安全系统,操作安全系统的方法和构建安全系统的方法
【专利说明】安全系统，操作安全系统的方法和构建安全系统的方法
[0001]本发明涉及感应电力传递系统的安全系统，特别是用于向在道路表面上停放或行驶的车辆传递电能的感应电力传递系统中的安全系统，特别是用于这种传递系统的初级单元的安全系统。此外，本发明涉及操作这种安全系统的方法和构建这种安全系统的方法。
[0002]WO 2012/047779 Al公开了一种用于充电器的安全系统，用于对在充电器的操作过程中可能变热的物体提供保护，其中，安全系统包括被配置用于检测物体的存在性和非常靠近充电器的检测子系统，以及被操作地连接到所述检测子系统并且被配置用于提供该物体的指示的通知子系统。该文献公开一个或多个感应传感器可被集成到源器件中、源壳体中、车辆中、或周围区域中，用于检测该源和器件共振器之间的阻挡和外来物体和/或物质。
[0003]WO 2009/081115 Al公开了一种在感应电力传递系统中使用的初级单元，所述初级单元是可操作的，以通过电磁感应无线地传递电力到该系统的、靠近初级单元定位的至少一个次级单元和/或传递电力到紧密靠近定位的外来物体，其中初级单元包括驱动装置，所述驱动装置可操作以驱动初级单元，从而，在被驱动状态下，被供应到初级单元的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化到第二值。此外，初级单元包括用于估算这种驱动对初级单元的电特性的影响的装置和用于根据所估算的影响检测靠近所述初级单元定位的所述次级单元和/或外来物体的存在性的装置。
[0004]EP 2317625 A2公开了一种感应电力传递至次级装置的初级装置，其中，所述初级装置包括初级线圈，所述初级装置被配置用于(i)在第一模式下操作，在该模式下，初级线圈传递电力至感应耦合器至次级装置，和(ii)在第二模式下操作，在该模式下，外来物体被检测。此外，初级控制器被配置用于(i)在第一模式期间使用第一频率和(ii)在第二模式期间使用第二频率操作初级线圈。
[0005]本发明的目的是提供一种用于感应电力传递系统的安全系统，操作这种安全系统的方法，和构建这种安全系统的方法，以提供对靠近初级绕组的初级绕组结构放置的外来物体、特别是金属物体的可靠且快速的检测。
[0006]本发明的基本思想是放置在初级单元的初级绕组结构附近的外来物体导致检测结构的电特性的变化，特别是电容的变化。
[0007]本发明可以特别应用于至任何地面车辆的电能传递领域，特别是轨道行走车辆，比如有轨车辆(例如有轨电车)，而且还应用于公路汽车，比如个体(私人)客车或公共交通车辆(例如公交车)。
[0008]这种装置中存在的问题是通常不可以机械地防止外来物体、特别是金属制成的物体被放置在感应电力传递系统的初级单元附近。例如，这种外来物体可包括硬币，罐器，钥匙，工具和其它物体。由初级绕组结构或线圈系统产生的变化的磁场可在由金属制成的物体中诱导电流。这种电流可导致电力损失和物体发热。外来物体发热对于试图接触和移除外来物体的人员来说可能很危险和/或可能毁坏上面放置着外来物体的表面或初级单元的一些部分。
[0009]用于向车辆传递电力的感应电力传递系统的安全系统，特别是用于这种传递系统的初级单元的安全系统，被建议了。特别地，用于向在道路表面上停放或行驶的车辆传递电能的感应电力传递系统的安全系统被建议了。一般来说，安全系统可以是初级单元的一部分。
[0010]感应电力传递系统包括具有初级绕组结构的道路侧初级单元。初级绕组结构产生被车辆侧次级单元接收的初级电磁场，所述车辆侧次级单元也已知为接收器或拾取器。在初级绕组结构和次级单元的次级绕组结构之间，存在初级场或总场延伸穿过的气隙。次级绕组结构可以产生次级场，例如如果电流在次级绕组结构中流动的话。此电流可以例如至少部分地通过初级绕组结构和次级绕组结构之间的互感产生。
[0011]感应电力传递系统可以是用于所谓的静态能量传递或静态充电的传递系统，其中能量被传递至的车辆不移动，例如车辆停止或停歇时。在这种情况下，初级单元可被设计为所谓的充电垫，充电垫被集成在道路中或安装在道路表面上(升高的充电垫)。
[0012]感应电力传递系统也可以是所谓的动态传递系统，其中能量被传递至的车辆沿着道路的行驶表面行驶。
[0013]道路的充电表面被指配给初级绕组。该充电表面可以是道路表面的一子部分，在感应电力传递过程中、特别是在静态充电过程中，初级场或初级场的预定部分、例如大于90%的预定部分延伸穿过所述子部分。该充电表面可以具有与初级绕组结构的封壳、例如包括初级绕组的绕组结构的矩形相同的尺寸或更大的尺寸，例如宽度和长度。在充电垫的情况下，充电表面可以对应于充电垫的表面。
[0014]初级绕组结构通常布置在道路的行驶表面或停放表面下面或此行驶表面或停放表面中。因而，初级场或总场延伸穿过该行驶表面或停放表面的一部分。被放置在此部分中的外来物体可能由于在该外来物体内诱导的电流而温度升高。
[0015]也可以被称为电力系统传递场的总场至少部分地由初级场构成。如果在初级绕组结构附近、例如上方没有次级绕组结构，则总场等于或近似等于初级场。如果次级绕组结构被定位于初级绕组结构附近、例如上方，那么总场是初级场和次级场叠加的结果，其中次级场由次级绕组结构产生。
[0016]在外来物体内诱导的电流可以通过总场产生。
[0017]初级单元包括前述初级绕组，其产生用于感应电力传递的电磁初级场，所述电磁初级场可以通过前述的次级单元接收。
[0018]安全系统包括至少一个电容式感测系统，其中电容式感测系统包括多个检测电容器。
[0019]根据本发明，多个检测电容器被布置为阵列结构，所述阵列结构至少部分地覆盖充电表面，例如覆盖充电表面的80%以上，90%以上，或95%以上。在本文中，“覆盖”是指初级场或总场的至少一部分、优选全部延伸穿过所述阵列结构或由所述阵列结构提供的表面。术语“覆盖”还可以指在公共投影平面中由所述阵列结构的最小包络线包围的区域与充电表面至少部分地重叠。
[0020]阵列结构可以是提供多个行和列的类似矩阵结构，其中，在每一个行/列位置布置有检测电容器。检测电容器的中心点可以设置于预定的纵向和横向距离处，其中纵向被平行于车辆的行驶方向定向，而横向垂直于纵向定向。
[0021]换句话说，包括多个检测电容器的片状结构被提供。所述多个检测电容器可被定位于由初级绕组和充电表面提供的间隙中。所述多个检测电容器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层中或被定位于提供道路表面的道路层中。初级绕组结构可以通过所述多个检测电容器的阵列覆盖。
[0022]每一个检测电容器提供检测表面，所述检测表面例如通过每一个电容器的电极的表面积提供。在感应式电力传递过程中，初级场的至少一部分、优选整个初级场延伸穿过这些检测电容器的阵列结构。在这种情况下，初级场或总场也延伸穿过由这些检测电容器提供的检测表面。检测表面的尺寸，根据这些尺寸例如小于、等于待检测的最小物体的尺寸、或特别地比待检测最小物体的尺寸大预定的百分数，例如10%，20%，50%或甚至更大百分数，来进行选择。
[0023]所述多个检测电容器中的每一个可包括第一电极和第二电极。
[0024]安全系统还可包括被连接到一个、预定数目的或所有检测电容器的一个或多个估算单元。估算单元被设计为使得每个检测绕组的电特性和/或参数能够被确定。
[0025]例如，估算单元被设计为使得每个检测电容器的电容能够被确定。如果外来物体、特别是金属物体被放置在初级绕组附近，那么此物体还导致一个或多个检测电容器的电容的变化。通过确定该电容以及例如将该电容与参考电容相比较，能够可靠地检测到外来物体的存在。
[0026]此外，根据所述检测电容器阵列中的检测电容器的输出信号，可以确定或估计外来物体相对于所述检测电容器阵列的位置。例如，根据所述检测电容器的输出信号、例如输出电压，可以确定一个或多个检测电容器，其中此/这些检测电容器的输出信号被放置在这些检测电容器附近、例如放置在检测电容器的检测表面上方或下面的物体改变或影响。如果检测电容器相对于初级单元的位置已知，那么该物体相对于初级单元、特别是相对于初级绕组结构的位置可以确定。
[0027]监视表面可被指定给阵列结构。监视表面表示道路表面上应该放置物体的一部分，从而是以预定的可靠度可检测的。监视表面可以等同于充电表面。被放置在监视表面上的物体改变检测绕组阵列的输出信号至少预定的百分数，例如至少10%，20%，或50%。
[0028]因此，本发明还涉及一种物体检测系统。如果物体被检测到，那么通知信号、例如电的、声的、触觉的、或声通知信号可以产生。
[0029]阵列结构中检测电容器的布置