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Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren für ein Aufladen eines Elektrofahrzeugs mit einer anspruchsgemäßen Ladeeinrichtung.
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Ein Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, welches mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben wird. Der Elektromotor bezieht seinen Strom über eine Batterie, die im Elektrofahrzeug untergebracht ist. Diese Batterie muss nach einem Entladen wieder aufgeladen werden. Für ein Aufladen der Batterie dient eine Ladeeinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Ladeeinrichtung kann Teil des Elektrofahrzeugs oder Teil einer Ladestation sein. Soll die Batterie eines Elektrofahrzeugs aufgeladen werden, so wird die Ladeeinrichtung einer Ladestation mit der Ladeeinrichtung eines Elektrofahrzeugs mechanisch und elektrisch verbunden. Anschließend kann die Batterie mit Hilfe von elektrischem Strom aufgeladen werden, der von der Ladestation geliefert wird.
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Ein elektrischer Kontaktstift einer ersten Ladeeinrichtung wird in eine elektrische Kontaktbuchse einer zweiten Ladeeinrichtung hineingesteckt, um so eine elektrische Verbindung herzustellen. Sowohl der elektrische Kontaktstift als auch die elektrische Kontaktbuchse sind während des Aufladens mit elektrischen Leitern verbunden, über die Strom in gewünschter Weise geleitet wird und zwar in der Regel von der Ladestation zur Batterie des Elektrofahrzeugs.
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Grundsätzlich tritt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ladeeinrichtungen eine relativ große Reibungskraft auf, wenn ein elektrischer Kontaktstift in eine elektrische Kontaktbuchse gesteckt wird. Der Reibkontakt ist erwünscht, da dieser dem ordnungsgemäßen elektrischen Verbinden dient. Ein solcher Reibkontakt hat allerdings zur Folge, dass eine entsprechend große Kraft aufgewendet werden muss, um die elektrische Verbindung herzustellen.
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Um einen übermäßigen manuellen Kraftaufwand für ein solches Verbinden zu vermeiden, wird in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2010 041 323 vorgeschlagen, eine Ladeeinrichtung mit einem Antriebsmittel zu versehen, welches einen elektrischen Kontakt, also einen elektrischen Kontaktstift oder eine elektrische Kontaktbuchse von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung zu bewegen vermag, um so die gewünschte elektrische Verbindung herzustellen. Eine während des elektrischen Verbindens eines elektrischen Kontaktstifts mit einer elektrischen Kontaktbuchse auftretende Reibungskraft wird also nicht durch eine manuelle Kraft überwunden, sondern mit Hilfe des Antriebmittels. Umgekehrt kann das Antriebsmittels auch entsprechend für ein Lösen einer solchen Verbindung eingesetzt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiter entwickelte Ladeeinrichtung für ein einfaches Aufladen eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe umfasst eine Ladeeinrichtung die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Verfahren für ein Aufladen eines Elektrofahrzeugs umfasst die Merkmale des Nebenanspruchs.
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Die beanspruchte Ladeeinrichtung umfasst einen elektrischen Kontaktstift und eine Spreizeinrichtung für ein Spreizen des elektrischen Kontaktstiftes. Der Durchmesser einer Buchse einer weiteren, zugehörigen Ladeeinrichtung ist so dimensioniert, dass der elektrische Kontaktstift im nicht gespreizten Zustand in diese Buchse hineingeschoben werden kann, ohne eine übermäßige Reibungskraft überwinden zu müssen. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des elektrischen Kontaktstiftes daher derart kleiner als der Innendurchmesser der elektrischen Kontaktbuchse gewählt, dass der elektrische Kontaktstift – zumindest nahezu – berührungslos in die elektrische Kontaktbuchse hineingeschoben werden kann. Es gibt dann insbesondere eine Spielpassung zwischen dem elektrischen Kontaktstift und der elektrischen Kontaktbuchse.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung treten im Vergleich zum eingangs genannten Stand keine oder nur sehr geringe Reibungskräfte zwischen dem elektrischen Kontaktstift und der elektrischen Kontaktbuchse auf, die für ein Verbinden zu überwinden sind. Ist der elektrische Kontaktstift in die elektrische Kontaktbuchse hinreichend weit hinein geschoben worden, so wird der elektrische Kontaktstift mit Hilfe der Spreizeinrichtung gespreizt und so der ordnungsgemäße elektrische Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktstift und der elektrischen Kontaktbuchse hergestellt. Ein Spreizen erfolgt insbesondere mit Hilfe eines elektrischen Antriebs, so zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors oder mit Hilfe einer Formgedächtnislegierung. Da keine hohe Reibungskraft überwunden werden muss, fällt der Energieaufwand für ein Verbinden gering aus.
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Mit Spreizen ist gemeint, dass zumindest ein Segment des elektrischen Kontaktstiftes nach außen gedrückt und entsprechend bewegt wird, um so die gewünschte elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Kontaktstift und der elektrischen Kontaktbuchse herzustellen. Grundsätzlich wird durch ein Spreizen der Außendurchmesser des Kontaktstiftes zumindest abschnittsweise vergrößert.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Segment, das gegenüber anderen Elementen des Kontaktstiftes nach außen gedrückt wird, um ein elektrisch leitendes Segment. Es kann sich aber auch um ein elektrisch nicht-leitendes Segment handeln, welches zu gegebener Zeit durch das Spreizen indirekt einen ordnungsgemäßen elektrischen Kontakt zwischen einem elektrischen Kontaktstift und einer elektrischen Kontaktbuchse herstellt.
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Soll der elektrische Kontaktstift aus der elektrischen Kontaktbuchse wieder heraus gezogen werden, so wird zunächst die Spreizeinrichtung den auf das wenigstens eine Segment ausgeübten Druck beenden. Anschließend kann der elektrische Kontaktstift mit geringen Kraftaufwand aus der elektrischen Kontaktbuchse herausgezogen werden, ohne eine hohe Reibungskraft überwinden zu müssen.
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Eine Ladeeinrichtung umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktstiften und/oder elektrischen Kontaktbuchsen, die für ein Aufladen mit Gleichstrom und/oder Wechselstrom und/oder für sekundäre Zwecke vorgesehen sind. In der Regel weisen solche Kontaktstifte bzw. elektrische Kontaktbuchsen unterschiedlich große Durchmesser in Abhängigkeit von der jeweils vorgesehenen elektrischen Leistung auf, die transportiert werden soll. Insbesondere die elektrischen Kontaktstifte sind in vorgenannter Weise spreizbar ausgestaltet, die über besonders große Durchmesser verfügen. Kontaktstifte mit vergleichsweise kleinen Durchmessern sind in einer Ausführungsform nicht spreizbar ausgestaltet, da diese in der Regel mit relativ geringem Kraftaufwand in korrespondierende elektrische Kontaktbuchsen hineingeschoben werden können. Diese dienen dann dem anfänglichen Halt einer hergestellten mechanischen Verbindung zwischen zwei Ladeeinrichtungen.
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Alternativ oder ergänzend kann die Ladeeinrichtung über eine Reduziereinrichtung für eine Reduzierung des Innendurchmessers einer elektrischen Kontaktbuchse der Ladeeinrichtung verfügen. Es kann eine Reduzierung eines Abschnitts genügen, der elektrisch mit einem hineingesteckten elektrischen Kontaktstift verbunden werden kann. Das Vorgesagte gilt entsprechend für eine solche elektrische Kontaktbuchse mit einem reduzierbaren Innendurchmesser.
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Um den jeweiligen Durchmesser geeignet spreizen bzw. reduzieren zu können, gibt es in einer Ausführungsform wenigstens zwei auf der äußeren Oberfläche des elektrischen Kontaktstifts angeordnete, elektrisch leitende Segmente bzw. wenigstens zwei auf der inneren Oberfläche der elektrischen Kontaktbuchse angeordnete elektrisch leitende Segmente, die untereinander einen Abstand aufweisen, der durch die Spreizeinrichtung oder die Reduziereinrichtung verändert werden kann. Soll im Fall des Kontaktstiftes gespreizt werden, so wird der Abstand zwischen den Segmenten vergrößert. Soll im Fall der Kontaktbuchse der Innendurchmesser reduziert werden, so wird der Abstand zwischen den Segmenten verkleinert. Die elektrisch leitenden Segmente bestehen in der Regel ganz oder überwiegend aus einem Metall wie Stahl, Kupfer, Messing oder Eisen.
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In einer Ausführungsform ist die Spreizeinrichtung so beschaffen, dass während des Spreizens der elektrische Kontaktstift entlang seiner Längsachse axial bewegt und/oder um seine Längsachse gedreht wird. Alternativ oder ergänzend ist die Reduziereinrichtung so beschaffen, dass während des Reduzierens die elektrische Kontaktbuchse entlang ihrer Längsachse axial bewegt und/oder um ihre Längsachse gedreht wird. Ist der elektrische Kontaktstift in die elektrische Kontaktbuchse bestimmungsgemäß hinein gesteckt worden, so wird anschließend der Kontaktstift gespreizt und/oder der Innendurchmesser der Kontaktbuchse verringert, um so den angestrebten, ordnungsgemäßen elektrischen Kontakt sicherzustellen. Es liegt dann wenigstens ein elektrisch leitfähiges Segment der elektrischen Kontaktbuchse fest an einem elektrisch leitfähigem Segment des elektrischen Kontaktstiftes an und zwar insbesondere in Form einer Presspassung. Findet dabei zugleich eine Drehbewegung und/oder eine Längsverschiebung statt, so werden die Kontaktbereiche gesäubert, um so weiter verbessert einen ordnungsgemäßen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktstift und der elektrischen Kontaktbuchse sicherzustellen. Hierfür genügt eine sehr kleine Drehbewegung beispielsweise von nicht mehr als 180°, vorzugsweise von nicht mehr als 30° und/oder eine sehr kurze Längsverschiebung beispielsweise von nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise nicht mehr als 1 mm. Die Bewegung kann insgesamt vorteilhaft schraubenförmig sein. Es findet dann also zeitgleich sowohl eine Längsverschiebung als auch eine Drehbewegung statt. Durch eine solche schraubenförmige Bewegung wird besonders zuverlässig in angestrebter Weise gereinigt.
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Eine schraubenförmige Bewegung von ein oder mehreren vorzugsweise elektrisch leitenden Segmenten kann durch Vorsehen einer Gewindeverbindung eines Stiftes erreicht werden, an dem das bzw. die vorzugsweise elektrisch leitenden Segmente anliegen. Weist der Stift beispielsweise ein Innengewinde auf, welches sich in einem fest angeordneten Außengewinde befindet, und wird der Stift beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Antriebs gedreht, so wird der Stift sowohl gedreht als auch entlang seiner Längsachse verschoben. Die Drehbewegung kann auf das bzw. die vorzugsweise elektrisch leitenden Segmente übertragen werden, um eine Reinigung von elektrischen Kontaktstellen zu erzielen. Die Längsbewegung kann ganz oder teilweise auf das bzw. die vorzugsweise elektrisch leitenden Segmente zu Reinigungszwecken übertragen werden. Die Längsbewegung des Stiftes kann alternativ oder ergänzend bewirken, dass das bzw. die vorzugsweise elektrisch leitenden Segmente zum Beispiel gespreizt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst der Stift ein oder mehrere seitlich abstehende Nocken, die an ein oder mehreren Rampen anliegen. Wird der Stift gedreht, so werden die Nocken entlang der Rampe verfahren und so eine lineare Bewegung bzw. Verschiebung des Stiftes entlang seiner Längsachse aus vorgenannten Gründen erzeugt.
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In einer Ausführungsform umfasst die Spreizeinrichtung einen bewegbaren Stift, der ein oder mehrere vorzugsweise elektrisch leitende, außen liegende Segmente nach außen zu drücken vermag. Alternativ oder ergänzend umfasst die Reduziereinrichtung eine Hülse, die ein oder mehrere innen liegende, vorzugsweise elektrische leitende Segmente nach innen zu drücken vermag. Mit einer solchen Konstruktion kann eine zuverlässig funktionierende Spreizeinrichtung bzw. Reduziereinrichtung bereit gestellt werden, ohne dafür einen hohen technischen Aufwand betreiben zu müssen.
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Vorzugsweise ist der vorgenannte bewegbare Stift und/oder die vorgenannte bewegbare Hülse elektrisch nicht-leitend ausgestaltet. Um das Gewicht gering zu halten, besteht der bewegbare Stift und/oder die bewegbare Hülse aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoffmaterial. Da der bewegbare Stift bzw. die bewegbare Hülse als Teil der Spreizeinrichtung bzw. als Teil der Reduziereinrichtung nicht dem Stromtransport dienen sollen, ist es aus Sicherheitsgründen von Vorteil, diese aus einem elektrisch nicht-leitendem Material zu fertigen.
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Die Ladeeinrichtung ist in einer Ausführungsform so beschaffen, dass durch ein Spreizen des elektrischen Kontaktstifts ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktstift und einem elektrischen Leiter der Ladeeinrichtung hergestellt wird und/oder durch ein Reduzieren des Innendurchmessers der elektrischen Kontaktbuchse ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Kontaktbuchse und einem elektrischen Leiter der Ladeeinrichtung hergestellt wird. Der elektrisch leitende Teil des Kontaktstifts bzw. der elektrisch leitende Teil der elektrischen Kontaktbuchse wird also erst dann mit dem zugeordneten elektrischen Leiter der Ladeeinrichtung zuverlässig elektrisch leitend verbunden, wenn dies für ein Aufladen einer Batterie des Elektrofahrzeugs erforderlich ist. Diese Ausführungsform verbessert die Sicherheit, da nicht vorzeitig ein elektrischer Kontaktstift oder eine elektrische Kontaktbuchse mit einem elektrischen, ggfs. stromführenden elektrischen Leiter verbunden ist.
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In einer Ausführungsform umfasst der elektrische Kontaktstift wenigstens zwei, vorzugsweise drei aus Metall bestehende Segmente in Form von Schalenelementen, die sich teilweise in einer Führung befinden. Die Schalenelemente sind spreizbar. Damit ist gemeint, dass diese nach außen gedrückt werden können, was zu einer Vergrößerung des Außenumfangs des Kontaktstiftes führt. Aus Sicherheitsgründen besteht die Führung, die beispielsweise hülsenförmig und/oder gehäuseförmig sein kann, aus einem elektrisch nicht-leitenden Material und zwar insbesondere aus Gewichtsersparnisgründen aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoffmaterial. In die Führung führt ein elektrischer Leiter hinein. Dieser hinein führende elektrische Leiter wird vorzugsweise aus vorgenannten Gründen erst durch Spreizen der Schalenelemente elektrisch kontaktiert. Die Länge der Schalenelemente ist dann so gewählt, dass diese von dem genannten Leiter aus der Führung heraus reichen und zwar derart weit, dass elektrisch leitfähige Segmente einer zugeordneten elektrischen Kontaktbuchse elektrisch kontaktiert werden können.
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Die Schalenelemente liegen bevorzugt an einem bewegbaren Stift an, der vorzugsweise elektrisch nicht-leitend ist. Eine schraubenförmige Bewegung des Stiftes vermag die Schalenelemente sowohl zu drehen als auch zu spreizen. In einer Ausführungsform wird dies erreicht, indem zwei aneinander grenzende Schalenelemente ein oder mehrere Ausnehmungen einrahmen, in die jeweils ein Mitnehmernocken des bewegbaren Stifts hinein ragt. Wird der Mitnehmernocken zusammen mit dem Stift gedreht, so wird die Drehbewegung auf die Schalenelemente übertragen. Wird ein Mitnehmernocken relativ zu einem Schalenelement entlang der Längsachse des Kontaktstiftes verschoben, so wird eine solche Ausnehmung auseinander gedrückt, die entsprechend geeignet geformt ist. Damit geht ein Spreizen der Schalenelemente einher.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ladeeinrichtung eine Steuereinrichtung, die ein mechanisches Verbinden von zwei Ladeeinrichtungen zu detektieren und in Abhängigkeit davon ein Spreizen oder Reduzieren zu steuern vermag. Die Steuereinrichtung stellt zunächst mit Hilfe eines Detektors unmittelbar oder mittelbar fest, ob ein entsprechender elektrischer Kontaktstift der einen Ladeeinrichtung in die vorgesehene elektrische Kontaktbuchse der anderen Ladeeinrichtung hineingesteckt worden ist. Wurde durch die Steuereinrichtung festgestellt, dass der elektrische Kontaktstift in die elektrische Kontaktbuchse in einer für ein Aufladen vorgesehenen Weise hineingesteckt worden ist, so bewirkt die Steuereinrichtung anschließend vorzugsweise automatisiert, dass der elektrische Kontaktstift derart gespreizt wird oder werden kann und/oder der Innendurchmesser der elektrischen Kontaktbuchse derart verringert wird oder werden kann, dass dadurch ein fester Kontakt zwischen elektrisch leitenden Segmenten von elektrischem Kontaktstift und elektrischer Kontaktbuchse hergestellt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: elektrischer Kontaktstift
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2: elektrischer Kontaktstift mit Gehäuse
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In der 1 wird ein elektrischer Kontaktstift 1 nebst zwei Schnittdarstellungen gezeigt, der einen aus elektrisch nicht-leitendem Kunststoff bestehenden Stift 2 und an dem Kunststoffstift anliegende, aus Metall bestehende drei Segmente bzw. drei aus Metall bestehende anliegende Schalenelemente 3 umfasst. Der aus Kunststoff bestehende Stift weist eine Mehrzahl von seitlich abstehenden Mitnehmernocken 4 auf. Eine jede Mitnehmernocke 4 reicht in eine Ausnehmung 5 hinein, die von zwei Schalenelementen 3 eingerahmt wird.
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Der Kunststoffstift 2 weist außerdem am unteren Ende vier seitlich abstehende Nocken 6 auf, die gegenüber den Schalenelementen 3 hervorstehen. An diese vier Nocken 6 grenzt ein Antriebsrad 7, welches ein Zahnrad sein kann, an. Das Antriebsrad 7 ist mit dem Kontaktstift 2 zum Beispiel einstückig fest verbunden. Anhand der 2 wird bereits deutlich, dass ein Drehen des Antriebsrads 7 beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Antriebs ein Drehen des damit fest verbundenen Kunststoffstiftes 2 zur Folge hat. Der Kunststoffstift 2 überträgt seine Drehbewegung mit Hilfe der Mitnehmernocken 4 auf die anliegenden Schalenelemente 3.
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Im montierten Zustand befindet sich der in der 1 gezeigte elektrische Kontaktstift 1 teilweise drehbar gelagert in einem Gehäuse 8. Sowohl der Kunststoffstift 2 als auch die Schalenelemente 3 können gegenüber dem Gehäuse 8 gedreht werden. Entlang der Längsachse des elektrischen Kontaktstiftes 1, also entlang des Doppelpfeils 9 kann der Kunststoffstift 2 relativ zum Gehäuse 8 bewegt werden, nicht aber in gleicher Weise die an dem Kunststoffstift anliegenden Schalenelemente 3. Entsprechende ein oder mehrere Halteelemente, die eine solche Längsverschiebung der Schalenelemente 3 gegenüber dem als Führung für die Schalenelemente dienenden Gehäuse 8 verhindern, sind nicht dargestellt.
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Die am unteren Ende befindlichen Nocken 6 liegen an Rampen 10 des Gehäuses 8 an. Die schraubenkonturförmig gestalteten Rampen 10 bewirken eine lineare Bewegung gemäß dem Doppelpfeil 9 des Kunststoffstiftes 2 relativ zum Gehäuse 8, wenn das Antriebsrad 7 entsprechend gedreht wird. Aufgrund der linearen Bewegung bzw. Verschiebung des Kunststoffstiftes 2 verschieben sich die in den Ausnehmungen 5 befindlichen Mitnehmernocken 4 in Richtung eines Spaltes 11, der durch zwei angrenzende Schalenelemente 3 gebildet wird. Da eine jede Ausnehmung 5 sich in Richtung Spalt 11 verjüngt, werden zwei Schalenelemente 3 auseinander gedrückt und der elektrische Kontaktstift 1 gespreizt. Vorzugsweise wird gegen eine Federkraft gespreizt. In diesem Fall gibt es ein federndes Element, welches die Schalenelemente 3 in Richtung Kunststoffstift 2 drückt. Es kann sich dabei in einem einfachen Fall um ein oder mehrere elastische Ringe handeln, die umlaufend an den Schalenelementen 3 anliegen und sich beispielsweise innerhalb des Gehäuses 8 befinden.
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In das Gehäuse 8 führt ein elektrischer Leiter 12 hinein, der mit ein oder mehreren der elektrisch leitenden Schalenelemente 3 verbunden ist oder elektrisch verbunden werden kann. Vorzugsweise ist der elektrische Leiter 12 im Inneren des Gehäuses 8 so ortsfest angeordnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter 12 und den metallischen Schalenelementen 3 erst durch Spreizen hergestellt wird.
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Entsprechend den vorgestellten Prinzipien ist es möglich, eine elektrische Kontaktbuchse mit einem reduzierbaren Innendurchmesser zu konstruieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Kontaktstift
- 2
- aus Kunststoff bestehender Stift
- 3
- Schalenelement
- 4
- Mitnehmernocke
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Nocke für Längsverschiebung
- 7
- Antriebsrad
- 8
- Gehäuse
- 9
- Bewegungsrichtung bei Längsverschiebung
- 10
- Rampe
- 11
- Spaltes
- 12
- elektrischer Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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