Servicexpert - Gesellschaft für Service-Informationssysteme mbH

Die Augen des Fahrzeugs zur Positionierung nutzen

OEM & Lieferant 1/2020

06.04. 2020

OEM & Lieferant: https://www.vek-onlineservice.de/publikation/oem-1-2020/16/

Die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen erfordert neue, innovative Ladekonzepte. Im Vergleich zum kabelgebundenen Laden ist das induktive Laden eine weitaus komfortablere Alternative. Für die Effizienz dieser Ladetechnologie ist die Qualität des Positionierungsvorgangs des Fahrzeugs entscheidend. Die ServiceXpert Gesellschaft für Service-Informationssysteme mbH greift hierfür auf bereits im Fahrzeug verbaute Technologie zurück und setzt diese für ihre zukunftsweisenden Entwicklungen ein.

In der Automobilbranche besitzt heutzutage der Großteil der Fahrzeuge eine oder mehrere Kameras, die verschiedene Aufgaben in der Fahrerassistenz übernehmen. Um die Zukunft der E-Mobilität mitzugestalten und innovative Lösungen für komplexe Fragestellungen, wie beispielsweise eine Vereinfachung des Ladevorgangs zu finden, greifen die Ingenieure der ServiceXpert auf bestehende Konzepte und Technologien zurück und entwickeln diese für die Gestaltung einer zukunftsfähigen Elektromobilität weiter. Die Vorstellung eines Ladevorgangs ohne Kabel und ohne physischen Registrierungs- bzw. Organisationsprozess an einer Ladesäule ist charmant und würde erheblich zur Komfort-Steigerung der Fahrer von Elektrofahrzeugen beitragen. Induktives Laden ist eine der neuen und attraktiven Technologien zum Laden eines Elektrofahrzeugs. Das Anschließen unordentlicher, langer und schwerer Ladekabel entfällt, da das induktive Laden eine drahtlose, bequeme Lademethode ist.

Bei dieser Ladentechnologie wird elektromagnetische Induktion zwischen zwei Objekten zum Übertragen von Energie verwendet. Die Energie wird von einer Magnetspule in der Bodenplatte, die sich beispielsweise auf einem speziellen Parkplatz für Elektromobile befindet, zur korrespondierenden Magnetspule im Elektrofahrzeug übertragen.

Die Positionierung der beiden Spulen zueinander ist dabei durch die Norm IEC 61980 geregelt. Diese schreibt ein Positionierungsfenster im Bezug zum Spulenmittelpunkt vor, indem das induktive Laden zugelassen ist. Ein Positionierungssystem hilft damit nicht nur bei der Steigerung der Effizienz, sondern sorgt auch dafür, dass die vorgeschrieben Rahmenbedingungen für das Positionieren eingehalten werden. Somit ist ein Hilfssystem unumgänglich, wenn Kraftfahrzeuge im genormten Rahmen induktiv geladen werden sollen.

Um die Stellung des Fahrzeugs genau zu ermitteln, ist die Erkennung und Bestimmung der Position der Bodenplatte ausschlaggebend. Viele Unternehmen, die bereits induktive Ladesysteme anbieten, suchen nach kostengünstigen und exakten Positionierungssystemen. Eine in diesem Zusammenhang naheliegende Lösung ist es, die bereits für andere Fahrerassistenzsysteme vorhandenen Kameras für die relative Bestimmung der Position des Fahrzeugs zur Bodenplatte zu verwenden.

Die Ingenieure der ServiceXpert brachten ihre langjährige Automotive-Erfahrung und fundiertes Know-how mit Kamerasystemen, embedded Software-Entwicklung - speziell mit AUTOSAR - zusammen und ließen dies in einen effizienten, kostengünstigen Positionierungs-Prototyp einfließen.

Im einfachsten Positionierungsszenario zum induktiven Laden nähert sich der Fahrer mit seinem Fahrzeug der Magnetspule, die am Erdboden angebracht ist. Er lenkt das Fahrzeug in einer geraden Linie auf diese Bodenplatte zu, um es direkt darüber abzustellen. Ab einer bestimmten Entfernung gerät die Bodenplatte jedoch außer Sichtweite des Fahrers und er bewegt das Fahrzeug „blind“ über die Platte. Deshalb benötigt der Fahrer Unterstützung durch ein Positionierungssystem, das ihn in die Lage versetzt, das Fahrzeug genau über der Bodenplatte zu parken. Heutzutage existieren bereits solche Systeme, die verschiedene Sensoren und Signale nutzen.

Jedoch haben die derzeitigen Positionierungshilfen Probleme mit der Reichweite und der Interoperabilität mit den unterschiedlichen Ladesystemen, die sich in den Charakteristika von Fahrzeug und Ladespule auswirken.

Um diese Herausforderungen zur optimalen Positionierung des Fahrzeugs zu lösen, haben die Ingenieure der ServiceXpert eine einzigartige und dennoch einfache Lösung unter Einbeziehung einer Stereokamera entwickelt. Eine Stereokamera verhält sich wie die Augen des Fahrzeugs. Mit ihrer Hilfe können die Fahrzeugsysteme die Fahrzeugumgebung sehen, Objekte erkennen und den Abstand dieser Objekte berechnen. In der ServiceXpert-Anwendung wird mit der Kamera die Position des Fahrzeugs in Bezug zur Bodenplatte bestimmt.

Hierzu ist die Bodenplatte mit einem optischen Positionierungsmerkmal versehen, die eine einfache Erkennung durch eine Standardkamera gewährleistet. Die Kamera stellt für den Positionierungsvorgang die Tiefeninformation bereit. Sobald ein Merkmal von der Kamera erfasst wird, werden Abstand des Fahrzeugs und der Winkel zu diesem optischen Marker für jedes einzelne, von der Kamera erzeugte Bild berechnet. Sobald sich die Bodenplatte außerhalb der Sichtweite der Kamera befindet, wird durch einen Algorithmus die Bewegung des Fahrzeugs in relativem Bezug auf die letzte Position weiterverfolgt. Die zur Unterstützung des Fahrers erforderlichen Informationen werden auf einem entsprechenden Display im Fahrzeuginneren dargestellt. Der Fahrer erhält eine Meldung, das Fahrzeug anzuhalten, sobald sich das Fahrzeug innerhalb eines vordefinierten optimalen Bereiches und einer vorgegebenen Ausrichtung befindet. Die Kameras vorhandener Fahrerassistenzsysteme müssen für dieses System lediglich so am Fahrzeug verbaut sein, dass sie die Bodenplatte mindestens einmal erkennen und damit der entsprechende Positionierungsalgorithmus mit Bilddaten „gefüttert“ werden kann.

Ein Großteil der induktiven Ladestationen mit höherer Ladeleistung wird in Zukunft über eine Wand-Basisstation verfügen, eine sogenannte „Wallbox“, die die induktive Bodenplatte ansteuert und versorgt. Die Kommunikation zwischen den beiden Parteien startet, wenn das Fahrzeug in der Reichweite der Wallbox ist. Sobald die richtige Position über der Bodenplatte vom Fahrzeug erreicht ist, sendet das Fahrzeug  die Aufforderung zur Energieübertragung, um den Ladevorgang einzuleiten. Die Wallbox übernimmt die Fahrzeugauthentifizierung, verarbeitet die Online-Zahlung und liefert die erforderlichen Informationen, wie z. B. die verbrauchten Gesamtenergieeinheiten.

Der von ServiceXpert umgesetzte Prototyp wurde im Rahmen des Technologietages „Induktives Laden“ der Zollner Elektronik AG am 17. Oktober 2019 erstmals vorgestellt. Unter den Teilnehmern waren auch Vertreter namhafter Automotive OEMs. Das präsentierte System stieß bei den Anwesenden auf reges Interesse und erwies sich als sehr attraktiv, da keine zusätzlichen Kosten für das Einbringen neuer Hardware in das Fahrzeug anfallen und es für Fahrer einen erheblichen Komfort bedeutet. Die Besucher des Technologietages konnten das Positionierungssystem selbst erleben, indem sie mit Hilfe eines externen Displays, das für den Demonstrator auf der Mittelkonsole im Fahrzeuginneren angebracht war, über der Bodenplatte parkten.

Für die Weiterentwicklung des neuen ServiceXpert-Prototyps ist die Anbindung an weitere, im Fahrzeug bereits verbaute Sensoren und die Nutzung vorhandener Fahrzeugbetriebsdaten geplant, um so eine genauere und stabilere Verfolgung der Bewegung zu gewährleisten. Die berechneten Daten eines solchen Positionierungssystems können darüber hinaus zur Fahrerunterstützung beim Einparken oder zum komplett autonomen Einparken von Fahrzeugen verwendet werden.

Herr Thomas Eiber, Projektleiter für „Induktives Laden“ bei der Zollner Elektronik AG in Zandt, arbeitet in Projekten eng mit der ServiceXpert zusammen: „Die agile Arbeitsweise, das fundierte AUTOSAR Know-how und der Blick für kosteneffiziente, praxistaugliche Lösungen der ServiceXpert wird in den Entwicklungsprojekten bei Zollner sehr geschätzt.“

Das Team der ServiceXpert bezieht bei der Entwicklung und Bereitstellung von intelligenten Lösungen für komplexe Mobilitätsanforderungen stets den aktuellen Stand der Technik ein und baut kontinuierlich Kompetenzen und Know-how im Umfeld des technologischen Wandels in der Automobilindustrie auf. Die Verwendung einer Stereokamera zur Fahrzeugpositionierung beim induktiven Laden bietet eine kosteneffiziente, komfortable Lösung im Bereich der Elektromobilität.

ServiceXpert, ein Unternehmen der ESG-Gruppe, beschäftigt über 85 Mitarbeiter an den Standorten Hamburg und München. ServiceXpert ist ein europaweit operierendes System- und Softwarehaus mit einem fokussierten Leistungsportfolio für das Lifecycle-Management von EE-Informationen für führende Nutzfahrzeughersteller sowie deren Zulieferindustrie.

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