安全系統(tǒng),操作安全系統(tǒng)的方法和構(gòu)建安全系統(tǒng)的方法
【專利說明】安全系統(tǒng)，操作安全系統(tǒng)的方法和構(gòu)建安全系統(tǒng)的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)、特別是用于向在道路表面上停放或行駛的車輛傳遞電能的感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的安全系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及操作這種安全系統(tǒng)的方法和構(gòu)建這種安全系統(tǒng)的方法。
[0002]WO 2012/047779 Al公開了一種用于充電器的安全系統(tǒng)，用于對在充電器的操作過程中可能變熱的物體提供保護，其中，安全系統(tǒng)包括被配置用于檢測物體的存在性和非?？拷潆娖鞯臋z測子系統(tǒng)，以及被操作地連接到所述檢測子系統(tǒng)并且被配置用于提供該物體的指示的通知子系統(tǒng)。該文獻公開了一個或多個感應(yīng)傳感器可被集成到源器件中、源殼體中、車輛中、或周圍區(qū)域中，用于檢測該源和器件共振器之間的阻擋和外來物體和/或物質(zhì)。
[0003]WO 2009/081115 Al公開了一種在感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)中使用的初級單元，所述初級單元是可操作的，以通過電磁感應(yīng)無線地傳遞電力到該系統(tǒng)的、靠近初級單元定位的至少一個次級單元和/或傳遞電力到緊密靠近定位的外來物體，其中初級單元包括驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置可操作以驅(qū)動初級單元，從而，在被驅(qū)動狀態(tài)下，被供應(yīng)到初級單元的一個或多個初級線圈的電驅(qū)動信號的幅值從第一值變化到第二值。此外，初級單元包括用于估算這種驅(qū)動對初級單元的電特性的影響的裝置和用于根據(jù)所估算的影響檢測靠近所述初級單元定位的所述次級單元和/或外來物體的存在性的裝置。
[0004]EP 2317625 A2公開了一種感應(yīng)電力傳遞至次級裝置的初級裝置，其中，所述初級裝置包括初級線圈，所述初級裝置被配置用于(i)在第一模式下操作，在該模式下，初級線圈傳遞電力至感應(yīng)耦合器至次級裝置，和(ii)在第二模式下操作，在該模式下，外來物體被檢測。此外，初級控制器被配置用于(i)在第一模式期間使用第一頻率和(ii)在第二模式期間使用第二頻率操作初級線圈。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的安全系統(tǒng)，操作這種安全系統(tǒng)的方法，和構(gòu)建這種安全系統(tǒng)的方法，以提供對靠近初級繞組的初級繞組結(jié)構(gòu)定位的外來物體、特別是金屬物體的可靠且快速的檢測。
[0006]本發(fā)明的基本思想是被定位在初級單元的初級繞組結(jié)構(gòu)附近的外來物體導(dǎo)致檢測結(jié)構(gòu)的電特性的變化，特別是檢測結(jié)構(gòu)的電感的變化。
[0007]本發(fā)明可以特別應(yīng)用于至任何地面車輛的電能傳遞領(lǐng)域，特別是軌道行走車輛，比如有軌車輛(例如有軌電車)，而且還應(yīng)用于公路汽車，比如個體(私人)客車或公共交通車輛(例如公交車)。這種裝置中存在的問題是通常不可以機械地防止外來物體、特別是金屬制成的物體被放置在感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的初級單元附近。例如，這種外來物體可包括硬幣，罐器，鑰匙，工具和其它物體。由初級單元和次級單元產(chǎn)生的變化的磁場可在由金屬制成的物體中和其它物體或流體中誘導(dǎo)電流。這種電流可導(dǎo)致電力損失和物體發(fā)熱。外來物體發(fā)熱對于試圖接觸和移除外來物體的人員來說可能很危險和/或可能毀壞上面放置著外來物體的表面或初級單元的一些部分。而且被加熱的物體可能引起火災(zāi)。
[0008]用于感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的安全系統(tǒng)被建議了。特別地，用于向在道路表面上停放或行駛的車輛傳遞電能的感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的安全系統(tǒng)、特別是用于這種電力傳遞系統(tǒng)的初級系統(tǒng)的安全系統(tǒng)被建議了。一般來說，安全系統(tǒng)可以是感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)的初級單元和/或次級單元的一部分。
[0009]感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)包括具有初級繞組結(jié)構(gòu)的道路側(cè)初級單元。初級繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被車輛側(cè)次級單元接收的初級電磁場，所述車輛側(cè)次級單元也已知為接收器或拾取器。在初級繞組結(jié)構(gòu)和次級單元的次級繞組結(jié)構(gòu)之間，存在初級場延伸穿過的氣隙。次級繞組結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生次級場，例如如果電流在次級繞組結(jié)構(gòu)中流動的話。此電流可以例如至少部分地通過初級繞組結(jié)構(gòu)和次級繞組結(jié)構(gòu)之間的互感產(chǎn)生。
[0010]感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)可以是用于所謂的靜態(tài)能量傳遞或靜態(tài)充電的傳遞系統(tǒng)，其中能量被傳遞至的車輛不移動，例如車輛停止或停歇時。在這種情況下，初級單元可被設(shè)計為所謂的充電墊，充電墊被集成在道路中或安裝在道路表面上(升高的充電墊)。
[0011]感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)也可以是所謂的動態(tài)傳遞系統(tǒng)，其中能量被傳遞至的車輛沿著道路的行駛表面行駛。
[0012]道路的充電表面被指配給初級繞組。該充電表面可以是道路表面的一子部分，在感應(yīng)電力傳遞過程中、特別是在靜態(tài)充電過程中，初級場或初級場的預(yù)定部分、例如大于80 %，90 %或95 %的預(yù)定部分延伸穿過所述子部分。該充電表面可以具有與初級繞組結(jié)構(gòu)的封殼、例如包括初級繞組的繞組結(jié)構(gòu)的矩形相同或更大的尺寸，例如寬度和長度。在充電墊的情況下，充電表面可以對應(yīng)于充電墊的表面。
[0013]初級繞組結(jié)構(gòu)通常布置在道路的行駛表面或停放表面下面或此行駛表面或停放表面中。因而，初級場延伸穿過該行駛表面或停放表面的一部分。外來物體可能由于在該外來物體內(nèi)誘導(dǎo)的電流而溫度升高。
[0014]也可以被稱為電力系統(tǒng)傳遞場的總場至少部分地由初級場構(gòu)成。如果在初級繞組結(jié)構(gòu)附近、例如上方?jīng)]有次級繞組結(jié)構(gòu)，則總場等于或近似等于初級場。如果次級繞組結(jié)構(gòu)被定位于初級繞組結(jié)構(gòu)附近、例如上方，那么總場是初級場和次級場疊加的結(jié)果，其中次級場由次級繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。
[0015]放置在此部分或充電表面內(nèi)的外來物體由于在所述外來物體內(nèi)誘導(dǎo)的電流可能溫度升高。在外來物體內(nèi)誘導(dǎo)的電流可以通過總場產(chǎn)生。
[0016]初級單元包括前述初級繞組，其產(chǎn)生用于感應(yīng)電力傳遞的電磁初級場，所述電磁初級場可以通過前述的次級單元接收。此外，安全系統(tǒng)包括至少一個電感式感測系統(tǒng)，其中電感式感測系統(tǒng)包括多個檢測繞組。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，多個檢測繞組被布置為陣列結(jié)構(gòu)。所述陣列結(jié)構(gòu)至少部分地覆蓋充電表面，例如覆蓋充電表面的80%以上，90%以上，或95%以上。在本文中，“覆蓋”是指初級場或總場的至少一部分、優(yōu)選全部延伸穿過所述陣列結(jié)構(gòu)或由所述陣列結(jié)構(gòu)提供的表面。所述陣列結(jié)構(gòu)可以是初級單元的一部分。
[0018]術(shù)語“覆蓋”還可以指，在公共投影平面中，由所述陣列結(jié)構(gòu)的最小包絡(luò)線包圍的區(qū)域與充電表面至少部分地重疊。
[0019]陣列結(jié)構(gòu)可以是提供多個行和列的類似矩陣結(jié)構(gòu)，其中，在每一個行/列位置布置有檢測繞組。檢測繞組的中心點可以相對于彼此設(shè)置于預(yù)定的縱向和/或橫向距離處，其中縱向被平行于車輛的行駛方向定向，而橫向垂直于縱向定向。
[0020]換句話說，包括多個檢測繞組的片狀結(jié)構(gòu)被提供。所述多個檢測繞組可被定位于由初級繞組和充電表面提供的間隙中。所述多個檢測繞組可以是道路的一部分，例如被定位于布置在道路表面下面的道路層中或被定位于提供道路表面的道路層中。初級繞組結(jié)構(gòu)可以通過所述多個檢測繞組的陣列覆蓋。
[0021]每一個檢測繞組提供檢測表面，所述檢測表面通過檢測繞組的繞組結(jié)構(gòu)包圍的區(qū)域提供。在感應(yīng)電力傳遞過程中，初級場或總場的至少一部分、優(yōu)選整個初級場或總場延伸穿過這些檢測繞組的陣列結(jié)構(gòu)。在這種情況下，初級場或總場還延伸穿過由這些檢測繞組提供的檢測表面。檢測繞組的尺寸根據(jù)待檢測的最小物體的尺寸來進行選擇。特別地，檢測繞組可被設(shè)計為使得檢測繞組的檢測表面或區(qū)域小于、等于待檢測的最小物體的尺寸、或比待檢測最小物體的尺寸大預(yù)定的百分數(shù)，例如10%，20%，50%或甚至更大百分數(shù)。
[0022]安全系統(tǒng)還可包括被連接到一個、預(yù)定數(shù)目的或所有檢測繞組的一個或多個估算單元。估算單元被設(shè)計為使得每個檢測繞組的電特性和/或參數(shù)、例如輸出電壓能夠被確定。
[0023]例如，估算單元被設(shè)計為使得每個檢測繞組的電感能夠被確定。如果外來物體、特別是金屬物體被放置在初級繞組附近，那么此物體還導(dǎo)致一個或多個檢測繞組的電感的變化。通過確定該電感以及例如將該電感與參考電感相比較，能夠可靠地檢測到外來物體的存在。
[0024]此外，根據(jù)所述檢測繞組陣列中的檢測繞組的輸出信號，可以確定或估算外來物體相對于所述檢測繞組陣列的位置。例如，根據(jù)所述檢測繞組的輸出信號、例如輸出電壓，可以確定一個或多個檢測繞組，其中此/這些檢測繞組的輸出信號被放置在這些檢測繞組附近、例如放置在檢測繞組的檢測表面上方或下面的物體改變或影響。如果檢測繞組相對于初級單元的位置已知，那么該物體相對于初級單元、特別是相對于初級繞組結(jié)構(gòu)的位置可以確定。
[0025]檢測繞組在陣列結(jié)構(gòu)中的布置有利地允許可靠地檢測道路的預(yù)定表面區(qū)域中的物體，所述預(yù)定表面區(qū)域也可以稱為監(jiān)視區(qū)域。
[0026]監(jiān)視表面可被指定給陣列結(jié)構(gòu)。監(jiān)視表面表示道路表面上應(yīng)該放置物體的一部分，從而是以預(yù)定的可靠度可檢測的。監(jiān)視表面可以等同于充電表面。被放置在監(jiān)視表面上的物體改變檢測繞組陣列的輸出信號至少預(yù)定的百分數(shù)，例如至少10%，20%，或50%。
[0027]因此，本發(fā)明還涉及一種物體檢測系統(tǒng)。如果物體被檢測到，那么通知信號、例如電的、聲的、觸覺的、或聲通知信號可以產(chǎn)生。
[0028]在另一實施例中，至少一個檢測繞組是LC振蕩電路的一部分。LC振蕩電路包括至少一個電容元件，例如電容器。此外，LC振蕩電路包括至少一個電感元件，其中電感元件至少部分地通過檢測繞組提供。此外，LC振蕩電路包括能夠提供具有振蕩電路共振頻率的交變電壓的電壓發(fā)生器。電壓源的輸出端子被連接到電容元件和電感元件的并聯(lián)連接。此外，振蕩電路可包括具有預(yù)定阻抗的元件，其中該元件可被布置成使得振蕩電路被從電壓源去親。
[0029]振蕩電路被設(shè)計為使得如果外來物體被置于檢測繞組附近，則振蕩電路被失諧。在這種情況下，振蕩電路的變化或失諧的共振頻率不匹配電壓源的操作頻率。
[0030]如果振蕩電路失諧則共振電流可大大減小。這將導(dǎo)致橫跨前述并聯(lián)連接的電壓的壓降。
[0031]根據(jù)橫跨電感元件和電容元件的并聯(lián)連接的電壓，外來物體在檢測繞組附近的存在性可被檢測。檢測繞組的這種設(shè)計提供了高檢測靈敏度和提高的檢測穩(wěn)健性。
[0032]檢測繞組是LC振蕩電路的一部分不依附于電感式感測系統(tǒng)提供多個檢測繞組、特別是陣列結(jié)構(gòu)的多個檢測繞組的特征。因此電感式感測系統(tǒng)包括至少一個檢測繞組，其中檢測繞組是LC振蕩電路的一部分是可能的。這種安全系統(tǒng)構(gòu)成獨立的發(fā)明。
[0033]在另一實施例中，預(yù)定數(shù)目的振蕩電路彼此并聯(lián)連接，其中每一個振蕩電路的電感元件分別至少部分地通過檢測繞組提供。這有利地允許通過一個電壓源操作多個振蕩電路。
[0034]在這種情況下，橫跨所有振蕩電路并聯(lián)連接的電壓可被測量，例如通過一個單一電壓傳感器?？蛇x地，橫跨每一個振蕩電路的電壓可被測量，例如通過多個電壓傳感器。
[0035]多個檢測繞組分別提供彼此并聯(lián)連接的各LC振蕩電路的電感元件的特征不依附于電感式感測系統(tǒng)提供陣列結(jié)構(gòu)的多個檢測繞組的特征。因此電感式感測系統(tǒng)包括多個檢測繞組，其中每個檢測繞組提供LC振蕩電路的電感元件是可能的。這種安全系統(tǒng)構(gòu)成獨立的發(fā)明。
[0036]在另一實施例中，電感式感測系統(tǒng)被設(shè)計為初級場或總場補償用感測系統(tǒng)?？蛇x地或另外地，每個檢測繞組被設(shè)計和/或布置為初級場或總場補償用繞組。這意味著電感式感測系統(tǒng)和/或每個檢測繞組被設(shè)計為使得，由于電感式感測系統(tǒng)和/或檢測繞組的物理學(xué)設(shè)計，通過