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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug. Die Ladestation umfasst eine Bodeneinheit mit einer Primärspule, die dazu eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug zu erzeugen. Das Fahrzeug umfasst eine Empfangseinheit eines Satellitenpositioniersystems sowie eine Sekundärspule im Fahrzeug-Unterboden.
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Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb eines Elektromotors des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
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Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über eine sogenannte Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu einer Batterie des Fahrzeugs übertragen wird. Im Fahrzeug-Unterboden umfasst das Fahrzeug eine sogenannte Sekundärspule, wobei die Sekundärspule über eine Impedanzanpassung und einen Gleichrichter mit einem Speicher (der Batterie) verbunden ist. Die Sekundärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer“ (WPT)-Fahrzeugeinheit.
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Die Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit kann über einer Primärspule positioniert werden, wobei die Primärspule z.B. auf dem Boden einer Garage, einem Parkhaus oder einem Rast- oder Parkplatz angebracht ist. Die Primärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit. Die Primärspule ist mit einer Stromversorgung (auch als Ladeeinheit bezeichnet) verbunden. Diese Einheiten bilden zusammen eine Ladestation. Die Stromversorgung kann einen Radio-Frequenz-Generator umfassen, der einen AC (Alternating Current)-Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld induziert wird. Dieses magnetische Feld wird auch als elektromagnetisches Ladefeld bezeichnet. Das elektromagnetische Ladefeld kann einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Der Ladefeld-Frequenzbereich kann im LF (Low Frequency)-Bereich, z.B. zwischen 80 kHz und 90kHz, oder einem anderen LF-Bereich liegen.
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Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule der WPT-Bodeneinheit und Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit über die Unterbodenfreiheit wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit wird durch den Gleichrichter gleichgerichtet und im Speicher gespeichert. So kann die elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung zum Speicher des Fahrzeugs übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug durch ein Lade-Steuergerät gesteuert werden. Dieses wird auch als WPT-Steuergerät bezeichnet. Das Lade-Steuergerät kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos mit der Ladeeinheit oder mit der WPT-Bodeneinheit zu kommunizieren.
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Für einen effektiven Energietransfer über das elektromagnetische Ladefeld ist es erforderlich, dass die WPT-Fahrzeugeinheit relativ genau über der WPT-Bodeneinheit positioniert wird. Diese Positionierung kann dadurch unterstützt werden, dass die Position des Fahrzeugs relativ zur WPT-Bodeneinheit bestimmt wird.
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Zu diesem Zweck kann die Ladeeinheit eine Empfangseinheit aufweisen, die eingerichtet ist, ein Anfragesignal von einer Sendeeinheit des Fahrzeugs zu empfangen. Das Anfragesignal kann ein Anfragesignal einer schlüssellosen Zugangsfunktion und/oder einer schlüssellosen Motorstartfunktion eines Fahrzeugs umfassen. Ist die Empfangseinheit dazu eingerichtet, eine Signalstärke des empfangenen Anfragesignals zu ermitteln, so kann die Signalstärke des jeweiligen Anfragesignals dazu verwendet werden, die Position des Fahrzeugs, welche das Anfragesignal ausgesendet hat, relativ zu der Ladeeinheit und insbesondere relativ zu der WPT-Bodeneinheit zu bestimmen.
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Dieses Verfahren ist aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt und in der Praxis gut erprobt. Es weist allerdings den Nachteil auf, dass das Anfragesignal über eine Distanz von lediglich etwa 3 bis 5 Metern zuverlässig empfangen werden kann. Da zukünftige Fahrzeuge vermehrt mit autonomen Fahrsystemen versehen werden sollen, ist es erforderlich, die genaue Position der WPT-Bodeneinheit bereits aus größerer Entfernung zu erkennen, um es der autonomen Fahrfunktion zu ermöglichen, die WPT-Bodeneinheit bzw. die Ladeeinheit korrekt anfahren zu können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem es ermöglicht wird, die Ladestation bereits aus größerer Entfernung gezielt anzufahren. Dazu ist die genaue Kenntnis der Position der Ladestation erforderlich.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Ladestation, die eingerichtet ist zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug, beschrieben. Die Ladestation umfasst eine Bodeneinheit mit einer Primärspule. Die Bodeneinheit ist dazu eingerichtet, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug zu erzeugen. Das Fahrzeug umfasst eine Empfangseinheit eines Satellitenpositionssystems sowie eine Sekundärspule im Fahrzeug-Unterboden. Die Empfangseinheit eines Satellitenpositioniersystems umfasst eine Empfangsantenne (kurz: Antenne) sowie einen Empfänger zur Verarbeitung der von der Antenne empfangenen Satellitensignale. Unter einem Satellitenpositioniersystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein GPS (Global Positioning System)-System ebenso wie ein GNSS (Global Navigation Satellite System)-System wie z.B. Gallileo, Glonass oder Compass, zu verstehen. Wenn somit in der folgenden Beschreibung auf ein GPS-System Bezug genommen wird, so sind darunter allgemein alle Satellitenpositioniersysteme zu verstehen.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich z.B. um ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb. Es kann sich insbesondere um ein Landfahrzeug, z.B. einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad handeln.
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Bei dem Verfahren wird für zumindest einen Teil der Zeitdauer eines Ladevorgangs, bei dem das Fahrzeug derart zu der Bodeneinheit angeordnet ist, dass die Sekundärspule des Fahrzeugs eine vorgegebene Positionsbeziehung zu der Primärspule der Bodeneinheit aufweist, eine Vielzahl an Positionsbestimmungen durch die Empfangseinheit des Fahrzeugs durchgeführt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Empfangseinheit des Satellitenpositioniersystems des Fahrzeugs entsprechend ihrer geografischen Position Satellitensignale von einer Mehrzahl an Satelliten empfängt und diese verarbeitet.
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Aus der Vielzahl an durchgeführten Positionsbestimmungen werden Ortskoordinaten der Empfangseinheit des Fahrzeugs ermittelt. Die Ermittlung der Ortskoordinaten der Empfangseinheit des Fahrzeugs ergibt sich aus der Verarbeitung der von mehreren Satelliten empfangenen Satellitensignale. Damit die Empfangseinheit ihre eigene Position ermitteln kann, muss es Satellitensignale von mindestens vier Satelliten empfangen. Die eigene Position kann umso genauer ermittelt werden, je größer die Anzahl der Satelliten ist, von denen ein Satellitensignal empfangen wird. In den Satellitensignalen ist eine Information über die jeweilige Position des Satelliten und den Zeitpunkt des Aussendens des Satellitensignals enthalten. Aus den von den Satelliten gesendeten Positionen und der Zeit errechnet die Empfangseinheit ihre eigene Position. Dies geschieht anhand der Zeit, die ein jeweiliges Satellitensignal vom Satelliten bis zur Empfangseinheit benötigt und der übermittelten Position des Satelliten. Dieses Vorgehen ist dem Fachmann prinzipiell bekannt und muss daher an dieser Stelle nicht genauer beschrieben werden.
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Aus der bekannten Lage der Empfangseinheit relativ zu der Sekundärspule in dem Fahrzeug wird dann auf die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit geschlossen.
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Die mit diesem Verfahren ermittelten Ortskoordinaten der ortsfest angeordneten Bodeneinheit mit der Primärspule können dann dazu genutzt werden, beim nächsten Annäherungsvorgang an die Bodeneinheit, z.B. durch eine autonome Fahrfunktion, als Navigationsziel verwendet zu werden.
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Die dem Verfahren zugrundeliegende Überlegung besteht darin, dass ein Fahrzeug während eines Ladevorgangs relativ lange, über der Bodeneinheit angeordnet ist. Da die Bodeneinheit mit ihrer Primärspule nach einer Installation ortsfest bestehen bleibt, können die während eines Ladevorgangs durch das Fahrzeug erfassten Positionsdaten als Ortskoordinaten der Bodeneinheit und der Primärspule zugewiesen werden.
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Dieses Vorgehen weist den Vorteil auf, dass zur Bestimmung der Position einer Ladestation mit einer Bodeneinheit und einer Primärspule keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Die Bestimmung der Position der Ladestation bzw. ihrer Bodeneinheit mit der Primärspule wird mit Hilfe von in dem Fahrzeug vorhandenen Komponenten realisiert. Insbesondere kann das Verfahren vollständig in dem Fahrzeug implementiert werden. Die Nutzung einer Empfangseinheit eines Satellitenpositioniersystems eines Fahrzeugs weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass die Empfangseinheit empfangsoptimiert im Fahrzeugdach angeordnet ist. Damit sind im Vergleich zu einer Anordnung einer Empfangseinheit in der Ladestation bessere Empfangsbedingungen zu erwarten. Schließlich ermöglicht es das Verfahren auf einfache Weise die Position der Ladestation als „präzises“ Ziel in das Navigationssystem des Fahrzeugs zu übernehmen.
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Das Verfahren weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass dieses aufgrund der Vielzahl an durchgeführten Positionsbestimmungen es erlaubt, die Ortskoordinaten zunächst der Empfangseinheit des Fahrzeugs und schließlich der Primärspule der Bodeneinheit mit großer Präzision zu ermitteln, da die bei der Positionsbestimmung üblicherweise auftretenden Probleme aufgrund der Vielzahl der Messungen eliminiert werden können.
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Hauptfehler eines Satellitensignals sind Fehler durch Laufzeitdifferenzen in der Erdatmosphäre und ein fehlerhafter Empfang, z.B. aufgrund von Signalreflexionen. Da ein Ladevorgang zum Aufladen des Speichers des Fahrzeugs sich über mehrere Stunden erstrecken kann und Ladevorgänge immer wieder über einen langen Zeitraum erfolgen, können Laufzeitdifferenzen durch die Erdatmosphäre sich im Schnitt ausmitteln. Darüber hinaus kann bei guten Empfangsverhältnissen davon ausgegangen werden, dass Signalreflexionen von einzelnen Satelliten nur temporär auftreten. Signalreflexionen einzelner Satellitensignale treten (z.B. aufgrund von Reflexionen an umliegenden Gebäuden) nur bei bestimmten Konstellationen der Satelliten relativ zur Umgebung der Ladestation auf, da dies von der Geometrie umliegender Gegebenheiten, wie z.B. Häusern abhängig ist. Da sich das Empfangsmuster regelmäßig (alle 12 Stunden) wiederholt, können gestörte Signale erkannt und ausgefiltert werden. Da sich die Ladestation nicht bewegt, reicht daher eine zeitweise, aber gute Positionsbestimmung aus, die Positionskoordinaten präzise zu bestimmen..
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Eine weitere, dem Verfahren zugrundeliegende Überlegung ist, dass die für die Empfangseinheit des Fahrzeugs durchgeführte Ermittlung der Ortskoordinaten dem Ort der Antenne der Empfangseinheit entsprechen. Da die Anordnung der Antenne der Empfangseinheit relativ zu der Sekundärspule des Fahrzeugs bekannt ist, und auch ein Winkel um die Hochachse des Fahrzeugs in Bezug auf ein Welt-Koordinatensystem aus der Vielzahl an Positionsbestimmungen ermittelt werden kann, können die genauen Ortskoordinaten der Sekundärspule des Fahrzeugs ermittelt werden. Da während des Ladevorgangs die Primär- und Sekundärspule mit wenigen Zentimetern Versatz übereinander liegen und dieser Versatz bei jedem Ladevorgang bestimmt wird, der darüber hinaus durch das eingangs beschriebene Nahfeld-Verfahren bestimmbar ist, kann mit hoher Zuverlässigkeit die Position der Primärspule der Bodeneinheit bestimmt werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Ortskoordinaten der Empfangseinheit des Fahrzeugs aus einer durch Filterung ermittelten Teilanzahl der Vielzahl an durchgeführten Positionsbestimmungen bestimmt werden. Dies bedeutet, es werden nicht sämtliche während der Zeitdauer des Ladevorgangs ermittelten Positionsbestimmungen verwendet, um die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit zu bestimmen. Stattdessen beschränkt man sich auf eine Auswahl der „besten“ Positionsbestimmungen und ermittelt aus diesen die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit.
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Die Bestimmung der Ortskoordinaten der Empfangseinheit des Fahrzeugs erfolgt zweckmäßigerweise durch Filterung der Positionsbestimmungen anhand eines vorbestimmten Qualitätskriteriums. Das Qualitätskriterium kann eine Anzahl an empfangenen Satellitensignalen und/oder eine Einzelbewertung der empfangenen Satellitensignale, insbesondere eine Bewertung einer jeweiligen Signalstärke, umfassen. Durch die Filterung ist man beispielsweise in der Lage, die oben erwähnten Signalreflexionen, die periodisch in Abhängigkeit des Zeitpunkts der Positionsbestimmung auftreten, auszufiltern. Darüber hinaus können Laufzeitdifferenzen in der Erdatmosphäre, beispielsweise wie bei bestimmten Wetterbedingungen, durch die Berücksichtigung der Signalstärke eliminiert werden, indem beispielsweise nur Satellitensignale von solchen Satelliten berücksichtigt werden, deren Signalstärke ein bestimmtes Maß überschreitet und der Signalwert gute Übereinstimmung zu korrespondierenden Signalwerten aufweist. Damit werden nicht plausible Messungen aussortiert. Ein Maß für die Qualität der bestimmten Ortskoordinaten kann darüber hinaus die Anzahl der für eine Positionsbestimmung zur Verfügung stehenden Satellitensignale sein.
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Die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit können in dem Fahrzeug gespeichert werden. Beispielsweise ist dies dann zweckmäßig, wenn die Ladestation mit der Bodeneinheit und der Primärspule in einer privaten Umgebung, z.B. einer Garage oder einem privaten Stellplatz, angeordnet sind. In einem solchen Fall wird die Ladestation überwiegend von einem Fahrzeug genutzt. Die Ladestation benötigt daher für ihre Lokalisierung keinen eigenen Datenvorhalt ihrer Ortskoordinaten.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit in der Ladestation gespeichert werden. Dies bietet sich an, wenn eine Ladestation von unterschiedlichen Fahrzeugen genutzt wird. Beim Annähern eines Fahrzeugs an eine Ladestation, kann die Ladestation beispielsweise die in ihr gespeicherten Ortskoordinaten über einen drahtlosen Kommunikationskanal, z.B. wie WLAN (Wireless Local Area Network), aus größerer Entfernung an das Fahrzeug zur Annäherung übertragen.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit, welche das vorgegebene Qualitätskriterium erfüllen, in einer Liste gespeichert werden. In der Liste sind damit lediglich solche Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit enthalten, welche eine hohe Genauigkeit der Position repräsentieren.
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Die in der Liste gespeicherte Anzahl an Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit übersteigt zweckmäßigerweise eine vorgegebene Anzahl an Ortskoordinaten nicht. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer Vielzahl von Ladevorgängen die Liste eine bestimmte Länge nicht übersteigt. Es ist beispielsweise ausreichend, wenn die vorgegebene Anzahl an Ortskoordinaten 50 oder 200 beträgt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass aus der in der Liste gespeicherten Anzahl an Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit ein Schätzwert der Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit gebildet wird, wobei dieser Schätzwert als die angenommenen Ortskoordinaten der Primärspule zur weiteren Verarbeitung verwendet werden. Der Schätzwert kann durch Mittelwertbildung oder durch eine gewichtete Mittelwertbildung mit einem Qualitätsmaß gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schätzwert unter Verarbeitung einer Zeitinformation der Erfassung der Ortskoordinaten gebildet werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die aktuell in der Liste befindlichen Ortskoordinaten, für die Verwendung zur Navigation eines Fahrzeugs, beispielsweise gemittelt werden. Dadurch können die eingangs genannten Fehler von Laufzeitdifferenzen in der Erdatmosphäre und/oder dem Fehler im Empfang aufgrund von Signalreflexionen gemittelt werden.
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Wahlweise kann die Liste mit der Anzahl an Ortskoordinaten in dem Fahrzeug oder in der Ladestation gespeichert werden.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn zusätzlich zu den Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit eine Information über einen Fahrzeugtyp, durch den die Ortskoordinaten bestimmt wurden, gespeichert wird. Dies bietet sich beispielsweise dann an, wenn eine Ladestation von einer Vielzahl an unterschiedlichen Fahrzeugen zum Laden des Speichers genutzt wird. Beispielsweise kann damit die Qualität der Empfangseinheit des die Ortskoordinaten bestimmenden Fahrzeugs berücksichtigt werden. Diese Information kann beispielsweise im Qualitätsmaß berücksichtigt werden.
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Es kann weiterhin zweckmäßig sein, wenn zur Bestimmung der Ortskoordinaten odometrische Daten des Fahrzeugs, welche beim Anfahren der Bodenstation ermittelt wurden, verarbeitet werden. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung beispielsweise in solchen Fällen bestimmt werden, in denen das oder die Satellitensignale von lediglich geringer Qualität sind. Dies kann beispielsweise im städtischen Umfeld, aber auch bei einer Anordnung der Ladestation im Inneren eines Gebäudes (z.B. Parkhaus) oder einer Garage, zweckmäßig sein.
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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Bestimmung der Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit bei jedem Ladevorgang des Fahrzeugs erfolgt. Dadurch erfolgt eine permanente Aktualisierung der Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit. Werden lediglich die besten Werte der Positionsbestimmung in der genannten Liste gespeichert, so ergibt sich mit zunehmender Zeit eine immer präzisere Positionsbestimmung der Primärspule der Bodeneinheit.
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Das in dieser Beschreibung dargelegte Verfahren kann mit Hilfe eines Softwareprogramms realisiert werden, das eingerichtet ist, um von einem Prozessor (z.B. einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das Verfahren auszuführen. Ein solches Softwareprogramm kann auf einem Speichermedium gespeichert sein, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines über einer Bodeneinheit einer Ladestation angeordneten Fahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Fahrzeugs und einer Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie;
- 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufplans zur iterativen Bestimmung der Position einer Ladestation; und
- 4 eine schematische Darstellung der Annäherung eines Fahrzeugs an eine von zwei nebeneinander angeordneten Ladestationen.
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Wie eingangs beschrieben, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bestimmung der Position einer Ladestation, um die bestimmte Position der Ladestation, insbesondere für autonome Fahrfunktionen, zur Annäherung eines Fahrzeugs an die Ladestation zu nutzen. Die Position der Ladestation kann insbesondere als Ziel in einem Navigationssystem des Fahrzeugs verwendet werden, um auch von größeren Entfernungen ein autonomes Annähern an die Ladestation zu ermöglichen, bei denen die ansonsten aus dem Stand der Technik bekannten Positionsbestimmungsverfahren versagen.
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Das Verfahren macht sich den Umstand zunutze, dass die Ladestation eine ortsfeste Lage aufweist. Dadurch ist es möglich, die Position der Ladestation, genauer Ortskoordinaten, für ein Satellitenpositioniersystem auf iterative Weise durch oder während der Nutzung der Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug zu bestimmen und verbessern.
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Eine Ladestation 200 (siehe 1 und 2) weist in einer dem Fachmann bekannten Weise eine Bodeneinheit 201 mit einer darin befindlichen Primärspule (nicht dargestellt) auf. Die Bodeneinheit 201 mit der Primärspule ist dazu eingerichtet, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug 100 zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist die Bodeneinheit 201 über einen Leistungssteller 202 mit einer Stromversorgung 203 verbunden. Die Steuerung des Leistungsstellers 202 erfolgt durch eine Recheneinheit 204 der Ladestation 200.
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Das Fahrzeug 100 weist an seinem Unterboden eine Fahrzeugeinheit 101 mit einer Sekundärspule (nicht dargestellt) auf. Zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie von der Bodeneinheit 201 mit der Primärspule auf die Fahrzeugeinheit 101 mit der Sekundärspule wird das Fahrzeug 100 derart über der Bodeneinheit 201 angeordnet, dass eine vorgegebene Positionsbeziehung zwischen der Primärspule der Bodeneinheit 201 und der Sekundärspule der Fahrzeugeinheit 101 gegeben ist. Dabei sind die Primär- und die Sekundärspule über eine Unterbodenfreiheit (d.h. einen Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule) voneinander getrennt.
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Die von der Fahrzeugeinheit 101 mit der Sekundärspule empfangene Energie wird einem Gleichrichter 103 zugeführt, der eine Gleichrichtung des von der Sekundärspule erzeugten Wechselstroms vornimmt und in einer Batterie 104 (Speicher) speichert. Um die vorgegebene Positionsrelation zwischen der Primärspule der Bodeneinheit 201 und der Sekundärspule der Fahrzeugeinheit 101 herzustellen, können die Fahrzeugeinheit 101 und die Bodeneinheit 201 Sensoren zur lokalen Abstandsmessung umfassen. Die von den Sensoren 206 erfassten Daten werden dabei der Steuerung 204 zur Verarbeitung zugeführt. Eine Steuerung 109 empfängt die von dem Sensor 110 empfangenen Daten und verarbeitet diese. Die Steuerung 109 dient darüber hinaus zur Steuerung der Energieübertragung und erfasst daher den Energiefluss durch den Gleichrichter 103 und übermittelt dies an die Steuerung der Ladestation 204.
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Wie einleitend bereits beschrieben, umfasst das Fahrzeug 100 darüber hinaus eine Empfangseinheit 102 eines Satellitenpositioniersystems. Die Empfangseinheit 102, die häufig auch als GPS-Empfänger bezeichnet wird, umfasst eine in Figur nicht dargestellte Antenne sowie den eigentlichen Empfänger zur Verarbeitung der von der Antenne empfangenen Satellitensignale. Die von der Empfangseinheit 102 empfangenen und verarbeiteten Daten werden in einer Recheneinheit 105 unter Verwendung von einem Speicher vorgehaltenen Kartendaten 106 verarbeitet, um eine genaue Position des Fahrzeugs 100 festzustellen. Dabei handelt es sich um eine Position der Empfangseinheit 102 bzw. deren Antenne.
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Darüber hinaus verfügt das Fahrzeug 100 über eine Recheneinheit 107 zur Schätzung der Fahrzeug-Position, basierend auf Fahrzeug-Odometriedaten, die von einem oder mehreren Sensoren 108 bereitgestellt werden.
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Die Recheneinheiten 105 und 107 können unterschiedliche Recheneinheiten sein. Diese können auch in einer einzigen Recheneinheit realisiert sein und insbesondere zur kombinierten Ermittlung der Fahrzeugposition, d.h. der Position der Empfangseinheit 102, ausgebildet sein.
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Das Verfahren basiert auf der Überlegung, die Position der Ladestation 200 mit Hilfe des in dem Fahrzeug 100 vorhandenen Positionsbestimmungssystems zu ermitteln. Dies erfolgt dadurch, dass für zumindest einen Teil der Zeitdauer eines Ladevorgangs, wie dieser beispielsweise in 1 schematisch dargestellt ist, eine Vielzahl an Positionsbestimmungen durch die Empfangseinheit 102 des Fahrzeugs durchgeführt wird. Während der Zeitdauer des Ladevorgangs ist das Fahrzeug 100 derart zu der Bodeneinheit 201 der Ladestation 200 angeordnet, dass die Sekundärspule des Fahrzeugs 100 die vorgegebene Positionsbeziehung zu der Primärspule der Bodeneinheit 201 aufweist. Aus der Vielzahl an durchgeführten Positionsbestimmungen werden Ortskoordinaten der Empfangseinheit 102, d.h. der Antenne, ermittelt. Da für ein jeweiliges Fahrzeug 100 bekannt ist, wie die Antenne relativ zu der Fahrzeugeinheit 101 mit der Sekundärspule angeordnet ist, kann daraus auf die Ortskoordinaten der Primärspule der Bodeneinheit 201 geschlossen werden.
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Wie aus der Draufsicht der 1 hervorgeht, sind die Mittelpunkte der Fahrzeugeinheit 101 mit 101M und der Empfangseinheit (bzw. Antenne) 102 mit 102M gekennzeichnet. Die Mittelpunkte 101M, 102M weisen eine Distanz D zueinander auf, deren Wert für ein jeweiliges Fahrzeug bekannt ist. Darüber hinaus wird ein Winkel W um eine Hochachse 100H des Fahrzeugs 100 in Bezug auf ein Welt-Koordinatensystem mit einer ersten Achse 200X und einer zweiten Achse 200Y ermittelt. Dabei wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Winkel W zwischen einer Fahrzeuglängsachse 100L und der ersten Achse 200X des Welt-Koordinatensystems ermittelt. Der Winkel kann aus einer Vielzahl von Ortskoordinaten des Fahrzeugs bei der Anfahrt zu der Ladestation 200 zusammen mit dem Odometriedaten des Fahrzeugs bestimmt werden. Durch die Bestimmung des Winkels W lässt sich die Orientierung der Primärspule der Fahrzeugeinheit 101 in Bezug auf die Empfangseinheit (bzw. Antenne) 102 bezüglich der Himmelsrichtungen des Welt-Koordinatensystems bestimmen. Im Ergebnis kann aus den Ortskoordinaten des Fahrzeugs bzw. dessen Empfangseinheit 102 mit einer sehr geringen Abweichung auf die Position der Sekundärspule und damit der Primärspule der Bodeneinheit 201 der Ladestation 200 geschlossen werden.
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Da eine einzelne Messung mit Unsicherheiten aufgrund der Bestimmung der Ortskoordinaten verbunden ist, erfolgt die Messung der Position der Empfangseinheit 102 des Fahrzeugs und damit der Zuordnung der Ortskoordinaten zu der Bodeneinheit 201 der Ladestation über eine lange Zeit. Hauptsächlich auftretende Fehler bei einem Satellitennavigationssystem sind Fehler durch Laufzeitdifferenzen in der Erdatmosphäre und Fehler beim Empfang von Signalreflexionen, z.B. aufgrund der Geometrie umliegender Häuser und dergleichen.
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Diese Fehler können durch eine Vielzahl an Messungen während der verhältnismäßig langen Zeitdauer eines Ladevorgangs zum größten Teil zuverlässig eliminiert werden. Bezüglich der Fehler durch Laufzeitdifferenzen in der Erdatmosphäre kann davon ausgegangen werden, dass sich diese durch die Erdatmosphäre im Schnitt ausmitteln. Bezüglich des fehlerhaften Empfangs aufgrund von Signalreflexionen kann unterstellt werden, dass solche Signalreflexionen nur temporär Satellitensignale von einzelnen Satelliten betreffen. Solche „gestörten“ Satellitensignale können erkannt und ausgefiltert werden. Bei guten, unreflektierten Satellitensignalen ist dieser Fehler nicht vorhanden. Da die Ladestation und deren Bodeneinheit 201 unbeweglich sind, reicht daher eine zeitweise, aber gute Bestimmung der Ortskoordinaten mit Hilfe der satellitengestützten Empfangseinheit 102 des Fahrzeugs 100 aus.
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Da die Satelliten eines Satellitennavigationssystems auf vorgegebenen Umlaufbahnen mit einer Umlaufzeit von ca. 12 Stunden fliegen, wiederholt sich ein jeweiliges Empfangsmuster regelmäßig. Signalreflexionen einzelner Satellitensignale treten daher in diesem Zeitabstand auf, da diese von der Geometrie umliegender Häuser und dergleichen verursacht sind. Dies kann bei der Qualitätsbewertung der Empfangssignale berücksichtigt werden.
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Vorteilhafterweise werden mit jedem Ladevorgang die für die Primärspule der Bodeneinheit 201 bestimmten Ortskoordinaten aktualisiert. Dies wird anhand des Ablaufplans der 3 beschrieben. Zunächst erfolgt die, wie in 1 gezeigte Positionierung des Fahrzeugs 100 über der Bodeneinheit 201 der Ladestation (Schritt S100). In Schritt S101 erfolgt die Bestimmung der Abweichung der Empfangseinheit 102 des Fahrzeugs 100 von der Bodeneinheit 201 der Ladestation 200. Dies erfolgt anhand der, wie in 1 gezeigten, geometrischen Abstände zwischen Empfangseinheit 102, Fahrzeugeinheit 101 und der Relativposition zwischen der Fahrzeugeinheit 101 und der Bodeneinheit 201. In Schritt S102 erfolgt die Ermittlung der Ortskoordinaten, zunächst der Empfangseinheit 102, und dann anhand der geometrischen Verhältnisse der Bodeneinheit 201 der Ladestation 200. Dabei kann ein Qualitätsindikator genutzt werden, der angibt, wie gut die Qualität der Bestimmung der Ortskoordinaten ist. Dies kann beispielsweise anhand der Anzahl der für die Bestimmung der Ortskoordinaten zur Verfügung stehenden Satellitensignale sowie der jeweiligen Signalstärken der Satellitensignale erfolgen. In Schritt S103 erfolgt die Überprüfung, ob die Qualität der ermittelten Ortskoordinaten in Ordnung ist. Ist dies nicht der Fall (Pfad „Nein“), so wird Schritt S102 wiederholt. Ist die Qualität der ermittelten Ortskoordinaten hingegen in Ordnung (Pfad „ja), d.h. liegt das Qualitätskriterium über einem vorgegebenen Wert, so wird in Schritt S104 überprüft, ob die gerade ermittelten Ortskoordinaten eine höhere Qualität aufweisen als bislang ermittelte n beste Werte. Sind die gerade eben ermittelten Ortskoordinaten schlechter (Pfad „schlechter“), so werden die ermittelten Ortskoordinaten verworfen und das Verfahren wird mit Schritt S102 fortgesetzt. Sind die gerade ermittelten Ortskoordinaten hingegen besser als die bislang gespeicherten n besten Ortskoordinatenwerte (Pfad „besser“), so wird in Schritt S105 die Position, ausgedrückt durch die ermittelten Ortskoordinaten, in der Liste der n besten Werte an einer, dem Qualitätsmaß entsprechenden Position gespeichert. Die Ortskoordinaten mit dem schlechtesten Qualitätsmaß werden aus der Liste mit n Werten gelöscht. Aus der Liste mit den n-besten Werten der Ortskoordinaten wird dann in Schritt S106 die tatsächliche Position geschätzt. Der Schätzwert kann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung ermittelt werden. Ebenso kann der Schätzwert durch eine gewichtete Mittelwertbildung mit einem Qualitätsmaß gebildet werden. Darüber hinaus kann eine Zeitinformation einbezogen werden, z.B. zu welchem Zeitpunkt die gespeicherte Ortskoordinate ermittelt wurde.
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Die hieraus resultierende Liste mit den n (n ist z.B. 100) besten Werten für die in der Vergangenheit ermittelten Ortskoordinaten für die Bodeneinheit 201 der Ladestation 200 kann entweder in einem Speicher des Fahrzeugs 100 und/oder in einem Speicher der Ladestation 200 gespeichert werden. Das Speichern der Liste mit den n besten Ortskoordinaten in dem Fahrzeug 100 bietet sich dann an, wenn das Fahrzeug nur wenige Ladestationen anfährt und die Ladestationen 200 überwiegend nur von einem Fahrzeug genutzt werden. Dies ist beispielsweise bei der Realisierung einer Ladestation im privaten Umfeld der Fall.
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Wird eine Ladestation hingegen von einer Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeuge genutzt, wie dies bei öffentlich vorhandenen Ladestationen der Fall ist, so ist es zweckmäßig, wenn die Liste mit den besten ermittelten Ortskoordinaten in einem Speicher einer zentralen Recheneinheit der Ladestation gespeichert wird. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Ladestation berücksichtigt, welches Fahrzeug eine gerade ermittelte Ortskoordinate liefert. Durch die Vielzahl an Ladevorgängen und die Vielzahl an ermittelten Ortskoordinaten kann das oben beschriebene Verfahren durch eine Recheneinheit der Ladestation durchgeführt werden, wodurch sich dann ebenfalls eine Liste mit n besten Ortskoordinatenwerten ausbildet.
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Die Information, welches Fahrzeug oder welcher Fahrzeugtyp eine Ortskoordinate überträgt, kann zu Diagnosezwecken sinnvoll sein, um beispielsweise die Qualität einer Empfangseinheit eines Fahrzeugs bewerten zu können. Es können damit auch fahrzeugspezifische Korrekturen bei einer Positionsberechnung gemacht werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Situation, in welcher Weise eine erfindungsgemäß bestimmte Position von Ladestationen genutzt werden kann. 4 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Straßenverlauf mit einer Hauptstraße 300 und einem Straßenabzweig 301. Im Bereich des Straßenabzweigs 301 befinden sich zwei Parkplätze 302-1, 302-2 mit einer jeweiligen Ladestation 200-1, 200-2. In der Figur dargestellt sind auch die jeweiligen Bodeneinheiten 201-1, 201-2 der Ladestationen 200-1, 200-2. Mit dem Bezugszeichen 207-1, 207-2 sind jeweilige Toleranzbereiche der bestimmten Ortskoordinaten der Bodeneinheiten 201-1, 201-2 dargestellt. Unter der Annahme, dass die Parkplätze 302-1, 302-3 mindestens 2,5 m breit sind, und dem Wissen aus Versuchen, dass sich die Toleranzbereiche 207-1, 207-2 mit einem Durchmesser von weniger als einem Meter bestimmen lassen, überlappen sich die Toleranzbereiche 207-1, 207-2 nicht.
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Mit dem Bezugszeichen 220R ist darüber hinaus die Grenze einer Kommunikationsdrahtlosverbindung einer nicht dargestellten Recheneinheit der Ladestationen 200-1, 200-2 dargestellt. Nähert sich nun das Fahrzeug 100 entlang des Fahrwegs FW von der Straße 300 kommend und in den Straßenabzweig 301 einbiegend, so erhält das Fahrzeug 100 über die Drahtloskommunikationsverbindung die Ortskoordinate(n) des Parkplatzes 302-1 und/oder 302-2. Eine autonome Einparkfunktion kann nunmehr unter Verwendung der Ortskoordinaten einer der beiden Parkplätze 302-1, 302-2 bereits in ausreichend großer Entfernung den ausgewählten Parkplatz 302-1 oder 302-2 mittels jeweiliger Fahrwege FW-1 oder FW-2 autonom optimal ansteuern, so dass eine optimale Positionsrelation zwischen der Fahrzeugeinheit 101 mit der Sekundärspule und der Bodeneinheit 201 mit der Primärspule gegeben ist.
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Die Bestimmung der Ortskoordinaten einer Ladestation bzw. das Anfahren einer Ladestation, deren Ortskoordinaten dem Fahrzeug bekannt sind, kann mit Hilfe der Fahrzeug-Odometriedaten unterstützt werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass bei einer ausreichenden Annäherung unter Nutzung einer autonomen Fahrfunktion eine Unterstützung durch oder Umschaltung auf eines der bekannten Positionierverfahren, beispielsweise unter Verwendung eines LF (Low Frequency)-Systems vorgenommen wird. Darüber hinaus kann das Verfahren mit lokalen Abstandsmessverfahren kombiniert werden, so dass bei kleinen Abständen zwischen dem Fahrzeug und der gewählten Ladestation dieses die Abstandsmessung übernimmt. Dies gilt sowohl für die finale Bestimmung der Parkposition als auch bei der Unterstützung des Parkvorgangs.
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Zur Steigerung der Positionsqualität können die Satellitensignale einzelner Satelliten durch die Empfangseinheit 102 individuell ausgewertet werden. Damit lassen sich schlechte Signale und systematische Fehler, welche insbesondere durch schlechte Empfangsverhältnisse der Umgebung hervorgerufen sind, reduzieren. Beispielsweise können hierzu gezielt einzelne Satellitensignale ausgeblendet werden, wobei dies dauerhaft oder temporär realisiert sein kann.
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Zur Erzeugung eines möglichst präzisen Abstandswerts, auch wenn das Fahrzeug 100 noch weit entfernt von einer Ladestation 200 ist, kann die Positionsgenauigkeit des Fahrzeugs 100 durch ein Matching auf genaue Karten und der optionalen Nutzung eines verfügbaren Differential-GPS erhöht werden.
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Beim Anfahren einer Ladestation kann durch Verwendung von Fahrzeug-Odometrie und geeigneter Filterung sowie dem Übergang von der Nutzung eines Satellitenpositioniersystems auf eine lokale Abstandsmessung in jeder Position ein Abstandswert angegeben werden.
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Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass der Algorithmus um die Datenhaltung vollständig im Fahrzeug ausgeführt werden kann. Von der Ladestation 200 werden nur Informationen benötigt, die über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle, z.B. WLAN, bereitgestellt werden. Werden auf einer Ladestation viele verschiedene Fahrzeuge geladen, können der Algorithmus und/oder die Datenhaltung auf der Ladestation durchgeführt werden.
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Befindet sich die Ladestation 200 in einem Bereich ohne Empfang von Satellitensignalen, kann über Fahrzeug-Odometrie die Fahrzeugposition weiter berechnet werden und im Bereich der Ladestation die Position der Ladestation daraus abgeleitet und mit jedem Anfahren verbessert werden. Allerdings ist eine kontinuierliche Positionsverbesserung während des Ladens nicht möglich.
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Das Verfahren partizipiert von der zu erwartenden Entwicklung von höheren Positionsgenauigkeiten des Fahrzeugs für Fahrerassistenzsysteme, autonomes Fahren und der Einführung von In-door-Navigationsverfahren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Entfernungsangabe zwischen dem Fahrzeug 100 und einer Ladestation 200 aus beliebiger Entfernung angegeben werden kann. Hindernisse zwischen dem Fahrzeug 100 und der Ladestation haben auf das Anfahren der Ladestation 200 keinen Einfluss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Ladestationen als „präzises“ Ziel in ein Navigationssystem des Fahrzeugs 100 übernommen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 100L
- Fahrzeuglängsachse
- 100H
- Fahrzeughochachse
- 101
- Fahrzeugeinheit mit Sekundärspule
- 101M
- geometrischer Mittelpunkt der Fahrzeugeinheit
- 102
- Empfangseinheit eines Satellitenpositioniersystems (GPS-Empfänger)
- 102M
- geometrischer Mittelpunkt der Empfangseinheit
- 103
- Gleichrichter
- 104
- Speicher (Batterie)
- 105
- Recheneinheit
- 106
- Kartendaten
- 107
- Recheneinheit
- 108
- Fahrzeugodometrie
- 109
- Steuerung
- 110
- Nahfeldsensor
- D
- Abstand zwischen 101M und 102M
- W
- Winkel zwischen Fahrzeuglängsachse 101L und erster Achse 200X
- 200, 200-1, 200-2
- Ladestation
- 200X
- erste Achse in einem Welt-Koordinatensystem
- 200Y
- zweite Achse in einem Welt-Koordinatensystem
- 201, 201-1, 201-2
- Bodeneinheit mit Primärspule
- 202
- Leistungssteller
- 203
- Stromversorgung
- 204
- Steuerung der Ladestation
- 205
- Kommunikationsverbindung
- 207-1, 207-2
- Toleranzbereich der bestimmten Ortskoordinaten der Bodeneinheit
- 220R
- Grenze einer Kommunikationsdrahtlosverbindung
- 300
- Straße
- 301
- Straßenabzweig
- 301-1, 302-2
- Parkplatz mit Ladestation
- FW
- Fahrweg
- FW-1, FW-2
- Fahrweg zum Anfahren des Parkplatzes 301-1, 302-1
- S100,...,S106
- Verfahrensschritt