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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem System zur Positionierung eines Objekts an einer induktiven Ladestation, wobei das Objekt eine Empfangsspule und die Ladestation eine Ladespule aufweist, und wobei das System eine Verarbeitungseinheit aufweist.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Positionierung eines Objekts an einer induktiven Ladestation.
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Bei einem induktiven Ladevorgang eines Energiespeichers eines Objekts mittels einer Ladestation ist es energetisch von Vorteil, wenn die Empfangsspule des Objekts und die Ladespule der Ladestation zum einen zentral übereinander positioniert sind sowie zum anderen einen geringen Abstand zueinander aufweisen. Hierdurch kann ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt und die elektrischen Verluste durch solch eine induktive Übertragungstechnik gering gehalten werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem System zur Positionierung eines Objekts an einer induktiven Ladestation, wobei das Objekt eine Empfangsspule und die Ladestation eine Ladespule aufweist, und wobei das System eine Verarbeitungseinheit aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das System dazu eingerichtet ist, bei Annäherung des Objekts an die Ladestation einen Strom in die Empfangsspule oder die Ladespule einzuprägen. Des Weiteren weist das System wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor, einen zweiten Magnetfeldsensor und einen dritten Magnetfeldsensor auf, wobei der erste Magnetfeldsensor eine erste ortsfeste Position, der zweite Magnetfeldsensor eine zweite ortsfeste Position und der dritte Magnetfeldsensor eine dritte ortsfeste Position relativ zur Ladespule oder Empfangsspule, in welcher bei der Annäherung kein Strom eingeprägt wird, aufweisen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, einen ersten Magnetfeld-Wert mittels des ersten Magnetfeldsensors, einen zweiten Magnetfeld-Wert mittels des zweiten Magnetfeldsensors und einen dritten Magnetfeld-Wert mittels des dritten Magnetfeldsensors zu erfassen. Zudem ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des ersten, zweiten und dritten Magnetfeld-Werts die relativen Lage der Ladespule zur Empfangsspule zu bestimmen sowie in Abhängigkeit der bestimmten Lage die Empfangsspule axial über der Ladespule zu zentrieren. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verarbeitungseinheit mittels der erfassten Magnetfeld-Werte der drei Magnetfeldsensoren die Position der Spule, in welcher bei Annäherung des Objekts an die Ladestation ein Strom eingeprägt wird, relativ zu den drei Magnetfeldsensoren bestimmen kann. Hieraus kann die Verarbeitungseinheit wiederum die Lage der Empfangsspule relativ zur Ladespule bestimmen, da die Magnetfeldsensoren eine ortsfeste Position zu der Spule aufweisen, welche bei Annäherung keinen Strom eingeprägt bekommt. Aus der bestimmten Lage kann die Verarbeitungseinheit dann bestimmen, wie die Position der Ladestation oder auch des Objekts relativ zueinander geändert werden muss, damit die Empfangsspule axial über der Ladespule zentriert ist, um eine verbesserte induktive Kopplung bei einem anschließenden Lade- oder auch Entladevorgang eines Energiespeichers des Objekts mittels der induktiven Ladestation zu ermöglichen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Position mit der zweiten Position und der dritten Position ein Dreieck aufspannt. Vorteilhaft ist hierbei, dass sich jede Position zumindest in einer Koordinate von der jeweils anderen Position unterscheidet. Hierdurch kann die Position der Ladespule gegenüber der Empfangsspule in Abhängigkeit aller drei Raum-Richtungen bestimmt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Dreieck in einer Ebene parallel zur Ladespule oder Empfangsspule oder in deren Ebene angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Magnetfeldsensoren nicht verkippt gegenüber der Spule sind, zu welcher sie die ortsfesten Positionen aufweisen. Hierdurch wird die Bestimmung der relativen Lage der Empfangsspule zur Ladespule vereinfacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Objekt einen ersten Antrieb oder auch die Ladestation einen zweiten Antrieb aufweist, und dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, den ersten Antrieb oder auch den zweiten Antrieb derart anzusteuern, um die Empfangsspule axial über der Ladespule zu zentrieren. Vorteilhaft ist hierbei, dass das System die Positionierung autonom durchführen kann, wodurch die Ladestation oder auch das Objekt entsprechend bewegt werden, um axial zentriert zu werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, insbesondere eines Displays oder auch eines Lautsprechers, Führungssignale an einen Nutzer des Objekts auszugeben, um die Empfangsspule axial über der Ladespule zu zentrieren. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Nutzer durch die Führungssignale dazu angeleitet werden kann, das Objekt oder die Ladestation derart zu bewegen, dass eine axiale Zentrierung der Empfangsspule über der Ladespule erzielt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das System einen Abstandsmesser, insbesondere einen Ultraschallsensor oder auch einen Radarsensor, aufweist, und dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, nach der axialen Zentrierung der Empfangsspule über der Ladespule einen vertikalen Abstand zwischen dem Objekt und der Ladestation mittels des Abstandsmesser zu erfassen und in Abhängigkeit des vertikalen Abstands die Ladestation oder auch das Objekt derart vertikal zu bewegen, dass die Ladestation und das Objekt wenigstens punktuell aneinander anliegen. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Ladestation und das Objekt weit möglichst aneinander angenähert werden können, jedoch ohne sich gegenseitig zu beschädigen. Hierdurch erhöht sich nochmals der Wirkungsgrad der induktiven Kopplung bei einem Ladevorgang des Objekts mittels der Ladestation und die elektrischen Verluste werden weiter reduziert.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren, zur Positionierung eines Objekts mit einer Empfangsspule an einer induktiven Ladestation mit einer Ladespule, mit wenigstens folgenden Verfahrensschritten:
- a. Einprägen eines Stroms in die Ladespule der Ladestation oder in die Empfangsspule des Objekts bei Annäherung des Objekts an die Ladestation,
- b. Erfassen wenigstens eines ersten Magnetfeld-Werts mittels eines ersten Magnetfeldsensors, eines zweiten Magnetfeld-Werts mittels eines zweiten Magnetfeldsensors und eines dritten Magnetfeld-Werts mittels eines dritten Magnetfeldsensors, wobei der erste Magnetfeldsensor eine erste ortsfeste Position, der zweite Magnetfeldsensor eine zweite ortsfeste Position und der dritte Magnetfeldsensor eine dritten ortsfeste Position relativ zur Ladespule oder zur Empfangsspule, welcher im Verfahrensschritt a kein Strom eingeprägt wird, aufweisen,
- c. Bestimmen der relativen Lage der Ladespule zur Empfangsspule in Abhängigkeit des ersten Magnetfeld-Werts, des zweiten Magnetfeld-Werts und des dritten Magnetfeld-Werts sowie der ersten Position, der zweiten Position und der dritten Position,
- d. Laterales Bewegen der Ladestation oder auch des Objekts in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Lage der Ladespule zur Empfangsspule, um die Empfangsspule axial über der Ladespule zu zentrieren.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass mittels der erfassten Magnetfeld-Werte der drei Magnetfeldsensoren die Position der Spule, in welcher bei Annäherung des Objekts an die Ladestation ein Strom eingeprägt wird, relativ zu den drei Magnetfeldsensoren bestimmt werden kann. Hieraus kann wiederum die Lage der Empfangsspule relativ zur Ladespule bestimmt werden, da die Magnetfeldsensoren eine ortsfeste Position zu der Spule aufweisen, welche bei Annäherung keinen Strom eingeprägt bekommt. Anhand der bestimmten Lage kann dann ermittelt werden, wie die Position der Ladestation oder auch des Objekts relativ zueinander geändert werden muss, damit die Empfangsspule axial über der Ladespule zentriert ist, um eine verbesserte induktive Kopplung bei einem anschließenden Lade- oder auch Entladevorgang eines Energiespeichers des Objekts mittels der induktiven Ladestation zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt d das laterale Bewegen des Objekts oder auch der Ladestation erfolgt, indem ein erster Antrieb des Objekts oder auch ein zweiter Antrieb der Ladestation angesteuert werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass das System die Positionierung autonom durchführen kann, wodurch die Ladestation oder auch das Objekt entsprechend bewegt werden, um axial zentriert zu werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt d das laterale Bewegen des Objekts oder auch der Ladestation erfolgt, indem ein Nutzer des Objekts mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, insbesondere akustisch oder auch optisch, Führungssignale erhält, welche signalisieren, wie er das Objekt oder auch die Ladestation zu bewegen hat, um die Empfangsspule axial über der Ladespule zu zentrieren. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Nutzer durch die Führungssignale dazu angeleitet werden kann, das Objekt oder die Ladestation entsprechend zu bewegen, sodass eine axiale Zentrierung der Empfangsspule über der Ladespule erzielt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Verfahrensschritt d ein Verfahrensschritt e, in welchem mittels eines Abstandsmessers, insbesondere eines Ultraschallsensors oder auch eines Radarsensors, ein vertikaler Abstand zwischen dem Objekt und der Ladestation erfasst wird, und ein Verfahrensschritt f ablaufen, in welchem in Abhängigkeit des vertikalen Abstands die Ladestation oder auch das Objekt derart vertikal bewegt werden, dass die Ladestation und das Objekt wenigstens punktuell aneinander anliegen. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Ladestation und das Objekt weit möglichst aneinander angenähert werden können, jedoch ohne sich gegenseitig zu beschädigen. Hierdurch erhöht sich nochmals der Wirkungsgrad der induktiven Kopplung bei einem Ladevorgang des Objekts mittels der Ladestation und die elektrischen Verluste werden weiter reduziert.
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Zeichnungen
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Dargestellt ist ein Objekt 10, hier beispielhaft als ein Fahrzeug ausgestaltet, welches eine Empfangsspule 20 aufweist. Das Objekt 10 könnte beispielsweise aber auch ein E-Bike, ein elektrischer Rasenmäher oder ein elektrisches Werkzeug sein. Des Weiteren ist eine Ladestation 50 dargestellt, welche eine Ladespule 60 aufweist. Sind die Ladespule 60 und die Empfangsspule 20 entsprechend zueinander angerordnet, kann elektrische Energie induktiv von der Ladespule 60 zur Empfangsspule 20 übertragen werden. Hierfür ist die Ladespule 60 mit einer Stromversorgung 62, beispielsweise einem Hausnetz, und die Empfangsspule 20 mit einem Energiespeicher 22, beispielsweise einer Batterie, elektrisch verbunden. In dem Energiespeicher 22 kann die übertragene, elektrische Energie bei einem Ladevorgang des Objekts 10 gespeichert werden. Alternativ zum Ladevorgang kann auch ein Entladevorgang stattfinden, in welchem der Energiespeicher 22 die elektrische Energie mittels der Empfangsspule 20 an die Ladespule 60 überträgt, von wo aus wiederum die elektrische Energie in die Stromversorgung 62 gespeist werden kann. Das System ist dazu eingerichtet, bei Annäherung des Objekts 10 an die Ladestation 50 einen Strom in die Empfangsspule 20 einzuprägen. Die Annäherung des Objekts 10 an die Ladestation 50 wird dabei beispielsweise von bildlich nicht dargestellten Sensoren erkannt oder auch dem System durch den Nutzer des Objekts 10 mitgeteilt, indem dieser beispielsweise einen Knopf drückt. Das System weist zudem einen ersten Magnetfeldsensor 71, einen zweiten Magnetfeldsensor 72 und einen dritten Magnetfeldsensor 73 auf, welche in der Ladestation 50 angeordnet sind. Hierbei weist der erste Magnetfeldsensor 71 eine erste ortsfeste Position, der zweite Magnetfeldsensor 72 eine zweite ortsfeste Position und der dritte Magnetfeldsensor 73 eine dritte ortsfeste Position relativ zur Ladespule 60 auf. Des Weiteren sind der erste Magnetfeldsensor 71, der zweite Magnetfeldsensor 72 und der dritte Magnetfeldsensor 73 in einer Ebene parallel zur Ladespule 60 angeordnet und spannen ein bildlich nicht dargestelltes Dreieck auf. Zudem weist das System eine Verarbeitungseinheit 30 auf. Die Verarbeitungseinheit 30 ist ebenfalls in der Ladestation 50 angeordnet und mit dem ersten Magnetfeldsensor 71, dem zweiten Magnetfeldsensor 72 und dem dritten Magnetfeldsensor 73 verbunden. Hierdurch kann die Verarbeitungseinheit 30 einen ersten Magnetfeld-Wert 81 mittels des ersten Magnetfeldsensors 71, einen zweiten Magnetfeld-Wert 82 mittels des zweiten Magnetfeldsensors 72 und einen dritten Magnetfeld-Wert 83 mittels des dritten Magnetfeldsensors 73 erfassen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des ersten, zweiten und dritten Magnetfeld-Werts 81, 82 und 83 die relative Lage der Ladespule 60 zur Empfangsspule 20 zu bestimmen sowie in Abhängigkeit der bestimmten Lage die Empfangsspule 20 axial über der Ladespule 60 zu zentrieren. Zur axialen Zentrierung weist das Fahrzeug 10 einen ersten Antrieb 12 oder auch die Ladestation 50 optional einen zweiten Antrieb 52 auf, wobei die Verarbeitungseinheit 30 kabelgebunden mit dem zweiten Antrieb 52 oder auch drahtlos mit dem ersten Antrieb 12 verbunden und dazu eingerichtet ist, den ersten Antrieb 12 oder auch den zweiten Antrieb 52 derart anzusteuern, um die Empfangsspule 20 axial über der Ladespule 60 zu zentrieren. Optional weist die Ladestation 50 zudem einen Abstandsmesser 77 zur Bestimmung des vertikalen Abstands z zwischen dem Objekt 10 und der Ladestation 50 auf. Der Abstandsmesser 77 kann beispielsweise ein Ultraschallsensor oder auch ein Radarsensor sein. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 optional dazu eingerichtet, nach der axialen Zentrierung der Empfangsspule 20 über der Ladespule 60 einen vertikalen Abstand z zwischen dem Objekt 10 und der Ladestation 50 mittels des Abstandsmesser 77 zu erfassen und in Abhängigkeit des vertikalen Abstands z die Ladestation 50 und/oder das Objekt 10 derart vertikal zu bewegen, dass die Ladestation 50 und das Objekt 10 wenigstens punktuell aneinander anliegen. In einem alternativen, bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ladestation 50 ortsfest montiert und weist folglich keinen zweiten Antrieb 52 auf, weshalb lediglich das Objekt 10 bewegt werden kann, um die Empfangsspule 20 über der Ladespule 60 axial zu zentrieren.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Das System weist entsprechend zu dem in 1 offenbarten System ein Objekt 10 mit einer Empfangsspule 20 und einem damit verbundenen Energiespeicher 22 sowie eine Ladestation 50 mit einer Ladespule 60 und einer damit verbundenen Stromversorgung 62 auf. Des Weiteren weist das System eine Verarbeitungseinheit 30 auf, welche im Gegensatz zu 1 jedoch im Objekt 10 angeordnet ist. Das System ist dazu eingerichtet, bei Annäherung des Objekts 10 an die Ladestation 50 einen Strom in die Ladespule 60 einzuprägen. Zudem weist das System einen ersten Magnetfeldsensor 71, einen zweiten Magnetfeldsensor 72 und einen dritten Magnetfeldsensor 73 auf, welche ebenfalls im Objekt 10 angeordnet sind. Hierbei weist der erste Magnetfeldsensor 71 eine erste ortsfeste Position, der zweite Magnetfeldsensor 72 eine zweite ortsfeste Position und der dritte Magnetfeldsensor 73 eine dritte ortsfeste Position relativ zur Empfangsspule 20 auf. Die Verarbeitungseinheit 30 ist mit dem ersten Magnetfeldsensor 71, dem zweiten Magnetfeldsensor 72 und dem dritten Magnetfeldsensor 73 verbunden, wodurch die Verarbeitungseinheit 30 einen ersten Magnetfeld-Wert 81 mittels des ersten Magnetfeldsensors 71, einen zweiten Magnetfeld-Wert 82 mittels des zweiten Magnetfeldsensors 72 und einen dritten Magnetfeld-Wert 83 mittels des dritten Magnetfeldsensors 73 erfassen kann. Zudem weist das System eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 35, beispielsweise ein Display oder ein Lautsprecher, auf, welche im Objekt 10 angeordnet ist. Hierbei ist die Verarbeitungseinheit 30 mit der Mensch-Maschine-Schnittstelle 35 verbunden und dazu eingerichtet, Führungssignale 36 mittels der Mensch-Maschine-Schnittstelle 35 an einen Nutzer des Objekts 10 auszugeben, um die Empfangsspule 20 axial über der Ladespule 60 zu zentrieren. Zur axialen Zentrierung kann Nutzer des Objekts 10 gegebenenfalls den zweiten Antrieb 52 der Ladestation 50 oder auch den ersten Antrieb 12 des Objekts 10 nutzen. In einem alternativen, bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Mensch-Maschine-Schnittstelle 35 auch in der Ladestation 50 integriert sein.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. Zuerst wird in einem Verfahrensschritt a ein Strom in eine Ladespule 60 einer Ladestation 50 oder in eine Empfangsspule 20 eines Objekts 10 eingeprägt, wenn sich das Objekt 10 der Ladestation 50 annähert. In einem Verfahrensschritt b wird daraufhin ein erster Magnetfeld-Wert 81 mittels eines ersten Magnetfeldsensors 71, ein zweiter Magnetfeld-Wert 82 mittels eines zweiten Magnetfeldsensors 72 und ein dritter Magnetfeld-Wert 83 mittels eines dritten Magnetfeldsensors 73 erfasst. Hierbei wird vorausgesetzt, dass der erste Magnetfeldsensor 71 einer erste ortsfeste Position, der zweite Magnetfeldsensor 72 eine zweite ortsfeste Position und der dritte Magnetfeldsensor 73 eine dritte ortsfeste Position relativ zu der Spule aufweist, in welche im Verfahrensschritt a kein Strom eingeprägt wird. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt c in Abhängigkeit des ersten Magnetfeld-Werts 81, des zweiten Magnetfeld-Werts 82, des dritten Magnetfeld-Werts 83 sowie der ersten Position, der zweiten Position und der dritten Position eine relative Lage der Ladespule 60 zur Empfangsspule 20 bestimmt. Die Bestimmung der relativen Lage erfolgt hierbei beispielsweise, indem die Pegel des ersten Magnetfeld-Werts 81, des zweiten Magnetfeld-Werts 82 und des dritten Magnetfeld-Werts 83 miteinander verglichen werden. Aus dem Vergleich kann dann in Verbindung mit der bekannten ortsfesten ersten, zweiten und dritten Position die Lage des ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensors 71, 72 und 73 relativ zu der Spule bestimmt werden, in welcher im Verfahrensschritt a ein Strom eingeprägt wird. Hieraus lässt sich wiederum die relative Lage der Empfangsspule 20 zur Ladespule 60 bestimmen. Alternativ kann die Lage des ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensors 71, 72 und 73 relativ zu der Spule, in welcher im Verfahrensschritt a ein Strom eingeprägt wird, mittels einer Triangulationsberechnung bestimmt werden. Hierfür wird allerdings vorausgesetzt, dass der erste, zweite und dritten Magnetfeldsensor 71, 72 und 73 als dreiachsige Sensoren ausgestaltet sind. Nach der Bestimmung der relativen Lage der Ladespule 60 zur Empfangsspule 20 im Verfahrensschritt c erfolgt ein Verfahrensschritt d. Im Verfahrensschritt d wird die Ladestation 50 oder auch das Objekt 10 in Abhängigkeit der zuvor bestimmten relativen Lage der Ladespule 60 zur Empfangsspule 20 derart lateral bewegt, dass die Empfangsspule 20 axial über der Ladespule 60 zentriert wird. Der genaue Ablauf der axialen Zentrierung hängt dabei davon ab, ob die Ladestation 50 oder auch das Objekt 10 einen eigenständigen Antrieb aufweisen, und, ob sie manuell oder autonom erfolgen soll. Optional laufen nach der axialen Zentrierung der Empfangsspule 20 über der Ladespule 60 im Verfahrensschritt d noch ein Verfahrensschritt e und ein Verfahrensschritt f ab. Dabei wird im Verfahrensschritt e ein vertikaler Abstand z zwischen dem Objekt 10 und der Ladestation 50 mittels eines Abstandsmessers 77 erfasst. Anschließend wird im Verfahrensschritt f die Ladestation 50 oder auch das Objekt 10 in Abhängigkeit des vertikalen Abstands z derart vertikal bewegt, dass die Ladestation 50 und das Objekt 10 wenigstens punktuell aneinander anliegen. Hierfür wird entweder die Ladestation 50 in Richtung des Objekts 10 oder auch das Objekt 10 in Richtung der Ladestation 50 bewegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053058 A1 [0002]
