Schwerpunkte

Fremdobjekte erkennen

Damit es beim Induktivladen nicht brenzlig wird!

29. Juni 2021, 16:30 Uhr   |  Von Daniel Preis, Systemingenieur Wireless Power Transfer Systems, und Thomas Eiber, Projektleiter Wireless Power Transfer Systems, Zollner

Damit es beim Induktivladen nicht brenzlig wird!
© Zollner

Die Leistungsklassen bei der kabellosen Energieübertragung steigen ständig. Doch damit wächst auch die Gefahr, die von metallischen Objekten im Ladefeld ausgeht. Für sie braucht es ein geeignetes Detektionssystem. Zollner hat ein solches entwickelt.

Klappe auf, dann beginnt der Kampf mit dem unhandlichen, schweren Kabel. Vielleicht klemmt zusätzlich der Stecker und sitzt erst nach dem zweiten Versuch richtig. Wie viel einfacher ist da das induktive Laden von Elektroautos: Die Energieübertragung erfolgt kontaktlos über Magnetfelder. Es reicht, über dem sogenannten Ground Pad mit Bodenspule zu parken. Das im Fahrzeug verbaute Car Pad mit Empfängerspule lädt dann die Batterie automatisch auf.
Kabellose Ladesysteme erschließen sich in den letzten Jahren immer neue Anwendungsgebiete und verdrängen auf verschiedenen Märkten etablierte Steckverbindungen. Bei einigen Zahnbürsten oder Smartphones ist das induktive Laden schon seit Längerem Standard, und auch in der E-Mobility-Branche oder bei autonomen Nutzfahrzeugen werden kabellose Systeme erforscht. Neben Prototypen gibt es erste Serienprodukte; damit einhergehend konkretisieren sich die Standardisierungen für das induktive Laden im Automobilsektor.
 

Berühr- und Brandschutz nötig

Sie betreffen auch ein Gebiet, das mit zunehmender Ladeleistung immer mehr Brisanz bekommt: die Erkennung von Fremdobjekten auf dem Ground Pad. Denn die starken Magnetfelder, die sich zwischen den beiden Spulen aufbauen, induzieren nicht nur den nötigen Strom in die Batterie. Sie können auch metallische Objekte auf der Oberfläche teilweise in Sekunden auf mehrere hundert Grad erhitzen. Dann wird es gefährlich für alles, was damit in Kontakt kommt, Ladesystem ebenso wie Mensch. Außerdem können die Objekte sich selbst oder andere Materialien entzünden; ein Brand droht. Deshalb müssen ein Autoschlüssel, der aus der Hand gerutscht ist, ein zu Boden gefallener Schraubenzieher und Ähnliches vor und während des Ladevorgangs sicher erkannt werden.

Norm an Härtefällen ausgerichtet

Ist das nicht gewährleistet, gibt es keine Zulassung für ein induktives Ladesystem. Die Standardisierungsgremien IEC, SAE und DKE haben sich bereits früh mit der Risikoabsicherung befasst und klare Anforderungen spezifiziert. Einen Beitrag zur Grundlagenforschung hat auch Zollner Elektronik im Rahmen des Forschungsprojekts STILLE geleistet. Um zu bestimmen, welche Arten von Fremdkörpern sich im Magnetfeld erhitzen und damit kritisch werden können, hat Zollner im Testlabor Messreihen mit einer Anzahl verschiedener Objekte durchgeführt. Mithilfe einer Helmholtz-Spule wurde ein steuerbares, zeitveränderliches Magnetfeld erzeugt, das im Bereich des zu untersuchenden Objekts möglichst homogen war. Wärmebildkameras gaben Aufschluss darüber, wie stark sich die einzelnen Objekte erwärmten und ob das Brände begünstigen konnte.

Auf Basis dieser Daten und anderer vergleichbarer Untersuchungen haben die Standardisierungsgremien Testobjekte identifiziert, ­welche zur Absicherung eines Fremdobjekterkennungssystems oder FOD-Systems (Foreign Object Detection) herangezogen werden können. Bewährt es sich bei diesen Härtefällen, funktioniert es auch bei ähnlichen Objekten derselben Kategorie. Alufolie zählt dazu, außerdem Nagel, Münze und Stahlblock. Letzterer wird sehr warm und steht so stellvertretend für Smartphones. Die Brandgefahr lässt sich am besten mithilfe einer Büroklammer testen. Diese erhitzt sich bei drei Millitesla innerhalb von dreieinhalb Minuten auf knapp 400 Grad – hält sie einen Stapel Papiere zusammen, können sich diese entzünden. Bei der Zulassung nach der europäischen Norm IEC 61980-3 wird geprüft, ob alle fünf Testobjekte verlässlich erkannt werden und eine Abschaltung des Ladesystems nach sich ziehen.
 

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1. Damit es beim Induktivladen nicht brenzlig wird!
2. Induktives Sensorprinzip zur ­Risikominimierung

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