Tesla arbeitet weiter an der technischen Grundlage für kabelloses Laden von Elektroautos. Ein neues Patent beschreibt ein System, das Fremdkörper auf einer induktiven Ladefläche automatisch erkennen kann.
Dafür nutzt Tesla direkt die elektrischen Eigenschaften der Ladespule und analysiert Veränderungen bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Besonders für Cybercab und autonome Robotaxi-Flotten könnte eine zuverlässige Fremdkörpererkennung entscheidend sein.
Tesla entwickelt neue Fremdkörpererkennung für Wireless Charging
Beim induktiven Laden wird Energie ohne klassische Kabelverbindung zwischen einer Ladeeinheit im Boden und einer Empfangseinheit im Fahrzeug übertragen.
Genau in diesem Bereich entsteht allerdings ein Sicherheitsproblem.
Zwischen Fahrzeug und Ladeplatte können sich Gegenstände befinden.
Besonders kritisch sind metallische Objekte.
Teslas neues System soll solche Fremdkörper automatisch erkennen – möglichst bevor beziehungsweise während größere Energiemengen übertragen werden.
So funktioniert Teslas patentiertes System
Das grundsätzliche Verfahren lässt sich in vier Schritte unterteilen:
| Schritt | Funktion |
|---|---|
| 1 | Signale mit mehreren Resonanzfrequenzen werden durch die Ladespule geschickt |
| 2 | Veränderungen der Signalamplitude werden gemessen |
| 3 | Veränderungen des elektrischen Widerstands der Spule werden analysiert |
| 4 | Das System bewertet die Abweichungen und erkennt mögliche Fremdkörper |
Der entscheidende Vorteil: Tesla benötigt für die Erkennung nicht zwangsläufig einen komplett separaten Fremdkörpersensor.
Stattdessen kann die ohnehin vorhandene Ladespule selbst als Teil des Erkennungssystems verwendet werden.
Die Ladespule wird gleichzeitig zum Sensor
Das ist technisch einer der interessantesten Aspekte des Patents.
Normalerweise ist die Ladespule dafür verantwortlich, Energie elektromagnetisch zwischen Ladepad und Fahrzeug zu übertragen.
Tesla nutzt ihre elektrischen Eigenschaften nun zusätzlich zur Überwachung der Ladefläche.
Befindet sich ein fremdes Objekt im elektromagnetischen Feld, kann es die elektrischen Eigenschaften des Systems beeinflussen.
Diese Veränderung kann gemessen werden.
Die Ladehardware wird dadurch nicht nur zur Energieübertragung genutzt, sondern gleichzeitig zu einem Sensor.
Warum metallische Gegenstände problematisch sind
Ein Metallgegenstand auf einer induktiven Ladefläche kann unter Umständen Energie aus dem elektromagnetischen Feld aufnehmen.
Dabei können sogenannte Wirbelströme entstehen.
Diese wiederum können den Gegenstand erwärmen.
Je nach Material, Größe, Position und übertragener Leistung kann eine solche Erwärmung problematisch werden.
Bei einem Smartphone-Ladegerät sind die übertragenen Leistungen vergleichsweise gering.
Bei einem Elektroauto sieht die Situation vollkommen anders aus.
Hier müssen viele Kilowatt Leistung übertragen werden.
Eine zuverlässige Fremdkörpererkennung wird deshalb zu einem wichtigen Bestandteil der Sicherheit.
Welche Gegenstände könnten auf einer Ladefläche liegen?
Bei einer Ladefläche auf einem Parkplatz sind zahlreiche Situationen denkbar.
Beispielsweise könnten sich dort befinden:
Münzen, Schrauben, Werkzeuge, Metallteile, Getränkedosen oder andere Gegenstände.
Auch Gegenstände, die von einem Fahrzeug herunterfallen oder durch Wind auf die Ladefläche gelangen, müssen berücksichtigt werden.
Bei öffentlich zugänglichen Robotaxi-Ladestationen kann Tesla außerdem nicht davon ausgehen, dass ein Mensch die Ladefläche vor jedem Ladevorgang kontrolliert.
Genau deshalb ist eine automatische Erkennung so wichtig.
Mehrere Resonanzfrequenzen statt einer einzelnen Messung
Tesla verwendet für die Erkennung offenbar nicht lediglich einen einzelnen Messpunkt.
Das System sendet Signale mit mehreren Resonanzfrequenzen durch die Ladespule.
Anschließend werden die Reaktionen des Systems miteinander verglichen.
Dadurch entsteht ein detaillierteres elektrisches Profil.
Ein Fremdkörper kann dieses Profil abhängig von Material und Position unterschiedlich verändern.
Durch mehrere Frequenzen erhält das System deshalb mehr Informationen als durch eine einzelne Messung.
Signalstärke und Spulenwiderstand werden überwacht
Zwei wichtige Messgrößen sind dabei:
Signalamplitude
und
elektrischer Widerstand der Spule.
Befindet sich ein fremdes Objekt im elektromagnetischen Bereich der Ladeeinheit, können sich diese Werte verändern.
Die Steuerung analysiert die Abweichungen und versucht daraus abzuleiten, ob tatsächlich ein Fremdkörper vorhanden ist.
Das klingt zunächst einfach, besitzt aber eine entscheidende Schwierigkeit.
Nicht jede Veränderung bedeutet automatisch, dass ein Gegenstand auf dem Ladepad liegt.
Temperatur kann die Messwerte ebenfalls verändern
Elektrische Komponenten verändern ihre Eigenschaften abhängig von ihrer Temperatur.
Das betrifft auch eine Ladespule.
Würde Tesla lediglich einen festen Widerstandswert als Grenzwert verwenden, könnte das System deshalb Fehlalarme auslösen.
Eine warme Ladespule könnte elektrisch anders reagieren als dieselbe Spule bei niedrigen Temperaturen.
Teslas Patent berücksichtigt deshalb normale Betriebsveränderungen.
Das System soll unterscheiden können zwischen:
normalen Veränderungen durch beispielsweise Temperatur
und
Veränderungen durch einen tatsächlichen Fremdkörper.
Genau diese Unterscheidung ist für einen zuverlässigen Alltagsbetrieb entscheidend.
Warum Fehlalarme bei einem Robotaxi problematisch wären
Eine Fremdkörpererkennung muss zwei gegensätzliche Anforderungen erfüllen.
Sie darf gefährliche Objekte nicht übersehen.
Gleichzeitig darf sie nicht ständig fälschlicherweise einen Gegenstand erkennen.
Bei einem privaten Elektroauto wäre ein Fehlalarm bereits ärgerlich.
Bei einer autonomen Robotaxi-Flotte könnte er wirtschaftlich problematisch werden.
Stellt ein Cybercab selbstständig fest, dass die vermeintliche Ladefläche blockiert ist, könnte der Ladevorgang nicht beginnen.
Das Fahrzeug müsste möglicherweise eine andere Ladestation anfahren oder auf eine Intervention warten.
Bei Tausenden autonomen Fahrzeugen würden bereits relativ geringe Fehlerraten erhebliche Auswirkungen auf die Flottenverfügbarkeit haben.
Cybercab macht Wireless Charging besonders wichtig
Tesla hat beim Cybercab bereits deutlich gemacht, dass kabelloses Laden eine zentrale Rolle spielen soll.
Das ergibt beim Robotaxi-Konzept Sinn.
Ein vollständig autonomes Fahrzeug sollte langfristig möglichst wenig menschliche Unterstützung benötigen.
Ein klassisches Ladekabel stellt dabei ein offensichtliches Problem dar.
Ein Mensch müsste den Stecker mit dem Fahrzeug verbinden und nach dem Laden wieder entfernen.
Alternativ wäre ein komplexes Robotersystem notwendig.
Induktives Laden beseitigt dieses Problem.
Das Cybercab fährt über eine Ladefläche, positioniert sich korrekt und kann anschließend automatisch geladen werden.
Fremdkörpererkennung ist dafür eine Schlüsseltechnologie
Damit dieses Konzept zuverlässig funktioniert, muss das System allerdings selbstständig erkennen können, ob der Ladevorgang sicher gestartet werden kann.
Ein Mensch kontrolliert die Fläche nicht.
Das Fahrzeug und die Ladeeinrichtung müssen deshalb selbst entscheiden:
Ist die Position korrekt?
Ist die Ladefläche frei?
Befindet sich ein metallischer Fremdkörper im Feld?
Kann die Energieübertragung sicher beginnen?
Genau hier passt Teslas neues Patent in die Cybercab-Strategie.
Erkennung vor und während des Ladevorgangs
Das System soll Fremdkörper sowohl vor als auch während des kabellosen Ladens erkennen können.
Beide Situationen sind wichtig.
Vor dem Start kann verhindert werden, dass die Energieübertragung überhaupt mit einem problematischen Objekt auf der Ladefläche beginnt.
Eine Überwachung während des Ladevorgangs ermöglicht dagegen eine Reaktion, falls sich die Bedingungen nachträglich verändern.
Das System könnte dann entsprechend reagieren und beispielsweise die Ladeleistung reduzieren oder den Ladevorgang stoppen.
Welche konkrete Sicherheitslogik Tesla in einem Serienprodukt verwendet, ist durch das Patent allein allerdings nicht festgelegt.
Wireless Charging muss ähnlich zuverlässig wie ein Supercharger werden
Tesla steht beim kabellosen Laden vor einer hohen Messlatte.
Das bestehende Supercharger-System ist für den Nutzer vergleichsweise einfach.
Fahrzeug anschließen und der Ladevorgang startet automatisch.
Bei einem autonomen Robotaxi muss Wireless Charging mindestens eine ähnliche Zuverlässigkeit erreichen – idealerweise sogar eine höhere.
Denn beim Cybercab befindet sich möglicherweise überhaupt kein Mensch am Fahrzeug, der einen Fehler beheben könnte.
Fremdkörpererkennung, Fahrzeugpositionierung, Kommunikation und Ladeüberwachung müssen deshalb weitgehend automatisch funktionieren.
Warum die Positionierung ebenfalls entscheidend ist
Beim induktiven Laden müssen Sende- und Empfangsspule ausreichend genau zueinander ausgerichtet sein.
Eine schlechte Positionierung kann den Wirkungsgrad reduzieren.
Für ein autonomes Tesla-Fahrzeug ist das grundsätzlich lösbar.
Das Fahrzeug kennt seine Umgebung über Kameras und weitere Fahrzeugsysteme und kann sich selbst über der Ladefläche positionieren.
Zusammen mit einer automatischen Fremdkörpererkennung entsteht dadurch ein vollständig automatisierbarer Ladevorgang.
Das Fahrzeug fährt auf die Ladefläche, überprüft die Bedingungen, beginnt mit dem Laden und fährt anschließend selbstständig wieder weg.
Ein wichtiger Baustein für autonome Fahrzeugflotten
Für einen privaten Tesla wäre kabelloses Laden vor allem eine Komfortfunktion.
Für ein Robotaxi besitzt es dagegen strategische Bedeutung.
Ein autonomes Fahrzeug erzeugt nur dann Umsatz, wenn es möglichst wenig menschliche Betreuung benötigt.
Jeder manuelle Arbeitsschritt erhöht die Betriebskosten.
Müsste ein Mitarbeiter jedes Cybercab mehrmals täglich an ein Ladekabel anschließen, wäre ein wesentlicher Teil der Autonomie des Gesamtsystems verloren.
Wireless Charging kann diesen Arbeitsschritt eliminieren.
Teslas Fremdkörpererkennung adressiert dabei eines der Sicherheitsprobleme, die für einen vollständig automatisierten Betrieb gelöst werden müssen.
Patent bedeutet noch keine Serienfunktion
Wie bei allen Tesla-Patenten ist allerdings eine wichtige Einschränkung notwendig.
Eine Patentanmeldung beziehungsweise ein erteiltes Patent bedeutet nicht automatisch, dass die beschriebene Technologie exakt in dieser Form in einem Serienprodukt eingesetzt wird.
Unternehmen schützen regelmäßig technische Entwicklungen, von denen später nur ein Teil tatsächlich kommerziell eingesetzt wird.
Das Patent zeigt jedoch, an welchen Problemen Tesla im Bereich des kabellosen Ladens arbeitet.
Im Zusammenhang mit Cybercab ist die Technologie deshalb besonders relevant.
Tesla baut ein komplettes System rund um das Cybercab
Die Entwicklung zeigt außerdem, dass ein Robotaxi wesentlich mehr benötigt als nur autonome Fahrsoftware.
Für einen vollständig autonomen Betrieb müssen zahlreiche Prozesse automatisiert werden.
Dazu gehören:
Fahren, Laden, Positionierung, Energieverwaltung, Diagnose, Reinigung und Wartung.
Tesla arbeitet parallel daran, seine Cybercab-Flotte in Austin zu vergrößern.
Mit zunehmender Zahl autonomer Fahrzeuge werden genau diese operativen Prozesse wichtiger.
Kabelloses Laden könnte dabei langfristig eine zentrale Rolle spielen.
Analyse: Kleine technische Lösung mit großer Bedeutung
Auf den ersten Blick wirkt eine Fremdkörpererkennung für eine Ladefläche wie ein relativ kleines technisches Detail.
Für Teslas Robotaxi-Pläne kann genau diese Technologie jedoch entscheidend sein.
Ein automatisches Ladesystem muss nicht nur funktionieren, wenn alle Bedingungen perfekt sind.
Es muss auch zuverlässig erkennen, wenn etwas nicht stimmt.
Besonders wichtig ist deshalb Teslas Ansatz, normale Veränderungen der elektrischen Eigenschaften – etwa durch Temperatur – von tatsächlichen Fremdkörpern zu unterscheiden.
Je geringer die Zahl der Fehlalarme bei gleichzeitig hoher Erkennungsrate ist, desto zuverlässiger kann ein autonomes Fahrzeug ohne menschliche Unterstützung geladen werden.
Und genau diese Zuverlässigkeit wird entscheidend, wenn Tesla Cybercab-Flotten irgendwann nicht mehr in Hunderten, sondern möglicherweise in Tausenden oder Zehntausenden Fahrzeugen betreiben möchte.
Vom automatischen Fahren zum automatischen Laden
Die langfristige Vision wird dadurch deutlich.
Ein Cybercab könnte einen Fahrgast autonom ans Ziel bringen.
Anschließend erkennt die Flottensteuerung einen niedrigen Batteriestand.
Das Fahrzeug fährt selbstständig zu einer Wireless-Charging-Station.
Es positioniert sich über der Ladefläche.
Das System überprüft die Ladefläche auf Fremdkörper.
Ist alles sicher, startet der Ladevorgang automatisch.
Nach Erreichen des gewünschten Ladezustands beendet das Fahrzeug den Ladevorgang und kehrt selbstständig in den Robotaxi-Betrieb zurück.
Kein Fahrer.
Kein Ladekabel.
Kein Mitarbeiter, der das Fahrzeug anschließen muss.
Eine zuverlässige Fremdkörpererkennung ist ein kleiner, aber notwendiger Bestandteil genau dieses Ablaufs.
Fazit: Tesla macht Wireless Charging sicherer
Tesla hat eine neue Technologie zur Fremdkörpererkennung beim kabellosen Laden patentiert.
Das System verwendet die elektrischen Eigenschaften der vorhandenen Ladespule, um mögliche Objekte auf der Ladefläche zu erkennen.
Dafür werden Signale mit mehreren Resonanzfrequenzen durch die Spule geschickt.
Anschließend analysiert das System unter anderem Veränderungen bei Signalamplitude und Spulenwiderstand.
Besonders wichtig ist, dass Tesla tatsächliche Fremdkörper von normalen Veränderungen des Systems – beispielsweise durch unterschiedliche Temperaturen – unterscheiden möchte.
Dadurch sollen Fehlalarme reduziert und gleichzeitig gefährliche Objekte zuverlässig erkannt werden.
Für normale Elektroautos erhöht die Technologie vor allem Sicherheit und Zuverlässigkeit beim induktiven Laden.
Für Cybercab und zukünftige autonome Robotaxi-Flotten besitzt sie eine wesentlich größere Bedeutung.
Wenn Tesla Fahrzeuge vollständig autonom betreiben möchte, muss irgendwann auch das Laden ohne menschliche Unterstützung funktionieren.
Wireless Charging kombiniert mit automatischer Positionierung und intelligenter Fremdkörpererkennung könnte genau das ermöglichen.
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