-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung gemäß Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4.
-
Stand der Technik
-
Vorrichtungen und Verfahren zur induktiven Energieübertragung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Vorrichtungen dienen zum Aufladen von Akkumulatoren elektrischer Kleingeräte. Zur Energieübertragung zwischen einer Sendeeinheit (Ladestation) und einer Empfangseinheit (Akkumulatorpack) dient dabei ein magnetisches Feld.
-
Bekannte Vorrichtungen zur induktiven Energieübertragung sind üblicherweise als Resonanzwandler ausgeführt. Resonanzwandler bestehen im Wesentlichen aus einem Resonanzkondensator und einer Resonanzinduktivität, die einen Resonanztransformator bilden. Die Resonanzfrequenz des Resonanztransformators wird durch den Resonanzkondensator und die Resonanzinduktivität bestimmt. Damit Energie von der Ladestation an die Empfangseinheit übertragen werden kann, ist eine induktive Kopplung zwischen der Resonanzinduktivität der Ladestation und einer Spule der Empfangseinheit erforderlich. Diese induktive Kopplung besteht in der Regel über kurze Distanzen von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern. Im Fall einer resonanten induktiven Kopplung kann der Abstand zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit unter Beibehaltung eines relativ hohen Wirkungsgrads vergrößert werden.
-
Der geometrisch definierte und räumlich begrenzte Bereich, in dem die Energieübertragung über die resonante induktive Kopplung mit einem noch hinreichend guten Wirkungsgrad stattfinden kann, wird als Schnittstelle bezeichnet. Beim induktiven Laden ist es nicht auszuschließen, dass im Bereich der Schnittstelle Fremdobjekte zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit gelangen. Je nach Werkstoff, Geometrie und Lage des Fremdobjekts innerhalb des zur Energieübertragung genutzten magnetischen Wechselfelds kann sich das Fremdobjekt sehr stark erhitzen. Aufgrund der physikalisch bedingten induzierten Spannung im Fremdobjekt ergeben sich Wirbelstromverluste und, vor allem bei ferromagnetischen Materialien, Ummagnetisierungs- und Hystereseverluste.
-
Es ist bekannt, die Schnittstelle zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit konstruktiv geometrisch so auszugestalten, dass ein versehentliches Einbringen von Fremdobjekten erschwert wird. Aus der
DE 10 2005 045 360 A1 ist außerdem bekannt, eine Frequenz einer Versorgungsspannung einer Sendeeinheit bei Vorhandensein eines Fremdobjekts so anzuheben, dass eine Schwingungsamplitude im Sende-Schwingkreis der Sendeeinheit trotz des Fremdobjekts einen maximalen Wert annimmt. Das Fremdobjekt wird dabei unter Umständen allerdings auf eine hohe Temperatur aufgeheizt, was eine Beschädigung des Fremdobjekts, der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit zur Folge haben kann. Auch droht eine Verletzungsgefahr für in der Umgebung anwesende Personen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung umfasst einen Schwingkreis, der eine Induktivität und eine Kapazität aufweist, ein Leistungsbauteil zum Anregen einer elektrischen Schwingung im Schwingkreis, und eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Eingangsstroms des Leistungsbauteils. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern. Vorteilhafterweise ist diese Vorrichtung ausgebildet, ein Vorhandensein auch kleiner Fremdobjekte im Bereich der Schnittstelle zuverlässig zu erkennen. Dazu wird die Erkenntnis genutzt, dass eine im Fremdobjekt absorbierte Leistung, und somit ein Leistungsverlust, mit steigender Frequenz des magnetischen Wechselfelds zunimmt. Daher ist das Vorhandensein eines Fremdobjekts zuverlässiger detektierbar, wenn zur Fremdobjekterkennung eine Frequenz verwendet wird, die deutlich höher als eine zur Energieübertragung genutzte Frequenz liegt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung ausgebildet, eine Kapazität des Schwingkreises zu verändern. Vorteilhafterweise kann das Verändern der Kapazität des Schwingkreises mit geringem schaltungstechnischem Aufwand durch serielles oder paralleles Zuschalten einer zusätzlichen Kapazität erfolgen.
-
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung ausgebildet, eine Induktivität des Schwingkreises zu verändern. Vorteilhafterweise erfordert auch das Verändern einer Induktivität des Schwingkreises nur einen geringen schaltungstechnischen Aufwand.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung weist Schritte auf zum Verändern einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises der Vorrichtung, zum Bestimmen eines Eingangsstroms eines Leistungsbauteils der Vorrichtung, und zum Vergleichen des Eingangsstroms mit einem Schwellwert, um auf ein Vorhandensein eines Fremdobjekts zwischen der Vorrichtung und einem Energieempfänger zu schließen. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren eine zuverlässige Detektion auch kleiner Fremdobjekte. Dadurch werden vorteilhafterweise die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung erhöht.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf das Vorhandensein eines Fremdobjekts zwischen der Vorrichtung und dem Energieempfänger geschlossen, wenn der Eingangsstrom über dem Schwellwert liegt. Vorteilhafterweise ist ein über einem Schwellwert liegender Eingangsstrom des Leistungsbauteils ein zuverlässiger Hinweis auf durch ein Fremdobjekt zwischen der Vorrichtung und dem Energieempfänger absorbierte Energie.
-
Es ist zweckmäßig, dass die Resonanzfrequenz auf einen Wert zwischen 250 kHz und 1 MHz verändert wird. Vorteilhafterweise ist dieser Frequenzbereich deutlich von einem zur Energieübertragung genutzten Frequenzbereich zwischen 25 kHz und 150 kHz entfernt und hat sich in Experimenten als für die Erkennung auch kleiner Fremdobjekte geeignet erwiesen.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Resonanzfrequenz durch Verändern einer Kapazität des Schwingkreises verändert. Vorteilhafterweise kann das Verändern der Kapazität des Schwingkreises mit geringem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden.
-
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Resonanzfrequenz durch Verändern einer Induktivität des Schwingkreises verändert. Vorteilhafterweise ist auch das Verändern einer Induktivität des Schwingkreises mit geringem schaltungstechnischem Aufwand möglich.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren ausgeführt, bevor die Vorrichtung mit einer Energieübertragung zu einem Energieempfänger beginnt. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass ein eventuell zwischen der Vorrichtung und dem Energieempfänger befindliches Fremdobjekt nicht durch eine Energieübertragung aufgeheizt wird.
-
In einer zusätzlichen Weiterbildung des Verfahrens wird dieses während einer Energieübertragung zu einem Energieempfänger periodisch wiederholt ausgeführt. Vorteilhafterweise kann dadurch auch ein nachträgliches Einbringen eines Fremdobjekts in einen Bereich zwischen der Vorrichtung und einem Energieempfänger erkannt werden.
-
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur induktiven Energieübertragung; und
-
2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung des Systems zur induktiven Energieübertragung.
-
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein System 100 zur induktiven Energieübertragung. Das System 100 zur induktiven Energieübertragung umfasst eine Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und einen Energieempfänger 120. Die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung kann beispielsweise ein Ladegerät oder eine Ladeschale sein. Der Energieempfänger 120 kann beispielsweise ein schnurloses elektrisches Kleingerät sein. Beispielsweise kann der Energieempfänger 120 eine elektrische Zahnbürste oder ein Mobiltelefon sein.
-
Die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung ist dazu ausgebildet, einen Energiespeicher des Energieempfängers 120, beispielsweise ein Batteriepack oder ein Akkumulatorpack, ohne eine Kabelverbindung zwischen der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und dem Energieempfänger 120 aufzuladen. Die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung weist hierzu eine Sendeeinheit 111 auf. Der Energieempfänger 120 weist eine Empfangseinheit 121 auf. Die Sendeeinheit 111 und die Empfangseinheit 121 sind so ausgebildet, dass sie einander bis auf einen geringen Abstand angenähert werden können. Im in 1 dargestellten Beispiel sind die Sendeeinheit 111 und die Empfangseinheit 121 mit flachen Oberflächen ausgebildet. Der Energieempfänger 120 kann dadurch auf der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung platziert werden, um die Empfangseinheit 121 der Sendeeinheit 111 anzunähern.
-
Der durch die Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und die Empfangseinheit 121 des Energieempfängers 120 gebildete räumliche Bereich wird als Schnittstelle 130 bezeichnet. Während einer Energieübertragung von der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung auf den Energieempfänger 120 dürfen sich im Bereich der Schnittstelle 130 keine Gegenstände befinden. Anderenfalls könnten diese Gegenstände während der Energieübertragung erhitzt werden, was eine Beschädigung des Gegenstands, der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und/oder des Energieempfängers 120 und eine Verletzungsgefahr für in der Umgebung anwesende Personen zur Folge haben kann. Im in 1 dargestellten Beispiel befindet sich jedoch ein Fremdobjekt 140 im Bereich der Schnittstelle 130 zwischen der Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und der Empfangseinheit 121 des Energieempfängers 120. Das System 100 zur induktiven Energieübertragung muss dieses Fremdobjekt 140 erkennen und eine Energieübertragung zwischen der Vorrichtung 110 und dem Energieempfänger 120 unterbinden, um ein Aufheizen des Fremdobjekts 140 zu verhindern.
-
2 zeigt eine schematisierte Schaltungsanordnung des Systems 100 zur induktiven Energieübertragung. Dargestellt sind Schaltungsteile der Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und Schaltungsteile der Empfangseinheit 121 des Energieempfängers 120.
-
Die Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung umfasst einen Schwingkreis 250 mit einer Sendespule 260 und einem ersten Kondensator 270. Ein erster elektrischer Kontakt des ersten Kondensators 270 ist mit einem Massekontakt 232 verbunden. Ein zweiter Kontakt des ersten Kondensators 270 ist mit einem ersten Kontakt der Sendespule 260 verbunden. Ein zweiter Kontakt der Sendespule 260 ist mit einem Leistungsbauteil 230 verbunden, das im in 2 dargestellten Beispiel als Halbbrücke ausgebildet ist. Das Leistungsbauteil 230 umfasst einen ersten Schalter 233 und einen zweiten Schalter 234. Durch Öffnen des zweiten Schalters 234 und Schließen des ersten Schalters 233 kann der zweite Kontakt der Sendespule 260 mit einem Versorgungsspannungskontakt 231 verbunden werden. Durch Öffnen des ersten Schalters 233 und Schließen des zweiten Schalters 234 kann der zweite Kontakt der Sendespule 260 mit dem Massekontakt 232 verbunden werden.
-
Ein erstes Steuergerät 210 der Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung ist für das Öffnen und Schließen des ersten Schalters 233 und des zweiten Schalters 234 verantwortlich. Das erste Steuergerät 210 kann beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikrocomputer umfassen. Das erste Steuergerät 210 schaltet die Schalter 233, 234 derart, dass zu jedem Zeitpunkt höchstens einer der Schalter 233, 234 geschlossen, also elektrisch leitend ist.
-
Ist der erste Schalter 233 geschlossen, so fließt ein erster elektrischer Strom durch die Sendespule 260 des Schwingkreises 250 und lädt den ersten Kondensator 270 des Schwingkreises 250 auf die am Versorgungsspannungskontakt 231 anliegende elektrische Versorgungsspannung. Wird der erste Schalter 233 geöffnet und der zweite Schalter 234 geschlossen, so fließt ein zweiter elektrischer Strom durch die Sendespule 260, der den ersten Kondensator 270 zum Massekontakt 232 hin entlädt. Durch abwechselndes und periodisches Öffnen und Schließen der Schalter 233, 234 kann somit ein periodischer Wechselstrom im Schwingkreis 250 angeregt werden. Entspricht die Frequenz, mit der das erste Steuergerät 210 die Schalter 233, 234 öffnet und schließt, einer durch die Induktivität der Sendespule 260 und die Kapazität des ersten Kondensators 270 bestimmten Resonanzfrequenz des Schwingkreises 250, so erreicht die Amplitude des im Schwingkreis 250 fließenden elektrischen Wechselstroms ein Maximum.
-
Die Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung weist eine Strommesseinrichtung 240 auf, die zur Bestimmung eines Eingangsstroms des Leistungsbauteils 230 ausgebildet ist. Im in 2 dargestellten Beispiel ist die Strommesseinrichtung 240 zwischen dem ersten Schalter 233 und dem Versorgungsspannungskontakt 231 angeordnet. Die Strommesseinrichtung 240 könnte jedoch beispielsweise auch zwischen dem Leistungsbauteil 230 und der Sendespule 260 angeordnet sein.
-
Der durch die Sendespule 260 fließende elektrische Wechselstrom bewirkt ein durch die Sendespule 260 generiertes magnetisches Wechselfeld im Bereich der Schnittstelle 130. Die Empfangseinheit 121 des Energieempfängers 120 weist eine Empfangsspule 132 auf, die so nahe an der Sendespule 260 der Sendeeinheit 111 angeordnet ist, dass ein durch die Sendespule 260 generiertes magnetisches Wechselfeld einen Wechselstromfluss in der Empfangsspule 122 induziert. Der in der Empfangsspule 122 der Empfangseinheit 121 induzierte Wechselstrom wird durch den Energieempfänger 120 zum Aufladen eines Energiespeichers genutzt.
-
Um Energie zwischen der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und dem Energieempfänger 120 zu übertragen, schaltet das erste Steuergerät 210 das Leistungsbauteil 230 mit einer Frequenz, die beispielsweise zwischen 25 kHz und 150 kHz liegen kann. Dadurch wird im Schwingkreis 250 eine Schwingung mit eben dieser Frequenz angeregt.
-
Befindet sich im Bereich der Schnittstelle 130, wie in 1 dargestellt, ein Fremdobjekt 140, so wird ein Teil der durch die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung ausgesandten Energie durch das Fremdobjekt 140 absorbiert. Das Fremdobjekt 140 heizt sich dadurch auf. In der Folge nimmt ein Eingangsstrom des Leistungsbauteils 230 zu, was mittels der Strommesseinrichtung 240 detektierbar ist. Allerdings kann die durch das Fremdobjekt 140 absorbierte Leistung klein sein, falls das Fremdobjekt 140 selbst klein ist. In diesem Fall kann sich eine Detektion der Zunahme des Eingangstroms des Leistungsbauteils 230 als unzuverlässig erweisen.
-
Die durch das Fremdobjekt 140 absorbierte Energie steigt allerdings mit der Frequenz des durch die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung generierten magnetischen Wechselfelds. Somit wächst auch der durch die Absorption durch das Fremdobjekt 140 bewirkte Anstieg des Eingangsstroms des Leistungsbauteils 230 mit der Frequenz der im Schwingkreis 250 der Sendeeinheit 111 angeregten Schwingung. Der Anstieg des Eingangsstroms des Leistungsbauteils 230 und somit das Vorhandensein des Fremdobjekts 140 sind bei höherer Frequenz leichter detektierbar als bei der niedrigeren Frequenz, die zur Energieübertragung zwischen der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung und dem Energieempfänger 120 genutzt wird.
-
Die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung ist daher ausgebildet, die Frequenz der im Schwingkreis 250 angeregten elektrischen Schwingung zum Zwecke der Erkennung eines eventuellen Vorhandenseins des Fremdobjekts 140 zu erhöhen. Hierzu wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 250 erhöht. Die Sendeeinheit 111 der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung weist einen zweiten Kondensator 280 auf, der mittels eines dritten Schalters 290 dem ersten Kondensator 270 parallel geschaltet werden kann. In einer alternativen Ausführungsform könnte auch eine zusätzliche Spule mit der Sendespule 260 des Schwingkreises 250 in Reihe oder der Sendespule 260 parallel geschaltet werden. Ein zweites Steuergerät 220 ist dazu vorgesehen, den dritten Schalter 290 zu öffnen und zu schließen. Das zweite Steuergerät 220 und das erste Steuergerät 210 können auch als ein gemeinsames Steuergerät ausgebildet sein.
-
Durch das Entfernen des zweiten Kondensators 280 aus dem Schwingkreis 250 (und/oder durch das Einfügen oder Entfernen einer zusätzlichen Induktivität in den Schwingkreis 250) wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 250 zu einer höheren Frequenz verschoben. Die höhere Frequenz kann beispielsweise im Bereich zwischen 250 kHz und 1 MHz liegen. Ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 250 auf den höheren Wert verschoben, so bedient das erste Steuergerät 210 die Schalter 233, 234 des Leistungsbauteils 230 mit derselben höheren Frequenz, um eine Schwingung mit der höheren Frequenz im Schwingkreis 250 anzuregen.
-
Bei der höheren Frequenz steigt im Falle des Vorhandenseins des Fremdobjekts 140 die durch das Fremdobjekt 140 absorbierte Leistung, was sich durch einen Anstieg des Eingangsstroms des Leistungsbauteils 230 bemerkbar macht. Die Sendeeinheit 111 ermittelt den Eingangsstrom des Leistungsbauteils 230 mittels der Strommesseinrichtung 240 und vergleicht die Größe dieses Eingangsstroms mit einem festgelegten Schwellwert. Überschreitet die Größe des Eingangsstroms den Schwellwert, so kann auf das Vorhandensein des Fremdobjekts 140 geschlossen werden. In diesem Fall darf keine Energieübertragung von der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung auf den Energieempfänger 120 erfolgen, da anderenfalls eine übergroße Aufheizung des Fremdobjekts 140 zu befürchten ist. Liegt der mit der Strommesseinrichtung 240 ermittelte Eingangsstrom des Leistungsbauteils 230 jedoch unterhalb des Schwellwerts, so ist kein Fremdobjekt 140 vorhanden. In diesem Fall wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 250 durch Schließen des Schalters 290 und somit Einfügen des zweiten Kondensators 280 in den Schwingkreis 250 wieder auf den niedrigeren Wert abgesenkt. Anschließend wird eine Energieübertragung von der Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung auf den Energieempfänger 120 durchgeführt.
-
Das beschriebene Verfahren zur Detektion des Fremdobjekts 140 kann durch die Vorrichtung 110 zur induktiven Energieübertragung durchgeführt werden, bevor diese eine Energieübertragung auf den Energieempfänger 120 beginnt. Die beschriebene Überprüfung kann auch während einer stattfindenden Energieübertragung von der Vorrichtung 110 auf den Energieempfänger 120 periodisch wiederholt durchgeführt werden. Die Prüfung kann beispielsweise jede Minute erfolgen. Das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfungen kann auch dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann eine Prüfung häufiger durchgeführt werden, wenn der ermittelte Eingangsstrom nahe bei dem Schwellwert liegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005045360 A1 [0005]