DE102018220755A1

DE102018220755A1 - Verfahren zur optimalen Positionierung eines Fahrzeugs während eines induktiven Ladevorgangs

Info

Publication number: DE102018220755A1
Application number: DE102018220755.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Neubauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Positionierung eines motorbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens in einer zum induktiven Laden eines Energiespeichers geeigneten Ladestation, wobei das Fahrzeug einen wiederaufladbaren Energiespeicher sowie eine hiermit verbundene oder verbindbare Sekundärspule und die Ladestation eine ortsfest angeordnete Primärspule aufweisen, die bei Stromdurchfluss in der Sekundärspule einen Strom induziert, und wobei ferner von einem Sender ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke von einem Empfänger gemessen und wobei die Messdaten zur relativen Positionsbestimmung der Sekundärspule zur Primärspule verarbeitet werden. Zur Verfahrensvereinfachung sowie zur Minimierung des apparativen Aufwands wird vorgeschlagen, dass die später zum induktiven Laden verwendete Primär- und die Sekundärspule zur Erzeugung des Magnetfeldes und dessen Feldstärkemessung benutzt werden, um das Fahrzeug für den Ladevorgang optimal zu positionieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Positionierung eines motorbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens (PKW) in einer zum induktiven Laden eines Energiespeichers geeigneten Ladestation, wobei das Fahrzeug einen wiederaufladbaren Energiespeicher sowie eine hiermit verbundene oder verbindbare Sekundärspule und die Ladestation eine ortsfest angeordnete Primärspule aufweisen, die bei Stromdurchfluss in der Sekundärspule einen Strom induziert und wobei ferner von einem Sender ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke von einem Empfänger gemessen und wobei die Messdaten zur relativen Positionsbestimmung der Sekundärspule zur Primärspule verarbeitet werden.
Neben der üblicherweise bekannten Ladung mittels eines Ladekabels als Verbindung zwischen einem Stromversorgungsnetz und dem Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs besteht auch die Möglichkeit des drahtlosen induktiven Ladens. Hierbei wird in einer stromdurchflossenen Sendespule ein Magnetfeld erzeugt. Durchfließt dieses Magnetfeld eine im Kraftfahrzeug angeordnete Empfängerspule, wird in der Empfängerspule ein Stromfluss induziert. Der Wirkungsgrad beim induktiven Laden hängt von der relativen Ausrichtung der beiden Spulen zueinander ab. Die vorliegende Erfindung geht von prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannten Ladestationen aus, bei denen sich eine Sendespule im Boden eines Parklatzes befindet. Zum Laden des Energiespeichers im Kraftfahrzeug muss das Fahrzeug, welches die Empfängerspule aufweist, möglich exakt in Relation zur Primärspule ausgerichtet werden. Hierzu wird in der DE 10 2013 215 649 A1 eine Vorrichtung mit einem Detektor vorgeschlagen, der in der Lage ist, auf kontaktlose Weise zu erkennen, ob sich das Kraftfahrzeug innerhalb eines vorgegebenen räumlichen Ladebereiches relativ zu einer Primärspule befindet. Sobald die optimale Position erreicht ist, wird der Ladevorgang gestartet. Hierzu weist der Detektor entweder mehrere magnetische Sensoren auf, die an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs angeordnet sind und die das Magnetfeld in der Ladestation detektieren. Die Magnetsensoren im Fahrzeug registrieren in einem Erkennungsbereich das dort vorhandene Magnetfeld. Da die Stärke des Magnetfelds mit dem Quadrat des Abstandes zur Magnetfeldquelle abnimmt, können die magnetischen Sensoren aufgrund der unterschiedlichen Magnetflussdichten erkennen, welche Positionskorrekturen erforderlich sind, um die optimale Positionierung des Kraftfahrzeugs im Hinblick auf die Primärspule zu erreichen. Hierbei können Parkassistenzsysteme unterstützend eingesetzt werden, wenn sich die Ladestation in einer Parkbox befindet. Möglich ist auch der Einsatz von Kamerasystemen als Detektor, beispielsweise dergestalt, dass das Kamerasystem am Parkplatz installiert ist, wo es das ankommende Fahrzeug erkennt und die Energieübertragung aktiviert. Weitere mögliche Detektoren können auf infrarotbasierenden Systemen oder als RFID-Sensoren ausgebildet sein. Die geschilderten Systeme erfordern einen relativ hohen Aufwand und sind aufgrund der notwendigen apparativen Teile der Mess- und Steuereinrichtungen auch störungsanfällig.
Auch das in der DE 10 2013 2019 239 A1 beschriebene Verfahren arbeitet mit zwei, drei oder vier Magnetsensoren, die jeweilige Magnetfeldstärken messen und an einen Rechner weitergeben, der die Daten auswertet. Die Magnetfeldstärkengradientenverteilung liefert die Informationen zur Positionskorrektur des Fahrzeugs.
Die DE 10 2015 215 127 A1 beschreibt ein Verfahren zum automatischen Positionieren eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung von zwei Lichtsignalen, die von beabstandeten Lichtquellen am Fahrzeug ausgesendet werden. Diese Lichtsignale werden von einem Fotodetektor empfangen und zur Ermittlung der Positionsdaten des Kraftfahrzeugs verwendet, das auf diese Weise in Bezug auf einen Zielpunkt steuerbar ist. Hiermit lässt sich der Park- bzw. Einparkvorgang automatisieren.
Die DE 10 2016 121 879 A1 betrifft eine Steuerung zur Positionierung zum Laden von Batterien, die in Reifendruckkontrollsystemen (TPMS) benötigt werden. TPMS-Systeme dienen dazu, den Reifendruck in Abhängigkeit von der Zeit zu kontrollieren und Abweichungen vom Soll-Zustand zu signalisieren. Die DE 10 2016 121 879 A1 beschreibt eine Steuerung, die programmiert ist, um Befehle zum Positionieren des Fahrzeugs relativ zu einer primären Induktionsladespule zu erzeugen. Die Position des Fahrzeugs soll auf Daten basieren, die eine elektromagnetische Feldstärke zwischen jeder der vorhandenen Anordnungen und einer entsprechenden Spule anzeigen. So kann jedes Rad seine eigene Induktionsspule enthalten und eine entsprechende Primärspule haben. Die Steuerung im Fahrzeug ist dazu ausgelegt, eine optimale Raddrehwinkelposition der Räder zu finden, deren zugeordnete Batterie induktiv geladen werden soll. Dieses relativ aufwendige Verfahren ist primär für TPMS-Anordnungen geschaffen.
Die DE 10 2016 220 725 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der Relativposition von Spulen eines induktiven Ladesystems, bei dem die Primärspule außerhalb des Fahrzeugs in einer ortsfesten Ladestation im Boden angeordnet ist und das Fahrzeug eine fahrzeugbodenseitige Sekundärspule besitzt, die zum induktiven Laden eines Energiespeichers ausgebildet ist. Hierzu besitzt das Kraftfahrzeug Sendespulen, die beispielsweise im Frontbereich und im Fahrzeugseitenbereich angeordnet sind. Diese Sendespulen erzeugen ein Magnetfeld, das von Empfangsspulen in der Ladestation detektiert wird. Am Ort der Empfangsspule in der Ladestation kann somit die jeweilige Ist-Feldstärke des durch die Sendespulen erzeugten Magnetfeldes ermittelt werden. Um die entsprechenden Daten auszuwerten, kann z.B. ein Triangulationsverfahren verwendet werden, das jedoch bei hohen Abständen als problematisch angesehen wird. In der DE 10 2016 220 725 A1 wird daher vorgeschlagen, im Vorfeld zu einem Positionierungsvorgang ein Kennfeld zu erfassen, das für eine spezifische Kombination aus Fahrzeug und Ladestation Referenzfeldstärkewerte als Funktion der relativen Positionierung zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation anzeigt. Bei einem Positioniervorgang wird der Ist-Feldstärkewert mit den Referenz-Feldstärkewerten aus dem vorbestimmten Kennfeld verglichen, woraus sich die Fahrzeugposition steuern lässt. Auch bei diesem Verfahren werden zusätzliche Sende-Empfangsstrecken mit den entsprechenden Sendern und Empfängern benötigt, was insgesamt einen relativ hohen Aufwand erfordert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das mit geringstmöglichen Aufwand eine optimierte Positionierung eines motorbetriebenen Fahrzeugs in einer Ladestation ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die später zum induktiven Laden verwendete Primär- und Sekundärspule zur Erzeugung des Magnetfeldes und dessen Feldstärkenmessung benutzt werden, um das Fahrzeug für den Ladevorgang optimal zu positionieren. Mit anderen Worten unter Verwendung der in der Ladestation ohnehin vorhandenen Primärspulen und der im Fahrzeug installierten Sekundärspule wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Flussdichte in Abhängigkeit von der Zeit und dem Ort gemessen wird. Indem man durch die Primärspule einen Strom fließen lässt, kann durch eine mit der Sekundärspule verbundene Messeinrichtung die Magnetflussdichte ermittelt werden, welche die Sekundärspule durchdringt. Das Kraftfahrzeug ist dann optimal positioniert, wenn die Flussdichte ein Maximum erreicht hat. Spätestens zu diesem Zeitpunkt kann der induktive Ladevorgang gestartet werden.
Vorzugsweise arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren derart, dass das Fahrzeug die Ladestation, nämlich die Primärspule überfährt und währenddessen die magnetische Flussdichtenkennlinie in Abhängigkeit des Ortes bzw. der Relativposition des Fahrzeugs zur Ladestation aufgenommen wird. Der dem Maximum der Kennlinie entsprechende Ort wird bestimmt, so dass das Fahrzeug abschließend zu diesem ermittelten Ort zurückgefahren wird.
Im Idealfall wird durch eine Fahrzeugbewegung die Sekundärspule in der Spur bewegt, in der sich auch der Ort der Primärspule befindet, da auch ein seitlicher Versatz zu einer Minimierung der Energieübertragung beim Wiederaufladen des Energiespeichers führen würde.
Alternativ und in Kenntnis des Verlaufs der magnetischen Flussdichte ist es selbstverständlich möglich, dass in Abhängigkeit des Ortes das Fahrzeug soweit vorwärts bewegt wird, bis das Maximum der Kennlinie erreicht ist. Die Kenntnis des Verlaufs der magnetischen Flussdichte kann auch dazu benutzt werden, einen etwaigen seitlichen Versatz des Fahrzeugs bzw. der Sekundärspule zur Primärspule festzustellen, weil eine entsprechend geringere gemessene Feldstärke im Ergebnis dazu führt, dass das in der Kennlinie erreichte Maximum geringer ist als das magnetische Flussdichtenmaximum bei einer Idealstellung der Primär- und Sekundärspule zueinander. Bei bekannter Kennlinie des Verlaufs der magnetischen Flussdichte und insbesondere des Maximums muss das Rangieren des Fahrzeugs so lange fortgesetzt werden, bis die maximale magnetische Flussdichte angezeigt wird.
Durch dieses Verfahren können die bisher verwendeten Zusatzeinrichtungen komplett eingespart werden.
Bei ohnehin vorhandenen Park-Lenk-Assistenten oder durch Spurhaltetechnologien können Steuerungen bzw. Korrekturen des Fahrzeugortes in Querrichtung zur Fahrtrichtung realisiert werden.
Weitere Details der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a-c eine Ladestation und ein Kraftfahrzeug in unterschiedlichen Relativpositionen zueinander und
1d die beim Überfahren einer Ladestation (Primärspule) in der Sekundärspule gemessene Feldstärke,
2a, b zwei unterschiedliche Fahrzeugstellungen relativ zu einer Ladestation und
2c ein Diagramm der Feldstärke in Abhängigkeit der Fahrtstrecke.

Wie bereits eingangs erwähnt und grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannt, ist es für das optimale induktive Laden erforderlich, die Sekundärspule, die sich im Kraftfahrzeug an der Bodenseite befindet, möglichst deckungsgleich zu einer Primärspule auszurichten, die sich im Boden einer Ladestation befindet.
In 1a und 2a ist die jeweilige Ladestelle 10, in der sich die Primärspule befindet, etwa mittig in einem Parkfeld der Ladestation angeordnet. Zum Einfahren in die Ladestation wird das Fahrzeug 11 in Pfeilrichtung 12 vorwärts bewegt. Vor dem Befahren der Ladestation wird die nicht dargestellte, mit der Sekundärspule verbundene Magnetfeldstärkemesseinrichtung ebenso eingeschaltet, wie der Strom durch die Primärspule. Bei einer Weiterfahrt des Fahrzeugs 11 bis hin zum hinteren Ende des Platzes der Ladestation - wie durch den Pfeil 13 dargestellt - wird in der fahrzeugeigenen Messeinrichtung das aus 1d ersichtliche Diagramm der Feldstärke aufgenommen, das den Feldstärkenverlauf beim Nähern und Überfahren der Primärspule zeigt. In einer Gaußverteilung durchläuft die Feldstärke ein Maximum 14, das von der Messeinrichtung registriert wird. Wie in 1c durch Pfeil 15 angedeutet, wird anschließend das Fahrzeug 11 im Rückwärtsgang zurückbewegt bis zu dem Ort 16, der den Lagepunkt der maximalen Feldstärke bestimmt. Die Feldstärkenmessung kann zu diesem Zeitpunkt beendet und der Ladevorgang aktiviert werden.
Die Vorgehensweise nach 2 a-c unterscheidet sich prinzipiell von der Vorgehensweise nach 1a-c dadurch, dass bei Kenntnis der Magnetfeldstärkenkennlinie in 2c das Fahrzeug nur bis zu dem Ort (Punkt 16 in 2c) vorwärts bewegt wird, der dem Maximum 14 der Feldstärke entspricht.
Im Idealfall ist die Feldstärkenverteilung in Abhängigkeit vom Weg nach Art einer gaußförmigen Kurve, weshalb lediglich erforderlich ist, bis zu dem Ort 16 vorzufahren, an dem das Maximum der Feldstärke 14 erreicht ist. Bei geringfügigem Überfahren dieses Ortes 16 kann leicht der abfallende Kurvenast diagnostiziert und durch entsprechendes Rückwärtsbewegen des Fahrzeugs 11 der Idealort aufgefunden werden.
Gegebenenfalls kann bei vorhandenen Spurführsystemen bzw. durch Einsatz eines Park-Lenkassistenten gewährleistet werden, dass das Fahrzeug mittig über die Ladestelle gefahren wird, um zu verhindern, dass die Sekundärspule im Kraftfahrzeug seitlich versetzt zur Primärspule liegt.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass grundsätzlich keine zusätzlichen Hilfsmittel wie Kameras, weitere Sensoren mit entsprechender Auswertung der Messdaten oder sonstige Hilfsmittel erforderlich sind. Insofern kann auf derartige zusätzliche Sensoren verzichtet werden. Die für die Durchführung des Verfahrens notwendige Zentrierung der Feldstärke erfolgt ausschließlich mit der bereits im Fahrzeug verbauten Ladetechnik.
Die vorliegende Erfindung ist für alle Fahrzeuge geeignet, die über einen wiederaufladbaren Akkumulator sowie eine Sekundärspule verfügen. Dies können Personenkraftwagen, LKWs, aber auch Rasenmähroboter sein.
Bezugszeichenliste

10: Ladestelle
11: Fahrzeug
12: Pfeil
13: Pfeil
14: Feldstärkenmaximum
15: Pfeil
16: Ort des PKW bei Erreichen des Feldstärkenmaximums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013215649 A1 [0002]
DE 1020132019239 A1 [0003]
DE 102015215127 A1 [0004]
DE 102016121879 A1 [0005]
DE 102016220725 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur optimalen Positionierung eines motorbetriebenen Fahrzeugs (11), insbesondere PKW in einer zum induktiven Laden eines Energiespeichers geeigneten Ladestation, wobei das Fahrzeug (11) einen wiederaufladbaren Energiespeicher sowie eine hiermit verbundene oder verbindbare Sekundärspule und die Ladestation eine ortsfest angeordnete Primärspule aufweisen, die bei Stromdurchfluss in der Sekundärspule einen Strom induziert, und wobei ferner von einem Sender ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke von einem Empfänger gemessen und wobei die Messdaten zur relativen Positionsbestimmung der Sekundärspule zur Primärspule verarbeitet werden dadurch gekennzeichnet, dass die später zum induktiven Laden verwendete Primär- und die Sekundärspule zur Erzeugung des Magnetfeldes und dessen Feldstärkemessung benutzt werden, um das Fahrzeug (11) für den Ladevorgang optimal zu positionieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug () die Ladestation überfährt und währenddessen die magnetische Flussdichtenkennlinie in Abhängigkeit des Ortes bzw. der Relativposition des Fahrzeuges zur Ladestation aufnimmt, den dem Maximum (14) dieser Kennlinie entsprechenden Ort bestimmt und abschließend das Fahrzeug (11) zu diesem ermittelten Ort zurückgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kenntnis des Verlaufs der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit des Ortes das Fahrzeug (11) soweit vorwärtsbewegt wird, bis das Maximum (14) der Kennlinie erreicht ist.