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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Annähern eines Fahrzeugs an eine fahrzeugexterne Primärladeeinheit geeignet zum induktiven Laden des Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Sekundärladeeinheit, ein Kamerasystem und eine Anzeigevorrichtung umfasst, weiterhin ein Verfahren zur Positionierung eines Fahrzeugs in einer Ladeposition zum induktiven Laden sowie ein Fahrzeug, das zur Ausführung des Verfahrens zum Annähern oder zur Ausführung des Verfahrens zum Annähern und zum Positionieren eingerichtet ist.
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Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, umfassen aufladbare Batterien zur Speicherung elektrischer Energie. Die aufladbare Batterie eines Fahrzeugs kann z.B. durch Anschluss an eine fahrzeugexterne Stromquelle (z.B. durch Anschluss an ein öffentliches Stromnetz) aufgeladen werden. Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit die elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Diese Technik wird auch als wireless energy transfer oder wireless charging bezeichnet.
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Hierzu umfasst das Fahrzeug eine Sekundärladeeinheit, die meist im Unterbodenbereich des Fahrzeugs integriert ist. Die Sekundärladeeinheit ist in der Regel über eine Impedanzanpassung und einen Gleichrichter mit der Batterie des Fahrzeugs verbunden. Die Sekundärladeeinheit kann über einer Primärladeeinheit positioniert werden, wobei die Primärladeeinheit z.B. auf dem Boden einer Garage oder eines öffentlichen Parkplatzes angebracht ist. Die Primärladeeinheit ist üblicherweise mit einer Stromversorgung verbunden. Die Stromversorgung kann einen Radio-Frequenz-Generator umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärladeeinheit erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit über die Unterbodenfreiheit wird durch das magnetische Feld ein entsprechender Strom in der Sekundärspule der Sekundärladeeinheit induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärladeeinheit wird durch den Gleichrichter gleichgerichtet und in einem elektrischen Energiespeicher (z.B. in der Batterie) gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung zum Energiespeicher des Fahrzeugs übertragen werden.
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Um eine ausreichende magnetische Kopplung zwischen Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit zu erreichen, sollte die Sekundärspule der Sekundärladeeinheit des Fahrzeugs mit einer gewissen Toleranz (typischerweise ±10cm) über der Primärladeeinheit positioniert werden. Die Position des Fahrzeugs innerhalb dieses Toleranzbereichs wird auch als Ladeposition bezeichnet. Die Ladeposition zu erreichen, ist aufgrund des im Vergleich zu den Abmessungen eines Fahrzeugs verhältnismäßig engen Toleranzbereichs eine besondere Herausforderung für den Fahrzeuglenker bzw. für das Fahrzeug bei automatisiert unterstütztem Positionieren in der Ladeposition. Insbesondere ist die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs in Bezug auf den engen Toleranzbereich von wenigen Zentimetern verhältnismäßig eingeschränkt. Dies bedeutet, dass bereits die Annäherung des Fahrzeugs an die Primärladeeinheit aus einer Entfernung in der Größenordnung von mehreren Metern von der Primärladeeinheit möglichst genau erfolgen sollte, um zielgenau die Ladeposition erreichen zu können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Annähern eines Fahrzeugs an eine fahrzeugexterne Primärladeeinheit zum induktiven Laden des Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Sekundärladeeinheit, ein Kamerasystem und eine Anzeigevorrichtung umfasst, ein Verfahren zur Positionierung eines Fahrzeugs in einer Ladeposition zum induktiven Laden sowie ein Fahrzeug, das zur Ausführung des Verfahrens zum Annähern oder zur Ausführung des Verfahrens zum Annähern und zum Positionieren eingerichtet ist, anzugeben. Ein zielgenaues Annähern bzw. Positionieren soll intuitiv und zügig für den Fahrzeuglenker realisierbar sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 5 sowie durch Fahrzeuge gemäß der Ansprüche 13 und 14. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der Erfindung liegen ein Verfahren und ein entsprechendes Fahrzeug zum Unterstützen eines Fahrers des Fahrzeugs beim Annähern des Fahrzeugs (und damit der Sekundärladeeinheit) an die Primärladeeinheit in einem Fernbereich zugrunde. Nur wenn die Annäherung aus diesem Fernbereich möglichst genau erfolgt, kann letztlich die Ladeposition durch genaue Positionierung des Fahrzeugs in einem Nahbereich des Fahrzeugs zur Primärladeeinheit überhaupt zügig erreicht werden. Im Fernbereich ist das Fahrzeug in der Größenordnung von mehreren Metern (mindestens etwa eine halbe Fahrzeuglänge) von der Primärladeeinheit entfernt. Im Nahbereich ist die Sekundärladeeinheit in einer Größenordnung von wenigen Metern bis Zentimetern (höchstens etwa eine halbe Fahrzeuglänge) von der Primärladeeinheit entfernt. Bezugspunkte sind dabei das Zentrum von Primärspule der Primärladeeinheit und der Sekundärspule der Sekundärladeeinheit. Es können sich der Fernbereich und der Nahbereich auch überschneiden.
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Besonders wichtig ist die Unterstützung für den Fahrzeuglenker im Fernbereich, um das Fahrzeug möglichst genau an die Primärladeeinheit anzunähern. Eine gute Näherungsposition ist die Grundvoraussetzung, um die Ladeposition überhaupt zügig erreichen zu können. Mit anderen Worten: Die Ladeposition kann nur dann erreicht werden, wenn das Fahrzeug überhaupt aus dem Fernbereich in den Nahbereich eindringt. Deshalb ist bereits hierfür eine Unterstützung des Fahrzeuglenkers besonders wünschenswert.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die Schritte:
- Aufnahme eines Echtzeitbildes des Fahrzeugumfelds mit dem Kamerasystem, wobei die Primärladeeinheit von dem Echtzeitbild erfasst ist,
- Anzeigen des Echtzeitbildes in der Anzeigevorrichtung,
- Einblenden von zumindest einer Führungslinie in das Echtzeitbild, wobei die Richtung und/oder Krümmung der Führungslinie mit einem Lenkwinkeleinschlag des Fahrzeugs derart zusammenfällt, dass die Führungslinie der Trajektorie des Fahrzeugs bei dem Lenkwinkeleinschlag entspricht, und wobei die Position der Überblendung der Führungslinie in dem Echtzeitbild des Fahrzeugumfelds so gewählt ist, dass die Führungslinie die Bewegungskurve der Sekundärladeeinheit des Fahrzeugs anzeigt, sowie Wiederholen dieser Schritte, um in Abhängigkeit von einer Bewegung des Fahrzeugs eine der Bewegungskurve der Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit anzuzeigen.
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Es werden bei diesem Verfahren Elemente in ein wiedergegebenes Kamerabild eingeblendet, die einen Fahrer beim Führen des Fahrzeugs unterstützen, das Fahrzeug relativ zur Primärladeeinheit dieses möglichst genau aus dem Fernbereich anzunähern. Nur so besteht die Möglichkeit, dass das Fahrzeug überhaupt die Ladeposition einnehmen kann, um eine effektive Energieübertragung beim induktiven Laden zu erreichen.
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Das Verfahren unterstützt den Fahrzeuglenker beim Bewegen des Fahrzeugs entlang einer ausschließlich vom Fahrer wählbaren Trajektorie visuell, um das Fahrzeug möglichst zielgenau an die Primärladeeinheit anzunähern. Das Fahrzeug selbst greift in die Trajektorienwahl des Fahrers weder bezüglich der Fahrzeuglängsachse (x-Achse im dem Fachmann bekannten Fahrzeugbezugssystem) noch bezüglich der Fahrzeugquerachse (y-Achse im dem Fachmann bekannten Fahrzeugbezugssystem) ein.
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Die zumindest eine Führungslinie gibt dem Fahrzeuglenker eine Orientierung, das Fahrzeug möglichst exakt in Richtung der Primärladeeinheit zu bewegen, d.h. das Fahrzeug an diese anzunähern. Eine exakte Annäherung dürfte im Regelfall bedeuten, dass wenn das Fahrzeug an den Rand des Fernbereichs kommt und in den Nahbereich überzugehen beginnt, sich das Fahrzeug mit dem Unterboden oberhalb der Primärladeeinheit befindet, da die Sekundärladeeinheit in den Unterboden des Fahrzeugs integriert ist. Denn es muss die Sekundärladeeinheit in x- und y-Richtung des fahrzeugüblichen Koordinatensystems in der Ladeposition einen möglichst geringen Versatz von wenigen Zentimetern aufweisen.
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Da die Führungslinie über die Abhängigkeit deren Richtung und Krümmung vom Lenkwinkel dem Fahrzeuglenker die Trajektorie nicht nur des Fahrzeugs, sondern insbesondere der Sekundärladeeinheit des Fahrzeugs angibt, ist die Führungslinie dazu geeignet, dass der Fahrzeuglenker durch Richten der eingeblendeten Führungslinie auf die vom Kamerasystem erfasste Echtzeitabbildung der Primärladeeinheit mittels Lenkbewegung die Primärladeeinheit aus dem Fernbereich „anvisieren“ und somit zielgenau die an das Fahrzeug gebundene Sekundärladeeinheit direkt auf die Primärladeeinheit zubewegen kann. Voraussetzung hierfür ist, dass relative Position der Sekundärladeeinheit zu vom Kamerasystem aufgenommenen Bildausschnitt bekannt sein muss und die Trajektorie des Fahrzeugs in Abhängigkeit vom Lenkwinkel berechenbar sein muss, um die Führungslinie in dem Echtzeitbild anzuzeigen. Außerdem muss die Wiedergabe des von der Kamera erfassten Fahrzeugumfelds in der Anzeigevorrichtung und die Einblendung der zumindest einen Führungslinie fortwährend in Echtzeit aktualisiert werden. Echtzeit bedeutet im Kontext dieses Dokuments, dass die fortwährende Aktualisierung mit einer Wiederholrate von weniger als 1000 ms erfolgt.
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Es kann das von der Kamera erfasste Echtzeitbild auch modifiziert in der Anzeigevorrichtung angezeigt werden, wobei die Modifikation in der Umrechnung des von der Kamera erfassten Bildes in verschiedene Blickwinkelperspektiven bestehen kann. Dies kann eine Umrechnung in eine Draufsicht (Top-View) sein. Bevorzugt ist jedoch eine Sicht aus der Fahrerperspektive, wobei die Aufnahme des Bildes mit dem Kamerasystem auch möglichst aus der Fahrgastzelle mit Einnahme der Fahrerperspektive erfolgen sollte.
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Nach einer Variante des Verfahrens werden zwei parallele oder zwei aufeinander zulaufende Führungslinien in das Echtzeitbild eingeblendet. Bei zwei aufeinander zulaufenden Linien werden Lage, Neigung und/oder Krümmung der beiden Führungslinien zueinander so gewählt, dass in dem Echtzeitbild die Größe der Primärladeeinheit in einer bestimmten Entfernung vom Fahrzeug dem in diese Entfernung projizierten Abstand der beiden eingeblendeten Führungslinien voneinander entspricht.
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Zwei Führungslinien haben die Wirkung, dass der Fahrzeuglenker mit den Führungslinien die Primärladeeinheit noch besser anpeilen kann, indem das Fahrzeug so bewegt wird, dass die Primärladeeinheit zwischen den beiden Führungslinien befindlich ist. Bei perspektivisch aufeinander zulaufenden Führungslinien ist dies noch präziser möglich als bei parallelen Linien.
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Die Bestimmung des Abstands der in das Echtzeitbild eingeblendeten zwei aufeinander zulaufenden Führungslinien erfolgt durch einmaligen optischen Abgleich des Abstandes der beiden Führungslinien mit der Breite der Primärladeeinheit.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn Orientierungslinien in das Echtzeitbild in der Anzeigevorrichtung eingeblendet werden, die die Breite des Fahrzeugs entlang der Trajektorie anzeigen.
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Diese Orientierungslinien geben die Möglichkeit, die Abmessungen des Fahrzeugs entlang der eingeblendeten Führungslinie abzuschätzen. Dies unterstützt den Fahrzeuglenker zusätzlich bei der Positionierung des Fahrzeugs beispielsweise in einer beengten Umgebung oder bei Hindernissen in der Umgebung des Fahrzeugs bzw. der Primärladeeinheit.
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Gemäß einer Variante des Verfahrens kann bei einem Fahrzeug, das auch ein Mittel zur Positionsbestimmung relativ zur Primärladeeinheit umfasst, die Position der Primärladeeinheit relativ zur Position der Sekundärladeeinheit durch das Positionsbestimmungsmittel ermittelt und erfasst werden, dass das Fahrzeug in einem vorgebbaren Fernbereich zu der Primärladeeinheit befindlich ist, um das Verfahren zur Annäherung an die Primärladeeinheit im Fernbereich zu starten.
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Nach dieser Variante wird das Verfahren zur Positionierung des Fahrzeugs dann initialisiert, wenn das Fahrzeug in einen Fernbereich des Fahrzeugs von der Primärladeeinheit eintritt. Dazu werden Positionsbestimmungsmittel des Fahrzeugs eingesetzt. Ein solches kann mittels des Kamerasystems des Fahrzeugs realisiert sein, wenn es etwa über eine Recheneinheit, auf der ein Bilderkennungsverfahren durchführbar ist, verfügt oder mit einer solchen verbunden ist. Mit dem Bilderkennungsverfahren kann die Primärladeeinheit als Objekt erkannt und als solche klassifiziert sowie deren Position bestimmt werden. Dann kann das Verfahren zur Annäherung des Fahrzeugs initialisiert werden.
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Es sind auch alternative Positionsbestimmungsmittel möglich, wie etwa eine funktechnische Mittel zwischen Fahrzeug oder der Sekundärladeeinheit und der Primärladeeinheit, d.h. die Primärladeeinheit und die Sekundärladeeinheit sind für den Aufbau einer Funkverbindung eingerichtet. Der Eintritt des Fahrzeugs in den Fernbereich kann dadurch erkannt werden, dass die Funkverbindung zwischen den beiden Ladeeinheiten dann aufgebaut werden kann, wenn das Fahrzeug im Bereich der Funkreichweite befindlich ist. Es ist also auch eine recht grobe Positionsbestimmung mit einer Auflösungsgenauigkeit in der Größenordnung von bis zu mehreren Metern ausreichend, wenn lediglich der Eintritt in den Fernbereich zur Primärladeeinheit feststellt werden soll. Die Funkverbindung kann auch zur Datenübermittlung zwischen der Primärladeeinheit und dem Fahrzeug oder der Sekundärladeeinheit eingerichtet sein, so dass etwa die Primärladeeinheit dem Fahrzeug Positionsdaten übermitteln kann.
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Der Eintritt des Fahrzeugs in den Fernbereich kann auch mittels GPS erkannt werden, sofern das Fahrzeug über ein GPS-fähiges Positionierungssystem verfügt, die genaue Position der Primärladeeinheit diesem Positionierungssystem des Fahrzeugs bekannt ist und ein Fernbereich um die Primärladeeinheit definiert ist. Bevorzugt werden, sobald das Fahrzeug in den Fernbereich um die Primärladeeinheit eintritt, auf der Anzeigevorrichtung das Echtzeitbild des Kamerasystems sowie die Einblendung automatisch angezeigt und das Verfahren zur Positionierung initialisiert.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer fahrzeugintegrierten Sekundärladeeinheit zum induktiven Laden an einer fahrzeugexternen Primärladeeinheit, mit einem Kamerasystem und mit einer Anzeigevorrichtung ist dazu eingerichtet, das Verfahren zum Positionieren in der Ladeposition auszuführen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zum Annähern eines Fahrzeugs an die fahrzeugexterne Primärladeeinheit, wobei das Fahrzeug ein Positionsbestimmungsmittel umfasst, erweitert wird um ein Verfahren im Nahbereich zur Feinpositionierung des Fahrzeugs in die Ladeposition, gemäß folgenden Schritten,
- - Ermittlung der Position der Primärladeeinheit relativ zur Position der Sekundärladeeinheit durch die Positionsbestimmungsmittel,
- - Erfassen, dass das Fahrzeug im Nahbereich zu der Primärladeeinheit befindlich ist,
- - Beenden des Verfahrens zum Annähern des Fahrzeugs an die fahrzeugexterne Primärladeeinheit,
- a) Anzeigen eines Zielbildes auf der Anzeigevorrichtung,
- b) Ermittlung der Position der Primärladeeinheit relativ zur Position der Sekundärladeeinheit durch die Positionsbestimmungsmittel,
- c) Einblenden eines Führungselements in das Zielbild und Einblenden eines Positionselements in das Zielbild, wobei die Lage des Führungselements und die Lage des Positionselements auf dem Zielbild die ermittelte Position der Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit anzeigen und
- - Wiederholen der Schritte a) bis c), um in Abhängigkeit von einer Bewegung des Fahrzeugs eine Positionsänderung der Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit in dem Zielbild anzuzeigen.
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Das Verfahren zum Annähern wird also um Schritte zum Feinpositionieren des Fahrzeugs im Nahbereich erweitert. Eine Unterstützung bei der Positionierung des Fahrzeugs ist für den Fahrzeuglenker also auch in der Phase gewährleistet, wenn die Primärladeeinheit - da im Nahbereich befindlich - für den Fahrzeuglenker vom Unterboden des Fahrzeugs verdeckt ist. Dieses Verfahren unterstützt den Fahrzeuglenker also nicht nur im Fernbereich zum Annähern, sondern auch im Nahbereich zum Positionieren des Fahrzeugs in der Ladeposition. Auf diese Weise kann der Fahrzeuglenker das Fahrzeug möglichst in einem Zug zielgenau zum induktiven Laden positionieren. Das Verfahren hat den Vorteil, dass eine einfache, vom Fahrzeuglenker selbst ausführbare Positionierbarkeit des Fahrzeugs relativ zur Sekundärladeeinheit schon ab dem Fernbereich bis zur Feinpositionierung im Nahbereich ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist es, wenn das eingesetzte Positionsbestimmungsmittel bei diesem erweiterten Verfahren eine Ortsauflösung von wenigen Zentimetern ermöglicht, die da Feinpositionierbarkeit gewährleistet sein muss. Dies kann ein Kamerasystem mit Bilderkennungsverfahren sein. Die Position des Fahrzeugs relativ zur Primärladeeinheit ist dann immer eindeutig bestimmbar, wenn das Fahrzeug zu einem Zeitpunkt die Position der Primärladeeinheit bestimmen kann und dazu eingerichtet ist, ab diesem Zeitpunkt die Trajektorie des Fahrzeugs bestehend aus Richtung und Geschwindigkeit zu erfassen. Das Bilderkennungsverfahren ist hierzu um eine Funktion erweitert, die neben der Objekterkennung der Primärladeeinheit als solche auch eine Positionsbestimmung des erkannten Objekts (Entfernung vom Fahrzeug in bestimmter Richtung im Fahrzeugkoordinatensystem) ermöglicht.
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Weitere alternative Positionsbestimmungsmittel sind z.B. Funkempfänger- und sender, Infrarot- oder Ultraschallsender- und sensoren, die als Sender bzw. Empfänger in das Fahrzeug oder die Sekundärladeeinheit bzw. die Primärladeeinheit integriert sind (oder umgekehrt). Über die gesendete relativ zur empfangenen Signalintensität ist die genaue Position der Primärladeeinheit relativ zum x-y-Achsensystem des Fahrzeugs ermittelbar. Für die Berechnung der Position kann eine Auswertungseinheit eingesetzt werden, die in der Primärladeeinheit oder im Fahrzeug integriert sein kann. Auch eine Positionsermittlung durch ein hochauflösendes GPS ist möglich. So ist es beispielsweise ausreichend, wenn die Position der Primärladeeinheit bekannt ist und das Fahrzeug GPS-fähig ist.
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Bevorzugt ist jedoch eine Funkverbindung zwischen den beiden Ladeeinheiten auf einer Frequenz von 125kHz. Das Fahrzeug ist der Sender und die Primärladeeinheit der Empfänger. Die spezifische Sendeeinrichtung kann in der Sekundärladeeinheit oder separat im Fahrzeug verbaut sein. Der Empfänger misst die Amplitude und die Frequenz des Funksignals und schickt die Daten über einen Kommunikationskanal oder über eine separate Kommunikationsverbindung (z.B. WLAN) wieder zurück an das Fahrzeug. Dort erfolgt die Berechnung der Positionsdaten mit einer Recheneinheit. Diese werden dann über CAN an die Anzeige übermittelt und dort dargestellt.
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Bei dem Zielbild handelt es sich um eine optische Anzeige auf der Anzeigevorrichtung des Fahrzeugs. Gemäß des Verfahrens werden Elemente in das Zielbild eingeblendet, die dem Fahrer beim Führen des Fahrzeugs unterstützen, um die Ladeposition des Fahrzeugs relativ zur Primärladeeinheit im Nahbereich zu erreichen.
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Das Zielbild wird automatisch eingeblendet, wenn das Fahrzeug in den Nahbereich eintritt. Damit wird dem Fahrzeuglenker angezeigt, dass das Fahrzeug erfolgreich in den Nahbereich angenähert ist und die Feinpositionierung des Fahrzeugs beginnen kann.
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Durch die wiederholte Positionsbestimmung der Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit im Nahbereich und der Einblendung von Führungselement und Positionselement - bevorzugt in Echtzeit -, wird die aktuelle Lage der beiden Ladeeinheiten zueinander visualisiert. Dadurch unterstützt das Verfahren den Fahrzeuglenker dabei, die Ladeposition zu erreichen, indem das Führungselement und das Positionselement in der Anzeigevorrichtung „in Deckung“ zu bringen sind. Nur dann ist - wie zum induktiven Laden erforderlich - die Ladeposition erreicht. Dies erfolgt durch die Bewegung des Fahrzeugs, die der Fahrzeuglenker selbst veranlasst, wobei er die Bewegung des Fahrzeugs in x-y-Richtung an der Lage von Führungselement und Positionselement in der Anzeigevorrichtung orientiert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Führungselement und das Positionselement eine gleiche geometrische Grundform aufweisen, wobei das Führungselement einen größeren Umfang aufweist wie das Positionselement.
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Es können beispielsweise beide Elemente eine ringförmige, kreisförmige, mehreckige oder ellipsenförmige zweidimensionale Ausgestaltung aufweisen. Das Positionselement ist kleiner als das Führungselement ausgeführt, so dass das Positionselement vollständig von dem Führungselement aufgenommen werden kann. Dem Fahrzeuglenker wird dadurch der Eindruck einer Zielvorrichtung vermittelt, wobei das Positionselement in das Führungselement - gleichsam in das „Ziel“ - zu bringen ist. Dadurch ist die „Positionierungsaufgabe“ im Nahbereich besonders intuitiv.
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Nach einer Variante des Verfahrens ist das Verhältnis des Umfangs des Führungselements zu dem Umfang des Positionselements so gewählt, dass, wenn das Positionselement von dem Führungselement im Zielbild vollständig umfasst ist, das Fahrzeug in der Ladeposition befindlich ist, wobei in der Ladeposition die Position der Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit einen Versatz von Sekundärladeeinheit zu Primärladeeinheit in x-Richtung und y-Richtung des Fahrzeugs aufweist, welcher nicht größer als ein vorgebbarer oder vorgegebener Maximalversatz ist.
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Die Ladeposition ist dadurch festgelegt, dass der Versatz von Sekundärladeeinheit und Primärladeeinheit im x-y-Achsensystem des Fahrzeugs einen maximalen Wert, den Maximalversatz, nicht überschreitet.
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Der Maximalversatz ist durch die elektromagnetische Auslegung des Systems aus Sekundärladeeinheit und Primärladeeinheit bzw. der jeweiligen elektromagnetischen Spulen bedingt. Beim Maximalversatz ist eine Mindestübertragungseffizienz zwischen Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit gewährleistet. Durch den Maximalversatz wird ein Toleranzbereich festgelegt, innerhalb dessen sich die Sekundärladeeinheit relativ zu Primärladeeinheit befindet, um die Ladeposition einzunehmen. Wenn das Positionselement in dem Führungselement befindlich ist, befindet sich die Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit jedenfalls im Toleranzbereich, d.h. die Ladeposition ist erreicht. In der Ladeposition ist eine effiziente induktive Energieübertragung jedenfalls gewährleistet. Falls das Positionselement und das Führungselement so im Zielbild eingeblendet sind, dass das Positionselement gerade nicht über den vom Führungselement abgedeckten Bereich herausragt, bedeutet dies, dass die Sekundärladeeinheit relativ zur Primärladeeinheit zwar am Rand des Toleranzbereichs des Versatzes in x-y-Richtung, jedoch in der Ladeposition, liegt. Dieser Zusammenhang ist das „Eichmaß“ für Lage und eingenommene bzw. umrandete Fläche von Positionselement und Führungselement bei der Einblendung in das Echtzeitbild.
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Bevorzugt sind das Führungselement und das Positionselement ring- oder kreisförmig ausgeführt, wobei die Differenz des Durchmessers des Führungselements und des Durchmessers des Positionselements ein Toleranzmaß RTol darstellt, und das Toleranzmaß RTol mit dem Maximalversatz korreliert.
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Gemäß dieser Ausführungsform des Verfahrens sind das Führungselement und das Positionselement ring-oder kreisförmig ausgeführt, d.h. zum Erreichen der Ladeposition ist der Ring des Positionselements in den Ring des Führungselements zu bringen. Die Differenz des Durchmessers der beiden Ringe ist maßstäblich für den maximal zulässigen Versatz von Sekundärladeeinheit und Primärladeeinheit in der Ladeposition, d.h. für den Maximalversatz. Das eingeblendete Positionselement und das eingeblendete Führungselement dienen dem Fahrzeuglenker als „Zielsystem“. Der Mittelpunkt der Ringe visualisiert den elektromagnetischen Mittelpunkt der Spulen von Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit, d.h. etwa bei zirkular ausgeführten Spulen die zentrale Spulenachse.
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Die Toleranz kann auch derart variabel eingestellt werden, dass sie in Richtung eines Versatzes, der kleiner als der Maximalversatz ist, verringert werden kann. Es ist dann eine noch exaktere Ladeposition der Sekundärladeeinheit zur Primärladeeinheit anfahrbar. Dies stellt sicher, dass das Mindestmaß an Übertragungseffizienz in diesem Fall erhöht ist. Es kann etwa der Fahrzeuglenker den Toleranzbereich selbst wählen. Bei geringerem Toleranzmaß RTol ändert sich das Verhältnis des Umfangs und damit der Fläche des Führungselements zu dem Umfang bzw. der Fläche des Positionselements dem Wert 1. Beim Wert 1 sind die Positionselement und Führungselement im Zielbild exakt in Deckung zu bringen, um die Ladeposition zu erreichen. Dann ist induktives Laden ohne Versatz und bei maximaler elektromagnetischer Effizienz möglich. Die Positionierungsaufgabe ist hierfür am anspruchsvollsten, was auch der Anzeige im Zielbild entspricht, da das Positionselement vollständig vom Führungselement umfasst sein muss. Da beide die gleiche Fläche aufweisen, ist dies gleichbedeutend damit, dass beide deckungsgleich im Zielbild liegen müssen. Bei einem Wert kleiner 1 ist hingegen eine lediglich kleinere Fläche des Positionselements innerhalb einer größeren Fläche zu platzieren, gleichbedeutend mit einer Ladeposition im x-y-Koordinatensystem mit Versatz. Die Funktion der Flächenverhältnisse ist besonders intuitiv mit Ringen bzw. Kreisen umsetzbar. Jedoch auch andere geometrische Formen sind geeignet.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Positionselement von dem Führungselement im Zielbild vollständig umfasst ist, die Erscheinungsform des Zielbildes und/oder die Erscheinungsform des Führungselements und/oder die Erscheinungsform des Positionselements andersartig ist, als wenn das Positionselement von dem Führungselement im Zielbild nur teilweise oder nicht umfasst ist, um anzuzeigen, ob das Fahrzeug in der Ladeposition befindlich ist oder nicht.
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Auf diese Weise wird es dem Fahrzeuglenker durch eine visuelle Änderung in der Anzeigevorrichtung angezeigt, sobald das Fahrzeug die Ladeposition erreicht hat. Er wird dabei unterstützt, zu erkennen, dass das Positionselement von dem Führungselement vollständig umgeben ist. So kann der Fahrzeuglenker das Fahrzeug zielgenau zum induktiven Laden positionieren und erkennt durch die Einblendung der Position von Sekundärladeeinheit zu Primärladeeinheit in Echtzeit auf einen Blick, ob die Ladeposition erreicht ist oder nicht.
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Beispielsweise beim Rangieren ist dies sehr nützlich, da die Anzeigevorrichtung nur wenig Aufmerksamkeit vom Fahrer erfordert, um das Erreichen der Ladeposition zu erkennen.
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Alternativ oder zusätzlich kann, wenn das Positionselement von dem Führungselement im Zielbild vollständig umfasst ist, ein akustisches Signal wiedergegeben werden, um anzuzeigen, dass das Fahrzeug in der Ladeposition befindlich ist. Somit wird dem Fahrzeuglenker akustisch bestätigt, dass die Ladeposition erreicht ist.
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Weiterhin kann das Verfahren so variiert werden, dass das Zielbild als Top-View-Bild ausgestaltet ist und in das Zielbild ein Fahrzeugelement eingeblendet wird, wobei die Lage des Fahrzeugelements in dem Zielbild die Position der Sekundärladeeinheit relativ zum Fahrzeug anzeigt.
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Das Fahrzeugelement kann dabei als Silhouette des Fahrzeugs in Draufsicht (Top-View im üblichen Fahrzeugkoordinatensystem) dargestellt sein. Auf diese Weise kann die Position von Sekundärladeeinheit zur Primärladeeinheit in Abhängigkeit von der Fahrzeugbewegung, die der Fahrzeuglenker veranlasst, noch deutlicher veranschaulicht werden. Für den Fahrzeuglenker ist die Orientierung erleichtert, da die zu wählenden Trajektorie relativ zu den vertrauten Fahrzeugabmessungen und nicht nur relativ zur Sekundärladeeinheit abgeschätzt werden kann. Es ist das Zielbild mit eingeblendetem Fahrzeugelement bevorzugt in der Perspektive des Fahrzeuglenkers ausgerichtet.
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Bevorzugt ist es, wenn das Top-View-Bild ein Bild des Umfelds des Fahrzeugs ist, welches in Echtzeit mit dem Kamerasystem aufgenommen wird und in das Top-View-Bild umgerechnet wird.
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Damit kann der Fahrzeuglenker in dem Zielbild das von ihm selbst wahrgenommene Umfeld des Fahrzeugs wiedererkennen und die Orientierung ist für den Fahrzeuglenker erleichtert.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer fahrzeugintegrierten Sekundärladeeinheit zum induktiven Laden des Fahrzeugs an einer fahrzeugexternen Primärladeeinheit, mit einem Kamerasystem, mit einer Anzeigevorrichtung und mit einem Positionsbestimmungsmittel relativ zur Primärladeeinheit, ist dazu eingerichtet, das erweiterte Verfahren zum Annähern des Fahrzeugs an die Primärladeeinheit in Fernbereich sowie zur Feinpositionierung des Fahrzeugs im Nahbereich in die Ladeposition auszuführen.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
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Beim induktiven Übertragen von Energie müssen die fahrzeugseitige Sekundärladeeinheit und die fahrzeugexterne Primärladeeinheit in einem Toleranzbereich zueinander positioniert werden. Deshalb muss der Fahrer bei der manuellen Positionierung des Fahrzeugs relativ zur Primärladeeinheit unterstützt werden, um eine bestmögliche Positionierung der beiden Ladeeinheiten zueinander zu gewährleisten. Dies kann durch die Nutzung eines Kamerasystems und die Einblendung von Hilfslinien in einer Anzeigevorrichtung in einem Fernbereich des Fahrzeugs von der Primärladeeinheit und optional durch die Einblendung von einer Objektdarstellung der Primärladeeinheit und der Sekundärladeeinheit in einem Nahbereich des Fahrzeugs zur Primärladeeinheit erreicht werden. Damit ist eine möglichst einfache und intuitive, aber auch ausreichend genaue Positionierbarkeit des Fahrzeugs für einen Fahrzeuglenker gegeben.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche technische Gegenstände. Im Einzelnen zeigen
- 1 Schematische Darstellung des Verfahrens zum Annähern des Fahrzeugs an die Primärladeeinheit
- 2 Kamerabild mit erfasster Primärladeeinheit und mit Einblendung von Führungslinien in einem Fernbereich
- 3 Kamerabild in einem Nahbereich mit Einblendung von einem Positionselement und von einem Führungselement außerhalb der Ladeposition
- 4 Kamerabild in einem Nahbereich mit Einblendung von einem Positionselement und von einem Führungselement in der Ladeposition
- 5 Darstellung der Flächenverhältnisse von ringförmigem Positionselement und ringförmigem Führungselement zur Visualisierung des Toleranzmaßes RTol
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Es zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug (6) aus der Sicht entlang der z-Achse des Fahrzeugs im dem dem Fachmann bekannten Fahrzeugbezugssystem. In der x-y-Ebene des Fahrzeugs befindet sich eine fahrzeugintegrierte Sekundärladeeinheit (4) im Unterbodenbereich des Fahrzeugs. Fahrzeugextern befindet sich bodennah eine Primärladeeinheit (2, 2') zum induktiven Übertragen von Energie von der Primärladeeinheit zur Sekundärladeeinheit, um einen Energiespeicher des Fahrzeugs zu laden. Die Primärladeeinheit befindet sich in z-Richtung von der Sekundärladeeinheit versetzt (Spalt zwischen Unterboden des Fahrzeugs und Boden), wobei zum Laden nur ein maximaler Versatz der Primärladeeinheit zur Sekundärladeeinheit in x- und y-Richtung gewünscht ist. Deshalb sollte sich das Fahrzeug möglichst so der Primärladeeinheit annähern, dass die Sekundärladeeinheit einer Bewegungskurve Tz folgt, entlang derer sich die Primärladeeinheit auf die Sekundärladeeinheit in der x-y-Ebene direkt zubewegt.
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Es zeigt 2 einen Ausschnitt einer Anzeigevorrichtung, die ein Echtzeitbild (1) wiedergibt, das mit einem Kamerasystem des Fahrzeugs aufgenommen und mittels der Anzeigevorrichtung angezeigt wird. Von dem Echtzeitbild ist eine fahrzeugexterne Primärladeeinheit (2) erfasst. Das Fahrzeug befindet sich in einem Fernbereich von der Primärladeeinheit. Das Echtzeitbild wird mit zwei Führungslinien (3a, 3b) überblendet. Die beiden Führungslinien geben aus einer Perspektive des Fahrers die Trajektorie der Abmessungen der Sekundärladeeinheit (siehe die beiden Kurven TP in 1) in die Ferne projiziert wieder. Deshalb kann der Fahrer anhand der beiden Führungslinien die Primärladeeinheit durch Veränderung des Lenkwinkeleinschlags „anvisieren“. Es zeigt 1 anhand der exemplarisch anders positionierten Primärladeeinheit (2') wie diese durch einen falschen Lenkwinkeleinschlag verfehlt wird.
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Optional kann das Bild aus 2 zusätzlich mit zwei Orientierungslinien (5a, 5b) überblendet werden. Die Orientierungslinien zeigen dem Fahrzeuglenker optisch die Trajektorie des Fahrzeugs bzw. der Fahrzeugabmessungen bei dem gewählten Lenkwinkel an (den Linien TF in 1 entsprechend).
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Die Lenkwinkelabhängigkeit der Führungslinien und der Orientierungslinien ist durch die weiteren gestrichelt dargestellten Führungslinien (3a', 3b') und Orientierungslinien (5a', 5b') in 2 angedeutet. Die Überblendung des Echtzeitbildes wird in Abhängigkeit vom Lenkwinkel fortwährend aktualisiert. Der Abstand der beiden aufeinander zulaufenden Führungslinien entspricht einer der projizierten Größe der erfassten Primärladeeinheit in Abhängigkeit von der Entfernung vom Fahrzeug. Die Führungslinien unterstützen den Fahrzeuglenker dabei, das Fahrzeug zielgenau über die Primärladeeinheit zu bewegen, indem so zu lenken ist, dass mit den Führungslinien die mit der Kamera aufgenommene Primärladeeinheit während der Fahrzeugbewegung anvisiert wird. Die Orientierungslinien geben dabei die Breite des Fahrzeugs entlang der gewählten Trajektorie an, so dass ein Manövrieren bei beengten Verhältnissen oder mit Hindernissen erleichtert wird.
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Die 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt einer Anzeigevorrichtung, die ein Echtzeitbild (10) wiedergibt, das mit einem Kamerasystem des Fahrzeugs aufgenommen, von einer Recheneinheit in ein Top-View-Bild umgerechnet und in der Top-View-Ansicht mittels der Anzeigevorrichtung angezeigt wird. Das Fahrzeug befindet sich in einem Nahbereich zur Primärladeeinheit. Der Eintritt des Fahrzeugs in den Nahbereich wird durch die Funkverbindung zwischen den beiden Ladeeinheiten ermittelt. Die Funkverbindung zur Positionsbestimmung des Fahrzeugs relativ zur Primärladeeinheit ist eine auf einer Frequenz von 125kHz. Fahrzeugseitig ist der Sender, die Primärladeeinheit der Empfänger. Die spezifische Sendeeinrichtung kann in der Sekundärladeeinheit oder separat im Fahrzeug verbaut sein. Der Empfänger misst die Amplitude und die Frequenz des Funksignals und schickt die Daten über einen Kommunikationskanal oder über eine separate Kommunikationsverbindung (z.B. WLAN) wieder zurück an das Fahrzeug. Dort erfolgt die Berechnung der Positionsdaten mit einer Recheneinheit. Diese werden dann über CAN an die Anzeige übermittelt und dort dargestellt.
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In das Top-View-Bild werden eine Silhouette des Fahrzeugs (11) und ein Führungsring (12) eingeblendet, der die räumliche Position der Sekundärladeeinheit relativ zur Fahrzeugsilhouette andeutet. Weiterhin wird in das Top-View-Bild ein Positionsring (13, 14) eingeblendet, der die räumliche Position der Primärladeeinheit angibt. Es kann der Fahrzeuglenker in dem Nahbereich, ohne dass der Fahrzeuglenker selbst oder das Kamerasystem des Fahrzeugs die Primärladeeinheit optisch erkennen können, das Fahrzeug zielgenau über die bodenmontierte Primärladeeinheit lenken, indem er das Fahrzeug so bewegt, dass der Positionsring vollständig in den Führungsring in der Top-View-Echtzeitdarstellung hineinbewegt wird. Dazu werden laufend die Positionen der Ladeeinheiten über die Funkverbindung ermittelt und das Top-View-Bild sowie die Einblendungen in der Anzeigevorrichtung aktualisiert. Nach den 3 und 4 wechselt die Füllung des Positionsringes die Farbe, um dem Fahrzeuglenker anzuzeigen, dass die Ladeposition erreicht ist. Sofern der Positionsring vollständig von dem Führungsring umschlossen ist, erscheint er dunkel ausgefüllt, ansonsten hell ausgefüllt.
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5 zeigt Radien, Durchmesser, Umfang und die Fläche der von den Ringen umschlossenen Kreisfläche in Relation zueinander. RFüh steht für den Durchmesser des Führungsringes, RPos für den Durchmesser des Positionsringes. Die Differenz zwischen beiden Durchmessern zeigt das Toleranzmaß RTol an. Die Durchmesser der Ringe sind so gewählt, dass wenn der Positionsring vollständig innerhalb des Führungsrings befindlich ist, die Lage der Primärladeeinheit relativ zur Sekundärladeeinheit in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt, der eine ausreichende Übertragungseffizienz bei der induktiven Energieübertragung gewährleistet. Der Toleranzbereich korreliert mit dem Toleranzmaß RTol, wobei RTol den maximal zulässigen räumlichen Versatz von Sekundärladeeinheit und Primärladeeinheit in der x-y-Ebene des Fahrzeugs für das induktive Laden visualisiert. Je größer der maximal zulässige Versatz des Systems aus Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit ist, umso kleiner kann in 5 RPos zugunsten von RTol gewählt werden. Damit wird die Fläche, die vom Positionsring abgedeckt wird, im Vergleich zur Fläche, die vom Führungsring mi Echtzeitbild abgedeckt wird, kleiner, wodurch der Positionsring „leichter“ im Führungsring platziert werden kann. Entsprechend ist der Toleranzbereich des Versatzes von Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit in der x-y-Ebene des Fahrzeugs größer, so dass das Fahrzeug „leichter“ in die Ladeposition bewegt werden kann. Umgekehrt verhält es sich bei einem kleineren Toleranzbereich.
