DE102011005386A1

DE102011005386A1 - Lademodul und Verfahren zum Betrieb desselben

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Publication number: DE102011005386A1
Application number: DE102011005386A
Authority: DE
Inventors: Checrallah Kachouh; Simon Brose
Original assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Current assignee: COMPLEO CHARGING SOLUTIONS GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: DE102011005386B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lademodul zur Bereitstellung elektrischer Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem Gehäuse, welches eine Steuereinheit umgibt, und mit einem dem Gehäuse zugeordneten Steckelement, wobei das Steckelement elektrisch mit einer ortsfesten Versorgungsleitung verbunden ist und wobei das Steckelement mechanisch und elektrisch mit einem Gegensteckelement verbindbar ist zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Versorgungsleitung und einem Energiespeicher des Fahrzeugs, wobei zur Ausbildung des Lademoduls als ein Plug-in-Lademodul für das automatische Verbinden des Steckelements mit dem Gegensteckelement das Steckelement über Haltemittel schwenkbar angeordnet ist in Bezug auf eine um eine erste Horizontalrichtung gebildete erste Drehrichtung und in Bezug auf eine um eine zu der ersten Horizontalrichtung orthogonal angeordnete zweite Horizontalrichtung gebildete zweite Drehrichtung, und dass Fügemittel vorgesehen sind zur selbsttätigen Ausrichtung des Steckelements in Bezug auf die erste Drehrichtung und auf die zweite Drehrichtung während des Verbindens des Steckelements mit dem Gegensteckelement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lademodul zur Bereitstellung elektrischer Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem Gehäuse, welches eine Steuereinheit umgibt, und mit einem dem Gehäuse zugeordneten Steckelement, wobei das Steckelement elektrisch mit einer ortsfesten Versorgungsleitung verbunden ist und wobei das Steckelement mechanisch und elektrisch mit einem Gegensteckelement verbindbar ist zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Versorgungsleitung und einem Energiespeicher des Fahrzeugs.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Lademoduls.
Um ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen, wird ein Energiespeicher des Fahrzeugs typischerweise über ein Ladekabel mit einem ortsfesten, elektrische Energie bereitstellenden Lademodul verbunden. Beispielsweise ist aus der DE 10 2009 039 651 A1 ein Boden stehendes, säulenförmiges Lademodul mit wenigstens einem Steckelement bekannt. Das Steckelement ist elektrisch mit einer ortsfesten Versorgungsleitung verbunden. Zur Konnektierung des Energiespeichers wird ein erstes Gegensteckelement des Ladekabels an das Steckelement des Lademoduls angesetzt. Ein zweites Gegensteckelement des Ladekabels wird an ein fahrzeugseitiges Steckelement, welches mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs verbunden ist, angesetzt mit der Folge, dass eine elektrische Verbindung von der Versorgungsleitung zu dem Energiespeicher des Fahrzeugs hergestellt ist und über die Versorgungsleitung bereitgestellte Energie in den Fahrzeugspeicher eingespeist werden kann. Derartige Lademodule werden zunehmend an öffentlich zugänglichen Stellen, beispielsweise auf Parkplätzen, oder an einem heimischen Stellplatz installiert. Für den Nutzer des Elektrofahrzeugs besteht hierdurch die Möglichkeit, den Energiespeicher regelmäßig nachzuladen und so die Verfügbarkeit des Fahrzeugs zu gewährleisten. Jedoch ist es üblich, das Fahrzeug nur für den konkreten Ladevorgang mit dem Lademodul zu verbinden.
Ebenfalls ist bekannt, elektrische Energie berührungslos auf das Fahrzeug zu übertragen und in den Energiespeicher des Fahrzeugs einzuspeisen. Diese berührungslose Energieübertragung hat den Vorteil, dass das Fahrzeug an einem entsprechend ausgestatteten Stellplatz ohne manuelles Zutun des Nutzers quasi immer mit dem Lademodul verbunden ist. Einer mechanischen Verbindung von Fahrzeug und Lademodul bedarf es nicht, so dass die Möglichkeit geschaffen wird, den Energiespeicher des Fahrzeugs in besonders komfortabler Weise zu laden. Überdies besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines übergeordneten Lastmanagements den Ladestrom an die momentanen Erfordernisse anzupassen, den Energiespeicher vorzugsweise mit günstigem Nachtstrom zu laden bzw. Energie aus dem Energiespeicher des Fahrzeugs zurück in die Versorgungsleitung zu speisen, um bei zunehmender Verbreitung von Elektrofahrzeugen ein Energiereservoir zu schaffen, mit dem das elektrische Versorgungsnetz stabilisiert und kurzfristige Energiebedarfsspitzen abgedeckt werden können. Nachteilig ist jedoch, dass aufgrund der berührungslosen Energieübertragung eine Beeinträchtigung der Umwelt durch sogenannten Elektrosmog zu befürchten ist und die Akzeptanz derartiger Lademodule beim Nutzer aus diesem Grund begrenzt ist. Darüber hinaus entstehen beim berührungslosen Laden signifikante Verluste, wodurch der Gesamtwirkungsgrad und die Umweltbilanz negativ beeinflusst werden.
Um die Nachteile der berührungslosen Energieübertragung zu überwinden und zugleich eine automatische Verbindung von Fahrzeug und Lademodul zu bewirken, ist beispielsweise aus der DE 10 2009 001 080 A1 eine Ladestation mit einem nach Art eines Roboterarms ausgebildeten Kontaktarm bekannt. An dem Kontaktarm ist endseitig das Steckelement gehalten. Das Steckelement wird durch den Kontaktarm positioniert und automatisiert an das Gegensteckelement des Fahrzeugs angesetzt, sobald das Fahrzeug auf einem dem Lademodul zugeordneten Stellplatz abgestellt ist. Der Kontaktarm wird durch eine Elektromotoren, hydraulische bzw. pneumatische Stellvorrichtungen oder elastische Mittel aufweisende Betätigungseinheit aktiv bewegt. Nachteilig an der bekannten Lösung ist, dass die Positionierung des Steckelements aufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein nach Art eines Plug-in-Lademoduls ausgebildetes Lademodul zur Bereitstellung elektrischer Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug derart weiterzubilden, dass es konstruktiv einfach gestaltet, kostengünstig herstellbar und einfach zu handhaben ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreib des Lademoduls bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Lademoduls als ein Plug-in-Lademodul für das automatische Verbinden des Steckelements mit dem Gegensteckelement das Steckelement über Haltemittel schwenkbar angeordnet ist in Bezug auf eine um eine erste Horizontalrichtung gebildete erste Drehrichtung und in Bezug auf eine um eine zu der ersten Horizontalrichtung orthogonal angeordnete zweite Horizontalrichtung gebildete zweite Drehrichtung, und dass Fügemittel vorgesehen sind zur selbsttätigen Ausrichtung des Steckelements in Bezug auf die erste Drehrichtung und auf die zweite Drehrichtung während des Verbindens des Steckelements mit dem Gegensteckelement.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine beispielsweise mit einem Beladungszustand variierende Neigung des Fahrzeugs um dessen Fahrzeuglängs- bzw. Fahrzeugquerachse lademodulseitig passiv ausgeglichen werden kann. Das Steckelement des Lademoduls kann ungeachtet einer etwaigen Schrägstellung des Fahrzeugs in Bezug zu einer durch die erste Horizontalrichtung und die zweite Horizontalrichtung gebildeten Horizontalebene an das Gegensteckelement angesetzt werden. Indem Fügemittel für eine selbsttätige Ausrichtung des Steckelements in Bezug zu dem Gegensteckelement sorgen, kann auf aktive Betätigungselemente zum Justieren bzw. Ausrichten des Steckelements in die erste und die zweite Drehrichtungen ebenso wie auf ein manuelles Eingreifen des Nutzers verzichtet werden. Die Verbindung kann somit in besonders einfacher und komfortabler Weise hergestellt werden mit der Folge, dass sich die Akzeptanz des Systems erhöht und einer Fehlbedienung vorgebeugt ist. Zudem ist das Lademodul durch den Verzicht auf die Betätigungselemente kostengünstig in der Herstellung und robust.
Ein erster Neigungswinkel des Steckelements um die erste Drehrichtung und ein zweiter Neigungswinkel des Steckelements um die zweite Drehrichtung sind typischerweise klein, da die Neigung des Fahrzeugs zur Horizontalebene lediglich innerhalb enger Grenzen variieren wird. Beispielsweise können der erste Neigungswinkel und der zweite Neigungswinkel jeweils kleiner als +/–10° in Bezug auf eine Mittelposition des Steckelements, bevorzugt kleiner als +/–5° in Bezug zu der Mittelposition des Steckelements ausgebildet sein. Besonders bevorzugt sind der erste Neigungswinkel und der zweite Neigungswinkel kleiner als +/–2° ausgebildet.
Als Haltemittel kann beispielsweise eine Gelenklagerung vorgesehen sein, welche einen ersten Drehfreiheitsgrad in die erste Drehrichtung und einen zweiten Drehfreiheitsgrad in die zweite Drehrichtung bereitstellt. Beispielsweise kann das Haltemittel als ein elastisches Haltemittel ausgebildet sein, bei dem durch die Elastizität des Werkstoffs ein Verdrehen in die erste bzw. zweite Drehrichtung quasi stoffimmanent bereitgestellt wird. Als Fügemittel kann beispielsweise eine Ansatzschräge für die erste Drehrichtung und/oder eine Ansatzschräge für die zweite Drehrichtung vorgesehen sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Steckelement in die erste Horizontalrichtung bzw. in die zweite Horizontalrichtung bzw. in eine zu den Horizontalrichtungen senkrechte Vertikalrichtung beweglich gehalten. Das Steckelement kann überdies schwenkbar in Bezug auf eine um die Vertikalrichtung gebildete dritte Drehrichtung angeordnet sein. Vorteilhaft wird hierdurch die Möglichkeit geschaffen, das Steckelement in bis zu drei Raumrichtungen zu positionieren und in der Horizontalebene zu schwenken. Das Steckelement kann automatisiert mit dem Gegensteckelement des Fahrzeugs verbunden werden. Durch die Freiheitsgrade wird die Möglichkeit geschaffen, das Steckelement entsprechend der Position des Gegensteckelements auszurichten. Das Lademodul kann somit für verschiedene Fahrzeugtypen eingesetzt werden. Überdies besteht die Möglichkeit, das Steckelement unabhängig von der jeweiligen Parkposition des Elektrofahrzeugs an das Gegensteckelement des Fahrzeugs anzusetzen.
Beispielsweise kann das Steckelement in einzelne Raumrichtungen lediglich einmal justiert werden. Insbesondere in die Vertikalrichtung kann das Steckelement einmalig an eine vertikale Anordnung des Gegensteckelements angepasst werden. Die vertikale Richtung des Steckelements kann dann mittels Festlegeelementen blockiert werden, während das Steckelement weiter in die erste Horizontalrichtung, in die zweite Horizontalrichtung, oder in eine der drei Drehrichtungen beweglich gehalten ist.
Beispielsweise kann das Steckelement über an dem Fahrzeug vorgesehene Positioniermittel passiv in Bezug auf das Gegensteckelement des Fahrzeugs ausgerichtet werden. Als Positioniermittel können beispielsweise mechanische Positioniermittel vorgesehen sein, die mit dem Steckelement in eine Wirkverbindung verbracht werden.
Einzelne Freiheitsgrade des Steckelements müssen an dem Lademodul nicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann auf einen Freiheitsgrad in die Vertikalrichtung verzichtet werden, wenn das Gegensteckelement fahrzeugseitig stets in einer definierten Höhe bereitgestellt wird. Ebenso ist es möglich, einen Freiheitsgrad innerhalb der Horizontalebene nicht auszubilden, wenn das Fahrzeug selbst durch den Fahrer oder eine dem Fahrzeug zugeordnete Positioniereinheit relativ zum Lademodul ausgerichtet wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Detektoreinheit vorgesehen zur Ermittlung der Parkposition des Fahrzeugs, zur Identifikation eines Fahrzeugtyps bzw. zur Identifikation des Fahrzeugs selbst. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Detektoreinheit die Parkposition des Fahrzeugs automatisiert erkannt und in Kenntnis des Fahrzeugs oder der Fahrzeugspezifika auf die Lage des Gegensteckelements geschlossen werden. Das Fahrzeug selbst bzw. der Fahrzeugtyp kann beispielsweise mittels einer Identifikationsinformation erkannt werden, die vorzugsweise kabellos zwischen dem Fahrzeug und dem Lademodul ausgetauscht wird. Auf Basis der Identifikationsinformation kann – beispielsweise durch einen Datenbankabgleich – die Position des Gegensteckelements an dem Fahrzeug ermittelt werden. Indem das Fahrzeug selbst identifiziert wird, kann eine für das individuelle Fahrzeug lademodulseitig abgespeicherte Position des Gegensteckelement relativ zu einer Fahrzeugreferenzposition für die Positionierung des Steckelements genutzt werden.
Zur Ermittlung der Parkposition können beispielsweise optische Sensoren, insbesondere Bild verarbeitende Sensoren, oder sonstige berührungslos arbeitende Sensoren, insbesondere Ultraschall-Abstandssensoren, eingesetzt werden. Die der Ermittlung der Parkposition dienenden Sensoren können zugleich zur Ermittlung des Fahrzeugtyps bzw. zur Identifikation des einzelnen Fahrzeugs herangezogen werden. Beispielsweise kann mittels Bild verarbeitender Sensoren ein Nummernschild oder eine sonstige eindeutige Kennzeichnung des Fahrzeugs erfasst und in der Steuereinheit ausgewertet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wirkt die Steuereinheit mit der Detektoreinheit und einer Parkleiteinheit des Lademoduls derart zusammen, dass während einer Anfahrt des Fahrzeugs Instruktionen zur Einnahme einer bevorzugten Parkposition angezeigt werden. Vorteilhaft kann der Fahrer bei der Einnahme einer für das automatische Konnektieren des Fahrzeugs günstigen Parkposition unterstützt werden. Die Parkleiteinheit kann so ausgebildet sein, dass dem Fahrer Lenkinstruktionen visuell angezeigt werden. Hierzu können beispielsweise Richtungspfeile auf eine Garagenwand projiziert werden. Ebenfalls können – wie bei einer Einparkhilfe – akustische Signale den Fahrer zu einer günstigen Parkposition leiten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wirkt die Steuereinheit mit der Detektoreinheit und mit einer Betätigungseinheit zum aktiven Positionieren des Steckelements in die erste Horizontalrichtung, in die zweite Horizontalrichtung, in die dritte Horizontalrichtung bzw. in die dritte Drehrichtung zusammen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das Steckelement relativ zum Gegensteckelement zu positionieren. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen einer durch die Steuereinheit angesteuerten Betätigungseinheit das Steckelement voll automatisch an das Gegensteckelement des Fahrzeugs angesetzt werden. Ein manuelles Eingreifen bzw. Zutun des Nutzers ist nicht erforderlich. Beispielsweise kann das Steckelement automatisch mit dem Gegensteckelement verbunden werden, wenn das Vorhandensein eines Elektrofahrzeugs mittels der Detektoreinheit identifiziert wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Energiespeicher des Fahrzeugs automatisiert mit der Versorgungsleitung verbunden ist und als Energiereservoir zur Verfügung steht.
Nach einer Weiterbildung sind über die Betätigungseinheit bewegbare Auslösemittel vorgesehen zum Verbringen des Gegensteckelements aus einer Nichtverbindungsposition, in der das Gegensteckelement unzugänglich in dem Fahrzeug angeordnet ist, in eine Verbindungsposition, in der das Gegensteckelement zugänglich angeordnet und das Steckelement in das Gegensteckelement einsetzbar ist. Vorteilhaft kann fahrzeugseitig auf Betätigungsmittel zum verbringen des Gegensteckelements in die Verbindungsposition verzichtet werden, wenn geeignete Auslösemittel an dem Lademodul vorgesehen sind. Das Fahrzeug kann hierdurch leichter ausgeführt werden.
Beispielsweise kann ein Auslösemittel ein mit Hilfe von Federelementen in einer Schließstellung gehaltene Abdeckklappe des Gegensteckelements in eine Öffnungsposition schwenken, so dass sich das frei gegebene Gegensteckelement in der Verbindungsposition befindet und zugänglich in dem Fahrzeug angeordnet ist. Beispielsweise kann das Auslösemittel so ausgebildet sein, dass ein schwenkbar an dem Fahrzeug gehaltenes Gegensteckelement aus der Nichtverbindungsposition in die Verbindungsposition geschwenkt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wirkt die Steuereinheit mit einer Schalteinheit zum Einschalten bzw. Ausschalten einer Spannung des Steckelements zusammen und ist derart ausgebildet, dass das Steckelement spannungsfrei geschaltet wird, wenn das Steckelement von dem Gegensteckelement getrennt wird, und dass die Spannung an das Steckelement angelegt wird, sobald das Steckelement mechanisch und elektrisch mit dem Gegensteckelement verbunden ist. Vorteilhaft kann hierdurch auf ein manuelles Trennen von Steckelement und Gegensteckelement sowie auf das manuelle Anlegen der Spannung verzichtet werden. Das Steckelement kann spannungsfrei geschaltet werden, sobald der Wunsch zu Trennung erkennbar wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Fahrzeug gestartet und beim Losfahren das Steckelement von dem Gegensteckelement getrennt werden. Sobald die Trennung diagnostiziert wird, wird das Steckelement spannungsfrei geschaltet. Das Steckelement kann nach dem Trennen in eine Referenzposition verbracht werden. Auf Verriegelungsmittel zur Festlegung des Steckelements an dem Gegensteckelement wird vorteilhaft verzichtet. Beispielsweise kann das Steckelement spannungsfrei geschaltet werden, wenn das Fahrzeug mittels einer Funkfernbedienung entriegelt, eine Fahrzeugtür geöffnet oder ein Startknopf betätigt wird. Die Steckverbindung wird in diesem Fall spannungsfrei geschaltet, bevor die Verbindung tatsächlich getrennt wird.
Die Detektion eines Verbindungszustands von Steckelement und Gegensteckelement kann beispielsweise mittels eines zwischen dem Lademodul und dem Fahrzeug ausgetauschten Handshake-Signals, über den Signalkontakt „Plug Present” von Steckelement und Gegensteckelement oder über die Detektoreinheit des Lademoduls erfolgen. Die Spannung kann beispielsweise an das Steckelement angelegt werden, nachdem ein Freigabesignal die korrekte mechanische und/oder elektrische Verbindung von Steckelement und Gegensteckelement angezeigt hat.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Steckelement als ein magnetisches Steckelement (Magnetstecker) ausgebildet. Ein Steckelement wird als ein magnetisches Steckelement im Sinne der Anmeldung aufgefasst, wenn das Steckelement im Bezug zum Gegensteckelement mit Hilfe von Magnetkräften ausgerichtet und/oder angezogen und/oder gehalten wird. Vorteilhaft kann ein geringer kathesischer Versatz bzw. Winkelversatz bei der Verwendung eines Magnetsteckers in besonders einfacher Weise durch die zwischen dem Magnetstecker und dem ebenfalls magnetischen Gegensteckelement wirkenden magnetischen Kräfte ausgeglichen werden. Die magnetischen Kräfte wirken hierbei als ein Fügemittel im Sinne der Erfindung und sind ursächlich dafür, dass das Steckelement – sobald es einmal in den Wirkbereich des Gegensteckelements gelangt ist – selbsttätig bzw. selbstjustierend an das Gegensteckelement angesetzt wird. Da eine Anlagefläche der magnetischen Steckverbindung (magnetisches Steckelement und magnetisches Gegensteckelement) weitgehend eben ausgebildet sein kann und die Haltekräfte durch die magnetischen Kräfte aufgebracht werden, kann das Steckelement ohne das Risiko einer Beschädigung desselben beispielsweise beim Losfahren von dem Gegensteckelement getrennt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Anzeigeeinheit zur Anzeige von Betriebsdaten des Lademoduls ortsfern von dem Gehäuse vorgesehen sein. Die Anzeigeeinheit kann beispielsweise als eine mobile Anzeigeeinheit genutzt werden und den Betriebs- bzw. Ladezustand des Lademoduls in einer entfernt von dem Stellplatz angeordneten Wohnung visualisieren. Als Betriebsdaten können beispielsweise Informationen zum Ladevorgang, Informationen zu den Nutzervorgaben und/oder Tarif- bzw. Preisangaben angezeigt werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Nutzer des Fahrzeugs stets über den Ladevorgang informiert wird und von einer etwaigen Unterbrechung desselben nicht überrascht wird. Eine Unterbrechung kann beispielsweise durch geeignete visuelle bzw. akustische Signale der Anzeigeeinheit kenntlich gemacht werden. Anzeigeeinheit und Steuereinheit des Lademoduls können bevorzugt drahtlos beispielsweise via Funk oder via Internet kommunizieren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Lademodul als Wand gehaltenes Lademodul, als frei stehendes Lademodul oder als ein zumindest abschnittsweise im Boden eingelassenes Lademodul ausgebildet. Wand gehaltene Lademodule eignen sich insbesondere für die Montage an einer Hauswand bzw. in einer Garage und können besonders vorteilhaft verwendet werden, wenn das Gegensteckelement des Fahrzeugs in der Fahrzeugfront, etwa im Bereich des Kühlers, angeordnet ist. Ein frei stehendes Lademodul kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn das Fahrzeug entfernt von der Wohnung im Freien abgestellt wird. Ein zumindest abschnittsweise im Boden eingelassenes Lademodul kann vorgesehen werden, wenn das Gegensteckelement einem Fahrzeugunterboden des Elektrofahrzeugs zugeordnet und die Kontaktierung des Elektrofahrzeugs von der Fahrzeugunterbodenseite stattfindet. Das Fahrzeug kann dann vorteilhaft oberhalb des in dem Boden eingelassenen Lademoduls geparkt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Lademodul eine mit der Steuereinheit zusammenwirkende Kommunikationseinheit auf. Die Kommunikationseinheit dient der Kommunikation des Lademoduls mit einem dem Energiespeicher zugeordneten Steuergerät des Fahrzeugs und mit einer der Versorgungsleitung zugeordneten Steuereinrichtung. Vorteilhaft kann durch die Kommunikationseinheit u. a. ein Lastmanagement vereinfacht werden.
Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 14 gekennzeichnet.
Der besondere Vorteil besteht darin, dass das Steckelement in wenigsten zwei Raumfreiheitsgraden passiv zum Gegensteckelement des Fahrzeugs ausgerichtet wird, so dass das Fahrzeug in besonders einfacher Weise mit dem Lademodul verbunden und die Betätigungseinheit konstruktiv einfach ausgestaltet werden kann. In die Horizontalrichtungen bzw. die Vertikalrichtung sowie in Bezug auf die um die Vertikalrichtung gebildete dritte Drehrichtung kann das Steckelement grob zu dem Gegensteckelement positioniert worden sind, indem – beispielsweise – das Fahrzeug mit Hilfe einer Parkleiteinheit oder anderer, ggf. mechanischer Einparkhilfen in eine bevorzugte Parkposition verbracht wurde.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Parkposition des mit dem Lademodul zu verbindenden Fahrzeugs erfasst, auf Basis der Parkposition und in Kenntnis weiterer fahrzeugspezifischer Parameter die Position des Gegensteckelements am Fahrzeug ermittelt und das Steckelement mittels der Betätigungseinheit in die Nähe des Gegensteckelements verbracht sowie relativ zu dem Gegensteckelement in die erste Horizontalrichtung, in die zweite Horizontalrichtung, in die Vertikalrichtung bzw. in Bezug auf die um die Vertikalrichtung gebildeten dritte Drehrichtung aktiv ausgerichtet. Vorteilhaft kann mit Hilfe der Betätigungselemente aufweisenden Betätigungseinheit das Steckelement zunächst zum Gegensteckelement grob positioniert und in einer Horizontalebene, in einer Vertikalrichtung und hinsichtlich eines um die Vertikalrichtung gebildeten Drehwinkels insbesondere fluchtend zum Gegensteckelement ausgerichtet werden. Die Grobpositionierung erfolgt aktiv mittels der Betätigungseinheit. Anschließend werden Fügemittel des Steckelements mittels der ebenfalls von der Betätigungseinheit ausgeführten Zustellbewegung mit korrespondierenden Fügemitteln des Gegensteckelements in eine Wirkverbindung gebracht. Durch die weitere Zustellbewegung werden Steckelement und Gegensteckelement mechanisch und elektrisch verbunden. Während dieser weiteren Zustelleinheit wird das Steckelement durch die Fügemittel in zwei oder mehr Raumfreiheitsgrade relativ zum Gegensteckelement passiv ausgerichtet. Als Fügemittel dienen beispielsweise Ansatzschrägen oder zwischen dem Steckelement und dem Gegensteckelement wirkende Magnetkräfte.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lademoduls und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lademoduls.
Ein erfindungsgemäßes Lademodul 1 nach 1 ist als ein Wand hängendes Lademodul 1 ausgeführt und in einer Garage 2 montiert. Das Lademodul 1 umfasst als wesentliche Funktionskomponenten eine Steuereinheit 3, eine Detektoreinheit 4, ein Steckelement 5, eine Schalteinheit 6, ein Haltemittel 7 zum Halten des Steckelements 5 und eine Betätigungseinheit 8, die mit dem Haltemittel 7 zusammenwirkt zum Bewegen des Steckelements 5. Die Steuereinheit 3, die Detektoreinheit 4, die Schalteinheit 6 sowie die Betätigungseinheit 8 sind in einem Gehäuse 9 des Lademoduls 1 angeordnet. Das Steckelement 5 ist außerhalb des Gehäuses 9 angeordnet.
Das Lademodul 1 ist erfindungsgemäß als ein Plug-In-Lademodul 1 ausgebildet und dient dazu, das Steckelement 5 automatisch mit einem Gegensteckelement 10 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 11 zu verbinden, sobald das Fahrzeug 11 in der Garage 2 abgestellt wird. Dargestellt ist eine Nichtverbindungsposition, in der das Steckelement 5 des Lademoduls 1 beabstandet von dem Gegensteckelement 10 des Fahrzeugs 11 angeordnet ist und keine Energie in einen Energiespeicher 12 des Fahrzeugs 11 eingespeist werden kann. Indem das Steckelement 5 mechanisch mit dem Gegensteckelement 10 verbunden wird, wird der Energiespeicher 12 des Fahrzeugs 11 elektrisch leitend mit einer unterirdisch verlegten, stationären Versorgungsleitung 13 verbunden. In einer (nicht dargestellten) Verbindungsposition von Steckelement 5 und Gegensteckelement 10 kann elektrische Energie aus der Versorgungsleitung 13 in den Energiespeicher 12 des Fahrzeugs 11 eingespeist werden. Ebenso kann Energie aus dem Energiespeicher 12 des Fahrzeugs 11 in die Versorgungsleitung 13 eingespeist werden.
Das Gegensteckelement 10 ist dem Fahrzeug 11 an dessen Frontseite im Bereich des Fahrzeugkühlers bzw. der vorderen Stoßfänger zugeordnet. Eine Hauptstellbewegung des Steckelements 5 erfolgt demzufolge in die erste Horizontalrichtung H1.
Das Haltemittel 7 des Lademoduls 1 ist so ausgebildet, dass das Steckelement 5 in eine erste Horizontalrichtung H1, in eine zweite Horizontalrichtung H2 und in eine Vertikalrichtung V verschiebbar gehalten ist. Überdies erlaubt es das Haltemittel 7, das Steckelement 5 schwenkbar in Bezug auf eine um die erste Horizontalrichtung H1 orientierte erste Drehachse D1, schwenkbar in Bezug auf eine um die zweite Horizontalrichtung H2 orientierte Drehachse D2 und schwenkbar in Bezug auf eine um die Vertikalrichtung V orientierte dritte Drehachse D3 zu halten. Aufgrund der insgesamt sechs ausgebildeten Freiheitsgrade (drei Längsfreiheitsgrade, drei Drehfreiheitsgrade) kann das Steckelement 5 im Raum beliebig orientiert und unabhängig von der exakten Parkposition des Fahrzeugs 11 an das Gegensteckelement 10 angesetzt werden.
Typischerweise ist die Orientierung des Fahrzeugs 11 in Bezug auf die erste Drehrichtung D1 und die zweite Drehrichtung D2 vergleichsweise exakt bekannt, da ein der ersten Drehrichtung D1 zugeordneter erste Neigungswinkel und ein der zweiten Drehrichtung D2 zugeordneter zweiter Neigungswinkel etwa infolge einer wechselnden Beladung des Fahrzeugs 11 innerhalb sehr enger Grenzen variiert.
Nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Haltemittel 7 zur Realisierung des ersten Drehfreiheitsgrads D1 und des zweiten Drehfreiheitsgrads D2 nachgiebig ausgebildet. Zur Realisierung des dritten Drehfreiheitsgrads D3 und der drei Längsfreiheitsgrade H1, H2, V wirkt die Betätigungseinheit 8 mit dem Haltemittel 7 zusammen. Die Betätigungseinheit 8 weist Stellmittel zur Bewegung des Steckelements 5 in die kathesische Koordinatenrichtung H1, H2, V sowie Stellmittel zur Schwenkung des Steckelements 5 um die Vertikalrichtung V auf. Stellmittel zum Schwenken des Steckelements 5 um die erste Drehrichtung D1 und um die zweite Drehrichtung D2 sind demgegenüber nicht vorgesehen. Die Schwenkung des Steckelements 5 um die erste Drehrichtung D1 und die zweite Drehrichtung D2 erfolgt vollständig passiv während der Verbindung des Steckelements 5 mit dem Gegensteckelement 10. Das Steckelement 5 und das Gegensteckelement 10 weisen hierzu nicht dargestellte Fügemittel auf. Als Fügemittel sind zum einen Ansatzschrägen vorgesehen, die ein Ansetzen des Steckelements 5 an das Gegensteckelement 10 auch dann erlauben, wenn ein geringer Winkelversatz vorliegt. Weiterhin wirken als Fügemittel Magnetkräfte zwischen den als eine Magnetsteckverbindung ausgebildeten Steckelement 5 und Gegensteckelement 10. Die Magnetkräfte bewirken, dass das Steckelement 5 eine definierte Anlagepositon an dem Gegensteckelement 10 erhält und eine mechanische wie elektrische Verbindung des Lademoduls 1 mit dem Fahrzeug 11 hergestellt wird. Kleine Winkelversätze werden hierbei auch infolge der wirkenden Magnetkräfte ausgeglichen.
Die Betätigungseinheit 8 wirkt mit der zentralen Steuereinheit 3 des Lademoduls 1 zusammen. Ebenso wirkt die Steuereinheit 3 mit der Detektoreinheit 4 zusammen. Die Detektoreinheit 4 dient zur Detektion der Parkposition sowie zur Identifizierung des Fahrzeugs 11. Die Detektoreinheit 4 ist beispielsweise als eine optische Detektoreinheit ausgebildet. Die von der Detektoreinheit 4 erfassten Messdaten werden in der Steuereinheit 3 verarbeitet und dienen zur Ansteuerung der Betätigungseinheit 8.
Zwischen dem Steckelement 5 und der Versorgungsleitung 13 ist die Schalteinheit 6 angeordnet. Die Schalteinheit 6 dient dazu, das Steckelement 5 ein- bzw. auszuschalten, das heißt das Steckelement 5 spannungsfrei zu schalten oder Spannung an das Steckelement 5 anzulegen. Insbesondere wird das Steckelement 5 spannungsfrei geschaltet, wenn die Verbindung zwischen dem Steckelement 5 und dem Gegensteckelement 10 getrennt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Fahrzeug 11 beim Losfahren aus der Parkposition entfernt wird.
Das Fahrzeug 11 kann neben dem Gegensteckelement 10 über ein weiteres Gegensteckelement 14 verfügen. Das weitere Gegensteckelement 14 ist ebenfalls mit dem Energiespeicher 12 des Fahrzeugs 11 verbunden und dient beispielsweise dazu, das Fahrzeug 11 manuell an einer konventionellen Ladestation, das heißt als eine nicht als Plug-In-Ladestation zum automatischen Verbinden von Steckelement 5 und Gegensteckelement 10 ausgebildeten Lademodul 1 mit elektrischer Energie zu speisen. Zwischen dem Energiespeicher 12 einerseits und den Steckelementen 10, 14 andererseits kann in diesem Fall eine fahrzeugseitige Steuereinheit 15 angeordnet sein, die sicherstellt, dass Energie über das weitere Gegensteckelement 14 nicht eingespeist werden kann, wenn das Gegensteckelement 10 mit dem Steckelement 5 des Lademoduls 1 verbunden ist. Das weitere Gegensteckelement 14 ist folglich gesperrt, wenn das Fahrzeug 11 mit dem Plug-In-Lademodul 1 verbunden ist.
Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 2 kann das Lademodul 1 abschnittsweise versenkt in einem Boden 16 unterhalb des in seiner Parkposition angeordneten Fahrzeugs 11 angeordnet sein. Das Gegensteckelement 10 des Fahrzeugs 11 ist in diesem Fall einem Fahrzeugunterboden 17 zugeordnet. Die Konnektierung des Fahrzeugs 11 erfolgt über den Fahrzeugunterboden 17, wobei die Hauptstellbewegung des Steckelements 5 in die Vertikalrichtung V erfolgt.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Auch nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Steckelement 5 in Bezug auf den ersten Neigungswinkel um die erste Drehrichtung D1 und in Bezug zu dem zweiten Neigungswinkel um die zweite Drehrichtung D2 passiv schwenkbar ausgebildet. Steckelement 5 und Gegensteckelement 10 können wie gehabt als Magnetsteckelemente 5, 10 ausgebildet sein und eine Magnetsteckverbindung bilden. Ansatzschrägen sowie die zwischen der Steckverbindung wirkenden magnetischen Kräfte wirken auch hier gemeinsam als Fügemittel.
Indem das Lademodul 1 in den Boden 16 eingelassen und unterhalb des Fahrzeugs 11 angeordnet ist, ist das Fahrzeug 11 rundherum frei zugänglich. Eine Bewegungsfreiheit des Nutzers ist weitgehend uneingeschränkt.
Als Fahrzeuge im Sinne der Erfindung gelten alle Automobile (PKW, LKW, Wohnmobile, Zweiräder usw.), Schienenfahrzeug (insbesondere Lokomotiven), Wasserfahrzeuge (Schiffe), Luftfahrzeuge sowie Anhänger (Wohnanhänger), mobile Verkaufsstände usw.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009039651 A1 [0003]
DE 102009001080 A1 [0005]

Claims

Lademodul zur Bereitstellung elektrischer Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem Gehäuse, welches eine Steuereinheit umgibt, und mit einem dem Gehäuse zugeordneten Steckelement, wobei das Steckelement elektrisch mit einer ortsfesten Versorgungsleitung verbunden ist und wobei das Steckelement mechanisch und elektrisch mit einem Gegensteckelement verbindbar ist zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Versorgungsleitung und einem Energiespeicher des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Lademoduls (1) als ein Plug-in-Lademodul (1) für das automatische Verbinden des Steckelements (5) mit dem Gegensteckelement (10) das Steckelement (5) über Haltemittel (7) schwenkbar angeordnet ist in Bezug auf eine um eine erste Horizontalrichtung (H1) gebildete erste Drehrichtung (D1) und in Bezug auf eine um eine zu der ersten Horizontalrichtung (H1) orthogonal angeordnete zweite Horizontalrichtung (H2) gebildete zweite Drehrichtung (D2), und dass Fügemittel vorgesehen sind zur selbsttätigen Ausrichtung des Steckelements (5) in Bezug auf die erste Drehrichtung (D1) und auf die zweite Drehrichtung (D2) während des Verbindens des Steckelements (5) mit dem Gegensteckelement (10).
Lademodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckelement (5) in die erste Horizontalrichtung (H1) und/oder die zweite Horizontalrichtung (H2) und/oder in eine Vertikalrichtung (V) beweglich gehalten ist und/oder dass das Steckelement (5) in Bezug auf eine Vertikalrichtung (V) gebildete dritte Drehrichtung (D3) schwenkbar angeordnet ist.
Lademodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektoreinheit (4) vorgesehen ist zur Ermittlung einer Parkposition des Fahrzeugs (11) und/oder zur Identifikation eines Typs des Fahrzeugs (11) und/oder zur Identifikation des Fahrzeugs (11) selbst.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) mit der Detektoreinheit (4) und mit einer Parkleiteinheit zusammenwirkt derart, dass während einer Anfahrt des Fahrzeugs (11) Instruktionen zur Einnahme einer bevorzugten Parkposition angezeigt werden.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) mit der Detektoreinheit (4) und mit einer Betätigungseinheit (8) zum aktiven Positionieren des Steckelements (5) in die erste Horizontalrichtung (H1) und/oder in die zweite Horizontalrichtung (H2) und/oder in die Vertikalrichtung (V) und/oder in Bezug auf die dritte Drehrichtung (D3) derart zusammenwirkt, dass das Steckelement (5) relativ zum Gegensteckelement (10) des Fahrzeugs (11) positioniert wird.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Betätigungseinheit (8) bewegte Auslösemittel vorgesehen sind zum Verbringen des Gegensteckelements (10) aus einer Nichtverbindungsposition, in der das Gegensteckelement (10) unzugänglich in dem Fahrzeug (11) angeordnet ist, in eine Verbindungsposition, in der das Gegensteckelement (10) zugänglich angeordnet und das Steckelement (5) in das Gegensteckelement (10) einsetzbar ist.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) mit einer Schalteinheit (6) zum Ein- und Ausschalten einer Spannung des Steckelements (5) derart zusammenwirkt, dass das Steckelement (5) spannungsfrei geschaltet wird, wenn das Steckelement (5) von dem Gegensteckelement (10) getrennt wird, und/oder dass die Spannung an das Steckelement (5) angelegt wird, wenn das Steckelement (5) mechanisch und elektrisch mit dem Gegensteckelement (10) verbunden ist.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler erster Neigungswinkel des Steckelements (5) in die erste Drehrichtung (D1) und ein maximaler zweiter Neigungswinkel des Steckelements (5) in die zweite Drehrichtung (D2) jeweils kleiner sind als +/–10° bezogen auf eine Mittelposition des Steckelements (5).
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckelement (5) als ein magnetisches Steckelement (5) ausgebildet ist.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ortsfern von dem Gehäuse (9) eine Anzeigeeinheit zur Anzeige von Betriebsdaten des Lademoduls (1) vorgesehen ist.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit als eine mobile Anzeigeeinheit ausgebildet ist, und/oder dass die Anzeigeeinheit drahtlos mit der Steuereinheit (3) zusammenwirkt.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademodul (1) als ein Wand gehaltenes Lademodul (1) und/oder als ein frei stehendes Lademodul (1) und/oder als ein zumindest abschnittsweise in den Boden (16) eingelassenes Lademodul (1) ausgebildet ist.
Lademodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Steuereinheit (3) zusammenwirkende Kommunikationseinheit vorgesehen ist zur Kommunikation mit einem Energiespeicher-Steuergerät des Fahrzeug (11) und/oder mit einer der Versorgungsleitung (13) zugeordneten Steuereinrichtung.
Verfahren zum Betrieb eines Plug-in-Lademoduls für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug, insbesondere eines Plug-in-Lademoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – ein mit einer Versorgungsleitung (13) elektrisch verbundenes und über Haltemittel (7) beweglich gehaltenes Steckelement (5) wird durch eine mittels einer mit den Haltemittel (7) zusammenwirkenden Betätigungseinheit (8) ausgeführten Zustellbewegung in eine erste Horizontalrichtung (H1) und/oder in eine zu der ersten Horizontalebene (H1) orthogonalen zweite Horizontalrichtung (H2) und/oder in eine Vertikalrichtung (V) und/oder in Bezug auf einen um die Vertikalrichtung (V) gebildete dritte Drehrichtung (D3) derart in einen Wirkbereich eines mit einem Energiespeicher (12) des Fahrzeugs (11) elektrisch verbundenen Gegensteckelements (10) des Fahrzeugs (11) gebracht, dass der selbstständigen Ausrichtung des Steckelements (5) in Bezug auf eine um die erste Horizontalrichtung (H1) gebildete erste Drehrichtung (D1) und in Bezug auf eine um die zweite Horizontalrichtung (H2) gebildete zweite Drehrichtung (D2) dienende Fügemittel des Steckelements (5) in Eingriff mit dem Gegensteckelement (10) gebracht sind; – mittels einer weiteren Zustellbewegung wird das Steckelement (5) an das Gegensteckelement (10) angesetzt, wobei während der weiteren Zustellbewegung das Steckelement (5) mittels der Fügemittel in Bezug auf die erste Drehrichtung (D1) und in Bezug auf die zweite Drehrichtung (D2) passiv ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Verfahrensschritte: – eine Parkposition des mit dem Lademodul (1) verbundenen Fahrzeugs (11) wird erfasst; – in Kenntnis der Parkposition des Fahrzeugs (11) und fahrzeugspezifischer Parameter wird die Position des Gegensteckelements (10) des Fahrzeugs (11) ermittelt; – über die Betätigungseinheit (8) wird das Steckelement (5) in der Nähe des Gegensteckelements (10) positioniert und relativ zu dem Gegensteckelement (10) in die erste Horizontalrichtung (H1) und/oder in die zweite Horizontalrichtung (H2) und/oder in die Vertikalrichtung (V) und/oder um die dritte Drehrichtung (D3) aktiv ausgerichtet.