DE102018219403A1

DE102018219403A1 - Verfahren zum Betreiben eines induktiven Ladesystems

Info

Publication number: DE102018219403A1
Application number: DE102018219403.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Blum; Philipp Schumann; Moritz Braeuchle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-14
Also published as: WO2020099204A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Ladesystems (1), mit zumindest einem Kraftfahrzeug (2) und zumindest einer Ladestation (3), wobei das Kraftfahrzeug (2) zumindest eine Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestation (3) zumindest eine Ladestationspule (7) aufweist, und wobei die Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestationspule (7) jeweils als Primärspule und/oder Sekundärspule dazu ausgebildet sind, berührungslos elektrische Energie zu übertragen, mit den Schritten:
a) Bestromen einer der Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes,
b) Erfassen einer durch das magnetische Feld in die andere der Spulen induzierten elektrischen Spannung,
c) Ermitteln einer Position des Kraftfahrzeugs (2) relativ zu der Ladestation (3) in Abhängigkeit der induzierten Spannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Ladesystems, mit zumindest einem Kraftfahrzeug und zumindest einer Ladestation, wobei das Kraftfahrzeug zumindest eine Kraftfahrzeugspule und die Ladestation zumindest eine Ladestationspule aufweist, und wobei die Kraftfahrzeugspule und die Ladestationspule jeweils als Primärspule und/oder Sekundärspule dazu ausgebildet sind, berührungslos elektrische Energie zu übertragen, mit den Schritten:

a) Bestromen einer der Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes;
b) Erfassen einer durch das magnetische Feld in die andere der Spulen induzierten elektrischen Spannung;
c) Ermitteln einer Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation in Abhängigkeit der induzierten Spannung.

Ferner betrifft die Erfindung ein induktives Ladesystem.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Kraftfahrzeugantrieb (Elektrofahrzeug) oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor (Hybridfahrzeug), beispielsweise einer Brennkraftmaschine, zu verwenden. In derartigen Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden typischerweise elektrische Maschinen als Antriebsmotor verwendet, die durch einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator, mit elektrischer Energie versorgt werden oder versorgbar sind, wobei die elektrischen Energiespeicher regelmäßig je nach Ladezustand aufgeladen werden. Dabei dient üblicherweise eine Ladestation dazu, das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen, indem durch die Ladestation der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs aufgeladen wird. Zur Gewährleistung einer berührungslosen oder induktiven Energieübertragung ist es ferner allgemein bekannt, die Ladestation mit einer Ladestationspule und das Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugspule zu versehen. Dabei ist es bekannt, die als Primärspule oder Sendespule ausgebildete Ladestationspule zur Erzeugung des magnetischen Felds zu bestromen, wobei das erzeugte magnetische Feld in der als Sekundärspule oder Empfängerspule ausgebildeten Kraftfahrzeugspule eine elektrische Spannung induziert und durch die induzierte elektrische Spannung der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs aufgeladen wird. Zur Ermittlung einer Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation ist es darüber hinaus bekannt, durch die Ladestationspule ein magnetisches Feld zu erzeugen, die durch das magnetische Feld in der Kraftfahrzeugspule induzierte Spannung zu erfassen und in Abhängigkeit der induzierten Spannung die Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass außerdem folgende Schritte durchgeführt werden: d) Betreiben der Kraftfahrzeugspule als Primärspule zur Erzeugung des magnetischen Feldes, wobei die durch das magnetische Feld in die Ladestationspule induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird, und/oder e) Versehen des Kraftfahrzeugs mit zumindest einer Kraftfahrzeugsensorspule, wobei die Ladestationspule als Primärspule zur Erzeugung des magnetischen Feldes betrieben wird, und wobei die durch das magnetische Feld in die zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird. Durch die Durchführung zumindest einer der Schritte d) oder e) ergibt sich der Vorteil, dass die Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation besonders effizient und genau ermittelt wird. Das Betreiben der insbesondere an einem Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordneten Kraftfahrzeugspule als Primärspule gemäß Schritt d) gewährleistet, dass im Vergleich zum Betreiben der Ladestationspule als Primärspule ein magnetisches Feld mit höherer Feldstärke und damit mit größerer Reichweite erzeugbar ist. Dies gewährleistet eine besonders frühzeitige und zuverlässige Ermittelbarkeit der Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation. Insbesondere kann damit bei Bedarf ein besonders effizienter und genauer Positioniervorgang zum Positionieren des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation durchgeführt werden. Zudem wird die größere Reichweite allein durch die Kraftfahrzeugspule bewirkt, so dass weitere magnetfelderzeugende Elemente am Kraftfahrzeug nicht notwendig sind. Dies spart insbesondere Kosten und Material. Die insbesondere an dem Unterboden angeordnete Kraftfahrzeugspule ist im Vergleich zu der Ladestationspule insbesondere deshalb mit einer höheren Feldstärke betreibbar, da im Gegensatz zu der üblicherweise in einer öffentlich zugänglichen Fahrbahnoberfläche angeordneten Ladestationspule die am Unterboden angeordnete Kraftfahrzeugspule im Wesentlichen nicht öffentlich oder direkt zugänglich ist. Dadurch ist durch die Kraftfahrzeugspule im Vergleich zu der Ladestationspule ein magnetisches Feld mit einer höheren Feldstärke erzeugbar, ohne dass dabei vorgegebene Grenzwerte, insbesondere der ICNIRP (International Commission on Nonlonizing Radiation Protection)-Standard, verletzt werden. Zusätzlich oder alternativ ergibt sich durch den Schritt e) der Vorteil, dass durch die zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule, insbesondere mehrere Kraftfahrzeugsensorspulen, die Ermittlung der Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation besonders genau erfolgt. Weiterhin ist hierbei von Vorteil, dass die Kraftfahrzeugspule nicht zur Ermittlung der Position verwendet wird, so dass durch die Kraftfahrzeugspule bei Bedarf ebenfalls ein magnetisches Feld erzeugbar ist, insbesondere zur Unterstützung der Positionsermittlung. Vorzugsweise sind die Schritte d) und e) kombinierbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Ladestationspule zumindest eine Ladestationsensorspule zugeordnet wird, wobei die durch das magnetische Feld in die Ladestationsensorspule induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass die Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation noch genauer ermittelt wird. Insbesondere wird hierbei durch das magnetische Feld in zumindest zwei Spulen, also der Ladestationspule und der zumindest einen Ladestationsensorspule, eine Spannung induziert. Damit vergrößert sich auf vorteilhafte Weise eine Datenmenge zur Ermittlung der Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation. Vorzugsweise werden der Ladestationspule mehrere Ladestationsensorspulen zugeordnet.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zusätzlich die durch das magnetische Feld in die Kraftfahrzeugspule induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird. Auch hierbei ergibt sich der Vorteil, dass die Position noch genauer ermittelt wird. Insbesondere wird hierbei durch das magnetische Feld in zumindest zwei Spulen, also der Kraftfahrzeugspule und der zumindest einen Kraftfahrzeugsensorspule, eine Spannung induziert. Damit vergrößert sich auf vorteilhafte Weise eine Datenmenge zur Ermittlung der Position des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zum Ermitteln der Position die erfasste induzierte elektrische Spannung mit einer vorgebbaren Soll-Induktionsspannung verglichen wird, wobei in Abhängigkeit einer durch den Vergleich ermittelten Abweichung zwischen der induzierten Spannung und der vorgebbaren Soll-Induktionsspannung die Position ermittelt wird. Der Vorteil hierbei ist, dass auf besonders einfache Art und Weise die Position oder ein Abstand des Kraftfahrzeugs relativ zu der Ladestation ermittelt wird. Insbesondere wird hierbei die Position der jeweiligen das magnetische Feld erzeugenden Spule, insbesondere der Kraftfahrzeugspule und/oder der Ladestationspule, relativ zu der jeweiligen Spule, in die durch das erzeugte magnetische Feld eine elektrische Spannung induziert wird, besonders genau ermittelt. Vorzugsweise wird jede der erfassten induzierten Spannungen mit der Soll-Induktionsspannung verglichen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die vorgebbare Soll-Induktionsspannung einer maximal übertragbaren Induktionsspannung entspricht. Alternativ oder zusätzlich wird zur Positionsermittlung jeweils ein Koppelfaktor für eine jeweilige das magnetische Feld erzeugende oder sendende Spule und eine jeweilige das magnetische Feld empfangende Spule berechnet.
Vorzugweise wird die ermittelte Position des Kraftfahrzeugs auf das Erreichen einer Zielposition überwacht, wobei dann, wenn die ermittelte Abweichung kleiner ist als eine vorgebbare Abweichung, auf das Erreichen der Zielposition erkannt wird. Der Vorteil hierbei ist, dass besonders genau erfasst wird, ob das Kraftfahrzeug relativ zu der Ladestation optimal positioniert ist. Eine optimale Positionierung gewährleistet, dass ein besonders effizienter Lade- oder Entladevorgang, insbesondere mit einer maximal übertragbaren Induktionsspannung, durchführbar ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zur Positionierung des Kraftfahrzeugs in die Zielposition des Kraftfahrzeugs angesteuert wird. Der Vorteil hierbei ist, dass das Kraftfahrzeug selbstständig und mit hoher Genauigkeit in die Zielposition gebracht wird. Vorzugsweise wird das Kraftfahrzeug derart angesteuert, dass in Folge der Positionierung die Kraftfahrzeugspule zumindest im Wesentlichen direkt oberhalb der Ladestationspule positioniert oder angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, zur Positionierung des Kraftfahrzeugs in die Zielposition einem Fahrer des Kraftfahrzeugs eine Fahrempfehlung zum Erreichen der Zielposition zu übermitteln, beispielsweise durch eine Anzeige der Fahrempfehlung auf einem Bildschirm einer Instrumententafel des Kraftfahrzeugs.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine jeweilige das magnetische Feld erzeugende Spule zur Erzeugung des magnetischen Felds mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt wird, wobei sich die Frequenz des Wechselstroms für den Positioniervorgang von der Frequenz während eines Ladevorgangs unterscheidet, insbesondere größer gewählt wird. Der Vorteil hierbei ist, dass ein Betrieb der Primärspule zur Positionsermittlung von einem Betrieb der Primärspule zur Energieübertragung unterscheidbar ist. Vorzugsweise wird die Frequenz mit abnehmendem Abstand der Primärspule, beispielsweise der Kraftfahrzeugspule, zu der das magnetische Feld empfangenden Spule, beispielsweise der Ladestationspule, verringert. Vorzugsweise ist die Frequenz des Wechselstroms für den Positioniervorgang dann, wenn das Kraftfahrzeug die Zielposition erreicht hat, gleich der Frequenz des Ladevorgangs. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass durch die größer gewählte Frequenz ein magnetisches Streufeld reduziert wird.
Das induktive Ladesystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass die Kraftfahrzeugspule als Primärspule ausgebildet ist, wobei das Kraftfahrzeug zumindest eine elektrische Energieversorgungseinrichtung zum Bestromen der Kraftfahrzeugspule aufweist, und/oder dass das Kraftfahrzeug zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule aufweist, und dass die Ladestationspule als Primärspule ausgebildet ist. Es ergeben sich hierbei insbesondere die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Unteransprüchen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kraftfahrzeugspule und die zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule, insbesondere mehrere Kraftfahrzeugsensorspulen, hintereinander und beabstandet zueinander angeordnet sind. „Hintereinander“ bedeutet hierbei, dass die Kraftfahrzeugspule und die zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule, insbesondere mehrere Kraftfahrzeugsensorspulen, in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. „Beabstandet“ bedeutet hierbei, dass die Kraftfahrzeugspule zu der zumindest einen Kraftfahrzeugsensorspule, insbesondere zu jeder der jeweiligen Kraftfahrzeugsensorspulen, einen vorgebbaren Abstand aufweist.
Vorzugsweise ist der Ladestationspule zumindest eine Ladestationsensorspule zugeordnet. Hierbei ergeben sich die bereits genannten Vorteile.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das induktive Ladesystem ein Steuergerät aufweist, das dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen. Es ergeben sich hierbei die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 ein induktives Ladesystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung,
2 das induktive Ladesystem in einer vereinfachten Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
3 ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben des induktiven Ladesystems.

1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines induktiven Ladesystems 1, mit zumindest einem Kraftfahrzeug 2, insbesondere einem Elektrokraftfahrzeug, und mit zumindest einer Ladestation 3.
Das Kraftfahrzeug 2 weist einen hier nicht näher dargestellten Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine 4 sowie eine mit der elektrischen Maschine 4 verbundene Energiespeichereinheit 5 auf, die dazu ausgebildet, die elektrische Maschine 4 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Energiespeichereinheit 5 ist insbesondere ein Akkumulator oder eine Batterie.
Weiterhin weist das Kraftfahrzeug 2 zumindest eine mit der Energiespeichereinheit 5 verbundene Kraftfahrzeugspule 6 und die Ladestation 3 zumindest eine Ladestationspule 7 auf. Die Kraftfahrzeugspule 6 und die Ladestationspule 7 sind jeweils als Primärspule und/oder Sekundärspule dazu ausgebildet, berührungslos Energie zu übertragen.
Die Kraftfahrzeugspule 6 ist vorliegend an einem Unterboden 8 des Kraftfahrzeugs 2 angeordnet. Die Ladestationspule 7 ist in einer von dem Kraftfahrzeug 2 befahrenen Fahrbahn 9 angeordnet. Der Ladestationspule 7 sind vorliegend drei Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 zugeordnet. Alternativ sind der Ladestationsspule 7 eine oder zwei oder mehr als drei Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 zugeordnet. Die Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 sind relativ zu der Ladestationspule 7 beliebig angeordnet oder anordenbar. Vorzugsweise bilden die Ladestationspule 7 und die Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 eine Ladestationsensoreinheit 13. Die Ladestationspule 7 ist mit einer Energieversorgungseinheit 14, insbesondere einem externen Stromnetz, verbunden oder verbindbar.
Die Kraftfahrzeugspule 6 ist vorliegend als Primärspule zur Erzeugung eines hier nicht näher dargestellten magnetischen Feldes ausgebildet, wobei zur Erzeugung des magnetischen Feldes die Kraftfahrzeugspule 6 durch die Energiespeichereinheit 5 mit elektrischer Energie versorgt oder bestromt wird.
Vorliegend wird ein magnetisches Feld mit hoher Feldstärke erzeugt, so dass ein besonders großer Bereich unterhalb des Kraftfahrzeugs 2 oder ein besonders großer Unterbodenbereich durch das magnetische Feld abgedeckt oder erfasst wird. Vorzugsweise wird die Feldstärke derart gewählt oder eingestellt, dass die Feldstärke in Bereichen jenseits des Unterbodens 8, insbesondere in Bereichen einer öffentlich oder direkt zugänglichen Fahrzeugaußenkarosserie, unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes, insbesondere des ICNIRP-Standards, liegt. Zur Außenkarosserie gehören vorliegend Außenkarosseriekomponenten wie beispielsweise eine hier nicht näher dargestellte Kraftfahrzeugtür oder auch eine Front- und/oder Heckstoßstange.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durchdringt das magnetische Feld die Ladestationspule 7 und jede drei Ladestationsensorspulen 10, 11, 12. Dabei wird eine elektrische Spannung sowohl in die Ladestationspule 7 als auch in die Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 induziert und die induzierte elektrische Spannung erfasst. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Kraftfahrzeug 2 ein Steuergerät 15 auf, wobei Informationen über die jeweiligen induzierten Spannungen, insbesondere einzelne Spannungswerte, vorzugsweise drahtlos, beispielsweise mittels Funk, durch eine hier nicht näher dargestellte geeignete Übertragungseinheit von der Ladestation 3 an das Steuergerät 15 übermittelt werden. In Abhängigkeit der an das Steuergerät 15 übermittelten oder erfassten induzierten Spannungen oder Spannungswerte ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Steuergerät 15 das Kraftfahrzeug 2, insbesondere eine Lenkeinrichtung 22 und/oder die elektrische Maschine 4, zum selbstständigen Positionieren des Kraftfahrzeug 2 relativ zu der Ladestation 3 ansteuert. Vorzugweise weist das Steuergerät 15 zum Ermitteln der Position des Kraftfahrzeugs 2 relativ zu der Ladestation 3 eine Recheneinheit mit einem Algorithmus auf.
Alternativ oder zusätzlich ist das Steuergerät 15 dazu ausgebildet, das durch die Kraftfahrzeugspule 6 erzeugte primäre magnetische Feld auf eine Änderung oder Beeinflussung insbesondere durch ein in der Ladestationspule 7 und/oder die Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 infolge der jeweiligen induzierten Spannung erzeugtes sekundäres magnetisches Feld zu überwachen. Die Ansteuerung des Kraftfahrzeugs 2 erfolgt dann bevorzugt auf Basis einer erfassten Änderung des primären magnetischen Feldes.
Alternativ oder zusätzlich weist die Ladestation 3 das Steuergerät 15 auf, wobei das Steuergerät 15 dann vorzugsweise dazu ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug 2 insbesondere drahtlos anzusteuern.
Optional ist das Steuergerät 15 in eine Leistungselektronik zumindest einer der Komponenten des induktiven Ladesystems 1 integriert ausgebildet. Vorzugsweise wird der Impuls oder das Signal zur Erzeugung des magnetischen Feldes durch eine Leistungselektronik der Kraftfahrzeugspule 6 oder des Kraftfahrzeugs 2 erzeugt. Bei einem rein passiven Fahrzeuggleichrichter wird hierzu zusätzliche Hardware benötigt. Vorliegend sind jedoch keine zusätzlichen Hardware-Komponenten erforderlich, insbesondere da die Fahrzeugleistungselektronik identisch zu einer Bodenleistungselektronik ist.
Vorzugsweise sind die Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 als Metallobjektsensorspulen ausgebildet. Diese sind vorzugsweise in einer Matrixanwendung in die Ladestation 3 oder Ladestationsensoreinheit 13 integriert.
Optional weist das Kraftfahrzeug 2 zusätzlich zumindest eine Brennkraftmaschine in dem Antriebsstrang auf.
Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug 2 autonom oder zumindest teilautonom betreibbar.
2 zeigt das induktive Ladesystem 1 in einer vereinfachten Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der 1 weist vorliegend das Kraftfahrzeug 2 zusätzlich zu der Kraftfahrzeugspule 6 mehrere Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24 auf. Zudem ist im Unterschied zu der 1 die hier nicht dargestellte Ladestationspule 3 als Primärspule zur Erzeugung des magnetischen Feldes ausgebildet. Zusätzliche Ladestationsensorspulen 10, 11, 12 sind vorliegend lediglich optional vorgesehen.
Die Kraftfahrzeugsensorspulen 16, 17, 18 bilden vorliegend eine erste Kraftfahrzeugsensorspulengruppe 25, die Kraftfahrzeugsensorspulen 19, 20, 21 eine zweite Kraftfahrzeugsensorspulengruppe 26 und die Kraftfahrzeugsensorspulen 22, 23, 24 eine dritte Kraftfahrzeugsensorspulengruppe 27. Dabei sind die Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24 einer jeweiligen Kraftfahrzeugsensorspulengruppe 25 - 27 jeweils in einer Reihe hintereinander und jeweils mit einem vorgebbaren Abstand zueinander angeordnet.
Die Kraftfahrzeugsensorspulengruppen 25 - 27 sind beliebig anordenbar. Vorliegend sind die jeweiligen Kraftfahrzeugsensorspulengruppen 25 - 27, vorzugsweise ausgehend von der Kraftfahrzeugspule 6, sternförmig versetzt in einem vorgebbaren Winkelabstand zueinander angeordnet. Die Anordnung gewährleistet ein besonders genaues Positionieren des Kraftfahrzeugs 2 relativ zu der Ladestation 3. Vorzugsweise ist zumindest eine der Kraftfahrzeugsensorspulengruppen 25 in Richtung einer Fahrzeuglängsachse des Kraftfahrzeugs 2 ausgerichtet.
In die Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24 wird durch das durch die Ladestationspule 3 erzeugte magnetische Feld jeweils eine elektrische Spannung induziert. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist das Kraftfahrzeug 2 das Steuergerät 15 auf, wobei das Steuergerät 15 jede der induzierten Spannungen erfasst, in Abhängigkeit der induzierten Spannungen die Position des Kraftfahrzeugs 2 relativ zu der Ladestation 3 ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Position das Kraftfahrzeug 2 insbesondere zum selbstständigen Positionieren ansteuert. Die Auswertung der von den Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24 erfassten induzierten Spannungen erfolgt vorzugsweise durch eine Auswertung der jeweiligen erfassten Spannungsintensitäten oder einer Pegelauswertung.
Vorzugsweise ist eine jeweilige Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 durch eine einfache Wicklung, insbesondere durch Folientechnik, mit hoher mechanischer Toleranz ausgeführt oder ausgebildet. Dadurch wird eine günstige und robuste Herstellung oder Umsetzung einer jeweiligen Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 auf einfache Art und Weise ermöglicht. Vorzugsweise sind die Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24 in einer insbesondere auf Kunststoff gefertigten Verkleidung des Unterbodens 8 des Kraftfahrzeugs 2 angeordnet. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kraftfahrzeugspule 6 unabhängig von den Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 ist, so dass durch die Kraftfahrzeugspule 6 bei Bedarf ein magnetisches Feld erzeugbar ist. Alternativ wird auch in der Kraftfahrzeugspule 6 eine elektrische Spannung induziert und diese Spannung durch das Steuergerät 15 erfasst.
Optional sind beliebig viele Kraftfahrzeugsensorspulen 16 - 24, insbesondere nur eine Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24, und beliebig viele Kraftfahrzeugsensorspulengruppen 25 - 27, insbesondere nur eine Kraftfahrzeugsensorspulengruppe 25 - 27, vorgesehen.
3 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des induktiven Ladesystems 1. Das Verfahren wird vorzugsweise durch das Steuergerät 15 durchgeführt.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Positioniermodus aktiviert zur Durchführung eines Positioniervorganges des Kraftfahrzeugs 2 relativ zu der Ladestation 3. Der Positioniermodus wird insbesondere durch eine Vorgabe eines Fahrers des Kraftfahrzeugs 2 aktiviert, beispielsweise durch Betätigung einer Aktivierungstaste. Alternativ erfolgt die Aktivierung automatisch, beispielsweise bei Erreichen eines vorgebbaren, insbesondere sensorisch erfassten, Abstandes des Kraftfahrzeug 2 zu der Ladestation 3. Vorzugsweise wird durch die Aktivierung des Positioniermodus gleichzeitig ein autonomer Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 2 aktiviert.
In einem zweiten Schritt S2 wird in Folge der Aktivierung des Positioniervorgangs die Kraftfahrzeugspule 6 als Primärspule zur Erzeugung des magnetischen Feldes betrieben. Dazu wird die Kraftfahrzeugspule 6 durch die Energieversorgungseinrichtung 14 bestromt. Dabei wird die Kraftfahrzeugspule 6 zur Erzeugung des magnetischen Felds mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt, wobei sich die Frequenz des Wechselstroms für den Positioniervorgang von der Frequenz während eines Ladevorgangs, insbesondere einer vorgebbaren Betriebsfrequenz, unterscheidet. Insbesondere wird die Frequenz des Wechselstroms für den Positioniervorgang größer gewählt als die vorgebbare Betriebsfrequenz. Alternativ oder zusätzlich wird die Ladestationspule 3 als Primärspule betrieben. Dazu wird die Ladestationspule 3 durch die Energieversorgungseinheit 14 bestromt. Auch hierbei wird die Ladestationspule 3 zur Erzeugung des magnetischen Felds vorzugsweise mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt.
In einem dritten Schritt S3 wird durch magnetische Feld, welches von der Kraftfahrzeugspule 6 erzeugt wird, in der Ladestationspule 3 eine elektrische Spannung induziert. Die induzierte Spannung wird zur Positionsermittlung insbesondere durch das Steuergerät 15 erfasst. Ist der Ladestationspule 3 zumindest eine Ladestationssensorspule 10, 11, 12 zugeordnet, so wird die durch das magnetische Feld in die jeweilige Ladestationsensorspule 10, 11, 12 induzierte elektrische Spannung ebenfalls zur Positionsermittlung erfasst. Alternativ oder zusätzlich erzeugt die Ladestationspule 3 ein magnetisches Feld, welches in der Kraftfahrzeugspule 6 eine elektrische Spannung induziert. Ist der Kraftfahrzeugspule 6 zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 zugeordnet, so wird auch in einer jeweiligen Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 eine elektrische Spannung induziert. Die jeweiligen dabei induzierten Spannungen werden insbesondere durch das Steuergerät 15 erfasst.
In einem vierten Schritt S4 wird zum Ermitteln der Position die erfasste induzierte elektrische Spannung mit einer vorgebbaren Soll-Induktionsspannung verglichen, wobei in Abhängigkeit einer durch den Vergleich ermittelten Abweichung zwischen der induzierten Spannung und der vorgebbaren Soll-Induktionsspannung die Position ermittelt wird. Vorzugsweise wird jede der erfassten induzierten Spannungen mit der Soll-Induktionsspannung verglichen und daraus die Position oder der Abstand ermittelt. Aus den einzelnen Positionen oder Abständen wird dann vorzugsweise durch Lateration ein Abstand zwischen der sendenden Spule, beispielsweise der Kraftfahrzeugspule 6, und der empfangenden Spule, beispielsweise der Ladestationspule 3, berechnet. Die Soll-Induktionsspannung ist vorzugsweise in dem Steuergerät 15 hinterlegt oder abgespeichert.
In einem fünften Schritt S5 wird die ermittelte Position des Kraftfahrzeugs 2 auf das Erreichen einer Zielposition überwacht, wobei dann, wenn die ermittelte Abweichung kleiner ist als eine vorgebbare Abweichung, auf das Erreichen der Zielposition erkannt wird. Vorzugsweise wird das Kraftfahrzeug 2 derart angesteuert, dass in Folge der Positionierung die Kraftfahrzeugspule 6 zumindest im Wesentlichen direkt oberhalb der Ladestationspule 3 positioniert ist. Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug 2 zumindest eine Sensoreinheit auf, beispielsweise einen Ultraschallsensor, Radarsensor und/oder einen optischen Sensor, der eine Umgebung des Kraftfahrzeugs 2 erfasst. Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug 2 weiterhin eine Kontrolleinheit auf, die während einer autonomen Positionierung die erfasste Umgebung auf Hindernisse überwacht und die Positionierung bei Erkennen eines Hindernisses beendet oder eine Umfahrung des Hindernisses einleitet.
Alternativ zur Ermittlung der Position durch einen Vergleich der erfassten induzierten Spannung mit der Soll-Induktionsspannung ist vorgesehen, die Position durch Berechnung zumindest eines Koppelfaktors zu ermitteln. Ist das erzeugte Signal oder magnetische Feld, insbesondere eine Spannung zum Betreiben der das magnetische Feld erzeugenden Primärspule, sowie das empfangene Signal oder magnetische Feld, insbesondere eine in eine empfangende Spule induzierte Spannung, bekannt, kann daraus der Koppelfaktor zwischen der sendenden und der empfangenden Spule berechnet werden. Sind zudem die Geometrien der jeweiligen sendenden und empfangenden Spule bekannt, kann mittels des Koppelfaktors der Abstand zwischen der sendenden Spule und der empfangenden Spule berechnet oder geschätzt werden. Wird das Signal, insbesondere das durch die Kraftfahrzeugspule 6 erzeugte magnetische Feld, von mindestens zwei räumlich getrennten empfangenden Spulen, insbesondere der Ladestationspule 7 und zumindest einer Ladestationsensorspule 10, 11, 12, empfangen, ist es optional vorgesehen, dass in Abhängigkeit des empfangenen Signals für jede der empfangenden Spulen ein Koppelfaktor berechnet und daraus der Abstand, insbesondere der Kraftfahrzeugspule 6 zu der Ladestationspule 7 und der Kraftfahrzeugspule 6 zu der Ladestationssensorspule 10, 11, 12, berechnet wird. Aus den einzelnen Abständen wird dann vorzugsweise durch Lateration ein Abstand insbesondere in x- und y- Richtung zwischen insbesondere der Kraftfahrzeugspule 6 und der Ladestationspule 7 berechnet oder ermittelt. Alternativ werden drei oder mehr empfangende Spulen, insbesondere die Ladestationspule 7 und zumindest zwei Ladestationsensorspulen 10, 11, 12, verwendet. In Abhängigkeit der durch die drei empfangenden Spulen jeweils empfangenen Signale wird dann durch Lateration ein Abstand insbesondere in x-, y- und z- Richtung zwischen insbesondere der Kraftfahrzeugspule 6 und der Ladestationspule 7 berechnet oder ermittelt. Dadurch wird die Positionsbestimmung durch das induktive Ladesystem 1 unabhängig von einer Fahrzeugbodenfreiheit oder einer Fahrzeugbeladung. Für die Berechnung des Koppelfaktors werden insbesondere Komponenten des induktiven Ladesystems 1 verwendet, welche auch für eine Leistungsübertragung verwendet werden.
Durch die Verwendung der Kraftfahrzeugspule 6 als Primärspule ergibt sich der Vorteil, dass die Reichweite des Positioniersignals erhöht wird. Dadurch, dass die Kraftfahrzeugspule 6 nicht direkt zugänglich ist, kann ein stärkeres Positioniersignal ausgesendet werden, ohne dabei Grenzwerte zu verletzen. Zwar gelten vorgegebene Grenzwerte, insbesondere der ICNIRP-Standard, auch für die als Primärspule betriebene Kraftfahrzeugspule 6, jedoch erst ab einer Silhouette oder Außenkarosserie des Kraftfahrzeugs 2. Dadurch kann eine Systemreichweite um mindestens die Abmaße des Kraftfahrzeugs 2 vergrößert werden. Durch die Verwendung von zusätzlich zumindest einer Ladestationsensorspule 10, 11, 12 ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere durch Lateration eine noch genauere Positionsermittlung und/oder Positionierung des Kraftfahrzeugs 2 erfolgen kann. Die Verwendung von zumindest einer Kraftfahrzeugsensorspule 16 - 24 hat den Vorteil einer noch genaueren Positionsermittlung mit größerer Erfassungsreichweite.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines induktiven Ladesystems (1), mit zumindest einem Kraftfahrzeug (2) und zumindest einer Ladestation (3), wobei das Kraftfahrzeug (2) zumindest eine Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestation (3) zumindest eine Ladestationspule (7) aufweist, und wobei die Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestationspule (7) jeweils als Primärspule und/oder Sekundärspule dazu ausgebildet sind, berührungslos elektrische Energie zu übertragen, mit den Schritten: a) Bestromen einer der Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, b) Erfassen einer durch das magnetische Feld in die andere der Spulen induzierten elektrischen Spannung, c) Ermitteln einer Position des Kraftfahrzeugs (2) relativ zu der Ladestation (3) in Abhängigkeit der induzierten Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem folgende Schritte durchgeführt werden: d) Betreiben der Kraftfahrzeugspule (6) als Primärspule zur Erzeugung des magnetisches Feldes, wobei die durch das magnetische Feld in die Ladestationspule (7) induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird, und/oder e) Versehen des Kraftfahrzeugs (2) mit zumindest einer Kraftfahrzeugsensorspule (16 - 24), wobei die Ladestationspule (7) als Primärspule zur Erzeugung des magnetischen Feldes betrieben wird, und wobei die durch das magnetische Feld in die zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule (16 - 24) induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestationspule (7) zumindest eine Ladestationsensorspule (10, 11, 12) zugeordnet wird, wobei die durch das magnetische Feld in die Ladestationsensorspule (10, 11, 12) induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die durch das magnetische Feld in die Kraftfahrzeugspule (6) induzierte elektrische Spannung zur Positionsermittlung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Position die erfasste elektrische Spannung mit einer vorgebbaren Soll-Induktionsspannung verglichen wird, wobei in Abhängigkeit einer durch den Vergleich ermittelten Abweichung zwischen der induzierten Spannung und der vorgebbaren Soll-Induktionsspannung die Position ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Position des Kraftfahrzeugs (2) auf das Erreichen einer Zielposition überwacht wird, wobei dann, wenn die ermittelte Abweichung kleiner ist als eine vorgebbare Abweichung, auf das Erreichen der Zielposition erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung des Kraftfahrzeugs (2) in die Zielposition des Kraftfahrzeugs (2) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige das magnetische Feld erzeugende Spule zur Erzeugung des magnetischen Felds mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt wird, wobei sich die Frequenz des Wechselstroms für den Positioniervorgang von der Frequenz während eines Ladevorgangs unterscheidet, insbesondere größer gewählt wird.
Induktives Ladesystem (1), mit zumindest einem Kraftfahrzeug (2) und zumindest einer Ladestation (3), wobei das Kraftfahrzeug (2) zumindest eine Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestation (3) zumindest eine Ladestationspule (7) aufweist, und wobei die Kraftfahrzeugspule (6) und die Ladestationspule (7) jeweils als Primärspule und/oder Sekundärspule dazu ausgebildet sind, berührungslos Energie zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftfahrzeugspule (6) als Primärspule ausgebildet ist, wobei das Kraftfahrzeug (2) zumindest eine elektrische Energieversorgungseinrichtung (14) zum Bestromen der Kraftfahrzeugspule (6) aufweist, und/oder dass das Kraftfahrzeug (2) zumindest eine Kraftfahrzeugsensorspule (16 - 24) aufweist, wobei die Ladestationspule (7) als Primärspule ausgebildet ist.
Induktives Ladesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestationspule (7) zumindest eine Ladestationsensorspule (10, 11, 12) zugeordnet ist.
Induktives Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (15), das dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.