CN105467360B - 用于确定电动车辆的布局的方法和布局确定单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定电动车辆的布局的方法和布局确定单元。在用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法中，借助布置在电动车辆上的发送装置发送交变磁场，所述交变磁场在充电站的位置处被接收，并且依据所接收到的交变场推断所述布局。布局确定单元为了应用在这种方法中被设立和被构造为，借助所接收到的交变场来确定电动车辆相对于充电站的布局。

Description

用于确定电动车辆的布局的方法和布局确定单元

技术领域

本发明涉及一种用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法以及用于确定这种布局的确定单元装置。

背景技术

电动车辆可以以感应方式被充有电能。为此，电动车辆包括次级线圈，该次级线圈可与充电站的初级线圈以感应方式相耦合。初级线圈经常被布置在充电站的底部中，使得带有次级线圈的电动车辆可以被定位在初级线圈之上。适宜地，在此次级线圈位于电动车辆的车身底板上、尤其是在前轴的区域中。为了进行感应式充电，初级线圈和次级线圈必须尽可能精确相叠地被定位。定位公差在此在电动车辆的行驶方向上以及在垂直于其的并且平行于地面的方向上为少数几个厘米。围绕垂直轴线的最大扭转角（以下也称作偏航角ψ）为仅少数几个角度。相对应地困难的是以适合于感应式充电的方式定位电动车辆。

一方面，用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法是有益的，以便支持电动车辆的驾驶员驶近适合于对电动车辆进行感应式充电的位置。另一方面，确定电动车辆相对于充电站的布局也是与安全相关的，因为只有当次级线圈在初级线圈之上位于限定的公差范围内时才能进行充电释放（Ladefreigabe），即允许激活初级线圈的充电区。

为了确定电动车辆相对于充电站的布局，公知的是，借助车辆侧的时间分辨的摄像机探测初级线圈在摄像机图像中的位置并且随着时间的过去跟踪该位置，直至该位置消失在车辆之下。通过在时间上跟踪其他图像元素、尤其是车道边界和/或通过将车辆数据、如车辆速度或者转向角包括在内，可以无需直接观看地计算初级充电线圈的相对位置和相对取向。然而，可靠性和精度并不令人满意。

发明内容

在此现有技术背景下，本发明的任务是提供一种改进的用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法。尤其是，该方法应是可靠的、尤其是相对于环境影响为稳健的并且是精确的。此外，本发明的任务是提出一种能够实现这种方法的布局确定单元。

本发明的该任务利用如下所述的用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法以及用于应用于这种方法中的布局确定单元来解决。本发明的优选的扩展方案在随后的描述和附图中予以说明。

在根据本发明的用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法中，借助于在电动车辆上布置的发送装置发送交变磁场，该交变磁场在充电站的位置处被接收器对接收，其中在根据本发明的方法中依据所接收到的交变磁场推断布局。其中根据所接收的交变磁场的总场强来确定电动车辆与充电站之间的间距，其中根据磁场在一个位置处穿过接收器对的角度来确定车辆相对于充电站的取向，其中借助基于总功率P和角度的模型来计算磁场参数 P和，而如下信息被包含到该模型中：哪个接收器对更强烈地接收到发送装置，哪个发送装置在接收器对处更强烈地被接收，或者在接收器对的两个绕组之间的场极性是同向还是反向。

通过利用交变磁场可以精确且可靠地采用根据本发明的方法。相较于光学系统，根据本发明的方法是特别可靠且精确的，因为在光学解决方案中在初级线圈的区域中当电动车辆驶越初级线圈时不能看到初级线圈的区域。在使用交变磁场的情况下不出现该问题。

有利地，借助根据本发明的方法可以在驶近和停泊到充电站时辅助对电动车辆的导向。尤其是在近区中、即在初级线圈和次级线圈相对偏移直至50cm的情况下，可以可靠地采用该方法并且尤其是执行与安全相关的充电释放。

易于理解的是，在根据本发明的用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法中，不一定必须在电动车辆上布置发送装置。可替选地或者附加地，在根据本发明的用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法中，借助布置在充电站上的或者固定地相对于充电站布置的发送装置来发送交变磁场，该交变磁场在电动车辆的位置处被接收，并且依据所接收到的交变场推断出该布局。

在根据本发明的方法中，有利地此外还可以将数据从发送器传输到接收器，其方式是将数据向上调制（aufmodulieren）到交变磁场上，例如以OOK方法（On Off Keying（开关键控））来调制，该OOK方法对应于具有100%调制指数的ASK调制（Amplitude ShiftKeying（幅移键控））。解调相对应简单地在接收器中是可能的，并且所传输的数据例如可以被使用，以便在充电站处标识电动车辆。由此，定位系统会具有多目标能力，也就是说充电站可以在对多个驶近的电动车辆进行位置确定时通过如下方式提供辅助：可以分析经过向上调制的电动车辆标识并且使所测量的幅值和相位值应归于相应的电动车辆。

上面提到的优点相对应地也适用于根据本发明的方法。

有利地，交变磁场可以在空间上不均匀地并且各向异性地被构造，使得由于交变场的空间特征、尤其是由于交变磁场的空间辐射特征可以容易地确定该布局。

适宜地，在根据本发明的方法中考虑两个发送器天线，借助所述发送器天线发送时分多路复用信号。

优选地，在根据本发明的方法中，线圈天线被考虑作为发送天线。

在根据本发明的方法的一种有利的扩展方案中，交变磁场借助接收天线、尤其是借助线圈天线来接收。

优选地，在根据本发明的方法中，考虑至少一对或者多对的在所有情况下为至少两个被间隔开了小于其最大线圈尺寸的并且以其线圈平面彼此倾斜、优选地垂直布置的线圈天线作为一个或者多个接收天线。

在根据本发明的方法的一种有利的扩展方案中，交变场具有最高为1MHz的频率。通过利用在直至一兆赫的频率范围中的用来确定位置数据的磁场，该方法相比于如下的方法对于环境影响更稳健：该方法以更高的频率范围工作并且在该方法中由于多次反射而根据环境要预期有更大的场差异。

更合适地，在根据本发明的方法中考虑所接收到的交变场的方向特征。

更适宜地，在根据本发明的方法中，确定电动车辆的或者电动车辆的次级充电线圈的偏航角。

优选地，在根据本发明的方法中考虑借助一对线圈天线所接收到的交变场的功率量或者由此导出的量。

合适地，在根据本发明的方法中确定电动车辆与充电站的间距。

更适宜地，在根据本发明的方法中考虑物理车辆模型。

根据本发明的布局确定单元如上所描述的那样被构造为用于应用于根据本发明的方法中。布局确定单元被设立用于依据所接收到的交变磁场来确定电动车辆相对于充电站的布局。根据本发明的另一种用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法，其中，借助布置在充电站处的或者固定地相对于充电站布置的发送装置发送交变磁场，所述交变磁场在电动车辆的位置处被接收器对接收，并且依据所接收到的交变磁场推断所述布局，其中根据所接收的交变磁场的总场强来确定电动车辆与充电站之间的间距，其中根据磁场在一个位置处穿过接收器对的角度来确定车辆相对于充电站的取向，其中借助基于总功率P和角度的模型来计算磁场参数 P和，而如下信息被包含到该模型中：哪个接收器对更强烈地接收到发送装置，哪个发送装置在接收器对处更强烈地被接收，或者在接收器对的两个绕组之间的场极性是同向还是反向。

相宜地，根据本发明的布局确定单元被构造为考虑借助一个或者多个接收天线而接收到的信号。

附图说明

以下依据在附图中所示的实施例更为详细地阐述了本发明。

在附图中：

图1示意性地以原理图示出了具有用于执行根据本发明的方法的根据本发明的布局确定单元的充电站以及电动车辆，

图2示意性地以原理图示出了具有用于执行根据本发明的方法的根据本发明的布局确定单元的充电站以及电动车辆的另一实施例，

图3以示意性的图示法示出了根据发送器的平面位置的充电站的正交的接收器线圈对的总功率，

图4以示意性的图示法示出了磁场在平面的位置处穿过接收器对的角度，以及

图5示意性地以原理图示出了被考虑用于进行布局确定的跟踪滤波器的结构。

具体实施方式

如在图1中所示出的那样，在次级线圈的区域中、因此在电动车辆EF的区域中布置2个发送天线，所述2个发送天线按时分复用方法交替地以例如f=125kHz进行发送。在初级线圈的区域中，因此在充电站处布置了四个接收天线。所述接收天线分别按两个一对地分组，其中在每个两个一对中这两个天线被构造为线圈天线并且以其线圈平面彼此正交地被取向。以这种方式可以借助每个两个一对的线圈天线将接收区分解成彼此正交的空间分量（以下简称为x分量和y分量）。发送天线和接收天线对应分别彼此间具有尽可能大的间距，优选地在不同的轴线上彼此间具有尽可能大的间距。

如果电动车辆EF靠近合适的充电站LS，则如在图1中所示的那样首先借助无线电装置WLAN建立无线数据连接，借助该无线数据连接开始配对过程。由此确保了，可以为该电动车辆明确地关联一个充电站。

紧接着，在电动车辆侧借助发送器控制单元TXC经由电动车辆EF的CAN总线控制器CBC激活发送天线SA。在此，以尽最大可能的发送功率开始。

同时，经由充电站LS的CAN总线控制器CBC激活接收天线EA。在电动车辆侧产生的交变磁场由在初级线圈的区域中（即在充电站LS处）的接收天线EA拾取（aufnehmen），借助滤波器F来限制带宽、放大并且借助AD转换器ADC来离散化。在经过离散化的接收信号中，幅度和相位在交变磁场的频率下借助计算单元AP来计算，例如通过为FFT或者戈泽尔算法形式的傅里叶变换DF来计算。这些数据又经由无线电装置WLAN通过数据连接被传送给位于电动车辆EF中的微处理器单元MCUC。该微处理器单元MCUC在包括对于车辆特定的参数FC和所测量的发送功率在内的情况下算出初级线圈相对于次级线圈T的相对位置和扭转。

原则上，（如在根据图2的实施例中所示出的那样），交变磁场也可以根据配对过程由充电站LS来发出，即也可能的是，将发送器放置在底部中的初级线圈处并且将接收器放置在电动车辆EF中的次级线圈处。

但是在根据图2的实施例中，在电动车辆侧也对初级线圈相对于次级线圈的相对位置和扭转进行计算，即因此对电动车辆EF相对于充电站的相对位置进行计算，因为在车辆侧对于车辆特定的参数FC可以容易地保持可供使用或者可容易地被确定。

接收滤波器和接收放大器被设计为使得例如在目前所讨论的频率85kHz的情况下在附近运行的感应充电区的谐波被充分衰减，以便使接收支路不过载（uebersteuern）。

由于125kHz信号在未转换的情况下被直接采样，所以所利用的采样率应被选择得为交变磁场的频率的至少两倍那么高，以便避免欠采样。该频率的多倍是特别有利的，该多倍对应于2的幂，即例如500kHz（=2²x125kHz）。接着，相位和幅度可以特别高效地借助戈泽尔算法来计算，该戈泽尔算法等同于非常窄带的滤波器，由此实现了进一步数字地抑制相邻的充电站的信号。

原则上，自然也可以考虑其他接收器结构，例如对数放大器或者完全集成的电路（voll-integrierter Schaltkreis），其输出场强值。

对于随后的观察，限定坐标系，该坐标系的原点在充电站的初级线圈的中心中。X轴在此在正确地停泊在初级线圈之上的电动车辆的行驶方向上。Y轴平行于地表面并且垂直于X轴地延伸。与向上指向的Z轴一起得到右手坐标系。围绕Z轴的角度ψ表示电动车辆围绕Z的偏航角ψ，其中ψ=0°适用于正确停泊的电动车辆。对于ψ=0°而言，平行于X轴发射交变磁场。对在X方向上的场敏感的接收天线以下被称作“x绕组”，而对在Y方向上的场敏感的接收天线被称作“y绕组”。如果该场倾斜地穿过接收器对，则两个绕组根据该角度拾取场的一部分。如果测量到X=O、Y=O、ψ=0°（或与其的小的偏差在限定的公差范围（所谓的充电释放区）中），则车辆在所设置的位置处在所设置的取向上、即正确地停泊，用于感应式充电过程。

图3示例性地示出了在接收器对处单位为dB的总场强，该接收器定位于X=O和Y=O处。该磁场由发送器以恒定的功率发射，该发送器在接收器之上在X方向和 Y方向上在大约Z=15cm的高度运动，而在此不改变对准。

而图4示出了角度 （磁场在该位置X、Y处穿过接收器对的那个角度）的变化过程。该场变化过程对于交变磁场而言是典型的。

采用一级近似（in erster Naeherung），总场强仅取决于发送器与接收器的距离。以这种方式因而可以借助交变磁场容易地确定发送器与接收器之间的间距并且因此确定电动车辆与充电站之间的间距。

而磁场在该位置X、Y处穿过接收器对的角度表明了近似辐射形的特征。采用一级近似仅取决于发送器对准ψ和双倍地取决于接收器处的入射角β的角度（=ψ+2β）因此给出了关于电动车辆相对于充电站的相对取向的情况。

基于总功率和角度的模型MODP针对任意的值三元组（Wertetripel）X、Y、ψ计算磁场参数 P和。

但是，该模型是含糊不清的，也就是说由P和构成的同一组合在多于一个的位置X、Y、ψ处被获得。为了达到更好的唯一性，可以将其他值一同包含到该模型中，例如将如下信息一同包含到该模型中：哪个接收器对更强烈地接收到发送器，哪个发送器在接收器对处更强烈地被接收，或者在接收器对的两个绕组之间的场极性是同向还是反向。对于场极性而言例如分析在接收器对处的两个接收信号的相对相位。

用于进行位置估计的算法具有在图5中所示的跟踪滤波器的结构：

在此，例如涉及卡尔曼滤波器或者粒子滤波器。整个算法的目标OUT是，磁场模型和磁场测量结果（针对P和的所测量到的值MEASP）具有尽可能小的偏差COMP。该模型MODP在上文中已经予以阐述并且针对任意的值三元组X、Y、ψ提供磁场参数P和。校准数据CAL包含针对P和在支撑点X、Y、ψ处的所测量到的修正值，以便（例如在初级线圈的铁氧体的区域中）考虑磁场的实际变化过程与理想变化过程的偏差。该模型MODXYψ包含电动车辆模型，该电动车辆模型仅允许物理上可能的运动；这样电动车辆例如可以不仅仅向侧面（在Y方向上）行驶。该模型并未进一步被限定。电动车辆的速度应至少被模型化，必要时加速度也应被模型化。该模型的初始化INIT是困难的并且可能不能明确地被执行。可能适宜的是跟踪多个初始假设，直至通过车辆运动和其他测量将一个假设接受为唯一似然的。

这种多假设滤波器同样是公知的，例如，粒子滤波器特别适合于此。其他传感器值可以并入该模型中，例如借助在车辆的车轮处的转向角传感器或者增量传感器、转动传感器或者速度传感器。

作为运动学车辆模型适合的是简化过的运动学单轨迹模型。如在常规的单轨迹模型中那样，一个轴的两个车轮被概括为车辆中部中的分别一个车轮。附加地，参考点还被移入到后轴中，由此简化了等式。然而必须注意的是，后续的等式并不被限定在与上面的坐标系相同的坐标系中，而是还必须相对应地予以变换。

Claims (26)

1.一种用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法，其中，借助布置在该电动车辆上的发送装置发送交变磁场，所述交变磁场在充电站的位置处被接收器对接收，并且依据所接收到的交变磁场推断所述布局，

其中根据所接收的交变磁场的总场强来确定电动车辆与充电站之间的间距，

其中根据磁场在一个位置处穿过接收器对的角度来确定车辆相对于充电站的取向，

其中借助基于总功率P和角度的模型来计算磁场参数 P和，而如下信息被包含到该模型中：哪个接收器对更强烈地接收到发送装置，哪个发送装置在接收器对处更强烈地被接收，或者在接收器对的两个绕组之间的场极性是同向还是反向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少两个发送天线被考虑作为发送装置，借助所述发送天线发送时分多路复用信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，线圈天线被考虑作为发送天线。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，借助线圈天线接收所述交变磁场。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，作为接收天线考虑至少数对的至少两个被间隔了小于其最大线圈尺寸的并且以其线圈平面彼此倾斜地布置的线圈天线。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，作为接收天线考虑至少数对的至少两个被间隔了小于其最大线圈尺寸的并且以其线圈平面彼此垂直地布置的线圈天线。

7.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中，所述交变场具有最高为1MHz的频率。

8.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中考虑所接收到的交变场的方向特征。

9.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中，确定电动车辆或者电动车辆的次级充电线圈的偏航角。

10.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中，考虑借助一对线圈天线所接收到的交变场的功率量或者由此导出的量。

11.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中，确定电动车辆与充电站的间距。

12.根据上述权利要求1-4之一所述的方法，其中，考虑物理车辆模型。

13.一种用于确定电动车辆相对于充电站的布局的方法，其中，借助布置在充电站处的或者固定地相对于充电站布置的发送装置发送交变磁场，所述交变磁场在电动车辆的位置处被接收器对接收，并且依据所接收到的交变磁场推断所述布局，

其中根据所接收的交变磁场的总场强来确定电动车辆与充电站之间的间距，

其中根据磁场在一个位置处穿过接收器对的角度来确定车辆相对于充电站的取向，

其中借助基于总功率P和角度的模型来计算磁场参数 P和，而如下信息被包含到该模型中：哪个接收器对更强烈地接收到发送装置，哪个发送装置在接收器对处更强烈地被接收，或者在接收器对的两个绕组之间的场极性是同向还是反向。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，至少两个发送天线被考虑作为发送装置，借助所述发送天线发送时分多路复用信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，线圈天线被考虑作为发送天线。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，借助线圈天线接收所述交变磁场。

17.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，作为接收天线考虑至少数对的至少两个被间隔了小于其最大线圈尺寸的并且以其线圈平面彼此倾斜地布置的线圈天线。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，作为接收天线考虑至少数对的至少两个被间隔了小于其最大线圈尺寸的并且以其线圈平面彼此垂直地布置的线圈天线。

19.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，所述交变场具有最高为1MHz的频率。

20.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中考虑所接收到的交变场的方向特征。

21.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，确定电动车辆或者电动车辆的次级充电线圈的偏航角。

22.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，考虑借助一对线圈天线所接收到的交变场的功率量或者由此导出的量。

23.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，确定电动车辆与充电站的间距。

24.根据上述权利要求13-16之一所述的方法，其中，考虑物理车辆模型。

25.用于应用在根据上述权利要求1-24之一所述的方法中的布局确定单元，所述布局确定单元被构造来依据所接收到的交变磁场来确定电动车辆相对于充电站的布局。

26.根据权利要求25所述的布局确定单元，所述布局确定单元被构造为考虑借助一个或多个接收天线接收到的信号。