DE102014214671A1 - Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation und Positioniersystem - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs von einer Ladestation nutzt zumindest eine an der Ladestation angeordnete erste Antenne sowie eine am Elektrofahrzeug angeordnete zweite Antenne. Bei dem Verfahren werden sowohl eine Übertragungseigenschaft zwischen erster und zweiter Antenne, insbesondere mittels einer Referenzantenne, bestimmt und herangezogen als auch eine Abhängigkeit eines zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals vom Ort der zweiten Antenne herangezogen. Das Positioniersystem ist zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs relativ zu einer Ladestation, insbesondere gemäß dem Verfahren, ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation sowie ein Positioniersystem.
  • Zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, ist es notwendig, das Elektrofahrzeug an einer Ladestation zu positionieren. Das Elektrofahrzeug darf dabei nur einen bestimmten, maximalen räumlichen Versatz zur Ladestation einnehmen. Dieses Erfordernis gilt für verschiedene Arten von Ladestationen, insbesondere für induktive, d.h. kontaktlose, Ladestationen als auch für drahtgebundene Ladestationen.
  • Es ist bekannt, zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation Ortungs- und/oder Positioniersysteme einzusetzen. Beispielsweise geben solche Positioniersysteme beim Unterschreiten eines maximalen räumlichen Versatzes des Elektrofahrzeugs relativ zur Ladestation ein Ladefreigabesignal. Alternativ oder zusätzlich können auch Richtungsinformationen zur Navigation des Elektrofahrzeugs in Richtung einer Idealposition an einen Fahrer des Elektrofahrzeugs übermittelt werden. Solche Positioniersysteme werden typischerweise im Außenbereich genutzt. Daher sind sie Umwelt- und Witterungseinflüssen ausgesetzt. Entsprechend müssen solche Positioniersysteme einerseits vor Abnutzung und Zerstörung geschützt werden. Andererseits arbeiten solche Systeme, beispielsweise bei einer Bedeckung des Positionierungssystems mit Schnee oder Eis, in der Praxis nicht sehr genau.
  • Es sind zudem Positioniersysteme zur Positionierung von Elektrofahrzeugen relativ zu einer Ladestation bekannt, die beispielsweise mit Radar, Ultraschall, optisch oder mit induktiver Kopplung arbeiten. Bei widrigen Witterungsbedingungen arbeiten jedoch auch solche Verfahren nicht zuverlässig oder hinreichend genau.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation bereitzustellen, welches zuverlässiger einsetzbar ist. Insbesondere soll das Verfahren robust gegenüber widrigen Witterungsbedingungen ausgebildet sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Positioniersystem bereitzustellen, mit welchem das Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs ausgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Positioniersystem mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation werden zumindest eine an der Ladestation angeordnete erste Antenne sowie eine am Elektrofahrzeug angeordnete zweite Antenne genutzt. Dabei wird zum einen eine Übertragungseigenschaft zwischen erster und zweiter Antenne bestimmt und herangezogen. Zudem wird eine Abhängigkeit eines zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals vom Ort der zweiten Antenne herangezogen.
  • Unter einer Übertragungseigenschaft zwischen erster und zweiter Antenne ist eine Übertragungseigenschaft eines zwischen erster und zweiter Antenne eröffneten Funkkanals zu verstehen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhaft sowohl die Übertragungseigenschaft als auch die Abhängigkeit des Signals vom Ort der zweiten Antenne, und folglich auch vom Ort des Elektrofahrzeugs, herangezogen. Mittels der Heranziehung der Übertragungseigenschaft können folglich, insbesondere witterungsbedingte, Besonderheiten der Übertragung eines Signals zwischen erster und zweiter Antenne bestimmt und berücksichtigt werden. Diese Information kann genutzt werden, um die Abhängigkeit des zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals unabhängig von der Übertragungseigenschaft zur Positionierung des Elektrofahrzeugs heranzuziehen. Folglich kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Positionierung eines Elektrofahrzeugs unabhängig von Einflüssen auf die Übertragungseigenschaft, etwa Witterungsbedingungen, erfolgen. Erfindungsgemäß wird folglich in einem ersten Schritt eine eventuelle witterungsbedingte Änderung der Übertragungseigenschaft gemessen und daraus adaptiv die Ortsabhängigkeit eines zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals angepasst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit besonders zuverlässig und genau.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Abhängigkeit des Signals vom Ort die Abhängigkeit der Signalfeldstärke vom Ort oder eine davon abgeleitete Größe herangezogen. Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die an der Ladestation angeordnete erste Antenne sowie die am Elektrofahrzeug angeordnete zweite Antenne eine Kommunikation zwischen erster und zweiter Antenne hergestellt. Die Signalfeldstärke des mittels der zweiten Antenne empfangenen Signals wird geeigneterweise kontinuierlich oder mit hinreichend hoher Wiederholfrequenz, welche jedenfalls im Ergebnis einer kontinuierlichen Erfassung nahekommt, erfasst und ausgewertet. Anhand von definierten Richtungscharakteristiken der ersten sowie der zweiten Antenne, einem definierten Abstand zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug sowie einer definierten Sendeleistung kann ein Bereich bestimmt werden, welcher durch das Überschreiten eines Schwellwerts der Signalfeldstärke des mittels der zweiten Antenne empfangenen Signals definiert ist. Bei Überschreiten dieses Schwellwerts kann die Positionierung des Elektrofahrzeugs bevorzugt als erfolgreich oder hinreichend genau bewertet werden, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Elektrofahrzeug zweckmäßig solange seine Position ändert, bis der Schwellwert überschritten ist.
  • Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Übertragungseigenschaft und Abhängigkeit des Signals zur Feststellung einer Sollposition des Elektrofahrzeugs herangezogen. Eine Feststellung, dass das Elektrofahrzeug in einer zum Laden vorgesehenen Sollposition befindlich ist, ist erfindungsgemäß besonders zuverlässig möglich.
  • Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Übertragungseigenschaft zur Bestimmung eines Schwellwerts für die Signalfeldstärke oder eine davon abgeleitete Größe herangezogen, welche einen Mindestwert für die Signalfeldstärke des zwischen erster und zweiter Antenne empfangenen Signals bildet (oder diesem im Falle einer abgeleiteten Größe entspricht), wenn das Elektrofahrzeug in oder hinreichend nahe der Sollposition befindlich ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Übertragungseigenschaft eine Dämpfung. Insbesondere bei niederschlagsreichen Witterungslagen oder bei der Bedeckung von Ladestation oder Elektrofahrzeugen mit Eis oder Schnee kommt es regelmäßig zu einer deutlichen, nicht zwangsläufig vorbekannten, Dämpfung. Vorteilhafterweise kann diese Dämpfung herangezogen werden, um die Abhängigkeit eines zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals vom Ort der zweiten Antenne unabhängig von einer witterungsbedingten Dämpfung zu bestimmen.
  • Vorteilhaft werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Übertragungseigenschaft und Abhängigkeit des Signals zur Navigation des Elektrofahrzeugs in eine Sollposition des Elektrofahrzeugs herangezogen. Besonders bevorzugt wird als Abhängigkeit des Signals vom Ort die Abhängigkeit der Signalfeldstärke vom Ort herangezogen. Geeigneterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren etwa eine räumliche Ableitung der Signalfeldstärke herangezogen werden, um die Richtung zu bestimmen, in welche das Elektrofahrzeug zur Erlangung einer Sollposition des Elektrofahrzeugs zu bewegen ist. Erfindungsgemäß kann eine Navigation des Elektrofahrzeugs in eine zum Laden des Elektrofahrzeugs vorgesehene Sollposition auch bei widrigen Witterungsbedingungen besonders genau erfolgen.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest eine Referenzantenne herangezogen, um die Übertragungseigenschaft zu bestimmen. Geeigneterweise durchfährt dabei das Elektrofahrzeug einen Abstrahlbereich, insbesondere das Abstrahlmaximum, einer Referenzantenne. Dabei kann die Signalfeldstärke der Referenzantenne herangezogen und eine Abschätzung darüber unternommen werden, welche eventuelle zusätzliche Dämpfung, beispielsweise durch Witterungsverhältnisse, besteht. Ergibt sich eine Abweichung der Signalfeldstärke der Referenzantenne gegenüber einer bekannten und idealen Signalfeldstärke, so kann beispielsweise ein die Sollposition indizierender Schwellwert für die Signalfeldstärke gemäß der festgestellten Abweichung angepasst oder korrigiert werden.
  • In einer zur vorgenannten Weiterbildung zusätzlichen oder alternativen und ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Rauschniveau des zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals bestimmt, um die Übertragungseigenschaft zu bestimmen. Insbesondere wird das Rauschniveau als Signal-Rausch-Abstand oder als Signal-Rausch-Verhältnis bestimmt. Dies lässt sich insbesondere auch allein empfangsseitig bestimmen und ausgeben. Beim Auftreten von Störungen in der Signalübertragung, beispielsweise durch Dämpfung, nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis ab, da die Signalleistung sinkt. Mit anderen Worten, die relative Rauschleistung steigt an. Die Differenz des idealen Signal-Rausch-Verhältnisses zum gemessenen Signal-Rausch-Verhältnis ergibt eine Größe, die zum Nachstellen insbesondere eines die Sollposition indizierenden Schwellwertes hinreicht. Auch in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich folglich die Übertragungseigenschaft zuverlässig bestimmen.
  • Zweckmäßig genügt das Signal bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dem WLAN-Standard, insbesondere im CAR2X-Frequenzbereich und/oder Frequenzbereich zwischen 5,85 GHz und einschließlich 5,925 GHz, und/oder das Signal genügt dem 802.15.4-Standard.
  • Das erfindungsgemäße Positioniersystem zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs relativ zu einer Ladestation, insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wie vorstehend beschrieben, weist zumindest eine zur Kommunikation mit einer an der Ladestation angeordneten ersten Antenne ausgebildete zweite Antenne sowie eine Auswerteeinrichtung auf, welche eine Übertragungseigenschaft zwischen erster und zweiter Antenne zu bestimmen und heranzuziehen sowie eine Abhängigkeit eines zwischen erster und zweiter Antenne übertragenen Signals vom Ort der zweiten Antenne heranzuziehen ausgebildet ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen elektrisch betriebenen Bus beim Laden eines elektrischen Energiespeichers des Busses an einer Ladestation mittels eines Stromabnehmers schematisch im Längsschnitt,
  • 2 den Verlauf der Signalfeldstärke eines zwischen einer ersten Antenne der Ladestation und einer zweiten Antenne eines erfindungsgemäßen Positioniersystems des Busses gemäß 1 diagrammatisch in einer Prinzipskizze sowie
  • 3 den Bus gemäß 1 bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Referenzantenne schematisch im Längsschnitt.
  • Der in 1 dargestellte Bus 5 ist ein elektrisch betriebener Bus 5. Dazu wird der Bus 5 mittels eines am Dach 10 des Busses 5 befestigten Stromabnehmers 15 an einer Ladestation 20 geladen. Zur Positionierung des Busses 5 an der Ladestation 20 werden eine erste Antenne 25, die an der Ladestation 20 angeordnet ist, sowie eine zweite Antenne 30, welche auf dem Dach 10 des Busses 5 befestigt ist, genutzt.
  • Zwischen erster Antenne 25 und zweiter Antenne 30 wird ein Signal, d.h. ein Funksignal, ausgetauscht, dessen Signalfeldstärke in einer Sollposition des Busses 5 an der Ladestation 20, in welcher der Stromabnehmer 15 passend zur Ladestation 20 positioniert ist, maximal ist. Dazu sendet die erste Antenne 25 ein Funksignal aus, welches kontinuierlich mittels der zweiten Antenne 30 erfasst wird. Das Signal genügt dem WLAN-Standard und liegt im CAR2X-Frequenzbereich, vorliegend im Frequenzbereich zwischen 5,85 und 5,925 GHz. Das Signal genügt dem 802.11p-Standard. In einem weiteren, nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem Dargestellten entspricht, genügt das Signal dem ZigBee-Standard 802.15.4
  • Die Ortsabhängigkeit der Signalfeldstärke S des von erster 25 zur zweiten Antenne 30 übertragenen Signals ist in 2 dargestellt: die durchgezogene Kurve C1 gibt die Abhängigkeit der Signalfeldstärke S vom Ort des Busses 5 im Falle eines idealen, störungsfreien Signalpfads von erster 25 zur zweiten Antenne 30 an.
  • Übersteigt die Signalstärke S einen Schwellwert S0, so ist der Bus 5 mit dem Stromabnehmer 15 zum Laden hinreichend nah an der Ladestation 20 positioniert. An einer Idealposition des Busses 5 erreicht die Signalstärke S einen Maximalwert Smax. An dieser Idealposition weisen erste Antenne 25 und zweite Antenne 30 den kleinsten Abstand voneinander auf. Diejenigen Orte d des Busses (der Ort d ist bemessen von der Idealposition: dort gilt d = 0), an welchen die Signalstärke S oberhalb des Schwellwerts S0 gelegen ist, bilden entsprechend die unmittelbare Umgebung der Idealposition, welche einen Bereich zum Laden des Busses 5 geeigneter Sollpositionen bildet.
  • Die Signalfeldstärke S beschreibt einen um die Idealposition zentrierten Peak, welcher mit seinem Maximum bei Smax über den Schwellwert S0 hinausragt. Anhand des Verlaufs der Signalfeldstärke S kann folglich der Bus 5 bereits in Richtung auf das Maximum Smax der Signalfeldstärke S hin navigiert werden, indem der Bus 5 jeweils in diejenige räumliche Richtung navigiert wird, in welcher die Signalfeldstärke S ansteigt. Diese Art der Navigation erfolgt dabei genau so lange, bis die Signalfeldstärke S den Schwellwert S0 übersteigt und der Bus 5 folglich eine Sollposition einnimmt.
  • Im Falle einer durch sonstige Einflüsse abgeschwächten Signalübertragung zwischen erster 25 und zweiter Antenne 30, beispielsweise bei einer zusätzlichen Dämpfung der Größenordnung von mehr als 10 dB infolge der Bedeckung der ersten 25 und der zweiten Antenne 30 durch Eis und Schnee, hingegen ändert sich die Ortsabhängigkeit der Signalstärke S.
  • Anstelle der durchgezogenen Kurve C1 ergibt sich gem. 2 nunmehr die um einen (ortsunabhängigen) Faktor gegenüber der der Kurve C1 abgeschwächte ortsabhängige Signalfeldstärke C2 (obere gestrichelte Kurve) oder aber bei sehr widrigen Witterungsbedingungen die demgegenüber noch weiter abgeschwächte ortsabhängige Signalfeldstärke C3 (untere gestrichelte Kurve). Der Schwellwert S0 lässt sich in diesen Fällen daher nicht ohne Weiteres als Absolutwert festlegen.
  • Erfindungsgemäß wird daher zur Positionierung des Busses 5 an der Ladestation 20 zunächst der Signalfeldstärkeverlauf zwischen erster 25 und zweiter Antenne 30 bestimmt und herangezogen. Dazu fährt der Bus 5 zunächst an einer dritten Antenne, einer Referenzantenne 325, wie sie in 3 dargestellt ist, entlang. Diese Referenzantenne 325 ist gleichartig der ersten Antenne 25 aufgebaut und in derselben Höhe über dem Boden angeordnet. Die Referenzantenne 325 ist hinreichend nahe der ersten Antenne 25 angeordnet, sodass erste Antenne 25 und Referenzantenne 325 in der Regel Witterungsbedingungen wie Eis und/oder Schnee auf sehr ähnliche Weise ausgesetzt sind.
  • Der Bus 5 wird an dieser Referenzantenne 325 entlang gefahren, sodass eine zusätzliche Dämpfung beispielsweise durch Witterungsverhältnisse mittels einer Auswerteinrichtung 35, welche mit der zweiten Antenne 30 signalverbunden ist, abgeschätzt werden kann. Die so ermittelte Dämpfung wird mittels der Auswerteinrichtung 35 zur Adaption des Schwellwerts S0 herangezogen. Mittels dieses derart neu ermittelten Schwellwerts S0 wird der Bus 5 in diejenige Richtung navigiert, in welcher die Signalfeldstärke S ansteigt, und zwar solange, bis die Signalfeldstärke S den adaptierten Schwellwert S0 übersteigt. Dazu wird ebenfalls mittels der Auswerteinrichtung 35 der räumliche Verlauf der Signalfeldstärke aufgezeichnet und mittels der räumlichen Ableitung dieses Verlaufs die Richtung ansteigender Signalfeldstärke S bestimmt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird keine Referenzantenne herangezogen. Stattdessen wird die Abschwächung des Signals aus dem ortsabhängigen Verlauf der Signalfeldstärke S selbst ermittelt: Dazu wird mittels der Auswerteinrichtung 35 das Signal-Rausch-Verhältnis (engl.: „signal-to-noise-ratio“, SNR) des mittels der zweiten Antenne 30 empfangenen Signals ermittelt. Bei einer Abschwächung des Signals nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis ab, da die relative Rauschleistung ansteigt. Die Differenz des idealen Signal-Rausch-Verhältnisses zum aktuell gemessenen Signal-Rausch-Verhältnis ergibt folglich eine Größe, die zum Nachstellen des Schwellwertes hinreicht und dazu herangezogen wird.
  • Es versteht sich, dass in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen anstelle des elektrisch betriebenen Busses 5 ein anderes Elektro- oder Hybridfahrzeug vorhanden ist, etwa ein, beispielsweise induktiv ladbares, Elektroauto.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • 802.15.4-Standard [0017]
    • 802.11p-Standard [0024]
    • ZigBee-Standard 802.15.4 [0024]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs (5) an einer Ladestation (20), bei welchem zumindest eine an der Ladestation (20) angeordnete erste Antenne (25) sowie eine am Elektrofahrzeug (5) angeordnete zweite Antenne (30) genutzt werden und sowohl eine Übertragungseigenschaft zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) bestimmt und herangezogen wird als auch eine Abhängigkeit eines zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) übertragenen Signals vom Ort (d) der zweiten Antenne (30) herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als Abhängigkeit des Signals vom Ort (d) die Abhängigkeit der Signalfeldstärke (S) vom Ort (d) oder eine davon abgeleitete Größe herangezogen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Übertragungseigenschaft eine Dämpfung ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Übertragungseigenschaft und Abhängigkeit des Signals zur Feststellung einer Sollposition des Elektrofahrzeugs (5) herangezogen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Übertragungseigenschaft zur Bestimmung eines Schwellwerts (S0) für die Signalfeldstärke (S) oder eine davon abgeleitete Größe herangezogen wird, welche einen Mindestwert für die Signalfeldstärke (S) des zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) übertragenen Signals bildet, wenn das Elektrofahrzeug (5) in oder hinreichend nahe der oder einer Sollposition befindlich ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Übertragungseigenschaft und Abhängigkeit des Signals zur Navigation des Elektrofahrzeugs (5) in einer Sollposition des Elektrofahrzeugs (5) herangezogen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eine Referenzantenne (325) herangezogen wird, um die Übertragungseigenschaft zu bestimmen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Signal-Rausch-Verhältnis des zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) übertragenen Signals bestimmt wird, um die Übertragungseigenschaft zu bestimmen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Signal dem WLAN-Standard, insbesondere CAR2X-Frequenzbereich und/oder im Frequenzbereich zwischen 5,85 und 5,925 GHz und/oder dem 802.15.4-Standard genügt.
  10. Positioniersystem zur Positionierung eines Elektrofahrzeugs (5) relativ zu einer Ladestation (20), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest eine zur Kommunikation mit einer an der Ladestation (20) angeordneten ersten Antenne (25) ausgebildete zweite Antenne (30), sowie eine Auswerteeinrichtung (35), welche eine Übertragungseigenschaft zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) zu bestimmen und heranzuziehen, sowie eine Abhängigkeit eines zwischen erster (25) und zweiter Antenne (30) übertragenen Signals vom Ort der zweiten Antenne (30) heranzuziehen, ausgebildet ist.
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