DE102013219537A1

DE102013219537A1 - Fahrzeugpositionierung beim Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs

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Publication number: DE102013219537A1
Application number: DE201310219537
Authority: DE
Inventors: Manuel Blum; Thomas Komma; Mirjam Mantel; Monika Poebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Also published as: CN104518573A; CN104518573B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Energie mittels eines von einer elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen wird, zu welchem Zweck die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle bezieht. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zum Herstellen des drahtlosen energietechnischen Koppelns das elektrisch antreibbare Fahrzeug gegenüber der Ladestation positioniert wird, wobei das Positionieren unter Berücksichtigung eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Energie mittels einer von einer elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen wird, zu welchem Zweck die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und die Ladestation elektrische Energie von der elektrischen Energiequelle bezieht. Ferner betrifft die Erfindung eine Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an dem Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose energietechnische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes, zu welchem Zweck der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Rechnerprogrammprodukt umfassend ein Programm für eine Rechnereinheit einer Ladestation.
Ladestationen der gattungsgemäßen Art sowie Verfahren zu deren Betrieb zum drahtlosen Übertragen von Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes sind dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Ladestationen der gattungsgemäßen Art dienen dazu, ein elektrisch antreibbares Fahrzeug während eines Ladebetriebs mit Energie zu versorgen, so dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug seine bestimmungsgemäße Funktion ausüben kann. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug benötigt die Energie für den Fahrbetrieb.
Die Energie wird mittels des magnetischen Wechselfeldes der Ladestation bereitgestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an ein öffentliches Energieversorgungsnetz, an einen elektrischen Generator, an eine Batterie und/oder dergleichen angeschlossen ist. Die Ladestation erzeugt das magnetische Wechselfeld unter Aufnahme elektrischer Energie der elektrischen Energiequelle. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfasst mittels einer geeigneten Spulenanordnung das magnetische Wechselfeld, entnimmt diesem Energie und stellt elektrische Energie fahrzeugseitig bereit, insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs und/oder eine elektrische Maschine einer Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
Eine Möglichkeit der Zuführung der Energie von der Ladestation zur Ladungseinrichtung des Fahrzeugs besteht darin, dass eine elektrische Verbindung als energietechnische Kopplung mittels eines Kabels zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation hergestellt wird. Darüber hinaus ist es bekannt, gemäß einer weiteren Möglichkeit eine drahtlose energietechnische Kopplung herzustellen, die eine aufwändige mechanische Anbindung mittels Kabel vermeidet. Zu diesem Zweck ist ladestationsseitig und fahrzeugseitig in der Regel jeweils eine Spulenschaltung vorgesehen, die während eines Ladevorgangs im Wesentlichen gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und eine energietechnische Kopplung unter Nutzung eines magnetischen Wechselfeldes ermöglichen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der KR 10 2012 0 016 521 A bekannt. Eine Abstimmung von ladestationsseitigen und fahrzeugseitigen Schwingkreisen in Systemen zur induktiven Energieübertragung erfolgt unter Annahme von vorgebbaren Randbedingungen beziehungsweise Parametern hinsichtlich Versatz, Luftspalt und Last. Von diesen Parametern hängt der erreichbare Wirkungsgrad ab. Ist die Abweichung von diesen Parametern zu groß, lässt sich in der Regel die geforderte Leistung nicht mehr bei akzeptablem Wirkungsgrad übertragen.
Bisher erfolgt die Positionierung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit Hilfe von in den Luftspalt zwischen der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug angebrachten Sende- und Empfangsspulen. Über eine Änderung der Verkopplung dieser Spulen kann auf die Position des Fahrzeugs geschlossen werden. Da diese während des Ladebetriebs nicht betrieben werden können, erfolgt die Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation vor Beginn des Ladevorgangs. Wie bei der Abstimmung der Schwingkreise muss von bestimmten Randbedingungen hinsichtlich des Luftspalts und der Last ausgegangen werden. Die Systeme sind in der Regel derart ausgelegt, dass die optimale Position als erreicht angenommen wird, wenn kein Versatz vorliegt, weswegen das Fahrzeug entsprechend positioniert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation zu vereinfachen.
Als Lösung schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Darüber hinaus schlägt die Erfindung eine Ladestation gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 vor. Schließlich wird mit der Erfindung ein Rechnerprogrammprodukt gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 13 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch Merkmale und Eigenschaften der abhängigen Ansprüche.
Verfahrensseitig schlägt die Erfindung insbesondere vor, dass zum Herstellen des drahtlosen energietechnischen Koppelns das elektrisch antreibbare Fahrzeug gegenüber der Ladestation positioniert wird, wobei das Positionieren unter Berücksichtigung eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfolgt. Ladestationsseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass eine Detektionseinheit zum Detektieren einer Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie sowie eine Steuereinheit zum Positionieren des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vorgesehen sind.
Die Erfindung macht es sich zunutze, die optimale Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation unter Nutzung wenigstens eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug zu verbessern. Dadurch können die im Stand der Technik üblichen, hierfür vorgesehenen Einrichtungen eingespart werden. Die Positionierung des Fahrzeugs kann allein anhand der Betriebsparameter durchgeführt werden.
Induktive Energieübertragung beziehungsweise drahtlose energietechnische Kopplung im Sinne der Erfindung ist eine Kopplung zum Zwecke der Übertragung von Energie, die es ermöglicht, zumindest unidirektional Energie von einer Energiequelle zu einer Energiesenke zu übertragen. Die Energiequelle kann beispielsweise ein öffentliches Energieversorgungsnetz, ein elektrischer Generator, eine Solarzelle, eine Brennstoffzelle, eine Batterie, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen sein. Die Energiesenke kann beispielsweise eine Antriebsvorrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sein, insbesondere eine elektrische Maschine der Antriebsvorrichtung und/oder ein elektrischer Energiespeicher der Antriebsvorrichtung, beispielsweise ein Akkumulator oder dergleichen. Es kann aber auch eine bidirektionale Energieübertragung vorgesehen sein, das heißt, eine Energieübertragung wechselweise in beide Richtungen. Diesem Zweck dient unter anderem die Ladestation, die Energie an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen soll, zu welchem Zweck sie von einer Energiequelle elektrische Energie bezieht, an die sie elektrisch angeschlossen ist.
Drahtloses energietechnisches Koppeln beziehungsweise induktive Energieübertragung im Sinne der Erfindung meint, dass zwischen der Ladestation und dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug keine mechanische Verbindung zum Herstellen einer elektrischen Kopplung vorgesehen zu werden braucht. Insbesondere kann das Herstellen einer elektrischen Verbindung mittels eines Kabels vermieden werden. Stattdessen erfolgt die energietechnische Kopplung im Wesentlichen allein aufgrund eines Energiefeldes, vorzugsweise eines magnetischen Wechselfeldes.
Die Ladestation ist deshalb dazu eingerichtet, ein entsprechendes Energiefeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, zu erzeugen. Fahrzeugseitig ist entsprechend vorgesehen, dass ein derartiges Energiefeld beziehungsweise magnetisches Wechselfeld erfasst werden kann und daraus Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gewonnen wird. Mittels der Ladeeinrichtung des Fahrzeugs wird die mittels des Energiefelds, insbesondere des magnetischen Wechselfeldes, zugeführte Energie in eine elektrische Energie umgewandelt, die sodann vorzugsweise in dem Energiespeicher des Fahrzeugs für dessen bestimmungsgemäßen Betrieb gespeichert werden kann. Zu diesem Zweck kann die Ladeeinrichtung einen Konverter aufweisen, der die mittels der Spule dem magnetischen Wechselfeld entnommene und dem Konverter zugeführte elektrische Energie in eine für das Fahrzeug geeignete elektrische Energie umwandelt, beispielsweise gleichrichtet, spannungswandelt oder dergleichen. Darüber hinaus kann die Energie auch unmittelbar der elektrischen Maschine der Antriebsvorrichtung des Fahrzeugs zugeführt werden. Die energietechnische Kopplung dient also im Wesentlichen dem Übertragen von Energie und nicht zuvorderst dem Übertragen von Informationen. Dementsprechend sind die Mittel zur Durchführung der Erfindung für einen entsprechend hohen Leistungsdurchsatz im Unterschied zu einer drahtlosen Kommunikationsverbindung ausgelegt.
Ein wesentliches Element für die drahtlose energietechnische Kopplung, insbesondere mittels des magnetischen Wechselfeldes, ist die elektronische Spule, die gelegentlich auch durch mehrere elektronische Spulen gebildet sein kann, die ladestationsseitig zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes dient und fahrzeugseitig vom magnetischen Wechselfeld durchflutet wird und fahrzeugseitig an ihren entsprechenden Anschlüssen eine elektrische Energie bereitstellt. Entsprechend ist ladestationsseitig die elektronische Spule mit einer einen Wechselstrom bewirkenden Wechselspannung beaufschlagt, so dass die elektronische Spule das magnetische Wechselfeld bereitstellt, mittels dem Energie abgegeben werden kann. Über das magnetische Wechselfeld ist die elektronische Spule der Ladestation mit der elektronischen Spule des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs während des Ladevorgangs gekoppelt.
In der Regel weist die Spule eine Wicklung mit mehreren Windungen eines elektrischen Leiters auf, wobei die Wicklung in der Regel einen ferromagnetischen Körper, der häufig durch einen Ferrit gebildet ist, umfasst beziehungsweise umschließt. Mittels des ferromagnetischen Körpers kann der magnetische Fluss in gewünschter Weise geführt werden, so dass die Wirksamkeit der energietechnischen Kopplung aufgrund des magnetischen Wechselfeldes zwischen den Spulenschaltungen der Ladestation und des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs verstärkt werden kann.
Der die Windungen bildende elektrische Leiter der elektronischen Spule ist häufig als sogenannte Hochfrequenzlitze ausgebildet, das heißt, er besteht aus einer Vielzahl von gegeneinander elektrisch isolierten Einzelleitern beziehungsweise Drähten, die entsprechend, den Leiter bildend zusammengefasst sind. Dadurch wird erreicht, dass bei Frequenzanwendungen wie bei der Erfindung ein Stromverdrängungseffekt reduziert ist beziehungsweise im Wesentlichen vermieden wird. Um eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung auf die einzelnen Drähte der Hochfrequenzlitze verbessern zu können, ist in der Regel noch ein Verdrillen der Einzeldrähte vorgesehen. Das Verdrillen kann auch umfassen, dass Bündel aus einer bestimmten Anzahl von Einzeldrähten gebildet werden, die in sich selbst verdrillt sind, und wobei diese Bündel, den elektrischen Leiter bildend, ebenfalls verdrillt sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Änderung des Betriebsparameters infolge einer vorgegebenen Änderung der Fahrzeugposition ausgewertet wird. Zu diesem Zweck kann die Ladestation eine Auswerteeinheit aufweisen, die beispielsweise durch eine elektronische Schaltung, eine Hardwareschaltung, eine Rechnereinheit, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein kann.
Der Betriebsparameter ist ein Betriebsparameter in Bezug auf das Übertragen der Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Arbeitsfrequenz beziehungsweise eine Frequenz des die drahtlose energietechnische Kopplung bewirkenden magnetischen Wechselfeldes, oder dergleichen sein. Aus der Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters kann auf die Eigenschaften der drahtlosen energietechnischen Kopplung geschlossen werden. Die Änderung des Betriebsparameters kann dann beispielsweise in einem vorgegebenen Zeitintervall oder dergleichen ermittelt werden. Beispielsweise kann zur Ermittlung ein Differenzierer vorgesehen sein, mittels dem eine momentane Änderung des gewählten Betriebsparameters sehr zeitnah, vorzugsweise unverzüglich ermittelt werden kann. Es kann aber auch lediglich der Wert des Betriebsparameters überwacht werden, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes die optimale Positionierung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation erreicht ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als Betriebsparameter eine übertragene Leistung und ein Wirkungsgrad des Übertragens der Leistung verwendet werden. Diese Parameter erlauben eine besonders einfache Ermittlung der optimalen Fahrzeugposition gegenüber der Ladestation.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die übertragene Leistung mit einem vorgebbaren Leistungsvergleichswert verglichen wird. Dadurch kann eine zuverlässige Positionierung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation erreicht werden.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die übertragene Leistung mit einem vorgebbaren Leistungsvergleichswert verglichen wird. Zu diesem Zweck kann eine Vergleichseinheit vorgesehen sein, die die ermittelte übertragene Leistung mit dem Leistungsvergleichswert vergleicht. Die Vergleichseinheit kann durch eine elektronische Schaltung aber auch durch eine Rechnereinheit gebildet sein, die mittels eines geeigneten Programms derart gesteuert wird, dass sie die gewünschte Vergleichsoperation durchführen kann. Der Vergleichswert kann durch eine vorgegebene Größe gebildet sein. Er kann beispielsweise ladestationsindividuell festgelegt sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Durchführung des Verfahrens mit Erreichen eines maximalen Wertes der übertragenen Leistung beendet wird. In diesem Fall kann durch eine weitere Veränderung der Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation keine weitere Erhöhung der übertragenen Leistung erreicht werden. Nach Erreichen der Position, in der der maximale Wert der übertragenen Leistung erreicht ist, wird der Ladebetrieb in bestimmungsgemäßer Weise stationär fortgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Wirkungsgrad mit einem Wirkungsgradvergleichswert verglichen wird. Der Wirkungsgradvergleichswert kann ebenso wie der Leistungsvergleichswert ein vorgegebener Wert sein, der vorzugsweise ladestationsindividuell ist. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der wirkungsgradbezogene Vergleich mit dem leistungsbezogenen Vergleich kombiniert wird. Dadurch kann eine besonders günstige und optimale Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation gewährleistet werden, wobei eine zuverlässige und weitgehend verlustarme Energieübertragung von der Ladestation an das elektrische antreibbare Fahrzeug erreicht werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung schlägt vor, dass die Durchführung des Verfahrens mit Erreichen eines maximalen Wertes des Wirkungsgrads beendet wird. Dies kann auch ergänzend oder alternativ für die leistungsbezogene Beendigungsbedingung vorgesehen sein. Durch die Beendigungsbedingung kann der Vorgang des Positionierens des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation zeitlich begrenzt werden, so dass eine schnelle und zuverlässige Erreichung einer möglichst optimalen Position gewährleistet ist und der Aufwand hierfür begrenzt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren mit einer geänderten Positionierung wiederholt wird. Zu diesem Zweck wird das Fahrzeug um einen vorgegebenen Wert eines Weges verfahren und der wenigstens eine Betriebsparameter neu ermittelt. Hieraus kann eine Änderung des Betriebsparameters gegenüber einem zuvor ermittelten Betriebsparameter ermittelt werden, um aus der Änderung auf die Qualität der aktuellen Positionierung schließen zu können.
Zu diesem Zweck kann ferner vorgesehen sein, dass die Ladestation eine mittels einer Steuereinheit steuerbare Positioniervorrichtung für die elektronische Spule der Ladestation und/oder das elektrisch antreibbare Fahrzeug aufweist. Die Positioniervorrichtung kann die elektronische Spule und/oder das elektrisch antreibbare Fahrzeug im Wesentlichen horizontal in einer Ebene verschieben, um eine möglichst optimale drahtlose energietechnische Kopplung erreichen zu können. Die Positioniervorrichtung kann aber nicht nur für die elektronische Spule, sondern auch für das zu koppelnde elektrisch antreibbare Fahrzeug ausgebildet sein. Hierzu kann beispielsweise eine Bühne vorgesehen sein, die entsprechend positionierbar ist und auf die das elektrisch antreibbare Fahrzeug zum Zwecke des drahtlosen energietechnischen Koppelns auffahren kann.
Die Ladestation kann darüber hinaus auch eine Anzeigeeinheit aufweisen, die es erlaubt, einen Fahrer des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs Anweisungen visuell anzuzeigen, wie er das Fahrzeug positionieren soll, um die möglichst optimale Position für die drahtlose energietechnische Kopplung erreichen zu können. Beispielsweise kann die Anzeigeeinheit wie in einer Waschstraße oder dergleichen ausgebildet sein und eine Ampel aufweisen, die dem Fahrer entsprechende Anweisungen visuell signalisiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Ladestation eine Kommunikationsschnittstelle zum kommunikationstechnischen Koppeln des Fahrzeugs aufweist. Dies ermöglicht es, die zuvor genannten Anweisungen auch in das elektrisch antreibbare Fahrzeug selbst zur Wiedergabe von Anweisungen für den Fahrer zu übermitteln. Darüber hinaus kann diese Ausgestaltung auch dazu genutzt werden, das Fahrzeug automatisch derart zu verfahren, dass es die gewünschte Positionierung einnimmt. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug über einen automatischen Fahrmodus verfügt.
Entsprechend umfasst die Erfindung auch ein gattungsgemäßes Rechnerprogrammprodukt, wobei das Produkt Programmcodeabschnitte eines Programms zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wenn das Programm durch die Rechnereinheit der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das vorgenannte Rechnerprogrammprodukt kann als rechnerlesbares Speichermedium ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Programm direkt in einen internen Speicher der Rechnereinheit ladbar sein. So ist es beispielsweise möglich, das Programm aus einem Netzwerk von einer Datenquelle, beispielsweise einem Server, herunterzuladen und in einem internen Speicher der Rechnereinheit zu laden, so dass der Rechner das Programm ausführen kann.
Vorzugsweise umfasst das Rechnerprogramm ein rechnerlesbares Medium, auf welchem die Programmcodeabschnitte gespeichert sind. Ein solches rechnerlesbares Medium kann beispielsweise ein Speicherbaustein, eine Compact Disc, ein USB-Stick oder dergleichen sein.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der FIG zu entnehmen. In den FIG sind gleiche Bauteile und Funktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 schematisch ein Diagramm, welches die übertragene Leistung in einem Normarbeitspunkt gegenüber dem Versatz zwischen dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug und der Ladestation mit einem Graphen darstellt.
2 schematisch ein Diagramm, welches den Wirkungsgrad in einem Normarbeitspunkt gegenüber dem Versatz wie in 1 darstellt,
3 ein schematisches Diagramm wie 1, jedoch bei einer übertragenen Leistung außerhalb des Normarbeitspunktes,
4 ein schematisches Diagramm wie 2, jedoch mit einem Wirkungsgrad außerhalb des Normarbeitspunktes wie 3,
5 schematisch ein Flussdiagramm für einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum Auffinden einer optimalen Positionierung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber einer Ladestation,
6 in schematischer Ansicht ein Diagramm wie 3 bezüglich einer ersten Grobpositionierung,
7 ein Diagramm wie 4 mit einem Arbeitspunkt wie in 6 bezüglich der ersten Grobpositionierung,
8 ein Diagramm wie 6 nach einer ersten Optimierung in Bezug auf eine übertragene Leistung mit einem entsprechenden Arbeitspunkt, bei dem eine Sollleistung als Leistungsvergleichswert erreicht wird,
9 ein schematisches Diagramm wie 7 nach einer ersten Optimierung wie 8,
10 schematisch ein Diagramm wie 8, wobei ergänzend in Bezug auf den Wirkungsgrad optimiert worden ist und
11 ein Diagramm wie 9, jedoch mit einer Optimierung gemäß 10.
In den 1 und 2 sind schematische Diagramme dargestellt, in denen die übertragene Leistung (1) und der Wirkungsgrad (2) in Abhängigkeit von einem Versatz eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation mittels jeweils eines Graphen schematisch dargestellt sind, wenn Randbedingungen entsprechend der Abstimmung der jeweiligen Schwingkreise der Ladestation und des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs erfüllt sind. Dies wird im Folgenden als Normarbeitspunkt bezeichnet. Wird der zulässige Versatz- beziehungsweise Luftspaltbereich erweitert, trifft die Annahme, dass die optimale Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation bei einem Versatz Null erreicht ist, nicht zwangsläufig zu. 3 und 4 zeigen entsprechende mögliche Verläufe in schematischer Darstellung der übertragenen Leistung und des Wirkungsgrads in Abhängigkeit eines Versatzes außerhalb des Normarbeitspunktes. Zu erkennen ist, dass sowohl die maximal übertragbare Leistung als auch der Wirkungsgrad nicht bei einem Versatz Null, sondern stattdessen bei einem hiervon abweichenden Versatz vorliegt.
Das folgende Ausführungsbeispiel bezieht sich darauf, die Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation nicht aufgrund von eventuell nicht erfüllten Annahmen zu wählen, sondern stattdessen reale Betriebsparameter zu nutzen. Damit kann eine optimale Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation für die drahtlose energietechnische Kopplung zum Zwecke der induktiven Energieübertragung hinsichtlich der übertragbaren Leistung und des Wirkungsgrads gefunden werden. Ein schematisches Flussdiagramm, dessen Verfahrensablauf das Auffinden der optimalen Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs gegenüber der Ladestation gemäß der Erfindung ermöglicht, zeigt 5.
5 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf in Form eines Flussdiagramms für ein Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, die nicht in den FIG dargestellt sind. Die Energie wird mittels eines von einer nicht dargestellten elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen. Zu diesem Zweck wird die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einen Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt. Die Ladestation bezieht dazu elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle, hier einem öffentlichen Energieversorgungsnetz. Entsprechend weist das elektrisch antreibbare Fahrzeug eine mit dem magnetischen Wechselfeld wechselwirkende elektronische Spule auf, mittels der aufgenommene Energie fahrzeugseitig als elektrische Energie bereitgestellt wird.
Zum Herstellen des drahtlosen energietechnischen Koppelns wird das elektrisch antreibbare Fahrzeug gegenüber der Ladestation positioniert. Dazu ist vorgesehen, dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug in vorgebbaren Schritten in einer vorgebbaren Richtung bewegbar ist. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die elektronische Spule der Ladestation in entsprechender Weise bewegbar ist.
Das Positionieren erfolgt unter Berücksichtigung eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug.
Gemäß 5 beginnt das Verfahren mit dem Start im Schritt 10. Im Schritt 12 wird die übertragene Leistung P_out ermittelt und eine entsprechende Variable P_out(x) entsprechend definiert. Sodann erfolgt im Schritt 14 die Bewegung des Fahrzeugs von einer aktuellen Position x um eine Wegeinheit Δx. Nach Durchführung der Positionsänderung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs wird im Schritt 16 die neue übertragene Leistung P_out(x) ermittelt und geprüft, ob diese Leistung größer oder gleich als die zuvor ermittelte Leistung ist. Zugleich wird ermittelt, ob die übertragene Leistung kleiner oder gleich einer vorgegebenen Vergleichsleistung ist. Betriebsparameter ist in diesem Fall die übertragene Leistung. Ist die übertragene Leistung mit der Veränderung der Position gestiegen, springt der Verfahrensablauf zum Schritt 14 zurück und es erfolgt eine weitere Positionsveränderung um eine weitere Wegeinheit, woraufhin der Schritt 16 erneut durchgeführt wird.
Steigt im Schritt 16 mit zunehmender Positionsveränderung die übertragene Leistung P_out(x) nicht mehr an beziehungsweise ist die übertragene Leistung P_out(x) größer als die Vergleichsleistung, wird das Verfahren mit einem der Schritte 18, 20, 22 weitergeführt, je nachdem welche Bedingungen erfüllt sind. Jeder der Schritte 18, 20, 22 stellt einen einleitenden Schritt für einen von drei Fällen dar, gemäß denen das Verfahren fortgeführt werden kann.
Ergibt die Prüfung gemäß Schritt 18, dass die übertragene Leistung P_out(x) kleiner ist, als die zuvor ermittelte übertragene Leistung P_out(x – Δx) und ist die übertragene Leistung P_out(x) kleiner oder gleich der Vergleichsleistung, erfolgt im Schritt 24 eine Reduktion der Positionierung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs um eine Wegeinheit und das Verfahren endet im Schritt 26. In diesem Fall ist somit nur eine verringerte Leistungsübertragung möglich.
Ist hingegen im Schritt 22 bei der dort vorgesehenen Prüfung die übertragene Leistung P_out(x) kleiner als die zuvor ermittelte übertragene Leistung P_out(x – Δx) und ist die übertragene Leistung P_out(x) größer oder gleich der Vergleichsleistung, wird das Verfahren im Schritt 40 fortgeführt, bei dem wie im Schritt 24 die Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs um eine Wegeinheit reduziert. Das Verfahren endet in diesem Fall im Schritt 42, wobei die geforderte Leistungsübertragung im Maximum erreicht worden ist.
Ist hingegen bei einer Prüfung gemäß Schritt 20 die übertragene Leistung P_out(x) größer oder gleich der zuvor ermittelten übertragenen Leistung P_out(x – Δx) und ist die übertragene Leistung P_out(x) größer oder gleich der Vergleichsleistung, wird das Verfahren im Schritt 28 fortgeführt. Im Schritt 28 wird eine Variable η(x) als aktueller Wirkungsgrad bei der aktuellen Position definiert. Das Verfahren wird dann im Schritt 30 fortgesetzt. Im Schritt 30 wird die Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs wieder um eine Wegeinheit Δ x in die gleiche Richtung verändert. Das Verfahren wird dann im Schritt 32 fortgesetzt, wo geprüft wird, ob der Wirkungsgrad η(x) größer oder gleich ist als der zuvor ermittelte Wirkungsgrad η(x +– Δx) und die übertragene Leistung P_out(x) größer oder gleich der Vergleichsleistung P_soll ist. Ist das der Fall, springt das Verfahren zum Schritt 30 zurück und die Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs wird erneut in die gleiche Richtung geändert.
Ergibt die Prüfung in Schritt 32, dass die Bedingungen nicht erfüllt sind, wird im Schritt 36 die Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs um eine Wegeinheit Δx reduziert. Das Verfahren endet dann im Schritt 38, wobei bei geforderter übertragener Leistung der maximale Wirkungsgrad erreicht ist.
Die folgenden FIG und der folgende Beschreibungsteil erläutern ergänzend die vorgenannten Abläufe, die anhand von 5 erläutert worden sind.
Es wird Bezug genommen auf die 6 und 7. Zunächst wird das elektrisch antreibbare Fahrzeug grob gegenüber der Ladestation positioniert, so dass eine drahtlose energietechnische Kopplung dem Grunde nach möglich ist. Dabei ist der Versatz groß, die übertragbare Leistung und der Wirkungsgrad jedoch gering. Die übertragbare Leistung wird ermittelt, entsprechend Schritt 12 in 5. Ein beispielhafter Arbeitspunkt ist in 6 an der Stelle x = 0 mit einer übertragenen Leistung P_min dargestellt. 7 zeigt für die entsprechende Position den zugehörigen Wirkungsgrad η.
Im Folgenden wird der Versatz schrittweise verringert (Schritt 14) und die aktuelle übertragene Leistung neu ermittelt. Die neu ermittelte übertragene Leistung wird mit der zuvor ermittelten übertragenen Leistung verglichen. Dies wird solange wiederholt, bis der aktuelle Wert der übertragenen Leistung größer ist als der vorhergehende oder die übertragene Leistung kleiner oder gleich der Vergleichsleistung ist (Schritt 16). Wenn diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist, werden die drei Fälle unterschieden, die in 5 drei nebeneinander dargestellte Zweige für Abläufe zeigen.
Der linke Zweig mit den Schritten 18, 24 und 26 entspricht einem ersten Fall, bei dem der aktuelle Wert der übertragenen Leistung kleiner als der zuvor ermittelte Wert ist und auch kleiner als die Vergleichsleistung ist. In diesem Fall ist der optimale Punkt der energietechnischen Kopplung bereits überschritten. Dieser Fall ist im linken Zweig der 5 dargestellt.
Das aus dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug und der Ladestation gebildete System befindet sich, beispielsweise aufgrund einer zu großen Abweichung eines zulässigen Luftspalts außerhalb des in der Systemauslegung betrachteten Arbeitsbereichs und kann nicht besser positioniert werden. Der Versatz wird um einen Schritt auf den optimalen Punkt zurückgestellt (Schritt 24) und das System wird in diesem Arbeitspunkt mit verringerter Leistungsübertragung betrieben.
Ist der aktuelle Wert der übertragenen Leistung größer als die Vergleichsleistung P_soll und auch größer als der Wert der zuvor ermittelten übertragenen Leistung, kann eine weitere Optimierung hinsichtlich des Wirkungsgrads vorgenommen werden gemäß dem zweiten Fall. Dieser Fall ist im mittleren Zweig des Flussdiagramms der 5 anhand der Schritte 20 sowie 28 bis 38 dargestellt. Die 8 und 9 zeigen den Zustand der Optimierung zum Beginn des Schritts 20.
Zunächst wird der aktuelle Wirkungsgrad η ermittelt. Anschließend wird der Versatz schrittweise verringert und der aktuelle Wirkungsgrad jeweils neu ermittelt und mit dem vorhergehenden Wirkungsgrad verglichen. Dies wird solange wiederholt, bis der aktuelle Wert des Wirkungsgrads größer ist als der vorhergehende oder die übertragene Leistung größer oder gleich der Vergleichsleistung P_soll ist. Ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt, ist der optimale Arbeitspunkt bereits überschritten. Der Versatz wird dann um einen Schritt zurückgestellt, so dass die optimale Position erreicht ist. In den 10 und 11 sind schematisch die entsprechenden Arbeitspunkte dargestellt.
Im dritten Fall beginnend mit Schritt 22 ist der aktuelle Wert der übertragenen Leistung kleiner als der des vorhergehenden Schritts und größer oder gleich der Vergleichsleistung P_soll. In diesem Fall ist der optimale Punkt des Systems bereits überschritten und eine weitere Optimierung hinsichtlich des Wirkungsgrads nicht sinnvoll. Der Versatz wird im Schritt 40 um einen Schritt auf den optimalen Punkt zurückgestellt. Das Fahrzeug ist in diesem Fall optimal positioniert und kann mit der geforderten übertragbaren Leistung betrieben werden. Das Verfahren endet hier mit Schritt 42.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Position des Fahrzeugs entsprechend nachgeführt wird. Alternativ oder ergänzend ist es aber auch möglich, die Position der bodenseitigen oder fahrzeugseitigen elektronischen Spule auf diese Weise nachzuführen.
Insgesamt ergeben sich durch die Erfindung die Vorteile, dass immer die optimale Fahrzeugposition gegenüber der Ladestation aufgefunden werden kann und zwar auch dann, wenn Annahmen bezüglich einer Systemauslegung, insbesondere einer Abstimmung von Schwingkreisen der Ladestation und des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, nicht erfüllt sind. Die Erfindung erlaubt es ferner, dass eine drahtlose energietechnische Kopplung bei einem maximal erreichbaren Wirkungsgrad und einer gewünschten übertragenen Leistung durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, dass ein erweiterter Arbeitsbereich erreicht werden kann, beispielsweise durch Ausgleichen einer Fehlabstimmung bei einem zu kleinen Luftspalt durch einen entsprechenden Versatz oder dergleichen. Die eingangs genannten Nachteile können dadurch vermieden werden.
Das vorangehende Ausführungsbeispiel soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen.
Natürlich können auch einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus können natürlich Vorrichtungsmerkmale auch durch entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt angegeben sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020120016521 A [0004]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Energie mittels eines von einer elektronischen Spule bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug übertragen wird, zu welchem Zweck die elektronische Spule mittels eines Wechselrichters in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle bezieht, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des drahtlosen energietechnischen Koppelns das elektrisch antreibbare Fahrzeug gegenüber der Ladestation positioniert wird, wobei das Positionieren unter Berücksichtigung eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie von der Ladestation an das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Betriebsparameters infolge einer vorgegebenen Änderung der Fahrzeugposition ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine übertragene Leistung und/oder ein Wirkungsgrad des Übertragens der Leistung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die übertragene Leistung mit einem vorgebbaren Leistungsvergleichswert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Verfahrens mit Erreichen eines maximalen Wertes der übertragenen Leistung beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad mit einem Wirkungsgradvergleichswert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Verfahrens mit Erreichen eines maximalen Wertes des Wirkungsgrads beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer geänderten Positionierung wiederholt wird.
Ladestation zum Übertragen von Energie von der Ladestation an ein mit der Ladestation drahtlos energietechnisch gekoppeltes, elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum Bereitstellen der Energie für das drahtlose energietechnische Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes, zu welchem Zweck der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, die elektronische Spule in einem Resonanzbetrieb mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen, gekennzeichnet durch eine Detektionseinheit zum Detektieren einer Position des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und eines Betriebsparameters während des Übertragens von Energie sowie eine Steuereinheit zum Positionieren des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
Ladestation nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mittels der Steuereinheit steuerbare Positioniervorrichtung für die elektronische Spule der Ladestation und/oder das elektrisch antreibbare Fahrzeug.
Ladestation nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinheit.
Ladestation nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Kommunikationsschnittstelle zum kommunikationstechnischen Koppeln des Fahrzeugs.
Rechnerprogrammprodukt umfassend ein Programm für eine Rechnereinheit einer Ladestation (10), wobei das Programm Programmkodeabschnitte eines Programms zum Ausführen der Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wenn das Programm durch die Rechnereinheit ausgeführt wird.