УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ELECTRIC POWER INDUCTIVE TRANSMISSION

Область техники
Изобретение относится к устройству для индуктивной передачи электроэнергии согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Такие устройства служат для индуктивной зарядки подзаряжаемой батареи, установленной в транспортном средстве с электрическим приводом. Во время передачи энергии в области между стационарной первичной катушкой и вторичной катушкой транспортного средства создается магнитное поле, отличающееся высокой напряженностью и плотностью потока. Это необходимо для того, чтобы индуцировать во вторичной катушке ток, достаточный для обеспечения требуемой передаваемой мощности.
Если люди, их конечности или животные попадут в эту область, то возможно возникновение наведенных биотоков. Как правило, это явление не несет непосредственной опасности, в частности, потому, что можно не опасаться длительного пребывания в этой области. Тем не менее, существует возможность случайного воздействия на организмы, в частности детей или домашних животных, сильного магнитного поля, и этот риск может стать препятствием для принятия идеи индуктивной передачи энергии некоторыми слоями населения.
Также следует принимать во внимание, что люди могут носить на теле электропроводящие предметы в форме колец, браслетов, инструментов, имплантатов и т.п. Для животных такими предметами являются ошейники. Если на такие предметы воздействует сильное магнитное переменное поле, то в них индуцируются вихревые токи, которые вызывают нагрев, зависящий от материала, длительности воздействия, ориентации и напряженности магнитного поля. При определенных условиях предметы могут разогреться до температур, которые могут привести к повреждениям и/или травмам. То же самое может относиться к электропроводящим предметам, которые играющие дети из любопытства могут осознанно подкладывать в область магнитного поля устройства для индуктивной передачи энергии.
Вследствие особенностей существующих применений систем индуктивной передачи энергии риск такого рода был оценен как несущественный. При обучении водителей можно заострять внимание на том, что при эксплуатации необходимо проверять наличие посторонних предметов, а при обнаружении таких предметов удалять их до начала индуктивной передачи энергии или в сомнительных случаях прерывать индуктивную передачу энергии. Однако при полностью автоматизированной эксплуатации или в случае повышенных требований к безопасности, с которыми нужно считаться при эксплуатации подобных систем в общедоступных местах, наличие посторонних предметов в области магнитного поля представляется открытой проблемой безопасности. При этом, в частности, критично попадание посторонних предметов во время запущенной передачи энергии, поскольку абсолютно неприемлема ситуация, в которой водителю транспортного средства придется наблюдать за областью магнитного поля, то есть пространством между корпусами первичной катушки и вторичной катушки во время передачи энергии. Более того, транспортное средство, как правило, в течение большей части процесса зарядки остается полностью без присмотра.
В патентной заявке US 2007/0145830 А1 описана система для бесконтактной передачи электроэнергии на электронные приборы, которая содержит несколько первичных катушек. В результате точная ориентация первичных и вторичных катушек друг относительно друга становится излишней. В заявке была упомянута в том числе проблема наличия посторонних металлических предметов, однако использование металлодетектора было признано непригодным. Вместо этого путем схемотехнических решений была построена конструкция, в которой система входит в резонанс только при приближении колебательного контура, состоящего из вторичной катушки и включенного параллельно ей корректирующего конденсатора. В результате этого первичный ток значительно увеличивается, причем он концентрируется, по существу, на одной или нескольких первичных катушках в непосредственной близости от вторичной катушки. Посторонний электропроводящий предмет в этом случае не является помехой, так как он не является способным к резонансу колебательным контуром.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности системы индуктивной передачи энергии в части наличия посторонних предметов в области магнитного поля.
Согласно изобретению эта задача решается устройством с признаками, раскрываемыми в пункте 1 формулы изобретения. Выгодные варианты исполнения описываются в зависимых пунктах формулы.
Согласно изобретению в устройстве для индуктивной передачи электроэнергии от стационарного блока, содержащего, по меньшей мере, одну первичную катушку индуктивности, к стоящему по близости с ним транспортному средству, содержащему, по меньшей мере, одну вторичную катушку индуктивности, стационарный блок или транспортное средство содержит устройство для обнаружения предмета внутри заданного пространства, которое включает в себя, по меньшей мере, пространство, расположенное во время передачи энергии между первичной катушкой индуктивности и вторичной катушкой индуктивности. Благодаря этому становится возможным распознать попадание постороннего предмета в область магнитного поля при передаче энергии и отреагировать на это соответствующим образом.
Может быть предусмотрен только один бесконтактный датчик, например ультразвуковой, радиолокационный, инфракрасный датчик или электронный датчик изображения, или же несколько подобных датчиков, которые целесообразно встроены, по меньшей мере, частично в тот же корпус, что и первичная или вторичная катушка индуктивности, или установлены на этот корпус.
Возможными критериями обнаружения постороннего предмета в области магнитного поля, образующейся при передаче энергии, является отклонение сигнала датчика от опорного значения или опорного сигнала, а при наличии нескольких датчиков - отклонение отдельных сигналов датчиков друг от друга, а также изменение сигнала датчика с течением времени. В частности, типичным признаком проникновения постороннего предмета в область магнитного поля при передаче энергии является последний критерий. Осмысленной реакцией на наличие постороннего предмета считается, в частности, подача предупреждающего сигнала, отключение электропитания первичной катушки индуктивности и его восстановление при удалении постороннего предмета из области магнитного поля.
Краткое описание чертежей
Варианты исполнения изобретения описываются ниже на основании фигур, на которых изображено следующее.
Фигура 1: схематичный вид зарядной станции для индуктивной передачи энергии с транспортным средством с электрическим приводом, находящимся в положении для зарядки.
Фигура 2: схема обнаружения постороннего предмета с помощью конструкции из нескольких датчиков, описываемой изобретением.
Фигура 3: схематичная горизонтальная проекция конструкции датчиков, показанной на фигуре 2.
Фигура 4: конструкция датчиков, состоящая только из одного датчика.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 представлено транспортное средство 1 с электрическим приводом, которое с целью зарядки своей батареи стоит над первичной катушкой 2 зарядной станции. Вверху показан схематичный разрез, внизу - схематичный вид сверху. На нижней стороне транспортного средства 1 в корпусе 3 находится вторичная катушка 4, которая соединена с зарядным электронным устройством 5. Это устройство преобразует параметры электрической мощности, переданной на вторичную катушку 4 индуктивным путем, в значения, пригодные для зарядки батареи транспортного средства 1. Первичная катушка 2 питается от блока 6 электроснабжения зарядной станции и помещена в корпус 8, который зафиксирован на месте стоянки транспортного средства. Блок 6 электроснабжения управляется блоком 7 управления зарядной станции.
На фигуре 1 пунктиром показаны несколько силовых линий 9 магнитного переменного поля, создаваемого первичной катушкой 2 во время работы. Основное направление этого поля соответствует направлению оси первичной катушки 2 и тем самым ориентировано по вертикали. В промежуточном пространстве 10 непосредственно над корпусом 8 первичной катушки 2 во время работы имеет место магнитное поле, характеризующееся высокой напряженностью и плотностью потока. Именно там находится постороннее тело 11, которое, как говорилось ранее, подвержено риску повреждения.
Пример конструкции датчиков, описываемой изобретением и предназначенной для обнаружения постороннего тела 11, показан на фигуре 2. На этой фигуре представлен увеличенный фрагмент верхней части фигуры 1, а именно область непосредственно вокруг первичной катушки 2 и вторичной катушки 4. Непосредственно рядом с корпусом 3 вторичной катушки 4 расположены два однотипных бесконтактных датчика 12, 13. В совокупности предусмотрено еще два датчика 14, 15 такого же типа, которые не видны на фигуре 2, но показаны на горизонтальной проекции (фигура 3). Четыре датчика 12-15 расположены, по меньшей мере, приблизительно симметрично в форме квадрата или прямоугольника.
Как показано на фигурах 2 и 3 фронтами волн, активизированные датчики 12-15 посылают волнообразные сигналы, которые отражаются посторонним телом 11, причем отражение зависит от положения, размера и материала постороннего тела 11. Датчики 12-15 принимают отраженные сигналы и подают на аналитическое устройство 16 измерительный сигнал, который зависит от принятого отраженного сигнала. Датчики 12-15 могут представлять собой, например, ультразвуковые, радиолокационные или инфракрасные датчики. Аналитическое устройство 16 активизирует эти датчики до начала индуктивной передачи энергии. Для этого блок 7 управления зарядной станции посылает на него сигнал, сообщающий о предстоящем запуске передачи энергии.
В качестве альтернативы активным датчикам 12-15 можно было бы использовать пассивные датчики, например пассивные инфракрасные датчики на пироэлектрическом эффекте, которые обычно применяются в датчиках движения, управляющих освещением. Такие датчики реагируют на тепловое излучение и тем самым пригодны для обнаружения живых организмов или частей живых организмов, имеющих повышенную температуру по сравнению с окружающей средой, то есть для обнаружения наиболее критичных типов посторонних тел 11.
Измерительные сигналы, подаваемые отдельными датчиками 12-15, постоянно сравниваются в аналитическом устройстве 16 друг с другом и, при необходимости, с опорными значениями или опорными сигналами. Если датчики расположены так, как показано на фигуре 3, то даже в отсутствие постороннего тела 11 сигналы, посланные датчиком 12, будут отражаться поверхностью корпуса 8 первичной катушки 2 преимущественно в направлении противоположного датчика 15 и лишь в очень незначительной части - обратно на передающий датчик 12. То же самое справедливо для обоих датчиков 12, 15 в обратном направлении, а также для двух других противоположных датчиков 13, 14 в обоих направлениях. При наличии постороннего тела 11, напротив, значительно увеличивается отражение обратно на соответствующий передающий датчик. Это первый возможный критерий обнаружения постороннего тела 11 аналитическим устройством 16 на основании измерительных сигналов датчиков 12-15.
Кроме того, интенсивность отраженных сигналов для отдельных датчиков 12-15 различается, если постороннее тело 11 расположено несимметрично относительно датчиков 12-15, показанных на фигурах 2 и 3. Даже если постороннее тело 11, перемещаясь, случайно остановится в симметричном положении относительно датчиков 12-15, то его положение во время проникновения в область 10 магнитного поля при передаче энергии, вдоль траектории его движения будет сначала несимметричным. Поэтому различия между измерительными сигналами датчиков 12-15 являются еще одним критерием обнаружения постороннего тела 11 аналитическим устройством 16.
Кроме того, существует еще одна возможность обнаружения постороннего тела 11 аналитическим устройством 16, заключающаяся в том, что можно регистрировать временные характеристики измерительных сигналов и контролировать возникновение значительных изменений с течением времени. В частности, передвижение постороннего тела 11 в пространстве 10, контролируемом датчиками 12-15, выражается в значительных изменениях измерительных сигналов датчиков 12-15 с течением времени. Подразумевается, что проникновение постороннего тела 11 в контролируемое пространство 10 снаружи обязательно сопровождается его перемещением внутри пространства 10.
Аналитическое устройство 16 может применять три вышеупомянутых критерия к измерительным сигналам датчиков 12-15 по отдельности или совместно, причем в последнем случае критерии могут быть связаны друг с другом по соответствующим эвристическим правилам. Например, чтобы предотвратить ложные срабатывания, можно потребовать, чтобы постороннее тело 11 считалось обнаруженным, когда на проникновение постороннего тела 11 укажут все три критерия или, по меньшей мере, два из трех критериев. Кроме того, можно потребовать, что, перед тем как постороннее тело 11 будет считаться окончательно обнаруженным, критерии, указывающие на наличие постороннего тела 11, должны постоянно выполняться в течение заданного минимального периода времени. Это позволит исключить ложные срабатывания.
Если требуется обнаружить еще и неподвижные посторонние тела 11, то контроль изменения измерительных сигналов, разумеется, не подойдет в качестве критерия обнаружения, а сравнение различных измерительных сигналов подойдет лишь условно, так как оно не позволит распознать постороннее тело 11, случайно оказавшееся в симметричном положении. Тем не менее, в первую очередь интересно обнаружение проникновения постороннего тела 11 в область 10 магнитного поля после остановки транспортного средства 1, которое всегда связано с изменением и несимметричностью различных измерительных сигналов.
Независимо от того, какие критерии используются аналитическим устройством 16 для обнаружения постороннего тела 11, и от того, связаны ли между собой различные критерии и если да, то каким образом, аналитическое устройство 16 при обнаружении постороннего тела 11 всегда подает выходной сигнал на устройство 17 индикации, которое выводит визуальное и/или звуковое предупреждение. Кроме того, аналитическое устройство 16 соединено с блоком 7 управления зарядной станции и подает на него сигнал, прерывающий передачу энергии, то есть прекращающий подачу электропитания на первичную катушку 2. Кроме того, в подходящем месте, например оператору зарядной станции или водителю транспортного средства 1, выводится сообщение.
На практике не обязательно реагировать сразу же после того, как в области 10 магнитного поля будет обнаружено движение. Достаточно выждать и убедиться, что речь идет не о кратковременном пересечении области 10 магнитного поля. Если установлено, что человек или животное полностью или частично пребывает в области 10 магнитного поля, создаваемого при передаче энергии, то сначала можно подать предупреждение с помощью подходящих мер, например с помощью звукового сигнала транспортного средства, служащего в данном случае устройством 17 индикации. Если в течение определенного времени не установлено освобождение контролируемого пространства 10, передача энергии может быть прервана, то есть, блок 7 управления может отключить блок 6 электроснабжения первичной катушки 2. После прерывания передачи энергии продолжается контроль пространства 10. Если впоследствии обнаружится, что постороннее тело покинуло контролируемую область, то передача энергии будет немедленно восстановлена. Если же статус наличия постороннего тела останется неизменным, то может быть послано сообщение в компетентную службу, которая проверит ситуацию, при необходимости устранит помеху и подтвердит устранение. Если передача энергии будет прервана на длительный срок, в результате чего окажется невозможным передать достаточное количество энергии, то соответствующее сообщение будет выведено водителю транспортного средства 1 или, в автоматизированном режиме, на блок управления верхнего уровня.
Для фигур 2 и 3 принято, что датчики 12-15 расположены на транспортном средстве в области вторичной катушки 4. Устройство 17 индикации может располагаться на транспортном средстве (например, может использоваться существующий звуковой сигнал транспортного средства) или вне транспортного средства в виде составного компонента зарядной станции. Блок 7 управления находится не на транспортном средстве 1, а на зарядной станции, являясь ее составным компонентом. Поэтому обмен данными между аналитическим устройством 16, находящимся на транспортном средстве, и блоком 7 управления осуществляется беспроводным путем. То же самое относится к устройству 17 индикации, если оно расположено на зарядной станции.
На фигуре 4 представлен вариант, упрощенный по сравнению с описанными выше вариантами исполнения изобретения. В этом варианте используется только один датчик 18. Такой единственный датчик 18 в наиболее удобном случае расположен по центру корпуса 3 вторичной катушки 4, причем этот датчик может быть частично или полностью встроен в корпус 3, как показано на фигуре 4. В этом случае становится невозможным использовать в качестве критерия обнаружения сравнение измерительных сигналов различных датчиков. Тем не менее, сохраняется возможность контроля изменения измерительного сигнала, подаваемого датчиком 18, с течением времени. Это изменение указывает на перемещающееся постороннее тело 11. При использовании активного датчика, который посылает волнообразные сигналы и принимает отраженные сигналы, критерием обнаружения постороннего тела 11 служит, кроме того, время прохождения сигнала между моментом посылки сигнала и моментом его приема, при условии, что известно время прохождения при отражении от противоположного корпуса 8 первичной катушки 2.
В этом варианте также может применяться пассивный датчик 18. Под этим датчиком может подразумеваться, например, электронный датчик изображений. В этом случае в аналитическом устройстве 16 могло бы быть сохранено изображение верхней поверхности корпуса 8 первичной катушки 2, которое после остановки транспортного средства 1 сравнивается с изображением, передаваемым датчиком 18. Чтобы облегчить обнаружение постороннего тела 11, поверхность корпуса 8 можно снабдить характеристическим образом, на котором постороннее тело 11 будет отчетливо выделяться как визуальная помеха. Чтобы избежать влияния условий освещенности окружающей среды, используемый спектральный диапазон может лежать за пределами видимой области спектра, например, в инфракрасном диапазоне. Также возможна регистрация временной характеристики измерительного сигнала датчика 18 (в данном случае - сигнала изображения) и отслеживание его изменений, которые будут указывать на перемещение постороннего тела 11.
Обмен данными с блоком 7 управления зарядной станции и вывод предупреждения посредством устройства 17 индикации в упрощенном варианте с единственным датчиком 18 не отличается от варианта с несколькими датчиками 12-15. Наоборот, даже в варианте с несколькими датчиками эти датчики могут быть полностью или частично встроены в корпус 3 вместо того, чтобы располагаться снаружи его, как показано на фигурах 2 и 3.
Хотя описанные выше варианты исполнения предусматривают расположение датчиков 12-15 или 18 и аналитического устройства 16 на вторичной стороне, то есть на транспортном средстве, в равной степени возможен вариант, в котором оба этих компонента системы располагаются на первичной стороне, то есть находятся около корпуса 8 или на корпусе 8 первичной катушки 2 или полностью/частично встроены в этот корпус 8. В этом случае вся система обнаружения постороннего тела будет сконцентрирована на зарядной станции. Также возможен вариант, в котором на одной стороне, например на транспортном средстве, находится один или несколько передатчиков волнообразных сигналов, а на другой стороне, например на первичной стороне, находится один или несколько приемников, выполненных в виде датчиков. В результате постороннее тело 11 препятствует распространению волн в промежуточном пространстве 10, и приемники могут обнаружить это тело по этому признаку. Кроме того, датчики могут быть установлены на обеих сторонах, то есть одновременно на транспортном средстве и на первичной стороне.
Вместо концентрации в центральном аналитическом устройстве 16, функция обработки сигналов может быть распределена по нескольким отдельным датчикам 12-15 или 18. В результате в сокращенное центральное аналитическое устройство 16 будут поступать только сообщения о статусе датчиков 12-15, которые показывают, обнаружил ли конкретный датчик 12-15 постороннее тело 11 или нет. В этом случае компоненты аналитического устройства 16 будут реализованы в виде датчиков 12-15 или 18. Если имеется только один датчик 18, он может быть объединен в единый блок с аналитическим устройством 16.
Кроме того, аналитическое устройство 16 можно скомбинировать с устройством, анализирующим сигналы других датчиков, установленных в транспортном средстве 1 или на транспортном средстве 1 с другими целями. В частности, существуют транспортные средства с бесконтактными датчиками расстояния, которые в рамках так называемой системы помощи водителю помогают ему припарковать транспортное средство и/или поддерживать безопасную дистанцию при движении до движущегося впереди транспортного средства. Если транспортное средство 1 и без того оснащено подобной системой и тем самым содержит устройство для анализа сигналов бесконтактных датчиков расстояния, то в целях снижения стоимости может быть выгодно не устанавливать отдельное аналитическое устройство 16 для устройства обнаружения (детекторного устройства) согласно изобретению, а обрабатывать сигналы всех бесконтактных датчиков расстояния, установленных на транспортном средстве 1, в том числе датчиков (12-15; 18), описываемых предлагаемым изобретением, в единственном центральном аналитическом устройстве. То есть может быть выгодно просто соответствующим образом расширить функциональность аналитического устройства, и без того имеющегося в транспортном средстве 1.