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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Positionierung eines Fahrzeugs über der Bodeneinheit eines induktiven Ladesystems.
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Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
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Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit 120 die elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Speicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine sogenannte Sekundärspule im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule über eine nicht gezeigte Impedanzanpassung und einen Gleichrichter 101 mit dem Speicher 103 verbunden ist. Die Sekundärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 102.
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Die Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 kann über einer Primärspule positioniert werden, wobei die Primärspule z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 111. Die Primärspule ist mit einer Stromversorgung 110 (in diesem Dokument auch als Ladeeinheit 110 bezeichnet) verbunden. Die Stromversorgung 110 kann einen Radio-Frequenz-Generator umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit 111 erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld induziert wird. Dieses magnetische Feld wird in diesem Dokument auch als elektromagnetisches Ladefeld bezeichnet. Das elektromagnetische Ladefeld kann einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Der Ladefeld-Frequenzbereich kann im LF (Low Frequency)-Bereich liegen, z.B. bei 80–90kHz (insbesondere bei 85kHz) oder bei ca. 145kHz.
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Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule der WPT-Bodeneinheit 111 und Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 über die Unterbodenfreiheit 120 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 wird durch den Gleichrichter 101 gleichgerichtet und im Speicher 103 (z.B. in der Batterie) gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung 110 zum Energie-Speicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät 105 (auch als WPT-Steuergerät 105 bezeichnet) gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät 105 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos, mit der Ladeeinheit 110 (z.B. mit einer Wallbox) oder mit der WPT-Bodeneinheit 111 zu kommunizieren.
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Für einen effektiven Energietransfer über das elektromagnetische Ladefeld ist es typischerweise erforderlich, dass die WPT-Fahrzeugeinheit 102 relativ genau über der WPT-Bodeneinheit 111 positioniert wird. Diese Positionierung kann dadurch unterstützt werden, dass die Position des Fahrzeugs 100 relativ zur WPT-Bodeneinheit 111 bestimmt wird.
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Das vorliegende Dokument befasst sich daher mit der technischen Aufgabe, in effizienter und präziser Weise eine Position des Fahrzeugs 100 relativ zu der WPT-Bodeneinheit 111 eines induktiven Ladesystems zu bestimmen. Die Bestimmung der Position sollte dabei für Fahrzeuge 100 einer Vielzahl von unterschiedlichen Herstellern ermöglicht werden. Mit anderen Worten, die Positionsbestimmung sollte Hersteller-unabhängig und/oder Herstellerübergreifend sein.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (z.B. an ein Fahrzeug mit Elektroantrieb) beschrieben. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Landfahrzeug, z.B. um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad handeln. Die Ladestation umfasst eine Bodeneinheit, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug zu erzeugen. Die Bodeneinheit kann insbesondere eine Primärspule umfassen, die eingerichtet ist, das elektromagnetische Ladefeld zu erzeugen.
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Die Ladestation umfasst weiter eine Empfangseinheit, die eingerichtet ist, ein Anfragesignal von einer Sendeeinheit eines Fahrzeugs zu empfangen. Das Anfragesignal kann insbesondere ein Anfragesignal einer schlüssellosen Zugangsfunktion und/oder einer schlüssellosen Motorstartfunktion eines Fahrzeugs umfassen. Die Empfangseinheit kann an oder in der Bodeneinheit angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Empfangseinheit an einer Ladeeinheit (z.B. an einer Wallbox) der Ladestation angeordnet sein.
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Die Empfangseinheit kann derart eingerichtet sein, dass ein Anfragesignal in einem beliebigen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen empfangen werden kann. Mit anderen Worten, die Empfangseinheit kann eingerichtet sein, Anfragesignale zu empfangen, die jeweils in einem einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen.
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Die Empfangseinheit ist weitere eingerichtet, eine Signalstärke des empfangenen Anfragesignals zu ermitteln. Die Signalstärke des empfangenen Anfragesignals kann dazu verwendet werden, die Position des Fahrzeugs, welches das Anfragesignal ausgesendet hat, relativ zu der Ladestation und insbesondere relativ zu der Bodeneinheit zu bestimmen.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Empfangseinheit Anfragesignale in einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen empfangen kann, wird eine Positionierung von Fahrzeugen unterschiedlicher Hersteller ermöglicht. Die Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen kann beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Frequenzbereiche umfassen: einen Frequenzbereich um 21kHz; einen Frequenzbereich um 80kHz; einen Frequenzbereich um 125kHz; und/oder einen Frequenzbereich um 132kHz. Die einzelnen Frequenzbereiche der Anfragesignale können substantiell voneinander abgegrenzt sein. Mit anderen Worten, die Frequenzbereiche der Anfragesignale können derart sein, dass sich Anfragesignale in unterschiedlichen Frequenzbereichen nicht substantiell stören.
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Wie oben dargelegt, kann die Empfangseinheit an oder in der Bodeneinheit angeordnet sein. Insbesondere kann die Empfangseinheit (anders als ein Schlüssel für eine Zugangsfunktion) an einer festen Position fixiert sein und/oder eine feste Orientierung im Raum aufweisen. Die Empfangseinheit kann dann eingerichtet sein, die einzelnen Richtungsanteile eines Empfangsfeldes (z.B. einen X-, Y- und Z-Anteil) zur besseren Auflösung einzeln auszuwerten. Dadurch kann die Qualität des Empfangs der ein oder mehreren Anfragesignale erhöht werden.
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Zur Ermittlung der Signalstärke kann die Empfangseinheit eingerichtet sein, ein Signal (z.B. ein analoges elektrisches Signal) zu empfangen, welches das Anfragesignal umfasst. Die Empfangseinheit kann weiter eingerichtet sein, den Frequenzbereich des Anfragesignals als einen Frequenzbereich aus der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen zu ermitteln. Beispielsweise kann eine Information des Frequenzbereichs des Anfragesignals von dem Fahrzeug, welches das Anfragesignal ausgesendet hat, an die Ladestation übermittelt werden. Desweiteren kann die Empfangseinheit eingerichtet sein, das empfangene Signal in Abhängigkeit von dem ermittelten Frequenzbereich des Anfragesignals aufzubereiten und/oder zu verarbeiten. Insbesondere kann ein Frequenzanteil des empfangenen Signals, welcher im Frequenzbereich des Anfragesignals liegt, isoliert werden, um das aufbereitete Signal zu ermitteln. Die Signalstärke des Anfragesignals kann dann auf Basis des aufbereiteten Signals ermittelt werden. Dadurch wird eine präzise Ermittlung der Signalstärke des Anfragesignals ermöglicht, was wiederum eine präzise Positionsbestimmung des Fahrzeugs ermöglicht, welches das Anfragesignal ausgesendet hat.
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Die Empfangseinheit kann eine Empfangseinheit umfassen, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Feld (welches das Anfragesignal umfasst) in ein analoges elektrisches Signal (z.B. in das empfangene Signal) umzuwandeln. Desweiteren kann die Empfangseinheit eine Signalaufbereitungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, das analoge elektrische Signal in einem Ladefeld-Frequenzbereich des elektromagnetischen Ladefelds relativ zu dem analogen elektrischen Signal in einem oder mehreren der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen zu dämpfen. Mit anderen Worten, die Signalaufbereitungseinheit kann eingerichtet sein, den auf einem elektromagnetischen Ladefeld beruhenden Anteil des empfangenen Signals in seiner Signalstärke relativ zu anderen Signalanteilen zu reduzieren. Dadurch können Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Signalstärke des Anfragesignals, welche von einem elektromagnetischen Ladefeld herrühren, reduziert oder vermieden werden. Folglich steigt so die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Fahrzeugs.
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Wie oben dargelegt, kann die Empfangseinheit eingerichtet sein, den Frequenzbereich des Anfragesignals aus der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen zu ermitteln. Desweiteren kann die Empfangseinheit eingerichtet sein, die Signalaufbereitungseinheit an den Frequenzbereich des Anfragesignals anzupassen. Insbesondere kann die Signalaufbereitungseinheit derart angepasst werden, dass ein auf dem Anfragesignal beruhender Anteil des empfangenen Signals relativ zu anderen Anteilen hervorgehoben wird.
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Alternativ kann die Empfangseinheit eingerichtet sein, das analoge elektrische Signal in dem Ladefeld-Frequenzbereich relativ zu dem analogen elektrischen Signal in allen der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen zu dämpfen, und das analoge elektrische Signal in der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen mit einer vordefinierten Dämpfung oder weniger zu dämpfen. Mit anderen Worten, die Signalaufbereitungseinheit kann statisch ausgelegt sein und die Signalanteile aller möglichen der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen relativ zu dem Signalanteil im Ladefeld-Frequenzbereich hervorheben.
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Die Empfangseinheit kann weiter einen Analog-zu-Digital Wandler umfassen, der eingerichtet ist, ein aus dem analogen elektrischen Signal abgeleitetes Signal in ein digitales Signal zu wandeln. Desweiteren kann die Empfangseinheit eine Filtereinheit umfassen, die eingerichtet ist, das digitale Signal in einem der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen relativ zu dem digitalen Signal in den anderen der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen hervorzuheben. Insbesondere kann der Anteil des digitalen Signals, welcher in dem Frequenzbereich des Anfragesignals liegt, isoliert und/oder hervorgehoben werden.
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Desweiteren kann die Empfangseinheit eine Ermittlungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, eine Signalstärke des Signals am Ausgang der Filtereinheit zu ermitteln. Das Signal am Ausgang der Filtereinheit kann primär Anteile des empfangenen Anfragesignals umfassen. Folglich kann die Signalstärke des Anfragesignals in präziser Weise bestimmt werden.
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Die Filtereinheit kann einen digitalen Filter umfassen. Der digitale Filter kann sequentiell an die Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen angepasst werden. So kann in sequentieller Weise ermittelt werden, ob und ggf. in welchem Frequenzbereich ein Anfragesignal empfangen wird. Die Ladestation kann so (ohne Information von einem Fahrzeug) bestimmen, in welchem Frequenzbereich das Fahrzeug Anfragesignale aussendet.
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Das Anfragesignal kann von einer Sendeeinheit des Fahrzeugs gesendet worden sein, an das über die Bodeneinheit elektrische Energie übertragen werden soll. Die Empfangseinheit kann dann eingerichtet sein, die ermittelte Signalstärke zur Ermittlung einer Position des Fahrzeugs relativ zu der Bodeneinheit bereitzustellen. Insbesondere kann die ermittelte Signalstärke an das Fahrzeug übermittelt werden, um es dem Fahrzeug zu ermöglichen, eine Positionierung über der Bodeneinheit durchzuführen.
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Die Ladestation kann weiter eingerichtet sein, die Bodeneinheit zu veranlassen, eine Feldstärke des elektromagnetischen Ladefelds zu reduzieren, wenn über die Empfangseinheit der Empfang eines Anfragesignals detektiert wurde. So kann erreicht werden, dass ein Positionierungsvorgang und/oder eine schlüssellose Zugangsfunktion nicht durch ein elektromagnetisches Ladefeld gestört wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeugs relativ zu einer Ladestation beschrieben. Das Verfahren umfasst das Senden eines Anfragesignals von dem Fahrzeug. Dabei kann das Anfragesignal in einem beliebigen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen. Das Verfahren umfasst weiter das Empfangen eines Signals an der Ladestation, wobei das empfangene Signal das Anfragesignal umfasst. Das Verfahren umfasst außerdem das Ermitteln, an der Ladestation, des Frequenzbereichs des Anfragesignals als einen Frequenzbereich aus der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen. Das empfangene Signal wird dann in Abhängigkeit von dem ermittelten Frequenzbereich des Anfragesignals aufbereitet und die Signalstärke des Anfragesignals wird auf Basis des aufbereiteten Signals ermittelt. Die Position des Fahrzeugs relativ zu der Ladestation kann anhand der ermittelten Signalstärke bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
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1 eine beispielhafte Vorrichtung zum induktiven Laden eines Fahrzeugs;
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2a ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer Sekundärspule und ein oder mehreren Sendeeinheiten zur Kommunikation mit einem Fahrzeugschlüssel;
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2b einen beispielhaften Fahrzeugschlüssel;
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3 eine beispielhafte Bodeneinheit und ein beispielhaftes Fahrzeug;
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4 eine beispielhafte Empfangseinheit für eine Bodeneinheit;
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5a beispielhafte Übertragungsfunktionen der Signalaufbereitung für Anfragesignale unterschiedlicher Fahrzeughersteller;
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5b ein beispielhaftes Schaltungsdiagram einer analogen Signalaufbereitungseinheit;
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5c einen beispielhaften Dämpfungsverlauf einer analogen Signalaufbereitungseinheit;
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6 einen beispielhaften Dämpfungsverlauf einer digitalen Filtereinheit; und
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7 ein Blockdiagram einer beispielhaften Bodeneinheit.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bestimmung der Position eines Fahrzeugs 100 relativ zu einer WPT-Bodeneinheit 111. Die Bestimmung der Position sollte für Fahrzeuge 100 einer Vielzahl von unterschiedlichen Herstellern ermöglicht werden, um Ladeeinheiten oder Ladestationen 110 bereitzustellen, die eingerichtet sind, Fahrzeuge 100 der Vielzahl von unterschiedlichen Herstellern induktiv aufzuladen.
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Im Rahmen der Bereitstellung einer schlüssellosen Zugangsfunktion, ist die Vermessung der Relativposition zwischen einem Fahrzeug 100 und einem Fahrzeugschlüssel erforderlich. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, das Verfahren zur Bestimmung der Relativposition zwischen einem Fahrzeug 100 und einem Fahrzeugschlüssel für die Bestimmung der Relativposition zwischen einem Fahrzeug 100 und einer WPT-Bodeneinheit 111 anzupassen. Dadurch kann eine kostengünstige und Hersteller-übergreifende Positionsbestimmung ermöglicht werden.
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Verschiedene Fahrzeughersteller bieten eine schlüssellose Zugangsfunktion (auch als „Smart Key“ bezeichnet) zu einem Fahrzeug 100 an (bei BMW z.B. unter dem Namen „Comfort Access“, CA). Die schlüssellose Zugangsfunktion erlaubt es einem Fahrer, ohne Benutzung des Schlüssel-Schloss-Prinzips, eine Fahrzeugtür 210 zu öffnen oder den Motor des Fahrzeugs 100 zu starten (siehe 2a). Zum Öffnen der Tür 210 greift der Fahrer zum Türgriff 211. Ein Annäherungssensor 212 am oder in der Nähe von dem Türgriff 211 sensiert, d.h. erfasst, diese Bewegung. Daraufhin wird ein spezifisches LF-Signal (LF: Low Frequency) über ein oder mehrere Sendeeinheiten 201 des Fahrzeugs 100 versandt. Dieses Signal kann auch als Anfragesignal bezeichnet werden. Mit anderen Worten, die ein oder mehreren Sendeeinheiten 201 können eingerichtet sein, ein elektromagnetisches Feld (insbesondere im LF Bereich), d.h. das Anfragesignal, auszusenden. Beispielhafte Sendefrequenzen der ein oder mehreren Sendeeinheiten 201 liegen im Frequenzbereich von 20–140kHz (z.B. 20 kHz, 124kHz, 125kHz, 127 kHz, 133kHz oder 135kHz), d.h. unterschiedliche Fahrzeughersteller verwenden ggf. unterschiedliche Sendefrequenzen für das Anfragesignal.
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Das von den ein oder mehreren Sendeeinheiten 201 ausgesendete elektromagnetische Feld umfasst das Anfragesignal. Das ausgesendete Anfragesignal kann mehrere Teile umfassen. Ein erster Teil des Anfragesignals kann darauf ausgelegt sein, eine Empfangseinheit 223 in einem Schlüssel 220 des Fahrers aufzuwecken, d.h. für den Empfang weiterer Informationen vorzubereiten. Ein weiterer Teil des Anfragesignals kann Informationen zur Identifikation des Fahrzeugs 100 umfassen. Die verschiedenen Teile des von den ein oder mehreren Sendeeinheiten 201 ausgesendeten Anfragesignals können zeitversetzt gesendet werden.
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Die Empfangseinheit 223 im Schlüssel 220 ist eingerichtet, die von den ein oder mehreren Sendeeinheiten 201 gesendeten Signale oder Signalteile zu empfangen und die Signalstärke oder Feldstärke der Signale oder Signalteile zu ermitteln. Eine Schlüsselsendeeinheit 221 des Schlüssels 200 antwortet auf das empfangene Anfragesignal mit einem Antwortsignal. Das Antwortsignal wird typischerweise in einem anderen (typischerweise höheren) Frequenzbereich übertragen als das Anfragesignal. Beispielsweise kann das Antwortsignal mit einer Antwortfrequenz von 433MHz (d.h. im HF (High Frequency) Bereich) übertragen werden.
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Das Antwortsignal kann aus mehreren Teilen bestehen. Ein erster Teil des Antwortsignals kann der Identifikation des Schlüssels 220 dienen und ein weiterer Teil des Antwortsignals kann einen Indikator für die gemessene Signalstärke des Anfragesignals umfassen. Ein oder mehrere Empfangseinheiten 204 des Fahrzeugs 100 können das Antwortsignal und/oder die Antwortsignal-Teile empfangen und an ein Steuergerät 202 des Fahrzeugs 100 weiterleiten. Das Steuergerät 202 kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der Schlüssel 220 zum Fahrzeug 100 passt. Desweiteren kann über Triangulation bzw. über eine Look-Up-Tabelle die Position des Schlüssels 220 relativ zum Fahrzeug 100 berechnet werden (aus Basis der gemessenen Signalstärken einer Vielzahl von Anfragesignalen). Passt die abgeschätzte Position des Schlüssels 220 mit der Position des Annäherungssensors 212 (z.B. Umgebung der berührten Tür 210 und/oder des berührten Türgriffs 211) überein, so wird die Tür 210 und/oder das gesamte Fahrzeug 100 geöffnet.
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Wie in 2a dargestellt, umfasst das Fahrzeug 100 typischerweise eine Vielzahl von Sendeeinheiten 201. Die Sendeeinheiten 201 können an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug 100 angeordnet sein. Jede Sendeeinheit 201 der Vielzahl von Sendeinheiten 201 kann ein Anfragesignal (z.B. einen Signalpuls) versenden. Die Anfragesignale können zeitlich zueinander versetzt sein, und ggf. eine vordefinierte Reihenfolge aufweisen. Alternativ oder ergänzend können die Anfragesignale eine eindeutige Kennung aufweisen. Der Schlüssel 220 und/oder die Empfangseinheit 204 des Fahrzeugs 100 können mittels der Kennung und/oder mittels der Reihenfolge die Anfragesignale eindeutig jeweils einer Sendeeinheit 201 der Vielzahl von Sendeeinheiten 201 zuordnen. Somit kann die jeweilige Signalstärke der einzelnen Anfragesignale und damit auch der jeweilige Abstand zwischen Sendeeinheit 201 und Schlüssel 220 ermittelt werden. Da sich die Sendeeinheiten 201 an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug 100 befinden, ergibt sich somit eine Vielzahl von Abständen für die entsprechende Vielzahl von Sendeeinheiten 201. Anhand von Triangulationsverfahren kann so die Relativposition zwischen Fahrzeug 100 und Schlüssel 220 bestimmt werden. Ggf. kann auch eine Orientierung des Fahrzeugs 100 in Bezug auf den Schlüssel 220 bestimmt werden.
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Die oben genannte Prozedur zum Identitätsabgleich / Positionsabgleich zwischen Fahrzeug 100 und Schlüssel 220 nimmt typischerweise einen Zeitraum von ca. 100ms in Anspruch. D.h. die o.g. Prozedur bleibt aufgrund des geringen Zeitraums für den Fahrer typischerweise unbemerkt, so dass der Fahrer mit dem Griff zum Türgriff 211 direkt die Tür 210 öffnen kann. Eine analoge Prozedur zum Identitätsabgleich erfolgt typischerweise auch beim Motorstart.
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Wie oben dargelegt, kann das Verfahren zur Positionierung eines Schlüssels 220 relativ zum Fahrzeug 100 in analoger Weise für die Positionierung eines Fahrzeugs 100 über einer Bodeneinheit 111 angepasst werden. Dazu kann die Bodeneinheit 111 mit ein oder mehreren Empfangseinheiten 323 (analog zu der Empfangseinheit 223 eines Schlüssels 220) für die Anfragesignale der Sendeeinheiten 201 eines sich nähernden Fahrzeugs 100 versehen werden. Dies ist in 3 (rechte Seite) dargestellt. Insbesondere zeigt 3 ein Fahrzeug 100, das sich einer Bodeneinheit 111 nähert. Das Fahrzeug 100 soll derart positioniert werden, dass sich ein möglichst geringer Abstand zwischen der Bodeneinheit 111 und der Fahrzeugeinheit 102 ergibt.
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Die in 3 dargestellte Bodeneinheit 111 umfasst zwei Empfangseinheiten 323 für Anfragesignale der Sendeeinheiten 201 des Fahrzeugs 100. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Empfangseinheiten 323, die sich an einer entsprechenden Vielzahl von unterschiedlichen Stellen an der Bodeneinheit 111 befinden, kann die Genauigkeit der Bestimmung der Position des Fahrzeugs 100 relativ zu der Bodeneinheit 111 erhöht werden. Im Prinzip ist aber eine einzige Empfangseinheit 323 ausreichend, um die Position und/oder die Drehung des Fahrzeugs 100 relativ zu der Bodeneinheit 111 zu bestimmen (insbesondere wenn das Fahrzeug 100 eine Vielzahl von Sendeeinheiten 201 umfasst). In einem alternativen Beispiel kann das Fahrzeug 100 eine einzige Sendeeinheit 201 umfassen. In diesem Fall kann mittels einer Vielzahl von Empfangseinheiten 323 eine Vielzahl von Signalstärken zur Positionsbestimmung erfasst werden.
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Das Steuergerät 202 des Fahrzeugs 100 kann eingerichtet sein, das Verfahren zur Positionierung des Fahrzeugs 100 einzuleiten. Insbesondere kann das Steuergerät 202 veranlassen, dass Anfragesignale von den Sendeeinheiten 201 des Fahrzeugs 100 versendet werden. Beispielsweise kann ein Fahrer des Fahrzeugs 100 veranlassen, dass der Positionierungsprozess eingeleitet werden soll (z.B. durch Drücken einer Taste im Fahrzeug 100 oder durch eine Menuauswahl). Alternativ oder ergänzend kann das Fahrzeug 100 eine Kommunikationseinheit 350 umfassen, die eingerichtet ist, mit einer entsprechenden Kommunikationseinheit 351 der Bodeneinheit 111 oder der Ladeeinheit 110 zu kommunizieren. Die Kommunikationseinheiten 350, 351 können dazu ein drahtloses Kommunikationsverfahren (z.B. WLAN oder Bluetooth) verwenden. Über die Kommunikationseinheiten 350, 351 kann die Ladeeinheit 110 mit dem Fahrzeug 100 kommunizieren und feststellen, dass das Fahrzeug 100 in ausreichender Nähe zu der Bodeneinheit 111 ist, um den Positionierungsprozess mittels der Anfragesignale zu beginnen.
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Die ein oder mehreren Empfangseinheiten 323 der Bodeneinheit 111 sind eingerichtet, die Anfragesignale zu empfangen und eine Signalstärke der empfangenen Anfragesignale zu ermitteln und an das Fahrzeug 100 zurückzusenden. Die ermittelten Signalstärken können in ein oder mehreren Antwortsignalen an die Empfangseinheit 204 des Fahrzeugs 100 zurückgesendet werden (wie im Falle der schlüssellosen Zugangsfunktion). Alternativ oder ergänzend können die ermittelten Signalstärken über die Kommunikationseinheiten 351, 350 (z.B. über WLAN) an das Fahrzeug 100 übermittelt werden.
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Das Steuergerät 202 des Fahrzeugs 100 ist eingerichtet, anhand der Signalstärken der Anfragesignale die Abstände zwischen den einzelnen Sendeeinheiten 201 des Fahrzeugs 100 und den einzelnen Empfangseinheiten 323 der Bodeneinheit 111 zu ermitteln. Aus den Abständen können dann (z.B. unter Verwendung von Triangulationsverfahren) die Position des Fahrzeugs 100 relativ zur Bodeneinheit 111 und/oder die Drehung des Fahrzeugs 100 relativ zur Bodeneinheit 111 bestimmt werden.
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Die Bestimmung einer genauen Position des Fahrzeugs 100 erfordert somit eine präzise Ermittlung der Signalstärke der Anfragesignale. Wie oben dargelegt, erfolgt das induktive Laden der Batterie 103 eines Fahrzeugs 100 mittels Aufbau eines elektromagnetischen Ladefeldes mit einer bestimmten Ladefeld-Frequenz durch die Bodeneinheit 111. Die Frequenz des Ladefelds liegt dabei typischerweise zwischen 80–90 kHz (z.B. bei 85kHz) oder bei 145kHz. In der WPT-Fahrzeugeinheit 102 wird durch das Ladefeld in der Sekundärspule ein Strom induziert. Der induzierte Wechselstrom wird gleichgerichtet und gefiltert, so dass mit dem daraus resultierenden Gleichstrom ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs 100 versorgt werden kann und/oder die Fahrzeugbatterie 103 geladen werden kann.
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Somit liegen die Ladefeld-Frequenzen für das induktive Laden (80–90 kHz oder 145kHz) in einem benachbarten und/oder in dem gleichen Frequenzbereich, wie der Frequenzbereich, der für das Aussenden eines Anfragesignals durch die Sendeeinheiten 201 verwendet wird (20–140kHz). Insbesondere liegen die Frequenzen für das induktive Laden in einem Frequenzbereich, der den Empfang des Anfragesignals der schlüssellosen Zugangsfunktion stören kann. Dies kann dazu führen, dass die Signalstärke eines Anfragesignals nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, da das durch eine Empfangseinheit 223, 323 empfangene elektromagnetische Feld, Energie-Anteile des elektromagnetischen Ladefelds umfasst.
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Um zu gewährleisten, dass die Signalstärke eines Anfragesignals mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, kann eine Signalaufbereitung in der Empfangseinheit 223 eines Schlüssels 220 erfolgen, durch die in bevorzugter Weise Frequenzanteile des Anfragesignals isoliert werden. Insbesondere kann die Empfangseinheit 223 eines Schlüssels 220 einen analogen Eingangsfilter umfassen, der eingerichtet ist, das Anfragesignal aus einem elektromagnetischen Feld herauszufiltern, und andere Frequenzen des elektromagnetischen Felds (insbesondere den Ladefeld-Frequenzbereich) zu blockieren (oder zu dämpfen).
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Die Empfangseinheit 223 eines Schlüssels 220 ist typischerweise auf den Frequenzbereich des Anfragesignals eines spezifischen Fahrzeugherstellers abgestimmt. Wie eingangs dargelegt, verwenden unterschiedliche Fahrzeughersteller unterschiedliche Frequenzbereiche für die Bereitstellung einer schlüssellosen Zugangsfunktion. Im Gegensatz zu einem Fahrzeugschlüssel 220 sollte die Bodeneinheit 111 eingerichtet sein, in Hersteller-übergreifender Weise eine Positionierung des Fahrzeugs 100 zu ermöglichen. Es wird daher vorgeschlagen, die Empfangseinheit 323 einer Bodeneinheit 111 derart einzurichten, dass Anfragesignale in unterschiedlichen Frequenzbereichen empfangen werden können und von dem Ladefeld-Frequenzbereich des Ladefelds abgegrenzt werden können. So kann die Signalstärke von Anfragesignalen in unterschiedlichen Frequenzbereichen in präziser und robuster Weise ermittelt werden.
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4 zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Empfangseinheit 323 für eine Bodeneinheit 111. Die Empfangseinheit 323 umfasst eine Empfangsspule 401, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Feld (welches auch das Anfragesignal umfasst) zu empfangen und in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Empfangseinheit 323 umfasst weiter eine Signalaufbereitungseinheit 402, die eingerichtet ist, das empfangene analoge elektrische Signal derart aufzubereiten, dass ein Frequenzanteil des elektromagnetischen Ladefelds relativ zu einem Frequenzanteil des Anfragesignals, in Hersteller-übergreifender Weise, gedämpft wird.
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Die Empfangseinheit 323 kann weiter einen Analog-zu-Digital (A/D) Wandler umfassen, der eingerichtet ist, das aufbereitete analoge Signal abzutasten und in ein digitales Signal zu wandeln. Die dabei verwendete Abtastfrequenz kann von einer Modulationsfrequenz oder einer Bandbreite des Anfragesignals abhängen. Beispielhafte Abtastfrequenzen liegen bei 290kHz oder mehr. Desweiteren kann die Empfangseinheit 323 eine digitale Filtereinheit 404 umfassen, die eingerichtet ist, einen spezifischen Frequenzanteil des von einem spezifischen Fahrzeug 100 ausgesendeten Anfragesignals zu isolieren. Ein digitaler Filter der digitalen Filtereinheit 404 kann insbesondere von dem Frequenzbereich abhängen, in dem die Sendeeinheiten 201 des sich nähernden Fahrzeugs 100 Anfragesignal versenden. Der Frequenzbereich der ausgesendeten Anfragesignale kann von dem Fahrzeug 100 an die Bodeneinheit 111 übermittelt werden (z.B. über die Kommunikationseinheiten 350, 351).
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Außerdem umfasst die Empfangseinheit 323 eine Ermittlungseinheit 405, die eingerichtet ist, auf Basis des gefilterten digitalen Signals eine Signalstärke eines empfangenen Anfragesignals zu ermitteln. Die ermittelte Signalstärke kann dann an das Fahrzeug 100 übermittelt werden.
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5a zeigt beispielhafte Übertragungsfunktionen 501, 502, 503, 504 der Signalaufbereitung empfangener Anfragesignale für unterschiedliche Frequenzbereiche, d.h. für unterschiedliche Hersteller. Eine Übertragungsfunktion 501, 502, 503, 504 stellt einen Anteil 500 des passierenden Signals als Funktion der Frequenz 509 dar. Die dargestellten Übertragungsfunktionen 501, 502, 503, 504 sind jeweils auf den Frequenzbereich der schlüssellosen Zugangsfunktion eines bestimmten Herstellers abgestimmt (mit den beispielhaften Frequenzen maximaler Empfindlichkeit bei 21kHz, 80kHz, 125kHz und 132kHz).
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In dem dargestellten Beispiel wird angenommen, dass das elektromagnetische Ladefeld eine Lade-Frequenz von 145kHz aufweist. Die Übertragungsfunktionen 501, 502, 503, 504 weisen bei der Lade-Frequenz eine möglichst große Dämpfung auf, um den Einfluss des elektromagnetischen Ladefelds auf die ermittelte Signalstärke eines Anfragesignals möglichst gering zu halten.
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Die Signalaufbereitungseinheit 402 der Empfangseinheit 323 kann eingerichtet sein, Anfragesignale in einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen zu empfangen. Desweiteren kann die Signalaufbereitungseinheit 402 eingerichtet sein, den Ladefeld-Frequenzbereich des elektromagnetischen Ladefelds relativ zu der Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen unterschiedlicher Anfragesignale zu dämpfen. Dazu kann die Signalaufbereitungseinheit 402 an den Frequenzbereich eines bestimmten Anfragesignals (d.h. an den Frequenzbereich eines bestimmten Herstellers) angepasst werden. Wie oben dargelegt kann das Steuergerät 202 eines Fahrzeugs 100 eingerichtet sein, der Bodeneinheit 111 (z.B. über die Kommunikationseinheiten 350, 351) den Frequenzbereich der, durch die Sendeeinheiten 210 ausgesendeten, Anfragesignale mitzuteilen. Die Signalaufbereitungseinheit 402 der Empfangseinheit 323 kann dann an diesen Frequenzbereich angepasst werden. Alternativ kann die Signalaufbereitungseinheit 402 statisch ausgelegt sein.
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5b zeigt ein Schaltungsdiagram einer beispielhaften Signalaufbereitungseinheit 402, die an eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen angepasst werden kann. In 5b ist die Empfangsspule 401 durch eine ideale Spule und einen Spulenwiderstand dargestellt. Die Signalaufbereitungseinheit 402 umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten Kondensatoren 510, die anhand einer entsprechenden Vielzahl von Schaltern 511 parallel geschaltet werden können. Durch Ändern der Anzahl von parallel geschalteten Kondensatoren 510 kann der aus der Spule 401 und den ein oder mehreren Kondensatoren 510 bestehende Empfangskreis (LC-Kreis) auf unterschiedliche Frequenzbereiche angepasst werden. Somit kann die Übertragungsfunktion 501, 502, 503, 504 der Signalaufbereitungseinheit 402 an den Frequenzbereich der Anfragesignale angepasst werden.
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Die Signalaufbereitungseinheit 402 kann weiter einen Sperrkreis 512 (beispielhaft umfassend eine Spule, einen Kondensator und einen Widerstand) umfassen, mit der der Ladefeld-Frequenzbereich blockiert oder gedämpft werden kann.
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5c zeigt eine beispielhafte Dämpfungsfunktion 520 einer statischen Signalaufbereitungseinheit 402. Die Signalaufbereitungseinheit 402 aus 5c ist derart ausgelegt, dass in einem ersten Frequenzbereich 521 eine relativ geringe Dämpfung vorliegt, um ein empfangenes Signal möglichst ungehindert passieren zu lassen. Der erste Frequenzbereich 521 kann derart ausgelegt sein, dass er die Vielzahl von Frequenzbereichen der Anfragesignale unterschiedlicher Hersteller umfasst. Desweiteren kann die Signalaufbereitungseinheit 402 derart ausgelegt sein, dass in einem zweiten Frequenzbereich 522 eine relativ hohe Dämpfung vorliegt, um ein empfangenes Signal möglichst stark zu blockieren. Der zweite Frequenzbereich 522 kann derart ausgelegt sein, dass er den Ladefeld-Frequenzbereich (im dargestellten Beispiel bei 145kHz) umfasst. Desweiteren kann durch den zweiten Frequenzbereich 522 eine Bandbreitenbegrenzung des analogen elektrischen Signals erfolgen und damit eine Übersteuerung des folgenden A/D-Wandlers 403 verhindert werden.
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Die Signalaufbereitungseinheit 402 kann beispielsweise einen Cauer-Filter umfassen.
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Wie in 4 dargestellt, kann die Empfangseinheit 323 weiter eine digitale Filtereinheit 404 umfassen. Ein digitales Filter der Filtereinheit 404 kann auf einen bestimmten Frequenzbereich der Anfragesignale eines bestimmten Herstellers abgestimmt sein. Die digitale Filtereinheit 404 kann eingerichtet sein, Informationen bzgl. des Frequenzbereichs der Anfragesignale zu ermitteln und eine Übertragungs- oder Dämpfungsfunktion des digitalen Filters auf einen bestimmten Frequenzbereich für Anfragesignale anzupassen. Dazu können Frequenzbereich-spezifische Filter-Parameter verwendet werden (die z.B. in einer Look-up Tabelle hinterlegt sind). Das digitale Filter kann beispielsweise ein FIR (Finite Impulse Response) Filter umfassen.
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6 zeigt eine beispielhafte Dämpfungsfunktion 520 eines digitalen Filters der Filtereinheit 404. Die Dämpfungsfunktion 520 umfasst einen ersten Frequenzbereich 621 mit einer relativ geringen Dämpfung (relativ zu der Dämpfung in den anderen Frequenzbereichen). Der erste Frequenzbereich 621 kann den von dem Fahrzeug 100 verwendeten Frequenzbereich zur Versendung von Anfragesignalen umfassen. Die Frequenzbereiche für Anfragesignale anderer Hersteller können von der Dämpfungsfunktion 520 des digitalen Filters vergleichsweise stark gedämpft werden. Desweiteren kann die Dämpfungsfunktion 520 einen zweiten Frequenzbereich 622 mit einer besonders hohen Dämpfung umfassen. Der zweite Frequenzbereich 622 kann den Ladefeld-Frequenzbereich umfassen.
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Das digitale Signal am Ausgang der Filtereinheit 404 umfasst somit primär Energie in dem ersten Frequenzbereich 621. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die Signalstärke des digitalen Signals am Ausgang der Filtereinheit 404 mit der Signalstärke eines empfangenen Anfragesignals übereinstimmt. Die Empfangseinheit 323 ist somit eingerichtet, in Hersteller-übergreifender Weise einen präzisen Wert für die Signalstärke von Anfragesignalen zu ermitteln. Dadurch wird eine genaue Bestimmung der Position / Drehung des Fahrzeugs 100 relativ zu der Bodeneinheit 111 ermöglicht.
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7 zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Bodeneinheit 111 mit zwei Empfangseinheiten 323. Insbesondere zeigt 7 die Empfangsspulen 401, die Signalaufbereitungseinheiten 402, die A/D-Wandler 403, die digitalen Filtereinheiten 404 und die Ermittlungseinheiten 405 der beiden Empfangseinheiten 323. Die ermittelten Signalstärken der Anfragesignale können über die Kommunikationseinheit 351 an das Fahrzeug 100 übermittelt werden.
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Aus den ermittelten Signalstärken kann dann die Position / Drehung des Fahrzeugs 100 relativ zu der Bodeneinheit 111 bestimmt werden.
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Wie oben dargelegt, kann das induktive Ladesystem aufgrund der relativ hohen Feldstärke des elektromagnetischen Ladefelds die Übertragung eines Anfragesignals des eigenen Fahrzeugs 100 oder eines Anfragesignals von einem benachbarten Fahrzeug 300 (siehe 3) stören. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Bodeneinheiten 111, 311 nebeneinander angeordnet sein (z.B. in einem Parkhaus). Die elektromagnetischen Ladefelder der Vielzahl von Bodeneinheiten 111, 311 und/oder die Anfragesignale einer entsprechenden Vielzahl von Fahrzeugen 100, 300 können sich gegenseitig stören und so einen Positionierungsvorgang und/oder eine schlüssellose Zugangsfunktion stören.
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Beispielsweise kann das in 3 dargestellte Fahrzeug 300 anhand der Bodeneinheit 311 geladen werden. Die Bodeneinheit 311 kann ein oder mehrere der in diesem Dokument beschriebenen Empfangseinheiten 323 umfassen. Die ein oder mehreren Empfangseinheiten 323 der Bodeneinheit 311 können eingerichtet sein, ein Anfragesignal von einer Sendeeinheit 201 des benachbarten Fahrzeugs 100 zu empfangen. Das Anfragesignal des benachbarten Fahrzeugs 100 kann z.B. zur Ermittlung der Position des Fahrzeugs 100 oder zur Bereitstellung einer schlüssellosen Zugangsfunktion ausgesendet werden. Das Anfragesignal des benachbarten Fahrzeugs 100 kann dabei einen anderen Frequenzbereich verwenden als ein Anfragesignal des ladenden Fahrzeugs 300.
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Zum Empfang eines Anfragesignals von der Sendeeinheit 201 des benachbarten Fahrzeugs 100 kann der digitale Filter der Filtereinheit 404 an die Frequenzbereiche der unterschiedlichen Fahrzeughersteller angepasst werden. Insbesondere können zyklisch die unterschiedlichen Frequenzbereiche eingestellt werden, und Signalstärken der Ausgangssignale der Filtereinheit 404 ermittelt werden. Eine erhöhte Signalstärke in einem Frequenzbereich zeigt an, dass ein Anfragesignal von einem Fahrzeug 100, 300 ausgesendet wurde (auch von einem benachbarten Fahrzeug 100).
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Mit anderen Worten, die Bodeneinheit 311 kann eingerichtet sein, mittels der ein oder mehreren Empfangseinheiten 323 zu überprüfen, ob ein Anfragesignal in einem bestimmten Frequenzbereich der Vielzahl von Frequenzbereiche ausgesendet wurde. Dazu kann die Filtereinheit 404 parallel und/oder zyklisch an die Vielzahl von Frequenzbereichen angepasst werden, um zu ermitteln ob und ggf. in welchem Frequenzbereich ein Anfragesignal ausgesendet wurde.
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Die Bodeneinheit 311 kann eingerichtet sein, die Energieübertragung zu dem Fahrzeug 300 vorübergehend abzuschalten oder zu reduzieren, um eine Störung bei der Positionierung oder bei der Zugangsfunktion des benachbarten Fahrzeugs 100 zu vermeiden. Insbesondere kann die Bodeneinheit 311 eingerichtet sein, die Feldstärke eines von der Bodeneinheit 311 erzeugten elektromagnetischen Ladefelds (vorübergehend) zu reduzieren, wenn erkannt wurde, dass ein Anfragesignal des zu ladenden Fahrzeugs 300 und/oder eines benachbarten Fahrzeugs 100 ausgesendet wurde.
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Um zu gewährleisten, dass Anfragesignale in allen möglichen Frequenzbereichen empfangen werden können, ist die Signalaufbereitungseinheit 402 der Bodeneinheit 311 bevorzugt statisch ausgelegt (z.B. wie in 5c dargelegt). Das digitale Filter der Filtereinheit 404 kann parallel für alle bekannten Frequenzbereiche von Anfragesignalen berechnet werden. Insbesondere kann eine Vielzahl von parallelen Filterinstanzen verwendet werden. Die Anzahl der parallelen Filterinstanzen kann reduziert werden, wenn die möglichen Frequenzbereiche zumindest teilweise zyklisch und sequentiell überprüft werden.
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Die ein oder mehreren digitalen Filter einer Filtereinheit 404 können bei Verwendung einer erhöhten Rechenleistung eine geringe Durchlassbandbreite und eine höhere Sensitivität aufweisen als die Empfangseinheit 223 eines Fahrzeugschlüssels 220. Dies ermöglicht ein unverzügliches Reagieren der Bodeneinheit 311 (z.B. durch Reduzierung der Feldstärke des Ladefelds) wenn ein Anfragesignal von einem benachbarten Fahrzeug 100 ausgesendet wurde. Auch bei der Verwendung von einer Vielzahl von parallelen digitalen Filtern zur Abdeckung der Vielzahl von Frequenzbereichen kann der Rechenaufwand für die einzelnen digitalen Filter reduziert werden, da einige Filterfunktionen, z.B. der Sperrbereich im oberen Frequenzbereich und/oder der Sperrbereich 622 für den Ladefeld-Frequenzbereich, für alle digitalen Filter identisch sind.
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In diesem Dokument wurde eine Bodeneinheit beschrieben, die es ermöglicht, in Hersteller-übergreifender Weise, Fahrzeuge bei der Positionierung über der Bodeneinheit zu unterstützen. Dabei kann auf Komponenten zurückgegriffen werden, die bereits im Fahrzeug vorhanden sind, wodurch eine kostengünstige Positionierungslösung ermöglicht wird. Desweiteren kann die Robustheit der Positionierung des Fahrzeugs durch geeignete Maßnahmen zur Reduzierung des Einflusses eines elektromagnetischen Ladefelds erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
