WO2019086690A1 - Verfahren zum betrieb einer überwachungsvorrichtung einer induktiven energieübertragungseinheit - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer überwachungsvorrichtung einer induktiven energieübertragungseinheit Download PDF

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WO2019086690A1
WO2019086690A1 PCT/EP2018/080240 EP2018080240W WO2019086690A1 WO 2019086690 A1 WO2019086690 A1 WO 2019086690A1 EP 2018080240 W EP2018080240 W EP 2018080240W WO 2019086690 A1 WO2019086690 A1 WO 2019086690A1
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sensor
coil
vehicle
receiving coil
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Philipp Schumann
Tim POGUNTKE
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Electric vehicles usually have an electric
  • Energy storage such as a traction battery that provides the electrical energy for the drive. If this electrical energy store is completely or partially discharged, then the electric vehicle has to control a charging station, at which the energy store can be recharged. So far, it is customary for this purpose that the electric vehicle is connected to the charging station by means of a cable connection at such a charging station. This connection must usually be made manually by a user. It is also necessary that charging station and electric vehicle have a mutually corresponding connection system.
  • Document DE 10 2011 010 049 A1 discloses such a system for charging a vehicle battery, in which the energy is transmitted inductively. Furthermore, the energy storage of the electric vehicle also for
  • Regenerating be used.
  • a cable connection or an inductive power transmission can also be used.
  • Vehicle a gap or air gap.
  • Air gaps in the size of 15-25 cm are very common, unless an ideal small air gap is achieved by measures such as lowering the vehicle-fixed coil, the entire vehicle or lifting the stationary coil or a combination of these measures. Due to the strong magnetic fields associated with relatively high magnetic
  • a system for wireless energy transmission is described for example in DE 10 2009 033 236 AI.
  • the monitoring of the gap in contactless charging takes place here by means of ultrasonic, radar or infrared or electronic image sensors.
  • a disadvantage of the monitoring mentioned in DE 10 2009 033 236 A1 is that it does not allow both materials to be penetrated, to be concealed, a high
  • inventive method with the characterizing part of claim 1 has the advantages of being able to detect both an object, as well as a living being and movements in the transmission range of the inductive energy transmission path.
  • Monitoring device of an inductive power transmission unit provided with a transmitting coil and a receiving coil spaced from the transmitting coil receiving coil, wherein the monitoring device is adapted to a gap between the transmitting coil and the receiving coil and a
  • the monitoring device since it is only connected to the vehicle, in other cases, such as parking operations, are used to monitor the area under the vehicle to protect, for example, animals or the vehicle from damage when driving over dangerous
  • Monitoring devices are arranged in or on a vehicle, wherein the monitoring device comprises a sensor, wherein the
  • Monitoring device by means of the sensor an object in the space and / or in the environment about angular, distance and radial
  • Step (C) the monitoring system supplied by the object
  • Doppler information is evaluated and in a fourth step (D) the
  • An advantage of the method is that only a single sensor (there are quite a number of sensors used) is used, for example, behind the plastic panel of the front or rear bumper or the subfloor is attached.
  • the monitoring device also has the advantage that the entire danger area - here the gap between
  • the Surrounding transmit and receive coils the environment - can be lit and monitored.
  • the method thus advantageously makes it possible to monitor the air gap of an inductive energy transmission path before and during the energy transmission by means of the monitoring device and thus to ensure that during the energy transmission there are no foreign bodies or organisms in this air gap or penetrate.
  • the use of the chirp sequence method (the repeated sequence of FMCW ramps) allows the evaluation of distance and speed information of a detected object.
  • the detection area under the vehicle can be spatially limited, which provides a robust evaluation, since
  • An essential advantage of the present invention is that it ensures, during the entire energy transmission, that there are no interfering foreign objects (such as objects or organisms) in the space between the transmitting coil and the receiving coil.
  • Transmitter coil and receiving coil penetrate, suffered by the strong magnetic field damage.
  • penetrating objects especially metal-containing objects, heat up through the strong magnetic field and may even catch fire.
  • Such intrusion of both animals and other debris can be reliably detected by the interspace monitoring of the invention. If necessary, appropriate action can then be taken.
  • Reception coil must be monitored to ensure safety, for example, for living objects.
  • the monitoring system switches on the charging process in the fifth step (E) again if no target-doppler signature is detected.
  • the detected object is classified as non-dangerous. This allows the safe operation of the charging process.
  • the senor is a radar sensor. Just by monitoring the gap between the transmitting and receiving coil by means of a radar, the magnetic field of energy transfer is not disturbed. The magnetic field for energy transfer and the radar beams of the
  • the monitoring device for distance measurement by means of the sensor uses a modulation method, preferably Frequency Modulated Continuous Wave.
  • Modulated continuous wave radar devices or FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave Radar) radar, are mainly used as distance or altimeters with a short range.
  • the distance to an object can be measured correspondingly advantageously.
  • the monitoring device uses the Doppler effect for measuring radial speeds of the object by means of the sensor.
  • the Doppler effect is the temporal compression or elongation of a signal with changes in the distance between transmitter and receiver during the
  • Object which is preferably in the space between the transmitting and receiving coil or in the environment occurs. Furthermore, it is advantageous that the monitoring device for
  • Angle measurement using the sensor uses the phased array technique and / or the monopulse method.
  • the use of, for example, electronically tiltable phased array antennas, allows the fast and accurate tracking of a moving object.
  • the senor has multiple transmit and
  • Receive channels These allow the measurement or estimation of the angle of the object to be detected. Angular and distance information together provide a unique position of the object.
  • the monitoring device preferably operates the sensor at 79 GHz.
  • the advantage of using a radar sensor in the 79 GHZ band is that the licensing for the application already exists (standard frequency for automotive applications) and the sensor has a correspondingly small size.
  • the sensor is operated at 120 GHz, for example.
  • the monitoring device is advantageously designed to detect the penetration of an object into the space between the transmitting coil and the receiving coil and to deactivate the transmitting coil if an intrusion of an object has been detected. In this way, the inductive energy transfer can be stopped quickly. Thus, a penetrating object is not exposed to the magnetic field of the transmitting coil.
  • Fig. 1 a schematic representation of the method
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a cross section through a vehicle with a monitoring device of an inductive energy transmission unit according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention or the components according to an embodiment of the invention.
  • the monitoring device 3 is part of an inductive power transmission unit 8 with a transmitting coil 1 and a receiving coil 2 spaced from the transmitting coil 1.
  • the monitoring device 3 is designed to have a gap 30 between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 and an environment 31, outside the intermediate space 30 to monitor.
  • Receiving coil 2 and the monitoring device 3 are arranged in or on a vehicle 20, wherein the monitoring device 3 has a sensor 6, wherein the monitoring device 3 by means of the sensor 6, an object 7 in the space 30 and / or in the environment 31 via angular, distance and radial velocity measurements are localized using the Chirp Sequence method.
  • a first step A the charging process is switched on and the
  • Monitoring device 3 monitors by means of the sensor 6, the gap 30 for penetrating objects.
  • a second step B is the
  • a third step C the monitoring system 3 evaluates the Doppler information supplied by the object 7, and in a fourth step D the
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of the method according to the invention or the components according to a further embodiment of the invention. Same elements with respect to Figure 1 are the same
  • Monitoring system 3 switches the charging process on again in the fifth step E if no target-doppler signature is detected. In this case, the detected object 7 is classified as non-dangerous.
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of the method according to the invention or of the components according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the same elements with respect to Figure 1 and 2 are provided with the same reference numerals and are not explained in detail.
  • Monitoring system 3 removes the signature of the detected object 7 in a sixth step F by background printing and provides the
  • FIG. 4 shows a vehicle 20 which is located above an inductive charging station or
  • inductive power transmission unit 8 is turned off.
  • the same elements with respect to Figure 1, 2 or 3 are provided with the same reference numerals and are not explained in detail.
  • the vehicle 20 is turned off so that the receiving coil 2 of the vehicle 20 is disposed above the transmitting coil 1. Due to the required ground clearance of the vehicle 20, there is a gap 30 with an air gap between the area 10 in which the transmitting coil 1 is arranged and the underside or vehicle underbody / underbody 5 of the vehicle 20 in which the receiving coil 2 is located.
  • This gap 30 with the air gap can be several centimeters. In typical vehicle types today, air gaps between 15 and 25 cm are to be expected. But other sizes for the space between terrain 10 and vehicle underside are also possible. This gap
  • Influences objects such as dirt (metal chips, etc.), rubbish, leaves or the like, can penetrate into this gap 30.
  • metal-containing objects pose a great danger during the inductive charging process, since these objects heat up strongly and can then ignite if necessary.
  • the transmitting coil 1 (not shown here) start.
  • the transmitting coil 1 generates a
  • This magnetic alternating field is absorbed by the receiving coil 2 and converted into electrical energy. This electrical energy is then available via a suitable circuit 21 (not shown here) for charging the traction battery 22.
  • Power supply network can also reverse the coil in the vehicle serve as a transmitting coil that generates a magnetic field.
  • Charging station then works as a receiving coil that receives the energy of the magnetic field and converts it into electrical energy. This electrical energy can then be fed into a power grid.
  • the monitoring device comprises a sensor which is designed as a radar.
  • the monitoring device uses for the angle measurement by means of the sensor 6, a modulation method, which is preferably Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW).
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the use of the chirp sequence method (repeated sequence of FMCW ramps) allows the evaluation of distance and
  • the detection area under the vehicle can be spatially limited, which provides a robust evaluation, since foreign objects outside the vehicle can be reliably hidden. Since movements due to the high carrier frequency of the automotive radar sensor also generate high Doppler frequencies, even slow movements can be detected and evaluated. This enables a robust evaluation. From these evaluation possibilities, the detection scheme described below can be derived:
  • the sensor 6 monitors the gap 30 for penetrating objects 7 by moving the objects 7 two-dimensionally be located. This methodology allows a dynamic adaptation of the detection range depending on charging power or coupling factor. As long as no object 7 enters the monitoring area, the charging process remains switched on.
  • the energy transmission unit 8 is first switched off and the sensor evaluates the object delivered by the object
  • Interspace 30 or is located in the environment 31 uses the
  • the Doppler effect In order to determine the angle information or object arrangement relative to the vehicle axle, the
  • the radar is preferably operated in the 79 GHz frequency band, but can also be designed as ultra-wideband radar. Preferably, a high bandwidth of at least 2 GHz is used to obtain a sufficient distance separation of the measurement method.
  • the emitted electromagnetic waves are reflected on objects that differ in their electrical properties from the propagation medium (e.g., air).
  • the reflected signals are registered in the receiver and their transit time or phase and amplitude are determined. By measuring the transit time and phase, a distance determination is possible.
  • Polarization directions are used. This information can be used In order to build a polarimetric radar system, which makes using the polarization information (backscatter properties of objects in addition to the frequency used also dependent on the polarization of the incident electromagnetic wave) additional object discrimination.
  • a transmitting coil 1 is first provided.
  • it may be the transmitting coil of a charging station for the electric vehicle.
  • a receiving coil 2 is provided. This may be, for example, the receiving coil in the
  • Interspace between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 with the monitoring device 3 monitored. If the intrusion of an object in the intermediate space 30 between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 or in its surroundings 31 is detected, the energy transmission between the transmitting coil 1 and the receiving coil 2 is then interrupted.
  • a signaling can then take place, if in the
  • This signaling may, for example, be the output of an optical and / or acoustic signal.
  • the notification of a remote user can also be effected by means of a radio link.
  • a mobile phone connection, a wireless connection or the like can be used.
  • a further embodiment variant is the combination of the application of the live object detection monitoring device with an application for automatic driving, positioning and parking operations.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit mit einer Sendespule und einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und ein Umfeld, außerhalb des Zwischenraumes zu überwachen. Die Empfangsspule und die Überwachungsvorrichtung sind in oder an einem Fahrzeug angeordnet, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Sensor aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors ein Objekt im Zwischenraum und/oder im Umfeld über Winkel-, Distanz-und radiale Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence Verfahrens lokalisiert, wobei in einem ersten Schritt (A) der Ladevorgang eingeschaltet ist und die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors den Zwischenraum nach eindringenden Objekten überwacht, in einem zweiten Schritt (B) der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn ein eindringendes Objekt detektiert, in einem dritten Schritt (C) das Überwachungssystem die vom Objekt gelieferten Dopplerinformationen auswertet und in einem vierten Schritt (D) die Dopplerinformationen mit in der Überwachungsvorrichtung hinterlegten Zieldopplersignaturen abgleicht.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven
Energieübertragungseinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen
Energiespeicher, beispielsweise eine Traktions- Batterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.
Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Spule abgestellt. Diese Spule sendet ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktions- Batterie des Fahrzeugs geladen werden. Die
Druckschrift DE 10 2011 010 049 AI offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird. Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur
Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Leistungsübertragung verwendet werden.
Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem
Fahrzeug ein Zwischenraum bzw. Luftspalt.
Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 15-25 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Aufgrund der starken magnetischen Felder, die mit relativ hohen magnetischen
Flussdichten auftreten, ist zu gewährleisten, dass Lebewesen durch den Einsatz des Systems nicht gefährdet werden und Fremdkörper wie metallische
Gegenstände nicht oder nicht zu stark erhitzt werden. Für das Ladesystem kritische Fremdobjekte sind für einen sicheren Betrieb zu detektieren.
Ein System zur kabellosen Energieübertragung wird beispielsweise in der DE 10 2009 033 236 AI beschrieben. Die Überwachung des Zwischenraumes bei kontaktlosem Laden erfolgt hier mittels Ultraschall-, Radar- oder Infrarot- oder elektronischer Bildsensoren. Nachteilig an dem in der DE 10 2009 033 236 AI genannten Überwachung ist, dass sie nicht gestattet, sowohl Materialien zu durchdringen, verdeckt eingebaut werden zu können, eine hohe
Distanzauflösung und somit hohe Trennfähigkeiten von Objekten zu
gewährleisten, Lebewesen zu detektieren, Bewegungen zu detektieren und dabei eine geringere Abstrahlung zu gewährleisten.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zur Überwachung induktiver Energieübertragungseinheiten, die zuverlässig einen Gegenstand, ein
Lebewesen oder auch Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, sowohl einen Gegenstand, als auch ein Lebewesen und Bewegungen in dem Übertragungsbereich der induktiven Energieübertragungsstrecke erkennen zu können.
Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb einer
Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit mit einer Sendespule und einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule vorgesehen, wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und ein
Umfeld, außerhalb des Zwischenraumes zu überwachen. Vorteilhaft kann die Überwachungseinrichtung, da sie nur mit dem Fahrzeug verbunden ist, auch in anderen Fällen, zum Beispiel Parkvorgängen, zur Überwachung des Bereiches unter dem Fahrzeug eingesetzt werden, um beispielsweise Tiere zu schützen oder das Fahrzeug vor Beschädigungen beim Überfahren von gefährlichen
Gegenständen zu bewahren. Die Empfangsspule und die
Überwachungsvorrichtung sind in oder an einem Fahrzeug angeordnet, wobei die Überwachungsvorrichtung einen Sensor aufweist, wobei die
Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors ein Objekt im Zwischenraum und/oder im Umfeld über Winkel-, Distanz- und radiale
Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence Verfahrens lokalisiert, wobei in einem ersten Schritt (A) der Ladevorgang eingeschaltet ist und die Überwachungsvorrichtung mittels des Sensors den Zwischenraum nach eindringenden Objekten überwacht, in einem zweiten Schritt (B) der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn ein eindringendes Objekt detektiert, in einem dritten
Schritt (C) das Überwachungssystem die vom Objekt gelieferten
Dopplerinformationen auswertet und in einem vierten Schritt (D) die
Dopplerinformationen mit in der Überwachungsvorrichtung hinterlegten
Zieldopplersignaturen abgleicht.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist, dass lediglich ein einziger Sensor (es sind durchaus auch mehrere Sensoren einsetzbar) verwendet wird, der beispielsweise hinter der Kunststoffverkleidung des vorderen oder hinteren Stoßfängers oder des Unterbodens angebracht ist. Die Überwachungsvorrichtung hat weiterhin den Vorteil, dass der gesamte Gefahrenbereich - hier der Zwischenraum zwischen
Sende- und Empfangsspule als auch der umliegende Gefahrenbereich, der Sende- und Empfangsspulen umgibt: das Umfeld - ausgeleuchtet und überwacht werden kann. Das Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft, den Luftspalt einer induktiven Energieübertragungsstrecke vor und während der Energieübertragung mittels der Überwachungsvorrichtung zu überwachen und somit sicherzustellen, dass während der Energieübertragung keinerlei Fremdkörper oder Lebewesen in diesem Luftspalt vorhanden sind oder eindringen. Die Verwendung des Chirp Sequence Verfahrens (die wiederholte Abfolge von FMCW-Rampen) ermöglicht die Auswertung von Distanz- und Geschwindigkeitsinformationen eines detektierten Objektes. Zum einen lässt sich der Detektionsbereich unter dem Fahrzeug räumlich begrenzen, was eine robuste Auswertung liefert, da
Fremdobjekte außerhalb des Fahrzeuges verlässlich ausgeblendet werden können. Da Bewegungen durch die hohe Trägerfrequenz des Automotive- Radarsensors auch hohe Dopplerfrequenzen erzeugen, lassen sich auch kleine Bewegungen detektieren und auswerten. Das ermöglicht eine robustere
Auswertung.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass somit während der gesamten Energieübertragung gewährleistet wird, dass sich keinerlei störende Fremdkörper (wie z.B. Gegenstände oder Lebewesen) in dem Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule befinden.
Eindringende Fremdkörper (wie z.B. Gegenstände oder Lebewesen) könnten andernfalls während der Energieübertragung eine große Gefahr darstellen. So können beispielsweise Tiere, welche in dem Zwischenraum zwischen
Sendespule und Empfangsspule eindringen, durch das starke magnetische Feld Schäden erleiden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass eindringende Gegenstände, insbesondere metallhaltige Gegenstände, sich durch das starke Magnetfeld erhitzen und gegebenenfalls sogar in Brand geraten können. Ein solches Eindringen sowohl von Tieren als auch von anderen Fremdkörpern kann durch die erfindungsgemäße Überwachung des Zwischenraums zuverlässig erkannt werden. Bei Bedarf können daraufhin geeignete Maßnahme eingeleitet werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Vorteilhafterweise wird im ersten Schritt (A) nur eine selektive Zone im Bereich der Sendespule und der Empfangsspule überwacht. Ein Überwachung des gesamten Zwischenraumes entfällt somit vorteilhafterweise, da als Schutz vor dem Magnetfeld lediglich eine kleine Zone im Bereich der Sende- und
Empfangsspule überwacht werden muss, um Sicherheit beispielsweise für lebende Objekte zu gewährleisten.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass im zweiten Schritt (B) der gesamte Zwischenraum zwischen Fahrzeug und Boden überwacht wird. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise beim Anfahren des Fahrzeugs kein (lebendes) Objekt überfahren wird und somit zu Schaden kommt.
Vorteilhaft schaltet das Überwachungssystem den Ladevorgang im fünften Schritt (E) wieder ein, wenn keine Zieldopplersignatur detektiert wird. Dabei wird das detektierte Objekt als nicht-gefährlich eingestuft. Dies ermöglicht den gefahrlosen Weiterbetrieb des Ladevorgangs.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Überwachungssystem (3) alle statischen, detektierten Objekte (7.1, 7.2) in einem sechsten Schritt (F) durch
Hintergrundabzug entfernt und den Ausgangszustand wiederherstellt.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Sensor ein Radarsensor ist. Gerade durch eine Überwachung des Zwischenraums zwischen Sende- und Empfangsspule mittels eines Radars wird das Magnetfeld der Energieübertragung nicht gestört. Das magnetische Feld zur Energieübertragung und die Radarstrahlen der
Überwachungsvorrichtung beeinflussen sich gegenseitig nicht, so dass die Energieübertragung ungehindert stattfinden kann und hierbei keine
Beeinflussung erfolgt.
Vorteilhaft ist, dass die Überwachungsvorrichtung zur Distanzmessung mittels des Sensors ein Modulationsverfahren, vorzugsweise Frequency Modulated Continuous Wave, anwendet. Modulierte Dauerstrichradargeräte, oder auch FMCW-Radar (englisch: frequency modulated continuous wave radar) genannt, werden vor allem als Abstands- oder Höhenmesser mit geringer Reichweite eingesetzt. Entsprechend vorteilhaft lässt sich die Distanz zu einem Objekt messen. Vorteilhafterweise nutzt die Überwachungsvorrichtung zur Messung radialer Geschwindigkeiten des Objektes mittels des Sensors den Doppler- Effekt. Der Doppler- Effekt ist die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger während der
Dauer des Signals, was sich zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines
Objektes, was in den Zwischenraum zwischen Sende- und Empfangsspule oder im Umfeld eintritt bevorzugt eignet. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Überwachungsvorrichtung zur
Winkelmessung mittels des Sensors die Phased-Array Technik und / oder das Monopulsverfahren verwendet. Der Einsatz beispielsweise elektronisch schwenkbarer Phased-Array-Antennen, gestattet die schnelle und genaue Verfolgung eines beweglichen Objektes.
Vorteilhafterweise verfügt der Sensor über mehrere Sende- und
Empfangskanäle. Diese ermöglichen die Messung bzw. Schätzung des Winkels des zu detektierenden Objektes. Winkel- und Distanzinformationen liefern zusammen eine eindeutige Position des Objektes.
Vorteilhafterweise betreibt die Überwachungsvorrichtung den Sensor bevorzugt bei 79 GHz. Die Verwendung eines Radarsensors im 79 GHZ Band hat den Vorteil, dass die Lizensierung für die Anwendung bereits gegeben ist (Standard- Frequenz für Automotive Anwendungen) und der Sensor hat eine entsprechend kleine Baugröße. Alternativ wird der Sensor beispielsweise bei 120 GHz betrieben.
Die Überwachungsvorrichtung ist vorteilhaft dazu ausgelegt, ein Eindringen eines Objektes in den Zwischenraum zwischen Sendespule und Empfangsspule zu erkennen und die Sendespule zu deaktivieren, wenn ein Eindringen eines Objektes erkannt wurde. Auf diese Weise kann die induktive Energieübertragung rasch gestoppt werden. Somit wird ein eindringendes Objekt nicht mit dem magnetischen Feld der Sendespule beaufschlagt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem
Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigt:
Fig. 1: eine schematische Darstellung des Verfahrens;
Fig. 2: eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens;
Fig. 3: eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens;
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer Überwachungsvorrichtung einer induktiven Energieübertragungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Bestandteile gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Überwachungsvorrichtung 3 ist Teil einer induktiven Energieübertragungseinheit 8 mit einer Sendespule 1 und einer von der Sendespule 1 beabstandeten Empfangsspule 2. Die Überwachungsvorrichtung 3 ist dazu ausgelegt, einen Zwischenraum 30 zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 und ein Umfeld 31, außerhalb des Zwischenraumes 30 zu überwachen. Die
Empfangsspule 2 und die Überwachungsvorrichtung 3 sind in oder an einem Fahrzeug 20 angeordnet, wobei die Überwachungsvorrichtung 3 einen Sensor 6 aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung 3 mittels des Sensors 6 ein Objekt 7 im Zwischenraum 30 und/oder im Umfeld 31 über Winkel-, Distanz- und radiale Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence Verfahrens lokalisiert. In einem ersten Schritt A ist der Ladevorgang eingeschaltet und die
Überwachungsvorrichtung 3 überwacht mittels des Sensors 6 den Zwischenraum 30 nach eindringenden Objekten. In einem zweiten Schritt B wird der
Ladevorgang unterbrochen, wenn ein eindringendes Objekt 7 detektiert. In einem dritten Schritt C wertet das Überwachungssystem 3 die vom Objekt 7 gelieferten Dopplerinformationen aus und in einem vierten Schritt D wird die
Dopplerinformationen mit in der Überwachungsvorrichtung 3 hinterlegten Zieldopplersignaturen abgeglichen. Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Bestandteile gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Das
Überwachungssystem 3 schaltet den Ladevorgang im fünften Schritt E wieder ein, wenn keine Zieldopplersignatur detektiert wird. Dabei wird das detektierte Objekt 7 als nicht-gefährlich eingestuft.
Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Bestandteile gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Das
Überwachungssystem 3 entfernt die Signatur des detektierten Objektes 7 in einem sechsten Schritt F durch Hintergrundabzug und stellt den
Ausgangszustand wieder her, indem alle statistischen Objekte 7.1, 7.2, ...
ausgeblendet werden.
Figur 4 zeigt ein Fahrzeug 20, das über einer induktiven Ladestation bzw.
induktiven Energieübertragungseinheit 8 abgestellt ist. Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 1, 2 oder 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Das Fahrzeug 20 ist dabei so abgestellt, dass die Empfangsspule 2 des Fahrzeugs 20 über der Sendespule 1 angeordnet ist. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit des Fahrzeugs 20 besteht dabei zwischen dem Gelände 10, in dem die Sendespule 1 angeordnet ist und der Unterseite bzw. Fahrzeugunterboden / Unterboden 5 des Fahrzeugs 20, in dem sich die Empfangsspule 2 befindet, ein Zwischenraum 30 mit einem Luftspalt. Dieser Zwischenraum 30 mit dem Luftspalt kann dabei mehrere Zentimeter betragen. Bei heute üblichen Fahrzeugtypen sind Luftspalte zwischen 15 und 25 cm zu erwarten. Aber auch andere Größen für den Zwischenraum zwischen Gelände 10 und Fahrzeugunterseite sind ebenso möglich. Dieser Zwischenraum
30 ist dabei normalerweise frei zugänglich. Daher besteht die Möglichkeit, dass in diesem Zwischenraum 30 jederzeit Lebewesen oder Gegenstände eindringen können. So können beispielsweise Tiere, wie Hunde, Katzen oder Mäuse, eindringen. Weiter besteht auch die Gefahr, dass aufgrund von äußeren
Einflüssen Objekte, wie beispielsweise Schmutz (Metallspäne, etc.), Unrat, Laub oder ähnliches, in diesen Zwischenraum 30 eindringen können. Insbesondere leicht brennbare, metallhaltige Gegenstände stellen während des induktiven Ladevorgangs dabei eine große Gefahr dar, da sich diese Gegenstände stark erwärmen und daraufhin gegebenenfalls entzünden können. Nachdem das Fahrzeug 20 so abgestellt wurde, dass die Empfangsspule 2 in dem Fahrzeug 20 sich über der Sendespule 1 befindet, kann das Aufladen der Traktionsbatterie 22
(hier nicht dargestellt) beginnen. Hierzu erzeugt die Sendespule 1 ein
magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld wird von der Empfangsspule 2 aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie steht daraufhin über eine geeignete Schaltung 21 (hier nicht dargestellt) zum Aufladen der Traktionsbatterie 22 zur Verfügung. Für eine
Rückspeisung elektrischer Energie vom Fahrzeug 20 in ein
Energieversorgungsnetz kann auch umgekehrt die Spule im Fahrzeug als Sendespule dienen, die ein magnetisches Feld erzeugt. Die Spule in der
Ladestation arbeitet dann als Empfangsspule, die die Energie des magnetischen Felds empfängt und in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie kann daraufhin in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
Um vor oder während der induktiven Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der Empfangsspule 2 sicherzustellen, dass sich in dem Zwischenraum 30 keinerlei unerwünschte Objekte befinden, wird dieser Zwischenraum 30 von einer Überwachungsvorrichtung 3 überwacht. Die Überwachungsvorrichtung umfasst einen Sensor, der als Radar ausgebildet ist. Die Überwachungsvorrichtung wendet zur Winkelmessung mittels des Sensors 6 ein Modulationsverfahren an, das vorzugsweise Frequence Modulated Continuous Wave (FMCW) ist. Die Verwendung des Chirp Sequence-Verfahrens (wiederholte Abfolge von FMCW- Rampen) ermöglicht die Auswertung von Distanz- und
Geschwindigkeitsinformationen eines detektierten Objektes. Zum einen lässt sich der Detektionsbereich unter dem Fahrzeug räumlich begrenzen, was eine robuste Auswertung liefert, da Fremdobjekte außerhalb des Fahrzeuges verlässlich ausgeblendet werden können. Da Bewegungen durch die hohe Trägerfrequenz des Automotive- Radarsensors auch hohe Dopplerfrequenzen erzeugen, lassen sich auch langsame Bewegungen detektieren und auswerten. Das ermöglicht eine robuste Auswertung. Aus diesen Auswertemöglichkeiten lässt sich das im Folgenden beschriebene Detektionsschema ableiten:
Ist der Ladevorgang eingeschaltet, überwacht der Sensor 6 den Zwischenraum 30 nach eindringenden Objekten 7, indem die Objekte 7 zweidimensional lokalisiert werden. Diese Methodik ermöglicht eine dynamische Anpassung des Detektionsbereiches abhängig von Ladeleistung oder Kopplungsfaktor. Solange kein Objekt 7 den Überwachungsbereich eintritt, bleibt der Ladevorgang eingeschaltet.
Wurde ein eindringendes Objekt 7 detektiert, wird die Energieübertragungseinheit 8 zunächst abgeschaltet und der Sensor wertet die vom Objekt gelieferte
Dopplerinformation aus. Solange sich das Objekt bewegt, bleibe das Ladesystem ausgeschaltet, da signifikante Dopplersignale vorliegen. Entscheidend ist die Auswertung von schwach bewegten Objekten wie beispielsweise einer schlafenden Katze oder einem vom Wind bewegten Ast, wobei letzterer potentiell keine Gefahr für das induktive Ladesystem darstellt. Hier können
Zieldopplersignaturen festgelegt werden, z.B. Atmung oder Herzschlag. Das ermöglicht die zufälligen Bewegungen eines ungefährdeten Objektes von einem gefährdeten Objekt zu unterscheiden. Wird demnach ein gefährdetes Objekt detektiert, bleibt das System ausgeschaltet. Kann keine Signatur detektiert werden, die einem gefährdeten Objekt 7 zugeordnet werden kann, kann das System wieder eingeschaltet werden. Für die Erfassung radialer Geschwindigkeiten eines Objektes 7, das im
Zwischenraum 30 oder im Umfeld 31 befindlich ist, nutzt die
Überwachungsvorrichtung den Doppler- Effekt. Um die Winkelinformationen bzw. Objektanordnung relativ zur Fahrzeugachse zu ermitteln, wendet die
Überwachungsvorrichtung die Phased-Array Technik an bzw. das
Monopulsverfahren und verfügt günstiger Weise über mehrere Sende- und
Empfangskanäle. Das Radar wird bevorzugt im 79 GHz Frequenzband betrieben, kann aber auch als Ultrabreitbandradar ausgeführt sein. Bevorzugt wird eine hohe Bandbreite von mindestens 2 GHz eingesetzt, um eine ausreichende Distanztrennschärfe des Messverfahrens zu erhalten.
Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen werden an Objekten, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften vom Ausbreitungsmedium (z.B. Luft) unterscheiden, reflektiert. Die reflektierten Signale werden im Empfänger registriert und ihre Laufzeit bzw. Phase und Amplitude bestimmt. Über die Messung der Laufzeit und Phase ist eine Entfernungsbestimmung möglich.
Zusätzlich können elektromagnetische Wellen in verschiedenen
Polarisationsrichtungen verwendet werden. Diese Informationen können genutzt werden, um ein polarimetrisches Radarsystem aufzubauen, welches mit Hilfe der Polarisationsinformationen (Rückstreueigenschaften von Objekten sind neben der verwendeten Frequenz auch von der Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Welle abhängig) eine zusätzliche Objektdiskriminierung vornimmt.
Soll der Ladevorgang beginnen, wird zunächst eine Sendespule 1 bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um die Sendespule einer Ladestation für das Elektrofahrzeug handeln. Weiterhin wird eine Empfangsspule 2 bereitgestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Empfangsspule in dem
Elektrofahrzeug handeln, mit dem die Traktions- Batterie wieder aufgeladen werden soll. Schließlich erfolgt eine induktive Energieübertragung von der Sendespule 1 zu der Empfangsspule 2. Dabei wird darauf folgend der
Zwischenraum zwischen der Sendespule 1 und der Empfangsspule 2 mit der Überwachungsvorrichtung 3 überwacht. Wird nun das Eindringen eines Objektes in dem Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 oder in deren Umfeld 31 detektiert, wird daraufhin die Energieübertragung zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 unterbrochen.
Optional kann anschließend eine Signalisierung erfolgen, wenn in dem
Zwischenraum 30 zwischen Sendespule 1 und Empfangsspule 2 ein Objekt detektiert wurde. Bei dieser Signalisierung kann es sich beispielsweise um die Ausgabe eines optischen und/oder akustischen Signals handeln. Zusätzlich oder alternativ kann darüber hinaus auch die Benachrichtigung eines entfernten Benutzers mittels einer Funkverbindung erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Mobiltelefonverbindung, eine WLAN-Verbindung oder ähnliches verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsvariante ist die Kombination der Anwendung der Überwachungsvorrichtung für die Lebendobjekterkennung mit einer Anwendung für automatische Fahr-, Positionier- und Einparkvorgänge.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung (3) einer induktiven Energieübertragungseinheit (8) mit einer Sendespule (1) und einer von der Sendespule (1) beabstandeten Empfangsspule (2), wobei die
Überwachungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, einen Zwischenraum (30) zwischen der Sendespule (1) und der Empfangsspule (2) und ein Umfeld (31), außerhalb des Zwischenraumes (30) zu überwachen, wobei die Empfangsspule (2) und die Überwachungsvorrichtung (3) in oder an einem Fahrzeug (20) angeordnet sind, wobei die Überwachungsvorrichtung (3) einen Sensor (6) aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung (3) mittels des Sensors (6) ein Objekt (7) im Zwischenraum (30) und/oder im Umfeld (31) über Winkel-, Distanz- und radiale Geschwindigkeitsmessungen anhand des Chirp Sequence
Verfahrens lokalisiert, dadurch gekennzeichnet, dass
- im ersten Schritt (A) der Ladevorgang eingeschaltet ist und die
Überwachungsvorrichtung (3) mittels des Sensors (6) den Zwischenraum (30) nach eindringenden Objekten überwacht;
- im zweiten Schritt (B) der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn ein
eindringendes Objekt (7) detektiert;
- in einem dritten Schritt (C) das Überwachungssystem (3) die vom Objekt (7) gelieferten Dopplerinformationen auswertet;
- in einem vierten Schritt (D) die Dopplerinformationen mit in der
Überwachungsvorrichtung (3) hinterlegten Zieldopplersignaturen abgleicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt (A) nur eine selektive Zone im Bereich der Sendespule (1) und der Empfangsspule (2) überwacht wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt (B) der gesamte Zwischenraum (30) zwischen Fahrzeug (20) und Boden überwacht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem (3) den Ladevorgang im fünften Schritt (E) wieder einschaltet, wenn keine Zieldopplersignatur detektiert wird und das detektierte Objekt (7) als nicht-gefährlich einstuft.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem (3) die Signatur des detektierten Objektes (7) in einem sechsten Schritt (F) durch Hintergrundabzug entfernt und den Ausgangszustand wiederherstellt, indem alle statistischen Objekte (7.1, 7.2, ...) ausgeblendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) ein Radarsensor ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3) zur Distanzmessung mittels des Sensors (6) ein Modulationsverfahren, vorzugsweise Frequency Modulated Continuous Wave, anwendet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3) zur Messung radialer Geschwindigkeiten des Objektes (7) mittels des Sensors (6) den Doppler- Effekt nutzt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3) zur Winkelmessung mittels des Sensors (6) die Phased-Array Technik und / oder das
Monopulsverfahren verwendet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) über mehrere Sende- und Empfangskanäle verfügt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (3) den Sensor (6) bevorzugt bei 79 GHz betreibt.
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