УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
DEVICE FOR INDUCTIVE POWER 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 в область такого поля попадают металлические предметы, то в них индуцируются вихревые токи, которые вызывают нагрев, зависящий от материала, длительности воздействия и напряженности магнитного поля. При определенных условиях такой предмет может разогреться до температуры, которая может привести к повреждениям, например, расплавлению пластмассовых поверхностей, или к травмам живых организмов. Последнее случается, в частности, тогда, когда вторичная сторона удаляется, а нагретые металлические предметы остаются в свободном доступе, и к ним могут прикасаться люди.
Вследствие особенностей существующих применений систем индуктивной передачи энергии, риск, обусловленный посторонними металлическими телами, был оценен как несущественный, или же, например, как в случае с напольными транспортными средствами (AGV), подобные предметы пытаются устранить из критичных областей воздействия поля с помощью щеток, установленных перед вторичными приемниками (потребителями). 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, не начинать 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, подобные меры безопасности оказываются непригодными или, по меньшей мере, недостаточными.
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 металлодетектор был признан непригодным к использованию. 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 отношении наличия посторонних электропроводящих предметов.
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 поблизости с ним транспортному средству, содержащему, по меньшей мере, одну вторичную катушку индуктивности, стационарный блок содержит детекторное устройство для обнаружения электропроводящего предмета внутри заданного пространства, прилегающего к первичной катушке индуктивности. При этом интерес представляет в первую очередь зона, которая располагается во время индуктивной передачи энергии между первичной катушкой индуктивности и вторичной катушкой индуктивности. Если увеличить дальность действия устройства распознавания, то по наличию посторонних электропроводящих предметов в непосредственной близости от первичной катушки индуктивности можно также определять наличие транспортного средства в области первичной катушки индуктивности.
Предпочтительно предусматривается датчик на основе индуктивного эффекта, то есть, датчик, измеряющий полное сопротивление на измерительной катушке индуктивности, так как подобное устройство особенно хорошо подходит для различения электропроводящих и неэлектропроводящих предметов. В качестве измерительной катушки индуктивности в простейшем случае может использоваться уже имеющаяся первичная катушка индуктивности. Повышенная чувствительность и приблизительное определение положения металлического предмета обеспечивается использованием упорядоченной двумерной конструкции из нескольких отдельных измерительных катушек индуктивности. Эти катушки могут представлять собой плоские катушки, которые можно изготовить с оптимальными затратами в большом количестве на общей подложке.
Аналитическое устройство сравнивает полное сопротивление измерительной катушки индуктивности или распределение полных сопротивлений отдельных измерительных катушек индуктивности или групп измерительных катушек индуктивности, с опорным значением полного сопротивления или с опорным распределением. При обнаружении отклонения заданной величины подается сигнал, обозначающий наличие отклонения. Этот сигнал может выводиться на устройство индикации и/или использоваться для отключения питания первичной катушки индуктивности.
Краткое описание чертежей
Варианты исполнения изобретения описываются ниже на основании фигур, на которых изображено:
Фигура 1: схематичный вид зарядной станции для индуктивной передачи энергии с транспортным средством с электрическим приводом, находящимся в положении для зарядки.
Фигура 2: схематичный вид датчика, описываемого изобретением и предназначенного для распознавания постороннего электропроводящего тела.
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 - схематичная горизонтальная проекция. 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 энергоснабжения зарядной станции и помещена в корпус 8, который зафиксирован на месте стоянки транспортного средства. Блок 6 энергоснабжения управляется блоком 7 управления зарядной станции.
На фигуре 1 пунктиром показаны некоторые силовые линии 9 переменного магнитного 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 имеется магнитное поле с высокой напряженностью и плотностью потока.
На корпусе 8 первичной катушки 2 лежит металлический предмет 11. Этот предмет мог быть оставлен другим транспортным средством, которое стояло на зарядной станции до транспортного средства 1. Кроме того, речь может идти о предмете обихода, потерянном человеком, или о пустой жестяной банке. Не в последнюю очередь предмет 11 может быть намеренно подложен человеком в целях саботажа. Как уже говорилось, при подаче питания на первичную катушку 2 предмет будет нагреваться вследствие наведенных в нем вихревых токов и, в результате, станет источником опасности. Кроме того, он ухудшит эффективность передачи энергии на вторичную катушку 4.
Решение этой проблемы согласно предлагаемому изобретению описывается ниже на основании фигуры 2. На этой фигуре представлена схематичная горизонтальная проекция зарядной станции показанного на фигуре 1 типа, которая содержит первичную катушку 2 в корпусе 8, соединенную с блоком 6 электроснабжения. Для распознавания постороннего металлического тела 11 в корпусе 8 между верхней стенкой корпуса и первичной катушкой 2 расположено несколько измерительных катушек 12. Каждая из этих измерительных катушек 12 существенно меньше первичной катушки 2. В показанном примере эти катушки выполнены по планарной технологии и могут быть реализованы, например, в форме проводящих дорожек на печатной плате или фольге, которая закреплена изнутри на верхней стенке корпуса 8. Также возможен вариант, в котором измерительные катушки 12 выполнены в виде проводящих дорожек, проложенных непосредственно по внутренней поверхности верхней стороны корпуса 8.
Измерительные катушки 12 образуют упорядоченную двумерную конструкцию в виде матрицы с одинаковым шагом растра в рядах и столбцах. При этом, однако, расположенные последовательно ряды смещены друг относительно друга на половину шага растра, что позволяет увеличить плотность компоновки по сравнению с классической матрицей. На фигуре 2 кажется, что подводки некоторых измерительных катушек 12 проходят через другие измерительные катушки 12, чего на самом деле не происходит. Чтобы избежать этого, несмотря на высокую плотность компоновки, измерительные катушки 12 могут быть распределены, в частности, по двум различным сторонам печатной платы или фольги. Таким образом, изображение на фигуре 2 следует понимать не как соответствующее действительности, а как схематичное.
Каждая измерительная катушка 12 соединена с устройством 13 измерения полного сопротивления. Такие устройства 13 измерения полного сопротивления подсоединены к центральному аналитическому устройству 14. Когда передача энергии не происходит, а зарядная станция находится в состоянии готовности, на измерительные катушки 12 подается измерительный ток заданной силы. Этот ток создает вокруг каждой измерительной катушки 12 измерительное поле, которое наводит в постороннем металлическом теле 11, лежащем на корпусе 8 над соответствующей измерительной катушкой, вихревые токи. Обратное магнитное воздействие этих вихревых токов на соответствующую измерительную катушку 12 выражается в изменении полного сопротивления. Полное сопротивление каждой измерительной катушки 12 непрерывно измеряется устройством 13 измерения полного сопротивления, присоединенным к этой катушке.
Измеренные значения, передаваемые отдельными устройствами 13 для измерения полного сопротивления, непрерывно сравниваются в аналитическом устройстве 14 друг с другом и, при необходимости, с опорным значением. В ситуации, которая показана на фигуре 2 и в которой постороннее металлическое тело 11, по меньшей мере, частично перекрывает четыре измерительных катушки 12, четыре устройства 13 измерения полного сопротивления, обозначенные на фигуре 2 черным цветом и присоединенные к этим накрытым измерительным катушкам 12, передают на аналитическое устройство 14 значения полного сопротивления, отличающиеся от значений других устройств 13 измерения полного сопротивления, которые присоединены к не перекрытым измерительным катушкам 12. При этом степень отклонения полного сопротивления зависит не только от электропроводности и формы постороннего тела 11, но также от соответствующей степени перекрытия измерительной катушки 12 посторонним телом 11. В ситуации, показанной на фигуре 2, одна из измерительных катушек 12 почти полностью перекрыта посторонним телом 11, другая - примерно наполовину, а две остальные - лишь в малой части. В результате четыре устройства 13 измерения полного сопротивления, обозначенные на фигуре 2 черным цветом, измеряют различные изменения полного сопротивления.
В качестве альтернативы присоединению собственного устройства 13 измерения полного сопротивления к каждой отдельной измерительной катушке 12, как показано на фигуре 2, измерительные катушки 12 можно соединить друг с другом группами, так что к каждой группе можно присоединить устройство 13 измерения полного сопротивления, которое измеряло бы результирующее общее полное сопротивление группы. Таким образом, потребовалось бы меньшее количество устройств 13 измерения полного сопротивления, однако привязка измерения к месту ухудшилась бы.
В другом альтернативном варианте полное сопротивление нескольких измерительных катушек 12 или групп таких катушек можно измерять с помощью общего устройства 13 измерения полного сопротивления, причем перед устройством 13 измерения полного сопротивления был бы включен аналоговый мультиплексор. Благодаря этому требуется еще меньше устройств 13 измерения полного сопротивления, по существу, только одно. Разумеется, мультиплексный режим будет связан с увеличением времени, необходимого для полного измерения полных сопротивлений всех измерительных катушек 12. Однако, поскольку транспортные средства на зарядной станции сменяют друг друга не слишком часто, этим можно будет пренебречь.
Благодаря распределению нескольких измерительных катушек 12 по верхней стороне корпуса 8 можно сделать вывод о величине и положении металлического предмета, измерив полные сопротивления измерительных катушек 12, по меньшей мере, группами или, как показано на фигуре 2, по отдельности. Кроме того, в результате повышается чувствительность, так как относительно малое постороннее тело 11, которое перекрывает, например, только одну измерительную катушку 12 или малую группу измерительных катушек, вызывает на этой измерительной катушке 12 или группе таких катушек заметное изменение полного сопротивления, в то время как при наличии одной большой измерительной катушки, измерительное поле которой должно будет перекрывать всю верхнюю сторону корпуса 8, такое тело вызовет лишь сравнительно малое изменение полного сопротивления, которое значительно труднее надежно распознать.
Независимо от количества измерительных катушек 12 и их возможного объединения в группы аналитическое устройство 14 всякий раз, когда измеренное распределение полного сопротивления отклоняется от сохраненного опорного распределения на заданную минимальную величину, выводит выходной сигнал на устройство 15 индикации, которое выводит визуальное и/или звуковое предупреждение. Кроме того, аналитическое устройство 14 также соединено с блоком 7 управления зарядной станции и подает на него сигнал, который блокирует передачу энергии, то есть, подачу питания на первичную катушку 2. Если обнаруженное отклонение от заданного состояния сохраняется в течение длительного периода, то передается сообщение в компетентную службу, например, оператору зарядной станции. Передача энергии может быть восстановлена только после того, как устранение помехи будет подтверждено обслуживающим персоналом.
Поскольку измерительные катушки 12 во время индуктивной передачи энергии подвергаются воздействию сильного магнитного поля первичной катушки 2, необходимо исключить возможность наведения в них сильных токов, обусловленных этим полем. Для этого устройства 13 измерения полного сопротивления должны отключаться перед началом передачи энергии, а измерительные катушки 12 должны быть включены в холостом режиме. С этой целью блок 7 управления своевременно перед включением первичного тока подает соответствующий сигнал на аналитическое устройство 14, которое, как было упомянуто, отключает измерительные устройства 13 и переключает измерительные катушки 12 в холостой режим.
В варианте, значительно упрощенном по сравнению с вышеописанным вариантом исполнения изобретения, в качестве единственной измерительной катушки используется первичная катушка 2. Для этого на первичную катушку 2 постоянно подается минимальный ток, который достаточен для создания магнитного поля малой напряженности, служащего в качестве измерительного поля, вокруг первичной катушки 2. Полное сопротивление первичной катушки 2 непрерывно измеряется с помощью подходящего измерительного устройства 16, которое на фигуре 2 показано пунктиром. В этом варианте отсутствуют отдельные измерительные катушки 12 и относящиеся к ним устройства 13 измерения полного сопротивления.
Разумеется, при использовании первичной катушки 2 в качестве единственного индуктивного измерительного чувствительного элемента возможен лишь сравнительно грубый контроль корпуса 8 на наличие постороннего металлического тела 11, то есть, этот способ позволяет надежно распознавать лишь сравнительно крупные посторонние тела 11. Кроме того, по изменению полного сопротивления первичной катушки 2 нельзя судить о положении постороннего тела 11, и лишь в ограниченной степени можно судить о его размерах. Зато существенно снижаются затраты на дополнительное оборудование по сравнению с описанным выше вариантом, который предусматривает наличие матрицы, состоящей из отдельных измерительных катушек 12.
В любом случае при определении напряженности измерительного поля и, тем самым, его пространственного распространения необходимо обращать внимание на то, чтобы оно перекрывало лишь ограниченное по вертикали пространство, например, примерно до 50 мм над корпусом 8. Благодаря этому можно предотвратить изменение полного сопротивления измерительных катушек 12, которое вызывается остановкой транспортного средства 1 над корпусом 8 и может быть ошибочно интерпретировано аналитическим устройством 14 как наличие постороннего металлического тела 11. Кроме того, при определении напряженности измерительного поля необходимо учитывать, что она не должна быть достаточно велика для того, чтобы нагреть металлический предмет 11 до степени, при которой может возникнуть ущерб или могут быть причинены травмы.
В первом варианте исполнения на основании пространственного распределения изменений полного сопротивления и/или на основании степени этих изменений можно распознавать также наличие транспортного средства 1 над первичной катушкой 2 и отличать его от постороннего металлического тела 11. В смысле предлагаемого изобретения даже транспортное средство 1 вместе со своей вторичной катушкой 4 представляет собой не что иное, как своего рода металлический предмет. В этом случае измерительное поле следует рассчитать таким образом, чтобы можно было контролировать больший объем по вертикали, например, до 300 мм над корпусом 8. Сигнал, подаваемый аналитическим устройством 14 на блок 7 управления, в этом случае показывает, идет ли речь о постороннем теле 11 или о транспортном средстве 1.
Сигнал аналитического устройства 14, говорящий о распознавании транспортного средства 1, может использоваться блоком 7 управления, например, для запуска процесса передачи энергии. С другой стороны, таким образом можно распознать попытку поставить на зарядную станцию не заряжаемое транспортное средство 1. В последнем случае могут быть приняты меры, препятствующие окончательной постановке транспортного средства 1 на стоянку и сохраняющие таким образом возможность зарядки для других транспортных средств, нуждающихся в зарядке.
Если будет обнаружено достаточное и длительное изменение полного сопротивления или распределения полного сопротивления, указывающее на наличие транспортного средства 1, то можно установить контакт с распознанным транспортным средством 1 с целью его более точной идентификации. Это может быть реализовано, например, путем запроса метки транспортного средства посредством радиочастотного транспондера (RFID) или другого подходящего технического метода. Одновременно путем обмена данными с транспортным средством проверяется наличие потребности в зарядке и разрешения на зарядку на зарядной станции, а также формы потребности и разрешения. Если будет обнаружено, что транспортное средство не имеет потребности в передаче энергии или отсутствует разрешение на такую передачу, то снятие блокировки зарядной станции оставляется на усмотрение компетентных органов. Если будет распознано транспортное средство 1, но обмен данными с ним установить не удастся, то порядок действий будет таким же, как и при распознавании постороннего тела 11.