DE102018106063A1

DE102018106063A1 - Sensoranordnung für ein kontaktloses Ladesystem

Info

Publication number: DE102018106063A1
Application number: DE102018106063.7A
Authority: DE
Inventors: Anja Heinzelmann; Dirk Herke; Rinaldo Persichini; Alexander Rudoy
Original assignee: Toposens GmbH; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Toposens GmbH; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: DE102018106063B4

Abstract

Ladesystem zum kontaktlosen Laden eines Kraftfahrzeuges, wobei eine stationäre Bodeneinheit (6) vorgesehen ist, die über eine Ladestation (10) mit einer Steuereinheit mit einer Energiequelle verbunden ist und die eine Senderspule (12) aufweist, die zur kontaktlosen Energieübertragung in einem Ladevorgang mit einer Empfängerspule (14) zusammenwirkt, wobei die Empfängerspule (14), die im Bodenbereich (16) des Kraftfahrzeuges (2) angeordnet ist, über ein Strommanagementsystem (20) mit zumindest einem Energiespeicher (22) verbunden ist, wobei eine Sensoranordnung (25) vorgesehen ist, die zumindest zwei Sensororgane (26, 28, 32, 34, 36) in einer stationären Bodeneinheit (6) aufweist, die sowohl eine Sende- als auch eine Empfangsfunktion für Sendesignale aufweisen, derart, dass ein Ladevorgang unterbrechbar ist, wenn ein Fremdobjekt detektierbar ist, wobei die Sensororgane (26, 28, 32, 34, 36) ausschließlich als Ultraschallsensoren ausgeführt sind, wobei ein Überwachungsmodus vorgegeben ist, in dem ein Ultraschallsensor (26, 28, 32, 34, 36) eine Sendefunktion aufweist und die übrigen Ultraschallsensoren (26, 28, 32, 34, 36) jeweils eine Empfangsfunktion aufweisen, wobei in diesem Überwachungsmodus die Sendefunktion sequentiell von unterschiedlichen Ultraschallsensoren (26, 28, 32, 34, 36) wahrnehmbar ist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ladesystems.

Description

Die Erfindungsmeldung betrifft eine Sensoranordnung für ein kontaktloses Ladesystem für ein Kraftfahrzeug, wobei eine stationäre Bodeneinheit vorgesehen ist, die über eine Ladestation mit einer Steuereinheit mit einer Energiequelle verbunden ist und die eine Senderspule aufweist, die zur kontaktlosen Energieübertragung in einem Ladevorgang mit einer Empfängerspule zusammenwirkt, wobei die Empfängerspule, die im Bodenbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet ist, über ein Strommanagementsystem mit zumindest einem Energiespeicher verbunden ist, wobei eine Sensoranordnung vorgesehen ist, die zumindest zwei Sensororgane in einer stationären Bodeneinheit aufweist, die sowohl eine Sende- als auch eine Empfangsfunktion für Sendesignale aufweist, derart, dass ein Ladevorgang unterbrechbar ist, wenn ein Fremdobjekt deteketierbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ladesystems.
Hinsichtlich elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge stellen mögliche Ladeverfahren für derartige Kraftfahrzeuge eine große Herausforderung für die technische Entwicklung dar. Als eine Möglichkeit einer effizienten Aufladung von Elektrofahrzeugen haben sich sogenannte kontaktlose (oder auch induktive) Ladesysteme erwiesen. Ein derartiges Ladesystem ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2015 111 259 A1 beschrieben. Hierbei ist eine stationäre Bodeneinheit vorgesehen, die über eine Ladestation mit einer Steuereinheit mit einer Energiequelle verbunden ist. Ein Elektrofahrzeug kann nun über diese stationäre Bodeneinheit gefahren werden, damit eine Senderspule einen Ladevorgang mit einer Empfängerspule, die im Kraftfahrzeug angeordnet ist, starten kann. Die Empfängerspule im Kraftfahrzeug ist wieder über ein Strommanagementsystem mit zumindest einem Energiespeicher verbunden, der während des Ladevorgangs aufgeladen wird.
Um nun zu verhindern, dass sich während des Ladevorgangs Fremdobjekte, wie zum Beispiel Tiere, die verletzt werden können, oder andere Objekte die wiederum das Ladesystem beschädigen können, im Bereich der Bodeneinheit befinden, sind gemäß der DE 10 2015 111 259 A1 zwei Sensororgane vorgesehen, die diese Fremdobjekte erfassen können und gegebenenfalls die Steuereinheit derart ansteuern können, dass ein Ladevorgang nicht gestartet oder auch unterbrochen wird. Diese Sensoranordnung ist derart ausgestaltet, dass zumindest ein erster und ein zweiter Ultraschallsensor und mindestens ein Infrarotsensor vorgesehen sind. Diese Anordnung weist jedoch den großen Nachteil auf, dass lediglich sogenannte „eindimensionale Messungen“, wobei ein Sensor für das ausgesendete Signal ausschließlich der Empfänger ist, durchgeführt werden können, wobei Interferenzen der Sensoren untereinander zu vermeiden sind. Die offenbarte Sensoranordnung und der hiermit verbundene Steuerungsaufwand sind daher aufwendig und teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache aufgebaute und damit kostengünstigere Sensoranordnung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Sensororgane ausschließlich als Ultraschallsensoren ausgeführt sind, wobei ein Überwachungsmodus vorgegeben ist, in dem ein Ultraschallsensor eine Sendefunktion aufweist und die übrigen Ultraschallsensoren jeweils eine Empfangsfunktion aufweisen, wobei in diesem Überwachungsmodus die Sendefunktion sequentiell von unterschiedlichen Ultraschallsensoren wahrnehmbar ist. Hierbei kann jeder Ultraschallsensor als Sender und als Empfänger ausgeführt sein. Durch diesen einfachen Aufbau der Sensoranordnung werden mehrdimensionale Punktwolken-Messdaten erzeugt, wodurch eines oder mehrere Objekte detektierbar sind. Dadurch, dass ein Ultraschallsensor eine Sendefunktion aufweist und die übrigen Ultraschallsensoren jeweils eine Empfangsfunktion aufweisen, wobei in diesem Überwachungsmodus die Sendefunktion sequentiell von unterschiedlichen Ultraschallsensoren wahrnehmbar ist, dient jeweils ein Ultraschallsensor als Sender und die anderen Ultraschallsensoren werden im Empfangsmodus betrieben. Die Verteilung der Sende- bzw. Empfangsmodi können dann fortdauernd gewechselt werden, wodurch ein sequentielles Senden und Empfangen generiert wird. Hierdurch kann eine Matrix von Informationen generiert werden. Durch das sequentielle Senden und Empfangen kann darüber hinaus auch die Laufzeit der Entfernung zum Fremdobjekt berechnet werden. Des Weiteren sind Ultraschallsensoren sehr günstig am Markt zu erwerben und mit Ultraschallsensoren können auch stationäre Objekte erkannt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind eine gerade Anzahl von Ultraschallsensoren an der Bodeneinheit vorgesehen, die symmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei mindestens ein Ultraschallsensor an einer Vorderseite und mindestens ein Ultraschallsensor an einer Rückseite der Bodeneinheit vorgesehen ist, wobei die Vorderseite der Bodeneinheit zur Fahrzeugfront und die Rückseite zum Fahrzeugheck gerichtet ist. Hierdurch ist es auf besonders einfache Weise möglich, den gesamten Bereich der stationären Bodeneinheit zu überwachen.
Der Überwachungsmodus erzeugt anhand eines zu definierenden Sensordurchlaufes eine Referenzkarte, die in der Steuereinheit zu hinterlegen ist und mit nachfolgend im Überwachungsmodus zu erstellenden Umgebungskarten zu vergleichen ist. Da die auf zu ladenden Fahrzeuge unterschiedlich ausgeführt sein können und ein Echo-Profil der Ultraschallsensoren je nach Größe, Positionierung und Beladung des jeweiligen Fahrzeuges unterschiedlich ausbilden kann, kann vor Beginn des Ladevorganges die Referenzkarte der Umgebung erzeugt werden, um die Punkte fest zu legen, die zum Fahrzeug gehören. Im Überwachungsmodus können dann die zu erstellenden Umgebungskarten mit der Referenzkarte verglichen werden. Liegen die Punkte innerhalb einer festgelegten Toleranz, ist der Ladevorgang erlaubt, liegen Punkte außerhalb der in der Referenzkarte festgelegten Punktewolke, besteht die Option den Ladevorgang ab zu schalten.
Hierdurch ist es auch möglich besonders kleine Objekte zu detektieren, die an sich nicht detektiert würden, da keine permanent sichtbaren Reflexionen entstehen. Jedoch nimmt jedes Objekt in irgeneiner Form Einfluss auf das Schallfeld der „bestehenden“ Punkte der Referenzkarte. Ein Vergleich einer derartigen Umgebungskarte mit der Referenzkarte ermöglicht dann sogar das Detektieren kleiner Objekte.
Das Erzeugen von Umgebungskarten ist nicht zwingend erforderlich. Es ist auch möglich, dass aus der Referenzkarte bekannte Punkte bei der Überwachung ignoriert werden und lediglich „neue“ Punkte detektiert werden.
Dadurch, dass in einem Überwachungsmodus beliebig oder uniform lange Sendepulse vom jeweiligen Sender erzeugbar sind, ist es möglich, Lebendobjekte, wie Tiere, rechtzeitig zu detektieren und auf diese Weise zu schützen.
In vorteilhafter Weise weist die Steuereinheit Mittel auf, dass Signale der Sensoranordnung zur Positionsbestimmung und Positionierung des zu ladenden Kraftfahrzeuges zu nutzen sind. Hierdurch kann die Sensoranordnung dazu genutzt werden, das Fahrzeug hinsichtlich der Ladestation optimal zu positionieren. Insbesondere hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Steueranordnung Steuermittel aufweist, die eine Kommunikation der Sensoranordnung mit Ultraschallsensoren des Kraftfahrzeuges ermöglichen. Diese fahrzeugeigenen Ultraschallsensoren können beispielsweise über eine Funkverbindung aktiviert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Sensoranordnung mindestens einen Sensor auf, der im Bodenbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich die Positionierung des Fahrzeuges noch genauer aus zu führen. Darüber hinaus kann der „Beschallungsbereich“ der Sensoranordnung um bzw. auf der Bodeneinheit verbessert werden.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ladesystems gelöst, wobei

a. das Fahrzeug an der Ladestation über der stationären Bodeneinheit positioniert wird,
b. die Sensoranordnung einen Überwachungsmodus startet, wobei in einem ersten Sensordurchlauf eine Referenzkarte als Punktwolkenkarte erzeugt wird,
c. der Ladevorgang gestartet wird,
d. nachfolgend im Überwachungsmodus Umgebungskarten als Punktwolkenkarten erzeugt werden, die jeweils mit der Referenzkarte verglichen werden.

In besonders vorteilhafter Weise ist in der Steuereinheit eine Basiskarte hinterlegt, die mit der Referenzkarte verglichen wird, um Verschmutzungen oder Beschädigungen der Sensoranordnung zu identifizieren oder die der Kalibrierung der Sensoranordnung dient.
Auch ist es vorteilhaft, wenn im Schritt a. der Positionierungsvorgang des Kraftfahrzeuges durch eine Kommunikation der Steuereinheit mit Ultraschallsensoren des Kraftfahrzeuges unterstützt wird.
Dadurch, dass durch die Sensoranordnung beliebig oder uniform lange Sendepulse vom jeweiligen Sender erzeugt werden, können, wie bereits erwähnt, sich bewegende Objekte, wie zum Beispiel Wildtiere, rechtzeitig vor einer Gefährdung geschützt werden.
Nachfolgend wird anhand einer Zeichnung die Erfindung näher erläutert, hierbei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines kontaktlosen Ladesystems mit einem positionierten Fahrzeug, und
2 eine schematische Darstellung einer Bodeneinheit des Ladesystems aus 1 mit Ultraschallsensoren.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Kraftfahrzeug 2, das zum kontaktlosen Laden mit einem Ladesystem 4 in Wirkverbindung steht. Das Ladesystem 4 weist hierzu eine stationäre Bodeneinheit 6 auf, die über einen Versorgungsnetz 8 elektrisch mit einer Ladestation 10 verbunden ist. Für den Ladevorgang weist das Ladesystem 4 zudem noch eine nicht weiter einzeln dargestellte Steuereinheit und eine Energiequelle auf. Es ist natürlich durchaus möglich, dass in der Ladestation 10 eine Steuereinheit und ein Energiespeicher vorgesehen sind. Auch ist es denkbar, dass die Ladestation an ein AC-Netz angeschlossen ist. In der Bodeneinheit 6 ist eine Senderspule 12 vorgesehen, die während des Ladevorganges mit einer entsprechenden Empfängerspule 14 im Kraftfahrzeug 2 zusammenwirkt. Üblicherweise ist hierzu die Empfängerspule 14 im Bodenbereich 16 des Kraftfahrzeuges 2 angeordnet. Über einen Gleichrichter 18 und ein Strommanagementsystem 20 ist die Empfängerspule 14 zwecks Aufladung elektrisch mit einem Energiespeicher 22 verbunden.
Um nun Fremdobjekte, für die der Ladevorgang gefährlich ist, oder die das Ladesystem 4 beschädigen können, sicher detektieren zu können, ist eine Sensoranordnung 25 vorgesehen. Hierzu sind an einer Vorderseite 24 der Bodeneinheit 6 ein erster und ein zweiter Ultraschallsensor 26, 28 vorgesehen und an einer Rückseite 30 der Bodeneinheit ein dritter und ein vierter Ultraschallsensor 32, 34 vorgesehen. Zusätzlich weist das Kraftfahrzeug 2 im Bodenbereich 16 mindestens einen Ultraschallsensor 36 auf, der zur Sensoranordnung 25 zu zählen ist. Das Kraftfahrzeug 2 besitzt des Weiteren in einer Frontschürze 38 Ultraschallsensoren 40 mit denen die Ladestation 10 zwecks Positionierung Kontakt aufnehmen kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Ultraschallsensoren 26, 28, 32, 34, 36 sequentiell betrieben. Das heißt, dass zunächst der Ultraschallsensor 26 im Sendemodus betrieben wird und die Ultraschallsensoren 28, 32, 34, 36 im Empfangsmodus betrieben werden. Nach einer vorbestimmten Zeit wird dann der Ultraschallsensor 28 im Sendemodus betrieben und die Ultraschallsensoren 26, 32, 34, 36 im Empfangsmodus. Dieses sequentielle Senden und Empfangen wird für alle Ultraschallsensoren 26, 28, 32, 34, 36 fortgeführt, wodurch auf eine besonders kostengünstige und einfache Art und Weise Fremdobjekte, unabhängig von Fahrzeugteilen, zu detektieren sind.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ladesystems 4 kann nun wie nachfolgend beschrieben ablaufen: Zunächst wird das Kraftfahrzeug 2 so genau wie möglich an der Ladestation über der stationären Bodeneinheit positioniert. Hierzu werden die Ultraschallsensoren 26, 28, 32, 34 sowie Ultraschallsensoren 40, die in einer Frontschürze 38 des Kraftfahrzeuges 2 verbaut sind und die über eine Funkverbindung aktiviert sind, genutzt. Ein nicht weiter dargestelltes, mit der Ladestation 10 und der Steuereinheit verbundenes Display kann hierbei einem Fahrer die optimale Position anzeigen. Zusätzlich kann unter dem Kraftfahrzeug 2 auch noch ein Ultrschallsensor 36 vorgesehen sein, um die Positioniergenauigkeit beim Einfahren zu erhöhen.
Wenn das Kraftfahrzeug 2 über der Bodeneinheit 6 positioniert ist, startet die Sensoranordnung 25, die auch den unter dem Kraftfahrzeug 2 angeordneten Sensor 36 einschließt, vor dem eigentlichen Ladevorgang einen Überwachungsmodus, wobei in einem ersten Sensordurchlauf eine Referenzkarte als Punktwolkenkarte erzeugt wird. Dann wird der Ladevorgang gestartet und es werden im Überwachungsmodus Umgebungskarten als Punktwolkenkarten erzeugt, die jeweils mit der Referenzkarte verglichen werden. Hierbei werden auch beliebig oder uniform lange Sendepulse vom jeweiligen Sender erzeugt, um sich bewegende Objekte, wie zum Beispiel Wildtiere, rechtzeitig vor einer Gefährdung detektieren zu können. Bei Abweichungen zwischen der Referenzkarte und einer Umgebungskarte, die außerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches liegen, wird der Ladevorgang unterbrochen.
Um die Ladestation 10 kalibrieren zu können und gegebenenfalls Verschmutzungen zu erkennen, kann eine Basiskarte in der Steuereinheit hinterlegt sein, die dann mit der jeweiligen Referenzkarte verglichen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015111259 A1 [0002, 0003]

Claims

Ladesystem zum kontaktlosen Laden eines Kraftfahrzeuges, wobei eine stationäre Bodeneinheit (6) vorgesehen ist, die über eine Ladestation (10) mit einer Steuereinheit mit einer Energiequelle verbunden ist und die eine Senderspule (12) aufweist, die zur kontaktlosen Energieübertragung in einem Ladevorgang mit einer Empfängerspule (14) zusammenwirkt, wobei die Empfängerspule (14), die im Bodenbereich (16) des Kraftfahrzeuges (2) angeordnet ist, über ein Strommanagementsystem (20) mit zumindest einem Energiespeicher (22) verbunden ist, wobei eine Sensoranordnung (25) vorgesehen ist, die zumindest zwei Sensororgane (26, 28, 32, 34, 36) in einer stationären Bodeneinheit (6) aufweist, die sowohl eine Sende- als auch eine Empfangsfunktion für Sendesignale aufweisen, derart, dass ein Ladevorgang unterbrechbar ist, wenn ein Fremdobjekt detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensororgane (26, 28, 32, 34, 36) ausschließlich als Ultraschallsensoren ausgeführt sind, wobei ein Überwachungsmodus vorgegeben ist, in dem ein Ultraschallsensor (26, 28, 32, 34, 36) eine Sendefunktion aufweist und die übrigen Ultraschallsensoren (26, 28, 32, 34, 36) jeweils eine Empfangsfunktion aufweisen, wobei in diesem Überwachungsmodus die Sendefunktion sequentiell von unterschiedlichen Ultraschallsensoren (26, 28, 32, 34, 36) wahrnehmbar ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Ultraschallsensoren (26, 28, 32, 34) an der Bodeneinheit (6) vorgesehen sind, die symmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei mindestens ein Ultraschallsensor (26, 28) an einer Vorderseite (24) und mindestens ein Ultraschallsensor (32, 34) an einer Rückseite (30) der Bodeneinheit (6) vorgesehen ist, wobei die Vorderseite (24) der Bodeneinheit (6) zur Fahrzeugfront und die Rückseite (30) zum Fahrzeugheck gerichtet ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsmodus anhand eines zu definierenden Sensordurchlaufes eine Referenzkarte erzeugt, die in der Steuereinheit zu hinterlegen ist und mit nachfolgend im Überwachungsmodus zu erstellenden Umgebungskarten zu vergleichen ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überwachungsmodus beliebig oder uniform lange Sendepulse vom jeweiligen Sender (26, 28, 32, 34, 36) erzeugbar sind.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Mittel aufweist, dass Signale der Sensoranordnung zur Positionsbestimmung und Positionierung des zu ladenden Kraftfahrzeuges zu nutzen sind.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Steuermittel aufweist, die eine Kommunikation der Sensoranordnung mit Ultraschallsensoren (40) des Kraftfahrzeuges (2) ermöglichen.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (25) mindestens einen Sensor (36) aufweist, der im Bodenbereich (16) des Kraftfahrzeuges (2) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Ladesystem nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Kraftfahrzeug (2) an der Ladestation (10) über der staionären Bodeneinheit (6) positioniert wird, b. die Sensoranordnung (25) einen Überwachungsmodus startet, wobei in einem ersten Sensordurchlauf eine Referenzkarte als Punktwolkenkarte erzeugt wird, c. der Ladevorgang gestartet wird, d. nachfolgend im Überwachungsmodus Umgebungskarten als Punktwolkenkarten erzeugt werden, die jeweils mit der Referenzkarte verglichen werden.
Verfahren zum Betreiben eines Ladesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit eine Basiskarte hinterlegt ist, die mit der Referenzkarte verglichen wird, um Verschmutzungen oder Beschädigungen der Sensoranordnung (25) zu identifizieren oder die der Kalibrierung der Sensoranordnung (25) dient.
Verfahren zum Betreiben eines Ladesystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a. der Positionierungsvorgang des Kraftfahrzeuges (2) durch eine Kommunikation der Steuereinheit mit Ultraschallsensoren (40) des Kraftfahrzeuges (2) unterstützt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Ladesystem nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensoranordnung (25) beliebig oder uniform lange Sendepulse vom jeweiligen Sender (26, 28, 32, 34, 36) erzeugt werden, um sich bewegende Objekte, wie zum Beispiel Wildtiere, rechtzeitig vor einer Gefährdung detektieren zu können.