DE102016220725A1 - Verfahren zur Ermittlung der Relativposition von Spulen eines induktiven Ladesystems - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren (400) zur Ermittlung einer Ist-Relativposition (222) einer Sekundärspule (121) eines Fahrzeugs (100) relativ zu einer Primärspule (111) einer Ladestation (110) beschrieben. Das Verfahren (400) umfasst das Ermitteln (401) eines Ist-Feldstärkewertes eines Magnetfeldes (221) an einem Empfänger (211, 212, 213), wobei das Magnetfeld (221) von einem Sender (201, 202, 203) generiert wurde. Dabei sind der Sender (201, 202, 203) am Fahrzeug (100) und der Empfänger (211, 212, 213) an der Ladestation (110) angeordnet, oder umgekehrt. Der Ist-Feldstärkewert zeigt eine magnetische Feldstärke des Magnetfeldes (221) an einer Position an, an dem der Empfänger (211, 212, 213) angeordnet ist. Das Verfahren (400) umfasst außerdem das Ermitteln (402) von Positionsdaten bezüglich der Ist-Relativposition (222) durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld (301), wobei das Kennfeld (301) Referenz-Feldstärkewerte (303) als Funktion der Relativposition (302) der Sekundärspule (121) relativ zu der Primärspule (111) anzeigt und wobei das Kennfeld (301) im Vorfeld für das Fahrzeug (100) und die Ladestation (110) ermittelt wurde.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der relativen Positionierung der Spulen eines induktiven Ladesystems zum Laden des Energiespeichers eines Fahrzeugs.
  • Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie (d.h. über einen elektrischen Energiespeicher), 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.
  • 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 elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Sekundärspule 121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule 121 über eine nicht gezeigte Impedanzanpassung und einen Gleichrichter 101 mit dem Speicher 103 für elektrische Energie verbunden ist. Die Sekundärspule 121 ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 120 bzw. Sekundäreinheit 120.
  • Die Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 kann über einer Primärspule 111 positioniert werden, wobei die Primärspule 111 z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule 111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 110 bzw. Primäreinheit 110 bzw. Ladestation 110. Die Primärspule 111 ist mit einer Stromversorgung 113 verbunden. Die Stromversorgung 113 kann einen Radio-Frequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit 110 erzeugt (der in diesem Dokument auch als Primärstrom bezeichnet wird), wodurch ein magnetisches Feld (insbesondere ein magnetisches Ladefeld) induziert wird. Das magnetische Ladefeld kann eine Frequenz aus einem vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeld-Frequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80-90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.
  • Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule 111 der WPT-Bodeneinheit 110 und Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 über die Unterbodenfreiheit 130 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule 121 induziert (der in diesem Dokument auch als Sekundärstrom bezeichnet wird). Der induzierte Strom in der Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 wird durch den Gleichrichter 101 gleichgerichtet und im Speicher 103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung 113 zum Energiespeicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät 105 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät 105 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos (etwa über WLAN), mit der WPT-Bodeneinheit 110 zu kommunizieren.
  • Um möglichst große Feldstärken des magnetischen Ladefelds für die Überbrückung der Unterbodenfreiheit 130 herstellen zu können, können resonante Systeme verwendet werden. Dabei sind sowohl die Primärspule 111 als auch die Sekundärspule 121 in Schwingkreise eingebunden, die über die Primärspule 111 und die Sekundärspule 121 miteinander gekoppelt sind. Insbesondere werden dabei in einem Primärschwingkreis der WPT-Bodeneinheit 110 aufgrund eines relativ geringen Kopplungsfaktors zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 typischerweise relativ hohe Primärstrome zur Erzeugung eines magnetischen Ladefeldes mit ausreichender Feldstärke verwendet.
  • Für ein energieeffizientes Laden sind möglichst hohe Kopplungsfaktoren zwischen der Primärspule 111 und der Sekundärspule 121 vorteilhaft. Durch ein unpräzises Abstellen eines Fahrzeugs 100 auf einer Parkposition kann es zu einem seitlichen Versatz der Spulen 111, 121 und damit zu einem reduzierten Kopplungsfaktor des induktiven Koppelsystems aus Primärspule 111 und Sekundärspule 121 kommen.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in effizienter und präziser Weise die Relativposition zwischen Spulen eines induktiven Ladesystems zu ermitteln, insbesondere um eine möglichst genaue Positionierung und damit einen möglichst hohen Kopplungsfaktor zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Ist-Relativposition einer Sekundärspule eines Fahrzeugs relativ zu einer Primärspule einer Ladestation beschrieben. Mit anderen Worten, es wird ein Verfahren beschrieben, das ermittelt, wie die Sekundärspule eines Fahrzeugs relativ zu der Primärspule der Ladestation angeordnet ist, insbesondere, um eine möglichst optimale Positionierung der Sekundärspule zu ermöglichen und um so den Kopplungsfaktor des induktiven Ladesystems zu erhöhen.
  • Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Ist-Feldstärkewertes eines Magnetfeldes an einem Empfänger (z.B. an einer Empfangsspule), wobei das Magnetfeld von einem Sender (z.B. von einer Sendespule) generiert wurde. Der Sender kann am Fahrzeug und der Empfänger kann an der Ladestation angeordnet sein, oder umgekehrt. Der Ist-Feldstärkewert zeigt eine magnetische Feldstärke (bzw. eine magnetische Flussdichte) des Magnetfeldes an der Position des Empfängers an. Insbesondere kann dabei der Betrag der magnetischen Feldstärke in eine bestimmte Richtung ermittelt werden (in Abhängigkeit von der Orientierung des Empfängers).
  • Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln von Positionsdaten bezüglich der Ist-Relativposition durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld, wobei das Kennfeld Referenz-Feldstärkewerte als Funktion der Relativposition der Sekundärspule relativ zu der Primärspule anzeigt. Beispielsweise kann das Kennfeld eine Tabelle umfassen, die für unterschiedliche Relativpositionen unterschiedliche Referenz-Feldstärkewerte anzeigt. Alternativ kann das Kennfeld zumindest abschnittweise durch Funktionssegmente beschrieben sein. Das Kennfeld wurde dabei im Vorfeld für das Fahrzeug und die Ladestation (d.h. für die Kombination aus Fahrzeug und Ladestation) ermittelt.
  • Das Verfahren ermöglicht es, in effizienter und präziser Weise durch den Vergleich von Feldstärkewerken, Positionsdaten zu bestimmen. Dabei kann das Ermitteln von Positionsdaten insbesondere das Ermitteln eines Abstandsmaßes (bzw. einer Kostenfunktion) umfassen, wobei das Abstandsmaß von einem Abstand des Ist-Feldstärkewertes von einem Referenz-Feldstärkewert aus dem Kennfeld abhängt. Das Abstandsmaß stellt dabei indirekt (über das Kennfeld) eine Funktion der Relativposition dar, und kann durch Variieren der Relativposition reduziert, insbesondere minimiert, werden. Beispielsweise kann ein erster Referenz-Feldstärkewert aus dem Kennfeld ermittelt werden, durch den das Abstandsmaß reduziert, insbesondere minimiert, wird. Es kann dann auf Basis des Kennfeldes die dem ersten Referenz-Feldstärkewert entsprechende erste Relativposition als Positionsdaten bestimmt werden.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Mehrzahl von Ist-Feldstärkewerten an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Empfängern und/oder für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Magnetfeldern von einer entsprechenden Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern. Dabei kann eine Mehrzahl von unterschiedlichen Magnetfeldern von der Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern an unterschiedlichen Zeitpunkten generiert werden. Beispielsweise können N x M Ist-Feldstärkewerte durch N Empfänger für M unterschiedliche Magnetfelder ermittelt werden, mit N>1 und/oder M>1 (beispielsweise N>2 und M >2). Durch die Bereitstellung von mehreren Ist-Feldstärkewerten kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht werden.
  • Die Mehrzahl von unterschiedlichen Empfängern und/oder die Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern können bevorzugt an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sein. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung.
  • Das Ermitteln von Positionsdaten kann dann umfassen, das Vergleichen der Mehrzahl von Ist-Feldstärkewerten mit Referenz-Feldstärkewerten aus einer entsprechenden Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien, wobei die Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien für unterschiedliche Kombinationen aus jeweils einem Empfänger und jeweils einem Sender ermittelt wurden. Insbesondere kann ein Abstandsmaß (bzw. eine Kostenfunktion) ermittelt werden, die von einem mittleren (quadratischen) Abstand zwischen den N x M Ist-Feldstärkewerten und entsprechenden N x M Referenz-Feldstärkewerten aus N x M Kennlinien abhängt. Die Positionsdaten können dann durch Reduzieren des Abstandsmaßes ermittelt werden. So kann die Relativposition zwischen Sekundärspule und Primärspule in präziser Weise ermittelt werden.
  • Eine Kennlinie kann eine Mehrzahl von Funktionssegmenten für eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Bereichen von Relativpositionen umfassen. Mit anderen Worten, eine Kennlinien kann bereichsweise durch Funktionssegmente beschrieben sein. Dabei können die Funktionssegmente die Referenz-Feldstärkewerte bereichsweise als eine mathematische Funktion (z.B. als Polynome) der Relativposition anzeigen. Die Bereitstellung von Kennlinien, die zumindest bereichsweise als mathematische Funktionen beschrieben sind, kann den Rechenaufwand für die Positionsbestimmung reduzieren und die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöhen.
  • Die Kennlinie kann für die unterschiedlichen Bereiche jeweils zumindest einen Referenz-Schwellenwert umfassen, der den minimalen oder den maximalen Referenz-Feldstärkewert in dem jeweiligen Bereich anzeigt. Das Ermitteln von Positionsdaten kann dann umfassen, das Auswählen, auf Basis der Referenz-Schwellenwerte und in Abhängigkeit des Ist-Schwellenwertes, eines Bereichs der Kennlinie. Insbesondere können auf Basis der Referenz-Schwellenwerte und auf Basis des Ist-Schwellenwertes in effizienter Weise ein oder mehrere Relativpositions-Bereiche ermittelt werden, in denen Referenz-Feldstärkewerte liegen, die relativ nah bei dem Ist-Schwellenwert liegen. So kann der Rechenaufwand für die Positionsbestimmung reduziert werden. Insbesondere kann so bei Verwendung von N x M Ist-Schwellenwerten und N x M Kennlinien relativ schnell eine geringe Anzahl von Relativpositions-Bereichen identifiziert werden, in denen die zu ermittelnde Ist-Relativposition liegt.
  • Die Sekundärspule wird typischerweise über der Primärspule positioniert. Die Relativposition kann zumindest eine Positionskomponente umfassen (z.B. eine x-Komponente und/oder eine y-Komponente), die einen lateralen bzw. seitlichen Versatz zwischen der Sekundärspule und der Primärspule anzeigt. Des Weiteren kann die Relativposition zumindest eine Positionskomponente umfassen (z.B. eine φ-Komponente), die eine Verdrehung zwischen der Sekundärspule und der Primärspule anzeigt. Des Weiteren kann die Relativposition zumindest eine Positionskomponente umfassen (z.B. eine z-Komponente), die eine Höhe der Sekundärspule relativ zu der Primärspule anzeigt. Die ein oder mehreren Kennlinien können somit Funktionen der unterschiedlichen Positionskomponenten sein.
  • Das Verfahren kann umfassen, das Auswählen einer Kennlinie für die Positionsbestimmung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien für eine entsprechende Mehrzahl von Kombinationen von unterschiedlichen Fahrzeug-Typen und/oder unterschiedlichen Ladestations-Typen. Insbesondere können die ein oder mehreren Kennlinien ausgewählt werden, die für den Fahrzeug-Typ des Fahrzeugs und/oder für den Ladestations-Typ der Ladestation ermittelt wurden. Durch die Bereitstellung von unterschiedlichen Sets von Kennfeldern für unterschiedliche Fahrzeug-Typ / Ladestations-Typ Kombinationen kann in flexibler Weise eine präzise Positionsbestimmung ermöglicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit (oder eine Auswerteeinheit) für ein Ladesystem beschrieben, das eine Sekundärspule eines Fahrzeugs und eine Primärspule einer Ladestation umfasst. Die Steuereinheit kann z.B. in dem Fahrzeug und/oder in der Ladestation angeordnet sein. Die Steuereinheit ist eingerichtet, einen Ist-Feldstärkewert eines Magnetfeldes an einem Empfänger zu ermitteln, wobei das Magnetfeld von einem Sender generiert wurde. Der Sender ist dabei am Fahrzeug und der Empfänger ist an der Ladestation angeordnet, oder umgekehrt. Der Ist-Feldstärkewert zeigt eine magnetische Feldstärke des Magnetfeldes an der Position des Empfängers an.
  • Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, Positionsdaten in Bezug auf eine Ist-Relativposition der Sekundärspule relativ zu der Primärspule durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld zu ermitteln, wobei das Kennfeld Referenz-Feldstärkewerte als Funktion der Relativposition der Sekundärspule relativ zu der Primärspule anzeigt. Das Kennfeld wird dabei typischerweise im Vorfeld für das Fahrzeug und die Ladestation ermittelt.
  • Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, Information in Bezug auf die Positionsdaten an einen Fahrer des Fahrzeugs auszugeben und/oder das Fahrzeug in Abhängigkeit von den Positionsdaten zu steuern (z.B. um eine automatische Positionierung durchzuführen).
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
  • 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.
  • 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 Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems;
    • 2 beispielhafte Sende- und Empfangsspulen zur Ermittlung der relativen Positionierung zwischen einem Fahrzeug und einer Ladestation;
    • 3 ein beispielhaftes Kennfeld mit Referenz-Feldstärkewerten; und
    • 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung der Position eines Fahrzeug relativ zu einer Ladestation.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen und effizienten Ermittlung der Position eines Fahrzeugs für einen induktiven Ladevorgang.
  • In diesem Zusammenhang zeigt 2 ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit ein oder mehreren Sendespulen 201, 202, 203 (allgemein als Sender bezeichnet), wobei die Sendespulen 201, 202, 203 eingerichtet sind, jeweils ein Magnetfeld 221 zu erzeugen. An einer Bodeneinheit 110 (allgemein als Ladestation bezeichnet) sind ein oder mehrere Empfangsspulen 211, 212, 213 angeordnet (allgemein als Empfänger bezeichnet), die eingerichtet sind, das Magnetfeld 221 einer Sendespule 201, 202, 203 zu sensieren. Insbesondere kann von jeder Empfangsspule 211, 212, 213 die Feldstärke eines Magnetfelds 221 an der jeweiligen Position der Empfangsspulen 211, 212 213 ermittelt werden. Durch eine Empfangsspule 211 kann somit ein Ist-Feldstärkewert ermittelt werden, der den Wert der Feldstärke des Magnetfelds 221 an der Position der Empfangsspule 211 anzeigt.
  • Eine Möglichkeit der Positionsbestimmung auf Basis von Magnetfeldern 221 ist die Verwendung von Triangulationsverfahren. Dazu können die Ist-Feldstärkewerte an verschiedenen Empfangsspulen 211, 212, 213 erfasst werden. Aus den relativen Ist-Feldstärkewerten können dann die Abstände der Empfangsspulen 211, 212, 213 zu einer Sendespule 201 und über Triangulation dann die tatsächliche Entfernung inklusive einer möglichen Orientierung/Verdrehung bestimmt werden. Dabei sind jedoch insbesondere die Bestimmung von Verdrehungen und die Genauigkeit der Positionsbestimmung bei relativ hohen Abständen problematisch. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren beruht nicht auf Triangulations-Berechnungen und ermöglicht so die präzise und effiziente Bestimmung von Positionen.
  • Im Vorfeld zu einem Positionierungsvorgang kann ein Kennfeld erfasst werden, dass für eine spezifische Kombination aus Fahrzeug 100 und Ladestation 110 (d.h. für ein spezifisches Ladesystem) Referenz-Feldstärkewerte als Funktion der relativen Positionierung zwischen Fahrzeug 100 und Ladestation 110 (insbesondere Bodeneinheit) anzeigt. Der Referenz-Feldstärkewert für eine bestimmte Relativposition kann dabei den Wert der Feldstärke des Magnetfelds 221 an der Position der Empfangsspule 211 anzeigen, wenn sich das Fahrzeug 100 an der bestimmten Relativposition befindet. Die Relativposition kann dabei einen relativen Abstand in der Ebene (X-Koordinaten und Y-Koordinaten) umfassen. Des Weiteren kann die Relativposition einen relativen Abstand in der Höhe (Z-Koordinaten) umfassen (z.B. bei unterschiedlichen Beladungen). Außerdem kann die Relativposition eine Verdrehung bzw. Orientierung (φ) zwischen Fahrzeug 100 und Bodeneinheit 110 umfassen. Das Kennfeld kann somit Referenz-Feldstärkewerte als Funktion von x, y und ggf. z und/oder φ anzeigen. Das Kennfeld kann dabei im Vorfeld für ein Ladesystem ausgemessen werden.
  • Bei einem Positionierungsvorgang kann nun der Ist-Feldstärkewert mit den Referenz-Feldstärkewerten aus dem vorbestimmten Kennfeld verglichen werden. Insbesondere kann die Relativposition ermittelt werden, durch die eine (z.B. mittlere quadratische) Abweichung zwischen dem Ist-Feldstärkewert und einen Referenz-Feldstärkewerte aus dem vorbestimmten Kennfeld reduziert, insbesondere minimiert, wird. Die Relativposition zeigt dann die Ist-Relativposition 222 zwischen der Sendespule 201 und der Empfangsspule 211 an.
  • Wenn die Position der Sendespule 201 (z.B. relativ zu dem Fahrzeug 100) und die Position der Empfangsspule 211 (z.B. relativ zu der Bodeneinheit 110) bekannt sind, so kann aus der Ist-Relativposition 222 zwischen der Sendespule 201 und der Empfangsspule 211 die entsprechende Ist-Relativposition 222 zwischen Sekundärspule 121 und Primärspule 111 ermittelt werden.
  • Wie in 2 veranschaulicht können mehrere unterschiedliche Paare von Sendespulen 201, 202, 203 und Empfangsspulen 211, 212, 213 verwendet werden. Für jedes dieser Paare kann ein Kennfeld ermittelt werden, dass die Referenz-Feldstärkewerte an einer Empfangsspule 211, 212, 213 als Funktion der Relativposition anzeigt. Beispielsweise kann das von der Sendespule 201 generierte Magnetfeld 221 durch N Empfangsspulen 211, 212, 213 an unterschiedlichen Positionen erfasst werden. Durch jede der N Empfangsspulen 211, 212, 213 kann ein Ist-Feldstärkewert ermittelt werden, so dass N Ist-Feldstärkewerte verfügbar sind. Des Weiteren kann für jede Empfangsspule 211, 212, 213 ein Kennfeld bereitgestellt werden. Die Ist-Relativposition 222 kann dann dadurch bestimmt werden, dass die (ggf. mittlere quadratische) Abweichung zwischen den N Ist-Feldstärkewerten und N Referenz-Feldstärkewerten aus den N Kennfeldern reduziert, insbesondere minimiert, wird.
  • Des Weiteren können M Sendespulen 201, 202, 203 verwendet werden, die M Magnetfelder 221 erzeugen. Die Magnetfelder 221 können durch N Empfangsspulen 211, 212, 213 empfangen werden. Für die N x M Paare können N x M Kennfelder bereitgestellt werden. Des Weiteren können bei einem Positionierungsvorgang N x M Ist-Feldstärkewerte erfasst werden, die mit den N x M Kennfeldern verglichen werden können, um die Ist-Relativposition 222 zu bestimmen. Durch die Verwendung von mehreren Sendespulen 201, 202, 203 und/oder Empfangsspulen 211, 212, 213 kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht werden. Insbesondere können mögliche Mehrdeutigkeiten aufgrund einer Symmetrie in einem Kennfeld beseitigt werden.
  • Es können somit zwischen Paaren von M Sendespulen 201, 202, 203 und N Empfangsspulen N x M Messungen durchgeführt werden, um N x M Ist-Feldstärkewerte zu bestimmen.
  • Für die N x M Paare können im Vorfeld Kennfelder (insbesondere Feldstärkemessfelder) bestimmt werden. Diese Kennfelder können für ein spezifisches Ladesystem (d.h. für eine spezifische Kombination aus Fahrzeug-Typ 100 und Bodeneinheit 110) erfasst werden. Des Weiteren können die Kennfelder im Rahmen einer Vorverarbeitung angepasst werden, um die Berechnungen, die im Rahmen eines Positionierungsvorgangs erforderlich sind, zu vereinfachen.
  • Insbesondere kann ein Kennfeld (z.B. abschnittweise) durch eine mathematische Funktion approximiert werden (z.B. durch Polynome). Alternativ oder ergänzend kann eine Glättung der erfassten Feldstärkemesswerte erfolgen. So kann z.B. eine Interpolation zwischen den Referenz-Feldstärkewerten zwischen zwei unterschiedlichen Relativpositionen erfolgen. 3 veranschaulicht ein beispielhaftes Kennfeld 301, welches die Referenz-Feldstärkewerte 303 als Funktion der Relativposition 302 angibt. In dem dargestellten Beispiel wird die Relativposition 302 nur in einer Richtung, d.h. ein-dimensional, betrachtet. Das Kennfeld 301 kann in unterschiedlichen Relativpositions-Bereichen 311 durch Funktionssegmente 304 approximiert werden. Dabei können sich die Relativpositions-Bereiche 311 überlappen, um einen möglichst kontinuierlichen Übergang zwischen den unterschiedlichen Relativpositions-Bereichen 311 zu ermöglichen. Des Weiteren können Referenz-Schwellenwerte 312 für die Referenz-Feldstärkewerte 303 angegeben werden, die es ermöglichen, bei der Positionsbestimmung in einfacher Weise einen geeigneten Relativpositions-Bereich 311 und ein entsprechendes Funktionssegment 304 auszuwählen. Die in 3 dargestellte Kennlinie 301 ist auf Empfangsspulen 211, 212, 213 anwendbar, die den Betrag der Feldstärke und das Vorzeichen der Feldstärke bestimmen können. In entsprechender Weise können auch Kennfelder 301 für Sensoren 211, 212, 213 bereitgestellt und abschnittsweise approximiert werden, die nur den Betrag der Feldstärke eines Magnetfeldes 221 erfassen können.
  • Die Bereiche 311 und die Funktionssegmente 304 können daraufhin optimiert werden, dass es die dadurch beschriebenen approximierten Kennfelder ermöglichen, bei der Positionsbestimmung durch Verwendung von Optimierungsverfahren (z.B. Gradientenverfahren) ein (in einem jeweiligen Funktionssegment 304 globales) Optimum zu bestimmen. Insbesondere kann aufgrund der Beschreibung eines Kennfelds 301 durch ein oder mehrere Funktionssegmente 304 der Abstand zwischen einem erfassten Ist-Feldstärkewert und den Referenz-Feldstärkewerten aus dem approximierten Kennfeld in vereinfachter Weise reduziert, insbesondere minimiert, werden, um die Ist-Relativposition 222 zu bestimmen.
  • Bei einem Positionierungsvorgang werden von den M Sendespulen 201, 202, 203 zu unterschiedlichen Zeiten M Magnetfelder 221 generiert, die jeweils durch die N Empfangsspulen 211, 212, 213 erfasst werden, um zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. in einem bestimmten Zeitraum t N x M Ist-Feldstärkewerte Bn,m (z.B. Messwerte der magnetischen Flussdichte) zu ermitteln, mit m = 1,..., M und n = 1, ...,N. Beispielsweise können die M Sendespulen 201, 202, 203 zeitlich disjunkte Magnetfeld-Impulse generieren. Des Weiteren können N x M (approximierte) Kennfelder B n,m(x,y,φ) bereitgestellt werden, die die Referenz-Feldstärkewerte B n,m 303 als Funktion der Relativposition x,y,φ anzeigen.
  • Die Ist-Relativposition 222 kann dann durch Minimierung der Kostenfunktion K ( x , y , φ ) = ∑ m = 1, … , M n = 1, … , N ( B ¯ n , m ( x , y , φ ) − B n , m ) 2
    Figure DE102016220725A1_0001
    (d.h. durch Minimierung der mittleren quadratischen Abweichung zwischen entsprechenden Ist-Feldstärkewerten und Referenz-Feldstärkewerten) ermittelt werden. Aufgrund der abschnittsweisen Beschreibung der Kennfelder B n,m(x,y,φ) kann die Minimierung der Kostenfunktion in recheneffektiver Weise erfolgen (z.B. durch die Verwendung von Gradientenverfahren). In einem ersten Schritt können auf Basis der Referenz-Schwellenwerte 312 für die Referenz-Feldstärkewerte 303 mögliche Relativpositions-Bereiche 311 und die darin anzuwendenden Funktionssegmente 304 identifiziert werden. Insbesondere kann ein Ist-Feldstärkewert Bn,m mit den Referenz-Schwellenwerten 312 des entsprechenden Kennfeldes B n,m(x,y,φ) verglichen werden, um ein Funktionssegment 304 zu identifizieren, das das Kennfeld B n,m(x,y,φ) beschreibt. So können alle Kennfelder B n,m(x,y,φ) in den ein oder mehreren relevanten Relativpositions-Bereichen 311 durch mathematische Funktionssegmente 304 (z.B. durch Polynome) beschrieben werden.
  • Auf Basis der Schwellenwerte 312 können für ein Kennfeld 301 typischerweise mehrere mögliche Relativpositions-Bereiche 311 und damit auch mehrere mögliche Funktionssegmente 304 identifiziert werden (insbesondere wenn nur der Betrag der Feldstärke bzw. des magnetischen Flusses erfasst werden kann). Durch die Betrachtung von mehreren Kennfelden 301 für unterschiedliche Sendespulen / Empfangsspulen - Paare kann die Anzahl von möglichen Relativpositions-Bereichen 311 typischerweise eingegrenzt werden. Insbesondere kann die Suche nach einer Ist-Relativposition 222 typischerweise auf die Schnittmenge der möglichen Relativpositions-Bereiche 311 für die unterschiedliche Sendespulen / Empfangsspulen - Paare begrenzt werden. Somit kann der Rechenaufwand zur Ermittlung der Ist-Relativposition 222 reduziert werden.
  • Für jeden möglichen Relativpositions-Bereich 311 können die Kennfelder 301 durch die mathematischen und/oder analytischen Funktionssegmente 304 beschrieben werden. Es kann dann durch Anwendung von (iterativen) Optimierungsverfahren wie z.B. dem „steepest decent“ Verfahren die Optimierung der o.g. Kostenfunktion durchgeführt werden, um die Ist-Relativposition 222 zu ermitteln.
  • Ggf. können aufgrund von Symmetrien mehreren mögliche Ist-Relativpositionen 222 ermittelt werden. Dabei zeigt der Wert der Kostenfunktion K(x, y, φ) die Güte der jeweiligen Ist-Relativposition 222 an. Auf Basis der Güte der jeweiligen Ist-Relativposition 222 kann dann die tatsächliche Ist-Relativposition 222 ermittelt werden (z.B. als die Ist-Relativposition 222 mit der höchsten Güte bzw. mit dem geringsten Wert der Kostenfunktion K(x,y,φ)). Alternativ oder ergänzend können weitergehende Informationen bei einem Positionierungsvorgang (wie z.B. der zeitliche Verlauf der ermittelten Ist-Relativposition 222 oder die bekannte Richtung der Annäherung eines Fahrzeugs 100) berücksichtigt werden, um eine eindeutige Ermittlung der Ist-Relativposition 222 zu ermöglichen.
  • Die Empfangsspulen 211, 212, 213 können darauf beschränkt sein, die Feldstärke bzw. die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes 221 in nur einer Richtung bzw. nur eindimensional zu erfassen. Es können somit kosteneffiziente Sensoren verwendet werden. Die N Empfangsspulen 211, 212, 213 können unterschiedlich orientiert werden, um mehrere Dimensionen eines Magnetfelds 221 erfassen zu können. Insbesondere kann Wickel-Information (d.h. eine Verdrehung φ) aus der Superposition von unterschiedlich orientierten (z.B. senkrecht aufeinander stehenden) Sensorwerten ermittelt werden.
  • Die einzelnen Funktionssegmente 304 und die Referenz-Schwellenwerte 312 der unterschiedlichen Kennfelder 301 können gespeichert werden (z.B. in der Steuereinheit eines Fahrzeugs 100 und/oder in einer Ladestation 110). Diese Information kann dann bei einem Positionsvorgang verwendet werden, um in recheneffizienter Weise eine Ist-Relativposition 222 zu bestimmen. Die Referenz-Schwellenwerte 312 ermöglichen eine effiziente Identifizierung von möglichen Relativpositions-Bereichen 311. Des Weiteren können die Funktionssegmente 304 (z.B. Kurven, Polynome mit relativ niedrigen Graden) derart bestimmt werden, dass sie eine schnelle Konvergenz der Kostenfunktion K(x,y,φ) ermöglichen. Es wird somit eine recheneffiziente und präzise Positionsbestimmung ermöglicht.
  • In einem Fahrzeug 100 können ggf. unterschiedliche Sets von Kennfeldern 301 für unterschiedliche Ladestationen 110 bereitgestellt werden. Beispielsweise können für neue Ladestationen neue Sets von Kennfeldern 301 in einem Fahrzeug 100 gespeichert werden, um die Fähigkeiten des Fahrzeugs 100 bei Bedarf zu erweitern. Ein Set von Kennfeldern 301 kann dabei für einen bestimmten Fahrzeug-Typ (z.B. ein bestimmtes Fahrzeug-Modell) und einen bestimmten Typ von Ladestation gültig sein. Durch die Bereitstellung von unterschiedlichen Sets von Kennfeldern 301 kann auch an unterschiedlichen Ladestationen 110 eine präzise Positionierung erfolgen. Dabei kann eine Ladestation 110 z.B. auf Basis von GPS Daten, auf Basis von WLAN Daten oder durch Nutzereingabe identifiziert werden.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Ermittlung einer Ist-Relativposition 222 einer Sekundärspule 121 eines Fahrzeugs 100 relativ zu einer Primärspule 111 einer Ladestation 110 bzw. einer Bodenstation 110. Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401 eines Ist-Feldstärkewertes eines Magnetfeldes 221 an einem Empfänger 211, 212, 213 (insbesondere an zumindest einer Empfangsspule), wobei das Magnetfeld 221 von einem Sender 201, 202, 203 (insbesondere von zumindest einer Sendespule) generiert wurde. Dabei sind der Sender 201, 202, 203 am Fahrzeug 100 und der Empfänger 211, 212, 213 an der Ladestation 110 angeordnet (und fest damit verbunden), oder umgekehrt. Der Ist-Feldstärkewert zeigt eine magnetische Feldstärke des Magnetfeldes 221 an der Position an, an dem der Empfänger 211, 212, 213 angeordnet ist. Insbesondere kann der Betrag der magnetischen Feldstärke (bzw. der magnetischen Flussdichte) und ggf. ein Vorzeichen bzw. eine Ausrichtung des Magnetfeldes 221 erfasst werden.
  • Das Verfahren 400 umfasst außerdem das Ermitteln 402 von Positionsdaten bezüglich der Ist-Relativposition 222 durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld 301, wobei das Kennfeld 301 Referenz-Feldstärkewerte 303 als Funktion der Relativposition 302 der Sekundärspule 121 relativ zu der Primärspule 111 anzeigt. Das Kennfeld 301 ist typischerweise im Vorfeld für die Kombination aus Fahrzeug 100 und Ladestation 110 ermittelt worden, und kann z.B. in einer Speichereinheit des Fahrzeugs 100 bereitgestellt werden.
  • Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 400 ermöglicht es, die relative Positionierung zwischen einem Fahrzeug 100 und einer induktiven Ladestation 110 in präziser Weise zu bestimmen, da robuste Abstandsmaße, wie z.B. ein mittlerer quadratischer Abstand, optimiert werden und da eine Mittelung aus einer Vielzahl von Feldstärke-Messungen erfolgen kann. Das beschriebene Verfahren 400 kann in effizienter Weise für unterschiedliche Ladestationen 110 bereitgestellt werden (durch die Bereitstellung von (approximierten) Kennfeldern 301). Das Verfahren 400 kann mit einer Vielzahl von Sensoren 211, 212, 213 (z.B. M>2, 3,4,5) an unterschiedlichen Positionen und mit unterschiedlichen Orientierungen ausgeführt werden. So kann die Genauigkeit, Reichweite und/oder Robustheit der Positionsbestimmung weiter erhöht werden. Eine Anpassung an unterschiedliche Sensorkonfigurationen ist in flexibler Weise möglich. Anhand einer Approximation der Kennfelder 301 durch Funktionssegmente 304 kann der Rechenaufwand bei der Positionsbestimmung mit reduziertem Aufwand in Echtzeit durchgeführt werden. Des Weiteren kann der zur Speicherung der Kennfelder 301 erforderliche Speicherplatz reduziert werden.
  • 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.

Claims (11)

  1. Verfahren (400) zur Ermittlung einer Ist-Relativposition (222) einer Sekundärspule (121) eines Fahrzeugs (100) relativ zu einer Primärspule (111) einer Ladestation (110), wobei das Verfahren (400) umfasst, - Ermitteln (401) eines Ist-Feldstärkewertes eines Magnetfeldes (221) an einem Empfänger (211, 212, 213); wobei das Magnetfeld (221) von einem Sender (201, 202, 203) generiert wurde; wobei der Sender (201, 202, 203) am Fahrzeug (100) und der Empfänger (211, 212, 213) an der Ladestation (110) angeordnet sind, oder umgekehrt; wobei der Ist-Feldstärkewert eine magnetische Feldstärke des Magnetfeldes (221) an einer Position anzeigt, an dem der Empfänger (211, 212, 213) angeordnet ist; und - Ermitteln (402) von Positionsdaten bezüglich der Ist-Relativposition (222) durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld (301); wobei das Kennfeld (301) Referenz-Feldstärkewerte (303) als Funktion der Relativposition (302) der Sekundärspule (121) relativ zu der Primärspule (111) anzeigt; und wobei das Kennfeld (301) im Vorfeld für das Fahrzeug (100) und die Ladestation (110) ermittelt wurde.
  2. Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, wobei das Ermitteln (402) von Positionsdaten umfasst, - Ermitteln eines Abstandsmaßes, das von einem Abstand des Ist-Feldstärkewertes von einem Referenz-Feldstärkewert (303) aus dem Kennfeld (301) abhängt; - Ermitteln eines ersten Referenz-Feldstärkewertes (303) aus dem Kennfeld (301) durch den das Abstandsmaß reduziert wird; und - Ermitteln, auf Basis des Kennfeldes (301), eine dem ersten Referenz-Feldstärkewert (303) entsprechende erste Relativposition (302) als Positionsdaten.
  3. Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Verfahren (400) umfasst, Ermitteln einer Mehrzahl von Ist-Feldstärkewerten an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Empfängern (211, 212, 213) und/oder für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Magnetfeldern (221) von einer entsprechenden Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern (201, 202, 203); - die Mehrzahl von unterschiedlichen Empfängern (211, 212, 213) und/oder die Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern (201, 202, 203) an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sind; - das Ermitteln (402) von Positionsdaten umfasst, Vergleichen der Mehrzahl von Ist-Feldstärkewerten mit Referenz-Feldstärkewerten aus einer entsprechenden Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien (301); und - die Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien (301) für unterschiedliche Kombinationen aus jeweils einem Empfänger (211, 212, 213) und jeweils einem Sender (201, 202, 203) ermittelt wurden.
  4. Verfahren (400) gemäß Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von unterschiedlichen Magnetfeldern (221) zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Mehrzahl von unterschiedlichen Sendern (201, 202, 203) generiert wird.
  5. Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei - N x M Ist-Feldstärkewerte durch N Empfänger (211, 212, 213) für M unterschiedliche Magnetfelder (221) ermittelt werden; mit N>1 und/oder M>1; - ein Abstandsmaß von einem mittleren Abstand zwischen den N x M Ist-Feldstärkewerten und entsprechenden N x M Referenz-Feldstärkewerten aus N x M Kennlinien (301) abhängt; und - die Positionsdaten durch Reduzieren des Abstandsmaßes ermittelt werden.
  6. Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kennlinie (301) eine Mehrzahl von Funktionssegmenten (304) für eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Bereichen (311) von Relativpositionen (302) umfasst; und - ein Funktionssegment (304) für einen Bereich (311) die Referenz-Feldstärkewerte (303) als eine mathematische Funktion der Relativposition (302) anzeigt.
  7. Verfahren (400) gemäß Anspruch 6, wobei - die Kennlinie (301) für die unterschiedlichen Bereiche (311) jeweils zumindest einen Referenz-Schwellenwert (312) umfasst, der einen minimalen oder einen maximalen Referenz-Feldstärkewert (303) in dem jeweiligen Bereich (311) anzeigt; und - das Ermitteln (402) von Positionsdaten umfasst, Auswählen, auf Basis der Referenz-Schwellenwerte (312) und in Abhängigkeit des Ist-Schwellenwertes, eines Bereichs (311) der Kennlinie (301).
  8. Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Sekundärspule (121) über der Primärspule (111) positioniert werden soll; und - die Relativposition (302) zumindest eine Positionskomponente umfasst, die einen lateralen Versatz zwischen der Sekundärspule (121) und der Primärspule (111) anzeigt; - die Relativposition (302) zumindest eine Positionskomponente umfasst, die eine Verdrehung zwischen der Sekundärspule (121) und der Primärspule (111) anzeigt; und/oder - die Relativposition (302) zumindest eine Positionskomponente umfasst, die eine Höhe der Sekundärspule (121) relativ zu der Primärspule (111) anzeigt.
  9. Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Empfänger (211, 212, 213) eine Empfangsspule umfasst.
  10. Verfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (400) umfasst, Auswählen der Kennlinie (301) aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Kennlinien (301) für eine entsprechende Mehrzahl von Kombinationen von unterschiedlichen Fahrzeug-Typen und/oder unterschiedlichen Ladestations-Typen.
  11. Steuereinheit für ein Ladesystem, das eine Sekundärspule (121) eines Fahrzeugs (100) und eine Primärspule (111) einer Ladestation (110) umfasst, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, - einen Ist-Feldstärkewert eines Magnetfeldes (221) an einem Empfänger (211, 212, 213) zu ermitteln; wobei das Magnetfeld (221) von einem Sender (201, 202, 203) generiert wurde; wobei der Sender (201, 202, 203) am Fahrzeug (100) und der Empfänger (211, 212, 213) an der Ladestation (110) angeordnet sind, oder umgekehrt; wobei der Ist-Feldstärkewert eine magnetische Feldstärke des Magnetfeldes (221) an einer Position anzeigt, an dem der Empfänger (211, 212, 213) angeordnet ist; und - Positionsdaten in Bezug auf eine Ist-Relativposition (222) der Sekundärspule (121) relativ zu der Primärspule (111) durch Vergleichen des Ist-Feldstärkewertes mit Referenz-Feldstärkewerten aus einem Kennfeld (301) zu ermitteln; wobei das Kennfeld (301) Referenz-Feldstärkewerte (303) als Funktion der Relativposition (302) der Sekundärspule (121) relativ zu der Primärspule (111) anzeigt; und wobei das Kennfeld (301) im Vorfeld für das Fahrzeug (100) und die Ladestation (110) ermittelt wurde.
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