WO2014023595A2 - Vorrichtung und verfahren zur positionierung durch triangulation - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur positionierung durch triangulation Download PDF

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WO2014023595A2
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Jens Berger
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a system comprising a vehicle and an induction charging unit, wherein the induction charging unit has a primary coil and the vehicle a
  • Charging the secondary coil is located in a preferred spatial position range with respect to the primary coil.
  • Vehicles with an electrified powertrain usually have a charging interface to an external charging source.
  • the transmission of electrical power, for example, to charge an electrochemical energy storage of the vehicle, is usually wired or inductive.
  • the vehicle For wired charging procedures, the vehicle must be connected to the external charging source, such as a charging station, via a charging cable to charge
  • Transmission efficiency of the electrical power is dependent on the relative spatial position of the secondary coil to the primary coil.
  • the portion of the excitation power that occurs as a power loss during charging approximately minimized.
  • the task of bringing the secondary coil in the loading position is the subject of the prior art.
  • document WO 2011/006884 A2 for a vehicle with a primary coil describes an electronic positioning aid which utilizes reflection properties of a housing on the bottom of the primary coil. It is an object of the present invention to describe an improved system comprising a vehicle and an induction charging unit, wherein the induction charging unit has a primary coil and the vehicle has a secondary coil and at a
  • Charging in a charging position electrical power from the primary coil to the secondary coil is inductively transferable, wherein in the loading position, the secondary coil is located in a preferred spatial position range with respect to the primary coil.
  • Triangulation electromagnetic distance and angle measurement a spatial position which describes a time-dependent, spatial position of the secondary coil with respect to the primary coil, and the system determines based on the spatial position and the loading position at least a partial constitutionalrajektorie along which the location position of the loading position is approached.
  • the secondary coil In the loading position, the secondary coil is in a preferred spatial position with respect to the primary coil such that in this position the efficiency of the electrical power transferred between the two coils is approximately maximum.
  • the vehicle has at least two low-frequency
  • Receiving antennas and the induction charging at least two low-frequency
  • the vehicle has at least one low-frequency receiving antenna and the induction charging unit has at least two low-frequency transmitting antennas.
  • the vehicle has at least two low-frequency receiving antennas and the induction charging unit has at least one low-frequency transmitting antenna. This means that at least one low-frequency receiving antenna on the vehicle side and at least one low-frequency transmitting antenna in the area of the charging unit outside the vehicle is located, wherein the total number of low frequency antennas of the system for
  • the vehicle has a charge control device, wherein the charge control device comprises a first high-frequency communication unit and the charge control device of the at least one receiving antenna of the vehicle is assigned as a measuring unit for the electromagnetic distance and angle measurement and measures induction signals of the at least one receiving antenna.
  • the induction charging unit has an induction control device, wherein the
  • Induction control unit comprises a second high-frequency communication unit and the induction control unit which drives at least one transmitting antenna. This means that the at least one transmitting antenna is operated by the induction control unit.
  • the vehicle has at least two low-frequency transmission antennas and the induction charging unit has at least two low-frequency reception antennas.
  • the electromagnetic distance and angle measurement are examples of the vehicle.
  • Induction charger at least two low-frequency receiving antennas on.
  • the vehicle has at least two low-frequency transmitting antennas and the induction charging unit has at least one low-frequency receiving antenna.
  • low-frequency transmitting antenna and outside the vehicle in the charging unit at least one low-frequency receiving antenna is located, wherein the total number of low-frequency antennas is at least three.
  • the vehicle has a charging control unit, wherein the charging control unit drives the at least one transmitting antenna and the charging control unit a first
  • Radio frequency communication unit comprises. Furthermore, the induction charging unit has an induction control device, wherein the
  • Induction control unit comprises a second high-frequency communication unit and the induction control unit of the at least one receiving antenna as a measuring unit of
  • Induction signals between the induction control unit and the charging control unit can be transmitted and the charging control unit or the induction control unit determines the arithmetic unit by means of the measured, output and transmitted to the arithmetic unit induction signals the spatial position by triangulation.
  • the measured induction signals thus serve as input for the calculation of the spatial position by means of triangulation.
  • a dilemma control unit or a further control unit of the vehicle a dilemma control unit or a further control unit of the vehicle, a dilemma control unit and the vehicle automatically performs the driving trajectory corresponding driving maneuver or it tells the vehicle to a driver of the vehicle via a suitable man-machine interface with the consequentrajektorie corresponding driving maneuver.
  • the production of the loading position takes place in such a way that initially one of the two high-frequency communication units sends a coded search signal to the other of the two high-frequency communication unit and the other
  • Radio frequency communication unit receives the search signal and a coded one
  • Confirmation signal to the high-frequency communication unit sends back.
  • the receipt of the acknowledgment signal triggers an initialization routine between the at least one transmit antenna and the at least one receive antenna performed by the charge controller and the induction controller. After the initialization routine, the
  • At least one transmitting antenna is a coded electromagnetic positioning signal, wherein with respect to the spatial extent of the transmitting antenna, the magnetic component of the
  • Positioning signal has a defined field orientation and a defined field strength.
  • At least one receiving antenna receives the at least one positioning signal of at least one receiving antenna and the charging control unit or the induction control unit measures for the at least one positioning signal a magnetic field vector, which is uniquely assigned to the at least one transmitting antenna by the coding of the position signal.
  • the measured magnetic field vector is transmitted from the induction control unit to the charge control unit or from the charge control unit to the induction control unit.
  • Triangulation calculates the charge controller or the induction control device, the location of the at least one transmitting antenna with respect to the at least one receiving antenna.
  • the calculated spatial position serves as an input variable for determining the driving trajectory by the charging control unit, by the induction control unit or by another control unit of the vehicle, along which the spatial position of the loading position can be approached.
  • the steps of this method which serve to determine the location position, are repeated during a driving maneuver of the vehicle in real time in order to update the calculation of the location position and the driving trajectory.
  • the updated driving trajectory describes a stopping maneuver. In a stopping maneuver the vehicle comes to a standstill.
  • the driver is assisted (eg, "steer left") via a man-machine interface through issued instructions or
  • Trajectory serves as input for a driver assistance system that automatically moves the vehicle to the loading position.
  • the invention is based on the following considerations:
  • the distance of an object eg, a vehicle
  • another object eg, a vehicle key
  • radio technology in the high-frequency and low-frequency band with the measurement of field strengths and propagation times of alternating electromagnetic fields offers possibilities for wireless distance determination.
  • modern vehicle locking systems such as keyless entry where the vehicle acts as the sender and the vehicle key as the receiver.
  • a further application is, in particular, the accurate positioning of an electrified powertrain vehicle and inductive charging system in a position range that requires a spatial extent in each spatial direction approximately less than 10 centimeters.
  • a vehicle with an inductive charging system has a charging coil on the vehicle side, which is also called a secondary coil, and which assumes the function of a receiver coil.
  • the primary coil acts as a transmitter coil and is part of an external charging infrastructure.
  • the two coils are referred to as charging coils.
  • To charge an energy storage device of the vehicle, the two coils are spatially to each other in an exact reference position to bring to ensure the most efficient transfer of energy when loading. This position is called loading position and requires as described a spatial tolerance of a maximum of 10 centimeters.
  • the position guide can automated by the vehicle itself or by driving instructions to the driver of the vehicle.
  • FIG. 3 shows the loading position by positioning according to FIG. 1 or FIG. 2.
  • a vehicle with an electrified powertrain can be charged wirelessly at an inductive charging station.
  • a vehicle (1) with an electrified powertrain can be charged wirelessly at an inductive charging station.
  • Drive train shown schematically. It may be a hybrid or electric vehicle 220, possibly a plug-in hybrid vehicle, if this is next to a hybrid
  • Interface for wired charging also has a charging interface for inductive charging features.
  • the vehicle includes a vehicle-side charging architecture for wireless, inductive charging, wherein the charging architecture as a central vehicle-side component has a secondary coil (2).
  • the vehicle has a charging control unit.
  • Main component of the charging unit is a primary coil (4).
  • the charging unit may be suitable for charging a plurality of vehicles, wherein at a given time only a single vehicle can be charged on the primary coil.
  • the primary coil is mechanically firmly integrated in the loading unit.
  • the charging station is stationary in or on the ground.
  • the charging unit has an induction control device.
  • the charging process is that period between an initialization process of
  • 235 charging process includes in particular those times at which electrical power is transmitted from the primary coil to the secondary coil or at least transferable.
  • the secondary coil is in a loading position, ie in a certain spatial area relative to the primary coil.
  • This spatial region is characterized in that a predetermined geometric reference point of the secondary coil, which is dependent on the configuration of the secondary coil, from a predetermined geometrical reference point of the primary coil, which is dependent on the configuration of the primary coil, with respect to the three spatial directions, that to those skilled in the art forms known vehicle-related coordinate system, deviates only up to a predetermined tolerance level for each of the three spatial directions.
  • the secondary coil is in the loading position. Due to the fact that the reference point of the secondary coil is spatially relative to the reference point of the primary coil such that the distance between these two reference points, which is related to each of the three spatial directions, does not exceed the tolerance dimension specified for the respective axis, the secondary coil is in the loading position. Due to the fact that the
  • Secondary coil is mechanically fixed to the vehicle or is integrated into the vehicle, is located, if the secondary coil is located in the loading position, the
  • Charging position is, the concept of vehicle loading position is also understood as the term loading position simplifying.
  • this is done by distance and angle measurement with the method of triangulation.
  • the measurement is based on the detection of the magnetic field vector of a defined, with an antenna generated electromagnetic field. If the antenna is designed as a one-dimensional antenna, the received magnetic field vector at the location of the receiver becomes a one-dimensional vector, i. as a scalar, captured.
  • a first and a second embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. It uses two transmit antennas and two receive antennas.
  • the two transmit antennas are through a first controller and the two receiving antennas operated a second control unit.
  • the first controller in the first embodiment is the induction controller
  • the second controller 275 is the charge controller.
  • the two transmitting antennas (5 ', 6') and the first control device (21 ') from the vehicle and the two receiving antennas (7', 8 ') and the second control device (22') of the loading unit comprises.
  • the first controller is the charge controller and the second controller is the second controller
  • the transmitting antennas also called transmitters, low-frequency antennas and the receiving antennas, also called receiver 285, low-frequency receiver.
  • the transmitters and the receivers work in one
  • the first embodiment describes with reference to FIG. 1, the location of the vehicle, 290 wherein the two transmitting antennas and the first control unit in the charging unit and the two receivers and the second control unit are integrated into the vehicle.
  • the antenna (7) is the first transmitting antenna
  • the antenna (8) is the second transmitting antenna.
  • the receiver (5) is the first receiver
  • the receiver (6) is the second receiver.
  • the first control unit (22) is included in the loading unit and forms the induction control unit.
  • the second control unit (21) 295 is covered by the vehicle and forms the charging control unit.
  • the second embodiment corresponds to the first embodiment, wherein the two transmitters and the first control device in the vehicle and the two receivers and the second control device are integrated in the charging unit. Sender and receiver are from the first one
  • Antenna (5 ') forms the first transmitter and the antenna (6') forms the second transmitter.
  • the receiver (7 ') is the first receiver, the receiver (8') is the second receiver.
  • the first control device (21 ') which operates the two transmitters, in the second embodiment of the Vehicle included charging controller.
  • the second controller (22 ') that operates the two receivers is the induction controller included in the charging unit.
  • the charge controller comprises a first one
  • Communication unit and the induction control device comprises a second
  • Both communication units can exchange information signals in the high frequency range in a preferred frequency band of the widespread narrow band radio at 433 MHz or 868 MHz.
  • higher frequency bands in the GHz range may be used, e.g. according to WLAN or Bluetooth standards.
  • Information signals are coded in particular, so that a signal transmitted by a communication unit thereof can be unambiguously assigned. Both communication units can send and receive information signals.
  • first is a basic communication between the two
  • At least one communication unit transmits at regular intervals of less than 10 seconds a coded, high-frequency search signal with a search range of up to 100 meters with respect to the sensitivity threshold of the receiving
  • the time interval of the transmission of the search signal is alternatively linked inversely proportional to the speed of the vehicle.
  • the communication unit receiving the search signal transmits a coded confirmation signal having a range which is the same
  • Search range corresponds to the search signal sending the communication unit. If the acknowledgment signal is received by the communication unit transmitting the search signal, the basic communication between the communication units is established and the vehicle is at least within a distance, which is not greater than the search range, with respect to the charging unit.
  • the communication unit of the charging station does not send signals unless the charging station is not available for charging, eg by use by another vehicle.
  • the vehicle is initially in a so-called coarse position with respect to a loading unit actually usable for loading. In the rough position, the basic communication connection between the vehicle and the loading unit is through the two communication units.
  • Search signal and confirmation signal is ensured that the communication between the vehicle and the charging unit is unique and both vehicle and charging unit are mutually uniquely identifiable. That is, if, for example, there are a plurality of similar loading units for a plurality of vehicles having similar loading architecture, communication exists between a particular vehicle of these multiple vehicles and a specific loading unit of those multiple loading units, and that particular vehicle is in the rough position with respect to the particular loading unit is located.
  • MMS man-machine interface
  • the initialization means the control of the transmitter by the induction control device and control of the receiver by the charge control device and a connection setup of the transmitter with the receivers in the
  • the signal emitted by the transmitters is coded to ensure a clear association between transmitters and receivers, i. between the vehicle and the loading unit. This can be made possible, for example, with an 8-bit coding. Accordingly, according to the second embodiment, the initialization means
  • the initialization is based on a simplified mutual recognition of the vehicle and the charging unit, when a certain vehicle and a certain charging unit are firmly coupled with each other, which is known to those skilled in the art as pairing.
  • the actual location is determined by triangulation.
  • the transmitters each transmit an electromagnetic signal of defined field strength, which is called a positioning signal.
  • the range of the positioning signal exceeds the search range
  • the positioning signal of the first transmitter (7) is the first
  • the positioning signal of the second transmitter (8) is referred to as the second positioning signal.
  • the magnetic field vector of the positioning signals each oscillates along a specific preferred spatial axis and the magnetic field has a preferred propagation direction.
  • the preferred axis lies in a first approximation perpendicular to the x-y plane of the vehicle-related coordinate system known to the person skilled in the art and the propagation direction in the x-y plane of the vehicle in the coarse position.
  • the receivers in the vehicle have such a mounting position that the receivers along the axis corresponding to the x-axis of the vehicle-related coordinate system in the
  • Coarse position corresponds to the highest reception sensitivity to a magnetic field and thus have the highest accuracy.
  • three-dimensional transmitter and receiver can be used. This means that the transmitters have a three-dimensional emission characteristic and the receivers have a three-dimensional reception characteristic.
  • the following one-dimensional consideration is analogously applicable to the further dimensions in the case of a three-dimensional emission characteristic and a three-dimensional reception characteristic.
  • one-dimensional transmitters and one-dimensional receivers are assumed without restriction of generality.
  • the field strength of the first positioning signal and thus the magnitude of a first magnetic field vector is uniquely determined by a first transmitter current ⁇ ⁇ i, by a first winding number Ni and by the radius ⁇ of the first transmitter.
  • the field strength of the second positioning signal and thus the amount of a second Magnetic field vector H 2 is clearly defined by a second transmitter current l 2 , by a first winding number N 2 and by the radius r 2 of the second transmitter.
  • the two receivers are installed at a distance L in the vehicle, which is oriented perpendicular to the vehicle longitudinal axis (10) and along a parallel line (9) of the vehicle transverse axis.
  • the charging controller evaluates the receiver and determines a measurement signal H 1 x1 representing the field strength of the first magnetic field at the location of the first receiver with respect to the x direction in the vehicle coordinate system.
  • the second receiver detects the first magnetic field vector H- at the location of the second receiver.
  • the charging controller evaluates the second receiver and detects
  • Measurement signal H x2 the field strength of the first magnetic field at the location of the second
  • the first receiver detects the second magnetic field vector H 2 at the location of the first receiver.
  • the charging controller evaluates the receiver and determines a measurement signal H 2, x i representing the field strength of the second magnetic field at the location of the first receiver with respect to the x direction in the vehicle coordinate system.
  • the second receiver detects the second magnetic field vector H 2 at the location of the second receiver.
  • the charging controller evaluates the second receiver and detects
  • Measurement signal H 2 x2 which reflects the field strength of the second magnetic field at the location of the second receiver with respect to the x-direction in the vehicle coordinate system.
  • the time-dependent measuring signals are at a certain time t ! recorded as H ⁇ ), Hi , x2 (ti), H 2 x i (t 1 ) and H 2 , 2 (ti) and processed by the charging controller or to the
  • Induction control unit transmitted and processed by the induction control unit.
  • the position of the vehicle at the time ti is determined by triangulation.
  • the distance d which describes the distance between the first transmitter and the first receiver, results as:
  • the distance e 2 which describes the distance between the first transmitter and the second receiver, results as: e, (i,) - r, +
  • the distance d 2 which describes the distance between the second transmitter and the first receiver, results as:
  • the signal processing further comprises the calculation of a driving trajectory of the vehicle along which the vehicle is movable into the loading position, starting from the spatial position of the vehicle at the time ti.
  • the calculation of the driving trajectory is not described in detail here.
  • the position of the vehicle is determined at later times t n at a repetition rate of at least 10 Hz and the travel trajectory is updated starting from the spatial position of the vehicle at time t n .
  • Fig. 3 shows the loading position for the first embodiment and for the second embodiment.
  • the loading position is then established when the distance d ! between the first transmitter and the first receiver describes the same distance as the distance d 2 between the second transmitter and the second receiver.
  • This same distance corresponds to a predetermined desired distance d, which describes the setting of the loading position.
  • the two angles correspond to a- ⁇ and a 2 to a predetermined desired angle a, which also describes the setting of the loading position.
  • the first embodiment has the particular advantage over the second embodiment that the transmitting antennas are located in the loading unit and the receivers in the vehicle. Due to the higher space requirement of a low-frequency transmitter compared to a low-frequency receiver, it is advantageous to integrate the low-frequency transmitter in the charging unit to in the vehicle at usually limited

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Abstract

System, umfassend ein Fahrzeug (1) und eine Induktionsladeeinheit (3), wobei die Induktionsladeeinheit eine Primärspule (4) umfasst und das Fahrzeug eine Sekundärspule (2) umfasst und bei einem Ladevorgang in einer Ladeposition elektrische Leistung von der Primärspule zur Sekundärspule induktiv übertragbar ist, wobei in der Ladeposition die Sekundärspule in einem bevorzugten räumlichen Positionsbereich in Bezug auf die Primärspule befindlich ist, so, dass zur Einstellung der Ladeposition, das System durch eine elektromagnetische Abstands- und Winkelmessung mittels Triangulation eine Ortsposition ermittelt, welche eine zeitabhängige, räumliche Position der Sekundärspule in Bezug auf die Primärspule beschreibt, und anhand der Ortsposition und der Ladeposition das System zumindest eine teilweise Fahrtrajektorie ermittelt, entlang welcher die Ortsposition der Ladeposition näherbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Positionierung durch Triangulation
Die Erfindung betrifft ein System, umfassend ein Fahrzeug und eine Induktionsladeeinheit, wobei die Induktionsladeeinheit eine Primärspule aufweist und das Fahrzeug eine
Sekundärspule aufweist und bei einem Ladevorgang und in einer Ladeposition elektrische Leistung von der Primärspule zur Sekundärspule induktiv übertragbar ist, wobei in der
Ladeposition die Sekundärspule in einem bevorzugten räumlichen Positionsbereich in Bezug auf die Primärspule befindlich ist. Fahrzeuge mit einem elektrifizierten Antriebsstrang verfügen meist über eine Ladeschnittstelle zu einer externen Ladequelle. Die Übertragung von elektrischer Leistung, um beispielsweise einen elektrochemischen Energiespeicher des Fahrzeugs zu laden, erfolgt üblicherweise kabelgebunden oder induktiv. Bei kabelgebundenen Ladeverfahren muss das Fahrzeug über ein Ladekabel mit der externen Ladequelle wie etwa einer Ladestation verbunden werden, um einen Ladevorgang
durchzuführen. Bei induktiven Ladeverfahren erfolgt der Leistungstransfer durch ein
elektromagnetisches Erregerfeld einer fahrzeugexternen Primärspule zu einer fahrzeugseitigen Sekundärspule über elektromagnetische Induktion an der Sekundärspule. Die
Übertragungseffizienz der elektrischen Leistung ist dabei von der relativen räumlichen Position der Sekundärspule zur Primärspule abhängig. In einem bevorzugten Positionsbereich der Sekundärspule relativ zur Primärspule ist der Anteil der Erregerleistung, der als Leistungsverlust beim Laden auftritt, näherungsweise minimal. Die Aufgabe, die Sekundärspule in die Ladeposition zu bringen, ist Gegenstand des Stands der Technik. Beispielsweise beschreibt die Schrift WO 2011/006884 A2 für ein Fahrzeug mit einer Primärspule eine elektronische Positionierhilfe, die Reflexionseigenschaften eines am Boden befindlichen Gehäuses der Primärspule nutzt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System zu beschreiben, das ein Fahrzeug und eine Induktionsladeeinheit umfasst, wobei die Induktionsladeeinheit eine Primärspule aufweist und das Fahrzeug eine Sekundärspule aufweist und bei einem
Ladevorgang in einer Ladeposition elektrische Leistung von der Primärspule zur Sekundärspule induktiv übertragbar ist, wobei in der Ladeposition die Sekundärspule in einem bevorzugten räumlichen Positionsbereich in Bezug auf die Primärspule befindlich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ermittelt das System zur Einstellung der Ladeposition durch eine
elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung mittels Triangulation eine Ortsposition, welche eine zeitabhängige, räumliche Position der Sekundärspule in Bezug auf die Primärspule beschreibt, und es ermittelt das System anhand der Ortsposition und der Ladeposition zumindest eine teilweise Fahrtrajektorie, entlang welcher die Ortsposition der Ladeposition annäherbar ist.
In der Ladeposition ist die Sekundärspule in Bezug auf die Primärspule in einer dahingehend bevorzugten räumlichen Position befindlich, dass in dieser Position die Effizienz der zwischen den beiden Spulen übertragenen elektrischen Leistung näherungsweise maximal ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente
Empfangsantennen und die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente
Sendeantennen auf.
Nach einer alternativen Ausführungsform weist zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne und die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen auf.
Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform weist zur elektromagnetischen Abstandsund Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen und die Induktionsladeeinheit mindestens eine niederfrequente Sendeantenne auf. Dies bedeutet, dass fahrzeugseitig mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne und fahrzeugextern im Bereich der Ladeeinheit mindestens eine niederfrequente Sendeantenne befindlich ist, wobei die Gesamtzahl von niederfrequenten Antennen des Systems zur
Abstands- und Winkelmessung mindestens drei beträgt. Weiterhin weist das Fahrzeug ein Ladesteuergerät auf, wobei das Ladesteuergerät eine erste Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst und das Ladesteuergerät der mindestens einen Empfangsantenne des Fahrzeugs als Messeinheit für die elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung zugeordnet ist und Induktionssignale der mindestens einen Empfangsantenne misst.
Ferner weist die Induktionsladeeinheit ein Induktionssteuergerät auf, wobei das
Induktionssteuergerät eine zweite Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst und das Induktionssteuergerät die mindestens eine Sendeantenne treibt. Das bedeutet, dass die mindestens eine Sendeantenne von dem Induktionssteuergerät betrieben wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist zur elektromagnetischen Abstandsund Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen auf und die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen auf. Alternativ zu dieser Ausführungsform weist zur elektromagnetischen Abstands- und
Winkelmessung das Fahrzeug mindestens eine niederfrequente Sendeantenne und die
Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen auf.
Nach einer weiteren Alternative der Erfindung weist zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen und die Induktionsladeeinheit mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne auf.
Dies bedeutet, dass nach dieser Ausführungsform fahrzeugseitig mindestens eine
niederfrequente Sendeantenne und fahrzeugextern im Bereich der Ladeeinheit mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne befindlich ist, wobei die Gesamtzahl von niederfrequenten Antennen mindestens drei beträgt.
Weiterhin weist das Fahrzeug ein Ladesteuergerät auf, wobei das Ladesteuergerät die mindestens eine Sendeantenne treibt und das Ladesteuergerät eine erste
Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst. Ferner weist die Induktionsladeeinheit ein Induktionssteuergerät auf, wobei das
Induktionssteuergerät eine zweite Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst und das Induktionssteuergerät der mindestens einen Empfangsantenne als Messeinheit der
elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung zugeordnet ist und Induktionssignale der mindestens einen Empfangsantenne misst.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung sind die gemessenen
Induktionssignale zwischen dem Induktionssteuergerät und dem Ladesteuergerät übermittelbar und das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät ermittelt als Recheneinheit mittels der gemessenen, ausgegebenen und an die Recheneinheit übermittelten Induktionssignale die Ortsposition durch Triangulation.
Die gemessenen Induktionssignale dienen also als Eingangsgröße für die Berechnung der Ortsposition mittels Triangulation.
Weiterhin ermittelt anhand der berechneten Ortsposition das Ladesteuergerät oder das
Induktionssteuergerät oder ein weiteres Steuergerät des Fahrzeugs eine Fahrtrajektorie und das Fahrzeug führt selbsttätig ein der Fahrtrajektorie entsprechendes Fahrmanöver durch oder es teilt das Fahrzeug einem Fahrer des Fahrzeugs über eine geeignete Mensch-Maschine- Schnittstelle ein der Fahrtrajektorie entsprechendes Fahrmanöver mit.
Die Herstellung der Ladeposition erfolgt in der Art und Weise, dass zunächst eine der beiden Hochfrequenzkommunikationseinheiten ein codiertes Suchsignal an die andere der beiden Hochfrequenzkommunikationseinheit versendet und die andere
Hochfrequenzkommunikationseinheit das Suchsignal empfängt und ein codiertes
Bestätigungssignal an die Hochfrequenzkommunikationseinheit zurückschickt. Der Empfang des Bestätigungssignals triggert eine Initialisierungsroutine zwischen der mindestens einem Sendeantenne und der mindestens einen Empfangsantenne, die vom Ladesteuergerät und vom Induktionssteuergerät durchgeführt wird. Nach der Initialisierungsroutine emittiert die
mindestens eine Sendeantenne ein codiertes elektromagnetisches Positionierungssignal, wobei in Bezug auf die räumliche Ausdehnung der Sendeantenne der magnetische Anteil des
Positionierungssignals eine definierte Feldorientierung und eine definierte Feldstärke aufweist. Mindestens eine Empfangsantenne empfängt das mindestens eine Positionierungssignal der mindestens einen Empfangsantenne und das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät misst für das mindestens eine Positionierungssignal einen Magnetfeldvektor, der durch die Codierung des Positionssignals eindeutig der mindestens einen Sendeantenne zugeordnet ist. Der gemessene Magnetfeldvektor wird vom Induktionssteuergerät an das Ladesteuergerät oder vom Ladesteuergerät an das Induktionssteuergerät übermittelt. Nach der Methode der
Triangulation berechnet das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät die örtliche Lage der mindestens einen Sendeantenne in Bezug auf die mindestens eine Empfangsantenne. Die berechnete Ortsposition dient als Eingangsgröße für die Ermittlung der Fahrtrajektorie durch das Ladesteuergerät, durch das Induktionssteuergerät oder durch ein weiteres Steuergerät des Fahrzeugs, entlang welcher die Ortsposition der Ladeposition annäherbar ist.
Die Schritte dieses Verfahrens, die der Ermittlung der Ortsposition dienen, werden bei einem Fahrmanöver des Fahrzeugs in Echtzeit wiederholt, um die Berechnung der Ortsposition und der Fahrtrajektorie zu aktualisieren. Bei Erreichen der Ladeposition beschreibt die aktualisierte Fahrtrajektorie ein Anhaltemanöver. Bei einem Anhaltemanöver kommt das Fahrzeug zum Stillstand.
Somit wird ein iteratives Verfahren beschrieben, durch welches die Ladeposition einnehmbar ist, indem wechselweise und in Echtzeit auf die Berechnung der Fahrtrajektorie ein
Fahrmanöver folgt und umgekehrt, so dass bei mehreren Fahrmanövern gemäß der aktualisiert berechneten Fahrtrajektorie die Ladeposition erreichbar ist.
Zur Durchführung eines Fahrmanövers wird der Fahrer über eine Mensch-Maschine- Schnittstelle durch ausgegebene Anweisungen unterstützt (z.B.„links lenken") oder die
Trajektorie dient als Eingangsgrösse für ein Fahrerassistenzsystem, das das Fahrzeug automatisch in die Ladeposition bewegt.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
In einer Vielzahl von Anwendungen muss der Abstand eines Objekts (z.B. ein Fahrzeug) in Bezug zu einem anderen Objekt (z.B. zu einem Fahrzeugschlüssel) bestimmt werden. Hier bietet die Funktechnik im Hochfrequenz- und Niederfrequenzband mit der Vermessung von Feldstärken und Laufzeiten von elektromagnetischen Wechselfeldern Möglichkeiten zur drahtlosen Abstandsbestimmung. Ein Beispiel sind moderne Schließsysteme von Fahrzeugen wie schlüsselloser Zugang, bei welchen das Fahrzeug als Sender und der Fahrzeugschlüssel als Empfänger fungiert.
Nachteilig ist daran, dass für weiterführende Anwendungen eine bloße Abstandsbestimmung zwischen dem Fahrzeug und einem fahrzeugexternen Objekt nicht ausreichend ist. Eine weiterführende Anwendung ist insbesondere die genaue Positionierung eines Fahrzeugs mit elektrifiziertem Antriebsstrang und induktivem Ladesystem in einem Positionsbereich, der ein räumliches Ausmaß in jede Raumrichtung näherungsweise von weniger als 10 Zentimeter erfordert.
Ein Fahrzeug mit einem induktiven Ladesystem verfügt über eine fahrzeugseitige Ladespule, die auch Sekundärspule genannt wird und die die Funktion einer Empfängerspule übernimmt. Die Primärspule fungiert als Senderspule und ist Teil einer fahrzeugexternen Ladeinfrastruktur. Die beiden Spulen werden als Ladespulen bezeichnet. Zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs sind die beiden Spulen räumlich zueinander in eine genaue Bezugsposition zu bringen, um einen möglichst effizienten Energieübertrag beim Laden zu gewährleisten. Diese Position wird Ladeposition genannt und erfordert wie beschrieben eine räumliche Toleranz von maximal 10 Zentimetern.
Zur räumlichen Positionierung der Ladespulen relativ zueinander, d.h. zur Positionierung des Fahrzeugs in Bezug zur fahrzeugexternen Ladeinfrastruktur, wird vorgeschlagen, entweder mindestens zwei eindeutig identifizierbare elektromagnetische Signale zu nutzen, um an einem Empfänger mehrere Signale und somit Wegstrecken von mindestens 2 unterschiedlichen Senderpositionen zu bestimmen oder an mindestens zwei Empfängern ein Signal eines Senders und somit zwei Wegstrecken in Bezug auf Senderposition für eine Abstands- und Winkelmessung zu nutzen. Somit kann durch Triangulation eindeutig auf die Position des Empfängers oder der Empfänger in Bezug auf den Sender oder die Sender geschlossen werden. Über das gleiche Funksystem können außerdem auf der gleichen Frequenz oder auf einer anderen Frequenz Kommunikationssignale, die etwa Positionsdaten beschreiben, zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden. Dadurch ist eine eindeutige Positionsbestimmung und Positionsführung des Fahrzeugs bezüglich der Ladeinfrastruktur innerhalb der erforderlichen Toleranz für eine optimale
Energieübertragungseffizienz beim induktiven Laden ermöglicht. Die Positionsführung kann automatisiert durch das Fahrzeug selbst oder durch Fahranweisungen an den Fahrer des Fahrzeugs erfolgen.
205
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
210 Fig. 1 Positionierung durch Triangulation mit zwei Sendern an einer Ladeeinheit und zwei Empfängern an einem Fahrzeug
Fig. 2 Positionierung durch Triangulation mit 2 Sendern an einem Fahrzeug und 2 Empfängern an einer Ladeeinheit
Fig. 3 Hergestellte Ladeposition durch Positionierung nach Fig. 1 oder Fig. 2
215
In den Figuren beschreiben gleiche Bezugszeichen gleiche technische Merkmale. Ein Fahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebsstrang kann an einer Induktivladestation kabellos geladen werden. In den Ausführungsbeispielen ist ein Fahrzeug (1) mit einem elektrifizierten
Antriebsstrang schematisch dargestellt. Dabei kann es ich um ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug 220 handeln, möglicherweise auch um ein Plug-In-Hybridfahrzeug, sofern dieses neben einer
Schnittstelle zum kabelgebundenen Laden auch über eine Ladeschnittstelle für induktives Laden verfügt. Das Fahrzeug umfasst eine fahrzeugseitige Ladearchitektur für kabelloses, induktives Laden, wobei die Ladearchitektur als zentrale fahrzeugseitige Komponente eine Sekundärspule (2) aufweist. Außerdem weist das Fahrzeug ein Ladesteuergerät auf.
^25
Außerhalb des Fahrzeugs befindet sich eine Ladeeinheit (3) für induktives Laden eines
Fahrzeugs mit elektrifiziertem Antriebsstrang. Hauptkomponente der Ladeeinheit ist eine Primärspule (4). Die Ladeeinheit kann zum Laden einer Vielzahl von Fahrzeugen geeignet sein, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein einziges Fahrzeug an der Primärspule ladbar ist. 230 Die Primärspule ist mechanisch fest in der Ladeeinheit integriert. Die Ladestation ist stationär im oder am Untergrund befindlich. Außerdem weist die Ladeeinheit ein Induktionssteuergerät auf.
Als Ladevorgang wird jener Zeitraum zwischen einem Initialisierungsvorgang der
Ladeverbindung und einem Beendigungsvorgang der Ladeverbindung bezeichnet. Der
235 Ladevorgang umfasst insbesondere jene Zeitpunkte, zu denen elektrische Leistung von der Primärspule auf die Sekundärspule übertragen wird oder zumindest übertragbar ist. Für einen Ladevorgang ist vorausgesetzt, dass die Sekundärspule in einer Ladeposition befindlich ist, d.h. in einem bestimmten räumlichen Bereich relativ zur Primärspule. Dieser räumliche Bereich ist derart charakterisiert, dass ein vorgegebener geometrischer Bezugspunkt der Sekundärspule, welcher von der Konfiguration der Sekundärspule abhängig ist, von einem vorgegebenen geometrischen Bezugspunkt der Primärspule, welcher von der Konfiguration der Primärspule abhängig ist, bezüglich der drei Raumrichtungen, die das dem Fachmann bekannten fahrzeugbezogene Koordinatensystem bildet, nur bis zu einem vorgegebenen Toleranzmaß für jede der drei Raumrichtungen abweicht.
Befindet sich der Bezugspunkt der Sekundärspule räumlich relativ zum Bezugspunkt der Primärspule so, dass der auf jede der drei Raumrichtungen bezogene Abstand zwischen diesen beiden Bezugspunkten das für die jeweilige Achse vorgegebene Toleranzmaß nicht übersteigt, befindet sich die Sekundärspule in der Ladeposition. Aufgrund der Tatsache, dass die
Sekundärspule mechanisch fest an dem Fahrzeug befindlich ist bzw. in das Fahrzeug integriert ist, befindet sich, sofern die Sekundärspule in der Ladeposition befindlich ist, auch das
Fahrzeug in einer Fahrzeugladeposition. Da im Rahmen dieses Dokuments die
Fahrzeugladeposition in Bezug auf deren technischen Effekt gleichbedeutend mit der
Ladeposition ist, wird der Begriff der Fahrzeugladeposition vereinfachend ebenfalls unter dem Begriff Ladeposition verstanden.
Um einen Ladevorgang zu initialisieren, ist es also notwendig, das Fahrzeug in die Ladeposition zu bringen. In den beschriebenen Ausführungsformen erfolgt dies durch eine Bewegung des Fahrzeugs. Dabei ist es essentiell, die Position des Fahrzeugs und damit die Position der Sekundärspule relativ zur Ladeeinheit und damit zur Primärspule zu bestimmen. In den
Ausführungsbeispielen erfolgt dies durch Abstands- und Winkelmessung mit der Methode der Triangulation. Die Messung beruht dabei auf der Erfassung des Magnetfeldvektors eines definierten, mit einer Antenne erzeugten elektromagnetischen Feldes. Sofern die Antenne als eindimensionale Antenne ausgestaltet ist, wird der empfangene Magnetfeldvektor am Ort des Empfängers als eindimensionaler Vektor, d.h. als Skalar, erfasst.
Ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel werden anhand der Fig. 1 , 2 und 3 beschrieben. Dabei werden zwei Sendeantennen und zwei Empfangsantennen eingesetzt. Die beiden Sendeantennen werden durch ein erstes Steuergerät und die beiden Empfangsantennen durch ein zweites Steuergerät betrieben. Nach der ersten Ausführungsform in Fig. 1 können die beiden Sendeantennen und das erste Steuergerät von der Ladeeinheit sowie die beiden Empfangsantennen und das zweite Steuergerät vom Fahrzeug umfasst sein. Demnach ist das erste Steuergerät in der ersten Ausführungsform das Induktionssteuergerät und das zweite 275 Steuergerät ist das Ladesteuergerät.
Alternativ können nach der zweiten Ausführungsform in Fig. 2 die beiden Sendeantennen (5',6') und das erste Steuergerät (21 ') vom Fahrzeug sowie die beiden Empfangsantennen (7',8') und das zweite Steuergerät (22') von der Ladeeinheit umfasst sein. In dieser Ausführungsform ist 280 das erste Steuergerät das Ladesteuergerät und das zweite Steuergerät das
Induktionssteuergerät.
Bevorzugt sind gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel die Sendeantennen, auch Sender genannt, Niederfrequenzantennen und die Empfangsantennen, auch Empfänger 285 genannt, Niederfrequenzempfänger. Die Sender und die Empfänger arbeiten in einem
Frequenzbereich von unter 150 kHz, wobei ein bevorzugtes Frequenzband ohne Beschränkung der Allgemeinheit etwa bei 125 kHz liegt.
Die erste Ausführungsform beschreibt anhand der Fig. 1 die Ortsbestimmung des Fahrzeugs, 290 wobei die beiden Sendeantennen und das erste Steuergerät in der Ladeeinheit und die beiden Empfänger und das zweite Steuergerät in das Fahrzeug integriert sind. Die Antenne (7) ist die erste Sendeantenne, die Antenne (8) ist die zweite Sendeantenne. Der Empfänger (5) ist der erste Empfänger, der Empfänger (6) ist der zweite Empfänger. Das erste Steuergerät (22) ist von der Ladeeinheit umfasst und bildet das Induktionssteuergerät. Das zweite Steuergerät (21) 295 ist vom Fahrzeug umfasst und bildet das Ladesteuergerät.
Die zweite Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform, wobei die beiden Sender und das erste Steuergerät im Fahrzeug und die beiden Empfänger und das zweite Steuergerät in der Ladeeinheit integriert sind. Dabei sind Sender und Empfänger aus dem ersten
300 Ausführungsbeispiel vertauscht. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass nach Fig. 2 die
Antenne (5') den ersten Sender und die Antenne (6') den zweiten Sender bildet. Der Empfänger (7') ist der erste Empfänger, der Empfänger (8') ist der zweite Empfänger. Analog ist das erste Steuergerät (21 '), welches die beiden Sender betreibt, im zweiten Ausführungsbeispiel das vom Fahrzeug umfasste Ladesteuergerät. Das zweite Steuergerät (22'), das die beiden Empfänger betreibt, ist das von der Ladeeinheit umfasste Induktionssteuergerät.
Im Folgenden werden das erste und das zweite Ausführungsbeispiel gleichermaßen
beschrieben. Nach diesen Ausführungsformen umfasst das Ladesteuergerät eine erste
Kommunikationseinheit und das Induktionssteuergerät umfasst eine zweite
Kommunikationseinheit. Beide Kommunikationseinheiten können im Hochfrequenzbereich in einem bevorzugten Frequenzband des verbreiteten Schmalbandfunks bei 433 MHz oder 868 MHz Informationssignale austauschen. Es können alternativ auch hochfrequentere Bänder im GHz-Bereich genutzt werden, z.B. nach WLAN- oder Bluetooth-Standards. Diese
Informationssignale sind insbesondere codiert, so dass ein von einer Kommunikationseinheit gesendetes Signal derselben eindeutig zuordenbar ist. Beide Kommunikationseinheiten können Informationssignale versenden und empfangen.
Um nach der ersten Ausführungsform oder nach der zweiten Ausführungsform die Ladeposition herzustellen, ist zunächst eine Basiskommunikation zwischen den beiden
Kommunikationseinheiten und damit zwischen dem Fahrzeug und der Ladeeinheit herzustellen. Hierzu versendet zumindest eine Kommunikationseinheit in regelmäßigen Zeitabständen von weniger als 10 Sekunden ein codiertes, hochfrequentes Suchsignal mit einer Suchreichweite von bis zu 100 Metern in Bezug auf die Sensitivitätsschwelle der empfangenden
Kommunikationseinheit. Der Zeitabstand des Versands des Suchsignals ist alternativ mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs umgekehrt proportional verknüpft. Sobald die empfangende Kommunikationseinheit das Suchsignal empfängt, versendet die das Suchsignal empfangende Kommunikationseinheit ein codiertes Bestätigungssignal mit einer Reichweite, die der
Suchreichweite entspricht, an die das Suchsignal versendende Kommunikationseinheit. Sofern das Bestätigungssignal von der das Suchsignal versendenden Kommunikationseinheit empfangen wird, ist die Basiskommunikation zwischen den Kommunikationseinheiten hergestellt und es befindet sich das Fahrzeug in Bezug auf die Ladeeinheit zumindest innerhalb eines Abstandes, der nicht größer ist als die Suchreichweite. Die Kommunikationseinheit der Ladestation versendet keine Signale, sofern die Ladestation für einen Ladevorgang nicht zur Verfügung steht, z.B. durch Nutzung durch ein anderes Fahrzeug. Damit befindet sich das Fahrzeug zunächst in einer sogenannten Grobposition bezüglich einer zum Laden tatsächlich nutzbaren Ladeeinheit. In der Grobposition besteht die Basiskommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeug und der Ladeeinheit durch die beiden Kommunikationseinheiten. Durch die Codierung von
Suchsignal und Bestätigungssignal ist gewährleistbar, dass die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladeeinheit eindeutig ist und sowohl Fahrzeug als auch Ladeeinheit jeweils wechselseitig eindeutig identifizierbar sind. Dies bedeutet, dass, falls zum Beispiel mehrere gleichartige Ladeeinheiten für mehrere Fahrzeuge mit gleichartiger Ladearchitektur vorhanden sind, eine Kommunikation zwischen einem bestimmten Fahrzeug dieser mehreren Fahrzeuge und einer bestimmten Ladeeinheit dieser mehreren Ladeeinheiten besteht und dieses bestimmte Fahrzeug in Bezug auf die bestimmte Ladeeinheit in der Grobposition befindlich ist.
Bei hergestellter Basiskommunikation in der Grobposition sind weitere Informationen zwischen den beiden Kommunikationseinheiten austauschbar. Insbesondere ist die Positionierung des Fahrzeugs durch Triangulation initialisierbar. Zur Initialsierung kann das Ladesteuergerät über eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) eine Anfrage an den Fahrer des
Fahrzeugs richten, ob die Herstellung der Ladeposition in Bezug auf die Ladeeinheit, mit welcher die Basiskommunikation besteht, erfolgen soll. Falls dies der Fahrer des Fahrzeugs in geeigneter Weise, die nicht Gegenstand dieses Dokuments ist, bestätigt, wird die
Positionierung des Fahrzeugs durch Triangulation initialisiert.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel bedeutet die Initialisierung die Ansteuerung der Sender durch das Induktionssteuergerät und Ansteuerung der Empfänger durch das Ladesteuergerät sowie einen Verbindungsaufbau der Sender mit den Empfängern in dem
Niederfrequenzbereich. Dabei ist das von den Sendern emittierte Signal codiert, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Sendern und Empfängern, d.h. zwischen Fahrzeug und Ladeeinheit, zu gewährleisten. Dies kann beispielsweise mit einer 8-bit-Codierung ermöglicht werden. Dementsprechend bedeutet nach dem zweiten Ausführungsbeispiel die Initialisierung die
Ansteuerung der Sender durch das Ladesteuergerät und die Ansteuerung der Empfänger durch das Induktionssteuergerät.
Es kann auch sein, dass die Initialisierung auf einer vereinfachten gegenseitigen Erkennung von Fahrzeug und Ladeeinheit beruht, wenn ein bestimmtes Fahrzeug und eine bestimmte Ladeeinheit fest miteinander gekoppelt sind, was dem Fachmann als Pairing bekannt ist. Nach der Initialisierung erfolgt die eigentliche Ortsbestimmung durch Triangulation. Dazu versenden die Sender jeweils ein elektromagnetisches Signal definierter Feldstärke, das Positionierungssignal genannt wird. Die Reichweite des Positionierungssignals übersteigt die Suchreichweite Das Positionierungssignal des ersten Senders (7) wird als erstes
Positionierungssignal bezeichnet. Das Positionierungssignal des zweiten Senders (8) wird als zweites Positionierungssignal bezeichnet. Durch die Verbaulage der Sender in der Induktionsladeeinheit schwingt der Magnetfeldvektor der Positionierungssignale jeweils entlang einer bestimmten räumlichen Vorzugsachse und das Magnetfeld weist eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung auf. Nach diesem Ausführungsbeispiel liegt ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Vorzugsachse in erster Näherung senkrecht zur x-y-Ebene des dem Fachmann bekannten fahrzeugbezogenen Koordinatensystems des in der Grobposition befindlichen Fahrzeugs und die Ausbreitungsrichtung in der x-y-Ebene des in der Grobposition befindlichen Fahrzeugs.
Die Empfänger im Fahrzeug weisen eine derartige Verbaulage auf, dass die Empfänger entlang der Achse, die der x-Achse des fahrzeugbezogenen Koordinatensystems des in der
Grobposition befindlichen Fahrzeugs entspricht, die höchste Empfangssensitivität auf ein Magnetfeld und somit die höchste Messgenauigkeit aufweisen.
Alternativ können auch dreidimensionale Sender und Empfänger eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass die Sender eine dreidimensionale Abstrahlcharakteristik aufweisen und die Empfänger eine dreidimensionale Empfangscharakteristik aufweisen. Die nachfolgende eindimensionale Betrachtung ist in analoger Weise auf die weiteren Dimensionen bei einer dreidimensionalen Abstrahlcharakteristik und eine dreidimensionale Empfangscharakteristik anwendbar. Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von eindimensionalen Sendern und eindimensionalen Empfängern ausgegangen. Die Feldstärke des ersten Positionierungssignals und damit der Betrag eines ersten Magnetfeldvektors ist eindeutig festgelegt durch einen ersten Senderstrom \<i , durch eine erste Wicklungszahl Ni sowie durch den Radius η des ersten Senders. Die Feldstärke des zweiten Positionierungssignals und damit der Betrag eines zweiten Magnetfeldvektors H2 ist eindeutig festgelegt durch einen zweiten Senderstrom l2, durch eine erste Wicklungszahl N2 sowie durch den Radius r2 des zweiten Senders.
Die beiden Empfänger sind mit einem Abstand L im Fahrzeug verbaut, der senkrecht auf der Fahrzeuglängsachse (10) und entlang einer Parallelen (9) der Fahrzeugquerachse orientiert ist.
Der erste Empfänger detektiert den ersten Magnetfeldvektor i an der Stelle des ersten
Empfängers. Das Ladesteuergerät wertet den Empfänger aus und ermittelt ein Messsignal H1 x1, das die Feldstärke des ersten Magnetfeldes an der Stelle des ersten Empfängers in Bezug auf die x-Richtung im Fahrzeugkoordinatensystem wiedergibt.
Der zweite Empfänger detektiert den ersten Magnetfeldvektor H- an der Stelle des zweiten Empfängers. Das Ladesteuergerät wertet den zweiten Empfänger aus und ermittelt ein
Messsignal H x2, das die Feldstärke des ersten Magnetfeldes an der Stelle des zweiten
Empfängers in Bezug auf die x-Richtung im Fahrzeugkoordinatensystem wiedergibt.
Der erste Empfänger detektiert den zweiten Magnetfeldvektor H2 an der Stelle des ersten Empfängers. Das Ladesteuergerät wertet den Empfänger aus und ermittelt ein Messsignal H2,xi, das die Feldstärke des zweiten Magnetfeldes an der Stelle des ersten Empfängers in Bezug auf die x-Richtung im Fahrzeugkoordinatensystem wiedergibt.
Der zweite Empfänger detektiert den zweiten Magnetfeldvektor H2 an der Stelle des zweiten Empfängers. Das Ladesteuergerät wertet den zweiten Empfänger aus und ermittelt ein
Messsignal H2 x2, das die Feldstärke des zweiten Magnetfeldes an der Stelle des zweiten Empfängers in Bezug auf die x-Richtung im Fahrzeugkoordinatensystem wiedergibt.
Die zeitabhängigen Messsignale werden zu einem bestimmten Zeitpunkt t! erfasst als H^^), Hi,x2(ti), H2 xi(t1) und H2, 2 (ti) und vom Ladesteuergerät verarbeitet oder an das
Induktionssteuergerät übermittelt und vom Induktionssteuergerät verarbeitet. Bei dieser Signalverarbeitung wird durch Triangulation die Position des Fahrzeugs zu dem Zeitpunkt ti ermittelt. Die Strecke d-,, die den Abstand zwischen dem ersten Sender und dem ersten Empfänger beschreibt, ergibt sich als:
Figure imgf000016_0001
Die Strecke e2, die den Abstand zwischen dem ersten Sender und dem zweiten Empfänger beschreibt, ergibt sich als: e, (i, ) - r, +
N 2
Der Winkel OH zwischen der Strecke dt und der Strecke L ergibt sich
e2 {tx )2 - d^ )2 - L2
or, (t, ) - arccos
■2dx (tx )L Durch die Bestimmung von di, e2 und a-, zum Zeitpunkt t-, ist die Ortsposition des Fahrzeug relativ zur Ladeeinheit eindeutig bestimmt.
Durch Triangulation sind weitere Größen ermittelbar. Die Strecke d2 , die den Abstand zwischen dem zweiten Sender und dem ersten Empfänger beschreibt, ergibt sich als:
Figure imgf000016_0002
Die Strecke e t die den Abstand zwischen dem zweiten Sender und dem ersten Empfänger beschreibt, ergibt sich als:
Figure imgf000016_0003
Der Winkel a2 zwischen der Strecke d2 und der Strecke L ergibt sich zu: a2 (tl) = arccos
- 2d2 (tl )L
Die Signalverarbeitung umfasst weiterhin die Berechnung einer Fahrtrajektorie des Fahrzeugs, entlang derselben ausgehend von der Ortsposition des Fahrzeugs zum Zeitpunkt ti das Fahrzeug in die Ladeposition bewegbar ist. Die Berechnung der Fahrtrajektorie wird hier nicht detailliert beschrieben.
Ausgehend vom Zeitpunkt wird mit einer Wiederholrate von mindestens 10 Hz die Position des Fahrzeugs zu späteren Zeitpunkten tn ermittelt und die Fahrtrajektorie ausgehend von der Ortsposition des Fahrzeugs zum Zeitpunkt tn aktualisiert.
Fig. 3 zeigt die Ladeposition für die erste Ausführungsform und für die zweite Ausführungsform. In der Ladeposition ist durch die beschriebene Anordnung der Sender bzw. der Empfänger in der Ladeeinheit und die Anordnung der Empfänger bzw. Sender im Fahrzeug die Ladeposition dann hergestellt, wenn die Strecke d! zwischen dem ersten Sender und dem ersten Empfänger den gleichen Abstand beschreibt wie die Strecke d2 zwischen dem zweiten Sender und dem zweiten Empfänger. Dieser gleiche Abstand entspricht einem vorgegebenen Sollabstand d, der die Einstellung der Ladeposition beschreibt. Ferner entsprechen die beiden Winkel a-\ und a2 einem vorgegebenen Sollwinkel a, der ebenfalls die Einstellung der Ladeposition beschreibt. Durch die achsensymmetrische Anordnung der Sender und der Empfänger bei hergestellter Ladeposition bezüglich der Fahrzeuglängsachse ist die Ladeposition beschrieben durch d=d1=d2 bzw. α = o = a2. Bei einer andersartigen geometrischen Anordnung der Sender und Empfänger ergeben sich in entsprechender Weise andere Sollwinkel für c^ und a2 sowie andere Sollabstände für di und d2. Die erste Ausführungsform weist gegenüber der zweiten Ausführungsform den besonderen Vorteil auf, dass die Sendeantennen in der Ladeeinheit und die Empfänger im Fahrzeug befindlich sind. Aufgrund des höheren Bauraumbedarfs eines niederfrequenten Senders im Vergleich zu einem niederfrequenten Empfänger ist es vorteilhaft, die niederfrequenten Sender in der Ladeeinheit zu integrieren, um im Fahrzeug bei üblicherweise begrenztem
Bauraumangebot eine kostengünstigere und platzsparende Integration der Empfänger vorzunehmen.

Claims

Patentansprüche
1. System, umfassend ein Fahrzeug (1) und eine Induktionsladeeinheit (3), wobei die
Induktionsladeeinheit eine Primärspule (4) umfasst und das Fahrzeug eine Sekundärspule (2) umfasst und bei einem Ladevorgang in einer Ladeposition elektrische Leistung von der Primärspule zur Sekundärspule induktiv übertragbar ist, wobei in der Ladeposition die Sekundärspule in einem bevorzugten räumlichen Positionsbereich in Bezug auf die Primärspule befindlich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Ladeposition,
- das System durch eine elektromagnetische Abstands- und Winkelmessung mittels
Triangulation eine Ortsposition ermittelt, welche eine zeitabhängige, räumliche Position der Sekundärspule in Bezug auf die Primärspule beschreibt, und
anhand der Ortsposition und der Ladeposition das System zumindest eine teilweise Fahrtrajektorie ermittelt, entlang welcher die Ortsposition der Ladeposition näherbar ist.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen aufweist, und die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen aufweist.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne aufweist, und die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen aufweist.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen aufweist, und die Induktionsladeeinheit mindestens eine niederfrequente Sendeantenne aufweist.
540 System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung
- das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen aufweist, und
- die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen aufweist.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung
- das Fahrzeug mindestens eine niederfrequente Sendeantenne aufweist, und
- die Induktionsladeeinheit mindestens zwei niederfrequente Empfangsantennen aufweist.
System nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Abstands- und Winkelmessung
- das Fahrzeug mindestens zwei niederfrequente Sendeantennen aufweist, und
- die Induktionsladeeinheit mindestens eine niederfrequente Empfangsantenne aufweist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fahrzeug ein Ladesteuergerät aufweist,
- das Ladesteuergerät eine erste Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst, und
- das Ladesteuergerät der mindestens einen Empfangsantenne als Messeinheit für die elektromagnetische Abstands- und Winkelmessung zugeordnet ist und Induktionssignale der mindestens einen Empfangsantenne misst.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Induktionsladeeinheit ein Induktionssteuergerät aufweist,
- das Induktionssteuergerät eine zweite Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst, und
- das Induktionssteuergerät die mindestens eine Sendeantenne treibt. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug ein Ladesteuergerät aufweist,
das Ladesteuergerät die mindestens eine Sendeantenne treibt, und
das Ladesteuergerät eine erste Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Induktionsladeeinheit ein Induktionssteuergerät aufweist,
das Induktionssteuergerät eine zweite Hochfrequenzkommunikationseinheit umfasst, und
das Induktionssteuergerät der mindestens einen Empfangsantenne als Messeinheit für die elektromagnetische Abstands- und Winkelmessung zugeordnet ist und
Induktionssignale der mindestens einen Empfangsantenne misst.
System nach Anspruch 8 oder 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das die Induktionssignale zwischen dem Induktionssteuergerät und dem
Ladesteuergerät übermittelbar sind, und
das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät als Recheneinheit mittels der Induktionssignale die Ortsposition durch Triangulation ermittelt.
System nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand der Ortsposition das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät oder ein weiteres Steuergerät des Fahrzeugs die Fahrtrajektorie ermittelt, und
das Fahrzeug ein der Fahrtrajektorie entsprechendes Fahrmanöver selbsttätig durchführt oder das Fahrzeug einem Fahrer des Fahrzeugs über eine geeignete
Mensch-Maschine-Schnittstelle ein der Fahrtrajektorie entsprechendes Fahrmanöver mitteilt. Verfahren für ein System nach Anspruch 12 mit den Schritten, a) eine der beiden Hochfrequenzkommunikationseinheiten versendet ein codiertes Suchsignal an die andere Hochfrequenzkommunikationseinheit,
b) die andere Hochfrequenzkommunikationseinheit empfängt das Suchsignal und versendet ein codiertes Bestätigungssignal an das Ladesteuergerät,
c) das Ladesteuergerät und das Induktionssteuergerät führen eine Initialisierungsroutine zwischen der mindestens einem Sendeantenne und der mindestens einen
Empfangsantenne durch,
d) die mindestens eine Sendeantenne emittiert ein codiertes elektromagnetisches Positionierungssignal, wobei in Bezug auf das Fahrzeugkoordinatensystem der magnetische Anteil des Positionierungssignals eine vorgegebene Feldorientierung und eine vorgegebene Feldstärke aufweist,
e) die mindestens eine Empfangsantenne empfängt das mindestens eine
Positionierungssignal der mindestens einen Empfangsantenne und das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät misst für das mindestens eine Positionierungssignal einen Magnetfeldvektor, der durch die Codierung des Positionssignals eindeutig der mindestens einen Sendeantennen zugeordnet ist,
f) das Induktionssteuergerät übermittelt den Magnetfeldvektor an das Ladesteuergerät oder das Ladesteuergerät übermittelt den Magnetfeldvektor an das
Induktionssteuergerät,
g) das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät berechnet nach der Methode der Triangulation die örtliche Lage der mindestens einen Sendeantenne in Bezug auf die mindestens eine Empfangsantenne,
h) das Ladesteuergerät oder das Induktionssteuergerät oder ein weiteres Steuergerät des Fahrzeugs ermittelt eine Fahrtrajektorie, entlang welcher die Ladeposition durch die Sekundärspule einnehmbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
- bei einem Fahrmanöver des Fahrzeugs werden die Schritte d) bis h) des Verfahrens nach Anspruch 14 in Echtzeit wiederholt, um die Fahrtrajektorie zu aktualisieren, bei Erreichen der Ladeposition beschreibt die aktualisierte Fahrtrajektorie ein Anhaltemanöver.
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