeigneten Schwellwerten (erster Resonanzfrequenzschwellwert 524 und zweiter zweiter Resonanzfrequenzschwellwert 526) unterschieden werden, ob es sich bei dem Gegenstand um ein Smartphone mit einer Drahtlos-Ladeeinrichtung (als Beispiel eines mit Energie zu versorgenden Geräts 300) oder um eine Münze oder einen Gegenstand mit in der Form von Elektronik-Schaltkreisen eingeführtem Metall (als Beispiel für einen ein Metall enthaltenden Fremdkörper 26) handelt.

Es lässt sich für die erste Messreihe ein erster (niedrigerer) Resonanzfrequenzschwellwert 524 von ca. 130 kHz definieren, mit der Bedeutung, dass eine gemessene Resonanzfrequenz, die zwar höher als die Referenz-Resonanzfrequenz, jedoch kleiner als der erste Resonanzfrequenzschwellwert 524 ist, auf das Vorhandensein eines Smartphone mit einer Drahtlos-Ladeeinrichtung (Proben #1 und #2, als Beispiel eines mit Energie zu versorgenden Geräts 300) im Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule schließen lässt.
Ferner lässt sich für die erste Messreihe ein zweiter (höherer) Resonanzfrequenzschwellwert 526 von ca. 135 kHz definieren, mit der Bedeutung, dass eine gemessene Resonanzfrequenz, die höher als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert 526 ist, auf das Vorhandensein einer Münze oder eines Gegenstands mit in der Form von Elektronik-Schaltkreisen eingeführtem Metall (Proben #3 bis #8, als Beispiele für einen ein Metall enthaltende Fremdkörper 26) im Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule schließen lässt.
Dem Fachmann ist klar, dass derartige Schwellwerte, wie der erste und zweite Resonanzfrequenzschwellwert 524 und 526 und der erste und zweite Güteschwellwert 528 und 530 von der Ausgestaltung (z. B. Form und Geometrie) der Sendespule, der Geometrie des Bestrahlungsraumgebiets, der möglichen Anordnungen (u. a. Abstand und Raumwinkelrichtung) von Gegenständen in dem Bestrahlungsraumgebiet bzw. in Bezug zur Sendespule und von der Art des Gegenstandes (u. a. Metallgehalt, Metallart) abhängen und daher für jede Ausführungsform einer Ladevorrichtung 20 hinsichtlich der Ausgestaltung der Sendespule 46 und des Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiets 22 empirisch bestimmt (vorbestimmt) werden müssen, um zumindest eine Detektion des Vorhandenseins eines (Fremd)-Körpers oder gar eine Unterscheidbarkeit der Art des im Bestrahlungsraumgebiet vorhandenen Gegenstands zu ermöglichen.
Etwas allgemeiner ausgedrückt ist die Auswerteeinrichtung 82 dazu ausgebildet, basierend auf einer Auswertung der Änderung der Resonanzfrequenz 402 (siehe 6) bzw. 520 (siehe 5) und/oder der Güte 522 (siehe 5) zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 einer vorbestimmten Art oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper 26 vorhanden ist.
Zweite Serie von Messungen
Mit einer Ladevorrichtung 20 gemäß dem in der 4 gezeigten Schaltungsprinzip, wobei der Senderesonanzkreis 64 als Sendespule 46 die gleiche Litz-Wire-Antenne 47 wie in der ersten Serie von Messungen enthielt und ferner einen Kondensator 52 mit konstanter Kapazität von 94 nF wurden in einer zweiten Serie von Messungen noch andere Arten von Fremdkörpern in das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Litz-Wire-Antenne 47 angeordnet und jeweils eine zugeordnete Mess-Frequenzkennlinie aufgenommen. Die Ergebnisse, d. h. eine Referenz-Frequenzkennlinie 606 und die erste bis fünfte Mess-Frequenzkennlinien 606 bis 616, sind in den 8 und 9 gezeigt. Die zweite Serie von Messungen zielte darauf ab, zum einen Mess-Frequenzkennlinien von verschiedenen Metallsorten und andererseits Mess-Frequenzkennlinien für verschiedene Positionen eines selben Gegenstands in Bezug auf die Sendespule aufzunehmen und in den aufgenommenen Frequenzkennlinien Merkmale zu identifizieren, die eine Unterscheidbarkeit der Metallsorte oder der Position ermöglichen.

Den in den 8 und 9 gezeigten Frequenzkennlinien 606 bis 616 sind folgende Gegenstände bzw. Proben zugeordnet:

Frequenzkennlinie 606:	Referenz-Frequenzkennlinie (ohne Gegenstand)
Frequenzkennlinie 608:	1 EUR Münze, mittig auf Spule 47
Frequenzkennlinie 610:	Google Nexus 5 mit Ladeempfangsspule
Frequenzkennlinie 612:	Aluminiumblech
Frequenzkennlinie 614:	1 EUR Münze, mittig auf Spule 47
Frequenzkennlinie 616:	1 EUR Münze, am Rand der Spule 47

In der zweiten Serie von Messungen wurden insgesamt Mess-Frequenzkennlinien von den vorgenannten und noch weiteren Gegenständen aufgenommen. Zur Charakterisierung der Mess-Frequenzkennlinien wurden daraus die Parameter Resonanzfrequenz f_res (siehe 402 in 6) und maximale Amplitude A₀ (siehe 404 in 6) abgelesen. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Messwerte aus der zweiten Serie von Messungen

Probe-Nr	Gegenstand	Frequenz-kenn linie	f_res [kHz]	A₀ [dB]
0	Ohne (Referenz)	606	119	–19
1	1 EUR Münze mittig	614	139	–33
2	2 EUR Münze mittig		146	–29
3	50 EUR Cent mittig		143	–32
4	Google Nexus 5 mit Ladeempfangsspule	610	110	–36
5	Aluminiumblech	612	225	–34
6	Weißblech		150	–19
7	Kupferblech		173	–30
8	Aluminiumfolie		123	–25
0	Ohne (Referenz)	606	119	–19
9	1 EUR Münze mittig	614	139	–33
10	1 EUR Münze zwischen Mitte und Rand		135	–34
11	1 EUR Münze am Rand	616	128	–34

Aus einem Vergleich der Messergebnisse für die Proben Nr. 0 und 1 bis 8 ist zu erkennen, dass die Resonanzfrequenz des Senderesonanzkreises mit der durch das Vorhandensein des Proben-Gegenstandes im Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Litz-Wire-Antenne 47 veränderten Induktivität für jeden Gegenstand einen anderen Wert hat. Dies deutet an, dass es möglich sein sollte, auf der Grundlage einer Bestimmung der Resonanzfrequenz auf die Art des Gegenstandes und/oder die Metallsorten von in dem Gegenstand enthaltenem Metall zu schließen.
Aus einem Vergleich der Messergebnisse für die Proben Nr. 0 und 9 bis 11 ist zu erkennen, dass der Einfluss des Gegenstandes auf die Frequenzkennlinie kontinuierlich mit dem Abstand des Gegenstandes von der Sendespule 46 abnimmt. Mitzunehmendem Abstand (Probe 9 → 10 → 11) nimmt die Resonanzfrequenz f_res und ebenso auch die maximale Amplitude A₀ kontinuierlich ab. Dies deutet an, dass es möglich sein sollte, auf der Grundlage einer Bestimmung von zumindest der hier untersuchten Parameter Resonanzfrequenz f_res und maximale Amplitude A₀ in kurzen zeitlichen Abständen bei einer einsetzenden kontinuierlichen Veränderung auf eine Annäherung eines ein Metall enthaltenden Gegenstand zu schließen.
Die die Auswerteeinrichtung 82 ist operativ mit der Ausgabeeinrichtung 88 gekoppelt. Die Ausgabeeinrichtung 88 ist dazu ausgebildet, wenn die Auswerteeinrichtung 82 detektiert hat, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 ein Gegenstand vorhanden ist, ein Hinweissignal 90 auszugeben, das auf diesen detektierten Umstand hinweist. Wenn eine Unterscheidbarkeit von Gegenständen möglich ist, etwa durch empirisch ausgetestete Auswertealgorithmen bzw. Auswertungskriterien, kann die Ausgabeeinrichtung 88 dazu ausgebildet sein, dass wenn die Auswerteeinrichtung 82 detektiert hat, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 ein Metall enthaltender Fremdkörper 26, der von einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung 100 von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist, ein anderes Hinweissignal 90 auszugeben, das auf diesen detektierten Umstand hinweist. Das Ausgabesignal kann eine Ausgabe (wie etwa eine Schriftausgabe) auf einer Anzeigeeinrichtung, ein optisches Signal oder auch ein akustisches Signal sein. Wenn ein Benutzer das Hinweissignal wahrnimmt, kann er den (erkannten) Fremdkörper 26 aus dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule 46 entfernen.
Die Referenz-Frequenzkennlinie 506, 606, der erste und zweite, vorbestimmte Resonanzfrequenzschwellwert 524 und 526, der erste und zweite, vorbestimmte Güteschwellwert 528 und 530 und gegebenenfalls andere für die Erkennung eines Gegenstands, die Erkennung eines Fremdkörpers und/oder die Unterscheidung von Gegenständen geeignete Größen oder Schwellwerte sind in der Speichereinrichtung 86 gespeichert. Der zweite Resonanzfrequenzschwellwert 526 jedenfalls ist größer als der erste Resonanzfrequenzschwellwert 524 und der zweite Güteschwellwert 530 größer als der erste Güteschwellwert 528, so dass Bandbreiten für die Resonanzfrequenz und/oder die Güte definiert und vorbestimmt sein können.
Anhand der ersten Messserie wurde beispielhaft gezeigt, dass die Auswerteeinrichtung 82 so ausgebildet werden kann, dass wenn die Resonanzfrequenz 520 größer als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert 526 und die Güte 522 kleiner als der erste Güteschwellwert 528 ist, darauf zu schließen bzw. zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 ein ein Metall enthaltender Fremdkörper 26, der von einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung 300 von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist.
Ebenfalls beispielhaft gezeigt wurde dass die Auswerteeinrichtung 82 dazu ausgebildet werden kann, wenn die Resonanzfrequenz 520 größer als der erste 524 und kleiner als der zweite 526 Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte 522 größer als der zweite Güteschwellwert 530 ist, darauf zu schließen bzw. zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 eine mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 von einer der vorbestimmten Arten vorhanden ist.
Die mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 wird in induktive Kopplung 12 mit einer Ladevorrichtung 20, d. h. in das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 22 der Sendespule 64 der Ladevorrichtung 20 gebracht, wie in 1 angedeutet, um Energie über diese Kopplung zu übertragen. Typischerweise verwendet die Einrichtung 300 die übertragene Energie zum Aufladen einer in ihr enthaltenen, aufladbaren Batterie 126.
Das Prinzip der Fremdkörper-Erkennung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine Ladevorrichtung 20 oder 120 (siehe 1 und 2) realisiert werden, die eine relativ kleine Leistung übertragen soll, wie etwa zu einer relativ kleinen, mobilen Einrichtung 300, die ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audiowiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, sein kann. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch in einer Ladevorrichtung 220 realisiert werden, die eine relativ große Leistung übertragen soll (siehe 3), beispielsweise wenn die Einrichtung 300 ein Elektrofahrzeug und die aufladbare Batterie 326 eine Fahrbatterie des Elektrofahrzeugs ist.
Gemäß dem Prinzip der induktiven Kopplung umfasst die Einrichtung 300 eine Empfangsspule 302 zum „Einfangen” eines Teils des Flusses des von der Sendespule 64 der Ladevorrichtung 20 erzeugten und ausgesendeten, magnetischen Wechselfeldes. Weil die Empfangsspule 302 Energie in der Form einer durch das magnetische Wechselfeld induzierten, elektrischen Wechselspannung bereitstellt, ist es erforderlich, die in der Empfangsspule 302 erzeugte Wechselspannung in eine elektrische Gleichspannung umzuwandeln, so wie dies zum Aufladen einer Batterie 326 erforderlich ist. Dazu umfasst die Einrichtung 300 einen Gleichrichter 316. Der Gleichrichter 316 hat einen ersten und einen zweiten Wechselspannungseingang 318 und 320 sowie einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsausgang 322 und 324. Die Empfangsspule 302 ist in Reihe zwischen dem ersten Wechselspannungseingang 318 und dem zweiten Wechselspannungseingang 320 geschaltet. Die aufladbare Batterie 326 ist in Reihe zwischen dem ersten Gleichspannungsausgang 322 und dem zweiten Gleichspannungsausgang 324 geschaltet.
Ähnlich wie ein Senderesonanzkreis 64, der auf eine vorbestimmte Sendefrequenz abgestimmt ist, in der Ladevorrichtung 20 vorgesehen ist, hat auch die mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 einen Empfangsresonanzkreis 314, der die Empfangsspule 302 und einen Empfangskreiskondensator 308 umfasst. Der Empfangskreiskondensator 308 kann mit der Empfangsspule 302 in Reihe geschaltet sein, so wie dies in der 1 gezeigt ist, oder er kann parallel zu der Empfangsspule 302 geschaltet sein (nicht gezeigt), um den Empfangsresonanzkreis 314 auszubilden. Die Induktivität der Empfangsspule 302 und die Kapazität des Empfangskreiskondensators 308 werden so aufeinander abgestimmt, dass eine Resonanzfrequenz des Empfangsresonanzkreises 314 (Reihen- oder Parallelschaltung der Empfangsspule 302 und des Empfangskreiskondensators 308) im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz Senderesonanzkreises 64 der Ladevorrichtung 20 ist. Wenn die Empfangsfrequenz auf die Sendefrequenz abgestimmt ist, ist die induktive Kopplung besonderes effizient im Hinblick auf die von der Einrichtung 300 empfangbare Leistung.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform eines Batterieladesystems sind sowohl die Sendespule 246 der Ladevorrichtung 220 (die weiter unten beschrieben wird) als auch die Empfangsspule 302 in der Form von Litz-Wire-Antennen ausgestaltet. Des Weiteren ist eine Form eines die Sendespule 297 umgebendes Gehäuseabschnitts der Ladevorrichtung 220 und die Form der das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 222 begrenzende Wandung 224 angepasst an eine Form eines Gehäuseabschnitts der Einrichtung 300, der zum Herstellen der induktiven Kopplung der Spulen 297 und 302 in das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet 222 eingebracht wird. Auf diese Weise kann die Litz-Wire-Antennen-förmige Empfangsspule 302 relativ nahe an die ebenso geformte Sendespule 297 herangebracht werden, wodurch eine effektive induktive Kopplung und Energieübertragung erzielt wird.
Typischerweise bilden eine Ladevorrichtung 20 und eine von dieser mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 mit einer aufladbaren Batterie 326 ein Batterieladesystem 10, bei dem sowohl mechanische Parameter, wie etwa die Form des Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiets 22 und die Form der dieses mit definierenden Wandung 24 an die Form eines Gehäuseabschnitts der Einrichtung 300, als auch elektrische Parameter, etwa die Empfangsfrequenz des Empfangsresonanzkreises 314 an die Sendefrequenz des Senderesonanzkreises 64, die Sendeleistung an die Empfangsleistung und die Wechselstromstärke in der Ladevorrichtung 20 an die induzierte Stromstärke in der Einrichtung 300, aneinander angepasst sind.
Nachdem anhand der 5 bis 9 Möglichkeiten der Auswertung von Parametern, die aus Mess-Frequenzkennlinien und/oder deren Änderung in Bezug auf eine Referenz-Frequenzkennlinie bestimmt werden können, beispielhaft beschrieben worden sind, werden nachfolgend noch anhand der 2 und 3 weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung (Ausführungsformen) einer Ladevorrichtung 120 und 220, respektive, die sich von der Ladevorrichtung 20 aus der 1 unterscheiden, beschrieben.
Die in der 2 gezeigte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 20 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten Ausführungsform in der Ausgestaltung des Wechselstromerzeugungs- und Frequenzsweepsystems einschließlich der zugehörigen Steuereinrichtung. Die bereits anhand der 1 beschriebene Funktionsweisen der Auswerteeinrichtung 82, der Speichereinrichtung 86 und der Ausgabeeinrichtung 88 sind in der Ausführungsform der 2 im Wesentlichen die gleichen, so dass die Auswerteeinrichtung 182, die Speichereinrichtung 186 und die Ausgabeeinrichtung 188 der Ladevorrichtungen 120 nicht näher beschrieben werden.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Wechselstromerzeugungs- und Frequenzsweepsystem einen Stromgenerator 128 mit einem Ausgangsanschluss 130, der einen Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz erzeugt und an dem Ausgangsanschluss 130 bereitstellt, einen gesonderten Wechselstromgenerator mit Frequenzsweepfunktion (Sweep-Generator) 158, der einen Wechselstrom mit einer zeitvariablen Frequenz, die beispielsweise einen sägezahnförmigen Zeitverlauf der Frequenz aufweist, erzeugt und an dem Sweepgeneratorausgang 162 bereitstellt. Das System umfasst ferner eine Umschalteinrichtung 160, die zwei Eingänge und einen Ausgang hat und in der Lage ist, wahlweise und umschaltbar den einen oder den anderen Eingang „auf den Ausgang zu schalten” (d. h. mit dem Ausgang zu verbinden), wobei der eine Eingang mit dem Ausgangsanschluss 130 des Stromgenerators 128 und der andere Eingang mit dem Sweepgeneratorausgang 162 des Sweep-Generators 158 verbunden ist. Das System umfasst noch ferner einen Verstärker 136, der einen über seinen Eingang 138 zugeführten Wechselstrom verstärkt und zwischen seinem ersten und zweiten Ausgang 142 und 144 einen verstärkten Wechselstrom bereitstellt. Der Eingang 138 des Verstärkers 136 ist mit dem Ausgang der Umschalteinrichtung 160 verbunden, so dass dem Eingang 138 mittels der Umschalteinrichtung 160 wahlweise und umschaltbar entweder der vom Stromgenerator 128 bereitgestellte Wechselstrom mit konstanter Frequenz oder der vom Sweepgenerator 158 bereitgestellte Wechselstrom mit zweitvariabler Frequenz zugeführt werden kann.
Das System umfasst noch ferner einen Senderesonanzkreis 164, in den der verstärkte (und hinsichtlich der Zeitabhängigkeit der Frequenz umschaltbare) Wechselstrom einspeist wird. Der Aufbau des Senderesonanzkreises 164 der Ladevorrichtung 120 entspricht dem des Senderesonanzkreises 64 der Ladevorrichtung 20 aus der 1. Durch die Umschaltbarkeit kann jedoch der Senderesonanzkreis 164 in verschiedenen Modi betrieben werden. Wenn die Umschalteinrichtung 160 den Ausgang des Wechselstromgenerators 128, d. h. einen Wechselstrom mit zeitkonstanter Frequenz zum Verstärker 136 durchleitet, arbeitet der Senderesonanzkreis 164, um Energie an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (in 2 nicht gezeigt) zu übertragen. Wenn die Umschalteinrichtung 160 den Ausgang des Sweep-Generators 158, d. h. einen Wechselstrom mit zeitvariabler Frequenz zum Verstärker 136 durchleitet, arbeitet der Senderesonanzkreis 164 in einem Frequenzsweep-Modus, der für die erfindungsgemäße Gegenstandserkennung und/oder Fremdkörpererkennung durch Auswertung einer Mess-Frequenzkennlinie ermöglicht.
Die in der 3 gezeigte dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 220 unterscheidet sich ebenfalls von der in der 1 gezeigten Ausführungsform in der Ausgestaltung des Wechselstromerzeugungs- und Frequenzsweepsystems einschließlich der zugehörigen Steuereinrichtung. Die bereits anhand der 1 beschriebenen Funktionsweisen der Auswerteeinrichtung 82, der Speichereinrichtung 86 und der Ausgabeeinrichtung 88 sind in der Ausführungsform der 3 im Wesentlichen die gleichen, so dass die Auswerteeinrichtung 282, die Speichereinrichtung 286 und die Ausgabeeinrichtung 288 der Ladevorrichtungen 220 nicht näher beschrieben werden.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Wechselstromerzeugungs- und Frequenzsweepsystem einen gesonderten Teil (Elemente 228, 236, 260, 274 und 246) für die Erzeugung eines Frequenzsweeps an einer gesonderten Sendespule 246, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Gegenstandserkennung und Fremdkörpererkennung verwendet wird, und einen Teil (Elemente 291, 293, 297 und 299) für die Erzeugung eines Leistungswechselstroms und zur Übertragung von Energie, insbesondere Energie mit hoher Leistung, zur Versorgung einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung 300, insbesondere bei einer hohen Leistung, so wie dies beispielsweise im Falle eines Elektrofahrzeugs zur Aufladung von dessen Fahrbatterie erforderlich ist.
Der gesonderte Teil für die Erzeugung eines Frequenzsweeps umfasst einen Stromgenerator 228 mit Frequenzsweepfunktion und mit einem Ausgangsanschluss 230, der einen Wechselstrom mit einer zeitvariablen Frequenz, die beispielsweise einen sägezahnförmigen Zeitverlauf der Frequenz aufweist, erzeugt und an dem Ausgangsanschluss 230 bereitstellt, einen Verstärker 236, der einen über seinen Eingang 238 zugeführten Wechselstrom verstärkt und zwischen seinem ersten und zweiten Ausgang 242 und 244 einen verstärkten Wechselstrom bereitstellt und in einen Senderesonanzkreis 264 einspeist. Dabei ist der Eingang 238 des Verstärkers 236 mit dem Ausgang 230 des Stromgenerators 228 verbunden. Der Aufbau des Senderesonanzkreises 264 der Ladevorrichtung 220 entspricht dem des Senderesonanzkreises 64 der Ladevorrichtung 20 aus der 1 mit Ausnahme der Ausgestaltung der Sendespule 264 zur Aussendung des magnetischen Wechselfeldes mit Frequenzsweep.
In der in der 3 gezeigte Ausführungsform der Ladevorrichtung 220 ist die Sendespule 246 kreisringförmig ausgebildet. Dabei umringt die Sendespule 246 eine Leistungssendespule 297, die zu dem Teil für die Erzeugung eines Leistungswechselstroms und zur Übertragung von Energie mit hoher Leistung gehört. Im Übrigen entspricht der gesonderte Teil für die Erzeugung eines Frequenzsweeps in der 3 dem anhand der 1 beschriebenen Wechselstrom- und Sweepgeneratorsystem. Die Sendespule 246 dient dazu, das mit zeitvariabler Frequenz modulierte magnetische Wechselfeld zu erzeugen, dass für die erfindungsgemäße Gegenstands- und Fremdkörpererkennung erforderlich ist.
Der Teil für die Erzeugung eines Leistungswechselstroms und zur Übertragung von Energie, insbesondere Energie mit hoher Leistung umfasst Leistungsstromgenerator 291 mit einem Leistungsgeneratorausgang 292 und zur Erzeugung eines Wechselstrom, insbesondere einen mit hoher Leistung, einen Leistungsverstärker 293, dem der an dem Leistungsgeneratorausgang 292 bereitgestellte Wechselstrom zugeführt wird und der zur Verstärkung des von dem Leistungsstromgenerator 291 erzeugten Wechselstroms dient, um einen noch weiter verstärkten Wechselstrom mit noch höher Leistung zu erzeugen und zwischen seinem ersten und zweiten Ausgang 294 und 295 bereitzustellen. Der Teil zur Übertragung von Energie umfasst ferner einen Leistungssenderesonanzkreis 296, der eine Leitungssendespule 297 und einen Leistungskondensator 299 umfasst. Der Leitungssendespule 297 und der Leistungskondensator 299 sind in Reihe geschaltet und die Induktivität der Spule 297 und die Kapazität des Kondensators 299 sind so gewählt, dass der Leistungssenderesonanzkreis 296 auf eine Sendefrequenz abgestimmt ist, die der Empfangsfrequenz der zur induktiven Ankopplung vorgesehenen, mit Energie zu versorgenden Einrichtung 300 entspricht. Die Leitungssendespule 297 ist, beispielsweise gemäß dem bekannten und eingangs genannten Qi-Standard des WPC Firmenkonsortiums, als im Wesentlichen scheibenförmige und mit spiralförmig gewickeltem Leitungsdraht geformte Litz-Wire-Anordnung 298 ausgebildet. Die Die Leitungssendespule 297 dient dazu, ein magnetisches Wechselfeld mit zeitkonstanter Frequenz und mit hoher Energiedichte bzw. Leistung auszusenden an die mit Energie zu versorgende Einrichtung 300 in bekannter Weise zu übertragen.
In dem Senderesonanzkreis 64, 164, 264 einer Ladevorrichtung 20, 120, 220 kann der Kondensator mit der Sendespule 46, 146, 246 in einer Reihenschaltung geschaltet sein, so wie dies in den 1 bis 3 gezeigt ist. Alternativ kann der Kondensator mit der Sendespule auch in einer Parallelschaltung geschaltet sein (nicht gezeigt). In beiden Fällen können der Wert der Kapazität des Kondensators 52 und der Wert der Induktivität der Sendespule 64 so aufeinander abgestimmt werden, dass der Senderesonanzkreis (mit Reihen- oder Parallelschaltung von Sendespule und Kondensator) eine vorbestimmte Resonanzfrequenz (Sendefrequenz) aufweist, die auf die Empfangsfrequenz eines Empfangsresonanzkreises einer vorgesehenen, mit Energie zu versorgenden Einrichtung 300 abgestimmt ist.
Bezugszeichenliste

10: Batterieladesystem
12: induktive Kopplung
20: Ladevorrichtung
22: Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet
24: Wandung
26: Fremdkörper
28: Wechselstrom- und Sweepgenerator
30: erster Ausgangsanschluss
32: zweiter Ausgangsanschluss
34: Generatorsteuereingang
36: Verstärker
38: erster Eingang
40: zweiter Eingang
42: erster Ausgang
44: zweiter Ausgang
45: Verstärkersteuereingang
46: Sendespule
47: Litz-Wire-Anordnung
48: erster Anschluss
50: zweiter Anschluss
52: Kondensator
54: erster Anschluss
56: zweiter Anschluss
64: Senderesonanzkreis
66: Spannungsmesseinrichtung
68: erster Anschluss
70: zweiter Anschluss
72: Spannungsmesssignalleitung
74: Strommesseinrichtung
76: erster Anschluss
78: zweiter Anschluss
80: Strommesssignalleitung
82: Auswerteeinrichtung
84: Steuereinrichtung
86: Speichereinrichtung
88: Ausgabeeinrichtung
90: Ausgabesignal
120: Ladevorrichtung
128: Wechselstromgenerator
130: Ausgangsanschluss
134: Generatorsteuereingang
136: Verstärker
138: Eingang
142: erster Ausgang
144: zweiter Ausgang
145: Verstärkersteuereingang
146: Sendespule
147: Litz-Wire-Anordnung
148: erster Anschluss
150: zweiter Anschluss
152: Kondensator
154: erster Anschluss
156: zweiter Anschluss
158: Sweep-Generator
160: Umschalteinrichtung
162: Sweepgeneratorausgang
163: Sweep-Steuereingang
164: Senderesonanzkreis
166: Spannungsmesseinrichtung
168: erster Anschluss
170: zweiter Anschluss
172: Spannungsmesssignalleitung
174: Strommesseinrichtung
180: Strommesssignalleitung
182: Auswerteeinrichtung
184: Steuereinrichtung
186: Speichereinrichtung
188: Ausgabeeinrichtung
190: Ausgabesignal
220: Ladevorrichtung
222: Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet
224: Wandung
228: Wechselstrom- und Sweepgenerator
230: Ausgangsanschluss
234: Generatorsteuereingang
236: Verstärker
238: Eingang
242: erster Ausgang
244: zweiter Ausgang
245: Verstärkersteuereingang
246: Sendespule
248: erster Anschluss
250: zweiter Anschluss
252: Kondensator
254: erster Anschluss
256: zweiter Anschluss
264: Senderesonanzkreis
266: Spannungsmesseinrichtung
268: erster Anschluss
270: zweiter Anschluss
272: Spannungsmesssignalleitung
274: Strommesseinrichtung
276: erster Anschluss
278: zweiter Anschluss
280: Strommesssignalleitung
282: Auswerteeinrichtung
284: Steuereinrichtung
286: Speichereinrichtung
288: Ausgabeeinrichtung
290: Ausgabesignal
291: Leistungsstromgenerator
292: Leistungsgeneratorausgang
293: Leistungsverstärker
294: erster Ausgang
295: zweiter Ausgang
296: Leistungssenderesonanzkreis
297: Leitungssendespule
298: Litz-Wire-Anordnung
299: Leistungskondensator
300: mit Energie zu versorgende Einrichtung
302: Empfangsspule
304: erster Anschluss
306: zweiter Anschluss
308: Empfangskreiskondensator
310: erster Anschluss
312: zweiter Anschluss
314: Empfangsresonanzkreis
316: Gleichrichter
318: erster Wechselspannungseingang
320: zweiter Wechselspannungseingang
322: erster Gleichspannungsausgang
324: zweiten Gleichspannungsausgang
326: Batterie
328: erster Anschlusspol
330: zweiter Anschlusspol
400: Frequenzkennlinie
402: Resonanzfrequenz
404: Amplitude bei Resonanzfrequenz
406: Auswertungsniveau
408: erste Frequenz
410: zweite Frequenz
500: Messfrequenz
502: Frequenzbereich
504: Amplitude bei Messfrequenz
506: Referenz-Frequenzkennlinie
510: erste Mess-Frequenzkennlinie
512: zweite Mess-Frequenzkennlinie
520, f_res: Resonanzfrequenzmesswert
522, Q: Gütemesswert
524: erster Resonanzfrequenzschwellwert
526: zweiter Resonanzfrequenzschwellwert
528: erster Güteschwellwert
530: zweiter Güteschwellwert
540: Probe 0 (Referenzmessung)
542: Probe 1
544: Probe 2
546: Probe 3
548: Probe 4
550: Probe 5
552: Probe 6
554: Probe 7
556: Probe 8
600: Messfrequenz
602: Frequenzbereich
604: Amplitude bei Messfrequenz
606: Referenz-Frequenzkennlinie
608: erste Mess-Frequenzkennlinie
610: zweite Mess-Frequenzkennlinie
612: dritte Mess-Frequenzkennlinie
614: vierte Mess-Frequenzkennlinie
616: fünfte Mess-Frequenzkennlinie

Claims

Ladevorrichtung (20) zur induktiven Energieübertragung an eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) mit einer aufladbaren Batterie (326), die Ladevorrichtung (20) aufweisend: einen Wechselstrom- oder Wechselspannungsgenerator (28), der dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Wechselstrom oder eine elektrische Wechselspannung mit einer in einem vorbestimmten Frequenzbereich (502, 602) zeitvariablen Frequenz (500, 600) und einer der zeitvariablen Frequenz zugeordneten, vorbestimmten Strom- oder Spannungsamplitude zu erzeugen und einem eine Sendespule (46) enthaltenden Senderesonanzkreis (64) zu beaufschlagen, die Sendespule (46), durch die hindurch ein Wechselstrom führbar oder an der eine Wechselspannung anlegbar ist und die dazu ausgebildet ist, ein unter Wirkung des hindurchgeführten Wechselstroms oder eines von der angelegten Wechselspannung getriebenen Wechselstroms erzeugtes, magnetisches Wechselfeld, dessen Feldstärke mit der zeitvariablen Frequenz (500, 600) variiert, in ein vorbestimmtes Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) abzustrahlen, gekennzeichnet durch eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (74, 66), die dazu ausgebildet ist, als Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) eine Abhängigkeit einer Amplitude (504, 604) eines durch die Sendespule (46) fließenden Mess-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule (46) anliegenden Mess-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz (500, 600) zu messen, und eine Auswerteeinrichtung (82), die dazu ausgebildet ist, (a) eine Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) hinsichtlich eines oder mehrerer, aus den folgenden ausgewählten, charakteristischen Merkmale auszuwerten: (i) eine Gesamtinduktivität des Senderesonanzkreises (64), (ii) eine Resonanzfrequenz (402, 520) des Senderesonanzkreises (64), (iii) eine Strom- oder Spannungsamplitude (404) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei der Resonanzfrequenz (402), (iv) eine Strom- oder Spannungsamplitude (504, 604) des gemessenen Wechselstroms oder der gemessenen Wechselspannung bei einer vorbestimmten, in dem Frequenzbereich (502, 502) enthaltenen Messfrequenz (500, 600), (v) eine aus der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) bestimmte Güte (522) des Senderesonanzkreises, (vi) eine parametrisierbare Form einer Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) in dem vorbestimmten Frequenzbereich (502, 602) und (vii) eine Korrelation der Mess-Frequenzkennlinie (510–512, 608–616) mit einer Referenz-Frequenzkennlinie (506, 606), die eine Abhängigkeit eines durch die Sendespule (46) fließenden Referenz-Wechselstroms und/oder einer an der Sendespule anliegenden Referenz-Wechselspannung von der zeitvariablen Frequenz darstellt, wobei die Referenz-Frequenzkennlinie (506, 606) unter einer Bedingung gemessen worden ist, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) im Wesentlichen frei von einem Gegenstand ist, und (b) basierend auf einer Auswertung von mindestens einem der charakteristischen Merkmale (i) bis (vii) auf ein Vorhandensein eines ein Metall enthaltenden Gegenstands (26) in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) zu schließen, wobei die Auswerteeinrichtung (82) dazu ausgebildet ist, zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) einer vorbestimmten Art, beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audio-Wiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper (26), wie etwa eine Münze, eine Metallfolie, ein Metallring und/oder eine Büroklammer, vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (82) dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Auswertung der Änderung der Resonanzfrequenz (402, 520) und/oder der Güte (522) zu detektieren und/oder zu unterscheiden, ob in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) einer vorbestimmten Art oder ein andersartiger, ein Metall enthaltender Fremdkörper (26) vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinrichtung (86) ein erster und zweiter, vorbestimmter Resonanzfrequenzschwellwert (524, 526) sowie ein erster und zweiter, vorbestimmter Güteschwellwert (528, 530) gespeichert sind, wobei der zweite Resonanzfrequenzschwellwert (526) größer als der erste Resonanzfrequenzschwellwert (524) und der zweite Güteschwellwert (530) größer als der erste Güteschwellwert (528) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (82) dazu ausgebildet ist, wenn die Resonanzfrequenz (402, 520) größer als der zweite Resonanzfrequenzschwellwert (526) und die Güte (522) kleiner als der erste Güteschwellwert (528) ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) ein ein Metall enthaltender Fremdkörper (26), der von einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung (300) von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (82) dazu ausgebildet ist, wenn die Resonanzfrequenz (402, 520) größer als der erste (524) und kleiner als der zweite (526) Resonanzfrequenzschwellwert und die Güte (522) größer als der zweite Güteschwellwert (530) ist, zu detektieren, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) von einer der vorbestimmten Arten vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinrichtung (88), die operativ mit der Auswerteeinrichtung (82) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, wenn die Auswerteeinrichtung (82) detektiert hat, dass in dem Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) ein ein Metall enthaltender Fremdkörper (26), der von einer mit Energie zu versorgenden Einrichtung (300) von einer der vorbestimmten Arten verschieden ist, vorhanden ist, ein Hinweissignal (90) auszugeben, das auf diesen detektierten Umstand hinweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld-Bestrahlungsraumgebiet (22) zumindest abschnittsweise mittels einer mechanischen Wandung (24) begrenzt ist, wobei insbesondere die Wandung (24) eine Form eines Kugelabschnitts, eines Ellipsoidabschnitts, eines Konus, einer Schale oder einer planaren Fläche hat.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner gekennzeichnet durch einen Kondensator (52) mit einer Kapazität, der mit der Sendespule (46) in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung geschaltet ist und wobei der Wert der Kapazität und der Wert der Induktivität so aufeinander abgestimmt sind, dass diese Reihen- oder Parallelschaltung eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist.
Mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) mit einer aufladbaren Batterie (326), ausgebildet zur Verwendung in induktiver Kopplung mit einer Ladevorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Einrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein Audiowiedergabegerät, wie etwa ein MP3-Player, ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Elektrofahrzeug ist, wobei die aufladbare Batterie (326) eine Fahrbatterie des Elektrofahrzeugs ist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch einen Gleichrichter (316), der einen ersten und zweiten Wechselspannungseingang (318, 320) und einen ersten und zweiten Gleichspannungsausgang (322, 324) aufweist, und eine Empfangsspule (302), die in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Wechselspannungseingang (318, 320) geschaltet ist, aufweist, wobei die aufladbare Batterie (326) in Reihe zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsausgang (322, 324) schaltbar ist.
Batterieladesystem (10), aufweisend eine Ladevorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Ladevorrichtung (20) zur induktiven Übertragung von Energie zu der Einrichtung (300), insbesondere zum Aufladen von deren Batterie (326), ausgebildet ist.
Batterieladesystem gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (20) gemäß Anspruch 8 ausgebildet ist und dass die mit Energie zu versorgende Einrichtung (300) einen Empfangskreiskondensator (308) umfasst, der mit der Empfangsspule (302) in Reihe oder parallel geschaltet ist, wobei eine Induktivität der Empfangsspule (302) und eine Kapazität des Empfangskreiskondensators (308) so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Empfangsspule (302) und des Empfangskreiskondensators (308) im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Reihen- oder Parallelschaltung der Sendespule (46) und des Kondensators (52) der Ladevorrichtung (20) ist.