Verfahren zum Betrieb einer Ladevorrichtung zur induktiven Energieübertragung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ladevorrichtung zur induktiven Energieübertragung.

Stand der Technik

Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische

Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das

Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und

Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.

Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Sendespule (Sendevorrichtung) bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld aus. Das

magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule (Ladespule bzw.

Empfangsvorrichtung) innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden. Die Druckschrift DE 10 2011 010 049 AI offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird. Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann ebenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Energie- bzw. Leistungsübertragung verwendet werden. Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges ist

typischerweise die Sendespule des Transformators entweder im Straßenboden eingelassen oder als auf dem Boden aufgelegte Ladeplatte (Ladepad) ausgeformt und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit dem Stromnetz verbunden. Die Empfangsspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der

Traktionsbatterie des Fahrzeugs verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Sendespule bzw. Primärspule ein hochfrequentes Wechselfeld, das die

Empfangsspule bzw. Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Da einerseits die übertragene Leistung linear mit der

Schaltfrequenz skaliert, andererseits die Schaltfrequenz durch die

Ansteuerungselektronik und Verluste im Übertragungspfad begrenzt ist, ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 30 - 150 kHz.

Zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem

Fahrzeug befindet sich ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte in der Größe von 3-30 cm sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie

Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Die im Luftspalt während der Übertragung entstehenden magnetischen Wechselfelder sind dazu geeignet, in beliebigen metallischen oder elektrisch leitfähigen Objekten, die sich im Luftspalt befinden, elektrische

Wirbelströme zu induzieren. Durch Ohmsche Verluste erhitzen sich diese sogenannten Fremdobjekte. Diese Erhitzung stellt nicht nur für die

Personensicherheit, sondern auch für die Betriebssicherheit des Fahrzeugs eine erhebliche Gefahr dar. Daher ist es notwendig, die Erhitzung eines induktiven Ladesystems entweder durch Limitierung des Magnetfeldes zu begrenzen oder etwaige im Luftspalt befindliche Objekte durch geeignete Mittel zu detektieren und daraufhin die Energieübertragung zu deaktivieren, bis diese entfernt sind, oder keine Gefahr mehr von Ihnen ausgeht. Bekannte Methoden der

Fremdobjekterkennung bestehen beispielsweise zweckmäßigerweise aus herkömmlichen Metalldetektoren, deren Kernelement eine oder mehrere

Sensorspulen sind. Diese Verfahren beruhen auf einer aktiven Anregung der Sensorspule/Sensorspulen und Messung der Änderung des Empfangssignals bei Vorhandensein eines Metallobjektes oder der Messung einer Änderung der elektrischen Eigenschaften der Sensorspule/Sensorspulen. Beim induktiven Laden/bei induktiver Energieübertragung ist die Anwendung herkömmlicher Metalldetektlonsverfahren aufgrund des starken magnetischen Hauptfeldes jedoch nicht trivial, weshalb bekannte Metallobjektdetektionsverfahren (MOD) entweder eine kurzzeitige Abschaltung der Energieübertragung (und damit des

magnetischen Hauptfeldes) oder spezielle Sensorspulendesigns (zum Beispiel mäanderförmige Sensorspulen) vorschlagen, um eine Metalldetektion durchführen zu können. Beides ist mit signifikanten Nachteilen verbunden.

Des Weiteren müssen auch biologische Objekte wie Tiere, Körperteile von Menschen, lebende Objekte generell erkannt werden, um diese nicht den hohen Magnetfeldern auszusetzen. Daher ist eine Erkennung von lebenden Objekten notwendiger Bestandteil eines induktiven Ladesystems.

Zur Erkennung von Objekten eignen sich prinzipiell verschiedene Arten von Bewegungsmeldem, z.B. Passive Infrarot Sensoren, Doppler Radar,

Ultraschallsensoren und Objekterkennungsverfahren wie Laserscanner,

Videokameras, Stereokameras oder Wärmebildkameras. Besondere

Herausforderungen bei vielen Verfahren sind die Eingrenzung des

Erkennungsbereichs auf den Bereich hoher Magnetfelder und die Unterscheidung kritischer (lebender) von anderen Objekten.

Aus der DE102009033236 AI ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gefahrenbereiches zwischen Sende- und Empfangsspule bekannt. Eine

Erkennung lebender Objekte ist nicht vorgesehen. Bevor der induktive Ladevorgang beginnen kann, muss das Fahrzeug mit der Empfangsspule optimal über der Sendespule positioniert werden. Zu diesem Zweck sind im Stand der Technik sowohl Einparkhilfen bekannt, über die das Positionieren bzw. Einparken - besonders auf engem Raum - erleichtert werden soll, als auch autonome Systeme beschrieben, die das Fahrzeug komplett selbstständig steuern. Derzeit sind zwei Messverfahren bekannt, die in

Fahrzeugen eingesetzt werden. Unabhängig vom Messverfahren wird dem Fahrer die Distanz je nach Hersteller und Umfang entweder rein akustisch oder optisch und akustisch angezeigt. Die rein akustische Version der Positionierungshilfe / Einparkhilfe signalisiert über schneller bis zum Dauerton werdende Warntöne die Distanz. Optisch-akustische-Systeme zeigen zunächst über LED-Anzeigen oder eine Grafik im Bildschirm optisch die Annäherung an die gewünschte Parkposition an und warnen bei sehr geringem Abstand (ca. 30 cm oder weniger) zusätzlich akustisch mit schnellen Warntönen bis zum Dauerwarnton.

Darüber hinaus gibt es Systeme, welche alle nötigen Lenkmanöver selbstständig ausführen. Basis hierfür sind eine aktive Einparkhilfe und zusätzlich eine von einem Elektromotor angetriebene elektro-mechanische Servolenkung sowie eine quer zur Fahrtrichtung ausgerichtete Messsensorik. Manche Systeme benötigen außerdem eine Rückfahrkamera, um die Parklücke vor dem Parkmanöver vom Fahrer auf dem im Bildschirm dargestellten Kamerabild auswählen zu lassen.

An Positionierungssystemen der genannten Art ist nachteilig, dass diese nicht geeignet sind, Luftspalt- bzw. Zwischenraumüberwachung während eines induktiven Ladevorganges zu betreiben, wohingegen bei induktiven Ladesystemen nachteilig ist, dass deren Sensoren zur Luftspaltüberwachung nicht geeignet sind, bei der Positionierung des Fahrzeugs zu unterstützen.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem effektiveren und kostengünstigeren Verfahren bzgl. Luftspaltüberwachung bzw. Zwischenraumüberwachung und Fahrzeugpositionierung, die zudem kostengünstiger realisierbar ist. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Positionierung des Fahrzeugs als auch die Luftspalt- bzw.

Zwischenraumüberwachung deutlich vereinfacht und zusätzlich preiswerter dargestellt werden können.

Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb einer Ladevorrichtung zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, die in einem Fahrzeug angeordnet ist,

vorgesehen, bei dem die Sendespule Sensoren aufweist. In einem ersten Schritt A erfasst die Ladevorrichtung die Position des Fahrzeugs während der

Positionierung des Fahrzeugs über oder an der Sendespule mittels der Sensoren. In einem zweiten Schritt B übermittelt die Ladevorrichtung die Position des

Fahrzeugs an eine Steuerungsvorrichtung des Fahrzeugs. In einem dritten Schritt C korrigiert die Steuerungsvorrichtung die Position des Fahrzeugs selbstständig oder assistiert einem Fahrer bei der Korrektur der Position. In einem vierten Schritt aktiviert die Ladevorrichtung schließlich einen Ladevorgang und überwacht während des Ladevorgangs einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Sendespule und mindestens einen Empfangsspule. Vorteilhaft an dem Verfahren ist die Kombination von Positionierung und Luftspaltüberwachung in einem einzigen Verfahren. Zur Positionierung kommen im Stand der Technik Sensoren zum Einsatz kommen, die im Fahrzeug verbaut werden und beispielsweise in der Stoßstange angeordnet sind. Für die Luftspalt- bzw. Zwischenraumüberwachung zwischen Sende- und Empfangsspule werden hingegen im Stand der Technik wiederum andere Sensoren, als die zur Positionierung eingesetzten Sensoren eingesetzt. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden stattdessen ein- und dieselben Sensoren sowohl zur Positionierung als auch zur Luftspalt- /Zwischenraumüberwachung verwendet, was eine kostengünstige Methode zur Positionierung und Luftspaltüberwachung darstellt. Somit ist das Verfahren der

Positionierung und Überwachung deutlich vereinfacht und kommt zudem günstiger Weise mit einem Satz Sensoren aus, die lediglich im Fahrzeug oder in oder an der Sendespule / Primärspule verbaut / angeordnet sind. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Vorteilhafterweise erfassen die Sensoren die Position des Fahrzeugs anhand von Bauteilen des Fahrzeugs, vorzugsweise der Räder. Charakteristische Merkmale, Unterbodenmerkmale bzw. Bauteile des Fahrzeugs wie z.B. Räder geben vorteilhaft Aufschluss über die Position des Fahrzeugs. Wird zudem die

Ausrichtung der Räder (Einschlagwinkel) erfasst, kann ermittelt werden, in welche Richtung (rechts, links, geradeaus) das Fahrzeug sich bewegen wird.

Entsprechend kann dem Fahrer assistiert werden bzw. das Fahrzeug geeignete Steuerungs- bzw. Lenkanweisungen erhalten. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Position von jedem Rad von mindestens zwei der vier Sensoren erfasst wird. Dies erlaubt eine eindeutige zweidimensionale

Zuordnung der Position.

Vorteilhafterweise sind die Sensoren als Radar- oder Ultraschallsensoren ausgeführt. Radar- als auch Ultraschall eignen sich sehr gut bei der

berührungslosen Detektion von Hindernissen bzw. dem berührungslosen Abtasten von Gegenständen.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Sensoren Vivaldi Antennen, breitbandige Patch- Antennen, isotrope Strahler oder LCR-Antennen sind. Vivaldi-Antenne sind sehr breitbandig, können günstig hergestellt werden und weisen eine geringe

Abstrahlung auf. Es kann auch vorteilhaft eine breitbandige Patch-Antenne (z.B. "stacked patched Antenna") zum Einsatz kommen, die günstig hergestellt werden kann, eines kleinen Bauraumes bedarf und gerichtet abstrahlt. Weiterhin kommen beispielsweise Punkt- Antennen (z.B. "Top-Ioaded Monopole") zum Einsatz, die eine Rundumsicht gestatten und eine kleine Bauform aufweisen. LCR-Antennen sind breitbandig, weisen eine kleine Bauform auf und erleiden nur geringe Verstimmungen durch Dielektrika im Nahfeld der Antenne und können

dementsprechend ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.

Die Sensoren sind vorteilhaft als Ultraschall-Array ausgeführt. Die Ausführung als Array erlaubt eine deutliche verbesserte Winkelauflösung der Radformen, woraus sich eine genauere Ermittlung der Position des Fahrzeugs ergibt. Des Weiteren lässt sich der Positionierungsvorgang effektiver gestalten.

Vorteilhafterweise wird der Ladevorgang in einem fünften Schritt E unterbrochen oder die Sendeleistung reduziert, wenn ein Objekt in den Zwischenraum / Luftspalt zwischen Sende- und Empfangsspule eindringt oder innerhalb des

Zwischenraumes vorhanden ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem

Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter

Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges und einer

Ladevorrichtung zur induktiven Energieübertragung; Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Positionierungsvorgangs eines

Fahrzeuges.

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der

Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 14 und einer Ladevorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10. Die Ladevorrichtung 10 umfasst eine Sendespule 11 (Primärspule) und eine Empfangsspule 12

(Sekundärspule). Die Sendespule 11 ist in den Boden unterhalb des Fahrzeugs 14 eingelassen oder liegt beispielsweise als Ladepad auf dem Boden auf. Die

Empfangsspule 12 ist im Unterboden des Fahrzeugs 14 verbaut. Steht das zu ladende Fahrzeug 14 mit der Empfangsspule 12 über der Sendespule 11 bildet sich ein Zwischenraum 17 aus, der auch als Luftspalt bezeichnet wird. Die

Ladevorrichtung 10 weist eine Steuerungsvorrichtung 15 auf, die wahlweise auf der Seite der Sendespule 11 vorgesehen ist oder alternativ im Fahrzeug 14 verbaut sein kann. Das Fahrzeug 14 weist Bauteile 18 auf, die beispielsweise die Räder 19 des Fahrzeugs 14 oder alternativ Bauteile des Unterbodens des

Fahrzeugs 14 wie Auspuff, Motorblock, Antriebsachse, etc. umfassen. Die

Sensoren 13 sind an der Sendespule 11 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um mindestens einen Sensor, bevorzug um vier Sensoren. Als Sensoren 13 werden vorzugsweise Radarsensoren oder Ultraschallsensoren eingesetzt. Die Sensoren 13 sind vorzugsweise als Vivaldi Antennen, breitbandige Patch-Antennen, isotrope Strahler oder LCR-Antennen ausgeführt. Vorzugsweise sind die Sensoren 13, für den Fall dass es sich um Ultraschallsensoren handelt, als Ultraschallarray ausgebildet.

Nähert sich das Fahrzeug 14 der Sendespule 11, muss das Fahrzeug 14 zunächst bezüglich eines effizienten Ladevorgangs optimal positioniert werden, damit die Energieübertragung zwischen Sendespule 11 und Empfangsspule 12 optimal erfolgt. Zu diesem Zweck erfasst die Ladevorrichtung 10 in einem ersten Schritt A die Position des Fahrzeugs 14 während der Positionierung des Fahrzeugs 14 mittels Sensoren 13 die über oder an der Sendespule 11 angebracht sind. Zu diesem Zweck sind die Sensoren 13 um die Sendespule 11 vorzugsweise rund herum um die Sendespule 11 angeordnet. Minimal kommen hier vier Sensoren zum Einsatz. Es können aber auch sechs, acht, zehn oder mehr Sensoren verwendet werden. Die Sensoren 13 erfassen die Position des Fahrzeugs in dem der Unterboden des Fahrzeugs oder die Räder des Fahrzeugs abgetastet werden. Beispielsweise verfolgen mehrere Sensoren 13 die Räder 19 des Fahrzeugs 14, wodurch diesen stets eine eindeutige zweidimensionale Position zugeordnet werden kann. Während die Sensoren 13 die Position des Fahrzeugs 14 während des Positionierungsvorgangs erfasst, wird in einem zweiten Schritt B die Position des Fahrzeugs 14 an eine Steuerungsvorrichtung 15 des Fahrzeugs 14

übermittelt. Diese Übermittlung der Position des Fahrzeugs 14 findet kontinuierlich bzw. wiederholt statt. Die Steuerungsvorrichtung 15 korrigiert in einem 3. Schritt C die Position des Fahrzeugs 14 selbstständig. Das bedeutet, dass der Fahrer 16 nicht in den Fahrvorgang bzw. Lenkvorgang des Fahrzeugs 14 eingreifen muss, sondern dass das Fahrzeug 14 sich eigenständig optimal positioniert. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 15 dem Fahrer 16 bei der Korrektur der Position assistieren, indem die Steuerungsvorrichtung 15 dem Fahrer Hinweise bezüglich des Steuerungsverhaltens gibt. In einem vierten Schritt D aktiviert die

Ladevorrichtung den Ladevorgang und überwacht einen Zwischenraum 17, der sich zwischen der mindestens einen Sendespule 11 und mindestens einen

Empfangsspule 12 bildet. Sollten in diesem Zwischenraum 17 Objekte eindringen (Lebewesen, metallische oder nicht metallische Gegenstände, etc.) unterbricht die Ladevorrichtung 10 in einem fünften Schritt E den Ladevorgang oder reduziert alternativ die Sendeleistung der Sendespule 11.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf das Fahrzeug 14 und die Sendespule 11. Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In dieser Figur 2 wird der Anfahrvorgang des Fahrzeuges 14 in Richtung Sendespule 11 in der Aufsicht gezeigt (von oben). Das Fahrzeug 14 bewegt sich in Richtung des Pfeiles 20 (vorwärts) auf die Sendespule 11 zu. Die Sendespule 11 ist somit vor den

Vorderrädern 19 des Fahrzeuges 14. Die Sendespule 11 weist Sensoren 13 auf, die die Vorderräder 19 beobachten und lokalisieren. Die Vorderräder 19 fahren schließlich assistiert an der Sendespule 11 bzw. dem Ladepad vorbei. Jedes Rad wird zu jeder Zeit von mehreren Sensoren 13 erfasst. Die genaue Position zum Laden kann somit anhand der Räder 19 bestimmt werden. Die Ladevorrichtung 10 kann, mit der Steuerungsvorrichtung 15 kommunizierend, die entsprechende

Positionierung (durch Lenkeingriffe oder Rückmeldung an den Fahrer) vornehmen. Während des Ladevorgangs bilden die Sensoren 13 eine ortsaufgelöste

Eindringerkennung ab, da ein Objekt immer von mehreren Sensoren verfolgt werden kann und damit der Eindring- und Überwachungsbereich beliebig geformt werden kann. Als Alternative können Ultraschall- Arrays verwendet werden, um die Winkelauflösung der Räder 19 (Radformen) zu verbessern. Weiterhin ist eine Kombination des Verfahrens mit einem Metallobjekterkennungsverfahren möglich, wobei letzteres nur dann ausgelöst wird, wenn die Sensoren 13 ein Objekt im Zwischenraum 17 detektieren. Durch veränderte Integrationszeiten,

Empfindlichkeiten und Abstrahlcharakteristiken kann die Ladevorrichtung von einem Positionierungs- in einen Lebendobjekterkennungs-Modus umschalten.