WO2020002237A1 - Fahrzeugladesystem zum laden eines in einem fahrzeug angeordneten energiespeichers - Google Patents

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transmission unit
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Lukas Böhler
Marc HANSELMANN
Marc BOSCH
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Brusa Elektronik Ag
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Definitions

  • Vehicle charging system for charging one arranged in a vehicle
  • the invention relates to a vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle, comprising a first transmission unit GPM ("Ground Pad Module”), which has a primary coil with a coil axis SPA P , and which is arranged in particular outside the vehicle, and a second transmission unit CPM ("Car Pad Module”), which has a secondary coil with a coil axis SPA s and which is arranged in the vehicle, one
  • GPM Global Pad Module
  • CPM Car Pad Module
  • the invention further relates to a method for operating such a vehicle charging system.
  • energy transfer for charging the energy store requires that the primary coil and the secondary coil, which are in particular formed as flat coils, have the smallest possible distance and are arranged one above the other as possible. This achieves an optimal magnetic coupling between the primary coil and the secondary coil, which enables optimal inductive energy transmission.
  • the object of the invention is to develop a generic vehicle charging system such that a simultaneous, robust and simple determination of a relative position between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM or a quantity derived therefrom and a
  • a first aspect of the invention relates to a vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle F, comprising a first one
  • Transmission unit GPM which has a primary coil with a coil axis SPA P , and which is arranged in particular stationary outside the vehicle F, and a second transmission unit CPM, which has a secondary coil with a coil axis SPA s , and which is arranged in the vehicle F, one of which Energy transfer for charging the energy store by inductive energy transfer from the
  • Primary coil to secondary coil is done.
  • the vehicle charging system is characterized in that the second transmission unit CPM has a signal generator SG for generating signals S IGSG, which couples the signals SIGSG TO be emitted by the secondary coil into the latter, and the first transmission unit GPM has an evaluation unit and at least one first auxiliary coil with a coil axis SPAm and a second auxiliary coil with a coil axis SPA H2 , the evaluation unit being set up to use the signals SIGSG received from the primary coil and the auxiliary coils to produce a magnetic coupling k mag and / or a relative position APOS between the first transmission unit Determine GPM and the second transmission unit CPM and provide them for further use at an interface.
  • the vehicle F is in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle with an electric drive and an internal combustion engine.
  • the vehicle F is preferably designed and set up in such a way that longitudinal and / or lateral control of the vehicle F takes place autonomously and depending on the currently determined magnetic coupling k mag and / or the currently determined relative position APOS, so that an optimal relative arrangement of the first Transmission unit GPM and second transmission unit CPM take place before the inductive energy transmission from the primary coil to the secondary coil is initiated to charge the energy store.
  • the energy store is advantageously an electric battery.
  • the interface is advantageously an interface of the evaluation unit.
  • the interface is advantageously connected to the control unit of the first transmission unit GPM, which controls the process for inductive energy transmission to the second transmission unit CPM.
  • the interface is also advantageously connected to a transmission unit which is designed and set up to transmit the information provided to the second transmission unit CPM wirelessly.
  • the second has this Transmission unit CPM via a corresponding receiving unit.
  • the receiving unit of the second transmission unit CPM is designed as a transmitting / receiving unit.
  • the secondary coil in the present case serves on the one hand as a transmitting antenna (transmitting coil) for transmitting the S IGSG signals and on the other hand as a receiving coil for receiving the
  • the primary coil serves to transmit the energy for charging the energy store to the secondary coil
  • the primary coil and the first and second auxiliary coils serve to receive the signals S IGSG ZU sent by the primary coil.
  • the primary coil and the secondary coil are thus dimensioned such that the inductive transmission of the energy for charging the energy store can take place.
  • the proposed vehicle charging system makes it possible, in particular, to determine a relative position or a distance and / or at the same time a magnetic coupling and to make it available for further use.
  • the evaluation unit is designed and set up according to the invention such that a magnetic coupling k mag and / or a relative position APOS between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM is determined on the basis of the signals S IGSG received from the primary coil and the auxiliary coils.
  • At least the first auxiliary coil and the second auxiliary coil are advantageously arranged and / or oriented relative to the primary coil and relative to one another.
  • a total of three, four, five or six auxiliary coils are advantageously provided in order to receive the SIGSG TO signals.
  • the auxiliary coils are positioned differently on the first transmission unit GPM.
  • the auxiliary coils are also advantageously oriented differently.
  • the coil axes SPA HI and SPA H 2 are each aligned essentially orthogonally to the coil axis SPA P of the primary coil and essentially orthogonally to one another.
  • the term “essentially” means that deviations in the range up to 10 ° from the pure one
  • Orthogonality (90 °) i.e. Fall below 90 ° ⁇ 10 °.
  • the evaluation unit is advantageously designed and set up to determine the relative position APOS based on the respective amplitudes and / or the phase positions of the signals SIGSG received from the primary coil and the auxiliary coils.
  • the relative position APOS advantageously indicates a relative position of the primary coil and the secondary coil.
  • the relative position APOS in the evaluation unit is also advantageous
  • the relative position APOS is a two-dimensional relative position APOS (Ax, Ay) or a three-dimensional relative position APOS (Ax, Ay, Az).
  • the relative position can of course also be specified in coordinates other than Cartesian.
  • the evaluation unit advantageously determines the magnetic coupling k mag on the basis of a voltage U 2 generated in the secondary coil for transmitting the signal S IGSG or a current I 2 generated in the secondary coil, a voltage Ui or induced in the primary coil when the signal S IGSG is received induced current h and the predetermined self-inductances L1 and L2 of the primary coil and the secondary coil.
  • the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM are advantageously designed and set up for wireless communication with one another.
  • each of the transmission units advantageously comprises a transmitting / receiving unit.
  • a WLAN protocol is advantageously used for the wireless communication between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM.
  • This wireless communication link is advantageously used in principle to provide the necessary information between the first transmission unit GPM and the second
  • Energy transmission from the first transmission unit GPM to the second CPM transmission unit to be carried out safely and optimally.
  • an identifier of CPM and GPM, status information of CPM and GPM, start and stop signals at the start and end of the energy transfer for charging the energy store, etc. are advantageous via this communication connection
  • the voltage U 2 generated in the secondary coil or the current I 2 generated for the transmission of the signal S IGSG in the secondary coil is advantageously transmitted from the second transmission unit CPM to the first transmission unit GPM.
  • This communication link from the second transmission unit CPM to the first transmission unit GPM is also advantageous
  • the transmission of signals SIGSG is advantageously terminated by the second transmission unit CPM when the magnetic coupling k mag is greater than a predetermined limit value G1.
  • the limit value G1 is advantageously chosen such that at
  • the transmission of signals SIGSG is advantageously only ended if, in addition, the relative position APOS does not change for a predetermined period At, so that it can be assumed that the vehicle F is parked in such a way that the first transmission unit GPM is optimal for the inductive energy transmission is arranged relative to the second transmission unit CPM.
  • Transmission unit CPM then ends the transmission of signals SIGSG when the distance D G PM-CPM determined from the relative position APOS is less than a predetermined limit value G2.
  • the transmission of signals SIGSG is advantageously only ended if, in addition, the relative position APOS does not change for a predetermined period At, so that it can be assumed that the vehicle F is parked in such a way that the first transmission unit GPM is optimal for the inductive energy transmission is arranged relative to the second transmission unit CPM.
  • the sending of signals SIGSG is therefore advantageously stopped when it is ensured that an optimal positioning of the first transmission unit GPM to the second transmission unit CPM is achieved and the energy transmission for charging the energy store is initialized, since errors in data communication cannot be ruled out when the signals SIGSG and inductive energy transmission for charging the energy store are transmitted simultaneously.
  • Energy storage from the primary coil to the secondary coil is only initialized when the (currently) determined magnetic coupling k mag is greater than a predetermined one
  • Limit value G3 is and / or if the distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS between the first transmission unit GPM and the second
  • Transmission unit CPM is less than a predetermined limit G4.
  • the limit value G3 is advantageously equal to or less than the limit value G1.
  • the limit value G4 is advantageously equal to or greater than the limit value G2.
  • the magnetic coupling k mag or a variable determined therefrom and / or the determined relative position APOS or a variable determined therefrom, in particular the distance DQPM-CPM between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM in the vehicle F, is advantageous via said communication connection Provided to be output in particular in the vehicle F and / or an automatic longitudinal and / or transverse control of the vehicle for optimal positioning of the second transmission unit CPM above the first
  • a second aspect of the invention relates to a vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle F, comprising a first one
  • Transmission unit GPM which has a primary coil with a coil axis SPA P , and which is arranged, in particular, stationary outside the vehicle, and a second transmission unit CPM, which has a secondary coil with a coil axis SPA s , and which is arranged in the vehicle, with an energy transmission for Charging of the energy storage takes place by inductive energy transmission from the primary coil to the secondary coil.
  • the vehicle charging system is characterized in that the first transmission unit GPM has a signal generator SG for generating signals S IGSG, which couples the signals S IGSG into the primary coil for their transmission, and the second transmission unit CPM has an evaluation unit and at least one first auxiliary coil with a coil axis SPA HI and a second auxiliary coil with a coil axis SPA H2 , the evaluation unit being set up to use the signals SIGSG received from the secondary coil and the auxiliary coils to produce a magnetic coupling k mag and / or to determine a relative position APOS between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM and for further use on one
  • the signals S IGSG are transmitted by the first transmission unit GPM in the vehicle charging system according to the second aspect of the invention. Accordingly, in
  • the second transmission unit CPM is equipped with an evaluation unit and at least one first and second auxiliary coil for receiving and evaluating the signals SIGSG.
  • the interface is advantageously an interface of the evaluation unit.
  • the interface is advantageously connected to the control unit of the second transmission unit CPM, which controls the process for receiving the energy inductively transmitted by the first transmission unit GPM.
  • the interface with a is also advantageous
  • the transmitting unit is advantageously designed as a transmitting / receiving unit.
  • the first auxiliary coil and the second auxiliary coil are advantageously arranged and oriented relative to the secondary coil and relative to one another.
  • the coil axes SPA m and SPA H2 are each advantageously substantially orthogonal to the coil axis SPA P der
  • the evaluation unit advantageously determines the relative position APOS on the basis of the respective one
  • the evaluation unit advantageously determines the magnetic coupling k mag on the basis of a voltage Ui generated in the primary coil for the transmission of the signal S IGSG or a current h generated in the primary coil, one in the secondary coil upon reception of the signal S IGSG induced voltage U 2 or induced current ⁇ 2 and the predetermined self-inductances L1 and L2 of the primary coil and the secondary coil.
  • Transmission unit CPM the voltage Ui generated in the primary coil for the transmission of the signal SIGSG or the generated current h.
  • the first transmission unit GPM advantageously transmits the self-inductance Li of the primary coil to the second transmission unit CPM.
  • the first transmission unit GPM advantageously ends the transmission of signals S IGSG when the magnetic coupling k mag is greater than a predetermined limit value G1.
  • the second transmission unit CPM advantageously transmits the relative position APOS or a distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS between the first and the second transmission unit to the first transmission unit GPM, the first transmission unit GPM ending the transmission of signals S IGSG when the distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS is less than one
  • a third aspect of the invention relates to a method for operating a
  • Vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle F, comprising a first
  • Transmission unit GPM which has a primary coil with a coil axis SPA P , and which is arranged, in particular, stationary outside the vehicle, and a second transmission unit CPM, which has a secondary coil with a coil axis SPA s , and which is arranged in the vehicle, with an energy transmission for The energy store is charged by inductive energy transmission from the primary coil to the secondary coil, the second transmission unit CPM having a signal generator SG for generating signals S IGSG, and the first transmission unit GPM having an evaluation unit and at least one first auxiliary coil with a coil axis SPA HI and a second one Auxiliary coil with a coil axis SPA H 2, with the following steps.
  • the signal generator SG In a first step, the signal generator SG generates and
  • Coupling signals SIGSG TO their transmission into the secondary coil In a further step, a magnetic coupling k mag and a relative position APOS between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM and a provision of a magnetic coupling k mag are determined on the basis of the signals S IGSG received from the primary coil and the auxiliary coils and / or the relative position APOS to an interface for further use.
  • Vehicle loading system according to the first aspect of the invention and its advantages result from an analog and analogous transfer of the explanations for the first aspect of the invention to the method according to the third aspect of the invention, in particular as follows.
  • the first auxiliary coil and the second auxiliary coil are advantageously arranged and oriented relative to the primary coil and relative to one another.
  • the coil axes SPA m and SPA H 2 are advantageously each aligned essentially orthogonally to the coil axis SPA P of the primary coil and essentially orthogonally to one another. The advantageously determines
  • Evaluation unit determines the relative position APOS on the basis of the respective amplitudes and phase positions of the signals SIGSG received from the primary coil and the auxiliary coils.
  • the relative position advantageously indicates APOS, a relative position of the primary coil and secondary coil.
  • the relative position APOS is advantageously a two-dimensional relative position APOS (Ax, Ay) or a three-dimensional relative position APOS (Ax, Ay, Az).
  • the evaluation unit advantageously determines the magnetic coupling k mag on the basis of a voltage U 2 generated in the secondary coil for transmitting the signal SIGSG or a current I 2 generated in the secondary coil, a voltage Ui or induced current induced in the primary coil when the signal SIGSG is received h and the predetermined self-inductances l_i and L 2 of the primary coil and the secondary coil.
  • the second transmission unit CPM advantageously transmits the to the first transmission unit GPM
  • the second advantageously ends
  • Transmission unit CPM sends signals SIGSG when the magnetic coupling k mag is greater than a predetermined limit value G1.
  • the first transmission unit GPM advantageously transmits the relative position APOS or a distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS between the first and the second transmission unit to the second transmission unit CPM, the second transmission unit CPM terminating the transmission of signals SIGSG when the distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS is less than a predetermined limit value G2.
  • Coupling k may be greater than a predetermined limit value G3 and / or if the distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS between the first
  • Transmission unit GPM and the second transmission unit CPM is less than a predetermined limit G4.
  • a fourth aspect of the invention relates to a method for operating a
  • Vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle F, comprising a first
  • Transmission unit GPM which has a primary coil with a coil axis SPA P , and which is arranged in particular stationary outside the vehicle, and a second transmission unit CPM, which has a secondary coil with a coil axis SPA s , and which is arranged in the vehicle F, wherein an energy transmission for charging the energy store by inductive energy transmission from the primary coil to the secondary coil, the first transmission unit GPM having a signal generator SG for generating signals S IGSG, and the second transmission unit CPM an evaluation unit and at least a first auxiliary coil with a coil axis SPA HI and one has second auxiliary coil with a coil axis SPA H 2, with the following steps.
  • the signal generator SG In a first step, the signal generator SG generates and couples signals SIGSG TO their transmission into the primary coil.
  • a magnetic coupling k mag and / or a relative position APOS between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM and a provision of a magnetic coupling k mag are determined on the basis of the signals S IGSG received from the secondary coil and the auxiliary coils and the relative position APOS to an interface for further use.
  • the first auxiliary coil and the second auxiliary coil are advantageously arranged and oriented relative to the secondary coil and relative to one another.
  • the coil axes SPA HI and SPA HS are advantageously essentially orthogonal to the coil axis SPA P der
  • the evaluation unit advantageously determines the relative position APOS on the basis of the respective one
  • the evaluation unit advantageously determines the magnetic coupling k mag on the basis of a voltage Ui generated in the primary coil for the transmission of the signal S IGSG or a current generated in the primary coil, a voltage U 2 or induced current induced in the secondary coil when the signal S IGSG is received, and the predetermined self-inductances L1 and L2 of the primary coil and the secondary coil.
  • Transmission unit CPM the voltage Ui generated in the primary coil for the transmission of the signal SIGSG or the generated current h.
  • the first transmission unit GPM advantageously transmits the self-inductance l_i of the primary coil to the second transmission unit CPM.
  • the first transmission unit GPM advantageously ends the transmission of signals S IGSG when the magnetic coupling k mag is greater than a predetermined limit value G1.
  • the second transmission unit CPM advantageously transmits the relative position APOS or a distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS between the first and the second transmission unit to the first transmission unit GPM, the first transmission unit GPM ending the transmission of signals S IGSG when the distance DGPM-CPM determined from the relative position APOS is less than one
  • Fig. 1 shows a highly schematic structure of an inventive
  • Fig. 2 is a highly schematic flow diagram of an inventive
  • Fig. 1 shows a highly schematic structure of an inventive
  • Vehicle charging system for charging one arranged in a vehicle F.
  • the vehicle charging system shown in FIG. 1 comprises a first one
  • Transmission unit GPM 101 which has a primary coil 103 with a coil axis SPA P (not shown), and which is arranged stationary on the ground outside the vehicle.
  • the vehicle charging system further includes a second one
  • Transmission unit CPM 102 which has a secondary coil 104 with a coil axis SPA s (not shown), and which is arranged in the vehicle F.
  • Energy is transferred from the primary coil 103 to the secondary coil 104.
  • Transmission unit CPM in a vehicle F its relative position and the current magnetic coupling between the first transmission unit GPM and the second transmission unit CPM are determined, the inductive energy transmission being initiated only when the determined relative position APOS and the determined magnetic coupling k mag the given Conditions are sufficient.
  • the second transmission unit CPM 102 arranged in the vehicle F has a signal generator SG 105 for generating signals S IGSG, which couples the signals S IGSG TO to be emitted by the secondary coil 104 into the latter.
  • the signal generator SG 105 is also connected to a transmitting / receiving unit 109 which, among other things, transmits the following information via a WLAN signal: identifier of the second transmission unit CPM 102, electrical state of the transmission unit CPM 102, in of the secondary coil 104 for the transmission of the signals SIGSG generated voltage U 2 or current l 2 and the inductance L 2 of the secondary coil 104.
  • the dashed arrows emanating from the secondary coil 104 represent the transmitted signals S IGSG-
  • the transmitting / receiving unit 109 of the second transmission unit CPM 102 is also connected to a vehicle-side control unit 110, which in particular controls an autonomous longitudinal and / or lateral control of the vehicle F and / or the output / display of information in the vehicle F for the optimal relative Positioning of the first transmission unit GPM 101 to the second transmission unit CPM 102 controls.
  • the first transmission unit GPM 101 has an evaluation unit 106 and at least one first auxiliary coil 107a with a coil axis SPAm (not shown) and a second auxiliary coil 107b with a coil axis SPA H2 (not shown).
  • Coil axes SPAm and SPA H2 are each essentially orthogonal to the
  • Coil axis SPA P of the primary coil and essentially aligned orthogonally to one another.
  • the evaluation unit 106 is set up to generate a current magnetic signal based on the signals S IGSG received from the primary coil 103 and the auxiliary coils 107a, b
  • the evaluation unit 106 is connected to a transmitting / receiving unit 108, so that the values determined for the magnetic coupling k mag and the relative position APOS and a distance DGPM-CPM determined therefrom between the first and the second transmission unit to the second transmission unit CPM 102, specifically are transmitted via the data connection between the transmitting / receiving units 108 and 109.
  • Coupling k mag are transmitted from the transmitting / receiving unit 109 to the vehicle-side control unit 110 and used by the latter for the autonomous longitudinal and lateral control of the vehicle F, so that the vehicle F autonomously achieves an optimum
  • Transmission unit GPM 101 carries out.
  • Limit values in particular for the magnetic coupling k mag, can be recognized, and if the vehicle F has been put into a parked state, so that no further movement of the vehicle F is to be expected, the inductive energy transfer is used to charge the initiated vehicle-side energy storage.
  • FIG. 2 shows a highly schematic flow diagram of a method according to the invention for operating a vehicle charging system as described above in FIG. 1. The process comprises the following steps.
  • the signal generator SG 105 In a first step 201, the signal generator SG 105 generates and couples in signals SIGSG ZU for their transmission into the secondary coil 104.
  • a magnetic one is determined on the basis of the signals SIGSG received by the primary coil 103 and the auxiliary coils 107a, b
  • Transmission unit GPM 101 and the second transmission unit CPM 102 are identical to Transmission unit GPM 101 and the second transmission unit CPM 102.
  • the transmission of this data takes place between the transmission unit 108 and the reception unit 109.
  • the data transmission takes place by means of a WLAN protocol.
  • the transmitted data are used in particular for forwarding to the vehicle-side control unit 110 for autonomous lateral and / or longitudinal control of the vehicle F or for output / display of this information in the vehicle.
  • a check is carried out as to whether the magnetic coupling k likes and the relative position APOS and the distance D G PM-CPM accordingly
  • the transmission of the signals SIGSG, their reception and their evaluation continue during an inductive energy transmission for charging the energy store. If there are changes in the magnetic coupling k mag , the relative position APOS or the distance DQPM-CPM which do not meet the specified conditions, the inductive energy transmission for charging the energy store is stopped immediately.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten Energiespeichers sowie ein Verfahren zum Betrieb eines ebensolchen Fahrzeugladesystems. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeugladesystem umfasst eine erste Übertragungseinheit GPM (101), die eine Primärspule (103) mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM (102), die eine Sekundärspule (104) mit einer Spulenachse SPAS aufweist, und die im Fahrzeug F angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive Energieübertragung von der Primärspule (103) zur Sekundärspule (104) erfolgt. Das Fahrzeugladesystem zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Übertragungseinheit CPM (102) einen Signalgenerator SG (105) zur Erzeugung von Signalen SIGSG aufweist, der die Signale SIGSG zu deren Aussendung durch die Sekundärspule (104) in diese einkoppelt, und dass die erste Übertragungseinheit GPM (101) eine Auswerteeinheit (106) und zumindest eine erste Hilfsspule (107a) mit einer Spulenachse SPAH1 und eine zweite Hilfsspule (107b) mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, wobei die Auswerteeinheit (106) dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der Primärspule (103) und den Hilfsspulen (107a,b) empfangenen Signale SIGSG eine magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position ∆POS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM (101) und der zweiten Übertragungseinheit CPM (102) zu ermitteln.

Description

Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug angeordneten
Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug angeordneten Energiespeichers, umfassend eine erste Übertragungseinheit GPM (engl. „Ground Pad Module“), die eine Primärspule mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM (engl.„Car Pad Module“), die eine Sekundärspule mit einer Spulenachse SPAs aufweist und die im Fahrzeug angeordnet ist, wobei eine
Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive
Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines ebensolchen Fahrzeugladesystems.
Gattungsgemäße Fahrzeugladesysteme sind im Stand der Technik bekannt. Die
Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers erfordert aus Sicherheitsgründen sowie aus Effizienzgründen, dass die Primärspule und die Sekundärspule, welche insbesondere als Flachspulen ausgebildet sind, einen möglichst geringen Abstand aufweisen und möglichst übereinander angeordnet sind. Dadurch wird eine optimale magnetische Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule erreicht, was eine optimale induktive Energieübertragung ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Fahrzeugladesystem derart weiterzubilden, so dass eine gleichzeitige, robuste und einfache Bestimmung einer relativen Position zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM oder einer daraus abgeleiteten Größe sowie einer
magnetischen Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule oder einer daraus abgeleiteten Größe ermöglicht wird.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten Energiespeichers, umfassend eine erste
Übertragungseinheit GPM, die eine Primärspule mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs F angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM, die eine Sekundärspule mit einer Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug F angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive Energieübertragung von der
Primärspule zur Sekundärspule erfolgt.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugladesystem zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Übertragungseinheit CPM einen Signalgenerator SG zur Erzeugung von Signalen S IGSG aufweist, der die Signale SIGSG ZU deren Aussendung durch die Sekundärspule in diese einkoppelt, und die erste Übertragungseinheit GPM eine Auswerteeinheit und zumindest eine erste Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAm und eine zweite Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der Primärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale SIGSG eine magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM zu ermitteln und zur weiteren Verwendung an einer Schnittstelle bereitzustellen.
Das Fahrzeug F ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem Elektroantrieb und einem Verbrennungsmotor. Das Fahrzeug F ist bevorzugt derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Längs- und/oder Quersteuerung des Fahrzeugs F autonom und abhängig von der aktuell ermittelten magnetischen Koppelung kmag und/oder der aktuell ermittelten relativen Position APOS erfolgt, sodass eine optimale relative Anordnung von erster Übertragungseinheit GPM und zweiter Übertragungseinheit CPM erfolgt, bevor die induktive Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule zur Ladung des Energiespeichers initiiert wird. Der Energiespeicher ist vorteilhaft eine elektrische Batterie.
Die Schnittstelle ist vorteilhaft eine Schnittstelle der Auswerteeinheit. Die Schnittstelle ist vorteilhaft mit der Steuereinheit der ersten Übertragungseinheit GPM verbunden, welche den Vorgang zur induktiven Energieübertragung an die zweite Übertragungseinheit CPM steuert. Weiterhin vorteilhaft ist die Schnittstelle mit einer Sendeeinheit verbunden, welche dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die bereitgestellten Informationen an die zweite Übertragungseinheit CPM drahtlos zu übermitteln. Hierzu verfügt die zweite Übertragungseinheit CPM über eine entsprechende Empfangseinheit. Vorteilhaft ist sowohl die Sendeeinheit der ersten Übertragungseinheit GPM als auch die
Empfangseinheit der zweiten Übertragungseinheit CPM als Sende-/Empfangseinheit ausgeführt.
Da die Signale SIGSG vorliegend in die Sekundärspule eingekoppelt werden, dient die Sekundärspule vorliegend einerseits als Sendeantenne (Sendespule) zur Aussendung der Signale S IGSG und andererseits als Empfangsspule zum Empfang der von der
Primärspule induktiv übertragenen magnetischen Energie zum Laden des
Energiespeichers.
Eine derartige Doppelfunktion ist erfindungsgemäß auch der Primärspule zugedacht. Einerseits dient die Primärspule dazu, die Energie zum Laden des Energiespeichers an die Sekundärspule zu übertragen, andererseits dient die Primärspule sowie die erste und die zweite Hilfsspule dazu, die von der Primärspule ausgesandten Signale S IGSG ZU empfangen. Die Primärspule als auch die Sekundärspule sind also derart dimensioniert, dass die induktive Übertragung der Energie zur Ladung des Energiespeichers erfolgen kann.
Durch diese Doppelfunktionen der Primär- sowie der Sekundärspule können ansonsten erforderliche weitere Empfangs-/Sendespulen eingespart werden. Das vorgeschlagene Fahrzeugladesystem ermöglicht es insbesondere eine relative Position oder eine Distanz und/oder gleichzeitig eine magnetische Koppelung zu ermitteln und für eine weitere Verwendung bereitzustellen.
Die Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß derart ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der von der Primärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale S IGSG eine magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM ermittelt wird.
Vorteilhaft sind zumindest die erste Hilfsspule und die zweite Hilfsspule relativ zu der Primärspule und relativ zueinander angeordnet und/oder orientiert. Vorteilhaft sind insgesamt drei, vier, fünf oder sechs Hilfsspulen vorhanden, um die Signale SIGSG ZU empfangen. Die Hilfsspulen sind vorliegend an der ersten Übertragungseinheit GPM unterschiedlich positioniert. Weiterhin vorteilhaft sind die Hilfsspulen unterschiedlich orientiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Spulenachsen SPAHI und SPAH2 jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der Spulenachse SPAP der Primärspule und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet. Der Begriff„im Wesentlichen“ bedeutet vorliegend, dass auch Abweichungen im Bereich bis 10° von der reinen
Orthogonalität (90°) d.h. 90 ° ± 10° darunterfallen.
Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt und eingerichtet, die relative Position APOS auf Basis der jeweiligen Amplituden und/oder der Phasenlagen der von der Primärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale SIGSG ZU ermitteln. Vorteilhaft gibt die relative Position APOS eine relative Position von Primärspule und Sekundärspule an. Aus der relativen Position APOS wird in der Auswerteeinheit vorteilhaft auch die
Entfernung zwischen Primärspule und Sekundärspule ermittelt. Die relative Position APOS ist eine zweidimensionale Relativposition APOS(Ax, Ay) oder eine dreidimensionale Relativposition APOS(Ax, Ay, Az). Die Relativposition kann natürlich auch in anderen, als kartesischen Koordinaten angegeben sein.
Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die magnetische Koppelung kmag auf Basis einer für die Aussendung des Signals S IGSG in der Sekundärspule erzeugten Spannung U2 oder eines in der Sekundärspule erzeugten Stroms l2, einer in der Primärspule beim Empfang des Signals S IGSG induzierten Spannung Ui oder induzierten Stroms h sowie den vorgegebenen Selbstinduktivitäten L1 und L2 der Primärspule und der Sekundärspule.
Vorteilhaft verwendet die Auswerteeinheit zur Ermittlung der magnetischen Koppelung kmag den Zusammenhang:
Figure imgf000006_0001
Vorteilhaft sind die erste Übertragungseinheit GPM und die zweite Übertragungseinheit CPM zur drahtlosen Kommunikation miteinander ausgeführt und eingerichtet. Vorteilhaft umfasst jede der Übertragungseinheiten hierfür eine Sende-/Empfangseinheit. Vorteilhaft wird für die drahtlose Kommunikation zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM ein WLAN-Protokoll genutzt. Diese drahtlose Kommunikationsverbindung wird vorteilhaft grundsätzlich genutzt, um erforderliche Informationen zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten
Übertragungseinheit CPM auszutauschen, um den gesamten Prozess zur
Energieübertragung von der ersten Übertragungseinheit GPM an die zweite Übertragungseinheit CPM sicher und optimal auszuführen. So werden vorteilhaft beispielsweise eine Kennung von CPM und GPM, Zustandsinformationen von CPM und GPM, Start und Stopp-Signale zum Beginn und zu Beendigung der Energieübertragung zur Ladung des Energiespeichers, etc. über diese Kommunikationsverbindung
ausgetauscht.
Vorteilhaft wird vorliegend über diese Kommunikationsverbindung von der zweiten Übertragungseinheit CPM an die erste Übertragungseinheit GPM die für die Aussendung des Signals S IGSG in der Sekundärspule erzeugte Spannung U2 oder der erzeugte Strom l2 übermittelt. Weiterhin vorteilhaft wird über diese Kommunikationsverbindung von der zweiten Übertragungseinheit CPM an die erste Übertragungseinheit GPM die
Selbstinduktivität L2 der Sekundärspule übermittelt.
Vorteilhaft wird von der zweiten Übertragungseinheit CPM die Aussendung von Signalen SIGSG beendet, wenn die magnetischen Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist. Der Grenzwert G1 ist dabei vorteilhaft derart gewählt, dass bei
Überschreiten des Grenzwertes G1 bereits eine optimale magnetische Koppelung kmag vorliegt, die eine effiziente induktive Energieübertragung gewährleistet. Vorteilhaft wird das Aussenden von Signalen SIGSG nur dann beendet, wenn sich zudem die relative Position APOS für einen vorgegebenen Zeitraum At nicht ändert, sodass davon ausgegangen werden kann, dass das Fahrzeug F derart geparkt ist, dass die erste Übertragungseinheit GPM für die induktive Energieübertragung optimal relativ zur zweiten Übertragungseinheit CPM angeordnet ist.
Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM die von der Auswerteeinheit ermittelte relative Position APOS oder einen von der Ausweitungseinheit aus der relativen Position APOS ermittelten Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten
Übertragungseinheit an die zweite Übertragungseinheit CPM, wobei die zweite
Übertragungseinheit CPM die Aussendung von Signalen SIGSG dann beendet, wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM kleiner als ein vorgegebener Grenzwert G2 ist. Vorteilhaft wird das Aussenden von Signalen SIGSG nur dann beendet, wenn sich zudem die relative Position APOS für einen vorgegebenen Zeitraum At nicht ändert, sodass davon ausgegangen werden kann, dass das Fahrzeug F derart geparkt ist, dass die erste Übertragungseinheit GPM für die induktive Energieübertragung optimal relativ zur zweiten Übertragungseinheit CPM angeordnet ist.
Das Beenden des Aussendens von Signalen SIGSG erfolgt vorteilhaft mithin dann, wenn sichergestellt ist, dass eine optimale Positionierung der ersten Übertragungseinheit GPM zur zweiten Übertragungseinheit CPM erreicht ist und die Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers initialisiert wird, da bei gleichzeitiger Aussendung der Signale SIGSG und induktiver Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers Fehler bei der Datenkommunikation nicht ausgeschlossen werden können.
Vorteilhaft weist die erste Übertragungseinheit eine Steuereinheit auf, die derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass die Energieübertragung zum Laden des
Energiespeichers von der Primärspule zur Sekundärspule erst dann initialisiert wird, wenn die (aktuell) ermittelte magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener
Grenzwert G3 ist und/oder wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten
Übertragungseinheit CPM kleiner als ein vorgegebener Grenzwert G4 ist. Der Grenzwert G3 ist vorteilhaft gleich oder kleiner dem Grenzwert G1 . Der Grenzwert G4 ist vorteilhaft gleich oder größer dem Grenzwert G2.
Vorteilhaft wird über die besagte Kommunikationsverbindung die ermittelte magnetische Koppelung kmag oder eine daraus ermittelte Größe und/oder die ermittelte relative Position APOS oder eine daraus ermittelte Größe, insbesondere der Abstand DQPM-CPM zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM im Fahrzeug F bereitgestellt, um insbesondere im Fahrzeug F ausgegeben zu werden und/oder eine automatische Längs- und/oder Quersteuerung des Fahrzeugs zur optimalen Positionierung der zweiten Übertragungseinheit CPM über der ersten
Übertragungseinheit zu ermöglichen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten Energiespeichers, umfassend eine erste
Übertragungseinheit GPM, die eine Primärspule mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM, die eine Sekundärspule mit einer Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule erfolgt. Das Fahrzeugladesystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Übertragungseinheit GPM einen Signalgenerator SG zur Erzeugung von Signalen S IGSG aufweist, der die Signale S IGSG zu deren Aussendung in die Primärspule einkoppelt, und die zweite Übertragungseinheit CPM eine Auswerteeinheit und zumindest eine erste Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAHI und eine zweite Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der Sekundärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale SIGSG eine magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM zu ermitteln und zur weiteren Verwendung an einer
Schnittstelle bereitzustellen.
Im Unterschied zum Fahrzeugladesystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt beim Fahrzeugladesystem gemäß zweitem Aspekt der Erfindung die Aussendung der Signale S IGSG durch die erste Übertragungseinheit GPM. Demzufolge ist im
Fahrzeugladesystem gemäß zweitem Aspekt die zweite Übertragungseinheit CPM mit einer Auswerteeinheit sowie zumindest einer ersten und zweiten Hilfsspule zum Empfang und zur Auswertung der Signale SIGSG ausgestattet. Die vorteilhaften Weiterbildungen des Fahrzeugladesystems gemäß dem zweiten Aspekt und deren Vorteile ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der vorstehenden Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere wie folgt.
Die Schnittstelle ist vorteilhaft eine Schnittstelle der Auswerteeinheit. Die Schnittstelle ist vorteilhaft mit der Steuereinheit der zweiten Übertragungseinheit CPM verbunden, welche den Vorgang zum Empfang der induktiv von der ersten Übertragungseinheit GPM übertragenen Energie steuert. Weiterhin vorteilhaft ist die Schnittstelle mit einer
Sendeeinheit verbunden, welche dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die bereitgestellten Informationen an die erste Übertragungseinheit GPM zu übermitteln. Die Sendeeinheit ist vorteilhaft als Sende-/Empfangseinheit ausgeführt.
Vorteilhaft sind die erste Hilfsspule und die zweite Hilfsspule relativ zu der Sekundärspule und relativ zueinander angeordnet und orientiert. Vorteilhaft sind die Spulenachsen SPAm und SPAH2 jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der Spulenachse SPAP der
Sekundärspule und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die relative Position APOS auf Basis der jeweiligen
Amplituden und Phasenlagen der von der Sekundärspule und den Hilfsspulen
empfangenen Signale S IGSG-
Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die magnetische Koppelung kmag auf Basis einer für die Aussendung des Signals S IGSG in der Primärspule erzeugten Spannung Ui oder eines in der Primärspule erzeugten Stroms h, einer in der Sekundärspule beim Empfang des Signals S IGSG induzierten Spannung U2 oder induzierten Stroms \2 sowie den vorgegebenen Selbstinduktivitäten L1 und L2 der Primärspule und der Sekundärspule.
Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM an die zweite
Übertragungseinheit CPM die für die Aussendung des Signals SIGSG in der Primärspule erzeugte Spannung Ui oder den erzeugten Strom h. Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM an die zweite Übertragungseinheit CPM die Selbstinduktivität Li der Primärspule.
Vorteilhaft beendet die erste Übertragungseinheit GPM die Aussendung von Signalen S IGSG, wenn die magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist.
Vorteilhaft übermittelt die zweite Übertragungseinheit CPM die relative Position APOS oder einen aus der relativen Position APOS ermittelten Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit an die erste Übertragungseinheit GPM, wobei die erste Übertragungseinheit GPM die Aussendung von Signalen S IGSG beendet, wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM kleiner als ein
vorgegebener Grenzwert G2 ist.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Fahrzeugladesystems, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten Energiespeichers, umfassend eine erste
Übertragungseinheit GPM, die eine Primärspule mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM, die eine Sekundärspule mit einer Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule erfolgt, wobei die zweite Übertragungseinheit CPM einen Signalgenerator SG zur Erzeugung von Signalen S IGSG aufweist, und die erste Übertragungseinheit GPM eine Auswerteeinheit und zumindest eine erste Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAHI und eine zweite Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, mit folgenden Schritten.
In einem ersten Schritt erfolgt durch den Signalgenerator SG ein Erzeugen und
Einkoppeln von Signalen SIGSG ZU deren Aussendung in die Sekundärspule. In einem weiteren Schritt erfolgt auf Basis der von der Primärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signalen S IGSG ein Ermitteln einer magnetischen Koppelung kmag und einer relativen Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM und ein Bereitstellen einer magnetischen Koppelung kmag und/oder der relativen Position APOS an eine Schnittstelle zur weiteren Verwendung.
Die vorteilhaften Weiterbildungen dieses Verfahrens zum Betrieb des
Fahrzeugladesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung auf das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung, insbesondere wie folgt.
Vorteilhaft sind die erste Hilfsspule und die zweite Hilfsspule relativ zu der Primärspule und relativ zueinander angeordnet und orientiert. Vorteilhaft sind die Spulenachsen SPAm und SPAH2 jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der Spulenachse SPAP der Primärspule und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft ermittelt die
Auswerteeinheit die relative Position APOS auf Basis der jeweiligen Amplituden und Phasenlagen der von der Primärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale SIGSG ermittelt. Vorteilhaft gibt die relative Position APOS, eine relative Position von Primärspule und Sekundärspule an. Vorteilhaft ist die relative Position APOS eine zweidimensionale Relativposition APOS(Ax, Ay) oder eine dreidimensionale Relativposition APOS(Ax, Ay, Az). Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die magnetische Koppelung kmag auf Basis einer für die Aussendung des Signals SIGSG in der Sekundärspule erzeugten Spannung U2 oder eines in der Sekundärspule erzeugten Stroms l2, einer in der Primärspule beim Empfang des Signals SIGSG induzierten Spannung Ui oder induzierten Stroms h sowie den vorgegebenen Selbstinduktivitäten l_i und L2 der Primärspule und der Sekundärspule.
Vorteilhaft übermittelt die zweite Übertragungseinheit CPM an die erste
Übertragungseinheit GPM die für die Aussendung des Signals SIGSG in der
Sekundärspule erzeugte Spannung U2 oder den erzeugten Strom l2. Vorteilhaft übermittelt die zweite Übertragungseinheit CPM an die erste Übertragungseinheit GPM die
Selbstinduktivität L2 der Sekundärspule. Vorteilhaft beendet die zweite
Übertragungseinheit CPM die Aussendung von Signalen SIGSG, wenn die magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist.
Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM die relative Position APOS oder einen aus der relativen Position APOS ermittelten Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit an die zweite Übertragungseinheit CPM, wobei die zweite Übertragungseinheit CPM die Aussendung von Signalen SIGSG beendet, wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM kleiner als ein vorgegebener Grenzwert G2 ist.
Vorteilhaft wird die Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers von der Primärspule zur Sekundärspule dann initialisiert, wenn die ermittelte magnetische
Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G3 ist und/oder wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten
Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM kleiner als ein vorgegebener Grenzwert G4 ist.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Fahrzeugladesystems, gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten Energiespeichers, umfassend eine erste
Übertragungseinheit GPM, die eine Primärspule mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite Übertragungseinheit CPM, die eine Sekundärspule mit einer Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug F angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule erfolgt, wobei die erste Übertragungseinheit GPM einen Signalgenerator SG zur Erzeugung von Signalen S IGSG aufweist, und die zweite Übertragungseinheit CPM eine Auswerteeinheit und zumindest eine erste Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAHI und eine zweite Hilfsspule mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, mit folgenden Schritten.
In einem ersten Schritt erfolgt durch den Signalgenerator SG ein Erzeugen und ein Einkoppeln von Signalen SIGSG ZU deren Aussendung in die Primärspule.
In einem weiteren Schritt erfolgt auf Basis der von der Sekundärspule und den Hilfsspulen empfangenen Signale S IGSG ein Ermitteln einer magnetischen Koppelung kmag und/oder einer relativen Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM und ein Bereitstellen einer magnetischen Koppelung kmag und der relativen Position APOS an eine Schnittstelle zur weiteren Verwendung.
Die vorteilhaften Weiterbildungen dieses Verfahrens (vierter Aspekt der Erfindung) zum Betrieb des Fahrzeugladesystems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und dessen Vorteile ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der
Ausführungen zum zweiten Aspekt der Erfindung auf dieses Verfahren, insbesondere wie folgt.
Vorteilhaft sind die erste Hilfsspule und die zweite Hilfsspule relativ zu der Sekundärspule und relativ zueinander angeordnet und orientiert. Vorteilhaft sind die Spulenachsen SPAHI und SPAHS jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der Spulenachse SPAP der
Sekundärspule und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die relative Position APOS auf Basis der jeweiligen
Amplituden und Phasenlagen der von der Sekundärspule und den Hilfsspulen
empfangenen Signale S IGSG·
Vorteilhaft ermittelt die Auswerteeinheit die magnetische Koppelung kmag auf Basis einer für die Aussendung des Signals S IGSG in der Primärspule erzeugten Spannung Ui oder eines in der Primärspule erzeugten Stroms einer in der Sekundärspule beim Empfang des Signals S IGSG induzierten Spannung U2 oder induzierten Stroms sowie den vorgegebenen Selbstinduktivitäten L1 und L2 der Primärspule und der Sekundärspule.
Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM an die zweite
Übertragungseinheit CPM die für die Aussendung des Signals SIGSG in der Primärspule erzeugte Spannung Ui oder den erzeugten Strom h. Vorteilhaft übermittelt die erste Übertragungseinheit GPM an die zweite Übertragungseinheit CPM die Selbstinduktivität l_i der Primärspule.
Vorteilhaft beendet die erste Übertragungseinheit GPM die Aussendung von Signalen S IGSG, wenn die magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist. Vorteilhaft übermittelt die zweite Übertragungseinheit CPM die relative Position APOS oder einen aus der relativen Position APOS ermittelten Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit an die erste Übertragungseinheit GPM, wobei die erste Übertragungseinheit GPM die Aussendung von Signalen S IGSG beendet, wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM kleiner als ein
vorgegebener Grenzwert G2 ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 einen stark schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen
Fahrzeugladesystems, und
Fig. 2 ein stark schematisiertes Ablaufschema eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugladesystems.
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen
Fahrzeugladesystems zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten
Energiespeichers. Das in Fig. 1 gezeigte Fahrzeugladesystem umfasst eine erste
Übertragungseinheit GPM 101 , die eine Primärspule 103 mit einer Spulenachse SPAP (nicht dargestellt) aufweist, und die stationär am Erdboden außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist. Das Fahrzeugladesystem umfasst weiterhin eine zweite
Übertragungseinheit CPM 102, die eine Sekundärspule 104 mit einer Spulenachse SPAs (nicht dargestellt) aufweist, und die im Fahrzeug F angeordnet ist. Die
Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive
Energieübertragung erfolgt von der Primärspule 103 zur Sekundärspule 104.
Alle Komponenten, die in Zusammenhang mit dem Aussenden und Empfangen der induktiven Ladeenergie für den Energiespeicher in der zweiten Übertragungseinheit CPM 102 stehen, wurden der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 weggelassen.
Bevor die induktive Energieübertragung in der ersten Übertragungseinheit GPM initiiert/aktiviert werden kann, muss zunächst das Vorhandensein einer zweiten
Übertragungseinheit CPM in einem Fahrzeug F, deren relative Position und die aktuelle magnetische Koppelung zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM und der zweiten Übertragungseinheit CPM ermittelt werden, wobei die induktive Energieübertragung erst dann initiiert wird, wenn die ermittelte relative Position APOS und ermittelte magnetische Koppelung kmag denvorgegebenen Bedingungen genügen.
Die im Fahrzeug F angeordnete zweite Übertragungseinheit CPM 102 weist einen Signalgenerator SG 105 zur Erzeugung von Signalen S IGSG auf, der die Signale S IGSG ZU deren Aussendung durch die Sekundärspule 104 in diese einkoppelt. Der Signalgenerator SG 105 ist vorliegend zudem mit einer Sende-/Empfangseinheit 109 verbunden, welche unter anderem folgende Informationen per WLAN Signal aussendet: Kennung der zweiten Übertragungseinheit CPM 102, elektrischer Zustand der Übertragungseinheit CPM 102, in der Sekundärspule 104 für die Aussendung der Signale SIGSG erzeugte Spannung U2 oder Strom l2 sowie die Induktivität L2 der Sekundärspule 104. Die von der Sekundärspule 104 ausgehenden gestrichelten Pfeile repräsentieren die ausgesandten Signale S IGSG-
Die Sende-/Empfangseinheit 109 der zweiten Übertragungseinheit CPM 102 ist weiterhin mit einer fahrzeugseitigen Steuereinheit 1 10 verbunden, die insbesondere eine autonome Längs- und/oder Quersteuerung des Fahrzeugs F steuert und/oder die Ausgabe/Anzeige von Informationen im Fahrzeug F zur optimalen relativen Positionierung der ersten Übertragungseinheit GPM 101 zur zweiten Übertragungseinheit CPM 102 steuert.
Die erste Übertragungseinheit GPM 101 weist eine Auswerteeinheit 106 und zumindest eine erste Hilfsspule 107a mit einer Spulenachse SPAm (nicht dargestellt) und eine zweite Hilfsspule 107b mit einer Spulenachse SPAH2 (nicht dargestellt) auf. Die
Spulenachsen SPAm und SPAH2 sind jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der
Spulenachse SPAP der Primärspule und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet.
Die Auswerteeinheit 106 ist dazu eingerichtet, auf Basis der von der Primärspule 103 und den Hilfsspulen 107a,b empfangenen Signale S IGSG eine aktuelle magnetische
Koppelung kmag und eine aktuelle relative Position APOS zwischen der ersten
Übertragungseinheit GPM 101 und der zweiten Übertragungseinheit CPM 102 zu ermitteln. Die Auswerteeinheit 106 ist mit einer Sende-/Empfangseinheit 108 verbunden, sodass die ermittelten Werte zur magnetischen Koppelung kmag und zur relativen Position APOS sowie ein daraus ermittelter Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit an die zweite Übertragungseinheit CPM 102, konkret über die Datenverbindung zwischen den Sende-/Empfangseinheiten 108 und 109 übermittelt werden. Die Daten zur aktuellen relativen Position APOS und zur magnetischen
Koppelung kmag werden von der Sende-/Empfangseinheit 109 an die fahrzeugseitige Steuereinheit 1 10 übermittelt und von dieser zur autonomen Längs- und Quersteuerung des Fahrzeugs F verwendet, sodass das Fahrzeug F autonom eine optimale
Positionierung der zweiten Übertragungseinheit CPM 102 relativ zu der ersten
Übertragungseinheit GPM 101 vornimmt.
Ist eine derartige optimale Positionierung erfolgt, was anhand von vorgegebenen
Grenzwerten, insbesondere für die magnetische Koppelung kmag erkennbar ist, und ist das Fahrzeug F in einen Parkzustand versetzt worden, sodass mit keiner weiteren Bewegung des Fahrzeugs F zu rechnen ist, wird die induktive Energieübertragung zum Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers initiiert.
Fig. 2 zeigt ein stark schematisiertes Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Fahrzeugladesystems wie vorstehend in Fig. 1 beschrieben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt 201 erfolgt durch den Signalgenerator SG 105 ein Erzeugen und Einkoppeln von Signalen SIGSG ZU deren Aussendung in die Sekundärspule 104.
In einem weiteren Schritt 202 erfolgt auf Basis der von der Primärspule 103 und den Hilfsspulen 107a,b empfangenen Signale SIGSG ein Ermitteln einer magnetischen
Koppelung kmag und einer relativen Position APOS zwischen der ersten
Übertragungseinheit GPM 101 und der zweiten Übertragungseinheit CPM 102.
In einem weiteren Schritt 203 erfolgt ein Übertragen der ermittelten magnetischen Koppelung kmag und der relativen Position APOS sowie eines daraus abgeleiteten
Abstands DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit an die zweite Übertragungseinheit CPM 102. Die Übertragung dieser Daten erfolgt zwischen der Sendeeinheit 108 und der Empfangseinheit 109. Die Datenübertragung erfolgt mittels eines WLAN Protokolls. Die übermittelten Daten dienen insbesondere zur Weiterleitung an die fahrzeugseitige Steuereinheit 1 10 zur autonomen Quer- und/oder Längssteuerung des Fahrzeugs F bzw. zur Ausgabe/Anzeige dieser Information im Fahrzeug.
In einem weiteren Schritt 204 erfolgt eine Prüfung, ob die magnetische Koppelung kmag und die relative Position APOS sowie der Abstand DGPM-CPM den entsprechend
vorgegebenen Bedingungen genügt. Diese Prüfung kann sowohl in der ersten
Übertragungseinheit GPM 101 oder in der zweiten Übertragungseinheit CPM 102 erfolgen. Erst wenn die vorgegebenen Bedingungen erfüllt sind wird die induktive
Energieübertragung von der Primärspule an die Sekundärspule initiiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Aussendung der Signale SIGSG, deren Empfang und deren Auswertung während einer induktiven Energieübertragung zur Ladung des Energiespeichers fortgesetzt. Ergeben sich dabei Veränderungen der magnetischen Koppelung kmag, der relativen Position APOS oder des Abstandes DQPM-CPM welche den vorgegebenen Bedingungen nicht genügen, wird instantan die induktive Energieübertragung zur Ladung des Energiespeichers gestoppt. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der
Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden
Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste
101 erste Übertragungseinheit GPM
102 zweite Übertragungseinheit CPM
103 Primärspule
104 Sekundärspule
105 Signalgenerator SG
106 Auswerteeinheit
107a erste Hilfsspule
107b zweite Hilfsspule
108,109 Sende-/Empfangseinheit zur Datenkommunikation 1 10 fahrzeugseitiges Steuergerät
201 -204 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten
Energiespeichers, umfassend eine erste Übertragungseinheit GPM (101 ), die eine Primärspule (103) mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite
Übertragungseinheit CPM (102), die eine Sekundärspule (104) mit einer
Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug F angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive
Energieübertragung von der Primärspule (103) zur Sekundärspule (104) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
- die zweite Übertragungseinheit CPM (102) einen Signalgenerator SG (105) zur
Erzeugung von Signalen SIGSG aufweist, der die Signale SIGSG ZU deren Aussendung durch die Sekundärspule (104) in diese einkoppelt, und
- die erste Übertragungseinheit GPM (101 ) eine Auswerteeinheit (106) und
zumindest eine erste Hilfsspule (107a) mit einer Spulenachse SPAm und eine zweite Hilfsspule (107b) mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, wobei die Auswerteeinheit (106) dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der Primärspule (103) und den Hilfsspulen (107a,b) empfangenen Signale SIGSG eine
magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM (101 ) und der zweiten Übertragungseinheit CPM (102) zu ermitteln.
2. Fahrzeugladesystem nach Anspruch 1 ,
wobei die erste Hilfsspule (107a) und die zweite Hilfsspule (107b) relativ zu der Primärspule (103) und relativ zueinander angeordnet und orientiert sind.
3. Fahrzeugladesystem nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Spulenachsen SPAm und SPAH2 jeweils im Wesentlichen orthogonal zu der Spulenachse SPAP der Primärspule (103) und im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind,
4. Fahrzeugladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Auswerteeinheit (106) die relative Position APOS auf Basis der jeweiligen Amplituden und/oder Phasenlagen der von der Primärspule (103) und den Hilfsspulen (107a,b) empfangenen Signale SIGSG ermittelt.
5. Fahrzeugladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Auswerteeinheit (106) die magnetische Koppelung kmag auf Basis einer für die Aussendung des Signals S IGSG in der Sekundärspule (104) erzeugten Spannung U2 oder eines in der Sekundärspule (104) erzeugten Stroms l2, einer in der Primärspule (103) beim Empfang des Signals S IGSG induzierten Spannung Ui oder induzierten Stroms sowie den vorgegebenen Selbstinduktivitäten L1 und L2 der Primärspule (103) und der Sekundärspule (104) ermittelt.
6. Fahrzeugladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die zweite Übertragungseinheit CPM (102) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die Aussendung von Signalen S IGSG ZU beenden, wenn die magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist und/oder wenn ein aus der relativen Position APOS ermittelter Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten und der zweiten Übertragungseinheit kleiner als ein
vorgegebener Grenzwert G2 ist.
7. Fahrzeugladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers von der
Primärspule (103) zur Sekundärspule (104) erst dann initialisiert wird, wenn die ermittelte magnetische Koppelung kmag größer als ein vorgegebener Grenzwert G3 ist und/oder wenn der aus der relativen Position APOS ermittelte Abstand DGPM-CPM zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM (101 ) und der zweiten
Übertragungseinheit CPM (102) kleiner als ein vorgegebener Grenzwert G4 ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugladesystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten:
- durch den Signalgenerator SG (105) Erzeugen und Einkoppeln (201 ) von Signalen
SIGSG ZU deren Aussendung in die Sekundärspule (104), und
- auf Basis der von der Primärspule (103) und den Hilfsspulen (107a,b)
empfangenen Signale S IGSG Ermitteln einer magnetischen Koppelung kmag und/oder einer relativen Position APOS zwischen der ersten
Übertragungseinheit GPM (101 ) und der zweiten Übertragungseinheit CPM (102).
9. Fahrzeugladesystem zum Laden eines in einem Fahrzeug F angeordneten
Energiespeichers, umfassend eine erste Übertragungseinheit GPM (101 ), die eine Primärspule (103) mit einer Spulenachse SPAP aufweist, und die insbesondere stationär außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine zweite
Übertragungseinheit CPM (102), die eine Sekundärspule (104) mit einer
Spulenachse SPAs aufweist, und die im Fahrzeug angeordnet ist, wobei eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers durch eine induktive
Energieübertragung von der Primärspule (103) zur Sekundärspule erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Übertragungseinheit GPM (101 ) einen Signalgenerator SG (105) zur
Erzeugung von Signalen SIGSG aufweist, der die Signale SIGSG ZU deren Aussendung in die Primärspule (103) einkoppelt, und
- die zweite Übertragungseinheit CPM (102) eine Auswerteeinheit (106) und
zumindest eine erste Hilfsspule (107a) mit einer Spulenachse SPAm und eine zweite Hilfsspule (107b) mit einer Spulenachse SPAH2 aufweist, wobei die Auswerteeinheit (106) dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der
Sekundärspule (104) und den Hilfsspulen (107a,b) empfangenen Signale SIGSG eine magnetische Koppelung kmag und/oder eine relative Position APOS zwischen der ersten Übertragungseinheit GPM (101 ) und der zweiten
Übertragungseinheit CPM (102) zu ermitteln und an einer Schnittstelle zur weiteren Verwendung bereitzustellen.
10. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugladesystems gemäß Anspruch 9, mit
folgenden Schritten:
- durch den Signalgenerator SG (105) Erzeugen und Einkoppeln (201 ) von Signalen
SIGSG ZU deren Aussendung in die Primärspule (103), und
- auf Basis der von der Sekundärspule (104) und den Hilfsspulen (107a,b)
empfangenen Signale S IGSG Ermitteln einer magnetischen Koppelung kmag und/oder einer relativen Position APOS zwischen der ersten
Übertragungseinheit GPM (101 ) und der zweiten Übertragungseinheit CPM (102).
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