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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke und von einem Ladesystem zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeuges nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Beim sogenannten induktiven Laden von Elektrofahrzeugen wird die für das Laden der Fahrzeugbatterie notwendige Energie nicht über ein Ladekabel zum Fahrzeug übertragen (konduktives Laden), sondern über einen Transformator mit großem Luftspalt. Hierbei ist typischerweise die Primärspule des Transformators entweder im Straßenboden eingelassen oder als auf den Boden aufgelegte Ladeplatte ausgeformt und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit dem Stromnetz verbunden. Die Sekundärspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Da einerseits die übertragbare Leistung linear mit der Schaltfrequenz skaliert, andererseits die Schaltfrequenz durch die Ansteuerungselektronik und Verluste im Übertragungspfad begrenzt ist, ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 30–150 kHz.
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Die im Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder sind dazu geeignet, in beliebigen metallischen Objekten, die sich dort befinden, elektrische Wirbelströme zu induzieren. Durch ohmsche Verluste erhitzen sich diese sogenannten Fremdobjekte. Diese Erhitzung stellt nicht nur für die Personensicherheit (Berührungsschutz), sondern auch für die Betriebssicherheit des Fahrzeugs eine erhebliche Gefahr dar. Des weiteren müssen auch biologische Objekte wie Tiere, Körperteile von Menschen, lebende Objekte generell erkannt werden, um diese nicht den hohen Magnetfeldern auszusetzen. Daher ist eine Erkennung von lebenden Objekten notwendiger Bestandteil eines induktiven Ladesystems.
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Zur Erkennung von Objekten eignen sich prinzipiell verschiedene Arten von Bewegungsmeldem, z.B. Passive lnfrarot Sensoren, Doppler Radar, Ultraschallsensoren und Objekterkennungsverfahren wie Laserscanner, Videokameras, Stereokameras oder Wärmebildkameras. Besondere Herausforderungen bei vielen Verfahren sind:
die Eingrenzung des Erkennungsbereichs auf den Bereich hoher Magnetfelder;
die Unterscheidung kritischer (lebender) von anderen Objekten;
die Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen wie Nässe, Schnee oder Eis.
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Die
US 2008/0103660 A1 offenbart ein System zur Detektion von lebenden Objekten im Innenraum eines Fahrzeuges. Die eingesetzten Sensoren basieren jedoch auf der Deformation der Sensoren, so dass diese für die Erkennung von lebenden Objekten im Gefahrenbereich einer induktiven Ladestation nicht geeignet sind.
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Aus der
WO 01/17838 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Gefahrenbereiches mittels einer Kamera bekannt. Das Verfahren vergleicht dazu Bilder eines gespeicherten sicheren Zustandes mit aktuellen Bildern. Eine Erkennung lebender Objekte ist nicht vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke auf lebende Objekte, aufweisend eine induktive Übertragungsstrecke sowie einen örtlich die induktive Übertragungsstrecke durchdringenden und umgebenden Sicherheitsbereich, wobei bei eingeschalteter induktiver Übertragungsstrecke der Sicherheitsbereich auf eindringende Objekte überwacht wird und die induktive Übertragungsstrecke abgeschaltet wird, wenn ein eindringendes Objekt in dem Sicherheitsbereich detektiert wird, und bei ausgeschalteter induktiver Übertragungsstrecke der Sicherheitsbereich auf den Aufenthalt eines lebenden Objektes innerhalb des Sicherheitsbereiches überwacht wird, und die induktive Übertragungsstrecke bei Detektion eines lebenden Objektes innerhalb des Sicherheitsbereiches gesperrt wird. Durch die besonders vorteilhafte Aufteilung der Überwachung in eine eine kurze Zeitspanne betrachtende Messung zur Detektion von eindringenden Objekten jeglicher Art und eine eine lange Zeitspanne betrachtende Messung zur Detektion von im Sicherheitsbereich befindlichen lebenden Objekten kann eine besonders zuverlässige Überwachung der induktiven Übertragungsstrecke sichergestellt werden. Vorteilhaft ist auch die Aufteilung der schnellen Messung bei eingeschalteter induktiver Übertragungsstrecke und der langsamen Messung bei ausgeschalteter induktiver Übertragungsstrecke. Dadurch wird eine Gefährdung von lebenden Objekten wie Vögeln, Hunden und Katzen sowie Menschen vermieden, da die induktive Übertragungsstrecke erfindungsgemäß sehr schnell abgeschaltet werden kann. Die lange Messung vor einem Einschalten der induktiven Übertragungsstrecke hat den Vorteil, dass sich jegliche lebendige Objekte im Luftspalt der induktiven Übertragungsstrecke sicher detektieren lassen, so dass diese nicht durch ein Einschalten der induktiven Übertragungsstrecke gefährdet werden können. Bevorzugt wird eine elektrische Ladeleistung für ein Elektrofahrzeug über die induktive Übertragungsstrecke übertragen. Elektrofahrzeuge benötigen hohe Ladeleistungen, was hohe Feldstärken bei der induktiven Übertragungsstrecke zur Folge hat. Hier kann das erfindungsgemäße Verfahren seine Vorteile bei der Sicherheit vorteilhaft ausschöpfen.
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In einer Ausführungsform wird die induktive Übertragungsstrecke wieder eingeschaltet, wenn detektiert wird, dass sich kein lebendes Objekt im Sicherheitsbereich aufhält. Diese Maßnahme erhöht vorteilhaft die Ladeeffizienz, da die zum Laden zur Verfügung stehende Zeit besonders gut ausgenützt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die induktive Übertragungsstrecke abgeschaltet, wenn das Fahrzeug voll geladen ist. Dies erhöht in vorteilhafter Weise die Sicherheit, da die induktive Übertragungsstrecke nur eingeschaltet ist, wenn sie wirklich benötigt wird.
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In einer Ausführungsform misst die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte für die Überwachung des Sicherheitsbereiches auf eindringende Objekte einen Zeitbereich von 0 s bis 5 s. Diese Zeitspanne birgt den Vorteil, dass die induktive Übertragungsstrecke schnell abgeschaltet werden kann, sobald ein Objekt in den Sicherheitsbereich eindringt. Besonders bevorzugt beträgt die Messzeit unter 2 s, damit ein besonders schnelles Abschalten der induktive Übertragungsstrecke sichergestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform misst die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte für die Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte einen Zeitbereich von 5 s bis 30 s. Durch diese lange Zeitspanne kann ein lebendes Objekt sicher erkannt werden, selbst wenn es sehr langsam atmet und die Atemfrequenz entsprechend niedrig ist. Auch bei sehr niedriger Frequenz ist das Abtasttheorem erfüllt, und eine Detektion des lebenden Objektes vorteilhaft sichergestellt. Besonders bevorzugt beträgt die Messzeit mehr als 10 s, damit die Detektion von lebenden Objekten noch sicherer bewerkstelligt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die entsprechenden Messungen auf Objektdistanzen oder Maxima der Objektdistanzverteilung hin analysiert, und aus den Objektdistanzen oder Maxima der Objektdistanzverteilung mehrerer hintereinander liegender Messungen Zeitreihen zusammensetzt, diese fouriertransformiert und auf Frequenzen hin analysiert, die auf ein lebendes Objekt hindeuten. Diese Maßnahme stellt vorteilhaft eine gute Erkennung der relevanten Frequenzen sicher und ist mit einem Steuergerät heutiger Rechenleistung leicht durchführbar.
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In einer anderen Ausführungsform fouriertransformiert die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte die entsprechende Messung des Zeitbereichs, und analysiert die dabei entstehende Distanzverteilung auf Maxima hin. Aus den Maxima mehrerer hintereinander liegender Messungen setzt die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte eine Zeitreihe zusammen, fouriertransformiert diese wiederum und analysiert das Ergebnis auf Frequenzen hin, die auf ein lebendes Objekt hindeuten. Auch diese Maßnahme stellt vorteilhaft eine gute Erkennung der relevanten Frequenzen sicher und ist mit einem Steuergerät heutiger Rechenleistung leicht durchführbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Frequenzen, die auf ein lebendes Objekt hindeuten Frequenzen der Atmung oder des Pulses des lebenden Objektes. Die Atemfrequenz eines lebenden Objektes beträgt z.B. zwischen 0,2 Hz und 0,6 Hz. Die Pulsfrequenz ist entsprechend höher und kann mit 1 Hz bis 4 Hz angenommen werden. Die Fokussierung auf diese Frequenzen vereinfacht in vorteilhafter Weise die Erkennung eines lebenden Objektes wesentlich und benötigt entsprechend wenig Rechenleistung im Steuergerät.
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Die vorliegende Erfindung offenbart ebenfalls ein Ladesystem zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeuges, aufweisend eine induktive Übertragungsstrecke, einen Sicherheitsbereich, welcher die induktive Übertragungsstrecke örtlich durchdringt und umgibt, eine Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte mit einer Steuervorrichtung und Sensoren, und eine Einrichtung zum Bereitstellen der Ladeleistung, die von der Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte angesteuert wird, wobei die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte ein Verfahren gemäß der obigen Beschreibung ausführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte ein FSCW Radar auf. Diese Maßnahme hat den besonderen Vorteil der hohen Informationsdichte des FSCW-Radars, über die der Zustand im Luftspalt der induktiven Übertragungsstrecke besonders gut überwacht werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte eine kapazitive Sensorstrecke auf. Auch dieser Sensortyp ist für die Überwachung gut geeignet, und bietet den Vorteil der einfacheren und kostengünstigeren Ausführung.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte ein Doppler-Radar auf. Auch ein Doppler-Radar ist für die Überwachung geeignet und hat ebenfalls den Vorteil einer kostengünstigeren Implementierung durch für die Abstandsmessung von Fahrzeugen vorhandene Systemkomponenten.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte ein kamerabasiertes optisches Überwachungssystem auf. Dieser Sensortyp kann ebenfalls den Vorteil für sich beanspruchen, kostengünstig ausgeführt werden zu können, da solche Systeme bei den Fahrerassistenzsystemen zum Einsatz kommen und mit überschaubaren Änderungen auf die neue Aufgabe angepasst werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schaltet die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte die Ladeleistung ab, wenn das Elektrofahrzeug das Ladesystem verlässt. Dies erhöht vorteilhaft die Sicherheit des erfindungsgemäßen Ladesystems, da hohe Feldstärken bei Nichtbenutzung unterbunden werden.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Sensoren der Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte mindestens 2 Antennen, welche derart angeordnet sind, dass sie den Sicherheitsbereich ausleuchten. Durch die Ausführungsform mit mindestens 2 Antennen kann der Sicherheitsbereich vorteilhaft erweitert und in der Form angepasst werden.
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In einer anderen Ausführungsform des Ladesystems ist es eingerichtet, in den Schritten Überwachung des Sicherheitsbereiches auf eindringende Objekte und Überwachung des Sicherheitsbereiches auf den Aufenthalt eines lebenden Objektes innerhalb des Sicherheitsbereiches die Distanz eines im Sicherheitsbereich befindlichen Objektes zu jeder der Antennen zu messen und mittels Sensorfusion zu einer zweideutigen oder eindeutigen Position des Objektes innerhalb des Sicherheitsbereiches zu kombinieren. Durch den Vorteilhaften Einsatz von mehreren Antennen und einer Sensorfusion kann die Position des Objektes innerhalb des Sicherheitsbereiches vorteilhaft genau und unkompliziert bestimmt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Ladesystem eingerichtet, den Sicherheitsbereich mittels der Sensorfusion der mindestens zwei Antennen beliebig zu formen und so der Form der induktiven Übertragungsstrecke anzupassen. Durch die Sensorfusion kann über die Distanzmessung einzelner Antennen vorteilhaft ein nahezu beliebig geformter Bereich Überwacht werden, und der überwachte Bereich somit vorteilhaft an die Form der induktiven Übertragungsstrecke angepasst werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ladesystems und Ladeverfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht eines auf einem induktiven Ladesystem stehenden Elektrofahrzeuges in einer ersten Ausführungsform,
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2 die schematische Draufsicht aus 1 mit dem eingezeichneten Überwachungsbereich einer der vier Radarantennen,
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3 die schematische Draufsicht der 2 mit allen vier Überwachungsbereichen der vier Radarantennen,
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4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer ersten Ausführungsform mit einem FSCW-Radar,
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5 eine Distanzverteilung der im überwachten Bereich befindlichen Objekte,
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6 ein Bewegungsspektrum der prominenten Peaks der Distanzverteilung aus 5,
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7 die Fouriertransformation des Bewegungsspektrums aus 6,
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8 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer zweiten Ausführungsform mit einem kapazitiven Messverfahren,
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9 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer dritten Ausführungsform mit einem Doppler-Radar,
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10 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer vierten Ausführungsform mit einem optischen kamerabasierten Messverfahren.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Draufsicht eines induktiven Ladesystems 1 in einer ersten Ausführungsform. Auf dem induktiven Ladesystem 1 steht ein Elektrofahrzeug 11, welches geladen werden soll.
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Das Ladesystem weist eine Ladefläche 5 auf, über die das zu ladende Elektrofahrzeug 11 platziert wird, und die zusammen mit dem im Elektrofahrzeug 11 eingebauten Gegenstück (nicht gezeigt) eine induktive Übertragungsstrecke 5 bildet. Um die Ladefläche beziehungsweise Übertragungsstrecke 5 herum befindet sich ein Sicherheitsbereich 3, der von einer Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 überwacht wird. In der ersten Ausführungsform bedient sich die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 eines FSCW-Radars mit entsprechenden Antennen 9. Die Abkürzung FSCW-Radar steht für „Frequency Stepped Contionous Wave Radar“. Diese Radartechnik ist an sich bekannt und wird in dieser Ausführungsform erfindungsgemäß in zwei verschiedenen Detektionsmodi benutzt, um die Überwachung des Sicherheitsbereiches der Übertragungsstrecke bewerkstelligen zu können. Die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 weist weiterhin ein Steuergerät 7 auf, welches mit den Antennen 9 verbunden ist. Beim FSCW-System werden die Antennen 9 im Zwischenraum, z.B. am Boden, in Bodennähe, am Fahrzeugunterboden oder in Fahrzeugunterbodennähe angebracht. Dabei wird mit ultrabreitbandigen Hochfrequenzsignalen, die von diesen Antennen 9 abgestrahlt bzw. empfangen werden, der Zwischenraum zwischen Boden und Fahrzeug 11 überwacht.
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2 zeigt beispielhaft den Ausleuchtbereich einer dieser Radarantennen 9 an der schematischen Darstellung der 1. Er ist so eingestellt, dass er den Sicherheitsbereich 3 ausleuchtet.
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3 zeigt die schematische Draufsicht der 2 mit allen vier Überwachungsbereichen der vier Radarantennen. Die schraffierten Bereiche zeigen den Ausleuchtbereich aller 4 Radarantennen. Solang das Steuergerät 7 die Signale von mindestens 3 Radarantennen auswertet, kann es durch Bestimmung der Distanzen zum Objekt dieses eindeutig im Ausleuchtbereich der Radarantennen lokalisieren (Multilateration) und damit zwischen einem Objekt innerhalb und außerhalb dieses Sicherheitsbereiches 3 genau unterscheiden. Durch eine Distanzmessung von mindestens drei Radarantennen kann eine eindeutige Position des Objekts im Ausleuchtbereich der Radarantennen festgestellt werden, wodurch der Sicherheitsbereich 3 eine beliebige Form haben darf, die sich auch vom Ausleuchtbereich der Radarantennen unterscheiden kann. Ein Objekt im Sicherheitsbereich 3 ist somit sicher detektierbar.
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Die Überwachung des Sicherheitsbereiches 3 geschieht mit einer Kombination zwei verschiedener Detektionsmodi des FSCW-Radars zur Lebendobjekterkennung:
Im ersten Modus, im Folgenden auch als „Intrusion Detection“ bezeichnet ist der Fokus auf eine schnelle und sichere Erkennung beliebiger Objekte im Sicherheitsbereich 3 gerichtet. Im Einschaltzustand des Ladesystems findet eine schnelle und gleichzeitig klassifizierende Erkennung von eindringenden Objekten statt, um gegebenenfalls das Ladesystem möglichst schnell abschalten zu können. Der zweite Modus, im Folgenden auch als „Living Object Detection“ bezeichnet, ist auf eine empfindliche Erkennung von Bewegungsmustern wie Atem oder den Puls von Lebewesen oder räumliche Charakteristika lebender Objekte gerichtet, damit ein lebendes Objekt sicher von unkritischen anderen Objekten unterschieden werden kann. Dieser Modus ist aktiv, wenn die induktive Übertragungsstrecke 5 ausgeschaltet ist.
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Die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 ist damit in der Lage, den induktiven Ladevorgang zu starten, durchführen zu lassen bzw. abzuschalten oder zu unterbrechen. Je nach Sicherheitsanforderung können die Ein- und Ausschalthandlungen schneller oder langsamer geschehen. Durch die Trennung von lntrusion Detection und Living Object Detection ist die vorteilhafte Verwendung von solchen Sensorsystemen wie dem FSCW-Radar der ersten Ausführungsform möglich, die unterschiedlich eingestellt werden können und gleichzeitig eine Fülle an Informationen liefern. Damit ist sowohl im Zweifelsfall ein schnelles Abschalten gewährleistet, als auch bei Anwesenheit eines lebenden Objekts die dauerhafte Deaktivierung. Für die anspruchsvolle Unterscheidung lebender von anderen Objekten steht damit eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke der ersten Ausführungsform mit dem FSCW-Radar. Das das Verfahren ausführende System kennt zwei Zustände, Zustand 403, „Charging allowed“, also „Ladung erlaubt“, und Zustand 405, „Charging not allowed“, also „Ladung nicht erlaubt“.
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Fährt nun ein Fahrzeug auf das Ladesystem, so kann das System in einem der beiden Modi starten. Bei hohen Sicherheitsanforderungen startet das System im Modus 405, „Ladung nicht erlaubt“. Nun führt die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 den zweiten Detektionsmodus durch, und überprüft im Schritt 404 den Sicherheitsbereich 3 auf lebende Objekte. Wird kein lebendes Objekt erkannt, weil sich das Signal wenig oder nur zufällig ändert, dann geht das System in den Modus 403, „Charging allowed“.
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Vorher werden die Randparameter im Schritt 401 noch an die aktuelle Lage angepasst, das System wird sozusagen „normiert“. Im Modus 403, „Charging allowed“ arbeitet die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 im ersten Detektionsmodus. Hier wird der Sicherheitsbereich im Schritt 402 auf ein Eindringen jeglicher Objekte überwacht, und die Übertragungsstrecke 5 wird sofort abgeschaltet, sobald ein als potentiell kritisch klassifiziertes Objekt detektiert wird. Das Abschalten führt dazu, das sich das System wieder im Modus 405, „Charging not allowed“ befindet, und die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 arbeitet wieder im zweiten Detektionsmodus im Schritt 404.
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Das Einschalten des Ladevorgangs wird ausgelöst durch ein zu Iadendes Fahrzeug, welches auf das Ladepad der induktiven Übertragungsstrecke 5 fährt und den Ladevorgang aktiviert. Zeitnah oder bereits vor Start des Ladevorgangs wird die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 aktiviert und der Zwischenraum überwacht sowie ein „virtueller Zaun“ um den Bereich hoher Feldintensität gelegt.
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Das Ausschalten des Ladevorgangs bzw. das vorübergehende Ausschalten des Ladevorgangs wird im Schritt 404 ausgelöst durch ein potentiell lebendes Objekt, welches im Zwischenraum erkannt wird, oder im Schritt 402 durch ein potentiell lebendes Objekt welches in den zu überwachenden Bereich eindringt (virtueller Zaun wird durchdrungen), oder das zu ladende Fahrzeug fährt davon oder ist voll.
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Im Schritt 406 wird eine Erkennung des wiederhergestellten Nullzustands innerhalb einer vorgegebenen Zeit geprüft. Der „Nullzustand“ kennzeichnet den Zustand, der vorher als unkritisch erkannt und im System hinterlegt wurde, gegebenenfalls gegen Drift kompensiert. Kehrt das Systen wieder in den Nullzustand zurück, kann davon ausgegangen werden, dass die „Störung“ nur vorübergehend war, und das System kann über die Zustände 401 und 403 wieder eingeschaltet werden. Ist jedoch der Nullzustand messbar nicht wiederhergestellt, muss im Schritt 404 genauer geprüft werden, ob die Veränderung im Zwischenraum von einem lebenden Objekt herrührt. Wird hier kein lebendes Objekt detektiert, so wird zu Schritt 401 gesprungen. Hier wird das System neu normiert, also der Nullzustand festgelegt, und das System geht dann wieder in den Modus 403, „Charging allowed“.
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Das erneute Einschalten des Ladevorgangs wird im Schritt 406 ebenfalls ausgelöst durch eine Erkennung, dass der Nullzustand zwar nicht erreicht ist, aber die Abweichung im Erfassungsbereich von einem nicht lebenden Objekt herrührt.
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Das andauernde Ausschalten des Ladevorgangs wird vorgenommen bei einer Erkennung von Mustern (Bewegung, Kontur) lebender Objekte im Schritt 404.
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Mit dieser Vorgehensweise kann der Sicherheitsbereich 3 sicher überwacht werden.
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Der Vorteil des ultrabreitbandigen Radarsystems (FSCW-Radar) der ersten Ausführungsform ist, dass man durch die hohe Bandbreite eine Fülle an Information erhält, die mit hoher Sicherheit auf den Systemzustand hinsichtlich Nullzustand bzw. eindringender Objekte schließen lassen. Insbesondere kann mit dem Prinzip des „Frequency Stepped Continuous Wave“ (FSCW) Radar eine Distanzverteilung eines Objekts ermittelt werden. Somit wird das System vorteilhaft bei ausgedehnten Objekten oder bei Störeinflüssen, z.B. bei Wasserfilmen ausgeregelt, da diese als zeitstabile Ziele ausgeblendet werden können.
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Die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 ist damit vor allem im zweiten Modus im Schritt 404 in der Lage, kleine Bewegungen (z.B. Atmung eines Tiers) eines beliebigen Objekts zu erkennen, das sich bereits im Sicherheitsbereich 3 (sozusagen innerhalb eines virtuellen Zauns) befindet. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 regelmäßige Bewegungen wie Pulsschlag oder Atmung durch Beobachtung über einen Zeitraum von einigen zehn Sekunden relativ stabil erkennen und so ein fälschliches Wiedereinschalten der induktiven Ladestrecke verhindern. Zu diesem Zweck wird ein über einige Sekunden, in der ersten Ausführungsform nach dem Ablaufdiagramm des Schrittes 404 der 4 sind es 15 Sekunden, aufgenommenes Messsignal des FSCW-Radars vom Frequenzbereich (Amplitude und Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz) für jeden zeitlichen Messschritt durch Fouriertransformation in den Zeitbereich (Amplitude und Phasenverschiebung) transformiert. Ein Beispiel einer solchen fouriertransformierten Messung ist in 5 angegeben. 5 zeigt eine Distanzverteilung der im überwachten Bereich befindlichen Objekte. Der Zeitbereich spiegelt die von der Radarantenne detektierte Distanzverteilung des Zieles wider. Aus der Distanzverteilung ergibt sich, in welchen Objektdistanzen Bewegungen aufgetreten sind:
Prominente Peaks 551, 553 in der Distanzverteilung werden nun auf ihr zeitliches Verhalten analysiert. Hierzu werden alle Fourieramplituden bei der entsprechenden Distanz in einer Zeitreihe zusammengesetzt.
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Die zusammengesetzte Zeitreihe der Messung aus 5 ist in 6 zu sehen. 6 zeigt ein Bewegungsspektrum der prominenten Peaks der Distanzverteilung aus 5.
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Diese Zeitreihe wird wiederum fouriertransformiert, so dass das Bewegungsspektrum bei der entsprechenden Distanz entsteht. Dieses Bewegungsspektrum ist in 7 zu sehen. 7 zeigt die Fouriertransformation des Bewegungsspektrums aus 6
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Im Falle einer periodischen Bewegung im Bereich von ca. 0.2 bis 0.6 Hz kann auf eine Atembewegung geschlossen werden. Hierzu wird das Bewegungsspektrum im entsprechenden Frequenzbereich integriert und das Integral mit dem Rauschlevel des Gesamtspektrums verglichen. Deutlich zu sehen ist die erhöhte Amplitude im schwarz hinterlegten Bereich der 7 bei etwa 0,5 Hz. Dies ist die Messung der Atmung einer im Sicherheitsbereich 3 befindlichen Katze. Die gemittelte Amplitude ist in der Linie 711 dargestellt, die Amplitude des schwarz hinterlegten Bereiches ist die Linie 712. Sobald ein größerer Bereich die gemittelte Amplitude 711 übersteigt, ist von einem lebenden Objekt auszugehen, wenn dies in einem vorbestimmten Frequenzbereich passiert, der auf Atmung oder Pulsschlag schließen lässt.
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Der letzte Auswertungsschritt (Fourieranalyse einer Zeitreihe) ist nicht auf die erste Ausführungsform beschränkt sondern kann auch für beliebige andere Verfahren angewendet werden, bei denen eine zeitabhängige Amplitude gemessen wird, die mit der Bewegung des Objekts korreliert.
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Beim FSCW-Radar ist jedoch, sofern mehrere Antennen verwendet und vorteilhaft angeordnet sind, auch eine Lokalisierung von Objekten und damit ein genau einzugrenzender Erfassungsbereich möglich. Des Weiteren erlauben die Distanzverteilungen Rückschlüsse auf die Art des Objekts. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer zweiten Ausführungsform mit einem kapazitiven Messverfahren. Die zweite Ausführungsform ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, es werden daher nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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Die zweite Ausführungsform verwendet anstelle des FSCW-Radars ein kapazitives Detektionsverfahren. Dabei sind entsprechende elektrisch leitende Flächen an der Ladestation oder am Fahrzeug angebracht, und das Steuergerät 7 misst ständig die Kapazität zwischen diesen zwei Potentialen. Bevorzugt befinden sich die leitenden Flächen auf einer Ebene nebeneinander, wodurch Objekte, die sich dieser Ebene auf Höhe der beiden Flächen nähern, gut erkannt werden können. Dringt etwas in den Raum nahe der zwei elektrisch leitenden Flächen ein, so verändert sich die Kapazität der Anordnung, und das Objekt kann über die Änderung der Kapazität erkannt werden.
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Die Ladung kann wieder, je nach Sicherheitsanforderung, im Schritt 802 oder im Schritt 804 gestartet werden. Bei hohen Sicherheitsanforderungen wird im Schritt 804 gestartet.
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Beim Kapazitivverfahren überprüft das System im Schritt 804 nach der Auslenkung aus dem Ruhezustand durch Eindringung eines Objekts in den Sicherheitsbereich 3 auf einen unveränderten oder sich schnell, zufällig und schwach verändernden Zustand im Sicherheitsbereich 3. Hieraus wird geschlossen, dass kein lebendes Objekt sich im Luftspalt befindet. Ändert sich der Zustand im Sicherheitsbereich 3 periodisch im Frequenzbereich von Lebewesen (bzw. derer charakteristischer Größen wie z.B. Puls) oder finden signifikante Bewegungen statt (z.B. Arm oder Bein streift durch), so bleibt das Ladesystem ausgeschaltet.
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Befindet sich kein lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3, so wechselt das System in den Zustand 803, und die Ladung wird aktiviert. Das erfindungsgemäße Verfahren führt nun periodisch die Schritte 802 und 801 durch. So lange kein eindringendes potentiell lebendes Objekt in den Sicherheitsbereich 3 erkannt wird, bleibt das System im Zustand 803, „Ladung erlaubt“ und das Fahrzeug wird über die induktive Übertragungsstrecke 5 geladen. Sobald im Schritt 802 das Eindringen eines potentiell lebenden Objektes in den Sicherheitsbereich 3 detektiert wird, geht das System sofort in den Zustand 805, „Ladung nicht erlaubt“. Die induktive Übertragungsstrecke 5 wird abgeschaltet und im Schritt 806 wird überprüft, ob das System den Vorherigen Nullzustand, gegebenenfalls gegen Drift kompensiert, wieder erreicht hat. Ist dies der Fall, kann davon ausgegangen werden, dass die „Störung“ nur vorübergehend war, und das System kann über die Zustände 801 und 803 wieder eingeschaltet werden. Ist jedoch der Nullzustand messbar nicht wiederhergestellt, muss im Schritt 804 genauer geprüft werden, ob die Veränderung im Zwischenraum von einem lebenden Objekt herrührt. Ist dies der Fall, dann springt das System wieder in den Zustand 805 „Ladung nicht erlaubt“. Erst wenn kein potentiell lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 mehr detektiert wird, geht das System wieder in den Zustand 803, „Ladung erlaubt“. Vorher wird im Schritt 801 wieder eine „Normierung“ auf die aktuellen Verhältnisse im Sicherheitsbereich 3 durchgeführt, um den Nullzustand neu festzulegen.
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Auch in der zweiten Ausführungsform gibt es also im Schritt 801 eine Anpassung an die momentanen Gegebenheiten, bevor die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 die Überwachung beginnt. Der Sicherheitsbereich wird also vor der Überwachung wie in der vorhergehenden Ausführungsform „normiert“, so dass Änderungen besser erkannt werden können.
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Nach der Normierung wird die Ladung also freigegeben, und die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 befindet sich im ersten Modus, in dem im Schritt 802 lediglich ein kurzer Zeitbereich von 1s betrachtet wird, um ein Eindringen jeglicher Objekte in den Sicherheitsbereich detektieren zu können. Wird ein Objekt detektiert, so wird die induktive Übertragungsstrecke 5 abgeschaltet, und die Vorrichtung zur Überwachung des Sicherheitsbereiches auf lebende Objekte 8 arbeitet daraufhin im zweiten Modus, um lebende Objekte im schritt 804 im Sicherheitsbereich 3 detektieren zu können.
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Wird kein lebendes Objekt detektiert, so wird nach einer erneuten „Normierung“ die Ladung wieder gestartet.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke 5 einer dritten Ausführungsform mit einem Doppler-Radar. Die dritte Ausführungsform ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, es werden daher nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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Die Ladung kann wieder, je nach Sicherheitsanforderung, im Schritt 902 oder im Schritt 904 gestartet werden. Bei hohen Sicherheitsanforderungen wird im Schritt 904 gestartet.
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Befindet sich kein lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3, so wechselt das System in den Zustand 903, und die Ladung wird aktiviert. Das erfindungsgemäße Verfahren führt nun periodisch die Schritte 902 durch. So lange kein eindringendes potentiell lebendes Objekt in den Sicherheitsbereich 3 erkannt wird, bleibt das System im Zustand 903, „Ladung erlaubt“ und das Fahrzeug wird über die induktive Übertragungsstrecke 5 geladen.
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Sobald im Schritt 902 das Eindringen eines potentiell lebenden Objektes in den Sicherheitsbereich 3 detektiert wird, geht das System sofort in den Zustand 905, „Ladung nicht erlaubt“. Die induktive Übertragungsstrecke 5 wird abgeschaltet und der Schritt 904 wird im Folgenden periodisch ausgeführt, so lange ein potentiell lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 detektiert wird. Erst wenn kein potentiell lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 mehr detektiert wird, geht das System wieder in den Zustand 903, „Ladung erlaubt“.
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Beim Doppler-Radar verharrt das System auf Grund fehlender Möglichkeiten zur Erkennung eines statisch veränderten Zwischenraums im Zustand 905, „Ladung nicht erlaubt“-Modus‚ sobald ein in den Zwischenraum eingedrungenes Objekt dort liegt und sich nur noch geringfügig oder gar nicht bewegt. Ein schnelles Wiedereinschalten ist nicht möglich, da eine Wiederherstellung eines vorigen Zustands nicht erkannt werden kann. Dies ist ein signifikanter Unterschied zur ersten Ausführungsform, denn bei einem FSCW-Radarsystem ist dies möglich. Erst wenn erkannt wurde, dass keine oder nur unkritische Bewegungen im Luftspalt erfolgen, darf wieder eingeschaltet werden.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überwachung einer induktiven Übertragungsstrecke einer vierten Ausführungsform mit einem optischen kamerabasierten Messverfahren. Die vierte Ausführungsform ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, es werden daher nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Beim optischen bzw. thermooptischen Verfahren überprüft das System, ob sich im Zwischenraum etwas befindet, das die Kontur eines Lebewesens (bzw. Körperteils) aufweist. Die von der Kamera gelieferten Bilder werden also mit Auswertealgorithmen auf Änderungen hin überprüft, und Strukturen, die die Kontur eines Lebewesens darstellen werden erkannt. In diesem Fall darf keine Ladung stattfinden. Ändert sich der Zustand im Zwischenraum hingegen mit schnellen, zufälligen Bewegungen oder gar nicht, so wird geladen. Durch Bewegungserkennung von komplexen Bewegungsmustern kann ebenfalls auf lebende Objekte geschlossen werden und Fehlalarme reduziert werden.
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Die Ladung kann wieder, je nach Sicherheitsanforderung, im Schritt 1002 oder im Schritt 1004 gestartet werden. Bei hohen Sicherheitsanforderungen wird im Schritt 1004 gestartet.
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Befindet sich kein lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3, so wechselt das System in den Zustand 1003, und die Ladung wird aktiviert. Das erfindungsgemäße Verfahren führt nun periodisch die Schritte 1002 durch. So lange kein eindringendes potentiell lebendes Objekt in den Sicherheitsbereich 3 erkannt wird, bleibt das System im Zustand 1003, „Ladung erlaubt“ und das Fahrzeug wird über die induktive Übertragungsstrecke 5 geladen.
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Sobald im Schritt 1002 das Eindringen eines potentiell lebenden Objektes in den Sicherheitsbereich 3 detektiert wird, geht das System sofort in den Zustand 1005, „Ladung nicht erlaubt“. Die induktive Übertragungsstrecke 5 wird abgeschaltet und der Schritt 1006 wird im Folgenden periodisch ausgeführt, bis der vorher abgespeicherte Nullzustand wieder annähernd erreicht wird. Ist dies der Fall, so springt das System wieder in den Zustand 1001, um eine neue Normierung und neue Festlegung des Nullzustandes durchzuführen, und die Ladung wieder zu beginnen. Hier kann davon ausgegangen werden, dass die „Störung“ nur vorübergehend war.
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Ist jedoch der Nullzustand messbar nicht wiederhergestellt, wird der Schritt 1004 ausgeführt und geprüft, ob ein potentiell lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 detektiert wird. Erst wenn kein potentiell lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 mehr detektiert wird, geht das System wieder in den Zustand 1003, „Ladung erlaubt“. Vorher wird im Schritt 1001 wieder eine „Normierung“ auf die aktuellen Verhältnisse im Sicherheitsbereich 3 durchgeführt. Wird ein lebendes Objekt im Sicherheitsbereich 3 detektiert, bleibt das System so lange im Zustand 1005, „Ladung nicht erlaubt“, bis der Nullzustand zumindest annähernd wieder erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0103660 A1 [0005]
- WO 01/17838 A1 [0006]
