WO2023241998A1 - Verfahren zum koppeln eines fahrzeugs mit einer ladestation - Google Patents

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WO2023241998A1
WO2023241998A1 PCT/EP2023/065116 EP2023065116W WO2023241998A1 WO 2023241998 A1 WO2023241998 A1 WO 2023241998A1 EP 2023065116 W EP2023065116 W EP 2023065116W WO 2023241998 A1 WO2023241998 A1 WO 2023241998A1
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sensor
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Andreas Erban
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a computer-implemented method for coupling a vehicle with a charging station.
  • the invention relates to a computer-implemented method for transmitting data between a charging station and a vehicle as well as a control device, a computer program and a computer-readable medium for executing one of the methods or both methods.
  • the invention further relates to a vehicle system and a charging station.
  • Vehicles with an electric drive motor and a rechargeable (high-voltage) drive battery can, for example, be connected to a wall charging device, also called a wallbox, via a charging cable in order to charge the drive battery.
  • a wall charging device also called a wallbox
  • the charging cable is usually connected manually.
  • Wireless transmission of the electrical energy required for charging is also possible, for example through magnetic induction.
  • the vehicle should be positioned as precisely as possible over a corresponding charging field of the charging device in order to avoid excessive losses due to stray fields.
  • Embodiments of the present invention enable an improved coupling of a vehicle with a charging station, in particular in the sense of automatic positioning of the vehicle relative to the charging station, so that a user does not have to be active with the vehicle and / or the charging station or only to a very small extent in order to do so to start the charging process.
  • a first aspect of the invention relates to a computer-implemented method for coupling a vehicle to a charging station.
  • the vehicle includes a battery, a first coupling section for connecting the battery to the charging station, an actuator system for maneuvering the vehicle and a control unit.
  • the charging station comprises a second coupling section which can be electrically conductively coupled to the first coupling section in order to provide electrical energy.
  • the method includes the following steps: receiving position data in the control device, the position data defining an actual position of the first coupling section relative to the second coupling section; Determining a deviation of the actual position from a target position; Generating a maneuvering command that causes the actuators to maneuver the vehicle in such a way that the deviation becomes smaller.
  • the method enables very precise autonomous positioning of a vehicle relative to a charging station.
  • the vehicle can be positioned using its electric drive in very small maneuvering steps, each with a very short driving distance.
  • the method can be viewed as a control method that makes it possible to position the (electrically powered) vehicle autonomously with very high accuracy relative to the charging station, without the driver's involvement.
  • This enables, for example, automatic docking (optionally automatic undocking) using a suitable plug connection, for example in a garage.
  • the vehicle's parking sensors which are installed as standard in many modern vehicles, can be used for this purpose.
  • the method can be implemented without additional hardware, in particular without additional sensor hardware. Alternatively or additionally, sensors external to the vehicle can be used. This can further improve positioning accuracy.
  • the method can be used to greatly reduce losses due to stray fields, which can occur as a result of inaccurate positioning of the coil systems.
  • the method can be carried out automatically by a processor.
  • the method can be started automatically when it is detected that the battery is charged, i.e. H. should be charged or discharged.
  • the battery can in particular be a (high-voltage) drive battery of the vehicle.
  • the actual position can be defined, for example, by a distance and/or an orientation of the first coupling section relative to the second coupling section with respect to one or more spatial axes.
  • the actual position can be defined in a two-dimensional coordinate system.
  • a target position can be understood as meaning a position in which the vehicle is to be coupled to the charging station, more precisely the first to the second coupling section.
  • the maneuvering command can be generated until the actual position is recognized as matching the target position.
  • the actual position can be recognized as matching the target position if the actual position lies within a predetermined tolerance range of plus/minus 5 cm or less, in particular plus/minus 1 cm or less, around the target position.
  • the maneuvering of the vehicle can also be canceled automatically, for example if it is detected that an approach to the target position with sufficient accuracy is not possible for some reason.
  • the first coupling section can, for example, comprise a plug, wherein the coupling section can include a socket that can be combined with the plug to form an electrically conductive plug connection (or vice versa).
  • a plug connection can include a larger matrix field for conductive contacting of a smaller plug. Due to the high positioning accuracy that can be achieved with the method, the matrix field can be dimensioned correspondingly smaller than with conventional charging stations, which saves space and reduces costs.
  • first and second coupling sections can be designed for contactless transmission of electrical energy, for example by induction.
  • the coupling sections can each comprise one or more coils.
  • Vehicle can be understood, for example, as a car, a truck, a bus, a motorcycle or an autonomously moving robot.
  • the actuator system for maneuvering the vehicle can be, for example, an electric drive motor, a steering actuator, a brake actuator, an engine control unit or a combination of at least two of these examples.
  • the vehicle can be equipped with a vehicle system, for example in the form of a driver assistance system, which enables partially or fully automated control of the vehicle.
  • vehicle system can be configured to recognize objects in an environment of the vehicle by evaluating sensor data from a sensor system installed in the vehicle and to control the vehicle depending on the detected objects by appropriately controlling the actuators, i.e. H. to steer, brake and/or accelerate.
  • a second aspect of the invention relates to a computer-implemented method for transmitting data between a charging station and a vehicle.
  • the vehicle includes a battery and a first coupling section for connecting the battery to the charging station.
  • the charging station comprises a second coupling section which can be electrically conductively coupled to the first coupling section for providing electrical energy, a sensor system for detecting an environment of the charging station, in particular an environment of the second coupling section, and a control device.
  • the procedure includes the the following steps: receiving sensor data in the control unit, the sensor data being generated by the sensor system; Sending the sensor data via a wireless and/or wired data communication connection that connects the charging station to the vehicle for data communication.
  • the method includes the following steps: generating position data that defines an actual position of the first coupling section relative to the second coupling section from the sensor data and sending the position data via a wireless and/or wired data communication connection that connects the charging station to the vehicle for data communication connects (for example, the sensor or
  • Position data are transmitted wirelessly, whereby information for controlling the charging process can be transmitted by wire after the two coupling sections have been coupled).
  • the method can be carried out automatically by a processor.
  • the actual position can be determined from sensor data external to the vehicle and/or outside the vehicle.
  • this can improve the accuracy with which the vehicle can be positioned relative to the charging station, especially in cases in which the vehicle does not include any surroundings sensor system or only a very simple surroundings sensor system, for example in the form of a parking sensor.
  • a third aspect of the invention relates to a control device comprising a processor configured to carry out at least one of the methods described above and below.
  • the control device can include hardware and/or software modules.
  • the control device may include a memory and data communication interfaces for wireless and/or wired data communication with peripheral devices, for example another control device.
  • a fourth aspect of the invention relates to a vehicle system.
  • the vehicle system includes an actuator system for maneuvering a vehicle, a sensor system for detecting an environment of the vehicle and a control unit with a processor that is configured to implement an embodiment of the above and below to carry out the described method for coupling a vehicle with a charging station.
  • sensors can be, for example, a camera, a radar, lidar or ultrasonic sensor, a location sensor for determining geographical coordinates using a global navigation satellite system such as GPS, GLONASS or similar. or a combination of at least two of these examples can be understood.
  • the sensor system of the vehicle system can also include a driving dynamics sensor for detecting driving dynamics of the vehicle.
  • a driving dynamics sensor can be, for example, an acceleration, wheel speed, steering wheel angle, steering torque, brake pressure or brake pedal travel sensor or a combination of at least two of these examples.
  • the sensor system of the vehicle system can include a sensor for detecting a rotation angle, a speed and/or a torque of an electric drive motor of the vehicle.
  • a fifth aspect of the invention relates to a charging station for charging a battery of a vehicle, the vehicle comprising a first coupling section for connecting the battery to the charging station.
  • the charging station comprises a second coupling section which can be electrically conductively coupled to the first coupling section for providing electrical energy, a sensor system for detecting an environment of the charging station, in particular an environment of the second coupling section, and a control device with a processor which is configured to pre- and to carry out the methods described below for transmitting data between a charging station and a vehicle.
  • the charging station can be permanently installed or mobile.
  • the charging station can be designed as a wall charging device and/or floor unit.
  • the sensor system of the charging station can, for example, include a distance sensor for detecting an actual distance of the second coupling section relative to the first coupling section in one or more directions, in particular in a first horizontal direction and a second horizontal direction orthogonal to the first direction.
  • a distance sensor can be, for example, a camera, an ultrasound, radar, lidar or Hall sensor.
  • a simple optical sensor, for example in the form of a photodiode, as a distance sensor is also possible.
  • the sensor system of the charging station can be configured to detect the immediate surroundings of the second coupling section.
  • at least one sensor of the sensor system can be directed towards the second coupling section and/or arranged in the second coupling section and/or adjacent to the second coupling section and/or be part of the second coupling section.
  • the sensor can be a coil of the second coupling section, which is also suitable for inductive charging.
  • the sensor can also be an additional measuring coil.
  • the sensor system can comprise at least two coils of the second coupling section and/or at least two additional measuring coils as inductive transmitters.
  • the second coupling section can, for example, be arranged on and/or in a floor on which the vehicle stands when the battery is being charged. However, it is also possible to arrange the second coupling section in a wall or wall in the area surrounding the vehicle.
  • the computer program includes instructions that cause a processor to carry out at least one of the methods described above and below when the computer program is executed by the processor.
  • the computer-readable medium may be a volatile or non-volatile data storage device.
  • the computer-readable medium may be a hard drive, a USB storage device, a RAM, a ROM, an EPROM, a flash memory, or a combination of at least two of these examples.
  • the computer-readable medium can also be a data communication network that enables a download of program code, such as the Internet, or a cloud.
  • control device the computer program and/or the computer-readable medium (or vice versa).
  • Embodiments of the invention may be considered based on the ideas and findings described below, without limiting the invention.
  • the position data can be received at least partially via a wireless and/or wired data communication connection that connects the vehicle to the charging station for data communication.
  • a wireless and/or wired data communication connection that connects the vehicle to the charging station for data communication.
  • at least some of the position data may have been generated outside the vehicle, more precisely in the charging station. This can simplify the implementation of the method, especially as hardware.
  • the vehicle can, for example, include a first sensor system for detecting an environment of the vehicle.
  • the method may include the following steps: receiving first sensor data in the control unit of the vehicle, the first sensor data being generated by the first sensor system; Generating at least part of the position data from the first sensor data and/or generating the maneuvering command using the first sensor data.
  • the charging station may include a second sensor system for detecting an environment of the charging station, in particular an environment of the second coupling section.
  • the method according to one embodiment may include the following steps: receiving second sensor data in the control unit of the vehicle, the second sensor data being generated by the second sensor system; Generating at least part of the position data from the second sensor data and/or generating the maneuvering command using the second sensor data.
  • the actual position can be determined by the vehicle itself, externally by the charging station or by both. If, for example, the position data is determined exclusively or largely by the charging station, the first sensor system can be omitted or can be significantly simpler. Conversely, if the position data is determined exclusively or largely by the vehicle, the second sensor system can be omitted or can be significantly simpler.
  • the method can include the following step: detecting objects in the area surrounding the vehicle by evaluating the first and/or the second sensor data in the control device, the actual position being determined depending on the detected objects and/or the maneuvering command depending on the detected objects.
  • their respective position and/or orientation relative to the vehicle and/or their respective object type for example “wall”, “marking”, “pedestrian” or “tree”.
  • the position data may include actual distances of the first coupling section relative to at least one reference object located in the vicinity of the vehicle in a first direction, for example a horizontal x-direction, and a second direction orthogonal to the first direction, for example a horizontal y-direction .
  • the deviation can be determined by comparing the actual distances with target distances.
  • a reference object can generally be understood as an object that is suitable for determining the actual position.
  • the reference object can, for example, be specially designed and/or positioned, in particular in such a way that it can be easily recognized by the vehicle and/or the charging station.
  • the reference object can be, for example, a wall, a surface structure or a marking. Such a marking can, for example, be designed to be reflective and/or as a guide line or guide cable.
  • the method may include the following step: generating a coupling command that causes the first and second coupling sections to be electrically conductively coupled to one another when it is recognized that the actual position corresponds to the target position.
  • the coupling command can cause a coupling device of the vehicle and/or the charging station to automatically electrically conductively couple the first and second coupling sections to one another.
  • the coupling device can be designed to move the first and second coupling sections towards one another in the direction of a common axis, for example to create a plug connection between the to produce the first and second coupling sections.
  • the coupling device can, for example, also include a gripping arm for producing the plug connection.
  • the gripping arm can, for example, be designed to grip a charging cable and to connect the two coupling sections to one another with the charging cable.
  • the method may include the following step: generating a charging command that causes the battery to be charged via the charging station when it is recognized that the actual position corresponds to the target position and / or when it is recognized that the first and the second coupling section is electrically conductively coupled to one another.
  • a charging process for charging the battery via the charging station can be started automatically as soon as the first and second coupling sections are correctly aligned with one another. This improves user comfort.
  • charging can mean “charging” or “discharging” before and after.
  • the method may include the following step: generating a decoupling command that causes the first and second coupling sections to be decoupled from each other again when it is recognized that the charging process has ended.
  • the decoupling command may cause the coupling device to perform the steps required to couple the first and second coupling sections in reverse order.
  • At least one of the following parameters can be evaluated to generate the maneuvering command: a current speed, a current angle of rotation, a current torque of an electric drive motor of the vehicle. These can be calculated and/or measured parameters using at least one sensor. This means that the vehicle can be positioned much more precisely than is the case with conventional methods that use wheel speed sensors.
  • a maneuvering accuracy of up to 1 cm can be achieved.
  • a route currently traveled by the vehicle can be determined from the at least one parameter.
  • the maneuvering command can then be generated depending on the route. This enables, among other things, very precise maneuvering of the vehicle in its longitudinal direction. For example, depending on the route, a driving speed can be determined in combination with a steering angle for the vehicle.
  • the second coupling section can be inductively coupled to the first coupling section.
  • the second coupling section can be electrically conductively coupled to the first coupling section without contact.
  • each coupling section can comprise a coil.
  • the coils can be opposite each other at a certain distance.
  • the coil of the second coupling section can in particular be arranged on and/or in a floor on which the vehicle stands when the battery is being charged.
  • the sensor system of the charging station can be at least partially formed by the second coupling section.
  • the second coupling section it is possible for the second coupling section to be designed to function as a sensor of the sensor system of the charging station.
  • a coil of the second coupling section which is used for inductively charging the battery, can also be used for inductively measuring the actual position of the second coupling section relative to the first coupling section (for example to a coil of the first coupling section). This enables the actual position to be determined precisely without the need for an additional sensor.
  • Fig. 1 shows a vehicle with a vehicle system according to an embodiment of the invention at a charging station according to an embodiment of the invention in a view from above.
  • the figure is only schematic and not to scale.
  • the same reference numerals in the figure indicate the same features or features that have the same effect.
  • the vehicle 1 shows a vehicle 1 with a vehicle system 3, which includes a first sensor system 5 for detecting an environment of the vehicle 1, a first control device 7 and an actuator system 9 that can be controlled by the first control device 7.
  • the actuator system 9 includes a steering actuator, a brake actuator and an electric drive motor of the vehicle 1.
  • the vehicle 1 includes a rechargeable battery 11, here a high-voltage drive battery, which, among other things, supplies the actuator system 9 with electrical energy.
  • the battery 11 can be connected to a charging station 15 via a first coupling section 13 of the vehicle 1.
  • the charging station 15 is designed here, for example, as a wall charging device (“wallbox”) in a garage 17 and includes a second coupling section 19 that can be coupled to the first coupling section 13 in an electrically conductive manner.
  • wallbox a wall charging device
  • the charging station 15 can have a second sensor system 21 for detecting the surroundings of the charging station 15, i.e. H. an interior of the garage 17 (in particular a closer vicinity of the second coupling section 19), and a second control device 23 connected to the second sensor system 21.
  • a second sensor system 21 for detecting the surroundings of the charging station 15, i.e. H. an interior of the garage 17 (in particular a closer vicinity of the second coupling section 19), and a second control device 23 connected to the second sensor system 21.
  • the second sensor system 21 can comprise two inductive sensors located in the second coupling section 19 and measuring in the x and y directions. This can be the case in particular if the vehicle's own sensors cannot determine the actual position precisely enough.
  • the second coupling section 19 is designed here as a floor unit arranged on and/or in a floor 25 of the garage 17.
  • the second coupling section 19 can also be arranged on a side wall or a ceiling.
  • the two coupling sections 13, 19 can, as indicated in Fig. 1, be designed as inductive charging fields, that is, they can be coupled to one another in an electrically conductive manner by induction, that is, the charging station 15 can provide the electrical energy required to charge the battery 11 without contact.
  • the coupling sections 13, 19 can be designed as parts of a plug-socket system, in particular a one-dimensional plug-socket system that can be plugged together in the z direction.
  • the socket can be designed, for example, as a matrix contact surface.
  • the first control device 7 includes a processor 27 and a memory 29 in which a computer program is stored.
  • the processor 27 is configured to execute a method for coupling the vehicle 1 with the charging station 15, which is described below, by executing the computer program.
  • position data 31 is received in the first control device 7, which defines an actual position of the first coupling section 13 relative to the second coupling section 19.
  • the position data 31 can define actual distances a y , a y2 , a x of the first coupling section 13 to surrounding walls 33 of the garage 17 in the direction of an x or y axis. It would also be conceivable that the position data 31 only define one or two actual distances.
  • the first control device 7 partially or completely generated the position data 31 in a previous step by evaluating first sensor data 35 that were generated by the first sensor system 5.
  • the first control device 7 may receive at least part of the position data 31, as shown in FIG. 1, from the charging station 15 via a wireless data communication connection.
  • the second control device 23 can comprise a processor 27 and a memory 29 in which a computer program is stored.
  • the processor 27 can be configured to execute a method for transmitting data between the charging station 15 and the vehicle 1 by executing the computer program, in which second sensor data 37, which were generated by the second sensor system 21, are received in the second control device 23, by evaluating the second sensor data 37, at least part of the position data 31 is generated and the generated position data 31 is sent from the second control device 23 to the first control device 7.
  • the first control device 7 now determines a deviation of the actual distances a y , a y2 , a x from corresponding target distances A y , A yv A x .
  • the first control unit 7 In a third step, the first control unit 7 generates a maneuvering command 39, which causes the actuators 9 to maneuver the vehicle 1 (indicated by a curved arrow) in such a way that the deviation becomes smaller, ie the actual distances a v , a-.. , a x approach the corresponding target distances A v ,A V ⁇ ,A X.
  • the maneuvering command 39 can optionally be generated using the first sensor data 35.
  • the second control device 23 can be configured to wirelessly send the second sensor data 37 to the first control device 7.
  • the maneuvering command 39 can additionally or alternatively be generated using the second sensor data 37.
  • the first control device 7 can be configured to recognize objects in the sensor data 35 or 37, such as the walls 33, the second coupling section 19 or guidelines 41 leading to the second coupling section 19.
  • the maneuvering command 39 can then be generated taking the detected objects into account.
  • the actual distances can be based on Guidelines 41.
  • the first control device 7 can additionally generate a coupling command 43 as soon as it detects that the actual position corresponds to the target position.
  • the coupling command 43 can, for example, be sent wirelessly from the first control device 7 to the second control device 23 and cause a coupling device (not shown) of the charging station 15 to bring the coupling sections 13, 19 together without manual help (for example in the direction of the x and y axes orthogonal z-axis).
  • the coupling command 43 can also be generated for inductive coupling of the two coupling sections 13, 19 (see below).
  • the first control device 7 can generate a charging command 45 as soon as it detects that the coupling sections 13, 19 are coupled to one another.
  • the Charging command 45 causes the battery 11 to be charged, ie charged or discharged, via the charging station 15.
  • the charging command 45 can be sent wirelessly from the first control device 7 to the second control device 23 in order to cause the charging station 15 to start the charging process.
  • a rotor position angle can be measured using a sensor, such as a resolver.
  • a distance traveled by the vehicle 1 can then be determined from the rotor position angle measured (with high resolution). This means that even very small driving distances can be determined and adjusted using a longitudinal controller.
  • Corrections in transverse, i.e. H. y direction can be carried out in particular using the steering actuator.
  • the vehicle 1 can first be roughly prepositioned relative to the charging station 15 and then positioned more precisely.
  • the vehicle 1 can be moved back and forth in an iterative longitudinal and transverse movement, if necessary supported by the steering actuator, until the actual position matches the target position with sufficient accuracy (e.g. 1 cm or less) (see also below) .
  • the two coupling sections 13, 19 are then automatically coupled.
  • the distance between the electrically conductively coupled coupling sections 13, 19 can be greatly shortened, which makes the use of cooled charging cables unnecessary. It is also conceivable that the vehicle 1 undocks itself again depending on the state of charge of the battery 11 or at the driver's request, ie releases the second coupling section 19 again (for example for another vehicle).
  • the automated charging process can be started by the vehicle 1 itself or by the driver.
  • the vehicle 1 can, for example, be placed near a suitable charging station 15, for example in front of a garage 17.
  • the vehicle 1 contacts the charging station 15 and registers an automatic charging process with the desired performance profile.
  • the charging station 15 then sends a release signal together with the position data 31 and/or the target position to the vehicle 1.
  • the vehicle 1 now automatically positions itself above the second coupling section 19.
  • the first coupling section 13 is then coupled to the second coupling section 19.
  • the coupling can be done inductively and/or by closing a high-voltage plug connection.
  • the first coupling section 13 is located centrally at the front end of the vehicle 1.
  • an asymmetrical arrangement of the first coupling section 13 is also possible.
  • the actual charging process starts.
  • the charging process can be stopped automatically.
  • the pairing can be canceled automatically. Vehicle 1 is now ready for use again.
  • the positioning of the vehicle 1 relative to the charging station 15, more precisely to the second coupling section 19, can, for example, include the following steps.
  • the vehicle 1 is pre-positioned relative to the charging station 15 in a single move, starting from a starting position.
  • This can, for example, be an automated parking process through which the vehicle 1 is maneuvered from a garage forecourt over several meters as close as possible to a loading position in the garage.
  • a parking controller with good positioning accuracy is suitable for this.
  • the vehicle 1 is finely positioned. For this purpose, a sequence of small longitudinal and transverse trajectories can be iteratively calculated from the deviation of the current actual position from the target position. A correction parking train then results from the superimposition of the corresponding longitudinal and transverse movements of the vehicle 1.
  • the target position can therefore be controlled iteratively if necessary.
  • the vehicle is positioned in a single move starting from the starting position.
  • the parking brake can be activated, for example. Only then is the two coupling sections 13, 19 coupled.
  • an electrically measurable degree of coupling of the corresponding coil systems can be used for fine positioning of the vehicle 1.
  • the actual position can be determined using external sensors in the immediate vicinity of the target position.
  • the resulting position data 31 (and/or the resulting sensor data 37) can then be transmitted to the control unit 7 of the vehicle 1.
  • the vehicle's own sensor system 5 should have the appropriate accuracy and resolution for position detection.
  • sensors for distance measurement can be attached to the front of the vehicle 1. This allows the exact distance of the vehicle 1 to the walls 33 to be measured.
  • the guidelines 41 can be captured using one or more cameras of the vehicle 1.

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Abstract

Ein Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs (1) mit einer Ladestation (15) umfasst: Empfangen von Positionsdaten (31) in einem Steuergerät (7) des Fahrzeugs, wobei die Positionsdaten eine Istposition (I) eines ersten Kopplungsabschnitts (13) des Fahrzeugs, über den eine Batterie (11) des Fahrzeugs an die Ladestation anschließbar ist, relativ zu einem mit dem ersten Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt (19) der Ladestation definieren; Bestimmen einer Abweichung der Istposition von einer Sollposition (II), Erzeugen eines Manövrierbefehls (39), der eine Aktorik (9) des Fahrzeugs veranlasst, das Fahrzeug so zu manövrieren, dass die Abweichung kleiner wird.

Description

Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug sowie ein Steuergerät, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium zum Ausführen eines der Verfahren oder beider Verfahren. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeugsystem und eine Ladestation.
Stand der Technik
Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsmotor und wiederaufladbarer (Hochvolt-)Antriebsbatterie können beispielsweise über ein Ladekabel mit einer Wandladeeinrichtung, auch Wallbox genannt, verbunden werden, um die Antriebsbatterie aufzuladen. Dazu wird das Ladekabel in der Regel manuell angeschlossen.
Möglich ist auch eine drahtlose Übertragung der zum Aufladen erforderlichen elektrischen Energie, etwa durch magnetische Induktion. Dazu sollte das Fahrzeug möglichst genau über einem entsprechenden Ladefeld der Ladeeinrichtung positioniert werden, um zu starke Verluste durch Streufelder zu vermeiden.
Die Verwendung einer ortsfesten Hochvolt-Steckverbindung kann ebenfalls eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erfordern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden nachstehend ein computerimplementiertes Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation, ein computerimplementiertes Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug, ein Steuergerät, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Medium, ein Fahrzeugsystem und eine Ladestation gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine verbesserte Kopplung eines Fahrzeugs mit einer Ladestation, insbesondere im Sinn einer automatischen Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation, sodass ein Nutzer mit dem Fahrzeug und/oder der Ladestation nicht oder nur in sehr geringem Umfang aktiv werden muss, um einen Ladevorgang zu starten.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation. Das Fahrzeug umfasst eine Batterie, einen ersten Kopplungsabschnitt zum Anschließen der Batterie an die Ladestation, eine Aktorik zum Manövrieren des Fahrzeugs und ein Steuergerät. Die Ladestation umfasst einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt zum Bereitstellen elektrischer Energie. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Empfangen von Positionsdaten im Steuergerät, wobei die Positionsdaten eine Istposition des ersten Kopplungsabschnitts relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt definieren; Bestimmen einer Abweichung der Istposition von einer Sollposition; Erzeugen eines Manövrierbefehls, der die Aktorik veranlasst, das Fahrzeug so zu manövrieren, dass die Abweichung kleiner wird.
Das Verfahren ermöglicht eine sehr genaue autonome Positionierung eines Fahrzeugs gegenüber einer Ladestation.
Beispielsweise kann das Fahrzeug mithilfe seines elektrischen Antriebs in sehr kleinen Manöverschritten mit jeweils sehr kurzer Fahrstrecke positioniert werden.
Prinzipiell kann das Verfahren als ein Regelverfahren aufgefasst werden, das es ermöglicht, das (elektrisch angetriebene) Fahrzeug autonom mit sehr hoher Genauigkeit gegenüber der Ladestation zu positionieren, und zwar ohne Beteiligung des Fahrers. Dies ermöglicht beispielsweise ein automatisches Andocken (optional ein automatisches Abdocken) mittels einer geeigneten Steckverbindung, etwa in einer Garage. Vorteilhaft ist, dass hierzu Parksensoren des Fahrzeugs genutzt werden können, die in vielen modernen Fahrzeugen serienmäßig verbaut sind. Das Verfahren kann also im günstigsten Fall ohne zusätzliche Hardware, insbesondere ohne zusätzliche Sensorhardware, umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auf eine fahrzeugexterne Sensorik zurückgegriffen werden. Dies kann die Positioniergenauigkeit weiter verbessern.
Bei induktiver Kopplung können mithilfe des Verfahrens Verluste durch Streufelder, wie sie infolge einer ungenauen Positionierung der Spulensysteme auftreten können, stark verringert werden.
Das Verfahren kann automatisch durch einen Prozessor ausgeführt werden.
Insbesondere kann das Verfahren automatisch gestartet werden, wenn erkannt wird, dass die Batterie geladen, d. h. aufgeladen oder entladen werden soll.
Bei der Batterie kann es sich insbesondere um eine (Hochvolt-)Antriebsbatterie des Fahrzeugs handeln.
Die Istposition kann beispielsweise durch einen Abstand und/oder eine Orientierung des ersten Kopplungsabschnitts relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt bezüglich einer oder mehrerer Raumachsen definiert sein. Insbesondere kann die Istposition in einem zweidimensionalen Koordinatensystem definiert sein.
Unter einer Sollposition kann eine Position verstanden werden, in der das Fahrzeug mit der Ladestation, genauer der erste mit dem zweiten Kopplungsabschnitt, gekoppelt werden soll.
Es ist möglich, dass der Manövrierbefehl so lange erzeugt wird, bis die Istposition als mit der Sollposition übereinstimmend erkannt wird. Beispielsweise kann die Istposition als mit der Sollposition übereinstimmend erkannt werden, wenn die Istposition innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs von plus/minus 5 cm oder weniger, insbesondere von plus/minus 1 cm oder weniger, um die Sollposition liegt.
Die Manövrierung des Fahrzeugs kann auch automatisch abgebrochen werden, beispielsweise wenn erkannt wird, dass eine Annäherung an die Sollposition mit ausreichender Genauigkeit aus irgendeinem Grund nicht möglich ist. Der erste Kopplungsabschnitt kann beispielsweise einen Stecker umfassen, wobei der Kopplungsabschnitt eine mit dem Stecker zu einer elektrisch leitfähigen Steckverbindung kombinierbare Buchse umfassen kann (oder umgekehrt). Beispielsweise kann eine solche Steckverbindung ein größeres Matrixfeld zur leitfähigen Kontaktierung eines kleineren Steckers umfassen. Durch die hohe Positioniergenauigkeit, die mit dem Verfahren erreicht werden kann, kann das Matrixfeld entsprechend kleiner als bei herkömmlichen Ladestationen dimensioniert werden, was Platz spart und die Kosten verringert.
Zusätzlich oder alternativ können der erste und der zweite Kopplungsabschnitt zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie ausgebildet sein, beispielsweise durch Induktion. In diesem Fall können die Kopplungsabschnitte jeweils eine oder mehrere Spulen umfassen.
Unter „Fahrzeug“ kann vor- und nachstehend beispielsweise ein Pkw, ein Lkw, ein Bus, ein Motorrad oder ein sich autonom fortbewegender Roboter verstanden werden.
Die Aktorik zum Manövrieren des Fahrzeugs kann beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor, ein Lenkaktor, ein Bremsaktor, ein Motorsteuergerät oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Beispiele sein.
Das Fahrzeug kann mit einem Fahrzeugsystem, etwa in Form eines Fahrerassistenzsystems, ausgestattet sein, das eine teil- oder vollautomatisierte Steuerung des Fahrzeugs ermöglicht. Das Fahrzeugsystem kann konfiguriert sein, um Objekte in einer Umgebung des Fahrzeugs durch Auswerten von Sensordaten einer ins Fahrzeug eingebauten Sensorik zu erkennen und das Fahrzeug in Abhängigkeit von den erkannten Objekten durch entsprechendes Ansteuern der Aktorik zu steuern, d. h. zu lenken, abzubremsen und/oder zu beschleunigen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug. Das Fahrzeug umfasst eine Batterie und einen ersten Kopplungsabschnitt zum Anschließen der Batterie an die Ladestation. Die Ladestation umfasst einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt zum Bereitstellen elektrischer Energie, eine Sensorik zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation, insbesondere einer Umgebung des zweiten Kopplungsabschnitts, und ein Steuergerät. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Empfangen von Sensordaten im Steuergerät, wobei die Sensordaten durch die Sensorik erzeugt wurden; Senden der Sensordaten über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Datenkommunikationsverbindung, die die Ladestation mit dem Fahrzeug zur Daten kommunikation verbindet. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Erzeugen von Positionsdaten, die eine Istposition des ersten Kopplungsabschnitts relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt definieren, aus den Sensordaten und Senden der Positionsdaten über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Datenkommunikationsverbindung, die die Ladestation mit dem Fahrzeug zur Datenkommunikation verbindet (beispielsweise können die Sensor- bzw.
Positionsdaten drahtlos übertragen werden, wobei Informationen zur Steuerung des Ladevorgangs nach der Kopplung der beiden Kopplungsabschnitte drahtgebunden übertragen werden können).
Das Verfahren kann automatisch durch einen Prozessor ausgeführt werden.
Anders ausgedrückt kann die Istposition aus fahrzeugexternen Sensordaten und/oder außerhalb des Fahrzeugs bestimmt werden. Dies vereinfacht die fahrzeugseitige Implementierung des vor- und nachstehend beschriebenen Verfahrens zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation. Zudem kann dies die Genauigkeit verbessern, mit der das Fahrzeug gegenüber der Ladestation positioniert werden kann, insbesondere in Fällen, in denen das Fahrzeug keine Umfeldsensorik oder nur eine sehr einfache Umfeldsensorik, etwa in Form eines Parksensors, umfasst.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das einen Prozessor umfasst, der konfiguriert ist, um mindestens eines der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann Hard- und/oder Softwaremodule umfassen. Zusätzlich zum Prozessor kann das Steuergerät einen Speicher und Datenkommunikationsschnittstellen zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Datenkommunikation mit Peripheriegeräten umfassen, beispielsweise einem anderen Steuergerät.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeugsystem. Das Fahrzeugsystem umfasst eine Aktorik zum Manövrieren eines Fahrzeugs, eine Sensorik zum Erfassen einer Umgebung des Fahrzeugs und ein Steuergerät mit einem Prozessor, der konfiguriert ist, um eine Ausführungsform des vor- und nachstehend beschriebenen Verfahrens zum Koppeln eines Fahrzeugs mit einer Ladestation auszuführen.
Unter „Sensorik“ kann vor- und nachstehend beispielsweise eine Kamera, ein Radar-, Lidar- oder Ultraschallsensor, ein Ortungssensor zur Bestimmung geografischer Koordinaten mithilfe eines globalen Navigationssatellitensystems wie GPS, GLONASS o. Ä. oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Beispiele verstanden werden.
Die Sensorik des Fahrzeugsystems kann auch einen Fahrdynamiksensor zum Erfassen einer Fahrdynamik des Fahrzeugs umfassen. Ein solcher Fahrdynamiksensor kann beispielsweise ein Beschleunigungs-, Raddrehzahl-, Lenkradwinkel-, Lenkmoment-, Bremsdruck- oder Bremspedalwegsensor oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Beispiele sein.
Zusätzlich kann die Sensorik des Fahrzeugsystems einen Sensor zum Erfassen eines Drehwinkels, einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs umfassen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladestation zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug einen ersten Kopplungsabschnitt zum Anschließen der Batterie an die Ladestation umfasst. Die Ladestation umfasst einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt zum Bereitstellen elektrischer Energie, eine Sensorik zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation, insbesondere einer Umgebung des zweiten Kopplungsabschnitts, und ein Steuergerät mit einem Prozessor, der konfiguriert ist, um das vor- und nachstehend beschriebene Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug auszuführen.
Die Ladestation kann fest installiert oder mobil sein. Beispielsweise kann die Ladestation als Wandladeeinrichtung und/oder Bodeneinheit ausgeführt sein.
Die Sensorik der Ladestation kann beispielsweise einen Abstandssensor zum Erfassen eines Istabstands des zweiten Kopplungsabschnitts relativ zum ersten Kopplungsabschnitt in einer oder mehreren Richtungen, insbesondere in einer ersten horizontalen Richtung und einer zur ersten Richtung orthogonalen zweiten horizontalen Richtung, umfassen. Ein solcher Abstandssensor kann beispielsweise eine Kamera, ein Ultraschall-, Radar-, Lidar- oder Hall-Sensor sein. Möglich ist auch ein einfacher optischer Sensor, etwa in Form einer Fotodiode, als Abstandssensor.
Insbesondere kann die Sensorik der Ladestation konfiguriert sein, um die nähere Umgebung des zweiten Kopplungsabschnitts zu erfassen. Beispielsweise kann mindestens ein Sensor der Sensorik auf den zweiten Kopplungsabschnitt gerichtet sein und/oder im zweiten Kopplungsabschnitt angeordnet sein und/oder an den zweiten Kopplungsabschnitt angrenzen und/oder Teil des zweiten Kopplungsabschnitts sein. Beispielsweise kann der Sensor eine Spule des zweiten Kopplungsabschnitts sein, die auch zum induktiven Laden geeignet ist. Der Sensor kann aber auch eine zusätzliche Messspule sein. Insbesondere kann die Sensorik mindestens zwei Spulen des zweiten Kopplungsabschnitts und/oder mindestens zwei zusätzliche Messspulen als Induktivgeber umfassen.
Der zweite Kopplungsabschnitt kann beispielsweise auf und/oder in einem Boden angeordnet sein, auf dem das Fahrzeug steht, wenn die Batterie geladen wird. Möglich ist aber auch eine Anordnung des zweiten Kopplungsabschnitts in einer Mauer oder Wand in der Umgebung des Fahrzeugs.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Prozessor bei Ausführung des Computerprogramms durch den Prozessor veranlassen, mindestens eines der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren auszuführen.
Das computerlesbare Medium kann ein flüchtiger oder nicht flüchtiger Datenspeicher sein. Beispielsweise kann das computerlesbare Medium eine Festplatte, ein USB-Speichergerät, ein RAM, ein ROM, ein EPROM, ein Flash- Speicher oder eine Kombination aus mindestens zwei dieser Beispiele sein. Das computerlesbare Medium kann auch ein einen Download eines Programmcodes ermöglichendes Datenkommunikationsnetzwerk, wie etwa das Internet, oder eine Cloud sein.
Merkmale der vor- und nachstehend beschriebenen Verfahren können auch als
Merkmale des Steuergeräts, des Computerprogramms und/oder des computerlesbaren Mediums aufgefasst werden (oder umgekehrt). Ausführungsformen der Erfindung können, ohne die Erfindung einzuschränken, als auf den nachstehend beschriebenen Ideen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Positionsdaten zumindest teilweise über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Datenkommunikationsverbindung empfangen werden, die das Fahrzeug mit der Ladestation zur Datenkommunikation verbindet. Anders ausgedrückt kann zumindest ein Teil der Positionsdaten außerhalb des Fahrzeugs, genauer in der Ladestation, erzeugt worden sein. Dies kann die Implementierung des Verfahrens, insbesondere als Hardware, vereinfachen.
Das Fahrzeug kann beispielsweise eine erste Sensorik zum Erfassen einer Umgebung des Fahrzeugs umfassen. In diesem Fall kann das Verfahren gemäß einer Ausführungsform die folgenden Schritte umfassen: Empfangen erster Sensordaten im Steuergerät des Fahrzeugs, wobei die ersten Sensordaten durch die erste Sensorik erzeugt wurden; Erzeugen zumindest eines Teils der Positionsdaten aus den ersten Sensordaten und/oder Erzeugen des Manövrierbefehls unter Verwendung der ersten Sensordaten.
Möglich ist auch, dass die Ladestation eine zweite Sensorik zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation, insbesondere einer Umgebung des zweiten Kopplungsabschnitts, umfasst. In diesem Fall kann das Verfahren gemäß einer Ausführungsform die folgenden Schritte umfassen: Empfangen zweiter Sensordaten im Steuergerät des Fahrzeugs, wobei die zweiten Sensordaten durch die zweite Sensorik erzeugt wurden; Erzeugen zumindest eines Teils der Positionsdaten aus den zweiten Sensordaten und/oder Erzeugen des Manövrierbefehls unter Verwendung der zweiten Sensordaten.
Anders ausgedrückt kann die Istposition durch das Fahrzeug selbst, extern durch die Ladestation oder durch beide bestimmt werden. Werden die Positionsdaten beispielsweise ausschließlich oder größtenteils durch die Ladestation bestimmt, so kann die erste Sensorik entfallen bzw. deutlich einfacher ausfallen. Umgekehrt kann - falls die Positionsdaten ausschließlich oder größtenteils durch das Fahrzeug bestimmt werden - die zweite Sensorik entfallen bzw. deutlich einfacher ausfallen.
Auf diese Weise können die Herstellungskosten gesenkt werden. Beispielsweise kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen: Erkennen von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs durch Auswerten der ersten und/oder der zweiten Sensordaten im Steuergerät, wobei die Istposition in Abhängigkeit von den erkannten Objekten bestimmt wird und/oder der Manövrierbefehl in Abhängigkeit von den erkannten Objekten erzeugt wird.
Zum Erkennen der Objekte kann beispielsweise deren jeweilige Position und/oder Orientierung relativ zum Fahrzeug und/oder deren jeweiliger Objekttyp (beispielsweise „Wand“, „Markierung“, „Fußgänger“ oder „Baum“) aus den ersten und/oder den zweiten Sensordaten bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Positionsdaten Istabstände des ersten Kopplungsabschnitts relativ zu mindestens einem in der Umgebung des Fahrzeugs befindlichen Referenzobjekt in einer ersten Richtung, beispielsweise einer horizontalen x-Richtung, und einer zur ersten Richtung orthogonalen zweiten Richtung, beispielsweise einer horizontalen y-Richtung, umfassen. Dabei kann die Abweichung durch Vergleichen der Istabstände mit Sollabständen bestimmt werden.
Unter einem Referenzobjekt kann allgemein ein Objekt verstanden werden, das dazu geeignet ist, die Istposition zu bestimmen. Hierzu kann das Referenzobjekt beispielsweise speziell gestaltet und/oder positioniert sein, insbesondere derart, dass es durch das Fahrzeug und/oder die Ladestation gut erkannt werden kann. Das Referenzobjekt kann beispielsweise eine Wand, eine Oberflächenstruktur oder eine Markierung sein. Eine solche Markierung kann beispielsweise reflektierend und/oder als Leitlinie oder Leitkabel ausgeführt sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen: Erzeugen eines Kopplungsbefehls, der bewirkt, dass der erste und der zweite Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig miteinander gekoppelt werden, wenn erkannt wird, dass die Istposition mit der Sollposition übereinstimmt.
Beispielsweise kann der Kopplungsbefehl eine Kopplungsvorrichtung des Fahrzeugs und/oder der Ladestation veranlassen, den ersten und den zweiten Kopplungsabschnitt automatisch elektrisch leitfähig miteinander zu koppeln.
Im einfachsten Fall kann die Kopplungsvorrichtung ausgebildet sein, um den ersten und den zweiten Kopplungsabschnitt in Richtung einer gemeinsamen Achse aufeinander zuzubewegen, beispielsweise um eine Steckverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kopplungsabschnitt herzustellen. Die Kopplungsvorrichtung kann aber beispielsweise auch einen Greifarm zum Herstellen der Steckverbindung umfassen. Der Greifarm kann beispielsweise ausgebildet sein, um ein Ladekabel zu greifen und mit dem Ladekabel die beiden Kopplungsabschnitte miteinander zu verbinden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen: Erzeugen eines Ladebefehls, der bewirkt, dass die Batterie über die Ladestation geladen wird, wenn erkannt wird, dass die Istposition mit der Sollposition übereinstimmt, und/oder wenn erkannt wird, dass der erste und der zweite Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig miteinander gekoppelt sind. Anders ausgedrückt kann ein Ladevorgang zum Laden der Batterie über die Ladestation automatisch gestartet werden, sobald der erste und der zweite Kopplungsabschnitt korrekt zueinander ausgerichtet sind. Dies verbessert den Benutzerkomfort.
Der Begriff „Laden“ kann vor- und nachstehend „Aufladen“ oder „Entladen“ bedeuten.
Zudem kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen: Erzeugen eines Entkopplungsbefehls, der bewirkt, dass der erste und der zweite Kopplungsabschnitt wieder voneinander entkoppelt werden, wenn erkannt wird, dass der Ladevorgang beendet ist.
Beispielsweise kann der Entkopplungsbefehl die Kopplungsvorrichtung veranlassen, die zum Koppeln des ersten und des zweiten Kopplungsabschnitts erforderlichen Schritte in umgekehrter Reihenfolge auszuführen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zum Erzeugen des Manövrierbefehls mindestens einer der folgenden Parameter ausgewertet werden: eine aktuelle Drehzahl, ein aktueller Drehwinkel, ein aktuelles Drehmoment eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs. Dabei kann es sich um berechnete und/oder mithilfe mindestens eines Sensors gemessene Parameter handeln. Somit kann das Fahrzeug deutlich genauer positioniert werden, als dies mit herkömmlichen Verfahren, bei denen Raddrehzahlsensoren eingesetzt werden, der Fall ist.
Versuche haben gezeigt, dass eine Manövriergenauigkeit von bis zu 1 cm erreicht werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann eine vom Fahrzeug aktuell zurückgelegte Fahrstrecke aus dem mindestens einen Parameter bestimmt werden. Der Manövrierbefehl kann dann in Abhängigkeit von der Fahrstrecke erzeugt werden. Dies ermöglicht unter anderem eine sehr genaue Manövrierung des Fahrzeugs in dessen Längsrichtung. Beispielsweise kann abhängig von der Fahrstrecke eine Fahrgeschwindigkeit in Kombination mit einem Lenkwinkel für das Fahrzeug bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Kopplungsabschnitt induktiv mit dem ersten Kopplungsabschnitt koppelbar sein. Anders ausgedrückt kann der zweite Kopplungsabschnitt berührungslos mit dem ersten Kopplungsabschnitt elektrisch leitfähig koppelbar sein. Hierzu kann beispielsweise jeder Kopplungsabschnitt eine Spule umfassen. Wenn die Batterie geladen wird, können sich die Spulen in einem bestimmten Abstand gegenüberliegen. Die Spule des zweiten Kopplungsabschnitts kann insbesondere auf und/oder in einem Boden angeordnet sein, auf dem das Fahrzeug steht, wenn die Batterie geladen wird.
Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorik der Ladestation gemäß einer Ausführungsform zumindest teilweise durch den zweiten Kopplungsabschnitt gebildet sein. Anders ausgedrückt ist es möglich, dass der zweite Kopplungsabschnitt ausgebildet ist, um als ein Sensor der Sensorik der Ladestation zu fungieren. Beispielsweise kann eine Spule des zweiten Kopplungsabschnitts, die zum induktiven Laden der Batterie verwendet wird, auch zum induktiven Messen der Istposition des zweiten Kopplungsabschnitts relativ zum ersten Kopplungsabschnitt (beispielsweise zu einer Spule des ersten Kopplungsabschnitts) verwendet werden. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Istposition, ohne dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Zeichnung sind als die Erfindung einschränkend auszulegen.
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an einer Ladestation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht von oben. Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen in der Figur bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Fahrzeugsystem 3, das eine erste Sensorik 5 zum Erfassen einer Umgebung des Fahrzeugs 1, ein erstes Steuergerät 7 und eine durch das erste Steuergerät 7 ansteuerbare Aktorik 9 umfasst. Die Aktorik 9 umfasst in diesem Beispiel einen Lenkaktor, einen Bremsaktor und einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs 1. Daneben umfasst das Fahrzeug 1 eine wiederaufladbare Batterie 11, hier eine Hochvolt-Antriebsbatterie, die unter anderem die Aktorik 9 mit elektrischer Energie versorgt. Die Batterie 11 ist über einen ersten Kopplungsabschnitt 13 des Fahrzeugs 1 an eine Ladestation 15 anschließbar.
Die Ladestation 15 ist hier beispielhaft als Wandladeeinrichtung („Wallbox“) in einer Garage 17 ausgeführt und umfasst einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt 13 elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt 19.
Zusätzlich kann die Ladestation 15 eine zweite Sensorik 21 zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation 15, d. h. eines Innenraums der Garage 17 (insbesondere einer näheren Umgebung des zweiten Kopplungsabschnitts 19), und ein mit der zweiten Sensorik 21 verbundenes zweites Steuergerät 23 umfassen.
Beispielsweise kann die zweite Sensorik 21 zwei im zweiten Kopplungsabschnitt 19 befindliche, in x- und y- Richtung messende Induktivgeber umfassen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die fahrzeugeigene Sensorik die Istposition nicht genau genug bestimmen kann.
Der zweite Kopplungsabschnitt 19 ist hier als eine auf und/oder in einem Boden 25 der Garage 17 angeordnete Bodeneinheit ausgeführt. Der zweite Kopplungsabschnitt 19 kann aber auch an einer Seitenwand oder einer Decke angeordnet sein.
Die beiden Kopplungsabschnitte 13, 19 können, wie in Fig. 1 angedeutet, als induktive Ladefelder ausgeführt, also durch Induktion elektrisch leitfähig miteinander koppelbar sein, d. h., die Ladestation 15 kann die zum Laden der Batterie 11 erforderliche elektrische Energie berührungslos bereitstellen. Alternativ können die Kopplungsabschnitte 13, 19 als Teile eines Stecker-Buchse- Systems ausgeführt sein, insbesondere eines eindimensionalen, etwa in z-Richtung zusammensteckbaren Stecker-Buchse-Systems. Dabei kann die Buchse beispielsweise als Matrixkontaktfläche ausgeführt sein.
Das erste Steuergerät 7 umfasst einen Prozessor 27 und einen Speicher 29, in dem ein Computerprogramm gespeichert ist. Der Prozessor 27 ist konfiguriert, um durch Ausführen des Computerprogramms ein Verfahren zum Koppeln des Fahrzeugs 1 mit der Ladestation 15 auszuführen, das im Folgenden beschrieben wird.
In einem ersten Schritt werden Positionsdaten 31 im ersten Steuergerät 7 empfangen, die eine Istposition des ersten Kopplungsabschnitts 13 relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt 19 definieren.
Beispielsweise können die Positionsdaten 31 Istabstände ay , ay2, ax des ersten Kopplungsabschnitts 13 zu umliegenden Wänden 33 der Garage 17 in Richtung einer x- bzw. y-Achse definieren. Denkbar wäre auch, dass die Positionsdaten 31 nur einen oder zwei Istabstände definieren.
Es ist möglich, dass das erste Steuergerät 7 die Positionsdaten 31 in einem vorherigen Schritt teilweise oder vollständig durch Auswerten erster Sensordaten 35, die durch die erste Sensorik 5 erzeugt wurden, erzeugt hat.
Möglich ist auch, dass das erste Steuergerät 7 zumindest einen Teil der Positionsdaten 31, wie in Fig. 1 gezeigt, über eine drahtlose Datenkommunikationsverbindung von der Ladestation 15 empfängt.
In diesem Fall kann das zweite Steuergerät 23 einen Prozessor 27 und einen Speicher 29 umfassen, in dem ein Computerprogramm gespeichert ist. Der Prozessor 27 kann konfiguriert sein, um durch Ausführen des Computerprogramms ein Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen der Ladestation 15 und dem Fahrzeug 1 auszuführen, bei dem zweite Sensordaten 37, die durch die zweite Sensorik 21 erzeugt wurden, im zweiten Steuergerät 23 empfangen werden, durch Auswerten der zweiten Sensordaten 37 zumindest ein Teil der Positionsdaten 31 erzeugt wird und die erzeugten Positionsdaten 31 vom zweiten Steuergerät 23 ans erste Steuergerät 7 gesendet werden. Das erste Steuergerät 7 bestimmt nun in einem zweiten Schritt eine Abweichung der Istabstände ay ,ay2,ax von entsprechenden Sollabständen Ay ,AyvAx.
In einem dritten Schritt erzeugt das erste Steuergerät 7 einen Manövrierbefehl 39, der die Aktorik 9 veranlasst, das Fahrzeug 1 so zu manövrieren (angedeutet durch einen gekrümmten Pfeil), dass die Abweichung kleiner wird, d. h. sich die Istabstände av ,a-.. , ax den entsprechenden Sollabständen Av ,AV^,AX annähern.
Der Manövrierbefehl 39 kann optional unter Verwendung der ersten Sensordaten 35 erzeugt werden.
Das zweite Steuergerät 23 kann konfiguriert sein, um die zweiten Sensordaten 37 drahtlos ans erste Steuergerät 7 zu senden. In diesem Fall kann der Manövrierbefehl 39 zusätzlich oder alternativ unter Verwendung der zweiten Sensordaten 37 erzeugt werden.
Insbesondere kann das erste Steuergerät 7 konfiguriert sein, um in den Sensordaten 35 bzw. 37 Objekte wie etwa die Wände 33, den zweiten Kopplungsabschnitt 19 oder zum zweiten Kopplungsabschnitt 19 hinführende Leitlinien 41 zu erkennen. Der Manövrierbefehl 39 kann dann unter Berücksichtigung der erkannten Objekte erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich können die Istabstände auf die Leitlinien 41 bezogen sein.
Falls die Kopplungsabschnitte 13, 19 als Teile eines Stecker-Buchse-Systems ausgeführt sind, kann das erste Steuergerät 7 zusätzlich einen Kopplungsbefehl 43 erzeugen, sobald es erkennt, dass die Ist- mit der Sollposition übereinstimmt. Der Kopplungsbefehl 43 kann beispielsweise drahtlos vom ersten Steuergerät 7 ans zweite Steuergerät 23 gesendet werden und bewirken, dass eine Kopplungsvorrichtung (nicht gezeigt) der Ladestation 15 die Kopplungsabschnitte 13, 19 ohne manuelle Hilfe zusammenführt (beispielsweise in Richtung einer zur x- und y-Achse orthogonalen z-Achse).
Der Kopplungsbefehl 43 kann jedoch auch zur induktiven Kopplung der beiden Kopplungsabschnitte 13, 19 erzeugt werden (siehe weiter unten).
Zudem kann das erste Steuergerät 7 einen Ladebefehl 45 erzeugen, sobald es erkennt, dass die Kopplungsabschnitte 13, 19 miteinander gekoppelt sind. Der Ladebefehl 45 bewirkt, dass die Batterie 11 über die Ladestation 15 geladen, d. h. aufgeladen oder entladen wird.
Beispielsweise kann der Ladebefehl 45 drahtlos vom ersten Steuergerät 7 ans zweite Steuergerät 23 gesendet werden, um die Ladestation 15 zu veranlassen, den Ladevorgang zu starten.
Im Folgenden werden weitere Details beschrieben.
Zur Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors kann beispielsweise ein Rotorlagewinkel mittels eines Sensors, etwa eines Resolvers, gemessen werden. Aus dem (mit hoher Auflösung) gemessenen Rotorlagewinkel kann dann eine vom Fahrzeug 1 zurückgelegte Fahrstrecke bestimmt werden. Damit können auch sehr kleine Fahrdistanzen bestimmt und durch einen Längsregler eingestellt werden.
Korrekturen in Quer-, d. h. y-Richtung können insbesondere mithilfe des Lenkaktors vorgenommen werden.
Beispielsweise kann das Fahrzeug 1 zunächst relativ zur Ladestation 15 grob vorpositioniert und anschließend genauer positioniert werden. Dabei kann das Fahrzeug 1 in einer iterativen Längs- und Querbewegung vor- und zurückbewegt werden, gegebenenfalls unterstützt durch den Lenkaktor, bis die Istposition mit ausreichender Genauigkeit (z. B. 1 cm oder weniger) mit der Sollposition übereinstimmt (siehe auch weiter unten). Hierauf erfolgt die automatische Kopplung der beiden Kopplungsabschnitte 13, 19.
Ein solches Verfahren hat unter anderem die folgenden Vorteile:
• Das umständliche Hantieren mit Ladekabeln entfällt.
• Stolperfallen durch Ladekabel in der Umgebung des Fahrzeugs werden vermieden.
• Verschmutzungen der Hände oder der Kleidung des Nutzers, z. B. durch schmutzige Ladekabel, werden vermieden.
• Dank der genauen Positionierung werden Verluste beim induktiven Laden stark verringert.
• Der Abstand zwischen den elektrisch leitfähig miteinander gekoppelten Kopplungsabschnitten 13, 19 kann stark verkürzt werden, was den Einsatz gekühlter Ladekabel überflüssig macht. Denkbar ist auch, dass sich das Fahrzeug 1 in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie 11 von selbst oder auf Fahrerwunsch wieder abdockt, d. h. den zweiten Kopplungsabschnitt 19 wieder freigibt (beispielsweise für ein anderes Fahrzeug).
Nachstehend wird ein Beispiel für einen automatisierten Ladevorgang beschrieben.
Der automatisierte Ladevorgang kann vom Fahrzeug 1 selbst oder vom Fahrer gestartet werden. Dazu kann das Fahrzeug 1 beispielsweise in der Nähe einer geeigneten Ladestation 15 platziert werden, etwa vor einer Garage 17. Sobald erkannt wird, dass ein Ladevorgang erforderlich ist, kontaktiert das Fahrzeug 1 die Ladestation 15 und meldet einen automatischen Ladevorgang mit dem gewünschten Leistungsprofil an. Die Ladestation 15 sendet hierauf ein Freigabesignal zusammen mit den Positionsdaten 31 und/oder der Sollposition ans Fahrzeug 1. Das Fahrzeug 1 positioniert sich nun automatisch über dem zweiten Kopplungsabschnitt 19. Dann erfolgt die Kopplung des ersten Kopplungsabschnitts 13 mit dem zweiten Kopplungsabschnitt 19. Die Kopplung kann induktiv und/oder durch Schließen einer Hochvolt-Steckverbindung erfolgen.
In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel befindet sich der erste Kopplungsabschnitt 13 mittig am Vorderende des Fahrzeugs 1. Möglich ist aber auch eine asymmetrische Anordnung des erste Kopplungsabschnitts 13 (im Außen- und/oder Innenbereich des Fahrzeugs 1).
Nach der Kopplung startet der eigentliche Ladevorgang. Bei Erreichen des gewünschten Ladezustands kann der Ladevorgang automatisch beendet werden. Dabei kann die Kopplung automatisch aufgehoben werden. Das Fahrzeug 1 ist nun wieder einsatzbereit.
Die Positionierung des Fahrzeugs 1 relativ zur Ladestation 15, genauer zum zweiten Kopplungsabschnitt 19, kann beispielsweise folgende Schritte umfassen.
In einem ersten Schritt wird das Fahrzeug 1 ausgehend von einer Ausgangsposition in einem einzigen Zug relativ zur Ladestation 15 vorpositioniert. Dies kann beispielsweise ein automatisierter Parkvorgang sein, durch den das Fahrzeug 1 von einem Garagenvorplatz über mehrere Meter möglichst nah an eine Ladeposition in der Garage heranmanövriert wird. Dafür eignet sich ein Parkregler mit guter Positioniergenauigkeit. In einem zweiten Schritt erfolgt die Feinpositionierung des Fahrzeugs 1. Dazu kann eine Abfolge von kleinen Längs- und Quertrajektorien aus der Abweichung der aktuellen Istposition von der Sollposition iterativ berechnet werden. Aus der Überlagerung der entsprechenden Längs- und Querbewegungen des Fahrzeugs 1 ergibt sich dann ein Korrekturparkzug.
Die Sollposition kann also im Bedarfsfall iterativ angesteuert werden. Im Idealfall erfolgt die Positionierung des Fahrzeugs ausgehend von der Ausgangsposition in einem einzigen Zug.
Ist die Positionierung des Fahrzeugs erfolgreich, kann beispielsweise die Parkbremse aktiviert werden. Erst dann erfolgt die Kopplung der beiden Kopplungsabschnitte 13, 19.
Bei einem induktiven Ladesystem kann beispielsweise ein elektrisch messbarer Koppelgrad der korrespondierenden Spulensysteme zur Feinpositionierung des Fahrzeugs 1 genutzt werden.
Bei einer Steckverbindung kann die Istposition hingegen mithilfe externer Sensoren in unmittelbarer Nähe der Sollposition bestimmt werden. Die resultierenden Positionsdaten 31 (und/oder die resultierenden Sensordaten 37) können dann ans Steuergerät 7 des Fahrzeugs 1 übertragen werden.
Im Idealfall kann auf solche externen Sensoren verzichtet werden. Dazu sollte die fahrzeugeigene Sensorik 5 allerdings die entsprechende Genauigkeit und Auflösung zur Positionserfassung haben. An der Front des Fahrzeugs 1 können beispielsweise Sensoren zur Abstandsmessung angebracht sein. Damit kann der genaue Abstand des Fahrzeugs 1 zu den Wänden 33 gemessen werden. Beispielsweise können zur Bestimmung der Istposition die Leitlinien 41 mithilfe einer oder mehrerer Kameras des Fahrzeugs 1 erfasst werden.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „aufweisen“, „umfassen“, „mit“ usw. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und unbestimmte Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1. Computerimplementiertes Verfahren zum Koppeln eines Fahrzeugs (1) mit einer Ladestation (15), wobei das Fahrzeug (1) eine Batterie (11), einen ersten Kopplungsabschnitt (13) zum Anschließen der Batterie (11) an die Ladestation (15), eine Aktorik (9) zum Manövrieren des Fahrzeugs (1) und ein Steuergerät (7) umfasst, wobei die Ladestation (15) einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt (13) elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt (19) zum Bereitstellen elektrischer Energie umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen von Positionsdaten (31) im Steuergerät (7), wobei die Positionsdaten (31) eine Istposition des ersten Kopplungsabschnitts (13) relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt (19) definieren;
Bestimmen einer Abweichung der Istposition (ayi, ay2, ax) von einer Sollposition (Ayi,Ay2,Ax);
Erzeugen eines Manövrierbefehls (39), der die Aktorik (9) veranlasst, das Fahrzeug (1) so zu manövrieren, dass die Abweichung kleiner wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Positionsdaten (31) zumindest teilweise über eine Datenkommunikationsverbindung empfangen werden, die das Fahrzeug (1) mit der Ladestation (15) zur Datenkommunikation verbindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug (1) eine erste Sensorik (5) zum Erfassen einer Umgebung des Fahrzeugs (1) umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen erster Sensordaten (35) im Steuergerät (7), wobei die ersten Sensordaten (35) durch die erste Sensorik (5) erzeugt wurden;
Erzeugen zumindest eines Teils der Positionsdaten (31) aus den ersten Sensordaten (35) und/oder Erzeugen des Manövrierbefehls (39) unter Verwendung der ersten Sensordaten (35); und/oder wobei die Ladestation (15) eine zweite Sensorik (21) zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation (15) umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen zweiter Sensordaten (37) im Steuergerät (7), wobei die zweiten Sensordaten (37) durch die zweite Sensorik (21) erzeugt wurden;
Erzeugen zumindest eines Teils der Positionsdaten (31) aus den zweiten Sensordaten (37) und/oder Erzeugen des Manövrierbefehls (39) unter Verwendung der zweiten Sensordaten (37).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Positionsdaten (31) Istabstände (ayi, ay2, ax) des ersten Kopplungsabschnitts (13) relativ zu mindestens einem in der Umgebung des Fahrzeugs (1) befindlichen Referenzobjekt (19, 33, 41) in einer ersten Richtung (x) und einer zur ersten Richtung (x) orthogonalen zweiten Richtung (y) umfassen; wobei die Abweichung durch Vergleichen der Istabstände
Figure imgf000020_0001
mit Sollabständen C4V ,AV^,AX) bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
Erzeugen eines Kopplungsbefehls (43), der bewirkt, dass der erste Kopplungsabschnitt (13) und der zweite Kopplungsabschnitt (19) elektrisch leitfähig miteinander gekoppelt werden, wenn erkannt wird, dass die Istposition (av ,av^, ax) mit der Sollposition ( v ,AV^,AX) übereinstimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
Erzeugen eines Ladebefehls (45), der bewirkt, dass die Batterie (11) über die Ladestation (15) geladen wird, wenn erkannt wird, dass die Istposition (av ,av^, ax) mit der Sollposition ( v ,AV^,AX) übereinstimmt, und/oder wenn erkannt wird, dass der erste Kopplungsabschnitt (13) und der zweite Kopplungsabschnitt (19) elektrisch leitfähig miteinander gekoppelt sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Erzeugen des Manövrierbefehls (39) mindestens einer der folgenden Parameter ausgewertet wird: eine aktuelle Drehzahl, ein aktueller Drehwinkel, ein aktuelles Drehmoment eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs (1).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine vom Fahrzeug (1) aktuell zurückgelegte Fahrstrecke aus dem mindestens einen Parameter bestimmt wird und der Manövrierbefehl (39) in Abhängigkeit von der Fahrstrecke erzeugt wird.
9. Computerimplementiertes Verfahren zum Übertragen von Daten (31, 37) zwischen einer Ladestation (15) und einem Fahrzeug (1), wobei das Fahrzeug (1) eine Batterie (11) und einen ersten Kopplungsabschnitt (13) zum Anschließen der Batterie (11) an die Ladestation (15) umfasst, wobei die Ladestation (15) einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt (13) elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt (19) zum Bereitstellen elektrischer Energie, eine Sensorik (21) zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation (15) und ein Steuergerät (23) umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen von Sensordaten (37) im Steuergerät (23), wobei die Sensordaten (37) durch die Sensorik (21) erzeugt wurden;
Senden der Sensordaten (37) über eine Datenkommunikationsverbindung, die die Ladestation (15) mit dem Fahrzeug (1) zur Datenkommunikation verbindet; und/oder
Erzeugen von Positionsdaten (31), die eine Istposition (ayi,ay2,ax) des ersten Kopplungsabschnitts (13) relativ zum zweiten Kopplungsabschnitt (19) definieren, aus den Sensordaten (37) und Senden der Positionsdaten (31) über eine Datenkommunikationsverbindung, die die Ladestation (15) mit dem Fahrzeug (1) zur Datenkommunikation verbindet.
10. Steuergerät (7, 23), umfassend einen Prozessor (27), der konfiguriert ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder das Verfahren nach Anspruch 9 auszuführen.
11. Fahrzeugsystem (3), umfassend: eine Aktorik (9) zum Manövrieren eines Fahrzeugs (1); eine Sensorik (5) zum Erfassen einer Umgebung des Fahrzeugs (1); das Steuergerät (7) nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät (7) einen Prozessor (27) umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren nach Anspruch 3 auszuführen.
12. Ladestation (15) zum Laden einer Batterie (11) eines Fahrzeugs (1), wobei das Fahrzeug (1) einen ersten Kopplungsabschnitt (13) zum Anschließen der Batterie (11) an die Ladestation (15) umfasst, wobei die Ladestation (15) umfasst: einen mit dem ersten Kopplungsabschnitt (13) elektrisch leitfähig koppelbaren zweiten Kopplungsabschnitt (19) zum Bereitstellen elektrischer Energie; eine Sensorik (21) zum Erfassen einer Umgebung der Ladestation (15); das Steuergerät (23) nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät (23) einen Prozessor (27) umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren nach Anspruch 9 auszuführen. Ladestation (15) nach Anspruch 12, wobei der zweite Kopplungsabschnitt (19) induktiv mit dem ersten Kopplungsabschnitt (13) koppelbar ist; und/oder wobei die Sensorik (21) zumindest teilweise durch den zweiten Kopplungsabschnitt (19) gebildet ist. Computerprogramm, umfassend Befehle, die einen Prozessor (27) bei Ausführung des Computerprogramms durch den Prozessor (27) veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder das Verfahren nach Anspruch 9 auszuführen. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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DE102013208678A1 (de) * 2013-05-13 2014-11-13 Robert Bosch Gmbh System zur Ausrichtung eines Fahrzeugs und Verwendung des Systems
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