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WO2020025668A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der relativen position zweier spulen zueinander - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der relativen position zweier spulen zueinander Download PDF

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WO2020025668A1
WO2020025668A1 PCT/EP2019/070618 EP2019070618W WO2020025668A1 WO 2020025668 A1 WO2020025668 A1 WO 2020025668A1 EP 2019070618 W EP2019070618 W EP 2019070618W WO 2020025668 A1 WO2020025668 A1 WO 2020025668A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
information
antennas
coils
vehicle
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/070618
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anselm Schwarte
Michael Kausche
Markus Stutika
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of WO2020025668A1 publication Critical patent/WO2020025668A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the relative position of a second coil arranged in or on a vehicle to a first coil arranged on or in a location plane of the vehicle.
  • the technology of wireless inductive energy transmission enables automatic and convenient charging of electric and hybrid vehicles.
  • two coils must be suitably positioned relative to one another in order to bring about the magnetic coupling necessary for efficient energy transmission.
  • the first of these coils is surrounded, for example, by a first housing which is positioned firmly in the floor or on the floor of a parking lot.
  • the second of these coils is surrounded, for example, by a second housing which is fastened in or on a vehicle.
  • measuring devices which use transmitting and receiving antennas, which are arranged in the vicinity of the first coil fastened in or on the floor of the parking lot and in the vicinity of the second coil fastened in or on the vehicle.
  • a method for evaluating signals of an angle sensor is known, by means of which measurement results of high resolution can be achieved.
  • This method uses at least two sensor elements that span one plane.
  • a rotatable element spaced apart from this level is provided for varying a field, the sensor elements detecting at least a first and a second linearly independent vector of the field in this plane, and in addition a further variable which is dependent on is the distance between the plane and the rotatable element.
  • the amplitudes of the signals of the first and second sensor elements are controlled with the amount of the further variable.
  • the amount of the additional size can also be used to diagnose an incorrect distance between the plane and the rotatable element.
  • WO 2015/005935 A1 discloses a method and a device for the detection of foreign bodies in the vicinity of the primary coil of an electric induction charger, which is used for charging batteries of electric vehicles.
  • Individual sensors of a sensor array are configured such that they output a sensor signal in response to a magnetic coupling of the high-frequency alternating magnetic field generated by the primary coil.
  • a deactivation signal line is configured to deactivate the energy source when a controller detects from the sensed sensor signals that a foreign body is present.
  • the controller can also trigger an alarm to alert the user to the presence of a foreign object on or near the primary coil. In this way, damage that could otherwise be caused by the presence of a foreign body in the vicinity of the primary coil can be avoided.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for determining the relative position of a second coil arranged in or on a vehicle to a first coil arranged on or in a stay plane of the vehicle, which can be implemented simply and inexpensively and deliver accurate measurement results ,
  • the following steps are carried out in order to determine the relative position of a second coil arranged in or on a vehicle with respect to a first coil arranged on or in a holding plane of the vehicle:
  • the first coil which also serves as an energy source during the actual charging process, also serves as an energy source when determining the relative position between the second coil and the first coil, and that due to the current position of the second coil conditional form of the magnetic field generated by the first coil is used for position detection. Consequently, no additional transmitter and also no evaluation electronics connected to this additional transmitter are required to determine the relative position of the two coils for generating and evaluating a magnetic field. Furthermore, it is sufficient to use only one antenna arrangement having a plurality of antennas to determine the relative position between the two coils, which is arranged between the two coils either in the vicinity of the first coil or in the vicinity of the second coil.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the components required for inductive charging of an electric vehicle
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate the different coordinate systems of the first and the second coil
  • FIG. 3 shows a sketch to illustrate the magnetic fields generated when the two coils are relatively aligned relative to one another for a charging process and when the two coils are relatively unrelated to one another during a charging process
  • FIG. 4 shows a sketch to illustrate an antenna ring arranged in one plane
  • FIG. 5 shows a sketch to illustrate two antenna rings arranged in one plane
  • FIG. 6 shows a block diagram of a device for determining the relative position of two coils to one another
  • FIG. 7 shows a first diagram to illustrate a magnetic field deformation which is based on a relative positioning of the two coils which is not suitable for magnetic coupling
  • Figure 8 is an enlarged view of detail D of Figure
  • FIG. 9 shows a second diagram to illustrate a magnetic field deformation which is based on a relative positioning of the two coils which is not suitable for magnetic coupling
  • FIG. 10 shows a third diagram to illustrate a magnetic field deformation which is based on a relative positioning of the two coils which is not suitable for magnetic coupling
  • FIG. 11 shows a diagram to illustrate the course of induced voltages
  • FIG. 12 shows a diagram to illustrate the course of the difference between the voltages shown in FIG. 11,
  • FIG. 13 shows a diagram in which the course of the difference in the induced voltages is plotted against the mean antenna angle when the coils are rotated about the z-axis
  • FIG. 14 diagrams to illustrate a grid measurement of the x-y orientation of a realized prototype
  • FIG. 15 diagrams to illustrate measured in induced voltages with x-y misalignment variations at constant, different misalignment angles
  • FIG. 16 is a diagram in which the misalignment amplitude is plotted against the misalignment radius.
  • FIG. 17 shows a diagram in which the relationship between the angle, the amplitude and the radius is illustrated
  • FIG. 18 shows a diagram in which the measured angle is plotted against the current angle
  • FIG. 19 shows a diagram in which the mean absolute antenna value for different z distances between the two coils is illustrated
  • Figure 20 is a block diagram of an evaluation device according to a first embodiment
  • Figure 21 is a block diagram of an evaluation device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the components required for inductive charging of an electric vehicle.
  • These components include a charging station 1, which is connected to a first coil 3 via a line 2.
  • This first coil 3 is arranged in a housing or pad 4.
  • This housing 4 and thus also the first coil 3 are preferably arranged in a stationary manner in or on a stay level of an electric vehicle, in particular a parking lot.
  • energy is transmitted via a wireless energy transmission path 5 to a second coil 6, which is arranged in a second housing or pad 7.
  • This second housing 7 is fastened in or on the electric vehicle.
  • the energy induced in the second coil is forwarded via a line 8 to an energy store, which is a rechargeable battery or an accumulator.
  • the first coil 3 and the second coil 6 are arranged in different coordinate systems. This is illustrated in FIG. 2, which shows a sketch to illustrate the different coordinate systems of the first and second coils.
  • the lower coordinate system with the axes x G , y G and z G is assigned to the first coil 3 arranged in or on the location level of the electric vehicle and thus also to the first housing 4.
  • the upper coordinate system with the axes x v , yv and z v is assigned to the second coil 6 fastened in or on the electric vehicle and thus also to the second housing 7.
  • these two coils and thus also their housing must be optimally aligned with one another.
  • the vehicle In order to achieve this optimal alignment, the vehicle must be positioned exactly above the first coil 3 or the first housing 4.
  • FIG. 3 shows on its left side a sketch to illustrate the magnetic fields generated with a relative alignment of the two coils suitable for a charging process, and on its right side a sketch to illustrate the generated magnetic fields with a relative alignment of the two not suitable for a charging process Coils to each other.
  • the first coil 3 is arranged below a film 9, in which a first antenna ring 10 having a total of eight antennas is provided.
  • This film 9 including the antenna ring 10 is preferably arranged together with the first coil 3 in the first housing 4, but this is not shown in FIG. 3.
  • the second coil 6 is positioned above the first coil 3 and the antenna ring 11 and at a distance from these components.
  • the field lines of the magnetic field generated by the first coil penetrate both coils 3 and 6.
  • the two coils 3 and 4 are positioned exactly relative to one another, so that the field lines penetrating both coils are symmetrical to an imaginary one Center axis and thus symbolize an undistorted magnetic field.
  • the coils are offset relative to one another, so that a distorted magnetic field arises, the field lines of which are shown in the right-hand illustration of FIG. 3.
  • FIG. 4 shows a sketch to illustrate the antenna ring 10 arranged in the film 9 of FIG. 3.
  • This antenna ring 10 contains a total of eight antennas 11 which surround the center of the film 9 in a ring and adjoin one another in the circumferential direction, each of these antennas 11 extends over an angular range of 45 °. These antennas consequently have center positions in the circumferential direction, which are at 22.5 °, 67.5 °, 112.5 °, 157.5 °, 202.5 °, 247.5 °, 292.5 ° and 337.5 ° lie. As will be explained further below, these antennas are used to detect the shape of a magnetic field generated by the first coil and penetrating both coils.
  • two antenna rings can also be accommodated in the film 9, which are spaced apart from one another in the radial direction and each have eight antennas 11. This is illustrated in FIG. 5.
  • a total of 16 antennas are used to detect the shape of a magnetic field generated by the first coil 3 and penetrating both coils.
  • the eight antennas 11 of the respective antenna ring which surround the center of the film in a ring form adjoin one another in the circumferential direction and each extend over an angular range of 45 °.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a device for determining the position of the two coils 3 and 6 relative to one another.
  • This device has an antenna ring which has a total of eight antennas 11.
  • the first coil 3, not shown in FIG. 6, which is also referred to below as the primary coil, serves as the excitation coil, which is charged with an alternating voltage of low amplitude by the charging station. As a result, the magnetic field already mentioned is formed.
  • the antennas 11 serve as detectors, in each of which a voltage is induced. These voltages are each forwarded to an analog-to-digital converter 13, which samples these voltages and provides digital output signals. These digital output signals of the analog-digital converter 13 are fed to an amplitude detector 14, which evaluates the digital output signals of the analog-digital converter and provides a signal on the output side which corresponds to a magnetic field amplitude. In addition to this, information about the phase and the frequency can also be determined in the amplitude determiner in order to improve the accuracy of the determination of the relative position of the two coils to one another.
  • the output signal or the output signals of the amplitude detectors 14 are forwarded to a positron and rotation mean 15 which determines the position and the angle of rotation of the second coil 6 arranged in or on the vehicle relative to the first coil 3 from the output signals of the amplitude detector 14.
  • This information about the position and the rotation can be used when the vehicle approaches the loading point in the circuit block 16 for a tolerance range check, in which it is checked whether the vehicle has reached a tolerance range within which inductive charging can take place or still has Not.
  • this information about the position and the rotation after reaching the tolerance range can be used in a circuit block 17 for fine positioning of the vehicle in order to be able to assume a parking position within the tolerance range that is as optimal as possible for the inductive charging process.
  • This fine positioning can be done either by automatic parking which the vehicle automatically moves into the optimal parking position, or by the driver, to whom visual or acoustic guidance information is given. Furthermore, this information about the position and the rotation during the inductive charging process can be used in a circuit block 18 for a continuous position check in order to ensure that the vehicle is still at least in the tolerance range mentioned. If this is the case, the charging process is continued. If this is no longer the case, the charging process is interrupted and an optical and / or acoustic error message is output.
  • FIG. 7 shows a diagram corresponding to a radial profile, in which the magnetic flux density Bz is plotted in the z direction and the radius r to the right, the individual curves being assigned to the different antennas 11 of the antenna ring and the antennas in one xy plane are arranged, which runs slightly above the primary coil 3.
  • the antennas 11 and the primary coil 3 are preferably arranged in one and the same housing.
  • FIG. 8 shows an enlarged representation of the detail D shown in FIG. 7. From this enlarged representation it can be seen that the courses of the magnetic flux density in the z direction that are due to the different antennas 11 differ from one another in the angular range shown. This shows that there is an undesirable magnetic field deformation.
  • FIG. 9 shows a diagram corresponding to a tangential profile, in which the magnetic flux density Bz measured at a certain radius around the center of the primary coil and the angle to the right are plotted, wherein the lower curve shows an ideal relative orientation of the second coil 6 to the first coil 3 and the upper curve shows a misalignment.
  • the curve is sinusoidal with a constant amplitude curve in the individual sinus periods.
  • the curve is also sinusoidal, but has different amplitudes. This shows that if there is a sinusoidal signal curve with different amplitudes in the individual sine periods, there is an undesirable magnetic field deformation.
  • FIG. 10 shows a diagram corresponding to a tangential profile, in which the magnetic flux density Bz is plotted and the angle is plotted to the right, the lower curve in turn showing an ideal relative orientation of the second coil 6 to the first coil 3 and the upper curve a misalignment illustrated and wherein the course of the mean value of the magnetic flux density over an angular range of 45 ° are shown in Figure 10. It can be seen from the curve profiles shown in FIG. 10 that if the mean value mentioned is essentially constant, there is an ideal relative orientation of the two coils to one another and that if the mean value profile shows a clearly visible elevation, there is an undesired magnetic field deformation.
  • FIG. 11 shows a diagram to illustrate the course of induced voltages, the respectively induced voltage being plotted upwards and the antenna angle being plotted to the right.
  • the upper curve shows a curve of the voltages that were derived from the antennas of the radially outer antenna ring when two antenna rings with eight antennas were used, and the lower curve shows a curve of the voltages that when two antenna rings were used Eight antennas were derived from the antennas of the radially inner antenna ring.
  • FIG. 12 shows a diagram to illustrate the course of the difference AU between the voltages shown in FIG. 11.
  • the rounded curve shows a Gaussian bell, the values of which illustrate a mean value of voltages derived from the antennas of the outer and inner antenna rings.
  • the straight line section-wise curve shows the course of difference values, which were determined in each case at an average antenna angle of the antennas adjoining one another in the circumferential direction.
  • the arrow shown in the middle of FIG. 12 corresponds to the Gaussian amplitude, which illustrates the amplitude of the misalignment or displacement of the two coils relative to one another and thus characterizes the size of the displacement.
  • the center of the Gaussian bell curve provides direct information about the direction of deviation and thus the angle of deviation.
  • FIG. 13 shows a diagram in the event that the coils are rotated relative to one another about the z axis.
  • the course of the difference in the induced voltages is plotted over the mean antenna angle.
  • the curve shown indicates an incorrect angular alignment of the two coils relative to one another, the identification of the error shown being based on the voltage values derived from adjacent antennas.
  • the rotation of the second coil 6 or of the vehicle can thus also be measured in principle.
  • FIG. 14 shows diagrams to illustrate a grid measurement of the xy alignment of a realized prototype.
  • the x-orientation is plotted to the right and the y-orientation upwards.
  • the points marked with small crosses in the illustration on the left are a grid of measuring points.
  • the measurement point encircled in the illustration on the left does not indicate any misalignment.
  • the points at which measurements were made are points which are marked as grid points in the left-hand illustration of FIG. 14.
  • FIG. 15 shows diagrams to illustrate measured induced voltages in digits
  • Gaussian bell and misalignment angle and center of the Gaussian bell.
  • the signal strength AU of the difference curve increases with the strength of the misalignment.
  • the center of the Gaussian bell for the difference course AU directly shows the misalignment angle.
  • FIG. 16 shows a diagram in which the misalignment amplitude A is plotted against the misalignment radius r for all grid measuring points from FIG. 14. It can be seen from the curve curve shown that there is a correlation between the amplitude and the radius of the misalignment that can be evaluated well:
  • This relationship can e.g. are stored in a map. According to FIG. 20, this relationship is expanded in function block 21 by the averager 20, so that different z-spacings of the coils are then taken into account.
  • FIG. 18 shows a diagram in which the measured angle m is plotted against the current angle a for all grid measuring points from FIG. 14.
  • the measurement method directly delivers the misalignment angle with a high degree of accuracy without the need for conversions.
  • FIG. 19 shows a diagram in the form of a three-dimensional characteristic diagram, in which the mean absolute antenna value W is illustrated at different distances between the two coils over the x-y plane. It can be seen that the mean absolute antenna value remains the same
  • the function block 21 in FIG. 20 uses this relationship to determine the z distance of the two coils 3, 6 in addition to the determination of r and a.
  • FIG. 20 shows a block diagram of an evaluation device according to a first exemplary embodiment.
  • This evaluation device is designed to determine the relative position of the two coils 3 and 6 from one another from the voltage values provided by the antennas 11 of the antenna ring or the antenna rings.
  • the voltage values provided by the antennas are fed to a Gaussian distribution determiner 19 and an averager 20.
  • a Gaussian distribution determiner 19 An example of such a Gauss distribution distributor was explained in more detail above with reference to FIGS. 11 and 12.
  • the Gaussian distribution detector 19 provides information about the Gaussian amplitude A, which describes the displacement of the second coil 6 relative to the first coil 3, and information about the Gaussian center, which describes the angle of rotation of the second coil 6 relative to the first Coil 3 describes available.
  • This information is used together with the output signal of the averager 20 to address a map memory 21 in which look-up tables are stored.
  • a map memory 21 in which look-up tables are stored.
  • information about the misalignment radius r, the misalignment angle and the distance z of the second coil 6 from the first coil 3 are available. The information about the misalignment radius r and the
  • Misalignment angles are fed to a displacement detector 22, which uses this information to determine the misalignment Ax in the x direction and the misalignment Ay in the y direction and provides these variables at its output. These variables can then be subjected to further processing in the desired manner, possibly together with the determined distance z, for example the initial check described above as to whether a vehicle to be loaded is already within the tolerance range mentioned above, or the fine positioning described above Vehicle or the continuous monitoring of the vehicle position during the charging process.
  • FIG. 21 shows a block diagram of an evaluation device according to a second exemplary embodiment.
  • This evaluation device is also designed to determine the relative position of the two coils 3 and 6 to one another from the voltage values provided by the antennas 11 of the antenna ring or the antenna rings.
  • the signals provided by the antennas are fed to a neural network 23.
  • This neural network 23 is designed to use the signals provided by the antennas 11 of the antenna ring or antenna rings to provide information about the misalignment Ax in the x direction and the misalignment Ay in the y direction, and information about the distance z between the two coils 3 and 6 to determine.
  • the neural network 23 has an input level 24, a hidden level 25 and an output level 26.
  • the input signals are scaled to a desired range of values.
  • the output signals of the input 21, as shown in FIG. 21, are each led to a plurality of inputs of the hidden level 25, each input of the hidden level being connected to a summer which carries out a summation of its input signals.
  • the output signals of the summers are each converted into an output variable using a transfer function, which is provided at the output of the hidden level 25.
  • the output signals of the hidden level are each forwarded to a plurality of inputs of the output level 26, each input of the output level 26 being in turn connected to a summer which carries out a summation of its input signals.
  • the output signals of the summers are each fed to a scaler.
  • the desired information about the misalignment Ax in the x direction, the misalignment Ay in the y direction and the distance z between the two coils 3 and 6 are made available .
  • These variables can then be subjected to further processing, as in the exemplary embodiment shown in FIG. 20, in a desired manner in each case, if appropriate together with the determined distance z, for example in the initial check described above as to whether a vehicle to be loaded is already there is in the tolerance range mentioned above, or in the above-described fine positioning of the vehicle or in the continuous monitoring of the vehicle position during the charging process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule zu einer auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule mit folgenden Schritten: -Erzeugen eines Magnetfeldes mittels der ersten Spule, -Erfassen des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes mittels einer zwischen den beiden Spulen angeordneten und mehrere Antennen aufweisenden Antennenanordnung und -Weiterleiten der von den Antennen bereitgestellten Ausgangssignale an eine Auswerteeinheit, die aus den von den Antennen bereitgestellten Signalen Informationen ermittelt, die die die relative Position der zweiten Spule zurersten Spule beschreiben. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule zu einer auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der relativen Position zweier Spulen zueinander
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule zu einer ersten, auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten zweiten Spule.
Die Technologie einer drahtlosen induktiven Energieübertragung ermöglicht ein automatisches und komfortables Laden von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Dabei müssen zwei Spulen relativ zuei nander geeignet positioniert werden, um die zu einer effizienten Energieübertragung notwendige magnetische Kopplung herbeizu führen. Die erste dieser Spulen ist beispielsweise von einem ersten Gehäuse umgeben, welches fest im Boden oder auf dem Boden eines Parkplatzes positioniert ist. Die zweite dieser Spulen ist beispielsweise von einem zweiten Gehäuse umgeben, das in oder an einem Fahrzeug befestigt ist. Folglich verändert sich die Position des zweiten Gehäuses und damit der zweiten Spule relativ zur ersten Spule, wenn sich das Fahrzeug bewegt.
Um einen möglichst effizienten Ladevorgang durchführen zu können ist es notwendig, das Fahrzeug derart über der ersten Spule zu positionieren, dass die zum Ladevorgang notwendige magnetische Kopplung beider Spulen sichergestellt ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass mittels einer Messvorrichtung die relative Position der im oder am Fahrzeug vorgesehenen Spule zu der im oder auf dem Boden des Parkplatzes angeordneten Spule ermittelt wird, um das Fahrzeug in notwendiger Weise positionieren zu können.
Hierzu sind bereits Messvorrichtungen bekannt, welche Sende- und Empfangsantennen verwenden, die in der Nähe der im oder auf dem Boden des Parkplatzes befestigten ersten Spule und in der Nähe der im oder am Fahrzeug befestigten zweiten Spule verteilt angeordnet sind. Aus der WO 2011/036196 Al ist ein Verfahren zur Auswertung von Signalen eines Winkelsensors bekannt, mittels dessen Messer gebnisse von hoher Auflösung erreicht werden können. Bei diesem Verfahren werden mindestens zwei Sensorelemente verwendet, die eine Ebene aufspannen. Ferner ist ein von dieser Ebene beab- standetes drehbares Element zur Variation eines Feldes vor gesehen, wobei die Sensorelemente mindestens einen ersten und einen zweiten voneinander linear unabhängigen Vektor des in dieser Ebene anliegenden Feldes erfassen und wobei zusätzlich eine weitere Größe erfasst wird, die abhängig von dem Abstand zwischen der Ebene und dem drehbaren Element ist. Mit dem Betrag der weiteren Größe werden die Amplituden der Signale des ersten und zweiten Sensorelementes gesteuert. Der Betrag der weiteren Größe kann auch zur Diagnose eines fehlerhaften Abstandes zwischen der Ebene und dem drehbaren Element verwendet werden.
Aus der WO 2015/005935 Al sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Fremdkörpern in der Nähe der Primärspule eines elektrischen Induktionsladers bekannt, der zum Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen verwendet wird. Dabei sind einzelne Sensoren eines Sensorarrays derart konfiguriert, dass sie ein Sensorsignal als Antwort auf eine magnetische Kopplung des von der Primärspule erzeugten hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes ausgeben. Eine Deaktivierungssignalleitung ist konfiguriert, um die Energiequelle zu deaktivieren, wenn ein Controller anhand der abgetasteten Sensorsignale erkennt, dass ein Fremdkörper vorhanden ist. Des Weiteren kann der Controller einen Alarm auslösen, um den Benutzer auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers auf oder in der Nähe der Primärspule aufmerksam zu machen. Auf diese Weise kann eine Beschädigung vermieden werden, die ansonsten auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers in der Nähe der Primärspule verursacht werden könnte. Darüber hinaus kann ein effizienter Ladevorgang erreicht werden, indem ver mieden wird, dass Energie durch eine Erhitzung des Fremdkörpers abgeführt wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule zu einer auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule anzugeben, die einfach und kostengünstig realisierbar sind und genaue Messergebnisse liefern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren werden zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug ange ordneten zweiten Spule zu einer auf oder in einer Aufent haltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule folgende Schritte durchgeführt:
- Erzeugen eines Magnetfeldes mittels der ersten Spule,
- Erfassen des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes mittels einer zwischen den beiden Spulen angeordneten und mehrere Antennen aufweisenden Antennenanordnung und
-Weiterleiten der von den Antennen bereitgestellten Aus gangssignale an eine Auswerteeinheit, die aus den von den Antennen bereitgestellten Ausgangssignalen Informationen er mittelt, welche die relative Position der zweiten Spule zur ersten Spule beschreiben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die erste Spule, welche auch beim eigentlichen Ladevorgang als Energiequelle dient, auch bei der Ermittlung der relativen Position zwischen der zweiten Spule und der ersten Spule als Energiequelle dient und dass die durch die momentane Position der zweiten Spule bedingte Form des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes zur Positionsdetektion verwendet wird. Folglich bedarf es zur Ermittlung der relativen Position der beiden Spulen zueinander keines zusätzlichen Übertragers und auch keiner mit diesem zusätzlichen Übertrager verbundenen Auswerteelektronik zur Erzeugung und Auswertung eines Magnetfeldes . Des Weiteren ist es ausreichend, zur Ermittlung der relativen Position zwischen den beiden Spulen lediglich eine mehrere Antennen aufweisende Antennenanordnung zu verwenden, die zwischen den beiden Spulen entweder in der Nähe der ersten Spule oder in der Nähe der zweiten Spule angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
Figur 1 eine Blockdarstellung der zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs notwendigen Bauteile,
Figur 2 eine Skizze zur Veranschaulichung der unterschied lichen Koordinatensysteme der ersten und der zweiten Spule,
Figur 3 eine Skizze zur Veranschaulichung der erzeugten Magnetfelder bei zu einem Ladevorgang geeigneter relativer Ausrichtung der beiden Spulen zueinander und bei zu einem Ladevorgang nicht geeigneter relativer Ausrichtung der beiden Spulen zueinander,
Figur 4 eine Skizze zur Veranschaulichung eines in einer Ebene angeordneten Antennenrings,
Figur 5 eine Skizze zur Veranschaulichung zweier in einer Ebene angeordneten Antennenringe,
Figur 6 eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Er mittlung der relativen Position zweier Spulen zueinander,
Figur 7 ein erstes Diagramm zur Veranschaulichung einer Magnetfelddeformation, die auf einer zu einer magnetischen Kopplung nicht geeigneten relativen Positionierung der beiden Spulen beruht,
Figur 8 eine vergrößerte Darstellung des Details D von Figur
7, Figur 9 ein zweites Diagramm zur Veranschaulichung einer Magnetfelddeformation, die auf einer zu einer magnetischen Kopplung nicht geeigneten relativen Positionierung der beiden Spulen beruht,
Figur 10 ein drittes Diagramm zur Veranschaulichung einer Magnetfelddeformation, die auf einer zu einer magnetischen Kopplung nicht geeigneten relativen Positionierung der beiden Spulen beruht,
Figur 11 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs induzierter Spannungen,
Figur 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Differenz zwischen den in der Figur 11 gezeigten Spannungen,
Figur 13 ein Diagramm, in welchem der Verlauf der Differenz der induzierten Spannungen über dem mittleren Antennenwinkel aufgetragen ist bei einer Verdrehung der Spulen um die z-Achse,
Figur 14 Diagramme zur Veranschaulichung einer Gittermessung der x-y-Ausrichtung eines realisierten Prototyps,
Figur 15 Diagramme zur Veranschaulichung von gemessenen in duzierten Spannungen bei x-y-Fehlausrichtungsvariationen bei konstanten, unterschiedlichen Fehlausrichtungswinkeln,
Figur 16 ein Diagramm, in welchem die Fehlausrichtungs amplitude über dem Fehlausrichtungsradius aufgetragen ist,
Figur 17 ein Diagramm, in welchem der Zusammenhang zwischen dem Winkel, der Amplitude und dem Radius veranschaulicht ist,
Figur 18 ein Diagramm, in welchem der gemessene Winkel über dem aktuellen Winkel aufgetragen ist, Figur 19 ein Diagramm, in welchem der mittlere absolute An tennenwert bei unterschiedlichen z-Abständen zwischen den beiden Spulen veranschaulicht ist,
Figur 20 eine Blockdarstellung einer Auswertevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 21 eine Blockdarstellung einer Auswertevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung der zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs notwendigen Bauteile. Zu diesen Bauteilen gehört eine Ladestation 1, die über eine Leitung 2 mit einer ersten Spule 3 verbunden ist. Diese erste Spule 3 ist in einem Gehäuse bzw. Pad 4 angeordnet. Dieses Gehäuse 4 und damit auch die erste Spule 3 sind in oder auf einer Aufenthaltsebene eines Elektrofahrzeugs, insbesondere einem Parkplatz, vorzugsweise ortsfest angeordnet. Von dieser ersten Spule aus erfolgt über eine drahtlose Energieübertragungsstrecke 5 eine Übertragung von Energie zu einer zweiten Spule 6, die in einem zweiten Gehäuse bzw. Pad 7 angeordnet ist. Dieses zweite Gehäuse 7 ist im oder am Elektrofahrzeug befestigt. Die in die zweite Spule induzierte Energie wird über eine Leitung 8 an einen Energiespeicher weitergeleitet, bei dem es sich um eine aufladbare Batterie bzw. einen Akkumulator handelt.
Die erste Spule 3 und die zweite Spule 6 sind in unterschiedlichen Koordinatensystemen angeordnet. Dies ist in der Figur 2 ver anschaulicht, die eine Skizze zur Veranschaulichung der un terschiedlichen Koordinatensysteme der ersten und der zweiten Spule zeigt. Das untere Koordinatensystem mit den Achsen xG, yG und zG ist der in oder auf der Aufenthaltsebene des Elektro fahrzeugs angeordneten ersten Spule 3 und damit auch dem ersten Gehäuse 4 zugeordnet. Das obere Koordinatensystem mit den Achsen xv, yv und zv ist der im oder am Elektrofahrzeug befestigten zweiten Spule 6 und damit auch dem zweiten Gehäuse 7 zugeordnet. Um die genannten beiden Spulen magnetisch derart miteinander zu koppeln, dass die gewünschte drahtlose Energieübertragung effektiv erfolgen kann, müssen diese beiden Spulen und damit auch deren Gehäuse zueinander optimal ausgerichtet sein.
Um diese optimale Ausrichtung herbeizuführen, bedarf es einer exakten Positionierung des Fahrzeugs über der ersten Spule 3 bzw. dem ersten Gehäuse 4.
Zur Herbeiführung dieser optimalen Positionierung ist eine genaue Messung der momentanen relativen Position der am oder im Fahrzeug befestigten zweiten Spule zu der in oder auf der Aufenthaltsebene des Fahrzeugs ortsfest angeordneten ersten Spule notwendig.
Die Figur 3 zeigt auf ihrer linken Seite eine Skizze zur Veranschaulichung der erzeugten Magnetfelder bei zu einem Ladevorgang geeigneter relativer Ausrichtung der beiden Spulen zueinander und auf ihrer rechten Seite eine Skizze zur Ver anschaulichung der erzeugten Magnetfelder bei zu einem Lade vorgang nicht geeigneter relativer Ausrichtung der beiden Spulen zueinander. Dabei ist in beiden Skizzen die erste Spule 3 unterhalb einer Folie 9 angeordnet, in welcher ein insgesamt acht Antennen aufweisender erster Antennenring 10 vorgesehen ist. Diese Folie 9 inklusive des Antennenringes 10 ist vorzugsweise zusammen mit der ersten Spule 3 im ersten Gehäuse 4 angeordnet, was jedoch in der Figur 3 nicht dargestellt ist. Oberhalb der ersten Spule 3 und des Antennenringes 11 und im Abstand zu diesen Bauteilen ist die zweite Spule 6 positioniert.
Die Feldlinien des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes durchdringen -wie aus der Figur 3 ersichtlich ist- beide Spulen 3 und 6.
In der linken Darstellung von Figur 3 sind die beiden Spulen 3 und 4 relativ zueinander exakt positioniert, so dass die beide Spulen durchdringenden Feldlinien symmetrisch zu einer gedachten Mittelachse verlaufen und somit ein unverzerrtes Magnetfeld symbolisieren .
In der rechten Darstellung von Figur 3 sind die Spulen relativ zueinander versetzt, so dass ein verzerrtes Magnetfeld entsteht, dessen Feldlinien in der rechten Darstellung von Figur 3 gezeigt sind .
Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des in der Folie 9 von Figur 3 angeordneten Antennenrings 10. Dieser Antennenring 10 enthält insgesamt acht Antennen 11, die den Mittelpunkt der Folie 9 ringförmig umgeben und sich in Um fangsrichtung aneinander anschließen, wobei sich jede dieser Antennen 11 über einen Winkelbereich von 45° erstreckt. Diese Antennen weisen folglich in Umfangsrichtung Mittenpositionen auf, die bei 22,5°, 67,5°, 112,5°, 157,5°, 202,5°, 247,5°, 292,5° und 337,5° liegen. Diese Antennen werden, wie noch weiter unten erläutert wird, zur Erfassung der Form eines von der ersten Spule erzeugten, beide Spulen durchdringenden Magnetfeldes verwendet.
Alternativ zu dem in der Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel können in der Folie 9 auch zwei Antennenringe aufgenommen sein, die in Radialrichtung voneinander beabstandet sind und jeweils acht Antennen 11 aufweisen. Dies ist in der Figur 5 veran schaulicht. Bei dem in der Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel werden diese insgesamt 16 Antennen zur Erfassung der Form eines von der ersten Spule 3 erzeugten, beide Spulen durchdringenden Magnetfeldes verwendet. Auch bei dem in der Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel schließen sich die den Mittelpunkt der Folie ringförmig umgebenden acht Antennen 11 des jeweiligen Anten nenrings in Umfangsrichtung aneinander an und erstrecken sich jeweils über einen Winkelbereich von 45°. Folglich weisen auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Antennen jedes der beiden Antennenringe in Umfangsrichtung Mittenpositionen auf, die bei 22,5°, 67,5°, 112,5°, 157,5°, 202,5°, 247,5°, 292,5° und 337,5° liegen . Die Figur 6 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Position der beiden Spulen 3 und 6 relativ zueinander. Diese Vorrichtung weist einen Antennenring auf, welcher insgesamt acht Antennen 11 hat. Die in der Figur 6 nicht dargestellte erste Spule 3, die nachfolgend auch als Primärspule bezeichnet wird, dient als Erregerspule, die von der Ladestation mit einer Wechselspannung geringer Amplitude beaufschlagt wird. Als Folge davon bildet sich das bereits oben genannte Magnetfeld. Die Antennen 11 dienen als Detektoren, in welche jeweils eine Spannung induziert wird. Diese Spannungen werden jeweils an einen Analog-Digital-Wandler 13 weitergeleitet, der diese Spannungen abtastet und digitale Ausgangssignale zur Verfügung stellt. Diese digitalen Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 13 werden einem Amplitudenermittler 14 zugeführt, der die digitalen Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler auswertet und ausgangsseitig ein Signal bereitstellt, das einer Magnet feldamplitude entspricht. Zusätzlich dazu kann im Amplitu denermittler auch eine Information über die Phase und die Frequenz ermittelt werden, um die Genauigkeit der Ermittlung der relativen Position der beiden Spulen zueinander zu verbessern.
Das Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale des Amplitu denermittlers 14 werden an einen Positrons- und Rotationser mittler 15 weitergeleitet, der aus den Ausgangssignalen des Amplitudenermittlers 14 die Position und den Drehwinkel der im oder am Fahrzeug angeordneten zweiten Spule 6 relativ zur ersten Spule 3 ermittelt. Diese Informationen über die Position und die Rotation können bei der Annäherung des Fahrzeugs an die La destelle im Schaltungsblock 16 zu einer Toleranzbereichsprüfung verwendet werden, bei welcher überprüft wird, ob das Fahrzeug einen Toleranzbereich, innerhalb dessen eine induktive Ladung erfolgen kann, erreicht hat oder noch nicht. Des Weiteren können diese Informationen über die Position und die Rotation nach Erreichen des Toleranzbereiches in einem Schaltungsblock 17 zu einer Feinpositionierung des Fahrzeugs verwendet werden, um eine für den induktiven Ladevorgang möglichst optimale Parkposition innerhalb des Toleranzbereiches einnehmen zu können. Diese Feinpositionierung kann entweder durch eine Parkautomatik, durch welche sich das Fahrzeug selbsttätig in die optimale Parkposition bewegt, oder durch den Fahrer, dem optisch oder akustisch Leitinformationen gegeben werden, erfolgen. Ferner können diese Informationen über die Position und die Rotation während des induktiven Ladevorganges in einem Schaltungsblock 18 zu einer kontinuierlichen Positionsüberprüfung verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug sich nach wie vor zumindest im genannten Toleranzbereich befindet. Ist dies der Fall, dann wird der Ladevorgang fortgesetzt. Ist dies nicht mehr der Fall, dann wird der Ladevorgang abgebrochen und es wird eine optische und/oder akustische Fehlermeldung ausgegeben.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 7 bis 19 Signalverläufe erläutert, die Fehlausrichtungen der zweiten Spule 6 relativ zur ersten Spule 3 veranschaulichen.
Die Figur 7 zeigt ein einem Radialprofil entsprechendes Diagramm, in welchem nach oben die magnetische Flussdichte Bz in z-Richtung und nach rechts der Radius r aufgetragen ist, wobei die einzelnen Kurvenverläufe den unterschiedlichen Antennen 11 des Anten nenringes zugeordnet sind und wobei die Antennen in einer x-y-Ebene angeordnet sind, die geringfügig oberhalb der Pri märspule 3 verläuft. Vorzugsweise sind -wie bereits oben ausgeführt wurde- die Antennen 11 und die Primärspule 3 in ein und demselben Gehäuse angeordnet.
Die Figur 8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in der Figur 7 gezeigten Details D. Aus dieser vergrößerten Darstellung ist ersichtlich, dass die auf die unterschiedlichen Antennen 11 zurückzuführenden Verläufe der magnetischen Flussdichte in z-Richtung im gezeigten Winkelbereich voneinander abweichen. Daran ist erkennbar, dass eine unerwünschte Magnetfelddefor mation vorliegt.
Die Figur 9 zeigt ein einem Tangentialprofil entsprechendes Diagramm, in welchem nach oben die bei einem bestimmten Radius um den Mittelpunkt der Primärspule gemessene magnetische Flussdichte Bz und nach rechts der Winkel aufgetragen ist, wobei der untere Kurvenverlauf eine ideale relative Ausrichtung der zweiten Spule 6 zur ersten Spule 3 aufzeigt und der obere Kurvenverlauf eine Fehlausrichtung veranschaulicht. Beim un teren Kurvenverlauf verläuft die Kurve sinusförmig mit jeweils gleichbleibendem Amplitudenverlauf in den einzelnen Sinuspe rioden. Beim oberen Kurvenverlauf verläuft die Kurve ebenfalls sinusförmig, hat aber unterschiedliche Amplituden. Daran ist erkennbar, dass bei einem Vorliegen eines sinusförmigen Sig nalverlaufes mit unterschiedlichen Amplituden in den einzelnen Sinusperioden eine unerwünschte Magnetfelddeformation vorliegt.
Die Figur 10 zeigt ein einem Tangentialprofil entsprechendes Diagramm, in welchem nach oben die magnetische Flussdichte Bz und nach rechts der Winkel aufgetragen ist, wobei der untere Kurvenverlauf wiederum eine ideale relative Ausrichtung der zweiten Spule 6 zur ersten Spule 3 aufzeigt und der obere Kurvenverlauf eine Fehlausrichtung veranschaulicht und wobei in der Figur 10 die Verläufe des Mittelwertes der magnetischen Flussdichte über einen Winkelbereich von jeweils 45° dargestellt sind. An den in der Figur 10 gezeigten Kurvenverläufen ist erkennbar, dass bei einem im Wesentlichen konstanten Verlauf des genannten Mittelwertes eine ideale relative Ausrichtung der beiden Spulen zueinander vorliegt und dass bei einem eine deutlich sichtbare Erhebung aufweisenden Verlauf des genannten Mittelwertes eine unerwünschte Magnetfelddeformation vorliegt.
Die Figur 11 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs induzierter Spannungen, wobei nach oben die jeweils induzierte Spannung und nach rechts der Antennenwinkel aufgetragen ist. Dabei zeigt der obere Kurvenverlauf einen Verlauf der Spannungen, die im Falle einer Verwendung von zwei Antennenringen mit jeweils acht Antennen von den Antennen des radial äußeren Antennenringes abgeleitet wurden, und der untere Kurvenverlauf einen Verlauf der Spannungen, die im Falle einer Verwendung von zwei Antennenringen mit jeweils acht Antennen von den Antennen des radial inneren Antennenringes abgeleitet wurden. Es ist ersichtlich, dass die Verläufe der induzierten Antennenspannungen unterschiedlich sind Die Figur 12 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Differenz AU zwischen den in der Figur 11 gezeigten Spannungen. Dabei zeigt die abgerundete Kurve eine Gaußsche Glocke, deren Werte einem Mittelwert von Spannungen veran schaulichen, die von den Antennen des äußeren und inneren Antennenringes abgeleitet wurden. Die abschnittsweise gerad linig verlaufende Kurve zeigt den Verlauf von Differenzwerten, die jeweils an einem mittleren Antennenwinkel der in Um fangsrichtung aneinander anschließenden Antennen ermittelt wurden. Der in der Mitte der Figur 12 dargestellte Pfeil entspricht der Gaußschen Amplitude, die die Amplitude der Fehlausrichtung bzw. Verschiebung der beiden Spulen relativ zueinander veranschaulicht und damit die Größe der Verschiebung kennzeichnet. Das Zentrum der Gaußschen Glockenkurve gibt eine direkte Information über die Abweichungsrichtung und damit den Abweichungswinkel .
Die Figur 13 zeigt ein Diagramm für den Fall, dass die Spulen um die z-Achse zueinander verdreht sind. Der Verlauf der Differenz der induzierten Spannungen ist über dem mittleren Antennenwinkel aufgetragen. Der dargestellte Verlauf kennzeichnet eine feh lerhafte Winkelausrichtung der beiden Spulen relativ zueinander, wobei die Identifikation des dargestellten Fehlers auf den von benachbarten Antennen abgeleiteten Spannungswerten beruht. Somit ist auch die Rotation der zweiten Spule 6 bzw. des Fahrzeugs prinzipiell messbar.
Die Figur 14 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung einer Gittermessung der x-y-Ausrichtung eines realisierten Prototyps. Dabei ist nach rechts jeweils die x-Ausrichtung und nach oben die y-Ausrichtung aufgetragen. Bei den in der linken Darstellung mit kleinen Kreuzen markierten Punkten handelt es sich um ein Gitter von Messpunkten. Der in der linken Darstellung eingekreiste Messpunkt entspricht dem Vorliegen keiner Fehlausrichtung. In der rechten Darstellung von Figur 14 sind Linien konstanten Winkels eingezeichnet, entlang welcher Messungen vorgenommen wurden, beispielsweise eine Linie für = 0° und eine Linie für = 45°. Bei den Punkten, an denen Messungen vorgenommen wurden, handelt es sich um Punkte, die in der linken Darstellung von Figur 14 als Gitterpunkte markiert sind. Die in der rechten Darstellung von Figur 14 angegebenen Bezeichnungen al, a2, a3, a4, a5, bl, b2, cl, c2, c3, c4, c5, dl, d2 verdeutlichen im Zusammenhang mit den entsprechenden Bezeichnungen in der Figur 15 den zu jedem dieser Messpunkte zugehörigen Signalverlauf.
Die Figur 15 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung von gemessenen induzierten Spannungen in Digits bei
x-y-Fehlausrichtungsvariationen bei konstanten, unterschied lichen Fehlausrichtungswinkeln, die in jedem der Diagramme oben angegeben sind. Aufgetragen nach oben sind jeweils Diffe renzwerte AU (vergleiche hierzu Figur 12) . Aufgetragen nach rechts sind Antennenwinkel . Die unterschiedlichen Signal verläufe innerhalb ein und desselben Diagrammes veranschaulichen Fehlausrichtung und Signalstärke AU (bzw. Amplitude der
Gaußglocke) sowie Fehlausrichtungswinkel und Zentrum der Gaußglocke. Mit der Stärke der Fehlausrichtung wächst die Signalstärke AU des Differenzverlaufs. Das Zentrum der Gauß glocke für den Differenzverlauf AU zeigt direkt den Fehlaus richtungswinkel an.
Die Figur 16 zeigt ein Diagramm, in welchem die Fehlausrich tungsamplitude A über dem Fehlausrichtungsradius r für alle Gittermesspunkte aus Figur 14 aufgetragen ist. Aus dem dar gestellten Kurvenverlauf ist erkennbar, dass ein gut aus wertbarer Zusammenhang zwischen der Amplitude und dem Radius der Fehlausrichtung besteht:
A = f (r) .
Die Figur 17 zeigt ein Diagramm zur Bestimmung des Radius r der Fehlausrichtung : r = f (A, m)
Dieser Zusammenhang kann z.B. in einem Kennfeld abgelegt werden. Entsprechend Figur 20 wird dieser Zusammenhang im Funktionsblock 21 noch um den Mittelwertbildner 20 erweitert, so dass dann auch unterschiedliche z-Abstände der Spulen berücksichtigt werden.
Die Figur 18 zeigt ein Diagramm, in welchem der gemessene Winkel m über dem aktuellen Winkel a für alle Gittermesspunkte aus Figur 14 aufgetragen ist. Das Messverfahren liefert direkt den Fehlausrichtungswinkel mit einer hohen Genauigkeit, ohne dass Umrechnungen notwendig sind.
Die Figur 19 zeigt ein Diagramm in Form eines dreidimensionalen Kennfeldes, in welchem der mittlere absolute Antennenwert W bei unterschiedlichen Abständen zwischen den beiden Spulen über der x-y-Ebene veranschaulicht ist. Es ist ersichtlich, dass der mittlere absolute Antennenwert bei gleichbleibender
x-y-Koordinate mit zunehmendem Abstand zwischen den beiden Spulen ansteigt. Diesen Zusammenhang nutzt der Funktionsblock 21 in Figur 20, um neben der Bestimmung von r und a zusätzlich den z-Abstand der beiden Spulen 3, 6 zu ermitteln.
Die Figur 20 zeigt eine Blockdarstellung einer Auswertevor richtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Diese Aus wertevorrichtung ist dazu ausgebildet, aus den von den Antennen 11 des Antennenringes oder der Antennenringe bereitgestellten Spannungswerten die relative Position der beiden Spulen 3 und 6 zueinander zu ermitteln. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die von den Antennen bereitgestellten Spannungswerte einem Gaußverteilungsermittler 19 und einem Mittelwertbildner 20 zugeführt. Ein Beispiel für einen derartigen Gaußvertei lungsermittler wurde oben anhand der Figuren 11 und 12 näher erläutert. Der Gaußverteilungsermittler 19 stellt an seinem Ausgang eine Information über die Gaußsche Amplitude A, die die Verschiebung der zweiten Spule 6 relativ zur ersten Spule 3 beschreibt, und eine Information über das Gaußsche Zentrum, das den Verdrehungswinkel der zweiten Spule 6 relativ zur ersten Spule 3 beschreibt, zur Verfügung. Diese Informationen werden zusammen mit dem Ausgangssignal des Mittelwertbildners 20 zur Adressierung eines Kennfeldspeichers 21 verwendet, in welchem Nachschlagetabellen hinterlegt sind. Am Ausgang des Kenn feldspeichers 21 stehen Informationen über den Fehlausrich tungsradius r, den Fehlausrichtungswinkel und den Abstand z der zweiten Spule 6 von der ersten Spule 3 zur Verfügung. Die Informationen über den Fehlausrichtungsradius r und den
Fehlausrichtungswinkel werden einem Verschiebungsermittler 22 zugeführt, der aus diesen Informationen die Fehlausrichtung Ax in x-Richtung und die Fehlausrichtung Ay in y-Richtung ermittelt und diese Größen an seinem Ausgang bereitstellt . Diese Größen können dann in jeweils gewünschter Weise, gegebenenfalls zu sammen mit dem ermittelten Abstand z, einer weiteren Verarbeitung unterworfen werden, beispielsweise der oben beschriebenen anfänglichen Überprüfung, ob sich ein zu ladendes Fahrzeug bereits im oben genannten Toleranzbereich befindet, oder der oben beschriebenen Feinpositionierung des Fahrzeugs oder der kon tinuierlichen Überwachung der Fahrzeugposition während des laufenden Ladevorganges.
Die Figur 21 zeigt eine Blockdarstellung einer Auswertevor richtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Auch diese Auswertevorrichtung ist dazu ausgebildet, aus den von den Antennen 11 des Antennenringes oder der Antennenringe be- reitgestellten Spannungswerten die relative Position der beiden Spulen 3 und 6 zueinander zu ermitteln. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel werden die von den Antennen bereitgestellten Signale einem neuronalen Netzwerk 23 zugeführt. Dieses neuronale Netzwerk 23 ist dazu ausgebildet, aus den von den Antennen 11 des Antennenringes oder der Antennenringe bereitgestellten Signalen Informationen über die Fehlausrichtung Ax in x-Richtung und die Fehlausrichtung Ay in y-Richtung sowie eine Information über den Abstand z zwischen den beiden Spulen 3 und 6 zu ermitteln. Das neuronale Netzwerk 23 weist eine Eingangsebene 24, eine ver steckte Ebene 25 und eine Ausgangsebene 26 auf. In der Ein gangsebene 24 erfolgt eine Skalierung der Eingangssignale auf einen gewünschten Wertebereich. Die Ausgangssignale der Ein- gangsebene 24 werden -wie es aus der Figur 21 ersichtlich ist- jeweils an mehrere Eingänge der versteckten Ebene 25 geführt, wobei jeder Eingang der versteckten Ebene mit einem Summierer verbunden ist, der eine Summation seiner Eingangssignale durchführt. Die Ausgangssignale der Summierer werden jeweils durch Anwendung einer Transferfunktion in eine Ausgangsgröße umgewandelt, die am Ausgang der versteckten Ebene 25 bereit gestellt wird. Die Ausgangssignale der versteckten Ebene werden -wie es aus der Figur 21 ersichtlich ist- jeweils an mehrere Eingänge der Ausgangsebene 26 weitergeleitet, wobei wiederum jeder Eingang der Ausgangsebene 26 mit einem Summierer verbunden ist, der eine Summation seiner Eingangssignale durchführt. Die Ausgangssignale der Summierer werden jeweils einem Skalierer zugeführt. An den Ausgängen der Ausgangsebene, die auch die Ausgänge des neuronalen Netzwerks 23 sind, werden die gewünschten Informationen über die Fehlausrichtung Ax in x-Richtung, die Fehlausrichtung Ay in y-Richtung und den Abstand z zwischen den beiden Spulen 3 und 6 zur Verfügung gestellt. Diese Größen können dann ebenso wie bei dem in der Figur 20 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel in jeweils gewünschter Weise, gegebenenfalls zusammen mit dem ermittelten Abstand z, einer weiteren Ver arbeitung unterworfen werden, beispielsweise bei der oben beschriebenen anfänglichen Überprüfung, ob sich ein zu ladendes Fahrzeug bereits im oben genannten Toleranzbereich befindet, oder bei der oben beschriebenen Feinpositionierung des Fahrzeugs oder bei der kontinuierlichen Überwachung der Fahrzeugposition während des laufenden Ladevorganges.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule (6) zu einer auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule (3) mit folgenden Schritten:
- Erzeugen eines Magnetfeldes mittels der ersten Spule (3) ,
- Erfassen des von der ersten Spule (3) erzeugten Magnetfeldes mittels einer zwischen den beiden Spulen angeordneten und mehrere Antennen (11) aufweisenden Antennenanordnung und
-Weiterleiten der von den Antennen (11) bereitgestellten Ausgangssignale an eine Auswerteeinheit, die aus den von den Antennen bereitgestellten Ausgangssignalen Informationen er mittelt, die die die relative Position der zweiten Spule (6) zur ersten Spule (3) beschreiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem aus den Ausgangs spannungen der Antennen Amplitudeninformationen ermittelt werden und aus den Amplitudeninformationen Positionsinforma tionen ermittelt werden, die die relative Position zwischen den beiden Spulen beschreiben.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem aus den Ausgangs spannungen der Antennen Amplituden- und Winkelinformationen ermittelt werden und aus den Amplituden- und Winkelinformationen Positrons- und Rotationsinformationen ermittelt werden, die die relative Position zwischen den beiden Spulen beschreiben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ausgangssignale der Antennen digitalisiert werden, die digitalisierten Signale einem Amplitudenermittler (14) zuge führt werden und die Ausgangssignale des Amplitudenermittlers (14) einem Positrons- und Rotationsermittler (15) zugeführt werden, der an seinem Ausgang die relative Position der beiden Spulen zueinander beschreibende Signale bereitstellt .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ausgangssignale der Antennen einem Gaußverteilungsermittler (19) zugeführt werden, der an seinem Ausgang Informationen über eine Gaußamplitude und einen Gaußwinkel bereitstellt, die Ausgangssignale des Gaußverteilungsermittlers (19) zur
Adressierung eines Kennfeldspeichers (21) verwendet werden, der an seinem Ausgang Informationen über einen Fehlausrichtungs radius und Informationen über einen Fehlausrichtungswinkel bereitstellt, die einem Verschiebungsermittler (22) zugeführt werden, der die Informationen über den Fehlausrichtungsradius und den Fehlausrichtungswinkel in Informationen über die re lative Verschiebung der zweiten Spule (6) zur ersten Spule (3) umsetzt .
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Kennfeldspeicher (21) an seinem Ausgang eine den Abstand der zweiten Spule (6) zu der ersten Spule (3) beschreibende Informationen bereitstellt .
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die Aus gangssignale der Antennen einem neuronalen Netzwerk (23) zu geführt werden, welches ausgangsseitig die relative Verschiebung der zweiten Spule (6) zur ersten Spule (3) beschreibenden Ausrichtungsfehlerinformationen (Dc, Ay) bereitstellt und welches vorzugsweise zusätzlich eine Bestimmung des z-Abstands der beiden Spulen vornimmt.
8. Vorrichtung zur Ermittlung der relativen Position einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule zu einer auf oder in einer Aufenthaltsebene des Fahrzeugs angeordneten ersten Spule mit
- einer auf oder in der Aufenthaltsebene des Fahrzeugs ange ordneten ersten Spule,
- einer in oder an dem Fahrzeug angeordneten zweiten Spule, - einer zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule an geordneten Antennenanordnung, die mehrere Antennen (11) enthält, und
- einer Auswerteeinheit, die zur Auswertung der von den Antennen bereitgestellten Signale ausgebildet ist, um aus den von den Antennen bereitgestellten Signalen Signale zu ermitteln, die die relative Position der zweiten Spule (6) zur ersten Spule (3) beschreiben .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , bei welcher die Antennenanordnung einen oder mehrere, in einer Ebene angeordnete Antennenringe aufweist und jeder Antennenring mehrere Antennen aufweist, die in Umfangsrichtung des Antennenringes aneinander anschließen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Antennenan ordnung mit der ersten Spule (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Antennenan ordnung mit der zweiten Spule (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher die Auswerteeinheit einen Amplitudenermittler (14) und einen Positionsermittler (15) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher der Amplitudenermittler des Weiteren zur Ermittlung einer Phaseninformation und/oder einer Frequenzinformation ausge bildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei welcher der Positionsermittler des Weiteren zur Ermittlung einer Rotati onsinformation ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher die Auswerteeinheit einen Gaußverteilungsermittler (19) auf weist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher der Gaußver teilungsermittler mit einem Kennfeldspeicher (21) verbunden ist .
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher der Kennfeld speicher mit einem Verschiebungsermittler (22) verbunden ist, der zur Ausgabe von Verschiebungsinformationen (Dc, Ay) aus gebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher die Auswerteeinheit ein neuronales Netzwerk (23) aufweist.
19. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7 zu einer Toleranzbereichsüberprüfung, einer Feinpositionierung und/oder einer kontinuierlichen Positionsüberprüfung im La debetrieb .
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 18 zu einer Toleranzbereichsüberprüfung, einer Feinpositionierung und/oder einer kontinuierlichen Positionsüberprüfung im La debetrieb .
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