Die Erfindung betrifft eine induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs sowie ein Fahrzeugladesystem und ein Verfahren zum Positionieren eines Fahrzeugs.

Aus der DE 102014 202 747 A1 ist ein Doppelwicklungssytem bekannt, welches dazu dient, eine Lageabweichung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems zu bestimmen. Die beiden Wicklungen des Doppelwicklungssystem sind um einen bestimmten Winkel zueinander versetzt und um ein gemeinsames Ferritelement gewickelt. Das Magnetfeld der Primärspule induziert eine Spannung in den beiden Wicklungen. Die beiden Spannungen werden durch eine Auswerteeinheit ausgewertet und es wird eine Lageabweichung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule daraus berechnet. Hierbei muss mit dem Doppelwicklungssystem ein weiteres Bauteil mit eigenem Ferritelement verbaut werden. Ferner ist es nicht möglich, dass Doppelwicklungssystem so zu positionieren, dass während des Ladevorgangs keine oder nur sehr geringe Spannungen induziert werden.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für eine induktive Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, insbesondere solche welche die Komplexität reduzieren und die Langlebigkeit der verwendeten Bauteile erhöhen.

Fahrzeuge induktiv laden zu können bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber eines konventionellen konduktiven Ladevorgangs. Allen voran sei hier der Komfortgewinn erwähnt, da so das Hantieren mit teilweise sehr schweren Ladekabeln und Steckern entfällt. Allerdings ist es für den induktiven Ladevorgang bzw. Energieübertragungsvorgang wichtig, dass die induktive Ladeeinrichtung des Fahrzeugs möglichst genau zu der stationären, beispielsweise bodenseitigen induktiven Ladeeinrichtung positioniert wird. Dies ist durch ein rein manuelles Positionieren des Fahrzeugs über der stationären induktiven Ladeeinrichtung schwierig und der Fahrer benötigt hierbei Unterstützung von einem Assistenzsystem, welches ihm entweder Informationen über eine Lageabweichung zwischen der mobilen induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug und der stationären induktiven Ladeeinrichtung liefert oder aber von einem automatisierten Positionierungssystem, welches direkt den Einparkvorgang automatisiert übernimmt. Es wird eine Sensorik benötigt, die eine entsprechende Lageabweichung detektieren kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn keine Kalibrierung zwischen der stationären induktiven Ladeeinrichtung und der mobilen induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug notwendig ist, wenn sich ein Fahrzeug einer unbekannten stationären induktiven Ladeeinrichtung nähert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass Sensorwicklungen in die induktive Ladeeinrichtung integriert werden, kein zusätzlicher Magnetkern bzw. kein zusätzliches Flussführungselement nötig ist und durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorwicklungen, die während des Energieübertragungsvorgangs in die Sensorwicklungen induzierten Spannungen auf ein Minimum reduziert werden können. Des Weiteren ermöglicht die vorgeschlagene Anordnung, ein Unterbringen auch der Sensorwicklungen in der induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug, die meist durch ein Gehäuse begrenzt ist. Es sind keine zusätzlichen Verkabelungen notwendig, wie dies der Fall bei einer Anordnung außerhalb der induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug der Fall wäre.

Es wird vorliegend eine induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem vorgeschlagen mit einer Energieübertragungswicklung und mindestens einem Flussführungselement und mindestens einer ersten Sensorwicklung und einer zweiten Sensorwicklung mit folgenden Merkmalen: das Flussführungselement ist geeignet, während eines Energieübertragungsvorgangs, welcher zwischen einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung und der Energieübertragungswicklung stattfindet, ein Magnetfeld zu führen und die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung sind um mindestens eines des mindestens einen Flussführungselements angeordnet und die erste Sensorwicklung weist eine erste radiale Längsrichtung auf und die zweite Sensorwicklung weist eine zweite radiale Längsrichtung auf und die erste radiale Längsrichtung ist zumindest annähernd senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung angeordnet und die zweite radiale Längsrichtung ist zumindest annähernd in Fahrzeuglängsrichtung oder in Soll-Fahrzeuglängsrichtung angeordnet.

Beim induktiven Laden wird Energie in Form eines magnetischen Feldes zwischen zwei induktiven Ladeeinrichtungen, zumeist zwischen einer stationären Ladeeinrichtung und einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung, übertragen.

Der Begriff „induktive Ladeeinrichtung“ bezeichnet hier somit nur einen von zumindest zwei Teilen, die für einen Energieübertragungsvorgang nötig sind. Beim Energieübertragungsvorgang erzeugt eine Energieübertragungswicklung in einer induktiven Ladeeinrichtung ein magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld induziert eine Spannung in einer weiteren Energieübertragungswicklung einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung. Diese weitere induktive Ladeeinrichtung dient somit für diesen spezifischen Energieübertragungsvorgang als Gegenstück. Die Energie wird drahtlos übertragen und durch Induktion einer Spannung aufgenommen.

Induktive Ladeeinrichtungen können zum induktiven Laden von Fahrzeugen verwendet werden. Im Prinzip kann eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung für jede Sorte von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug eingesetzt werden, die über einen elektrischen oder einen Hybridantrieb verfügen.

Insbesondere seien hierbei Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen genannt.

Ein Fahrzeugladesystem umfasst zumindest eine mobile induktive Ladeeinrichtung und eine weitere, meist stationäre induktive Ladeeinrichtung. Eine mobile induktive Ladeeinrichtung kann beispielsweise an und/oder in einem Fahrzeug montiert sein. Eine induktive Ladeeinrichtung an und/oder im Fahrzeug ist daher geeignet, das magnetische Feld aufzunehmen und elektrische Energie eines Energiespeichers des Fahrzeuges beispielsweise einer Batterie bzw. eines Akkumulators im Fahrzeug zur Verfügung zu stellen. Prinzipiell kann ein Fahrzeugladesystem auch zum bidirektionalen Laden eingesetzt werden. Hierbei kann das Fahrzeug zeitweise auch Energie aus dem Energiespeicher über das Fahrzeugladesystem ins Stromnetz einspeisen.

Allgemein ist zwischen einem Positioniervorgang und einem Energieübertragungsvorgang zu unterscheiden. Ziel des Positioniervorgangs ist es das Fahrzeug mit der mobilen induktiven Ladeeinrichtung möglichst optimal in Bezug auf eine bestimmte stationäre induktive Ladeeinrichtung zu positionieren. Erst bei einer ausreichend genauen Positionierung, beispielsweise in einem vordefinierten Zielbereich, ist ein Energieübertragungsvorgang möglich.

Während eines Energieübertragungsvorgangs kann zeitgleich ein Positionsprüfungsvorgang erfolgen. Dieser kann prinzipiell gleich wie ein Positioniervorgang erfolgen. Der Unterschied ist lediglich, dass ein Positionsprüfungsvorgang bei einer für eine Energieübertragung geeigneten Position gestartet wird und signalisiert, sobald - beispielsweise durch Rollen des Fahrzeugs - sich eine, für eine Energieübertragung nicht mehr geeignete Position einstellt. Für einen Positionsprüfungsvorgang kann daher prinzipiell sowohl die gleiche Hardware als auch die gleiche Algorithmik wie für einen Positioniervorgang verwendet werden. Eine induktive Ladeeinrichtung weist eine Energieübertragungswicklung auf, die während des Energieübertragungsvorgangs ein Magnetfeld, von einer weiteren Energieübertragungswicklung in effizienter Weise empfangen kann und/oder ein Magnetfeld aussenden kann. Hierbei können vorzugsweise Leistungen von 3 kW bis 500 kW besonders bevorzugt von 3 kW bis 50 kW übertragen werden.

Ganz allgemein wird eine Spule hier definiert als ein Bauteil zur Erzeugung oder zum Empfang eines magnetischen Feldes. Eine Spule kann aus einer Wicklung und optional weiteren Elementen wie einem Magnetkern und einem Spulenträger bestehen. Eine Wicklung ist hierbei eine gewickelte Anordnung eines Stromleiters. Eine Wicklung kann aus einer oder mehreren Windungen bestehen, wobei eine Windung einen vollen Umlauf eines Leiters bezeichnet. Ganz allgemein kann eine Wicklung aber auch nur aus weniger als einer Windung, also beispielsweise 0,5 Windungen bestehen. Natürlich ist auch eine nichtvollständige Anzahl an Windungen, wie beispielsweise 2,5 Windungen möglich. Eine Energieübertragungswicklung kann in verschiedenen Formen ausgeführt sein und beispielsweise aus einer Hochfrequenzlitze mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 10 mm bevorzugt aus Kupfer bestehen.

Die Sensorwicklungen werden für einen Positioniervorgang und/oder einen Positionsprüfungsvorgang benötigt. Befindet sich das Fahrzeug noch in einiger Entfernung beispielsweise zwischen 5 und 10 m von der stationären induktiven Ladeeinrichtung, so kann ein von der stationären induktiven Ladeeinrichtung ausgesendetes Signal, bevorzugt ein Magnetfeld, in den Sensorwicklungen eine Spannung induzieren. Das von der stationären induktiven Ladeeinrichtung ausgesendete Signal kann hierbei dauerhaft ausgesendet werden, unabhängig davon, ob sich gerade ein Fahrzeug nähert oder nicht. Durch den Vergleich der Spannungen und eine entsprechende Auswertung kann eine Lageabweichung zwischen dem Fahrzeug und der stationären induktiven Ladeeinrichtung bestimmt werden. Es ist auch möglich, dass die mobile induktive Ladeeinrichtung das Signal aussendet und die stationäre induktive Ladeeinrichtung es empfängt.

Ein Leiter einer Sensorwicklung kann beispielsweise eine Querschnittsfläche zwischen 0,01 und 2 mm ² aufweisen. Ein Leiter kann hier als Litze, als Einzelleiter oder in einer anderen Form beispielsweise in Form einer Platine ausgeführt sein. Bei einer auf einer Platine realisierten Leiterstruktur können die Leiterbahnen Querschnitte von beispielsweise in der Größenordnung von 0,8 mm auf 35 pm aufweisen.

Ein Flussführungselement ist dazu geeignet, ein Magnetfeld in vorgegebener Art zu führen. Es besitzt eine hohe magnetische Permeabilität mit p _r >1 , bevorzugt p _r >50, besonders bevorzugt p _r >100. Das Flussführungselement stellt einen Magnetkern für die Energieübertragungswicklung dar. Insbesondere wird hierbei das Magnetfeld durch die hohe Permeabilität so beeinflusst, dass ein möglichst großer magnetischer Fluss an die Energieübertragungswicklung übertragen wird. Mit einem Flussführungselement nimmt die Energieübertragungswicklung bei ansonsten gleichen Parametern einen größeren magnetischen Fluss auf als ohne ein Flussführungselement. Ein Flussführungselement kann aus einem ferromagnetischem oder bevorzugt aus einem fernmagnetischen Material, besonders bevorzugt aus einem Ferrit sein. Ein Flussführungselement kann bevorzugt plattenartig - in Form eines Planarkerns - ausgeführt sein und in der induktiven Ladeeinrichtung auf der Seite der Energieübertragungswicklung, welche von der Gegenseite, also der weiteren induktiven Ladeeinrichtung abgewandt ist, angeordnet sein.

Durch die Anordnung der ersten Sensorwicklung und der zweiten Sensorwicklung um mindestens eins der mindestens einen Flussführungselemente übernimmt das mindestens eine der mindestens einen Flussführungselemente hier eine Doppelfunktion. Es fungiert als Magnetkern sowohl für die erste Sensorwicklung und/oder die zweite Sensorwicklung als auch als Magnetkern bzw.

Flussführungselement für die Energieübertragungswicklung. Somit ist kein separates Flussführungselement für die Sensorwicklung nötig, was zu einer vereinfachten Herstellung führt.

Die Anordnung einer Sensorwicklung um ein Flussführungselement bedeutet hier, dass zumindest ein Teil des Flussführungselements von einer Sensorwicklung umschlossen wird. Die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung können um dasselbe Flussführungselement oder um zwei verschiedene Flussführungselemente angeordnet werden oder auch jeweils um mehrere Flussführungselemente angeordnet werden.

Die beiden Sensorwicklung können entweder nur um ein oder mehrere Flussführungselemente herum angeordnet sein oder aber auch noch um weitere Elemente, wie beispielsweise um die Energieübertragungswicklung und/oder um eine Kühl- und/oder um eine Abschirmvorrichtung.

Im Allgemeinen erstreckt sich eine Wicklung in zumindest zwei Dimensionen um eine Achse. Die Haupterstreckungsrichtung senkrecht zur Wicklungsachse wird hier als radiale Längsrichtung bezeichnet. Die Hauptstreckungsrichtung verläuft also bei einer Wicklung mit rechteckigem nicht quadratischem Querschnitt entlang bzw. parallel der längeren Seite des Rechtecks. Bei einer Wicklung mit einem elliptischen Querschnitt verläuft die radiale Längsrichtung entlang bzw. parallel zur Hauptachse der Ellipse. Die radiale Längsrichtung einer erfindungsgemäßen Sensorwicklung kann vorzugsweise in einer Ebene liegen, die sich parallel zum Untergrund erstreckt. Eine Anordnung mit der ersten radialen Längsrichtung zumindest annähernd senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung und der zweiten radialen Längsrichtung zumindest annähernd in Fahrzeuglängsrichtung oder in Soll-Fahrzeuglängsrichtung ist vorteilhaft. Zum einen stehen hierdurch die beiden radialen Längsrichtungen und somit auch die beiden Sensorwicklungen zumindest annähernd senkrecht aufeinander wobei somit die Komponenten eines Signals, in der Ebene, in der sich das Fahrzeug fortbewegt, besonders gut erfasst werden. Wenn die Signalerfassung durch Induktion eines Spannungssignals durch ein Magnetfeld erfolgt, bestimmt die Komponente des Magnetfelds, welche senkrecht zu dem entsprechenden Leiter steht, die Stärke der induzierten Spannung. Durch die Verwendung von zwei zumindest annäherungsweise senkrecht aufeinander stehenden radialen Längsrichtungen kann ein Magnetfeld besonders vorteilhaft vollständig detektiert werden. Eine Ausrichtung der radialen Längsrichtungen senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung sowie in Fahrzeuglängsrichtung und Soll-Fahrzeuglängsrichtung ist vorteilhaft, da dies herstellungstechnische Vorteile bietet. Eine induktive Ladeeinrichtung und insbesondere auch Flussführungselemente werden häufig rechteckig ausgeführt und es ist vorteilhaft die Sensorwicklungen parallel zu den Kanten dieses Rechtecks auszuführen. Ein Ausrichten der Sensorwicklungen an den geraden Kanten ist vorteilhaft. Auch sind Sensorwicklungen, wenn sie in Soll-Fahrzeuglängsrichtung oder Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt werden, kürzer als bei einer schiefen oder diagonalen Anordnung. So muss verhältnismäßig Material für die Sensorwicklungen aufgewendet werden.

Bevorzugt handelt es sich bei der induktiven Ladeeinrichtung um eine mobile induktive Ladeeinrichtung, welche an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet ist, oder um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung.

Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung ist der nicht mobile Teil eines Fahrzeugladesystems, also der Teil, der sich nicht mit dem Fahrzeug mit fortbewegt. Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung kann sich bevorzugt auf, an oder in einem Boden befinden. Hierbei kann es sich um eine auf dem Untergrund aufgebrachte induktive Ladeeinrichtung oder um eine in einem Untergrund oder in einem Boden versenkte induktive Ladeeinrichtung handeln. Bei einem Boden kann es sich um eine Fahrbahn, eine Parkplatzoberfläche, einen Garagenboden, einem Boden in einem Parkhaus oder einem sonstigen Gebäude handeln. Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung kann sich aber alternativ auch an Wänden oder dergleichen befinden. Es ist auch möglich, dass es sich um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung für einen dynamischen induktiven Energieübertragungsvorgang handelt. Bei einem dynamischen induktiven Energieübertragungsvorgang kann ein Energiespeicher eines Fahrzeugs geladen werden während sich dieses fortbewegt. Beispielsweise kann in diesem Fall die stationäre induktive Ladeeinrichtung sich entlang der Fahrbahn unter, in oder auf der Fahrbahnoberfläche erstrecken.

Eine mobile induktive Ladeeinrichtung kann an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet sein. Ganz allgemein wird hierunter der Teil eines Fahrzeugladesystems verstanden, der sich mit dem Fahrzeug mit fortbewegt.

Vorteilhaft sind die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung geeignet, während eines Positioniervorgangs und/oder eines Positionsprüfungsvorgang ein oder mehrere Positionierungssignale zu senden oder Signale zu empfangen. Ziel eines Positioniervorgangs ist es, das Zentrum der Energieübertragungswicklung innerhalb eines vorgegebenen Zielbereichs zu positionieren. Ziel eines Positionsprüfungsvorgangs ist es, zu erkennen, ob das Zentrum der Energieübertragungswicklung einen vorgegebenen Zielbereich verlässt. Hierfür können bestimmte Positionierungssignale verwendet werden. Diese können von einer oder nahe einer der beiden induktiven Ladeeinrichtungen ausgesendet werden und von der weiteren oder nahe der weiteren induktiven Ladeeinrichtung empfangen werden. Handelt es sich um elektrische, elektromagnetische oder insbesondere magnetische Signale, so können diese von Spulen bzw. Wicklungen erzeugt und empfangen werden.

Bevorzugt kreuzen sich die erste radiale Längsrichtung und die zweite radiale Längsrichtung zumindest annähernd im Zentrum der Energieübertragungswicklung. Mit dem Zentrum der Energieübertragungswicklung wird hier der Bereich wenige Zentimeter um das geometrische Zentrum der Energieübertragungswicklung in der Ebene senkrecht zur Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung bezeichnet. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch die Sensorwicklungen im Verhältnis zur Energieübertragungswicklung so angeordnet, dass während des Energieübertragungsvorgangs möglichst geringe Spannungen in die Sensorwicklungen induziert werden. In einer Ausführungsform weist die induktive Ladeeinrichtung mindestens vier Sensorwicklungen auf, wobei jeweils zwei an zueinander gegenüberliegenden Seiten des Zentrums der Energieübertragungswicklung angeordnet sind und die vier radialen Längsrichtungen der vier Sensorwicklungen annähernd durch das Zentrum der Energieübertragungswicklung verlaufen.

In dieser Ausführungsform sind die vier Sensorwicklungen wie in einem Kreuz um das Zentrum der Energieübertragungswicklung angeordnet, wobei das Zentrum der Energieübertragungswicklung selbst frei von einer Sensorwicklung ist.

Gegenüber der Ausführungsform mit zwei sich kreuzenden Sensorwicklungen biete dies den Vorteil, dass weiterhin das Zentrum der Energieübertragungswicklung frei von einer Sensorwicklung bleibt und somit stabilisierende Elemente in diesem Bereich eingebracht werden können.

Die vier Sensorwicklungen können hierbei miteinander verschaltet, vorzugsweise seriell verschaltet werden. Besonders bevorzugt werden jeweils die zwei sich gegenüberliegenden Sensorwicklungen miteinander seriell verschaltet.

Besonders bevorzugt sind die erste radiale Längsrichtung und die zweite radiale Längsrichtung zumindest annähernd parallel zur Hauptrichtung der Magnetfeldlinien, die sich während des Energieübertragungsvorgangs in dem mindestens einen Flussführungselement, in dem von der Sensorwicklung überdeckten Bereich ausbildet, sind.

Mit der Hauptrichtung der Magnetfeldlinien ist am jeweiligen Ort die Richtung gemeint, in welcher die Magnetfeldlinien sich hauptsächlich in dem Flussführungselement bzw. in den Flussführungselementen erstrecken. Hierbei soll nicht der genaue Verlauf der Magnetfeldlinien durch die Sensorwicklung dargestellt werden, sondern die radialen Längsrichtungen sollen sich in ihrer Orientierung an dem Verlauf der Magnetfeldlinien im Bereich der Erstreckung der Sensorwicklung orientieren.

Während des Energieübertragungsvorgangs von der stationären induktiven Ladeeinrichtung zur induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug (oder umgekehrt) wird das Magnetfeld in einem oder mehreren Flussführungselementen geführt. Ist das eine oder sind die mehreren Flussführungselemente plattenförmig ausgebildet, so stellt sich während des Energieübertragungsvorgangs in den Flussführungselementen ein Magnetfeld mit Magnetfeldlinien, die, in Bezug zur Energieübertragungswicklung, annähernd radial verlaufen, ein. In die Sensorwicklungen soll zwar, während eines Positioniervorgangs und/oder eines Positionsprüfungsvorgang eine Spannung induziert werden, um daraus eine Lageabweichung zwischen Fahrzeug und stationärer induktiven Ladeeinrichtung zu berechnen, während des Energieübertragungsvorgangs sind die Magnetfelder aber deutlich höher und es ist daher wichtig, dass dann möglichst wenig Spannung in die Sensorwicklungen induziert wird, damit diese oder benachbarte Bauteile nicht zerstört werden. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass die Feldverläufe eines Positionierungssignal deutlich unterschiedlich zu den Feldverläufen, die während eines Energieübertragungsvorgangs auftreten, sind. Für die induzierte Spannung ist die Feldkomponente senkrecht zur radialen Längsrichtung der Sensorwicklungen relevant. Bei einer Anordnung einer Sensorwicklung, die sicherstellt, dass während des Energieübertragungsvorgangs die radiale Längsrichtung der Sensorwicklung zumindest annähernd parallel zur Hauptrichtung der Magnetfeldlinien in den Flussführungselementen ist, wird daher keine bzw. nur eine geringe Spannung in die Sensorwicklung induziert. Dagegen kann bei einem Positioniervorgang bzw. einem Positionsprüfungsvorgang sehr wohl eine Spannung in eine so angeordnete Sensorwicklung induziert werden. Wichtig ist hierbei, dass ein Energieübertragungsvorgang und ein Positionsprüfungsvorgang gleichzeitig ablaufen können. Durch die vorteilhafte Anordnung der Sensorwicklungen induzieren die Felder der Energieübertragung keine oder nur eine sehr geringe Spannung in den Sensorwicklungen. Somit wird ein Positionsprüfungsvorgang nicht negativ durch die Energieübertragung beeinflussen.

Vorteilhaft ist die Energieübertragungswicklung als eine Flachspule ausgebildet und die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung sind als Solenoid ausgebildet.

Bei einer Flachspule kann es sich um eine Spiralflachspule, insbesondere um eine Kreisspiralflachspule oder um eine Reckteckspiralflachspule handeln. Eine Spiralflachspule kann in Form einer archimedischen Spirale gewickelt sein. Die Windungsform kann hierbei kreisähnlich (Kreisspiralflachspule) sein, aber auch andere Formen, wie beispielsweise quadratähnlich oder rechteckähnlich oder auch ähnlich einem Rechteck mit abgerundeten Ecken, sind möglich (Rechteckspiralflachspule). Die Spirale kann dabei in einer Ebene liegen. Eine Flachspule ist bei einer Anwendung in einem Fahrzeug besonders geeignet, da hier insbesondere der Bauraum entlang der Höhe eines Fahrzeugs limitiert ist. Eine Flachspule ist vorteilhaft, da sie in diese Richtung eine möglichst geringe Ausdehnung aufweist. Eine Ausdehnung in die beiden Dimensionen parallel zum Untergrund und senkrecht zur Höhe eines Fahrzeugs ist vorteilhaft, da hierdurch der Toleranzbereich für eine Positionierung in welchem die Kopplung zwischen den Energieübertragungswicklungen noch ausreichend für eine Energieübertragung ist maximal groß ist.

Ein Solenoid wird auch Zylinderspule bzw. Solenoid-Spule genannt. Ein Solenoid kann in Form einer Helix, bzw. einer zylindrischen Spirale gewickelt sein. Die Windungsform muss hierbei allerdings nicht kreisähnlich sein, sondern kann auch andere Formen, wie beispielsweise quadratähnlich oder rechteckähnlich oder auch ähnlich einem Rechteck mit abgerundeten Ecken, aufweisen. Der wichtige Unterschied zur Flachspule ist, dass sich die Windungen nicht in einer Ebene befinden, sondern entlang einer Achse erstrecken. Hierbei können aber durchaus auch zwei oder mehr Windungen parallel verlaufen und sich somit in derselben Ebene senkrecht zur Achse befinden.

Die Form des Solenoides ist hierbei gut geeignet, um während eines Positioniervorgangs und/oder eines Positionsprüfungsvorgang ein von der stationären induktiven Ladeeinrichtung gesendetes Signal zu detektieren.

In einer vorteilhaften Variante werden die erste Sensorwicklung und/oder die zweite Sensorwicklung durch Leiterbahnen, welche auf mindestens einer Leiterplatte bevorzugt auf mindestens zwei Leiterplatten aufgebracht sind, gebildet.

Hierbei werden die Windungen einer Sensorwicklung in Form von Leiterbahnen auf Leiterplatten realisiert.

Die Leiterbahnen können hierbei beispielsweise aus Kupfer sein.

Die Leiterbahnen können hierbei mehrlagig, bevorzugt zweilagig ausgeführt sein. Die Realisierung einer Sensorwicklung mittels Leiterbahnen auf Leiterplatten ermöglicht es, die Höhe der Sensorwicklung im Vergleich zu herkömmlichen, beispielsweise auf Hochfrequenzlitzen basierenden Wicklungen signifikant zu reduzieren.

In einer alternativen Ausführungsform sind die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung als Litze, insbesondere als Hochfrequenzlitze oder als Draht ausgebildet.

Eine Hochfrequenzlitze besteht aus mehreren zueinander isolierten Drähten. Dies bietet Vorteile, da bei hohen Frequenzen der Strom hauptsächlich nahe der Oberfläche eines Leiters fließt und durch die Realisierung mit vielen Einzelleitern möglichst viel Leiteroberfläche zur Verfügung steht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeugladesystem mit einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung und einer stationären induktiven Ladeeinrichtung, wobei die mobile induktive Ladeeinrichtung als Positionierungssendeeinrichtung und die stationäre induktive Ladeeinrichtung als Positionierungsempfangseinrichtung ausgebildet ist oder die stationäre induktive Ladeeinrichtung als Positionierungssendeeinrichtung ausgebildet ist und die mobile induktive Ladeeinrichtung als Positionierungsempfangseinrichtung ausgebildet ist und die Positionierungsempfangseinrichtung erfindungsgemäß ausgebildet ist.

Während eines Positionierungsvorgangs werden die mobile induktive Ladeeinrichtung und die stationäre induktive Ladeeinrichtung zueinander positioniert. Hierfür können ein oder mehrere Positionierungssignale genutzt werden. Ein Positionierungssignal kann von einer der beiden Ladeeinrichtungen oder von einer Einrichtung, welche einer der beiden Ladeeinrichtungen zugeordnet ist, ausgesendet werden. Diese Ladeeinrichtung wird dann als Positionierungssendeeinrichtung bezeichnet. Ein Positionierungssignal kann von der jeweils anderen Ladeeinrichtung oder von einer Einrichtung, welche der jeweils anderen Ladeeinrichtung zugeordnet ist, empfangen werden. Diese Ladeeinrichtung wird dann als Positionierungsempfangseinrichtung bezeichnet. Welche Ladeeinrichtung das Positionierungssignal sendet und welche Ladeeinrichtung das Positionierungssignal empfängt ist unabhängig davon welche Ladeeinrichtung während eines Energieübertragungsvorgangs sendet und welche empfängt. Ein Positionierungssignal kann innerhalb der jeweiligen Ladeeinrichtung erzeugt bzw. empfangen werden. Alternativ kann ein Positionierungssignal bei der jeweiligen oder beabstandet zu der jeweiligen Ladeeinrichtung erzeugt bzw. empfangen werden. Ein entsprechend ausgebildetes Fahrzeugladesystem ist vorteilhaft, da es nicht nur während des Energieübertragungsvorgangs vorteilhaft aufeinander abgestimmt ist, sondern auch durch die Verwendung von Sensorwicklungen auch während des Positionierungsvorgangs entsprechend vorteilhaft Zusammenwirken kann.

Bevorzugt weist die induktive Ladeeinrichtung, welche nicht die Sensorwicklungen aufweist, mehrere Sendewicklungen bevorzugt vier Sendewicklungen auf, die zueinander beabstandet angeordnet sind.

Eine Sendewicklung ist eine oder ist Teil einer Sendespule, welche ein Positionierungssignal erzeugen kann. Das Positionierungssignal kann hierbei ein magnetisches Wechselfeld sein und eine bestimmte Frequenz oder ein bestimmtes Frequenzband aufweisen. Die Frequenzen der Positionierungssignale können im Bereich von 5 kHz bis 150 kHz, bevorzugt im Bereich von 110 kHz bis 148,5 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 120 kHz und 145 kHz liegen. Eine Sendespule kann deutlich kleiner als eine Energieübertragungswicklung ausgeführt sein und kann auch kleiner als eine Sensorwicklung ausgeführt sein. Eine Sendewicklung kann beispielsweise in Form einer Flachspule ausgeführt sein. Die Sendewicklungen können beabstandet zur Energieübertragungswicklung und beabstandet zu dem bzw. den Flussführungselementen angeordnet sein. Alternativ kann eine Sendewicklung auch im Bereich der Energieübertragungswicklung und/oder im Bereich der Flussführungselementen angeordnet sein. Prinzipiell kann eine Sendewicklungen in jeder Ebene einer induktiven Ladeeinrichtung angeordnet sein. Bei horizontal (also parallel zur Fahrtebene) angeordneten induktiven Ladeeinrichtungen entspricht das einer Anordnung in verschiedenen Höhen. Eine Sendewicklung kann zwischen dem mindestens einen Flussführungselement und der Energieübertragungswicklung angeordnet sein. Alternativ kann eine Sendewicklung in einer Ebene mit der Energieübertragungswicklung liegen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine Sendewicklung näher an der weiteren induktiven Ladeeinrichtung, welche das Gegenstück während eines induktiven Ladevorgangs bildet, liegen als die Energieübertragungswicklung und als die Flussführungselemente. Anders ausgedrückt kann eine Sendewicklung auf der, der Flussführungselemente abgewandten Seite der Energieübertragungswicklung angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die Sendewicklungen räumlich zur induktiven Ladeeinrichtung beabstandet angeordnet und dieser nur funktional zugeordnet sind. Durch die Verwendung mehrerer Sendewicklungen, ist ein einfacheres Verfahren zum Positionieren möglich.

Können die empfangenen Signale den einzelnen Positionierungssignalen der Sendewicklungen zugeordnet werden, so kann hieraus der relative oder absolute Abstand zu den jeweiligen Sendewicklungen bestimmt werden und hiermit ein Positionieren erfolgen. Es können beispielsweise die relativen Abstände zu zwei benachbarten Sendewicklungen miteinander verglichen werden.

Die Verwendung von vier Sendewicklungen ist vorteilhaft. Sie können beispielsweise in Form eines Rechtecks um einen Zielbereich herum angeordnet sein. Durch einen einfachen Vergleich der Intensitäten der jeweiligen unterschiedlichen Positionierungssignale kann sowohl in Fahrzeuglängsrichtung als auch senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung positioniert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass so eine Redundanz vorliegt, da in jede Raumrichtung zwei Verhältnisse gebildet werden. Dies ist für das vorgeschlagene System besonders relevant, da sich bei sehr geringen Entfernungen zwischen Sendewicklung und Sensorwicklung parasitäre Effekte auswirken können, so dass die Signale räumlich verteilt nicht mehr ihr Maximum direkt bei der Position der Sendewicklung aufweisen, sondern dass dort ein ausgeprägter „Dip“ vorhanden ist. Als „Dip“ wird hier ein lokales Minimum zwischen zwei lokalen Maxima bezeichnet. Das positionsabhängige Signal hat also einen charakteristischen Verlauf mit einem „Doppelhöcker“. Ein solcher Verlauf führt zu einer Verfälschung der erkannten Position. Da der Effekt des ausgeprägten „Dips“ in der räumlichen Verteilung nur bei sehr kurzen Entfernungen auftritt ist die hier vorgeschlagene Redundanz vorteilhaft, da hier stets die Signale der Sendewicklungen mit größerer Entfernung ausgewertet werden können.

Besonders bevorzugt senden die Sendewicklungen, während eines Positioniervorgangs und oder eines Positionsprüfungsvorgang Positionierungssignale, welche sich in mindestens einem Unterscheidungskriterium unterscheiden aus und die Sensorwicklungen sind geeignet die Positionierungssignale zu empfangen. Das Unterscheidungskriterium muss hierbei so gewählt werden, dass die Signale nach dem Empfangen wieder klar voneinander getrennt werden können und den einzelnen Sendewicklungen zugeordnet werden können. Eine vorteilhafte einfache Auswertung, bei der aus der Intensität der einzelnen Signale auf einen relativen oder absoluten Abstand zu den Sendewicklungen geschlossen werden kann, ist dann möglich.

Vorteilhaft ist das Unterscheidungskriterium eine oder mehrere Frequenzen oder eine oder mehrere Pulsweiten.

Wird als Signal ein Wechselfeld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld verwendet, so sind die Frequenz und die Pulsweite die beiden einfachsten und vorteilhaftesten Möglichkeiten zur Realisierung eines Unterscheidungskriteriums. Beide Kriterien sind auch geeignet die Signale bei einer Überlagerung einfach zu trennen. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen erfolgt eine Transformation in den Frequenzbereich und unterschiedliche Frequenzbereiche können dann den jeweiligen Signalen zugeordnet werden.

Die den Sendewicklungen zugehörigen Frequenzen liegen dabei bevorzugt möglichst nah beieinander. Die Frequenzen liegen beispielsweise zwischen 5 kHz und 100 Hz auseinander. Besonders bevorzugt liegen die Frequenzen 200 Hz auseinander. Alternativ ist es auch möglich, dass die Frequenzen 500 Hz auseinanderliegen. Da die Verwendung von Frequenzen rechtlichen Regularien unterliegt und das Frequenzspektrum hierfür in bestimmte Frequenzbänder unterteilt ist, kann es vorteilhaft sein, die Frequenzen so nah beieinander zu wählen, dass alle verwendeten Frequenzen im selben Frequenzband liegen. Gleichzeitig ist ein Mindestabstand zwischen Frequenzen nötig, um diese voneinander unterscheiden zu können. Beispielsweise können die Frequenzen 130 kHz, 130,5 kHz, 131 kHz und 131 ,5 kHz für die Positionierungssignale verwendet werden. Alternativ können beispielsweise die Frequenzen 125 kHz, 130 kHz, 135 kHz und 140 kHz für die Positionierungssignale verwendet werden.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, die Positionierungssignale mit jeweils zugehörigen Pulsweiten zu erzeugen, sodass die Positionierungssignale unterscheidbar sind. Der Einsatz von Pulsweiten führt dazu, dass die Positionierungssignale bevorzugt innerhalb desselben Frequenzbandes erzeugt werden können. Dies führt zudem insbesondere zu einem, reduzierten Einfluss der Positioniervorrichtung auf sich in der Nähe befindenden Komponenten.

Bevorzugt sind die vier Sendewicklungen zumindest annähernd symmetrisch um das Zentrum der Energieübertragungswicklung der induktiven Ladeeinrichtung, welche nicht die Sensorwicklungen aufweist, angeordnet.

Insbesondere wenn die von den Sendewicklungen ausgesendeten Positionierungssignale voneinander unterscheidbar sind, ist ein Positioniervorgang oder ein Positionsprüfungsvorgang einfach durch einen Vergleich der Intensitäten der Positionierungssignale möglich.

Alternativ ist es möglich den Abstand zwischen den Sendewicklungen senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung kleiner zu wählen - insbesondere mindestens 10% kleiner - als den Abstand zwischen den Sendewicklungen in Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung. Bei einer solchen Ausführungsform kann eine höhere Genauigkeit in Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung erzielt werden als in die Richtung senkrecht hierzu. Dies hat den Vorteil, da bei einem Versatz in Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung durch ein Einfaches vor- bzw. zurückfahren darauf reagiert werden kann. Bei einem Versatz in der Richtung senkrecht hierzu ist ein erneutes Rangieren nötig. Es muss daher in diesem Fall vorrangig festgestellt werden, dass ein Versatz vorliegt. Wie groß dieser Versatz ist, ist dabei nachrangig.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Positionieren eines Fahrzeugs mit einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung in einer definierten Position zu einer stationären induktiven Ladeeinrichtung, wobei die mobile induktive Ladeeinrichtung und die stationäre induktive Ladeeinrichtung Teil eines erfindungsgemäßen Fahrzeugladesystems sind.

Erst bei einer ausreichend genauen Positionierung ist ein Energieübertragungsvorgang möglich. Bevorzugt ist eine definierte Position daher so gewählt, dass die beiden Energieübertragungsspulen der mobilen induktiven Ladeeinrichtung und der stationären induktiven Ladeeinrichtung so zueinander angeordnet sind, dass eine Energieübertragung mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad möglich ist.

Besonders bevorzugt ist die definierte Position dadurch definiert, dass sich, in einer Draufsicht auf die mobile induktive Ladeeinrichtung und die stationäre induktive Ladeeinrichtung, ein Referenzpunkt auf der mobilen induktiven Ladeeinrichtung in einem Zielbereich auf der stationären induktiven Ladeeinrichtung positioniert ist. Bei einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung, die beispielsweise unterhalb eines Fahrzeugs angeordnet ist und einer stationären induktiven Ladeeinrichtung, die auf einem Untergrund angeordnet ist, ist der Höhenabstand zwischen der mobilen und der stationären induktiven Ladeeinrichtung fix. Ein Verfahren zum Positionieren eines Fahrzeuges reduziert sich damit zu einem zweidimensionalen Positioniervorgang, bei dem das Fahrzeug in einer Ebene parallel zum Untergrund positioniert wird. Hierfür kann eine Draufsicht auf die mobile und die stationäre induktive Ladeeinrichtung herangezogen werden. Eine Draufsicht ist hierbei eine Draufsicht auf die Flächen in welchen sich die stationäre und die mobile induktive Ladeeinrichtung hauptsächlich erstrecken.

Eine ausreichend genaue Position kann in Bezug auf einen Referenzpunkt auf der mobilen induktiven Ladeeinrichtung angegeben werden. Ein Referenzpunkt kann das Zentrum einer Energieübertragungswicklung einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung sein. Ist der Referenzpunkt ausreichend genau positioniert, so ist die mobile induktive Ladeeinrichtung und also auch das Fahrzeug ausreichend genau positioniert. Eine ausreichend genaue Positionierung kann durch einen vordefinierten Zielbereich auf der stationären induktiven Ladeeinrichtung bestimmt werden. Der Zielbereich kann hierbei eine imaginäre Fläche sein. Ein Zielbereich kann sich in einem Umkreis von 100 mm um eine optimale Position vorliegen. Beispielsweise kann eine optimale Position eine Position sein, bei der die beiden Zentren der beiden Energieübertragungswicklungen übereinanderliegen. Ein Zielbereich kann ein Rechteck von 200 mm auf 150 mm sein, wobei die optimale Position sich im Zentrum dieses Zielbereichs befindet. Unter Verwendung von ausgesendeten und empfangenen Positionierungssignalen kann, während eines Positioniervorgangs das Fahrzeug vorteilhaft so positioniert werden, dass sich das Zentrum der Energieübertragungswicklung innerhalb eines vorgegebenen Zielbereichs befindet.

Unter Verwendung von ausgesendeten und empfangenen Positionierungssignalen kann, während eines Positionsprüfungsvorgangs überprüft werden, ob das Fahrzeug so positioniert ist, dass sich das Zentrum der Energieübertragungswicklung innerhalb eines vorgegebenen Zielbereichs befindet.

Das vorgeschlagene Verfahren zum Positionieren eines Fahrzeugs ist vorteilhaft, da hier eine sehr genaue Positionierung in einen vordefinierten Zielbereich möglich ist. Das hier vorgestellte Verfahren zum Positionieren kann angewendet werden, sobald ein Fahrzeug einen Mindestabstand zu einer Zielposition unterschritten hat. Ein solcher Mindestabstand kann beispielsweise zwischen 20 und 60 cm liegen. Ein solcher Mindestabstand kann erfüllt sein, sobald sich die induktive Ladeeinrichtung zumindest teilweise in dem Bereich befindet, welcher durch die Sendespulen aufgespannt wird.

Bevorzugt beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren, dass in den beiden Sensorwicklungen empfangene Signale erfasst und verarbeitet werden und aus den empfangenen Signalen ein Gesamtsignal bestimmt wird und das Gesamtsignal in Abhängigkeit des Unterscheidungskriteriums in mehrere Teilsignale geteilt wird und in Abhängigkeit von den Teilsignalen ein Positionsabweichungswert bestimmt wird. Die Verwendung von mindestens zwei Sensorwicklungen ist vorteilhaft, da somit eine Abhängigkeit der empfangenen Signale vom Winkel beseitigt werden kann.

In beiden Sensorwicklungen wird zunächst eine Überlagerung der Signale der unterschiedlichen Sendespulen, welche sich durch das Unterscheidungskriterium unterscheiden, empfangen. Aus den empfangenen Signalen der beiden Sensorwicklungen wird dann ein Gesamtsignal bestimmt. Dies kann im einfachsten Fall durch eine Addition der beiden empfangenen Signale geschehen. Das so entstandene Gesamtsignal ist nun unabhängig von den jeweiligen Winkeln zwischen Positionierungssignal und Sensorwicklungen. Danach wird das Gesamtsignal in mehrere Teilsignale geteilt. Entscheidend ist hierbei das verwendete Unterscheidungskriterium. Bei der Verwendung der Frequenz als Unterscheidungskriterium kann das Signal in den Frequenzbereich transformiert werden. Das Signal kann dann in mehrere Teilsignale geteilt werden, indem jeweils ein bestimmter Frequenzbereich einem Teilsignal zugeordnet wird.

Besonders bevorzugt beinhaltet das Erfassen und Verarbeiten der empfangenen Signale: die empfangenen Signale werden in einer Analog-Digital-Wandeleinheit abgetastet und in digitale Signale gewandelt und die digitalen Signale werden in einer Auswerteeinheit in den Frequenzbereich transformiert.

Eine Auswerteeinheit kann auf einem Chip, auf einer Steuereinheit, einem lokalen Prozessor oder einer sonstigen lokalen Recheneinheit realisiert sein. Alternativ kann eine Auswerteeinheit auf einer zentralen Recheneinheit realisiert sein.

Bei einer Frequenztransformation wird ein Signal aus dem Zeitbereich mathematisch in den Frequenzbereich transformiert. Für ein zeitabhängiges Signal macht eine Auswertung im Frequenzbereich Angaben darüber, wie stark eine bestimmte Frequenz oder ein bestimmter Frequenzbereich in diesem Signal vorhanden ist.

Eine Auswertung im Frequenzbereich ist hier vorteilhaft, insbesondere da es somit möglich ist, um die Frequenz oder den Frequenzbereich des Positionierungssignals zu filtern und so ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und somit eine größere Reichweite zu erreichen.

Vorteilhaft ist die Transformation in den Frequenzbereich durch eine diskrete Fouriertransformation, insbesondere durch eine schnelle Fouriertransformation (FFT), realisiert.

Eine diskrete Fouriertransformation kurz DFT transformiert ein im Zeitbereich abgetastetes Signal mittels einer Fouriertransformation in ein diskretes Frequenzsignal. Hier wird das in die Sensorwicklungen induzierte Spannungssignal diskret abgetastet. Relevant ist hierbei die Abtastfrequenz, die bestimmt, welche Frequenzen aufgelöst werden können. Die Abtastfrequenz muss so gewählt werden, dass die relevanten Frequenzen, hier insbesondere die Anregefrequenz, aufgelöst werden können. Eine spezielle, optimierte Form der diskreten Fouriertransformation ist die schnelle Fouriertransformation (englisch Fast Fourier Transformation, kurz FFT). Da durch den optimierten Algorithmus die Komplexität und somit der Rechenaufwand minimiert wird ist die FFT die häufigste implementierte Form von diskreten Fouriertransformationen. Vorteilhaft wird aus jedem Teilsignal ein Teilsignalwert bestimmt und aus jeweils zwei Teilsignalwerte wird durch Division ein Verhältnis berechnet und in Abhängigkeit von den Verhältnissen wird so lange ein Positionsabweichungswert bestimmt, bis alle Verhältnisse in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen. Die Teilsignale können zur Bestimmung und Korrektur der Positionsabweichung verwendet werden. Hierfür kann zunächst aus einem Teilsignal ein Teilsignalwert bestimmt werden, indem beispielsweise das Maximum des Teilsignals bestimmt wird oder indem die frequenz- oder zeitabhängigen Komponenten des Teilsignals aufsummiert werden. Es können nun jeweils zwei Teilsignalwerte zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Ziel des Positioniervorgangs ist es, dass die Verhältnisse sich innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs um einen Sollwert befinden. Ziel eines Positionsprüfvorgangs ist es zu prüfen, ob die Verhältnisse sich innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs um einen Sollwert befinden. Bei einer symmetrischen Anordnung der Sendewicklungen um die induktive Ladeeinrichtung kann der Sollwert für das Verhältnis bevorzugt 1 betragen. Ein Toleranzbereich für die Verhältnisse kann so gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass sich das Zentrum der Energieübertragungswicklung in einem vordefinierten räumlichen Zielbereich um eine für eine Energieübertragung optimale Position befindet. Solange ein oder mehrere Verhältnisse außerhalb des Toleranzbereiches liegen, wird aus den Verhältnissen ein Positionsabweichungswert berechnet. Dieser kann dann an eine weitere Recheneinheit oder an ein Anzeigeelement übergeben werden.

Das Heranziehen der Verhältnisse zur Erkennung der relativen Position der induktiven Ladeeinrichtungen bzw. der Energieübertragungswicklungen zueinander hat insbesondere den Vorteil, dass auf eine wiederholte Kalibrierung der induktiven Ladeeinrichtungen zueinander verzichtet werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Positionsabweichungswert oder ein aus dem Positionsabweichungswert abgeleiteter Wert über eine Datenschnittstelle an ein Bussystem bevorzugt an einen CAN-Bus oder an eine weitere Recheneinheit übergeben.

Eine Weitergabe eines entsprechenden Wertes erfolgt über eine Datenschnittstelle. Ein entsprechender Wert weist im Allgemeinen einen zeitabhängigen Verlauf auf. Eine Weitergabe kann an ein Bussystem erfolgen. Ein Bussystem ist ein System, welches dazu dient innerhalb eines Netzwerks die Übertragung von Daten zwischen den einzelnen Teilnehmern zu ermöglichen. Die Übertragung der Daten richtet sich hierbei nach speziellen Protokollen. Ein in Fahrzeugen häufig vorkommendes Protokoll ist das CAN-Protokoll. „CAN“ steht hierbei für „Controller Area Network“ und ein CAN-Bus ist ein Feldbus.

Alternativ zur Weitergabe an ein Bussystem kann ein entsprechender Wert auch an eine weitere Recheneinheit weitergegeben werden. Die weitere Recheneinheit kann mit der Auswerteeinheit physikalisch verbunden sein oder nicht.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigt, jeweils schematisch

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs mit einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung positioniert über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung mit Sensorwicklungen, Fig. 3 eine vereinfachte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße mobile induktive Ladeeinrichtung über einer erfindungsgemäßen stationären induktiven Ladeeinrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Signalverarbeitung zweier Positionierungssignale mit unterschiedlicher Frequenz,

Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung der von Sendewicklungen ausgesendeten Positionierungssignalen, welche in Sensorwicklungen detektiert werden,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine induktive Ladeeinrichtung mit vier Sensorwicklungen,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Sensorwicklung,

Fig. 8 eine Darstellung des räumlichen Verlaufs von zwei Teilsignalwerten.

Fig. 1 zeigt eine mobile induktive Ladeeinrichtung 1a , die an einem Fahrzeug 2 mit einem Energiespeicher 3 angeordnet ist und über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung 1 b positioniert ist. Im Betrieb kann von der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1 b Energie an die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a übertragen werden und der Energiespeicher des Fahrzeuges 3 hierdurch geladen werden.

Die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a und die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1 b bilden zusammen bzw. sind Teil eines Fahrzeugladesystems 8. Prinzipiell ist es auch möglich, das Fahrzeugladesystem 8 bidirektional zu betreiben. Dabei kann zeitweise Energie von der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a an die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b übertragen werden. Die in Fig. 1 auf dem Untergrund angeordnete stationäre induktive Ladeeinrichtung 1 b kann alternativ auch in der Fahrbahn versenkt angeordnet sein (hier nicht gezeigt). Bei einer versenkten Anordnung kann die induktive Ladeeinrichtung 1b von bestimmten Schichten der Fahrbahn überdeckt werden oder aber bündig mit der Fahrbahnoberfläche abschließen. Die stationäre induktive Ladeeinrichtung weist hier mehrere Sendewicklungen 13 auf, wobei in der seitlichen Darstellung zwei Sendewicklungen 13 zu sehen sind.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung 1 . Es kann sich hierbei um eine mobile induktive Ladeeinrichtung 1a oder eine stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b handeln. Die induktive Ladeeinrichtung 1 weist mehrere Flussführungselemente 5 auf. Zwischen den Flussführungselementen 5 sind schmale Spalte 32. Die Energieübertragungswicklung 4 ist hier eine Flachspule 10. Die erste Sensorwicklung 9a besitzt eine erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite Sensorwicklung 9b besitzt eine zweite radiale Längsrichtung 11 b. Die erste radiale Längsrichtung 11a steht senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung 6 und die erste Sensorwicklung 9a ist um mehrere Flussführungselement 5 angeordnet. Die zweite radiale Längsrichtung 11b ist in Fahrzeuglängsrichtung 6 ausgerichtet und die zweite Sensorwicklung 9b ist um mehrere Flussführungselement 5 angeordnet. Die Sensorwicklungen sind hier als Solenoid auch Zylinderspule genannt ausgebildet. Die erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite radiale Längsrichtung 11 b schneiden bzw. kreuzen sich zumindest annähernd im Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4.

Beim Energieübertragungsvorgang ist das Fahrzeug 2 über der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1 b positioniert und Energie wird an die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a übertragen. Die Flussführungselemente 5 übernehmen dabei die Funktion der Flussführung. In ihnen verlaufen im Ladezustand die Feldlinien des magnetischen Feldes annäherungsweise in radialer Richtung. Da die erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite radiale Längsrichtung 11b hier ebenfalls radial und somit zumindest annähernd parallel zu den Magnetfeldlinien 14 ausgerichtet sind wird hier nur verhältnismäßig wenig bis gar keine Spannung in die ersten Sensorwicklung 9a und in die zweite Sensorwicklung 9b induziert. Dies ist wichtig, da es bei den hohen Leistungen des Energieübertragungsvorgangs und somit hohen Flussdichten sonst leicht zu einer Zerstörung der Sensorwicklungen kommen könnte. Ein Zusatzaufwand zur Verhinderung der Zerstörung der Anordnung ist damit auch nicht notwendig. Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine mobile induktive Ladeeinrichtung 1a, welche über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b positioniert ist. Hier ist die mobile induktive Ladeeinrichtung als Positionierungsempfangseinrichtung 24a ausgebildet und die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1 b ist als Positionierungssendeeinrichtung 24b ausgebildet. Die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a ist ohne das Fahrzeug 2 an dem sie montiert ist gezeigt. Die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a weist eine Energieübertragungswicklung 4 in Form einer Flachspule 10 sowie mehrere Flussführungselemente 5 auf. Um mehrere der Flussführungselemente 5 und um die Energieübertragungswicklung 4 sind eine erste Sensorwicklung 9a und eine zweite Sensorwicklung 9b auf. Wobei die beiden Sensorwicklungen wie bei Fig. 2 beschrieben, angeordnet sind. Die Magnetfeldlinien während eines Energieübertragungsvorgangs (nicht gezeigt) verlaufen in der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a annähernd radial von dem Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4 nach außen. Somit verlaufen die radialen Längsrichtungen 11 der Sensorwicklungen 9 parallel zur Hauptrichtung der Magnetfeldlinien an diesem spezifischen Ort während eines Energieübertragungsvorgangs. Daher wird durch einen Energieübertragungsvorgangs keine oder nur eine sehr geringe Spannung in die Sensorwicklungen induziert. Die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a ist zentral über der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b positioniert. Die stationäre induktiven Ladeeinrichtung 1 b weist vier Sendewicklungen 13a, 13b, 13c, 13d auf. Die Sendewicklungen 13a, 13b, 13c, 13d können während eines Positioniervorgangs oder eines Positionsprüfvorgangs Positionierungssignale aussenden, welche in den Sensorwicklungen 9a, 9b detektiert werden können.

Anhand der schematischen Darstellung in Fig. 4 wird demonstriert, wie ein Positionieren mittels eines Unterscheidungskriterium möglich ist. Als Unterscheidungskriterium wird hier die Frequenz genommen. Im vorliegenden Beispiel unterscheiden sich die Positionierungssignale 12a, 12b, die von den beiden Sendewicklungen 13a, 13b erzeugt werden, in der Frequenz. Die beiden Sensorwicklungen 9a, 9b empfangen nun jeweils beide Positionierungssignale 12a, 12b. Die Intensität eines bestimmten in der jeweiligen Sensorwicklung 9a oder 9b detektierten Positionierungssignals 12a oder 12b ist sowohl Abhängig von der winkelmäßigen Orientierung der entsprechenden Sendewicklung 13a oder 13b zur jeweiligen Sensorwicklung 9a oder 9b als auch von dem jeweiligen Abstand zwischen Sendewicklung 13a oder 13b und Sensorwicklung 9a oder 9b. Die empfangenen Signale 15 der beiden Sensorwicklung 9a oder 9b werden nun mathematisch zusammengeführt, im einfachsten Fall addiert.

Man erhält nun ein Gesamtsignal 16, welches unabhängig von der winkelmäßigen Orientierung zwischen den Sendewicklungen 13a, 13b und den Sensorwicklungen 9a, 9b ist. Dieses Gesamtsignal 16 kann nun wieder in die unterschiedlichen Frequenzkomponenten unterteilt werden. In der vereinfachten Darstellung werden alle Signale im Frequenzbereich dargestellt. Tatsächlich werden in den Sensorwicklungen 9a, 9b jedoch zeitabhängige Signale empfangen. Im Rahmen der Signalverarbeitung werden diese dann in den Frequenzbereich transformiert. Dies erfolgt bevorzugt, nachdem die empfangenen Signale 15 zu einem Gesamtsignal 16 zusammengefasst wurden. Im Frequenzbereich kann das Gesamtsignal 16 nun wieder in verschiedene Teilsignale 17 unterteilt werden. Jedes Teilsignal enthält eine gewisse Bandbreite um die Frequenz des entsprechenden Positionierungssignals 12a, 12b.

In Fig. 5 ist die mobile induktive Ladeeinrichtung als Positionierungsempfangseinrichtung 24a ausgebildet und die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1 b ist als Positionierungssendeeinrichtung 24b ausgebildet. Die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1 b weist vier Sendewicklungen 13a, 13b, 13c, 13d auf, welche vier Positionierungssignale 12a, 12b, 12c, 12d aussenden die sich in einem Unterscheidungskriterium unterscheiden. Die Positionierungssignale 12a, 12b, 12c, 12d sind beispielsweise magnetische Felder und in Fig. 5 als Kreise angedeutet, da sie sich radial um die jeweilige Sendewicklung 13a, 13b, 13c, 13d ausdehnen. Die Positionierungssignale 12a, 12b, 12c, 12d können beispielsweise magnetische Nahfelder sein. Die Kreise deuten daher nur eine mögliche räumliche Verteilung eines Signals an und sollen keine Welleneigenschaften der Positionierungssignale 12a, 12b, 12c, 12d symbolisieren. Alle vier Positionierungssignale 12a, 12b, 12c, 12d werden jeweils von beiden Sensorwicklungen 9a, 9b detektiert. Da die beiden Sensorwicklungen 9a, 9b senkrecht aufeinander stehen kann somit durch entsprechende mathematische Verarbeitung der Signale in den beiden Sensorwicklungen die Winkelabhängigkeit der Signale herausgerechnet werden. Ein Unterschied in den Intensitäten der Signale ist danach nur noch auf einen Unterschied in der Entfernung zwischen Sendewicklung 13a, 13b, 13c, 13d und mobiler induktiver Ladeeinrichtung 1a zurückzuführen. Es wird nun für jedes Teilsignal ein Teilsignalwert bestimmt und aus den Teilsignalwerte mit jeweils dem Teilsignalwert der direkt benachbarten Sendewicklung13a, 13b, 13c, 13d ein Verhältnis berechnet. Sind diese Verhältnisse in einem bestimmten Toleranzbereich, so befindet sich der Referenzpunkt 33 der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a, welcher hier das Zentrum 7 der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a ist in einem vordefinierten Zielbereich 22.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine induktive Ladeeinrichtung 1 mit einer Energieübertragungswicklung 4, die als Flachspule 10 ausgeführt ist und mehreren Flussführungselementen 5. Die induktive Ladeeinrichtung 1 weist ferner vier Sendewicklungen 13a, 13b, 13c, 13d auf, die symmetrisch um das Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4 angeordnet sind.

Fig. 7 zeigt eine Sendewicklung 13, die als Flachspule 10 ausgeführt ist.

In Fig. 8 sind zwei Sendewicklungen 13 gezeigt, die zwei Positionierungssignale 12 mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 aussenden. Aus den beiden Positionierungssignalen 12 wurden als Teilsignalwerte 23 jeweils die Maximalwerte bei den beiden Frequenzen f1 und f2 ausgewertet. Hier ist der räumliche Verlauf der Maximalwerte schematisch dargestellt. Der hier gezeigte räumliche Verlauf stellt den räumlichen Verlauf bei einer ausreichenden Entfernung zwischen Sendewicklungen 13 und Sensorwicklungen 9 dar. Die Intensität der Maximalwerte nimmt ähnlich einer Gaußverteilung mit der Entfernung zur jeweiligen Sendewicklung 13 ab. Für geringere Entfernungen zwischen Sendewicklungen 13 und Sensorwicklungen 9 weist eine entsprechende räumliche Verteilung einen ausgeprägten „Dip“, also ein lokales Minimum zwischen zwei lokalen Maxima, im Bereich des hier gezeigten Maximums auf. Ein solcher „Dip“ verfälscht daher die genaue Bestimmung einer Position. Daher ist es vorteilhaft, dass das hier vorgestellte System redundant ausgelegt ist und für die Auswertung Signale von mehreren Sendewicklungen 13 verwendet werden können. Referenzliste

1 induktive Ladeeinrichtung

1a mobile induktive Ladeeinrichtung

1 b stationäre induktive Ladeeinrichtung

2 Fahrzeug

3 Energiespeicher des Fahrzeuges

4 Energieübertragungswicklung

5 Flussführungselement

6 Fahrzeuglängsrichtung

6a Soll-Fahrzeuglängsrichtung

7 Zentrum der Energieübertragungswicklung

8 Fahrzeugladesystem

9 Sensorwicklung

9a erste Sensorwicklung

9b zweite Sensorwicklung

10 Flachspule

11 radiale Längsrichtung

11a erste radiale Längsrichtung

11b zweite radiale Längsrichtung

12 Positionierungssignal

12a erstes Positionierungssignal

12b zweites Positionierungssignal

12c drittes Positionierungssignal

12d viertes Positionierungssignal

13 Sendewicklung

13a erste Sendewicklung

13b zweite Sendewicklung

13c dritte Sendewicklung

13d vierte Sendewicklung

14 Hauptrichtung der Magnetfeldlinien

15 empfangene Signal

16 Gesamtsignal

17 Teilsignal

18 Analog-Digital-Wandeleinheit Auswerteeinheit Elektronikeinrichtung metallische Abschirmung optional mit Kühlfunktion Zielbereich Teilsignalwert a Positionierungsempfangseinrichtung b Positionierungssendeeinrichtung Spalt zwischen Flussführungselementen Referenzpunkt