DE102011082092A1

DE102011082092A1 - Vorrichtung zur automatisierten Herstellung und Trennung einer Ladeverbindung bei einem Plug-in-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011082092A1
Application number: DE102011082092A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-03
Also published as: DE102011082092B4; US20140176070A1; WO2013030265A3; CN103930299B; CN103930299A; WO2013030265A2; US9533587B2

Abstract

Ladevorrichtung zur automatisierten Herstellung und Trennung einer Ladeverbindung bei einem Plug-in-Fahrzeug, wobei die Ladevorrichtung das Plug-in-Fahrzeug, eine Ladeelektrik, eine Ladestation und ein Ladekabel zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs über eine kabelgebundene Ladeverbindung umfasst, die Ladeelektrik eine Buchse sowie das Ladekabel einen Stecker umfasst und die Ladevorrichtung derart beschaffen ist, dass die Buchse einen Einführtrichter oder mehrere Einführtrichter aufweist, dass der Stecker einen Einführstift oder mehrere Einführstifte aufweist, dass jeder Einführstift einem bestimmten Einführtrichter zugeordnet ist, dass Informationen zwischen der Ladestation und der Ladeelektrik bei hergestellter Ladeverbindung austauschbar sind, dass Informationen zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug bei nicht hergestellter Ladeverbindung austauschbar sind, dass der Stecker und ein an den Stecker anschließender Verstärkungsabschnitt des Ladekabels durch einen von der Ladestation umfassten Führungsmechanismus in einer vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Koppelbewegung über eine maximal vorgegebene Koppellänge bewegbar sind, und dass der Stecker und ein an den Stecker anschließender Verstärkungsabschnitt des Ladekabels durch einen von der Ladestation umfassten Führungsmechanismus entgegen der vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Entkoppelbewegung über die Koppellänge bewegbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung, umfassend ein Plug-in-Fahrzeug mit einer Ladeelektrik, eine Ladestation und ein Ladekabel, zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs über eine kabelgebundene Ladeverbindung, wobei die Ladeelektrik eine Buchse und das Ladekabel einen Stecker umfasst, zur automatisierten Herstellung und Trennung der Ladeverbindung.
Hybrid- und Elektrofahrzeuge verfügen über einen elektrifizierten Antriebsstrang mit einem elektrischen Energiespeicher. Der Energiespeicher, der üblicherweise als Hochvoltbatterie ausgestaltet ist, wird meist während des Fahrbetriebs über die elektrische Maschine in motorischem Betrieb entladen und im generatorischen Betrieb geladen. Zusätzlich besteht häufig eine Lademöglichkeit der Batterie an einer externen Ladequelle. Bei konduktivem, d.h. kabelgebundenem Laden wird das Fahrzeug über ein Ladekabel mit einer Ladestation verbunden. Meist erfolgt die Ladeverbindung über einen Stecker-Buchse-Kontakt, wobei die Buchse von einer Ladeelektrik des Fahrzeugs umfasst wird. Der Stecker bildet einen Bestandteil des Ladekabels, das wiederum mit der Ladestation verbunden ist oder verbindbar ist. Die Bedienung durch den Fahrzeugnutzer ähnelt dem Verfahren bei einer Kraftstofftankstelle, d.h. der Benutzer appliziert den Stecker gleichsam einer Tankpistole in der einer Tanköffnung entsprechenden Buchse, um einen Ladevorgang einzuleiten. Für den Benutzer sind damit den Komfort einschränkende Nachteile verbunden. Bei der Bedienung des Kabels besteht die Gefahr der Verschmutzung der Kleidung am Ladekabel. Außerdem nehmen die Herstellung und Trennung der Ladeverbindung Zeit in Anspruch. Da ein Plug-in-Fahrzeug aufgrund der nach dem Stand der Technik erreichten Reichweite weitaus häufiger geladen als ein verbrennungsmotorisches Fahrzeug betankt werden muss, ist die wiederkehrende, gleichartige Handlung der Herstellung der Ladeverbindung insbesondere bei einem Plug-in-Fahrzeug der Premium-Klasse mit einer dem Bediener kaum zumutbaren Komforteinbuße verbunden. Für den Vorgang des Trennens der Ladeverbindung gilt die analoge Betrachtungsweise. Diesen Nachteilen wird im Stand der Technik beispielsweise mit Andock-Systemen begegnet, um die Herstellung und die Trennung einer Ladeverbindung für den Benutzer durch Automatisierung komfortabler zu gestalten. Dabei wird z.B. nach der Schrift DE 10 2009 023 409 A1 die Bewegung des Fahrzeugs genutzt, um eine Verbindung zwischen einem fahrzeugseitig montierten Andockmodul und einem an der Ladestation befindlichen Lademodul herzustellen. In der Wahrnehmung des Bedieners erfolgt die Herstellung einer Ladeverbindung automatisch während eines Parkvorgangs an einer bestimmten Halteposition. Nachteilig ist daran ein komplexer Aufbau der Ladestation durch das notwendige Lademodul. Durch die Ausnutzung der Bewegung des Fahrzeugs ist das Andockmodul am Fahrzeug lediglich am Heck oder an der Front des Fahrzeugs platzierbar. Mögliche Bauräume an den Seiten des Fahrzeugs, im Unterboden oder im Bereich des Daches können kaum in Betracht gezogen werden. Außerdem muss das Fahrzeug zur Herstellung „punktgenau“ an das Lademodul herangesteuert werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur automatisierten Herstellung und Trennung einer Ladeverbindung bei einem Plug-in-Fahrzeug anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist die Ladevorrichtung, die ein Plug-in-Fahrzeug mit einer Ladeelektrik, eine Ladestation und ein Ladekabel zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs über eine kabelgebundene Ladeverbindung umfasst, wobei die Ladeelektrik über eine Buchse und das Ladekabel über einen Stecker verfügt, unter anderem durch einen Einführtrichter oder mehrere Einführtrichter der Buchse charakterisiert. Ferner weist der Stecker einen Einführstift oder mehrere Einführstifte auf, wobei jeder Einführstift einem bestimmten Einführtrichter zugeordnet ist. Außerdem sind bei hergestellter Ladeverbindung Informationen zwischen der Ladestation und der Ladeelektrik und bei nicht hergestellter Ladeverbindung zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug austauschbar. Weiterhin sind der Stecker und ein an den Stecker anschließender Verstärkungsabschnitt des Ladekabels durch einen von der Ladestation umfassten Führungsmechanismus in einer vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Koppelbewegung über eine maximal vorgegebene Koppellänge und entgegen der vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Entkoppelbewegung über die gleiche Koppellänge bewegbar.
Für den Nutzer entsteht dadurch der besondere Vorteil, dass die Koppelbewegung und die Entkoppelbewegung eine manuelle Betätigung des Steckers ersetzen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Führungsmechanismus als elektromotorisch betreibbarer Führarm ausgebildet ist, der den Stecker mit dem Verstärkungsabschnitt führt.
Alternativ ist der Führungsmechanismus als elektromotorisch betreibbare Kabelrolle ausgebildet ist, so dass der Stecker mit dem Verstärkungsabschnitt bei rotierender Kabelrolle tangential zur Kabelrolle führbar ist.
Mit dem Führarm bzw. der Kabelrolle wird der technische Effekt erzielt, dass der Stecker bei Ausführung der Koppelbewegung oder der Entkoppelbewegung gerichtet bewegbar ist. Dies kann genutzt werden, um den Stecker auf das Fahrzeug zu oder vom Fahrzeug wegzubewegen.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn zur Herstellung der Ladeverbindung die zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation ausgetauschte Information eine Information über die Position des Fahrzeugs umfasst und das Fahrzeug zur Herstellung der Ladeverbindung eine Ladeposition einnimmt, die relativ zur Ladestation in einem vorgegebenen Ladepositionsbereich befindlich ist. Ein Eintritt des Fahrzeugs in den Ladepositionsbereich und die Einnahme einer Ladeposition wird in dieser Ausführungsform dem Fahrer angezeigt und bei Einnahme einer Ladeposition die Koppelbewegung initialisiert.
Dies bedeutet, dass eine Ladeverbindung herstellbar ist, falls sich das Fahrzeug in einer Ladeposition befindet.
Bei eingenommener Ladeposition unterschreitet der räumliche Abstand zwischen Stecker und Buchse die Koppellänge. Außerdem ist der Ladepositionsbereich, der alle möglichen einnehmbaren Ladepositionen repräsentiert, durch die Öffnungsfläche des Einführtrichters oder bei mehreren Einführtrichtern durch die Öffnungsfläche des Einführtrichters mit der kleinsten Öffnungsfläche bestimmt ist.
Mit einfachen Worten beschrieben ist der Einfühtrichter am Fahrzeug bei eingenommener Halteposition in Reichweite der Koppelbewegung des Steckers.
Der Ladepositionsbereich ist dadurch charakterisiert, dass bei einer eingenommenen Ladeposition und bei Ausführung der Koppelbewegung jeder Einführstift die Öffnungsfläche des diesem Einführstift zugeordneten Einführtrichters durchdringt und in den Einführtrichter eintritt.
Außerdem kann der Verstärkungsabschnitt als eine mechanische Versteifung des Ladekabels ausgebildet sein. Die Versteifung kann derart bemessen ist, dass das Ladekabel in dem Verstärkungsabschnitt gegen eine Verbiegung durch die Erdanziehungskraft des Steckers und des Ladekabels stabil ist, aber unter einer Krafteinwirkung, die die Erdanziehungskraft des Steckers und des Ladekabels übersteigt, biegsam ist.
Mit dieser bestimmten Form der Flexibilität des Ladekabels im Verstärkungsabschnitt ist die Möglichkeit einer kontrollierten Krümmung bzw. Verbiegung des Ladekabels in diesem Bereich gegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dies nutzbar, falls die Buchse mehrere Einführtrichter aufweist und zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung jeder Einführstift in den dem Einführstift zugeordneten Einführtrichter eintritt. Bei Ausführung der Koppelbewegung führt jeder Einführtrichter den eingetretenen Einführstift in einer Führungsbewegung, die die zu der durch die Koppelbewegung erfassten Raumrichtung komplementären Raumrichtungen erfasst und das Ladekabel im Verstärkungsabschnitt verbiegt. Die Koppelbewegung und die Führungsbewegung bewegen den Stecker in die Buchse und stellen den Stecker-Buchse-Kontakt her. Bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt endet die Koppelbewegung.
Mit anderen Worten übt die Koppelbewegung in Verbindung mit der Trichterwand ein Biegemoment auf das Kabel im Verstärkungsbereich aus, so dass der Stecker zielgerichtet zur Buchse geführt wird.
Alternativ kann der Verstärkungsabschnitt zu einer mechanisch starren Ladestange versteift und die Buchse mit jedem Einführtrichter starr verbunden sein. In diesem Fall ist die Buchse in zwei Raumrichtungen auslenkbar gelagert, wobei die beiden Raumrichtungen zu der Raumrichtung komplementär gerichtet sind, die die durch den Führungsmechanismus der Ladestation verursachte Bewegung des Steckers beschreibt.
Falls das Ladekabel zu einer Ladestange verstärkt ist und die Buchse mehrere Einführtrichter aufweist, tritt zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung jeder Einführstift in den dem Einführstift zugeordneten Einführtrichter ein. Bei Ausführung der Koppelbewegung übt jeder in den Einführtrichter eingetretene Einführstift auf den Einführtrichter eine Führungsbewegung aus, die die auslenkbare Buchse in Richtung des Steckers auslenkt. Die Koppelbewegung und die Führungsbewegung bewegen den Stecker in die Buchse und stellen einen Stecker-Buchse-Kontakt her. Bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt endet die Koppelbewegung.
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Buchse während der Koppelbewegung von der Ladestange derart ausgelenkt wird, dass der Stecker zielgerichtet Richtung Buchse bewegt wird.
Alternativ kann die Buchse genau einen Einführtrichter aufweisen, rotationssymmetrisch ausgeführt sein und am Hals des Trichters befindlich sein. Ferner kann der Stecker genau einen Einführstift aufweisen und rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Der Stecker kann über einen konischen, klinkenartigen Teil verfügen, der als Einführstift fungiert.
Die rotationssymmetrische Ausführung der Buchse und des Steckers gewährleistet, dass zur zuverlässigen Herstellung der Stecker-Buchse-Verbindung ein einziger Einführtrichter ausreichend ist.
In Kombination mit dem flexiblen Ladekabel im Verstärkungsabschnitt tritt zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung die Steckerklinke in den Einführtrichter ein. Bei Ausführung der Koppelbewegung führt der Einführtrichter die eingetretene Steckerklinke in einer Führungsbewegung, die die zu der durch die Koppelbewegung erfassten Raumrichtung komplementären Raumrichtungen erfasst und das Ladekabel im Verstärkungsabschnitt verbiegt. Die Koppelbewegung und die Führungsbewegung bewegen den Stecker in die Buchse und stellen einen Stecker-Buchse-Kontakt her. Bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt endet die Koppelbewegung.
Bei der Verwendung einer Ladestange sowie einer rotationssymmetrischen Buchse mit rotationssymmetrischem Stecker tritt zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung die Steckerklinke in den Einführtrichter eintritt. Bei Ausführung der Koppelbewegung lenkt die in den Einführtrichter eingetretene Steckerklinke auf den Einführtrichter eine Führungsbewegung aus, die die auslenkbare Buchse in Richtung des Steckers auslenkt. Die Koppelbewegung und die Führungsbewegung bewegen den Stecker in die Buchse und stellen einen Stecker-Buchse-Kontakt her. Bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt endet die Koppelbewegung.
Bedingt durch die Rotationssymmetrie von Buchse und Stecker ist ein Paar von Einführtrichter und -stift ausreichend, um einen bestimmungsgemäßen Kontakt herzustellen. Bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse von Stecker und Buchse können Stecker und Buchse eine beliebige Winkelposition einnehmen. Da eine rotationsasymmetrische Buchse gegen einen rotationsasymmetrischen Stecker bezüglich dieser Achse eine bestimmte Winkelposition zur Herstellung des Kontakts einzunehmen haben, kommen in diesem Fall wie oben geschildert mehrere Einführtrichter und Einführstifte zum Einsatz, so dass die jeweilige Winkelposition festgelegt ist.
Bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt ist die Ladeverbindung hergestellt und der Energiespeicher ist ladbar. Die bei hergestellter Ladeverbindung zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ausgetauschten Informationen umfassen Angaben über den elektrischen Zustand des Energiespeichers, so dass bei hergestellter Ladeverbindung und/oder voll geladenem Energiespeicher die Entkoppelbewegung initialisierbar ist. Bei Ausführung der Entkoppelbewegung ist der Stecker-Buchse-Kontakt trennbar.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Fahrzeug unabhängig vom Zustand des Ladevorgangs von der externen Ladequelle automatisiert trennbar ist bzw. bei vollem Energiespeicher automatisch getrennt wird. Eine manuelle Bedienung der Ladevorrichtung durch den Nutzer des Fahrzeugs ist nicht erforderlich.
Zusätzlich kann jeder Einführtrichter eine Abdeckklappe aufweist, die zum Herstellen einer Ladeverbindung geöffnet werden kann und bei nicht hergestellter Ladeverbindung schließbar ist.
Dies stellt sicher, dass die Buchse insbesondere im Fahrbetrieb vor Verschmutzung gesichert ist.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Für Elektrofahrzeuge etabliert sich das konduktive, d.h. kabelgebundene Ladeverfahren mit manuell zu steckendem Ladeanschluss als Stand der Technik. Gleichzeitig werden von vielen Herstellern automatische induktive Verfahren untersucht. Automatische und teilautomatische Verfahren für konduktive Systeme sind von anderen technischen Gebieten bekannt. Hier können Docking-Stationen für Laptops oder Ladeeinrichtungen für elektrische Rasenmäher genannt sein. Allerdings ist das manuelle Anstecken eines Ladekabels an einem Fahrzeug sehr unkomfortabel. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass sich der Anwender am Kabel verschmutzt. Induktive Verfahren erfordern eine sehr aufwendige Technik und sind deshalb mit beträchtlichen Kosten und hohem Bauraumbedarf und erhöhtem Gewicht verbunden. Die induktive Ladetechnik über Magnetfelder ist außerdem mit hohen Übertragungsverlusten verbunden. Automatische Koppelsysteme aus alternativen Anwendungen wie etwa der Bahntechnik und Automatisierungstechnik erfüllen die anspruchsvollen und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die Anwendung im Automobilbau nicht. Dies betrifft zum Beispiel die Hochvoltsicherheit und die Robustheit gegen zahlreiche Umwelteinflüsse. Besondere Anforderungen entstehen aus der Notwendigkeit des Ausschlusses von Personengefährdungen beim Betrieb durch mögliche Fehlbedienungen durch ungeschulte Personen. Als verbessernde Maßnahme werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatisierten Ankoppeln des Fahrzeugs an eine Ladeeinrichtung vorgeschlagen. Dazu wird das Fahrzeug zunächst grob positioniert, wobei die Grobpositionierung durch die Position des Fahrzeugunterbodens gegenüber Teilen der Ladeeinrichtung gegeben ist. Durch eine Linearbewegung wird das biegsame Ladekabel auf die Ladebuchse des Fahrzeugs zubewegt. Das dem Fahrzeug zugewandte Ende des Ladekabels weist einen Ladestecker auf und verfügt über eine definierte Biegesteifigkeit, weshalb es auch als Einführungsstab bezeichnet wird. Die Ladebuchse des Fahrzeugs weist einen Einführtrichter auf. Alternativ sind der Einführtrichter und der Ladestecker flexibel gelagert oder das Ladekabel im weiteren Verlauf nach dem Einführungsstab flexibel, so dass eine geführte Feinpositionierung des Ladesteckers am Zielort, d.h. der Ladebuchse, ermöglicht ist. Durch die Linearbewegung und durch die flexible Lagerung oder die Flexibilität des Kabels werden hierbei die drei Raumrichtungen abgedeckt. Außerdem sind der Stecker und die Buchse rotationssymmetrisch gestaltet, so dass auch der Rotationsfreiheitsgrad des Steckers bzgl. der Buchse abgedeckt ist. Das Verfahren ist durch zahlreiche Ausführungsformen an viele Randbedingungen anpassbar. Die Vorteile dieser Maßnahme beruhen auf der Nutzung konventioneller Bauteile. Besonders fahrzeugseitig ist die Lösung nicht aufwändig und mit geringem Gewicht, geringem Bauraumbedarf und geringen Kosten verbunden. Die elektrische Verbindung beruht auf den in Normen spezifiziertem Interface. Bei einer Unterbringung am Boden ist auch vorteilhaft, dass im kontaktierten Zustand ein Schutz gegen Vandalismus und gegen Witterung geboten ist.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Daraus und anhand der beigefügten Zeichnungen ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
1 Rotationssymmetrische Buchse und rotationssymmetrischer Stecker
2a), 2b), 2c) Herstellung einer Ladeverbindung mit Buchse, Stecker und Ladekabel mit versteiftem Verstärkungsabschnitt
3a), 3b) Herstellung einer Ladeverbindung mit drehbar gelagerter Buchse, Stecker und Ladestange
Gleiche Bezugszeichen beschreiben gleiche Merkmale bzw. Teile.
1 zeigt eine rotationssymmetrische Buchse (1) und einen rotationssymmetrischen Stecker (2) für eine Stecker-Buchse-Verbindung zum Laden eines Energiespeichers eines Plug-in-Fahrzeugs an einer externen Leistungsquelle. Die Rotationsachse ist als gestrichelte Linie angezeigt. Bestimmten Kontakten des Steckers sind bestimmte Kontakte der Buchse zugeordnet, siehe umrandete Flächen in 1. Wie bei einem Klinkenstecker und einer Klinkenbuchse sind die Kontakte rotationssymmetrisch ausgeführt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind die Kontakte mit Steuerleitungen, einer Schutzleitung und den Phasenleitungen belegt. Über die Steuerleitungen wird eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug bzw. der Ladeelektrik und der externen Leistungsquelle. Der Stecker ist an dem der Buchse zugeordneten Ende konisch ausgestaltet. Durch die konische Form wirkt die Steckerklinke als Einführstift.
Die konische Ausgestaltung des Steckers geht auch aus 2 hervor. Die Buchse ist Teil einer Ladeelektronik des Plug-in-Fahrzeugs. Der Stecker befindet sich zur Herstellung einer Stecker-Buchse-Verbindung an einem Ende eines Ladekabels. Bei hergestellter Ladeverbindung ist das Ladekabel an dem anderen Ende mit einer externen Leistungsquelle verbunden. Dabei kann es sich etwa um eine öffentliche Gleichstrom-Ladestation oder eine hauseigene Wechselstrom-Ladebox des Fahrzeugnutzers handeln. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird weiterhin von einer Ladestation ausgegangen.
In 2 ist eine Fahrzeugaußenhaut (3) abgebildet. Die Buchse ist fest am Hals eines Einführtrichters (4) angebracht, wobei der Trichter an dem der Buchse gegenüberliegenden Ende eine Öffnungsfläche aufweist. Da die Öffnungsfläche eine Aussparung der Fahrzeugaußenhaut bildet, kann die Öffnungsfläche mit einer Abdeckklappe (5) versehen sein. In diesem Zusammenhang ist die Abdeckklappe mit einem Tankdeckel eines konventionellen verbrennungsmotorischen Fahrzeugs vergleichbar. Die Abdeckklappe verhindert die Verschmutzung der Buchse und des Trichters und kann zur Ästhetik des Fahrzeugs beitragen. Der Gesichtspunkt der Ästhetik der Abdeckklappe ist bei einer Verbaulage des Trichters im Bereich des Fahrzeugunterbodens von untergeordneter Bedeutung. Der Stecker ist an einem Ende des Ladekabels (6) angebracht. Das Ladekabel ist über eine bestimmte Länge an dem an den Stecker angebrachten Ende verstärkt. In diesem Verstärkungsabschnitt (7) kann das Kabel ein anderes, stabileres Isolationsmaterial als in dem restlichen Kabelabschnitt aufweisen. Optional kann das Isolationsmaterial des restlichen Kabelabschnitts in dem Verstärkungsabschnitt eine höhere Materialdicke aufweisen. Alternativ kann das Ladekabel in dem Verstärkungsabschnitt mit einem zusätzlichen mechanischen Mittel wie einem Metallgeflecht versehen sein. Dabei ist in dem Verstärkungsabschnitt die durch die Verstärkung erreichte Versteifung des Ladekabels derart ausgeprägt, dass das Ladekabel bei einer Punktfixierung innerhalb des Verstärkungsabschnitts gegen die Schwerkraft des Kabels selbst und des Steckers nicht krümmt. Wirkt eine zusätzliche über die Schwerkraft hinausgehende Kraft an einer Stelle im Bereich des Verstärkungsabschnitts des Kabels ein, krümmt das Kabel im Bereich des Verstärkungsabschnitts.
In 2a) ist ein Führungsmechanismus (8) der Ladestation schematisch angedeutet, der eine lineare, in einer Raumrichtung vorgegebene Bewegung ausführt. Aufgrund der Biegesteifigkeit des Ladekabels gegen das Eigengewicht kommt es zu einer geführten Bewegung des Steckers in der gleichen Raumrichtung. Die Bewegung des Führungsmechanismus ist über eine vorgegebene Länge ausführbar, die auch als Koppellänge bezeichnet ist. Die die Bewegung des Steckers bewirkende Bewegung des Führungsmechanismus ist als Koppelbewegung bezeichnet. Durch den Führungsmechanismus ist auch eine Entkoppelbewegung ausführbar. Bei der Entkoppelbewegung führt der Führungsmechanismus eine Bewegung aus, die der Koppelbewegung diametral entgegen gerichtet ist. Um eine elektrische Ladeverbindung, d.h. eine Stecker-Buchse-Verbindung zwischen dem Stecker des Ladekabels und der Buchse der Ladeelektronik, herzustellen, hat das Fahrzeug gegenüber der Ladestation eine grobe, örtliche Position einzunehmen. Die Position kann als Grobposition oder Ladeposition bezeichnet werden. Eine Grobposition des Fahrzeugs ist eingenommen, falls die Koppelbewegung dazu führt, dass der Stecker während der Koppelbewegung die Öffnungsfläche des Trichters durchdringt und der konische Einführstift in den Einführtrichter eintritt. Der Begriff Grobposition bringt zum Ausdruck, dass zur automatischen Herstellung einer Ladeverbindung das Fahrzeug nicht an einer exakten Ortsposition, sondern lediglich an einer ungefähren Position gegenüber der Ladestation befindlich sein muss.
In der 2a) ist der in den Trichter eingetretene Einführstift schematisch abgebildet. Der Ortsbereich möglicher Grobpositionen ist also bestimmt durch die Öffnungsfläche des Trichters und durch den Abstand der Öffnungsfläche vom Stecker bei der Ausgangsposition des Steckers bzw. der Koppellänge.
In 2b) ist die Wirkung des Trichters während der Koppelbewegung illustriert. Die Trichterwand übt während Ausführung der Koppelbewegung eine Kraft auf den Stecker aus. Diese Kraft wird als Führungskraft bezeichnet und reicht aus, um das Kabel im Bereich des Verstärkungsabschnitts zu krümmen. Dadurch wird der Stecker unterbrechungsfrei von der Koppelbewegung in Richtung Buchse geführt, die am Hals des Trichters fixiert ist.
Im weiteren Verlauf der Koppelbewegung kommt es zur Verbindung zwischen Stecker und Buchse, siehe 2c). Über Steuerleitungen erfolgt eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Ladequelle und der Ladeelektrik des Fahrzeugs zur Übermittelung von Regel- und Steuerparametern für die Batterieladung.
3a) zeigt eine weitere Ausführungsform der Ladevorrichtung. Im Unterschied zur Ausführungsform der 2a) bis c) ist des Ladekabel im Bereich des Verstärkungsabschnitts zu einer Ladestange (7‘) versteift. Die Buchse (1‘) und der Einführtrichter sind starr miteinander verbunden und auslenkbar gelagert (4‘). Die von der Auslenkbarkeit der Buchse erfassten Raumrichtungen entsprechen den von der Fahrzeugaußenhaut (3) aufgespannten Raumrichtungen. Mit anderen Worten ist die Buchse in Raumrichtungen auslenkbar, die komplementär zum Lot der Fahrzeugaußenhaut im Bereich des Trichters stehen. Damit ist die Buchse bei Einnahme einer Grobposition durch das Fahrzeug insbesondere in Raumrichtungen auslenkbar, die komplementär zur Koppelbewegung der Ladestange gerichtet sind. Befindet sich das Fahrzeug in einer Grobposition, tritt der Stecker bei Ausführung der Koppelbewegung zur Herstellung einer Stecker-Buchse-Verbindung in den Einführtrichter ein, siehe 3a). Bei mechanischem Kontakt zwischen dem Stecker und der Wand des Trichters entsteht bei weiterer Ausführung der Koppelbewegung durch die Ladestange eine auslenkende Führungskraft auf den Trichter und die Buchse. Dies ist durch den gekrümmten Pfeil schematisch angedeutet. Durch die Koppelbewegung und die auslenkende Führungskraft wird der Stecker unterbrechungsfrei in Richtung Buchse geführt.
Da in 2 und 3 die Buchse und der Stecker rotationssymmetrisch ausgeführt sind, wird die Stecker-Buchse-Verbindung zur Herstellung einer Ladeverbindung durch die Koppelbewegung und die Führungskräfte automatisch erreicht. Eine bestimmte Winkelposition des Steckers bezüglich der Buchse in Richtung der Rotationsachse ist nicht einzuhalten. Beim Zustandekommen einer leitenden Verbindung zwischen Stecker und Buchse wird mit Hilfe der Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug die Koppelbewegung beendet. Die Koppellänge ist ein weiterer Parameter für eine vom Fahrzeug einnehmbare Grobposition zur Herstellung einer Ladeverbindung, da bei einer eingenommenen Grobposition der Abstand zwischen der Buchse und dem Stecker die Koppellänge nicht überschreiten darf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Buchse und der Trichter nicht rotationssymmetrisch ausgeführt. In diesem Fall haben der Stecker und die Buchse zur Herstellung einer Ladeverbindung eine bestimmte, relative Winkelposition einzunehmen. Dann handelt es sich nicht um eine Steckerklinke mit entsprechender Buchse, sondern beispielsweise um einen Stecker mit mehreren Pins, denen bestimmte Kontakte der Buchse zugeordnet sind. Kommt eine rotations-asymmetrische Stecker-Buchse-Kombination zum Einsatz weist die Buchse mindestens zwei Einführtrichter auf. Jedem Einführtrichter ist ein bestimmter Einführstift zugeordnet. Die Einführstifte sind am Stecker befindlich. Eine Grobposition ist dann erreicht, falls jeder Einführstift bei Ausführung der Koppelbewegung in dem ihm zugeordneten Einführtrichter eintritt. Der Ortsbereich möglicher Grobpositionen ist daher neben der Koppellänge und dem Abstand der Buchse vom Stecker vor Ausführung der Koppelbewegung durch Einführtrichter mit der kleinsten Öffnungsfläche gegeben.
Die Grobpositionierung des Fahrzeugs, die zeitlich vor der Ausführung der Koppelbewegung erfolgt, kann verschiedentlich erfolgen. Beispielsweise kann der Fahrer bei einer ortsfesten Ladestation durch bauliche Maßnahmen wie etwa Schweller oder durch bodennahe Markierungen zu einer Halteposition des Fahrzeugs geleitet werden, die eine Grobposition im obig beschriebenen Sinne darstellt. Möglicherweise kann auch eine fahrzeugexterne, mechanische Konstruktion oder ein Selbstfahrassistent des Fahrzeugs kommen, die das Fahrzeug ohne Eingriff des Fahrers in eine Grobposition bewegen. Alternativ wird der Fahrer durch ein Fahrerassistenzsystem unterstützt und durch Navigationsanweisungen in eine Grobposition gelotst. Sobald das Fahrzeug eine Halteposition erreicht hat, die eine Grobposition im obig beschriebenen Sinne darstellt, d.h. dass eine Ladeverbindung herstellbar ist, wird die Ladestation initialisiert. Zu diesem Zweck besteht eine zumindest unidirektionale Kommunikation vom Fahrzeug zur Ladestation. Diese kann beispielsweise als Funkverbindung oder Infrarotverbindung ausgebildet sein. Auch eine Umsetzung auf Basis von RFID (radio frequency identification) ist denkbar. Aus diesem initialisierten Zustand heraus kann die Ausführung der Koppelbewegung erfolgen, um eine Ladeverbindung herzustellen und das Fahrzeug zu laden. Hierzu kann lediglich eine Quittierung des Fahrzeugnutzers erforderlich sein. In der Wahrnehmung des Nutzers erfolgt die Herstellung der Ladeverbindung und das Laden des Fahrzeugs automatisch. Auch das Öffnen der Abdeckklappe kann automatisch erfolgen. Am Ende des Ladevorgangs wird die Stecker-Buchse-Verbindung durch den Führungsmechanismus automatisch getrennt. Wird bei vollgeladener Batterie oder bei vorzeitigem Abbruch des Ladevorgangs die Entkoppelbewegung ausgeführt, wird der Stecker automatisch von der Buchse gelöst und in die Ausgangsposition zurückgeführt.
Für den Nutzer ist die Ladung der Fahrzeugbatterie mit hohem Komfort verbunden. Die Durchführung eines Ladevorgangs ist zu einem derart hohen Maße automatisiert, dass der Nutzer maximal an der Einnahme einer Grobposition des Fahrzeugs und gegebenenfalls an einer Quittierung eines Ladebefehls unmittelbar beteiligt ist.
Gemäß der 2 und 3 wird das Ladekabel im Bereich des Verstärkungsabschnitts durch den Führungsmechanismus geführt. Der Führungsmechanismus kann als beweglicher, elektromotorisch betriebener Führarm ausgestaltet sein, der an der externen Ladequelle angebracht ist oder mit dieser in Verbindung steht. Beispielsweise kann der Führarm als Wandmontage mit einer Wallbox im häuslichen Bereich integriert sein. Alternativ kann der Führarm auch an einer frei stehenden Ladestation angebracht sein. Die Linearbewegung des Verstärkungabschnitts kann nach einer weiteren Ausführungsform auch über die Rotation einer Kabelrolle erzielt werden, wodurch eine zur Rolle tangentiale Bewegung des Steckers entsteht, die mit Führungsschienen unterstützt sein kann.
Die Vorrichtung bietet den besonderen Vorteil, dass die Buchse an einer beliebigen Stelle der Fahrzeugaußenhaut platzierbar ist. Die Buchse kann beispielsweise im Bereich des Unterbodens oder des Fahrzeugdaches angebracht werden. Auch eine Integration im Bereich des Fahrzeughecks, der Fahrzeugfront sowie der Fahrzeugseitenteile ist möglich. Deshalb ist der günstigste Verbauort in Abhängigkeit von Bauraum und Kosten frei wählbar. Auch die Konstruktion des Führungsmechanismus kann mit bevorzugten Verbauorten der Buchse verbunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009023409 A1 [0002]

Claims

Ladevorrichtung, umfassend ein Plug-in-Fahrzeug mit einer Ladeelektrik, eine Ladestation und ein Ladekabel zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs über eine kabelgebundene Ladeverbindung, wobei die Ladeelektrik eine Buchse und das Ladekabel einen Stecker umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass die Buchse einen Einführtrichter oder mehrere Einführtrichter aufweist, – dass der Stecker einen Einführstift oder mehrere Einführstifte aufweist, – dass jeder Einführstift einem bestimmten Einführtrichter zugeordnet ist, – dass Informationen zwischen der Ladestation und der Ladeelektrik bei hergestellter Ladeverbindung austauschbar sind, – dass Informationen zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug bei nicht hergestellter Ladeverbindung austauschbar sind, – dass der Stecker und ein an den Stecker anschließender Verstärkungsabschnitt des Ladekabels durch einen von der Ladestation umfassten Führungsmechanismus in einer vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Koppelbewegung über eine maximal vorgegebene Koppellänge bewegbar sind, – dass der Stecker und ein an den Stecker anschließender Verstärkungsabschnitt des Ladekabels durch einen von der Ladestation umfassten Führungsmechanismus entgegen der vorgegebenen Raumrichtung in Form einer Entkoppelbewegung über die Koppellänge bewegbar sind.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, – dass der Führungsmechanismus als elektromotorisch betreibbarer Führarm ausgebildet ist, – dass der Führarm den Stecker mit dem Verstärkungsabschnitt führt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, – dass der Führungsmechanismus als elektromotorisch betreibbare Kabelrolle ausgebildet ist, – dass der Stecker mit dem Verstärkungsabschnitt bei rotierender Kabelrolle tangential zur Kabelrolle führbar ist.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Herstellung der Ladeverbindung die zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation ausgetauschte Information eine Information über die Position des Fahrzeugs umfasst, – dass vom Fahrzeug eine Ladeposition in einem relativ zur Ladestation vorgegebenen Ladepositionsbereich einnehmbar ist, – dass zur Herstellung der Ladeverbindung das Fahrzeug eine Ladeposition einnimmt, – dass ein Eintritt des Fahrzeugs in den Ladepositionsbereich und die Einnahme einer Ladeposition dem Fahrer angezeigt werden, – die Einnahme einer Ladeposition die Koppelbewegung initialisiert.
Ladevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass bei eingenommener Ladeposition der räumliche Abstand zwischen Stecker und Buchse die Koppellänge unterschreitet, – dass der Ladepositionsbereich durch die Öffnungsfläche des Einführtrichters oder bei mehreren Einführtrichtern durch die Öffnungsfläche des Einführtrichters mit der kleinsten Öffnungsfläche bestimmt ist, – dass bei eingenommener Ladeposition und bei Ausführung der Koppelbewegung jeder Einführstift die Öffnungsfläche des diesem Einführstift zugeordneten Einführtrichters durchdringt und in den Einführtrichter eintritt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verstärkungsabschnitt als eine mechanische Versteifung des Ladekabels ausgebildet ist, – dass die Versteifung derart bemessen ist, dass das Ladekabel in dem Verstärkungsabschnitt gegen eine Verbiegung durch die Erdanziehungskraft des Steckers und des Ladekabels stabil ist, – dass die Versteifung derart bemessen ist, dass das Ladekabel in dem Abschnitt unter einer Krafteinwirkung, die die Erdanziehungskraft des Steckers und des Ladekabels übersteigt, biegsam ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verstärkungsabschnitt zu einer mechanisch starren Ladestange versteift ist, – dass die Buchse mit jedem Einführtrichter starr verbunden ist, – die Buchse in zwei Raumrichtungen auslenkbar gelagert ist und die beiden Raumrichtungen zu der Raumrichtung komplementär gerichtet sind, die die durch den Führungsmechanismus der Ladestation verursachte Bewegung des Steckers beschreibt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Buchse genau einen Einführtrichter aufweist, – dass die Buchse rotationssymmetrisch ausgeführt ist, – dass die Buchse am Hals des Trichters befindlich ist, – dass der Stecker genau einen Einführstift aufweist, – dass der Stecker rotationssymmetrisch ausgeführt ist, – dass der Stecker eine konischen, klinkenartigen Teil als Steckerklinke aufweist, – dass die Steckerklinke der Einführstift ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, – dass die Buchse genau einen Einführtrichter aufweist, – dass die Buchse rotationssymmetrisch ausgeführt ist, – dass die Buchse am Hals des Trichters befindlich ist, – dass der Stecker genau einen Einführstift aufweist, – dass der Stecker rotationssymmetrisch ausgeführt ist, – dass der Stecker eine konischen, klinkenartigen Teil als Steckerklinke aufweist, – dass die Steckerklinke der Einführstift ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Buchse mehrere Einführtrichter aufweist, – dass zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung jeder Einführstift in den dem Einführstift zugeordneten Einführtrichter eintritt, – dass bei Ausführung der Koppelbewegung jeder Einführtrichter den eingetretenen Einführstift in einer Führungsbewegung führt, die die zu der durch die Koppelbewegung erfassten Raumrichtung komplementären Raumrichtungen erfasst und das Ladekabel im Verstärkungsabschnitt verbiegt, – dass die Koppelbewegung und die Führungsbewegung den Stecker in die Buchse bewegen und einen Stecker-Buchse-Kontakt herstellen, – dass bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt die Koppelbewegung endet.
Ladevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass die Buchse mehrere Einführtrichter aufweist, – dass zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung jeder Einführstift in den dem Einführstift zugeordneten Einführtrichter eintritt, – dass bei Ausführung der Koppelbewegung jeder in den Einführtrichter eingetretene Einführstift auf den Einführtrichter eine Führungsbewegung ausübt, die die auslenkbare Buchse in Richtung des Steckers auslenkt, – dass die Koppelbewegung und die Führungsbewegung den Stecker in die Buchse bewegen und einen Stecker-Buchse-Kontakt herstellen, – dass bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt die Koppelbewegung endet.
Ladevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung die Steckerklinke in den Einführtrichter eintritt, – dass bei Ausführung der Koppelbewegung der Einführtrichter die eingetretene Steckerklinke in einer Führungsbewegung führt, die die zu der durch die Koppelbewegung erfassten Raumrichtung komplementären Raumrichtungen erfasst und das Ladekabel im Verstärkungsabschnitt verbiegt, – dass die Koppelbewegung und die Führungsbewegung den Stecker in die Buchse bewegen und einen Stecker-Buchse-Kontakt herstellen, – dass bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt die Koppelbewegung endet.
Ladevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Herstellung einer Ladeverbindung bei eingenommener Ladeposition durch die Koppelbewegung die Steckerklinke in den Einführtrichter eintritt, – dass bei Ausführung der Koppelbewegung die in den Einführtrichter eingetretene Steckerklinke auf den Einführtrichter eine Führungsbewegung ausübt, die die auslenkbare Buchse in Richtung des Steckers auslenkt, – dass die Koppelbewegung und die Führungsbewegung den Stecker in die Buchse bewegen und einen Stecker-Buchse-Kontakt herstellen, – dass bei hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt die Koppelbewegung endet.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, – dass mit hergestelltem Stecker-Buchse-Kontakt die Ladeverbindung hergestellt ist, – dass bei hergestellter Ladeverbindung der Energiespeicher ladbar ist, – dass die bei hergestellter Ladeverbindung zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ausgetauschten Informationen Angaben über den elektrischen Zustand des Energiespeichers umfassen, – dass bei hergestellter Ladeverbindung und/oder voll geladenem Energiespeicher die Entkoppelbewegung initialisierbar ist, – dass bei Ausführung der Entkoppelbewegung der Stecker-Buchse-Kontakt trennbar ist.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass jeder Einführtrichter eine Abdeckklappe aufweist, – dass jede Abdeckklappe zum Herstellen einer Ladeverbindung geöffnet werden kann, – dass jede Abdeckklappe bei nicht hergestellter Ladeverbindung schließbar ist.