DE102020110220A1

DE102020110220A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Führen eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102020110220A1
Application number: DE102020110220.8A
Authority: DE
Inventors: Paolo Lombardo; Martin Weber; Samuel van de Velde; Stefan Raabe
Original assignee: Pozyx NV; Brusa Elektronik AG
Current assignee: Pozyx NV; Brusa Elektronik AG
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-14
Also published as: US20230158912A1; WO2021209416A1; JP2023529542A; EP4136736A1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Position einer Bodenspule und einer Fahrzeugspule ermöglichen, dass ein Elektrofahrzeug zu einer Position geführt wird, an welcher Energie zwischen der Boden- und der Fahrzeugspule übertragen werden kann. Einrichtungen zur Positionssignalisierung sind relativ zur Boden- und zur Fahrzeugspule anbringbar. Wenigstens eine Signalisierungseinrichtung ist einer der Spulen zugeordnet, und zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen sind der anderen Spule zugeordnet. Jede Signalisierungseinrichtung ist in der Lage, Signale an andere bzw. von anderen der Signalisierungseinrichtungen zu senden oder zu empfangen oder zu senden und zu empfangen. Signale werden verarbeitet, um zeitbezogene Informationen aus den Positionsbestimmungssignalen zu gewinnen. Die Informationen werden unter Verwendung von wenigstens zwei Positionsbestimmungsprotokollen aus einer Menge von Protokollen gewonnen, welche Time of Flight, Two-way Ranging, Time Difference of Arrival und Phase Difference of Arrival umfasst. Dies ermöglicht eine Bestimmung von Entfernungen zwischen Signalisierungseinrichtungen und somit der relativen Position der Boden- und der Fahrzeugspule.

Description

GEBIET
Eine Vorrichtung zur Verwendung beim Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Magnetspule am Fahrzeug relativ zu einer Speise-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Speisespule übertragen werden kann; ein Pad-Modul zur Verwendung mit einem anderen Pad-Modul, um Leistung in einem Ladesystem eines Elektrofahrzeugs magnetisch zu übertragen; und ein Verfahren zum Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Fahrzeug-Magnetspule relativ zu einer Boden-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Bodenspule übertragen werden kann.
HINTERGRUND
Verfahren der drahtlosen Leistungsübertragung werden in zunehmendem Maße angewendet, um Leistung von einer elektrischen Energiequelle zu einer breiten Palette von Geräten zu übertragen, von kleinen tragbaren Geräten der Unterhaltungselektronik, wie Mobiltelefonen und Tablets, die ein paar Watt an Leistung benötigen, bis zu Elektrofahrzeugen, die mehrere Kilowatt an Leistung benötigen. Abgesehen davon, dass es bequem ist, ein Gerät nicht anschließen zu müssen, um es mit Energie zu versorgen oder seine Batterien wieder aufzuladen, sorgt das Fehlen von Drähten und Kabeln für aufgeräumtere Schreibtische und Parkplätze, während gleichzeitig die Übersichtlichkeit verbessert wird und Stolper- und Stromschlaggefahren verringert werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Leistung drahtlos übertragen werden kann, darunter kapazitive Kopplung und induktive Kopplung, welche beide Vorteile gegenüber einer resistiven (d. h. über Draht erfolgenden) Kopplung zum Zweck der Versorgung eines Geräts mit Energie bieten.
Drahtlose Leistungsübertragungssysteme können dafür ausgelegt sein, alles von Bruchteilen von einem Watt, einigen Watt bis zu vielen Kilowatt von einer Energiequelle über einen Zwischenraum hinweg zu einer Einrichtung oder Last zu übertragen. Typischerweise ist der Zwischenraum ein Luftspalt zwischen Magnetspulen, obwohl andere Verfahren die Lieferung von Strom zwischen Platten eines Kondensators beinhalten. Und sie können dafür ausgelegt sein, bei festen oder variablen Frequenzen zu arbeiten, was für sich ändernde Lastbedingungen von Nutzen sein kann.
Die so gelieferte Energie kann zum Beispiel verwendet werden, um eine elektronische Schaltung mit Energie zu versorgen, oder um ein Gerät mit Energie zu versorgen. Dies schließt das Versorgen eines Konsumgerätes, wie etwa eines Mobiltelefons oder Tablets, mit Energie ein. Es schließt auch das Antreiben eines Elektromotors in einem Elektrofahrzeug ein, und das Laden von Batterien in dem Stromkreis oder Fahrzeug. Das Versorgen eines Mobiltelefons mit Energie oder das Laden seiner Batterie erfordert ein paar Watt, während das Versorgen des Motors in einem Elektrofahrzeug oder Laden der Batterie mehrere Kilowatt erfordert. Je größer die Batterie, die Schaltung oder der Motor ist, oder je schneller die Batterie geladen werden muss, desto größer ist die Leistung, welche über den Luftspalt übertragen werden muss.
Drahtlose Leistungsübertragungsverfahren sind in verschiedenen Gebieten der Technik entwickelt worden, was dazu geführt hat, dass unterschiedliche Begriffe verwendet werden, um im Wesentlichen dieselbe Sache zu beschreiben. Solche Begriffe, wie „magnetische Kopplung“ „magnetische Induktion“, „induktive Leistungsübertragung“, „induktives Laden“ und „resonant induktive Leistungsübertragung“, sind gebräuchlich. Obwohl es möglicherweise geringfügige Unterschiede gibt, werden diese Begriffe gemeinhin überall und austauschbar verwendet, um Systeme zu bezeichnen, welche Leistung von einer Quelle über einen Luftspalt zu einer Last mittels eines Magnetfeldes übertragen. Hier wird der Begriff „induktives Ladesystem“ (Inductive Charging System, ICS) verwendet, um diese Art von Systemen zu bezeichnen.
In ähnlicher Weise werden unterschiedliche Begriffe verwendet, um verschiedene Elemente eines induktiven Ladesystems (ICS) zu bezeichnen. Ein ICS umfasst im Wesentlichen Einrichtungen, die mit der Energieversorgung zusammenhängen, und Einrichtungen, die mit der Vorrichtung zusammenhängen. Die Energieversorgungseinrichtungen umfassen Schaltungen, welche Energie von der Energieversorgung in eine Form umwandeln, die zum Ansteuern einer Spule geeignet ist. In ähnlicher Weise wandeln die Vorrichtungseinrichtungen Energie, die durch das Magnetfeld in einer Spule induziert wird, in eine Form um, die zum Versorgen der Vorrichtung mit Energie oder Laden von Batterien in der Vorrichtung geeignet ist.
Induktive Ladesysteme können verwendet werden, um Batterien in Elektrofahrzeugen zu laden. Fahrer können ihre Autos über Ladeeinrichtungen auf dem Boden parken, welche sich mit einer Ladeeinrichtung am Fahrzeug magnetisch koppeln, um Energie zur Batterie zu übertragen. Für autonome Fahrzeuge entfällt durch induktives Laden die Notwendigkeit, das Fahrzeug manuell mit einer Versorgung zu verbinden, nachdem es zu einer Ladestation gefahren ist. Wenn nötig, kann Energie von der Batterie des Fahrzeugs zurück in die Energiequelle eingespeist werden, z. B. in das Stromnetz in einem „Smart Home“ oder das Stromnetz eines Energieversorgungsunternehmens.
In einem induktiven Ladesystem (ICS) zur Verwendung mit Elektrofahrzeugen haben die Energieversorgungseinrichtungen verschiedene Namen, darunter Bodeneinheit, Groundpad und Groundpad-Modul (GPM), welches an eine Netzstromversorgung anschließbar ist. Die Vorrichtungseinrichtungen sind unter den unterschiedlichen Bezeichnungen Fahrzeugeinheit, Fahrzeug-Pad oder Carpad-Modul (CPM) bekannt und können in einem Fahrzeug wie etwa einem Automobil angebracht werden, um Energie zum Laden der Batterie des Fahrzeugs zu liefern. Die Benennung hängt in vielen Situationen davon ab, welche Sprache von einem gegebenen Fertigungsunternehmen verwendet wird. Natürlich ist ein ICS eines Elektrofahrzeugs geeignet, bei verschiedenen Fahrzeugen eingesetzt zu werden, darunter Pkw und schwerere Straßenfahrzeuge, wie Lkw, Busse und Straßenbahnen, und ist nicht auf die Verwendung bei Pkw beschränkt, seien es Straßenfahrzeuge oder andere. Hier werden die Begriffe „Groundpad-Modul“ (GPM) und „Carpad-Modul“ (CPM) verwendet, um die zwei Teile eines ICS für Elektrofahrzeuge zu bezeichnen.
Zu den weiteren Begriffen, welche zwischen verschiedenen Implementierungen eines ICS variieren, gehören „Magnetspulen“, „Induktionsspulen“ und „Antennen“. Diese Begriffe werden ebenfalls frei und im Wesentlichen austauschbar verwendet, um die Teile eines induktiven Ladesystems zu beschreiben, welche Energie über den Luftspalt übertragen. Obwohl nichts gegen die Verwendung dieser verschiedenen Begriffe einzuwenden ist, ist um der Genauigkeit willen anzumerken, dass die Elemente in Wirklichkeit Spulen und keine Antennen sind. Dies ist der Fall, weil die Elemente bei typischen Betriebsfrequenzen Energie im Nahfeld übertragen, wo nur das Magnetfeld vorhanden ist.
Antennen werden im Hinblick auf das Magnetfeld konzipiert, welches sich bildet, sobald die abgestrahlte Energie über das Nahfeld hinaus zum Fernfeld gelangt. Wo das Nahfeld endet und das Fernfeld beginnt, hängt von den charakteristischen Merkmalen der sendenden Vorrichtung (z. B. Spule oder Antenne) ab. Für Anwendungen zur drahtlosen Leistungsübertragung ist eine exakte Definition gewöhnlich unnötig, da es sich aufgrund der Größe des Luftspalts und der Frequenzen, bei denen das System arbeitet, klar um Nahfeldanwendungen handelt. Trotzdem werden die oben genannten „Magnetspulen“, „Induktionsspulen“ und „Antennen“ von denen, die auf dem Gebiet der Entwicklung von Vorrichtungen und Systemen zur drahtlosen Leistungsübertragung aktiv sind, in ähnlicher Weise austauschbar verwendet.
Induktive Ladesysteme können Magnetspulen entweder allein oder gekoppelt mit anderen abgestimmten oder abstimmbaren Elementen verwenden. In Leistungsübertragungsanwendungen bei Elektrofahrzeugen kann ein Groundpad-Modul eine Spule in Kombination mit zugeordneter Ansteuerelektronik enthalten, oder es kann die Spule enthalten, während die gesamte zugeordnete Elektronik oder ein Teil davon in einem separaten Gehäuse vorgesehen ist. In beiden Fällen wird die Spule im Groundpad-Modul verwendet, um Leistung über ein Magnetfeld zu senden. In ähnlicher Weise kann ein Carpad-Modul eine Spule in Kombination mit zugeordneter Steuerelektronik enthalten, oder es kann die Spule enthalten, während die gesamte zugeordnete Elektronik oder ein Teil davon in einem separaten Gehäuse vorgesehen ist. In beiden Fällen wird die Spule im Carpad-Modul verwendet, um Leistung über ein Magnetfeld zu empfangen.
Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung von induktiven Ladesystemen ist die genaue Ausrichtung der Bodenspule und der Fahrzeugspule. Eine schlechte Ausrichtung verringert die Effizienz der Energieübertragung. Wenn das System betriebsfähig ist, kann das Magnetfeld große Mengen von Energie über den Zwischenraum zwischen dem Groundpad-Modul und dem Fahrzeugpad-Modul übertragen. Selbst ein kleines Haussystem erzeugt bei Verwendung ein Magnetfeld, das in der Lage ist, 2 bis 3 kW Energie zwischen den Pads zu übertragen. Andere Systeme arbeiten mit wesentlich höheren Leistungspegeln. Eine ineffiziente Verbindung zwischen dem Boden- und der Fahrzeugpad führt zu Streuströmen in leitenden Elementen des Systems. Die Energie von ihnen wird in Wärme umgewandelt. Somit geht nicht nur Energie verloren, sondern es wird auch eine Erwärmung verursacht, was offenkundig unerwünscht ist.
In Anbetracht dessen wurden Anstrengungen unternommen, um induktive Ladesysteme zu entwickeln, welche in der Lage sind, einen Bediener (z. B. einen Fahrer eines Fahrzeugs) beim Positionieren der Fahrzeugspule über der Bodenspule zu unterstützen, um die Leistungsübertragung zu optimieren und Verluste und die damit verbundenen Probleme zu minimieren.
KURZDARSTELLUNG
Wie in den Ansprüchen definiert, stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung beim Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Magnetspule am Fahrzeug relativ zu einer Speise-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Speisespule übertragen werden kann; ein Pad-Modul zur Verwendung mit einem anderen Pad-Modul, um Leistung in einem Ladesystem eines Elektrofahrzeugs magnetisch zu übertragen; und ein Verfahren zum Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Fahrzeug-Magnetspule relativ zu einer Boden-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Bodenspule übertragen werden kann, bereit.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Position einer Bodenspule und einer Fahrzeugspule ermöglichen, dass ein Elektrofahrzeug zu einer Position geführt wird, an welcher Energie zwischen der Boden- und der Fahrzeugspule übertragen werden kann. Einrichtungen zur Positionssignalisierung sind relativ zur Boden- und zur Fahrzeugspule anbringbar. Wenigstens eine Signalisierungseinrichtung ist einer der Spulen zugeordnet, und zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen sind der anderen Spule zugeordnet. Jede Signalisierungseinrichtung ist in der Lage, Signale an andere bzw. von anderen der Signalisierungseinrichtungen zu senden oder zu empfangen oder zu senden und zu empfangen. Signale werden verarbeitet, um zeitbezogene Informationen aus den Positionsbestimmungssignalen zu gewinnen. Die Informationen werden unter Verwendung von wenigstens zwei Positionsbestimmungsprotokollen aus einer Menge von Protokollen gewonnen, welche Time of Flight (Laufzeit), Two-way Ranging (Zwei-Wege-Entfernungsmessung), Time Difference of Arrival (Zeitdifferenz der Ankunft) und Phase Difference of Arrival (Phasendifferenz der Ankunft) umfasst. Dies ermöglicht eine Bestimmung von Entfernungen zwischen Signalisierungseinrichtungen und somit der relativen Position der Boden- und der Fahrzeugspule.
Die Erfindung und die Merkmale derselben sind in den Ansprüchen ausführlich dargelegt und können zusammen mit ihren Vorteilen für Fachleute auf diesem Gebiet aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, klarer ersichtlich werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild eines Systems zur induktiven Leistungsübertragung;
2 ist ein Blockschaltbild, das Elemente einer Positionsbestimmungsvorrichtung zur Verwendung mit einem System zur induktiven Leistungsübertragung zeigt;
3 veranschaulicht eine Art und Weise der Verwendung von Signalen zwischen einer Quelle und zwei Empfängern in einer Bestimmungsposition;
4 zeigt Koordinaten und Laufzeiten zwischen zwei Signalisierungseinrichtungen;
5 veranschaulicht eine potentielle Unsicherheit bei der berechneten Position;
6 veranschaulicht eine Art und Weise der Verwendung von Signalen von drei Quellen an einen Empfänger in einer Bestimmungsposition;
7 veranschaulicht eine andere Art und Weise der Verwendung von Signalen zwischen einer Quelle und zwei Empfängern in einer Bestimmungsposition;
8 zeigt Pkw relativ zu Stellplätzen;
9 ist ein Diagramm, das die Genauigkeit über eine längere Reichweite zeigt; und
10 ist ein Diagramm, das die Genauigkeit über eine kürzere Reichweite zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird nun auf 1 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, ein induktives Ladesystem (Inductive Charging System, ICS) 10 zur Verwendung beim Laden einer Batterie in einem Elektrofahrzeug. Das ICS 10 umfasst ein Groundpad-Modul (GPM) 12, das eine Boden- oder Speisespule 14 und Ansteuerschaltungen 16, die mit einer elektrischen Energieversorgung 18 koppelbar sind, enthält. Leistungssignale von der Energieversorgung 18 werden von den Ansteuerschaltungen 16 aufbereitet, um sie in eine geeignete Form zum Anlegen an die Speisespule 14 zu bringen. Die Spule 14 wird durch dieses Anlegen der Leistungssignale - dargestellt als Strom I und Spannung V - so angesteuert, dass sie ein Magnetfeld 20 erzeugt.
Die Energieversorgung 18 kann eine Hausspannungsversorgung sein, z. B. 110 V oder 220 V. Solche Hausanlagen wären auf 2-3 kW begrenzt, was bedeutet, dass das Laden einer Batterie typischerweise mehrere Stunden dauert. Eine größere Energieversorgung, wie etwa eine mehrphasige Versorgung mit 415 Volt oder mehr, ermöglicht, dass das Laden schneller beendet wird. Höhere Leistungen, und damit schnelles Laden, können bei gewerblichen oder industriellen Implementierungen gewährleistet werden.
Die Größe und Form des Groundpad-Moduls 12 hängt von den technischen Anforderungen des Systems ab. Die Speisespule 14 ist in 1 als ein Kreis abgebildet, es könnte jedoch auch eine beliebige polygonale oder elliptische Form sein. Die Spule 14 kann als Zylinderspule ausgebildet, in einer Doppel-D-Konfiguration oder einer beliebigen anderen der allgemein verfügbaren Spulentopologien angeordnet sein. Die exakte Form wird durch die technischen Anforderungen des Systems und routinemäßige Designentscheidungen bestimmt. Um eine Vorstellung von der Größe zu vermitteln - das Groundpad-Modul 12 ist typischerweise ungefähr 600 mm breit. Die Höhe des GPM 12 sollte so niedrig wie möglich sein, um zu vermeiden, dass das GPM eine Gefahr, dass die Unterseite eines Fahrzeugs an ihm hängenbleibt, oder eine Stolpergefahr verursacht.
Das induktive Ladesystem 10 umfasst außerdem ein Carpad-Modul (CPM) 22. Bei Verwendung ist das CPM 22 an einem Pkw (nicht dargestellt) an einer durch Designüberlegungen bestimmten Stelle angeordnet, z. B. unter dem Fahrgestell oder dem Bodenblech. Wenn der Pkw über das GPM 12 gefahren und das CPM 22 über diesem positioniert wird, kann Energie vom GPM zum CPM übertragen werden. Das Magnetfeld 20 wird durch eine Pkw- oder Fahrzeugspule 24 in Leistungssignale - als Strom I und Spannung V dargestellt - umgewandelt, welche durch Ansteuerschaltungen 26 aufbereitet werden, um sie in eine Form zu bringen, die geeignet ist, einer Batterie 28 Energie und somit Ladung zuzuführen.
Wie beim Groundpad-Modul (GPM) 12 werden die Größe und Form des CPM 22 durch technische Anforderungen und Entscheidungen, die beim Konzipieren des induktiven Ladesystems 10 getroffen werden, bestimmt. Das Carpad-Modul CPM) 22 wird in ähnlicher Weise in einem Gehäuse bereitgestellt. Auch hier werden die exakte Form der Fahrzeugspule 24 und somit die Form und Größe des CPM 22 zum größten Teil durch technische Anforderungen und Designentscheidungen bestimmt. Die Spule 24 muss nicht, wie dargestellt, kreisförmig sein und muss in Wirklichkeit nicht einmal dieselbe Form oder Topologie aufweisen, wie die Spule 14 in den Bodeneinrichtungen 12. Der Platz in einem Fahrzeug ist begrenzt. Das Ziel besteht gewöhnlich darin, das CPM 22 so klein wie möglich zu machen, so dass es z. B. 300 mm breit ist.
Eine Steuereinrichtung 30 dient dazu, den Betrieb des GPM 12 und des CPM 22 zu steuern. Obwohl sie in 1 als eine einzige Einheit dargestellt ist, kann sich die Steuereinrichtung 30 vollständig im GPM 12 oder CPM 22 befinden oder Elemente aufweisen, die im GPM 12 und im CPM 22 angeordnet sind. Unter anderem stellt die Steuereinrichtung 30 für die zwei Teile 12, 22 des Systems 10 eine Möglichkeit bereit, miteinander zu kommunizieren, wie durch die gestrichelten Linien 31a und 31b in der Zeichnung dargestellt ist. Das Kommunikationsmedium kann jedes beliebige von den allgemein verfügbaren Drahtlosprotokollen sein, darunter Wi-Fi und Bluetooth.
Bei Verwendung werden Informationen zwischen dem GPM 12 und dem CPM 22 übertragen, z. B. um die Erzeugung des Magnetfeldes 20 zu steuern, um die Leistungsübertragung zu optimieren und Verluste zu minimieren. Im System 10 können Sicherheitsmerkmale (nicht dargestellt) enthalten sein, welche Signale an die Steuereinrichtung 30 senden, die anzeigen, wann eine Leistungsübertragung beginnen oder enden kann oder wann sie aufgrund einer Gefahrensituation unterbrochen werden muss, zum Beispiel wenn ein fremdes oder lebendes Objekt in das Magnetfeld 20 eindringt.
Eine Annehmlichkeit eines ICS 10 ist, dass die Batterie 28 in einem Fahrzeug geladen werden kann, indem das Fahrzeug einfach über dem Groundpad 12 in einer Position geparkt wird, in der das Carpad-Modul 22 und das Groundpad-Modul 12 fluchten. Es sind Einrichtungen zur Ausrichtung und Führung des Fahrzeugs vorgesehen, um den Fahrer dabei zu unterstützen, das Fahrzeug und somit das Carpad-Modul 22 relativ zum Groundpad-Modul 12 richtig zu positionieren.
Das induktive Ladesystem 10 weist eine Vorrichtung oder ein Teilsystem 40 zur Positionsbestimmung auf, welches in 2 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 40 ist mit einer Anzahl von Einrichtungen zur Positionssignalisierung 32, 33, 34 versehen, welche Signale senden oder empfangen oder senden und empfangen, welche ermöglichen, dass relative Positionen zwischen dem GPM 12 und dem CPM 22 bestimmt werden. Obwohl 2 zwei Signalisierungseinrichtungen 32, 33 am Groundpad-Modul 12 und eine am Carpad-Modul 22 zeigt, ist es klar, dass die Signalisierungseinrichtungen umgekehrt angeordnet sein könnten, d. h. eine am GPM 12 und zwei am CPM 22.
Der Betrieb der Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34 wird durch die Positionsbestimmungsvorrichtung 40 gesteuert. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 40 ist zwecks Erleichterung der Erläuterung getrennt von dem induktiven Ladesystem (ICS) 10 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte Steuereinrichtung 30 des ICS kann die Positionsbestimmungsvorrichtung 40 im ICS 10 enthalten oder neben ihm angeordnet sein. Sie kann im Groundpad-Modul GPM 12 oder im Carpad-Modul CPM 22 angeordnet oder zwischen dem GPM und dem CPM aufgeteilt sein. Tatsächlich könnte die Funktionalität der Positionsbestimmungsvorrichtung 40 teilweise oder ganz in die Steuereinrichtung 30 des ICS integriert sein.
Bei frühen Anwendungen des drahtlosen Ladens von Fahrzeugen ist zu erwarten, dass Automobilhersteller ein vollständiges Ladesystem, d. h. sowohl GPM als auch CPM, an die Kunden liefern werden. Mit zunehmender Entwicklung des Marktes kann die Lieferung des GPM Drittanbietern übertragen werden, in dem Wunsch, das CPM so zuverlässig, leicht und preiswert wie möglich herzustellen. In Zukunft kann daher ein größerer Anteil an der Systemsteuerung, einschließlich der Positionsbestimmungsvorrichtung 40 von 2, im GPM angeordnet werden. Natürlich wird ein Teil der Positionsbestimmungsvorrichtung im CPM oder im Fahrzeug oder in beidem verbleiben. Wie viel genau, ist eine Sache, die in Abhängigkeit von Zwängen und praktischen Aspekten bei der Designspezifikation entschieden wird.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 40 umfasst eine Prozesssteuereinrichtung 42, welche, auf einer hohen Ebene, zwei Hauptaufgaben dient, die durch einen Signalprozessor 44 und eine Positionsbestimmungs-Steuereinrichtung 46 repräsentiert werden. Auf der hohen Ebene verarbeitet der Signalprozessor 44 gesendete und empfangene Signale 47, 48, die jeder der Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34 zugeordnet ist, um zeitbezogene Informationen und somit Entfernungsdaten aus ihnen zu extrahieren. Und ebenfalls auf der hohen Ebene verwendet die Positionsbestimmungs-Steuereinrichtung 46 Informationen und Daten von dem Signalprozessor 44, um eine Position relativ zu einem Koordinatensystem oder Referenzrahmen zu bestimmen.
Diese Aufgaben könnten getrennt vorgesehen werden. Da die Funktionsabläufe jedoch miteinander verknüpft sind, ist es gewöhnlich technisch und wirtschaftlich sinnvoll, sie, wie dargestellt, als eine Einheit bereitzustellen. In Wirklichkeit kann die Verarbeitungs- und Positionsbestimmungs-Funktionalität der Prozesssteuereinrichtung 42 vom GMP 12 und CPM 22 gemeinsam genutzt oder sowohl im GPM als auch im CPM repliziert werden.
Die Prozesssteuereinrichtung 42 kommuniziert mit den Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34, die der GPM-Spule 14 und der CPM-Spule 24 zugeordnet sind, über Kommunikationskanäle 41a, 41b. Die Kanäle 41a, 41b dienen dazu, Daten zwischen Teilen der Positionsbestimmungsvorrichtung 40 zu übertragen. Dies ist ähnlich zu der Art und Weise, wie die Steuereinrichtung 30 des Systems 10 von 1 die Kopplung des GPM 12 und des CPM 22 steuert. Daraus folgt, dass die Kanäl4 41a, 41b in den Kanälen 31a, 31b, die der Steuereinrichtung 30 zugeordnet sind, enthalten sein oder als deren Teil ausgebildet sein könnten. Tatsächlich könnte die Funktionalität der Prozesssteuereinrichtung 42 teilweise oder ganz in die Steuereinrichtung 30 des ICS integriert sein oder von ihr bereitgestellt werden. Die Verteilung der verschiedenen Elemente der Positionsbestimmungsvorrichtung 40 ist eine Angelegenheit der Designauswahl, die durch die Anforderungen und praktischen Aspekte einer gegebenen Implementierung bestimmt wird.
Die Prozesssteuereinrichtung 42 bestimmt die Position der Spulen relativ zu einem Koordinatensystem (x, y) 49. Die Position des Koordinatensystems (x, y) 49 ist beliebig, insofern als es an einem beliebigen Ort definiert werden kann. In der Praxis ist es zweckmäßig, wenn das Koordinatensystem auf der einen oder anderen der Spulen 14, 24 zentriert ist, wobei die Position der anderen Spule relativ hierzu definiert wird. Gewöhnlich wird das Koordinatensystem 49 relativ zu der stationären Spule im GPM definiert. Zum Beispiel kann der Ursprung (0, 0) des Koordinatensystems zweckmäßigerweise im Mittelpunkt des CPM 22 angeordnet werden, wobei die x-Achse in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (nicht dargestellt) ausgerichtet ist.
Die Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34 sind als an beliebigen Positionen an den Spulen 14 und 24 angeordnet dargestellt. In der Praxis wird die Position der Speise- und der Fahrzeugspule 14, 24 relativ zueinander an einem bekannten Ort an jeder Spule, z. B. an ihren Mittelpunkten, berechnet. In einem gegebenen System ist es jedoch möglicherweise nicht möglich, die Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34 exakt an den Mittelpunkten der Spulen 14, 24 anzuordnen. Möglicherweise muss sich dort vorrangig eine andere Einrichtung befinden.
In Wirklichkeit gibt es keinen Grund, weshalb die Signalisierungseinrichtungen in oder an dem Groundpad-Modul 12 oder Carpad-Modul 22 angeordnet werden müssten. Sie könnten an den Rändern eines Stellplatzes und an beliebigen Positionen an einem Fahrzeug angeordnet werden. Solange der Versatz vom Mittelpunkt einer Spule bis zu der oder jeder Signalisierungseinrichtung 32, 33, 34 bekannt ist, können genaue Positionsdaten berechnet werden.
Die Signalisierungseinrichtungen, die einem festen Element oder einer festen Position zugeordnet sind, werden manchmal „Anker“ genannt, und diejenigen, die einem sich bewegenden Element oder einer sich bewegenden Position zugeordnet sind, werden „Tags“ (Etikette) genannt. Anker und Tags erfüllen im Wesentlichen dieselbe Funktion, nämlich, sie senden, empfangen oder senden und empfangen Signale auf eine Weise, welche ermöglicht, dass die Position(en) eines (von) Tags relativ zu der (den) Position (en) eines (von) Anker (s/n) bestimmt wird (werden). „Anker“ und „Tag“ sind zweckmäßige Bezeichnungen, welche angeben, ob die Signalisierungseinheit einer festen Position (z. B. dem GPM 12) oder einer bewegbaren oder sich bewegenden Position (z. B. dem CPM 22) zugeordnet sind.
In dem ICS 10 von 1 und der Positionsbestimmungsvorrichtung 40 von 2 sind die Signalisierungseinrichtungen 32, 33 am GPM 12 relativ zur Spule 14 positioniert. Ebenso ist die Signalisierungseinrichtung 34 am CPM 22 relativ zur Spule 24 positioniert. Da das GPM 12 am Boden installiert ist, ist es einfacher anzunehmen, dass die Signalisierungseinrichtungen 32, 33 einer festen Position zugeordnet sind. In ähnlicher Weise ist es, da das CPM 22 an einem Fahrzeug installiert ist, einfacher anzunehmen, dass die Signalisierungseinrichtung 34 einer sich bewegenden Position zugeordnet ist. Die mathematischen Beziehungen gelten jedoch in derselben Weise, wenn die Signalisierungseinrichtung 34 dem Boden oder dem GPM 12 zugeordnet ist, und die Signalisierungseinrichtungen 32, 33 dem Fahrzeug oder CPM 22.
Es ist gängige Praxis, dass die Signale, die zwischen den Signalisierungseinrichtungen in einem Positionsbestimmungssystem übertragen werden, Ultrabreitbandsignale (ultra-wideband signals, UWB-Signale) sind. Die Verarbeitung dieser UWB-Signale ergibt sehr schmale Impulse, die eine hohe Zeitauflösung gewährleisten, welche wiederum eine höhere Genauigkeit der berechneten Position der Tags zur Folge hat. Weiterhin sind im UWB verzögerte Impulse schmal, was bedeutet, dass sie sich nicht überlagern und einander nicht aufheben. Dies ergibt daher auch eine hohe Robustheit gegenüber Mehrwegeübertragung. Geeignete Signalisierungseinrichtungen, welche UWB-Signal einsetzen, sind verfügbar.
Es existieren verschiedene Entfernungsmessverfahren, bei denen Signale, die zwischen den Signalisierungseinrichtungen 32, 33 und 34 übertragen werden, verarbeitet werden können, um die relativen Positionen der Einrichtungen 32, 33 im GPM 12 und der Einrichtung 34 im CPM 22 zu bestimmen. Diese werden im Allgemeinen Positionsbestimmungs-Protokolle (positioning protocols) genannt.
Ein Ansatz oder Positionsbestimmungs-Protokoll wird als Time of Flight (ToF, Laufzeit) oder Time of Arrival (ToA, Ankunftszeit) bezeichnet. Time of Arrival (Ankunftszeit) ist das einfachste und gebräuchlichste Entfernungsmessverfahren, das vor allem im Globalen Positionsbestimmungssystem (Global Positioning System, GPS) angewendet wird. Dieses Verfahren basiert auf der Kenntnis des exakten Zeitpunkts, zu dem ein Signal von einer sendenden Signalisierungseinrichtung gesendet wurde, des exakten Zeitpunkts, zu dem das Signal an einer empfangenden Signalisierungseinrichtung ankommt, und der Geschwindigkeit, mit welcher sich das Signal bewegt (für Funksignale im Wesentlichen die Lichtgeschwindigkeit).
Das Ankunftszeit-Verfahren, in seiner Anwendung auf die Positionsbestimmungsvorrichtung 40, ist in 3 dargestellt. Ein Signal wird von der Einrichtung 34 gesendet und durch die Einrichtungen 32 und 33 empfangen. Der Betrieb der Einrichtungen wird durch die Prozesssteuereinrichtung 42 synchronisiert. Die Kenntnis der Zeitpunkte, zu denen das Signal von der Einrichtung 34 gesendet wird und an der Einrichtung 32 und an der Einrichtung 33 ankommt, ermöglicht es, die Weglängen zwischen den Einrichtungen 34 und 32 und zwischen den Einrichtungen 34 und 33 zu bestimmen. Und dies liefert genügend Informationen, um die relativen Positionen zu berechnen.
4 zeigt Koordinaten (x₀, y₀) und (x, y), die einer sendenden Einrichtung 32 und einer empfangenden Einrichtung 34 zugeordnet sind, die durch einen Abstand d getrennt sind. Sie zeigt außerdem Zeitpunkte t_s und t_a, die dem synchronisierten Senden (Übertragung) und der Ankunft (Empfang) des Signals zwischen den Einrichtungen 32, 34 zugeordnet sind. Es ist anzumerken, dass in 4 die Übertragungsrichtung des Signals entgegengesetzt zu derjenigen in 3 ist. Damit soll verdeutlicht werden, dass die Entscheidung, die Einrichtung 34 als Sender und die Einrichtungen 32 und 33 als Empfänger zu bestimmen, oder umgekehrt, einfach eine Designentscheidung ist. In ähnlicher Weise können die relativen Positionen als auf das Groundpad-Modul (GPM) 12 von 1 bezogen oder als auf das Carpad-Modul (CPM) 22 bezogen ausgedrückt werden.
Es wird auf 4 Bezug genommen; der Abstand d von der Signalisierungseinrichtung 32 an der Referenzposition (x₀, y₀) zur Ziel-Signalisierungseinrichtung 34 an der Position (x, y) kann unter Verwendung der einfachen Gleichung $d = c (t_{a} - t_{s})$

berechnet werden, wobei t_s der Zeitpunkt ist, zu dem das Signal gesendet wurde, t_a der Zeitpunkt der Ankunft des Signals ist und c die Geschwindigkeit des Funksignals, d. h. die Lichtgeschwindigkeit ist.
Unter Verwendung dieses Abstands d kann der Ort der Ziel-Signalisierungseinrichtung 34 bestimmt werden. In zwei Dimensionen ergibt dies einen Kreis mit der Gleichung: $d = \sqrt{{(x_{0} - x)}^{2} + {(y_{0} - y)}^{2}}$
Ein einziges Signal zwischen zwei Signalisierungseinrichtungen 32, 34 liefert nur ausreichend Informationen, um zu bestimmen, dass sich die Einrichtung 34 auf dem Umfang eines Kreises in einem Abstand d von der Koordinate (x₀, y₀), d. h. der Position der Einrichtung 32, befindet. Eine andere Signalisierungseinrichtung 33 liefert dann ähnliche Informationen in Bezug auf die Position dieser zweiten Signalisierungseinrichtung 33.
Wie in 5 dargestellt, versetzt die Verarbeitung eines Signals zwischen der Signalisierungseinrichtung 32 und der Signalisierungseinrichtung 34 das System in die Lage zu bestimmen, dass die Signalisierungseinrichtung 34 irgendwo auf dem Umfang eines Kreises 36 positioniert ist, der um die Signalisierungseinrichtung 32 zentriert ist. In ähnlicher Weise versetzt die Verarbeitung eines Signals zwischen der Signalisierungseinrichtung 33 und der Signalisierungseinrichtung 34 das System in die Lage zu bestimmen, dass die Signalisierungseinrichtung 34 irgendwo auf dem Umfang eines Kreises 37 positioniert ist, der um die Signalisierungseinrichtung 33 zentriert ist. Die Einrichtung 34 befindet sich dort, wo sich diese Linien 36, 37 schneiden.
Ein Nachteil der Verwendung der Kombination von einer plus zwei Signalisierungseinrichtungen, wie in 3, 5 und 6 dargestellt, ist daher die Zweideutigkeit der Position. Die Berechnungen führen zu den obigen quadratischen Gleichungen, und dies ergibt zwei mögliche Lösungen für die Position der Einrichtung 34. Wie in 5 dargestellt, kann sich die Einrichtung 34 an einer Position befinden, die durch das Kästchen 34' repräsentiert wird, oder an einer Position, die durch das Kästchen 34" repräsentiert wird. Nur eine Lösung 34' oder 34" ist korrekt.
Manchmal ist aus der vorhandenen Umgebung ersichtlich, dass eine Lösung nicht in Frage kommt. Zum Beispiel kann sich die Position 34' in einem Bereich befinden, welcher nicht einem Stellplatz entspricht oder beispielsweise hinter einer Wand liegt. Unter anderen Gegebenheiten, etwa auf einem öffentlichen Parkplatz, sind jedoch nicht genügend Informationen vorhanden, um zu bestimmen, ob sich der Pkw links oder rechts von den Einrichtungen 32, 33 und somit vom Groundpad-Modul 12 befindet. „Links“ und „rechts“ sind dabei relative Begriffe. Die Position könnte sich ebenso vorn oder hinten befinden, in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Groundpad-Moduls und des Fahrzeugs.
Unter diesen Umständen kann das System 40 dafür ausgelegt sein, die nicht korrekte berechnete Position zu entfernen. Wo dies nicht möglich ist, werden weitere Informationen benötigt, um eine genaue Bestimmung der relativen Positionen sicherzustellen.
In 6 ist eine dritte Signalisierungseinrichtung 38 zu dem Groundpad-Modul 12 (GPM - in 6 nicht dargestellt) hinzugefügt worden, um weitere Abstandsinformationen in Bezug auf die Signalisierungseinrichtung 34 am Carpad-Modul 22 (CPM - in 6 nicht dargestellt) zu liefern. Wie aus der schematischen Darstellung ersichtlich ist, ermöglicht die zusätzliche Signalisierungseinrichtung 38 die Berechnung der Position der Einrichtung 34 als auf dem Umfang eines Kreises 39 liegend, der um die Einrichtung 38 zentriert ist. Der Punkt, wo sich die Umfänge der drei Kreise schneiden, ist eindeutig die Position, an welcher sich die Signalisierungseinrichtung 34 befindet.
Es können weitere Signalisierungseinrichtungen in das System integriert sein, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen. Eine Vier-plus-Eins- oder Vier-plus-Zwei-Kombination liefert eine höhere Genauigkeit als ein System, das auf einer Drei-plus-Eins- oder Drei-plus-Zwei-Kombination von Signalisierungseinrichtungen basiert. Dies ist jedoch auch mit einer Erhöhung der Kosten und des Gewichts des Systems verbunden. Tatsächlich kann für bestimmte Protokolle eine größere Anzahl von Einrichtungen erforderlich sein, um genügend Daten für die Positionsberechnung zu gewinnen. Der Kompromiss beinhaltet hier natürlich, dass mehr Elemente die Kosten erhöhen und zusätzliches Gewicht zu dem GPM oder CPM hinzufügen. Die Anzahl der Signalisierungseinrichtungen und ihre Anordnung an GPM oder CPM ist daher eine Designentscheidung, die durch solche technischen Beschränkungen, wie Kosten, Gewicht und Genauigkeit, bestimmt wird.
Ein anderes Positionsbestimmungsprotokoll, das unter der Bezeichnung Two-way Ranging (TWR, Zwei-Wege-Entfernungsmessung) bekannt ist, ist in 7 dargestellt.
Das Signal wird durch die Einrichtungen 32, 33 empfangen, welche Signale zurück zur Einrichtung 34 senden. Die Zeit, welche die Signale benötigen, um zu den Einrichtungen 32, 33 und zurück zur Einrichtung 34 zu laufen, ist proportional zur Entfernung zwischen den Einrichtungen 34 und 32 und den Einrichtungen 34 und 33. Dieser Ansatz ist dort von Nutzen, wo eine Synchronisation von Takten nicht möglich ist.
Dieser Ansatz der Zwei-Wege-Übertragung ermöglicht eine Kompensation von Unterschieden zwischen Takten in der sendenden Einrichtung und der empfangenden Einrichtung 32, 33, 34. Natürlich werden interne Verzögerungen in den Einrichtungen, z. B. zwischen dem Empfangen des Signals durch die Einrichtung und dem Senden eines Antwortsignals, beim Bestimmen von Zeiten und somit beim Berechnen von Entfernungen ebenfalls berücksichtigt. Nachdem die Entfernungen bestimmt worden sind, ist es eine einfache Angelegenheit, die relativen Positionen zu berechnen.
Time Difference of Arrival (TDoA, Zeitdifferenz der Ankunft) ist Time of Arrival (ToA, Ankunftszeit) darin ähnlich, dass es auf Ankunftszeiten von Signalen beruht. Time Difference of Arrival (TDoA) ist insofern vielseitiger anwendbar als ToA, als es nicht den Zeitpunkt benötigt, zu dem das Signal von einer Ziel-Signalisierungseinrichtung 34 (siehe 4) gesendet wurde. TDoA muss nur die Geschwindigkeit, mit welcher das Signal übertragen wird (d. h. die Lichtgeschwindigkeit, für Funkverbindungen), und die Zeitpunkte, zu denen das Signal durch die Signalisierungseinrichtungen 32, 33 empfangen wurde, kennen.
Die Prozesssteuereinrichtung 42 synchronisiert den Betrieb der Signalisierungseinrichtungen 32, 33 zeitlich, so dass die Differenz zwischen den Ankunftszeiten bestimmt werden kann. Die Differenz zwischen den Ankunftszeiten wird verwendet, um die Differenz der Entfernungen zwischen der Ziel-Signalisierungseinrichtung 34 (d. h. der Einrichtung, deren Position bestimmt werden soll) und den zwei Referenz-Signalisierungseinrichtungen 32, 33 (d. h. den Einrichtungen, deren Positionen bekannt sind) zu berechnen.
Diese Entfernungsdifferenz Δd wird unter Verwendung der Gleichung $Δ d = c (Δ t)$
berechnet, wobei Δt die Differenz zwischen den Ankunftszeiten an den zwei anderen Signalisierungseinrichtungen 32, 33 ist. Dies führt zu der Gleichung $Δ d= \sqrt{{(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2}} + \sqrt{{(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2}},$
wobei (x₁, y₁) und (x₂, y₂) die bekannten Positionen der Signalisierungseinrichtungen 32, 33 sind und (x, y) die Position der Signalisierungseinrichtung 34 ist.
Zu den weiteren Positionsbestimmungsprotokollen, die zur Verwendung bei der Berechnung relativer Positionen des Groundpad-Moduls (GPM) 12 von 1 und des Carpad-Moduls (CPM) 22 geeignet sind, gehört Phase Difference of Arrival (PDoA, Phasendifferenz der Ankunft). In einem PDoA-System sind zwei empfangende Signalisierungseinrichtungen nahe zueinander angeordnet, in einem Abstand, der kleiner als eine halbe Wellenlänge des gesendeten Signals ist, um eine mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad (±π/2) verbundene Zweideutigkeit zu vermeiden, welche andernfalls entstehen würde. Aus einer PDoA-Verarbeitung durch die Prozesssteuereinrichtung 42 resultieren Daten, die einen Winkel repräsentieren. Daten von mehreren Empfängern können bei Triangulationsberechnungen verwendet werden, um eine Position zu bestimmen.
Zusätzlich zu dem, was unter Bezugnahme auf 4, 5 und 6 beschrieben wurde, kann eine Position aus Zeitinformationen unter Verwendung anderer Positionsbestimmungsprotokolle und mathematischer Ansätze berechnet werden. Orthogonale Koordinaten (x, y) (49 - siehe 2) könnten durch Polarkoordinaten (r, Φ) ersetzt werden. Der gewählte mathematische Ansatz hängt in unterschiedlichem Maße von dem Positionsbestimmungsprotokoll ab, das verwendet wird. Die mathematischen Details sind an anderer Stelle dokumentiert und werden um der Kürze willen hier nicht im Einzelnen beschrieben.
Es sind firmeneigene Signalisierungseinrichtungen erhältlich, welche einen Two-way-Ranging-Ansatz mit der Bezeichnung „Asymmetric Double-sided Two-way Ranging“ (asymmetrische doppelseitige Zwei-Wege-Entfernungsmessung) verwenden, bei dem verschiedene Verfahren zur Anwendung kommen, um Fehler und andere Ungenauigkeiten zu eliminieren. Einrichtungen, welche diesen asymmetrischen Ansatz verwenden, sind zur Verwendung im System 40 geeignet.
8 zeigt Pkw 51, 52, 53 relativ zu Stellplätzen 54, 55, 56. Ein Groundpad-Modul GPM 12 ist im Stellplatz 54 an einer Position angeordnet, die zweckmäßig dafür ist, dass der Pkw 51 mit seinem Carpad-Modul CPM 22 in einer solchen Position parkt, dass die Spulen (nicht dargestellt) im CPM 22 und im GPM 12 zueinander ausgerichtet sind. Es sind vier Einrichtungen zur Positionssignalisierung 58a-58d in der Nähe des Stellplatzes 54, z. B. um den Stellplatz herum, angeordnet, und es werden Signale zwischen diesen Signalisierungseinrichtungen 58a-58d und Signalisierungseinrichtungen 34a, 34b am CPM 22 am Pkw 51 übertragen.
Offensichtlich befinden sich die Signalisierungseinrichtungen 58a-58d nicht am GPM 12. Die Positionen des GPM 12 und der Signalisierungseinrichtungen sind jedoch statisch, und ihre räumliche Beziehung ist daher bekannt. Die Positionen der Signalisierungseinrichtungen 58a-58d können daher durch den jeweiligen Versatz I, J, K, L, beispielsweise zum Mittelpunkt der Spule im CPM 12, definiert werden. Die Position des GPM 12 kann aus der räumlichen Beziehung leicht bestimmt werden und ist somit ebenfalls bekannt.
Während sich der Pkw 51 dem Stellplatz 54 nähert, werden Signale zur Positionsbestimmung zwischen den Einrichtungen 58a-58d, die dem Stellplatz 54 zugeordnet sind, und den Einrichtungen 34a, 34b, die dem CPM 22 am Pkw 51 zugeordnet sind, übertragen. Die Position der Einrichtungen 34a, 34b und somit diejenige des CPM 22 und tatsächlich des Pkw 51 wird berechnet, indem die Signale auf die oben beschriebene Weise verarbeitet werden. Die Position wird wiederholt berechnet, um das Fahrzeug, während es sich in Richtung des Stellplatzes bewegt, mit Führungsinformationen zu versorgen.
Das Groundpad-Modul 12 im Stellplatz 55 weist Signalisierungseinrichtungen 32, 33 auf, welche mit ähnlichen Einrichtungen am Carpad-Modul 22 im Pkw 52 zusammenwirken, während der Pkw in den Stellplatz einfährt. Diese Anordnung funktioniert auf dieselbe Weise, wie es bereits unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben wurde.
Der Pkw 53, der bereits auf dem Stellplatz 56 abgestellt ist, weist Einrichtungen zur Positionssignalisierung 31a-31d auf, die sich an verschiedenen Positionen an seiner Karosserie befinden. Jede der Einrichtungen 31a-31d ist zum CPM 22 um einen Versatzvektor i, j, k, l versetzt. Die Position des CPM 22 ist daher bekannt und wird berücksichtigt, wenn der Pkw 53 in den Stellplatz 56 geführt wird.
Positionsbestimmungssysteme wie das hier beschriebene liefern sehr genaue Positionsinformationen, bis hinunter zu ein paar Zentimetern, wenn die statischen Signalisierungseinrichtungen 32, 33 (auch „Anker“ genannt) einen Bereich (z. B. den Bereich 59 in 8) umschließen und die beweglichen Signalisierungseinrichtungen 34 (auch „Tags“ genannt) sich innerhalb des definierten Bereichs befinden.
Die Positionsgenauigkeit kann beeinträchtigt werden, wenn die Signalisierungseinrichtungen nahe beieinander sind. Dies kann ein Problem sein, wenn die Signalisierungseinrichtungen nahe zusammen am Groundpad-Modul 12 und/oder nahe zusammen am Carpad-Modul 22 angeordnet sind, wie es beim Stellplatz 55 und Pkw 52 in 8 der Fall ist. In dieser Situation sind die Signalisierungseinrichtungen des GPM (Anker) gewöhnlich weniger als 600 mm - die typische Breite eines GPM - voneinander entfernt, und die Signalisierungseinrichtungen des CPM (Tags) sind weniger als 300 mm - die typische Breite eines CPM - voneinander entfernt.
Wo es möglich ist, hilft die Anordnung von Ankern 58a-58d rund um den Stellplatz 54 herum (siehe 8), dieses Problem zu mildern. In ähnlicher Weise dient die Anordnung von Tags 31a-31d rund um den Pkw 56 in 8 herum dazu, die Genauigkeit gegenüber derjenigen, die mit auf dem CPM zusammengedrängten Signalisierungseinrichtungen erzielt wird, zu verbessern. Eine solche Anordnung ist natürlich von den Nebenbedingungen der speziellen Implementierung abhängig.
Die Positionsgenauigkeit kann sich mit der Entfernung auch schnell verringern, wenn sich die Signalisierungseinrichtungen oder Tags am Pkw außerhalb des definierten Bereichs 59 befinden. Dies ist in 9 und 10 dargestellt, in denen Diagramme verschiedene Linien zeigen, die verschiedene Grade der Genauigkeit oder Toleranz repräsentieren. Diese Diagramme wurden bei Simulationen erzeugt und kommen Versuchsergebnissen nahe, die anschließend erhalten wurden. Jedes Diagramm 70, 74 weist eine horizontale Achse auf, die eine Entfernung (D) zwischen dem Groundpad-Modul 12 und dem Carpad-Modul 22 (siehe 1) in Metern repräsentiert. Die vertikale Achse repräsentiert die Genauigkeit (A) der berechneten Entfernung in Metern.
In 9 repräsentiert die Linie 72 eine Positionsbestimmung mit einem willkürlich festgelegten Genauigkeitsgrad, der, zum Zwecke der Veranschaulichung, als annehmbar für ein System mit einer gegebenen Bauart angesehen wird. Wenn sich ein Fahrzeug außerhalb eines Stellplatzes befindet, z. B. der Pkw 51 in 8, kann eine Toleranz oder Genauigkeit von ungefähr 8-10 % durchaus annehmbar sein. Wenn das Fahrzeug einem Stellplatz näherkommt und dann in ihn einfährt, z. B. der Pkw 52 in 8, ist eine höhere Genauigkeit erforderlich, wenn sich die Carpad-Einheit in eine zur Groundpad-Einheit ausgerichtete Position bewegt.
Dieselbe Linie 72 ist im Diagramm 74 in FG. 10 in einem größeren Maßstab dargestellt. Die Linie wurde lediglich mit der Bezeichnung 72' versehen, um das Diagramm 74 vom Diagramm 70 zu unterscheiden. Die Linie ist in beiden Diagrammen dieselbe. In 10 ist das Diagramm 74 über einer kleineren Entfernung von null bis zu einem Meter dargestellt, während die Skala des Diagramms 70 in 9 von null bis 14 m reicht. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird hier gefordert, dass das Positionsbestimmungssystem eine Toleranz von 2-3 cm aufweist, d. h., ab einer Entfernung zwischen dem GPM und dem CPM von weniger als 0,5 m darf die berechnete Position von der tatsächlichen Position um nicht mehr als 2-3 cm abweichen.
Zusätzlich zu der Linie 72, 72', die eine gewünschte Toleranz oder Genauigkeit repräsentiert, zeigen die beiden Diagramme 70 und 74 zwei Linien 76, 76' und 77, 77', welche die Genauigkeit eines Systems repräsentieren, in dem Time Difference of Arrival (TDoA) als das Positionsbestimmungsprotokoll verwendet wird. Hierbei sind die Signalisierungseinrichtungen funkbasiert und weisen Antennen mit leicht unterschiedlichen Charakteristiken entlang der Achse und entlang der Diagonalen auf. Die Linie 76, 76' zeigt die Genauigkeit entlang der Achse und die Linie 77, 77' die Genauigkeit entlang der Diagonalen. Beide Linien 76' und 77' verlaufen in dem kurzen Bereich von weniger als ca. 0,4 m nahe und unterhalb der Linie der gewünschten Toleranz 72' und sind annehmbar. Die Linie 72' wechselt bei 0,5 m aufgrund der Art und Weise, wie diese Toleranzlinie 72' definiert worden ist, abrupt von einem diagonalen zu einem horizontalen Verlauf. Die Linie 76' verläuft leicht oberhalb der abrupten Änderung in Linie 72'. Dies ist lediglich ein durch die Definition der abrupten Änderung künstlich hervorgerufener Effekt, welcher in der Praxis sehr wenig Unterschied macht.
Wie sowohl aus 9 als auch 10 ersichtlich ist, verlaufen die TDoA-Linien 76, 76' und 77, 77' bei Entfernungen über 0,5 m schnell über die Linie 72, 72' der erforderlichen Toleranz hinaus nach oben. Dies bedeutet, dass TDoA, obwohl es in der Lage ist, eine annehmbare Toleranz zu gewährleisten, wenn das Fahrzeug den Stellplatz erreicht und die Tags sich innerhalb desselben befinden, es bei größeren Entfernungen außerhalb des Stellplatzes nicht imstande ist, die gewünschte Toleranz zu liefern.
TDoA bietet jedoch auch den Vorteil, dass es in der Lage ist, Winkelinformationen zur Verfügung zu stellen. Diese Winkelinformationen bleiben sogar außerhalb des Stellplatzes nützlich. Die Winkelinformationen können noch immer bei den Berechnungen zur Positionsbestimmung verwendet werden. Natürlich sind die Winkelinformationen auch von Nutzen, wenn es darum geht, das Fahrzeug 51, 52, 53 auf einem Stellplatz 54, 55, 56 (siehe 8) auszurichten.
Auch wenn dies in 9 oder 10 nicht dargestellt ist, ist anzumerken, dass das Protokoll Phase Difference of Arrival (PDoA) in ähnlicher Weise gute Winkelinformationen liefert, welche sowohl für die Entfernungsbestimmung als auch für die endgültige Ausrichtung des Pkw innerhalb des Stellplatzes von Nutzen sind. PDoA kann daher ebenso gut wie oder anstelle von TDoA verwendet werden.
Die Diagramme von 9 und 10 zeigen außerdem eine Linie 78, 78', welche die Genauigkeit einer Anordnung gemäß Two-way Ranging (TWR) oder Time of Flight (ToF) repräsentiert. Wie aus 10 ersichtlich ist, ist die Genauigkeit dieses Positionsbestimmungsprotokolls ToF unterhalb von ca. 0,5 m derjenigen des Protokolls TDoA ähnlich. Sie ist jedoch bei Entfernungen, die größer als ca. 0,5 m sind, wesentlich besser und liegt deutlich innerhalb der gewünschten Toleranz. ToF ist daher zur Verwendung beim Führen eines Pkw oder anderen Fahrzeugs über mehrere Meter zu einem Stellplatz hin geeignet.
Eine Möglichkeit der Implementierung der zwei Ansätze wäre, TWR oder ToF außerhalb des Stellplatzes zu verwenden und dann zu TDoA oder PDoA zu wechseln, um das Fahrzeug zu führen, wenn es in einen Stellplatz einfährt, wie es z. B. für den Pkw 52 und den Stellplatz 55 dargestellt ist. Die Verwendung einer Kombination der beiden Positionsbestimmungsprotokolle sowohl außerhalb als auch innerhalb des Stellplatzes liefert jedoch eine höhere Genauigkeit als die Verwendung von nur einem allein. Einfach ausgedrückt, TWR ist gut für die Entfernung, und TDoA ist gut für den Winkel. Zusammen liefern sie eine höhere Genauigkeit als einzeln, besonders, aber nicht nur, außerhalb des Stellplatzes. Die Implementierung von zwei verschiedenen Protokollen erfordert keine zusätzliche Hardware. Dieselben Signalisierungseinrichtungen können für beide verwendet werden.
Im Obigen wurde angenommen, dass die Signalisierung, die durch das Positionsbestimmungssystem erfolgt, mithilfe von Funksignalen durchgeführt wird, die von den Signalisierungseinrichtungen 32, 33, 34 gesendet, empfangen oder gesendet und empfangen werden. Die Verwendung von Funksignalen ist gebräuchlich, sie ist jedoch nicht der einzige Ansatz.
Andere geeignete Signalisierungseinrichtungen sind Ultraschall-Laufzeitsensoren, welche einen Ultraschallimpuls aussenden und dann auf Echos warten, die von Zielen im Sichtfeld des Sensors zurückgesendet werden. Durch Berechnen der Entfernung auf der Basis der Laufzeit (Time of Flight, ToF) und der Schallgeschwindigkeit kann der Sensor die Entfernung eines Objekts von einer Einrichtung bestimmen.
Ein anderer Ansatz wäre, Baken als die sendenden Signalisierungseinheiten zu verwenden, um Signale an mehrere Empfänger auszusenden, welche dafür ausgelegt sind, ihre Leistung zu messen. Die Leistungen der empfangenen Signale würden für verschiedene Empfänger verglichen, und der Empfänger, der die Bake mit dem höchsten Leistungspegel „hört“, wird als der Bake am nächsten betrachtet.
Moderne Pkw werden in zunehmendem Maße so konzipiert, dass sie mehr Signalisierungseinrichtungen, Sensoren und Überwachungsteilsysteme aufweisen, um viele Routinevorgänge zu steuern, die mit dem Betrieb und dem Fahren des Fahrzeugs zusammenhängen. Im Interesse einer Kosteneinsparung und in Abhängigkeit von der Ausrüstung, die mit einem bestimmten Modell eines Pkw zu liefern ist, kann es möglich sein, einige der anderen Ausrüstungsteile zu verwenden, um den Prozess des Ausrichtens zu unterstützen. Geeignete vorhandene Sensoren, die für andere Teilsysteme vorgesehen sind, können bei der oben beschriebenen Bestimmung der Entfernung eingesetzt werden. Zum Beispiel können Daten von am Fahrzeug vorgesehenen Beschleunigungsmessern oder Trägheitssensoren in die Prozesssteuereinrichtung 42 (2) eingespeist werden, um zusätzliche Winkelinformationen zu liefern.
Moderne Fahrzeuge umfassen gewöhnlich eine Benutzerschnittstelle, d. h. einen Monitor im Armaturenbrett, welcher während des Stillstands und während der Fahrt nützliche Fahrzeuginformationen anzeigt. Die Positionsbestimmungsvorrichtung kann dafür ausgelegt sein, Positionsdaten an die Benutzerschnittstelle zur Anzeige von Ortsinformationen auszugeben, welche den Fahrer beim Einparken des Fahrzeugs unterstützen, so dass die Spulen des Ladesystems zueinander ausgerichtet sind. Es können Daten von dem System zur Bestimmung der Spulenposition angezeigt werden, um eine visuelle Unterstützung beim Einparken zu leisten. Oder Daten können einem Selbsteinparksystem zur Verfügung gestellt werden, um eine Spulenausrichtung in dessen Funktionalität zu integrieren. Bei Pkw, die mit einem Selbsteinpark-Merkmal ausgestattet sind, können die Ausgangsdaten der Positionsbestimmungsvorrichtung in die Selbsteinparkeinrichtung eingespeist werden, um diese Einrichtung beim Führen des Pkw zur korrekten Ladeposition, z. B. in einer Garage oder einem Stellplatz, zu unterstützen.
Nachdem unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Vorrichtung zur Verwendung beim Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Magnetspule am Fahrzeug relativ zu einer Speise-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Speisespule übertragen werden kann; ein Pad-Modul zur Verwendung mit einem anderen Pad-Modul, um Leistung in einem Ladesystem eines Elektrofahrzeugs magnetisch zu übertragen; und ein Verfahren zum Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Fahrzeug-Magnetspule relativ zu einer Boden-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Bodenspule übertragen werden kann, beschrieben worden sind, versteht es sich, dass dieselben nur als Beispiele beschrieben wurden, und dass Änderungen und Abwandlungen, wie sie denen, die über die entsprechenden Kenntnisse und Fertigkeiten verfügen, in den Sinn kommen werden, vorgenommen werden können, ohne von der Grundidee und vom Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten dargelegt, abzuweichen.

Claims

Pad-Modul zur Verwendung mit einem anderen Pad-Modul, um Leistung in einem Ladesystem eines Elektrofahrzeugs magnetisch zu übertragen, wobei das Pad-Modul umfasst: entweder wenigstens eine Signalisierungseinrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Positionsbestimmungssignalen an oder von zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen, die dem anderen Pad-Modul zugeordnet sind, oder zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen zum Senden und/oder Empfangen von Positionsbestimmungssignalen an oder von wenigstens einer Signalisierungseinrichtung, die dem anderen Pad-Modul zugeordnet ist; eine Prozesssteuereinrichtung, die mit der Signalisierungseinrichtung oder den Signalisierungseinrichtungen gekoppelt ist, zum Steuern des Sendens und/oder Empfangs von Positionsbestimmungssignalen durch die Signalisierungseinrichtungen, Verarbeiten von Positionsbestimmungssignalen, um zeitbezogene Informationen zu gewinnen, welche Differenzen sowohl zwischen Senden und Empfang von Signalen als auch zwischen mehreren empfangenen Signalen betreffen, und Bestimmen von Entfernungen zwischen dem Pad-Modul und dem anderen Pad-Modul zugeordneten Signalisierungseinrichtungen daraus.
Pad-Modul nach Anspruch 1, wobei die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, zeitbezogene Informationen aus den Positionsbestimmungssignalen unter Verwendung von wenigstens zwei Positionsbestimmungsprotokollen aus einer Menge von Protokollen zu gewinnen, welche Time of Flight, Two-way Ranging, Time Difference of Arrival und Phase Difference of Arrival umfasst.
Pad-Modul nach Anspruch 2, wobei die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, wenigstens zwei der Positionsbestimmungsprotokolle zusammen zu verwenden, um Positionsinformationen über eine längere Reichweite zu bestimmen, und wenigstens eines der zwei Protokolle zu verwenden, um Positionsinformationen über eine kürzere Reichweite zu bestimmen.
Pad-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine Magnetspule zur Übertragung von Leistung umfasst, und wobei sich die Signalisierungseinrichtung oder die Signalisierungseinrichtungen im Pad-Modul an einer bekannten Position oder Positionen in Bezug auf die Spule befinden, und wobei die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, die Positionsbestimmungssignale zu verarbeiten, um die Position des anderen Pad-Moduls in Bezug auf die Spule zu bestimmen.
Pad-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches ferner eine Magnetspule zur Übertragung von Leistung umfasst, und wobei das Pad-Modul zum Einbau an einem Ort geeignet ist, die Signalisierungseinrichtung oder die Signalisierungseinrichtungen zur Anordnung an dem Ort getrennt von dem Pad-Modul an einer bekannten Position oder Positionen in Bezug auf die Spule geeignet sind und die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, die Positionsbestimmungssignale zu verarbeiten, um die Position des anderen Pad-Moduls in Bezug auf die Spule zu bestimmen.
Pad-Modul nach Anspruch 5, wobei das Pad-Modul zum Einbau an einem Fahrzeug als Fahrzeugpad-Modul geeignet ist und die Signalisierungseinrichtung oder die Signalisierungseinrichtungen zur Anordnung an Orten am Fahrzeug geeignet sind.
Pad-Modul nach Anspruch 5, wobei das Pad-Modul zum Einbau an einer Parkposition als Groundpad-Modul geeignet ist und die Signalisierungseinrichtung oder die Signalisierungseinrichtungen zur Anordnung an Orten in der Nähe der Parkfläche geeignet sind.
System zur induktiven Leistungsübertragung, welches ein Fahrzeugpad-Modul nach Anspruch 6 und ein Groundpad-Modul nach Anspruch 7 umfasst.
System zur induktiven Leistungsübertragung nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeugpad-Modul die wenigstens eine Signalisierungseinrichtung umfasst und das Groundpad-Modul die zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen umfasst.
Vorrichtung zur Verwendung beim Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Magnetspule am Fahrzeug relativ zu einer Speise-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Speisespule übertragen werden kann, wobei die Vorrichtung umfasst: Signalisierungseinrichtungen, die relativ zur Speise- und zur Fahrzeugspule anbringbar sind, wobei wenigstens eine Signalisierungseinrichtung entweder der Fahrzeugspule oder der Speisespule zugeordnet ist und wenigstens zwei Signalisierungseinrichtungen der anderen von der Fahrzeugspule und der Speisespule zugeordnet sind, wobei jede Signalisierungseinrichtung in der Lage ist, Signale an andere oder von anderen der Signalisierungseinrichtungen zu senden oder zu empfangen oder zu senden und zu empfangen; eine Prozesssteuereinrichtung, die mit den Signalisierungseinrichtungen gekoppelt ist, zum Steuern des Sendens und/oder Empfangs von Positionsbestimmungssignalen durch die Signalisierungseinrichtungen, Verarbeiten von empfangenen Signalen, um zeitbezogene Informationen zu gewinnen, welche Differenzen sowohl zwischen Senden und Empfang von Signalen als auch zwischen mehreren empfangenen Signalen betreffen, und Bestimmen von Entfernungen zwischen Signalisierungseinrichtungen und somit der relativen Position der Speise- und der Fahrzeugspule daraus.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, zeitbezogene Informationen aus den Positionsbestimmungssignalen unter Verwendung von wenigstens zwei Positionsbestimmungsprotokollen aus einer Menge von Protokollen zu gewinnen, welche Time of Flight, Two-way Ranging, Time Difference of Arrival und Phase Difference of Arrival umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Prozesssteuereinrichtung dafür ausgelegt ist, wenigstens zwei der Positionsbestimmungsprotokolle zusammen zu verwenden, um Positionsinformationen über eine längere Reichweite zu bestimmen, und wenigstens eines der zwei Protokolle zu verwenden, um Positionsinformationen über eine kürzere Reichweite zu bestimmen.
Verfahren zum Führen eines Elektrofahrzeugs zu einer Position, in welcher eine Fahrzeug-Magnetspule relativ zu einer Boden-Magnetspule an einer Ladestation so angeordnet ist, dass Energie zwischen der Fahrzeugspule und der Bodenspule übertragen werden kann, wobei das Verfahren umfasst: Senden von Positionsbestimmungssignalen von wenigstens einer oder von zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen; Empfangen von Positionsbestimmungssignalen entweder von wenigstens einer Signalisierungseinrichtung durch zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen oder von zwei oder mehr Signalisierungseinrichtungen durch eine Signalisierungseinrichtung; Verarbeiten empfangener Signale, um zeitbezogene Informationen zu gewinnen, welche Differenzen sowohl zwischen Senden und Empfang von Signalen als auch zwischen mehreren empfangenen Signalen betreffen; und Bestimmen von Entfernungen zwischen Signalisierungseinrichtungen und somit der relativen Position der Speise- und der Fahrzeugspule daraus.
Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner das Gewinnen zeitbezogener Informationen aus den Positionsbestimmungssignalen unter Verwendung von wenigstens zwei Positionsbestimmungsprotokollen aus einer Menge von Protokollen umfasst, welche Time of Flight, Two-way Ranging, Time Difference of Arrival und Phase Difference of Arrival umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner das Verarbeiten von Signalen unter Verwendung von wenigstens zwei der Positionsbestimmungsprotokolle zusammen, um Positionsinformationen über eine längere Reichweite zu bestimmen, und unter Verwendung wenigstens eines der zwei Protokolle, um Positionsinformationen über eine kürzere Reichweite zu bestimmen, umfasst.