Präzise Fahrzeugpositionierung durch Entzerrung der gepulsten magnetischen Flussdichteverteilung einer Ladespule

Abstract

Elektrofahrzeuge werden in Zukunft nicht mehr per Kabel, sondern mittels induktiver Ladesysteme mit Strom versorgt. Um eine hohe Ladeleistung sicher übertragen zu können, müssen die Spulen hinreichend genau übereinander positioniert werden, was für den Fahrer eine kaum lösbare Aufgabe darstellt. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, eine neue Methode zu untersuchen, die ein gepulstes Magnetfeld der Ladespule zu dessen Ortung nutzt. Hierbei wird das magnetische Pulssignal durch den ferromagnetischen Unterboden des Elektrofahrzeugs verzerrt. Dieser verändert die Pulsamplitude entsprechend einer unbekannten Abbildung, ohne deren Kenntnis eine präzise und eindeutige Positionierung nicht möglich ist. Die Herausforderung der vorliegenden Arbeit ist daher die Bestimmung dieser Abbildung samt ihrer Eigenschaften und Abhängigkeiten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Abbildung allgemein vom nicht-deterministischen magnetischen Zustand des Unterbodenmaterials abhängt und dessen messtechnische Erfassung kaum möglich ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird jedoch hergeleitet, dass die Ladespule, das Elektrofahrzeug und die umgebende Atmosphäre zusammen einen magnetischen Kreis bilden, der aufgrund der sehr hohen Reluktanz der Atmosphäre linear ist. Änderungen des magnetischen Zustands haben folglich keinen Einfluss auf die Abbildung. Diese ist somit reproduzierbar und kann messtechnisch einfach erfasst werden. Die These wird für unterschiedliche magnetische Zustände experimentell nachgewiesen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wird ein vollständiger Prototyp entwickelt und in ein Versuchsfahrzeug integriert. Das Gesamtsystem wird anschließend erfolgreich getestet. Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass mittels gepulster magnetischer Felder eine universelle, kostengünstige, sichere und präzise Positionierung von Elektrofahrzeugen möglich ist. Dies unterstreicht das Potential des neuen, komfortablen Positionierungsverfahrens eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität zu werden.

Electric vehicles for the future are charged not via cable anymore but via inductive charging systems. In order to provide safe energy transmission of high power levels, the coils have to be positioned as close as possible on top of each other, which is a difficult task for the driver. Thus, the overall aim of the underlying work is the research of a new method which uses a pulsed magnetic field of the charging coil for its detection. Thereby the magnetic pulse signal is distorted by the ferromagnetic underbody of the electric vehicle. The underbody changes the pulse amplitude according to an unknown transformation which must be determined in order to allow precise and unique vehicle positioning. Thus, the challenge of the underlying work is the determination of this transformation including all its properties and dependencies. Theoretic investigations show, that the transformation in general depends on the non-deterministic magnetic state of the underbody's material and that it is almost impossible to capture metrologically. However, in the further research progress it is deduced that the charging coil, the electric vehicle and the surrounding atmosphere together form a magnetic circuit which is linear due to the very high reluctance of the atmosphere. Consequently, changes in the magnetic state have no influence on the transformation. This means that the transformation is reproducible and easily measurable. This thesis is confirmed for different magnetic states through experiments. Based on the research results an entire prototype is developed and integrated in a test vehicle. Afterwards, the complete system is tested successfully. The found results show that with pulsed magnetic fields universal, cheap, safe and precise positioning of electric vehicles is possible. This underlines the potential of the new comfortable positioning system to become an enabling technology for e-mobility.