DE102012016234A1

DE102012016234A1 - Anhänger für ein Fahrzeug und Verfahren zur Steuerung und Betrieb

Info

Publication number: DE102012016234A1
Application number: DE201210016234
Authority: DE
Inventors: Jürgen Weimer
Original assignee: DRIVES UG HAFTUNGSBESCHRAENKT E; E-Drives Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: DRIVES UG HAFTUNGSBESCHRAENKT E; E-Drives Ug (haftungsbeschrankt)
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-13

Abstract

Konventionell verbrennungsmotorisch oder hybrid angetriebene Fahrzeuge dürfen nicht in emissionsbeschränkte Zonen wie bspw. Innenstädte einfahren. Dort werden absehbar nur Elektrofahrzeuge einfahren dürfen. Die Anzahl der Beschränkungen wird weiter zu nehmen, und Elektrofahrzeuge werden voraussichtlich nicht die Leistungsdaten konventioneller Fahrzeuge z. B. für Langstreckenfahrten erreichen. Bereits vorgeschlagene elektrisch angetriebene Schubanhänger sind nur sehr eingeschränkt für die breite Anwendung geeignet. Die Erfindung betrifft einen neuen kompakten Anhänger für ein Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug 200 sowie Verfahren zur Steuerung und Nutzung des Anhängers einschließlich Infrastruktur und Ladeeinrichtung. Der Anhänger insbesondere Schubanhänger mit einer elektrischen Antriebseinheit sowie einem Energiespeicher für den Betrieb dieser Antriebseinheit, kann mit einem Fahrzeug mit einer verbrennungsmotorischen oder hybriden Antriebseinheit mittels eines Kupplungssystems mechanisch, und mittels eines Koppelsystem elektrisch und signaltechnisch gekoppelt werden. Der Anhänger verfügt wegen der kompakten Bauweise über verschiedene Stellsysteme zur Anpassung der Deichsellänge und Deichselhöhe, ein Kupplungssystem zur mechanischen Kupplung und elektrische Kopplung des Anhängers mit dem Fahrzeug, sowie Stellsysteme zur Beeinflussung der Schwerpunktlage des Anhängers über ein Fahrwerksstellsystem und ein Komponentenstellsystem. Der Anhänger hat ferner eine Steuereinrichtung zur Zustandserfassung und Steuerung der verschiedenen Teilsysteme zum Beeinflussen der Fahrdynamik des Gespanns und zur Steuerung der Betriebsarten des Anhängers. Der Anhänger wird vom Fahrer gesteuert und kann mit dem Fahrzeug kommunizieren. Eine adaptive Regelung der Stellsysteme bewirkt eine optimale Schub- und Bremskrafterzeugung bei gleichzeitig reduzierten Nickbewegungen. Der Anhänger versorgt das Bordnetz des Fahrzeugs und steuert/interagiert mit Systemen im Fahrzeug. Ferner verfügt der Anhänger über Sensoren, Stellglieder und eine Steuerung die automatische Kuppel-, Koppel-, Rangier, und Ladevorgänge in dafür vorgesehene Wechsel- und Ladestationen ermöglichen. Anordnungen und Verfahren zum automatisierten Anhängerwechsel ermöglichen einen hohen Fahrzeugdurchsatz an Wechselstationen. Notwendige Ladestationen sind so gestaltet, dass mehrere Anhänger gleichzeitig geladen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft Fahrzeuganhänger sowie Schubanhänger für ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug sowie Verfahren zur Steuerung und Nutzung des Anhängers einschließlich Infrastruktur und Ladeeinrichtung. Der Anhänger insbesondere Schubanhänger mit einer elektrischen Antriebseinheit sowie einem Energiespeicher für den Betrieb dieser Antriebseinheit, kann mit einem Fahrzeug mit einer verbrennungsmotorischen oder hybriden Antriebseinheit mittels eines Kupplungssystems mechanisch, und mittels eines Koppelsystem elektrisch und signaltechnisch gekoppelt werden. Der Anhänger verfügt über verschiedene Stellsysteme zur Beeinflussung der Deichselverbindung zwischen Anhänger und Fahrzeug wie die Anpassung der Deichsellänge, Deichselhöhe, mechanische Kupplung und elektrische Kopplung sowie Stellsysteme zur Beeinflussung der Schwerpunktlage über ein Fahrwerksstellsystem und ein Komponentenstellsystem. Der Anhänger hat ferner eine Steuereinrichtung zur Zustandserfassung und Steuerung der verschiedenen Teilsysteme zum Beeinflussen der Fahrdynamik des Gespanns und zur Steuerung der Betriebsarten des Anhängers. Der Anhänger wird vom Fahrer gesteuert und erzeugt die geforderten Beschleunigungs- und Bremskräfte. und kann mit dem Fahrzeug kommunizieren und versorgt das Bordnetz des Fahrzeugs und steuert/interagiert mit Systemen im Fahrzeug. Der Anhänger verfügt ferner über Sensoren, Stellglieder und eine Steuerung die automatische Kuppel-, Koppel-, Rangier, und Ladevorgänge in dafür vorgesehene Wechsel- und Ladestationen ermöglichen.
Stand der Technik
In der DE 10 2010 062 979 A1 sind Anhänger mit unterschiedlichen Antriebskonfigurationen beschrieben die seitens des Fahrzeuges lediglich eine Anhängerkupplung erfordern. Die Elektronik des Fahrzeugs wird nicht modifiziert oder in irgendwelcher Weise zur Nutzung des Anhängers angepasst, weshalb auch keine zusätzliche Hardware bspw. für den Austausch von Steuer- und Datensignalen seitens des Fahrzeugs erforderlich sind. Die Steuerung erfolgt dadurch, dass der Anhänger Sensoren zur Erfassung von dynamischen Bewegungs- und Zustandsgrößen des Gespanns aus Fahrzeug und Anhänger und eine Steuereinheit zur Auswertung der Sensorsignale und zur Regelung von dessen Antriebseinheit aufweist, wobei in Abhängigkeit der von den Sensoren erfassten Bewegungs- und Zustandsgrößen von der Antriebseinheit des Anhängers eine auf das Fahrzeug wirkende Vortriebs- oder Bremskraft erzeugt wird. Ein rein elektrischer Fahrbetrieb ist mit dem hier beschriebenen Anhänger nicht möglich da ein Austausch von Steuer- und Datensignalen explizit ausgeschlossen wird und damit der Fahrer keinen Fahrwunsch an den Anhänger übermitteln kann.
In der DE 199 05 676 B4 wird eine Zugdeichsel für Zentralachsanhänger beschrieben, wobei der Zugholm in seiner wirksamen Länge und Höhe veränderbaren ist und, an dessen vorderem Ende sich die Zugöse zur Herstellung der Verbindung mit dem Zugfahrzeug befindet und am hinteren Ende über Konsolen starr mit dem Längsträgern des Zentralachsanhängers verbunden ist. Die Verstellung erfolgt über die Konsolen jeweils mit zueinander parallelen, sich vertikal erstreckenden und vorzugsweise mit einem Lochmuster versehenen Anschlussflächen versehen sind, und dass der Zugholm entlang seiner Seitenflächen mit korrespondierenden Anschlussflächen versehen ist. Ein Ändern der Länge oder Höhe erfolgt nur über neues Verschrauben über die Lochmuster. Ein dynamisches Anpassen der Geometrie durch ein Stellglied ist nicht vorgesehen.
Schließlich ist aus der DE 20 2009 010 272 U1 ein Anhänger, dort Elektro-Schub-Fahrzeug genannt, für ein Zugfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor als Antriebseinheit bekannt und das Einparken auf einem Parkplatz mit Parktaschen beschrieben. Demnach wird der Anhänger in eine solche Parktasche bugsiert, dann abgehängt und schließlich das Zugfahrzeug eingeparkt. Um das An- und Abkuppeln zu einem ganz einfachen Vorgang zu machen, kann die Kupplung eine Automatik erhalten. Mit Hilfe einer Kamera kann beim Heranfahren des Zug- an das Schubfahrzeug die Stellung der Fahrzeuge zueinander genau beobachtet und entsprechend korrigiert werden. Ist die Kupplung eingerastet, sind beide Fahrzeuge voll und sicher miteinander verbunden. In dieser Anmeldung ist der Schubanhänger derart gestaltet, dass ein zweiter Parkplatz notwendig ist und die Ankopplung vom Zug an das Schubfahrzeug über den Fahrer mit einer Rückfahrkamera im Fahrzeug erfolgt. Ein Kuppelvorgang sowie Überwachungsvorgang bspw. mit einer Kamera gesteuert vom Anhänger ist nicht vorgesehen. Es wird lediglich das Einrasten einer Kupplung erwähnt, Ausführungen zum elektrischen Koppeln fehlen. Ferner ist genannt, dass zwei achsige ESF vorteilhafter scheinen, da so ein Fahrzeug auch ohne Stütze nach dem Abkoppeln vom Zugfahrzeug waagerecht stehen bleibt. Ausführungen zu einer einachsigen Lösung sind nicht erwähnt.
Es sind verschiedene elektrische Koppelsysteme zwischen Fahrzeug und Anhänger bekannt die ohne die standarisierten Stecksysteme eine Übertragung von Energie und Informationen ermöglichen. So zeigt beispielsweise die DE 103 47 561 B3 einen Sattelzug mit einem Zugfahrzeug einem Auflieger und einer Sattelkupplung, die ein dem Zugfahrzeug und ein dem Auflieger zugeordnetes Kupplungsteil zur mechanischen Verbindung zwischen Zugfahrzeug und Auflieger aufweist, wobei im Zugfahrzeug eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Komponenten des Aufliegers vorgesehen ist und wobei der Auflieger zur Übertragung der Steuerdaten Datenleitungen und zur Stromversorgung der Komponenten Stromversorgungsleitungen aufweist, wobei das dem Zugfahrzeug zugeordnete Kupplungsteil eine Sattelplatte und das dem Auflieger zugeordnete Kupplungsteil als dazu passender Kupplungszapfen ausgebildet ist. Es ist offenbart, dass im Zugfahrzeug ein Wechselspannungsgenerator zur Erzeugung eines Trägersignals vorgesehen ist, wobei ein Signalmodulator moduliert die Steuerdaten auf das Trägersignal auf und ein Übertrager ist in der Sattelplatte des Zugfahrzeugs angeordnet, um das Trägersignal mit den aufmodulierten Steuerdaten zu einem Übertrager im Bereich des Kupplungszapfens des Aufliegers zu übertragen, wobei ein Demodulator im Auflieger das durch induktive Kopplung übertragene Gesamtsignal in eine energietragende Stromversorgungsspannung und die Steuerdaten trennt und die Stromversorgungsspannung zur Stromversorgung einer Komponente im Auflieger vorgesehen ist. Das Koppelsystem hat den Nachteil, dass es in die Kupplung integriert ist und nur Drehbewegungen in einer Ebene ausgleicht, die offenbarte Anordnung der Übertragerspulen eine geringe magnetische Kopplung aufweist und die Nutzung der Aufliegerplatte als Magnetkreis eine nur eine stark verlustbehaftete Übertragung ermöglicht. Darüber hinaus ist nur eine Energie- und Datenübertragung vom Zugfahrzeug zu Auflieger möglich. Die Integration der Übertrager in die Kupplungsteile beeinflusst die mechanische Verbindung und ist nur bei großflächigen Sattelzugkupplungen anwendbar. Eine Lösung für eine Kugelkopfkupplung für PKWs ist nicht offenbart.
Spezifische Ladestationen für Anhänger sind nicht bekannt. So betrifft bspw. die Erfindung aus der DE 20 2010 014 316 U1 eine Ladestation zum elektrischen Laden oder Entladen von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann es sich neben Automobilen auch um Motorräder oder Roller handeln. Die Ladestation ist u. a. dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Spulensystem in den die Ladestation umgebenen Untergrund eingelassen ist und dass das zu ladende Fahrzeug durch eine induktive Kopplung ladbar ist. Ferner ist Ladestation auch dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung zwischen der Ladestation und dem zu ladenden Fahrzeug über die Ladekabel, und/oder das Spulensystem und/oder WLAN und/oder UMTS und/oder RFID und/oder BlueTooth erfolgt. Die hier vorgeschlagenen Ladestation hat den Nachteil, dass sich durch den Einbau im Untergrund systembedingt einen relativ großen Abstand zur Empfangsspule im Fahrzeug ergibt und dadurch schlechte Wirkungsgrade von typ. 90% realisiert werden. Ferner sind aufwändige Einbauten in die Infrastruktur notwendig. Für eine hocheffiziente induktive Übertragung ist eine genaue Positionierung notwendig. Dazu reicht der umfassende Datenaustausch mit dem Fahrzeug nicht aus, es fehlt in der hier beschriebenen Ladestation eine Sensorik wie bspw. Eine Umfeld- oder Positionssensorik zur optimalen Erfassung der Fahrzeugposition und der Aktorik das Fahrzeug automatisch in die ideale Position zu fahren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Anhänger insbesondere ein Anhänger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Der Anhänger verfügt als Schubanhänger über alle notwendigen Antriebskomponenten um das Fahrzeug zu schieben. Hierzu gehören mindestens zwei Radantriebe oder ein gleichwertiger Zentralantriebe, ein Energiespeicher sowie eine Steuerelektronik.
Dieser Anhänger hat den Vorteil, dass er über Verstellsystem an geometrische Randbedingungen und dynamisch an den Betriebszustand des Gespannes angepasst werden kann. Der Anhänger verfügt über mindestens ein Verstellsystem wie ein Deichselverstellsystem um die Deichsellänge als auch die Deichselhöhe anzupassen, ein verstellbares Fahrwerk zum Anheben des Anhängers bzw. zum Verschieben der Räder, oder ein Komponentenverstellsystem welches durch Bewegen schwerpunktprägender Komponenten wie bspw. der Batterie den Schwerpunkt des Anhängers verlagert.
Zur Bildung eines Gespanns aus einem verbrennungsmotorisch oder hybrid angetriebenem Fahrzeug und dem elektrisch angetriebenen Anhänger verfügt das Fahrzeug über eine Anhängerkupplung und eine geeigneten Anschluss zum Fahrzeugbordnetz. Der Anhänger verfügt über eine Kuppeleinrichtung zum Ankuppeln an die Anhängerkupplung und eine elektrische Koppeleinrichtung zum Verbinden der Bordnetze.
Der Anhänger hat einen elektrischen Wandler bspw. einen DCDC-Wandler der aus der Fahrbatterie die übliche 12 V Bordnetz-Versorgungsspannung im Anhänger erzeugt. Über die Koppeleinrichtung kann auch das Fahrzeug in dafür vorgesehenen Betriebsarten vom Anhänger aus mit elektrischer Energie für das Fahrzeugbordnetz versorgt werden.
Der erfindungsgemäße Anhänger schiebt das mit einem Verbrennungsmotor ausgestattete Fahrzeug mit der von dem Anhänger erzeugten Vortriebs- oder Bremskraft bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen, wobei der Verbrennungsmotor vollständig abgeschaltet sein kann.
So kann das Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit einem einen Elektroantrieb aufweisenden Anhänger in Zonen einfahren, in denen der Betrieb eines Verbrennungsmotors wegen Emissionsbeschränkungen nicht oder nur eingeschränkt zulässig ist. Dieser erfindungsgemäße Anhänger wird also nur dann mitgeführt, wenn die Einfahrt mit verbrennungsmotorischen Fahrzeugen in diese Sperrbereiche verboten ist. Überlandfahrten erfolgen konventionell ohne Anhänger. In Übergangsbereichen oder Einfahrtsbereichen in emissionsbeschränkte Zonen wird der Anhänger an das Fahrzeug gekoppelt oder bei der Ausfahrt abgekoppelt. In Übergangsbereichen ist ein gemeinsamer Betrieb von Fahrzeug und Anhänger möglich.
Die Kupplung des Anhängers an das Fahrzeug erfolgt an speziell dafür vorgesehenen Wechsel- und Ladestationen in den Einfahrbereichen der beschränkten Zonen oder auch innerhalb der Zonen bspw. in Parkhäusern.
Der Anhänger ist für Leistungen ausgelegt die eine Schub-Geschwindigkeit in Höhe der üblichen Geschwindigkeitsbegrenzungen in diesen Zonen ermöglicht. Die Batteriekapazität ist für Entfernungen innerhalb von emissionsbeschränkten Zonen ausgelegt.
Der Anhänger kann ein- oder mehrachsig ausgeführt sein wobei bei einachsicher Ausführung der Anhänger im abgekuppelten Zustand über die vorhandenen Antriebsmotoren bzw. über die vorhanden Verstellsysteme so balanciert werden kann, das nur die Reifen Kontakt zur Straße haben.
Die Steuerung des Gespannes wird dadurch erreicht, dass der Fahrer über die vorhandene Sollwertgeber im Fahrzeug wie Gaspedal und Bremse einen Fahrwunschsignal erzeugt und dieses über eine Signalverbindung zwischen Fahrzeug und Anhänger eine im Anhänger erzeugte Vortriebs- oder Bremskraft bewirkt welche wiederum über die Deichsel und die Anhängerkupplung auf das Fahrzeug wirkt und das Gespann gemäß dem Fahrerwunsch bewegt.
Das rekuperative Bremsen des Anhängers erfolgt zusammen mit dem Bremssystem des Fahrzeuges. Dabei wird der Bremsanteil des Anhängers in der Art gesteuert, das in Abhängigkeit vom der Höhe des Bremssollwerts, und den fahrdynamischen Grenzen des Gespanns und bspw. Energieverbrauchskriterien ein Bremsmoment erzeugt wird.
Der Anhänger wird mechanisch über ein Kupplungssystem an das Fahrzeug angekuppelt. Die zur Steuerung des Gespannes notwendige Signalverbindung zwischen Fahrzeug und Anhänger erfolgt über ein elektrisches Koppelsystem über entsprechende elektrische Signalleitungen und die dazu gehörigen Steckverbinder oder über eine kontaktfreie Verbindung wie bspw. Induktiv oder Funksysteme.
Der Anhänger verfügt Erfindungsgemäß über Deichselverstellsysteme um die Deichsellänge als auch die Deichselhöhe anzupassen.
Das Deichselsystem des Anhängers zur automatisierten Längenverstellung der Deichsel wird für verschiedene Betriebsarten und Steuereingriffe benötigt. Die Deichsel wird bspw. bei Geradeausfahrt und beim Halten an Ampel verkürzt um die Gespannlänge zu reduzieren. In diesen Situationen wird dadurch der zusätzlich benötigte Verkehrsraum reduziert.
Die Deichsel wird beim Parken verkürzt womit die Nutzung eines einzelnen Parkplatzes ohne abkoppeln möglich ist.
Bei Kurvenfahrt wird die Deichsel verlängert um notwendige Knickwinkel zu ermöglichen.
Bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen wird das Längenverstellsysteme derart genutzt um die auftretende, ungewollte Belastungen an der Anhängerkupplung zu reduzieren. Hierbei sollen durch einen geregelten Nickausgleich insbesondere Kräfte reduziert werden die beim Fahrzeug Nickbewegungen verursachen. Mit einer ausgefahrenen langen Deichsel werden durch den längeren Hebelarm die an der Anhängerkupplung wirksamen Nickkräfte reduziert. Beim Beschleunigen wird das Heben und beim Bremsen das Senken an der Anhängerkupplung des Fahrzeuges reduziert wird und damit auch die im Fahrzeug spürbare Nickbewegung.
Im Fahrzeugstillstand beim Parken kann die Deichsel bspw. über einen Bedieneingriff des Fahrers verlängert werden wenn Fahrer oder andere Personen das Fahrzeug hinten be- oder entladen will. Dazu verfügt der Anhänger über ein Bedieneinrichtung bspw. am Griff der Deichsel oder ein Gestenerfassungssystem über im Anhänger vorhandene Sensorik um die Deichsel auszufahren und nach dem Beladevorgang wieder einzufahren.
Das Längenverstellsystem ist vorzugsweise so gestaltet oder angeordnet, dass die Deichsellänge gegen Null verstellt werden kann.
Eine alternative Auslegung ist Längenverstellsystem für eine deutliche Verkürzung der Deichsel in weiterer Kombination mit einem Klappsystem am Anhängerseitigen Befestigungspunkt der Deichsel. Dadurch können mehrere Anhänger abgekoppelt vom Fahrzeug bspw. in einer Park- oder Ladeposition in einem später noch beschriebenen Puffer eng aufgereiht werden.
Das Deichselsystem des Anhängers verfügt Erfindungsgemäß auch über eine Höhenverstellung der Deichsel. Die Höhenverstellung der Deichsel erfolgt zur Anpassung der Koppelhöhe an verschiedene Anbaupositionen der Anhängerkupplung bei unterschiedlichen Fahrzeugen sowie zur Anpassung der Deichselposition an die unterschiedlichen Beladungszustände der Fahrzeuge.
Beim Kuppelvorgang wird die Position der Anhängerkupplung vor dem Einkuppeln erfasst und die Höhe der Deichsel passend eingestellt. Die Bewegung des Einkuppelns selbst, d. h. das Senken der Deichsel nach dem Positionieren der Kuppeleinrichtung über der Kugel der Anhängerkupplung kann ebenfalls über das Höhenverstellsystem der Deichsel erfolgen.
Die Höhenverstellung ermöglicht eine dynamische Anpassung der Anhängergeometrie an entsprechende Fahrzustände. So kann bspw. beim Überfahren von Kanten wie Bordsteinen oder Rampen die Deichselhöhe für einen optimalen Krafteinleitungswinkel verstellt werden.
Die Höhenanpassung des Deichselstellsystems kann manuell erfolgen als auch automatisiert. Bei einer automatisierten Höhenverstellung verfügt der Anhänger über eine entsprechende Sensorik bspw. eine Kamera mit der die Position der Anhängerkupplung des Fahrzeugs erfasst wird und der Anhängersteuerung zur weiteren Verarbeitung verfügbar ist. Bei einer manuellen Anpassung wird bspw. über eine Kurbel die Höhe des Deichsel auf die Höhe der Anhängerkupplung des Fahrzeugs angepasst.
Das Deichselsystem des Anhängers verfügt Erfindungsgemäß über ein automatisiertes Kupplungssystem zum Kuppeln der mechanischen und zum Koppeln der elektrischen Verbindung zwischen Fahrzeug und Anhänger. Das Kuppelsystem ist derart gestaltet, das die mechanische Kupplung und elektrische Kopplung sequentiell oder parallel in einem Ablauf erfolgt und über ein gemeinsames Stellglied automatisiert wird.
Der gesamte Kuppelvorgang ist das Rangieren des Anhängers, so dass der vorgesehene Teil der Deichsel über die Kugel der Anhängerkupplung bewegt wird, die Deichsel auf die Kugel gesenkt wird und das Kupplungssystem die Verbindung zwischen Anhängerkupplung und Deichsel verriegelt. Zur Verriegelung wird über ein Stellglied ein Verriegelungsprofil an die Kugel gefahren. Das Stellglied hierzu ist in der Deichsel integriert und kann bspw. über das Verdrehen einer mit einem Gewinde versehenen kurzen Schubstange das Verriegelungselement bewegen.
Das elektrische Koppelsystem ist mit dem mechanischen Kuppelsystem verknüpft, so dass eine integrierte Automatisierung möglich ist. Vorzugsweise werden das mechanische Verriegeln der Kupplung und das elektrische Verbinden von Fahrzeug und Anhänger über das elektrische Koppelsystem mit einem gemeinsamen Aktuator parallel oder sequentiell realisiert.
Die elektrische Verbindung von Fahrzeugbordnetz und dem Bordnetz des Anhängers erfolgt alternativ über ein Steckersystem oder kontaktlos über induktiv gekoppelte Spulen. In beiden Fällen ist das fahrzeugseitige Koppelelement wie bspw. Steckdose oder Induktionsspule mit dem Fahrzeug verbunden und so angeordnet, dass die Verbindung bei allen möglichen Verbindungswinkeln zwischen Anhängerdeichsel und Fahrzeug erhalten bleibt. Unterschiedliche Ausgestaltungen werden im Verlauf dieses Dokuments noch aufgezeigt.
Über das elektrische Koppelsystem erfolgt ein uni- oder bidirektionaler Datenaustausch als auch ein uni- oder bidirektionale Energieaustausch zwischen Fahrzeug und Anhänger. So wird insbesondere des Bordnetzes des Fahrzeugs im Schubbetrieb über das Bordnetz des Anhängers versorgt, wobei der Anhänger hierzu bspw. einen DCDC-Wandler besitzt der die Energie aus der Batterie des Anhängers entsprechend auf die Spannungsebene der Bordnetze wandelt. Andere Energiewandler und Energiespeicher auf dem Anhänger können alternativ für die Versorgung des Fahrzeugbordnetzes genutzt werden.
Bei dem anhängerseitigen Koppelelement wie Stecker oder Induktionsspule gibt es verschiedenen Ausgestaltungen und Verfahren zu Herstellung der Koppelverbindung. Wesentlicher Unterschied der beiden Ausgestaltungen ist die Position des anhängerseitigen Koppelelements im gekoppelten Zustand:
Bei der Variante 1 wird beim Koppelvorgang das anhängerseitige Koppelelement mit dem fahrzeugseitigen Koppelsystem verbunden wobei nach dem Koppelvorgang die Position des anhängerseitigen Koppelelementes bspw. ein Stecker fahrzeugfest ist und der Ausgleich aller Deichselbewegungen über eine elastische bzw. verdrehbare Ankopplung und flexible Kabel am anhängerseitigem Koppelelement erfolgt.
Die elektrische Verbindung der im Koppelelement vorhandenen Spule oder Kontaktelemente eines Steckers mit dem Bordnetz des Anhängers erfolgt über Kabel die im Bereich des Koppelelementes so verlegt sind, dass die Bewegungen der Deichsel ausgeglichen werden. Das anhängerseitige Koppelelement ist dabei so nah an der Kugel der Anhängerkupplung, so dass vorzugsweise alle Kabel und Stellelemente in der Spitze des Deichselsystems integriert sind.
In der mit Variante 1 bezeichneten Ausgestaltung des Koppelsystems befindet sich am Kuppelaktuator bspw. ein Umlenkhebel der eine entsprechende Kraft- und Wegübersetzung ermöglicht. Die Verbindung zwischen diesem Ausrückhebel für die Kopplung und dem anhängerseitigen Koppelelement ist derart, dass die Bewegung der Deichsel möglich ist ohne die Verbindung wieder zu trennen. Bspw. befindet sich an der Rückseite des anhängerseitigen Koppelelements eine kugelsegmentförmige Konturfläche deren Mittelpunkt dem der Kugel der Anhängerkupplung entspricht und deren Radius passend zum Abstand zwischen Kugelmittelpunkt der Anhängerkupplung und des Koppelelements gewählt ist. Der Ausrückhebel für die Kopplung drückt zum Einkoppeln auf diese Konturfläche. Für den Auskoppelvorgang sind analog entsprechende Rückholhebel vorgesehen.
Die skizzierte kugelsegmentförmige Fläche kann auch durch kreuzweise angeordnete Bodensegmente realisiert werden.
Bei der Variante 2 kann sich das anhängerseitige Koppelsystem noch mit der Drehbewegung der Deichsel bei Kurvenfahrten gegenüber dem fahrzeugseitigen Koppelsystem bewegen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für ein induktives Koppelsystem geeignet. Schon vorgeschlagene Schleifringe sind nicht vorgesehen. Hierzu notwendige Spulenanordnungen für induktive Übertragung bei Drehbewegungen sind bekannt.
Der Ausgleich weiterer Bewegungsachsen am Anhängerkoppler wie bei Bewegungen Deichsel um das Kugelgelenk in Nickrichtung – bspw. beim Durchfahren des Gespanns durch eine Kuhle – oder einer Verdrehbewegung der Deichsel – bspw. beim einseitigen Überfahren eines Verkehrsschwellers – erfolgt durch eine elastische Verbindung eines oder beider Koppelelemente mit dem jeweiligen Gehäuse sowie über eine geeignete geometrische Anordnung der Elemente.
Ergänzend zu dieser elastischen Anbindung kann das fahrzeugseitige Koppelelement derart ausgeführt werden, dass es die Drehbewegung bei Kurvenfahrt ausgleicht.
Detaillierte Ausführungen zu Variante 2 werden zu den Zeichnungen beschrieben.
Allgemein sind weitere Eigenschaften des Koppelsystems zu beachten:
Für die Induktive Koppelvariante sind die Koppelelemente derart gestaltet, dass sie beim mechanischen Kuppelvorgang über entsprechende Führungselemente oder geometrische Gestaltung der Koppelelemente eine formschlüssiger Kontakt derart hergestellt wird, dass sich die Magnetkreise der Induktionsspulen der Koppelelemente bestmöglich schließen. Der magnetische Fluss erfolgt überwiegend durch die Berührflächen der beiden Koppelelemente, ein magnetischer Fluss über die Anhängerkupplung wird dabei vermieden.
Das induktive Koppelsystem kann ein oder mehrere Spulenpaare haben die sich jeweils zu einem Übertragungssystem zwischen Fahrzeug und Anhänger ergänzen. Ein Spulensystem wird zum bidirektionalen Übertragen der Daten genutzt. Ein weiteres Spulensystem ist zum Übertragen der Energie vorgesehen.
Das mechanische Verriegeln der Kupplung und das elektrische Verbinden von Fahrzeug und Anhänger über das elektrische Koppelsystem soll mit einem gemeinsamen Aktuator parallel oder sequentiell realisiert werden. Dazu erfolgt über den Verriegelungsaktuator zum mechanischen Kuppeln der Deichsel gleichzeitig oder aufeinanderfolgend mit der Kuppelbewegung ein Verschieben des anhängerseitigen Koppelelements also bspw. eines Steckers, Kontaktstifte oder des Spulenträgers des induktiven Kopplers.
Bei einer leitungsgebundenen Verbindung von Anhänger und Fahrzeug über ein elektrisches Koppelsystem mit Steckerkontakten erfolgt das elektrische Koppeln in Verbindung mit dem mechanischen Kuppelvorgang durch über zwei Bewegungsphasen. In Ergänzung zu dem bereits beschriebenen gemeinsamen Kuppel- und Koppelvorgang kann bspw. davor beim Absenken der Kupplung auf die Kugel der Anhängerkupplung gleichzeitig eine Kontaktabdeckung verschoben werden. Zum Bewegen der aus Spritzschutzgründen notwendigen Kontaktabdeckung ist bspw. an der Deichsel ein Element wie ein Stift, eine Nase oder ähnliches angebracht welches bei der Abwärtsbewegung über einen am Spritzschutzdeckel befindlichen Hebel die Spritzschutzabdeckung bewegt und den Kontaktbereich frei gibt.
Das Einkuppeln erfolgt vorzugsweise bei kleinen Knick- und Nickwinkeln durch entsprechendes Rangieren vor dem Kuppelvorgang. Der Auskuppelvorgang kann ggf. blockiert werden wenn das Gespann nicht so abgestellt ist, dass die zulässigen Winkel eingehalten sind. Ggf. wird dem Fahrer dazu eine entsprechende Meldung signalisiert.
Die Koppeleinrichtung ist räumlich sehr nah an der Kugel der Anhängerkupplung vorgesehen. Dadurch werden die bei Deichselbewegung auszugleichenden Wege so klein, das die anhängerseitigen Elemente des Kuppel- und Koppelsystems in die Deichsel integriert werden können.
Das Fahrwerk des Anhängers verfügt über ein Verstellsystem um die Höhe des Anhängers anzupassen und auch die Radposition in Relation zum Rahmen des Anhängers vor oder zurück zu verschieben. Durch diese Verstellmöglichkeit des Fahrwerks wird die Schwerpunktlage des Anhängers dynamisch den Betriebsbedingungen angepasst und zusätzlich zum Verstellsystem der Deichsellänge die auf die Anhängerkupplung wirkenden Kräfte beeinflusst.
Das Fahrwerksverstellsystem wird derart genutzt um die bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen auftretende, ungewollte Belastungen an der Anhängerkupplung zu reduzieren. Hierbei sollen durch einen geregelten Nickausgleich insbesondere Kräfte reduziert werden die beim Fahrzeug Nickbewegungen verursachen. Verstellelemente wie bspw. in der Länge variable Dämpfer sind so angeordnet, dass beim Beschleunigen das Heben um beim Bremsen das Senken der Anhängerkupplung des Fahrzeuges reduziert wird und damit auch die im Fahrzeug spürbare Nickbewegung. Beim Beschleunigen wird dabei der Anhänger gehoben und die Räder nach hinten verschoben wodurch sich der Schwerpunkt des Anhängers nach vorne verschiebt. Beim Bremsen ist entsprechend umgekehrtes Verhalten realisiert.
Weitere Funktionen des Fahrwerkstellsystems sind analog der Funktion des Deichselstellsystems möglich. So kann bspw. die Höhe des Anhänger so verstellt werden, dass bei Bodenwellen oder Bordsteinen eine optimale Krafteinleitung in die Anhängerkupplung des Fahrzeuges erfolgt.
Der Rahmen des Anhängers verfügt über ein Komponentenverstellsystem mit dem die Schwerpunktlage des Anhängers dynamisch an die Fahrbedingungen angepasst werden kann. Hierbei wird vorzugsweise die Position der schweren Batterie bzw. anderer Komponenten angepasst. Dieses Komponentenverstellsystem wird wie bei Fahrwerkverstellsystem derart genutzt um die bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen auftretende, ungewollte Belastungen an der Anhängerkupplung zu reduzieren.
Die Wirkung des Komponentenverstellsystems ist vergleichbar mit der bereits beschriebenen Funktion des Längenverstellsystems der Deichsel. Beim Beschleunigen wird der Schwerpunkt nach vorne verlagert und beim Bremsen nach hinten. Störende Nickkräfte am Fahrzeug werden dadurch reduziert.
Schwerpunktprägende Komponenten wie bspw. die Batterie sind auf einem Komponententräger befestigt welcher wiederum beweglich mit dem Rahmen des Anhängers verbunden ist. Beispielsweise hängen die vier unteren Ecken des Komponententrägers über bewegliche Träger an über dem Komponententräger befindlichen Rahmenstrukturen des Anhängers so dass der Komponententräger eine schaukelförmige Bewegung ausführen kann.
In einer anderen Ausgestaltung hat der Komponententräger Rollen und kann innerhalb der Rahmenstruktur des Anhängers verfahren werden. Dieses Trägersystem kann auch für einen optional vorgesehenen Batteriewechsel genutzt werden.
Zwischen Komponententräger und Rahmenstruktur befindet sich ein Stellantrieb bspw. eine Verstellspindel welche den Komponententräger entsprechend der vorgesehenen Schwerpunktsteuerung bewegt.
Weitere Funktionen des Komponentenstellsystems sind analog der Funktion des Deichselstellsystems und des Fahrwerkstellsystems möglich.
Je nach Auslegung des Anhängers verfügt der Anhänger neben dem Deichselstellsystem ein Fahrwerkverstellsystem und das Komponentenverstellsystem oder nur eines dieser Verstellsysteme.
Sämtliche der hier genannten Verstellsysteme werden vorzugsweise über eine Anhängersteuerung zentral gesteuert um alle Betriebsarten zu ermöglichen und die Fahrzustände optimal zu regeln oder zu steuern.
Eine zentrales Verfahren zum Steuern des Anhängers welche im der Anhängersteuerung realisiert ist, ist eine Dynamiksteuerung. Bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen werden die Verstellsysteme an Deichsel, Fahrwerk und Komponententräger genutzt um die Drehmomente des Anhängerantriebs bestmöglich eine Schub- und Bremskraft für das Gespann umzulenken. Ungewollte Belastungen an der Anhängerkupplung werden reduziert und insbesondere Kräfte werden reduziert die beim Fahrzeug Nickbewegungen verursachen. Die Verstellsysteme können hierzu einzeln, zusammen oder in einer Kombination genutzt werden. Durch diese Steuerung ist es möglich höhere Schub- und Bremskräfte mit einem Anhänger zu realisieren im Vergleich zu einem Anhänger ohne diese Systeme.
In Betriebszuständen ohne oder mit geringen Beschleunigungs- oder Bremsanforderungen bspw. bei Konstantfahrt, Stillstand oder Parken werden die Verstellsysteme, wie an anderer Stelle beschrieben, nach anderen Optimierungskriterien und Komfortgesichtspunkten angesteuert.
Die Steuerung des Anhängers wird ergänzt durch Sensoren zur Erfassung von dynamischen Bewegungs- und Zustandsgrößen des Anhängers. In dieser Steuereinheit erfolgen eine Auswertung der Sensorsignale und die Regelung von dessen Antriebseinheit, wobei in Abhängigkeit der von den Sensoren erfassten Bewegungs- und Zustandsgrößen des Anhängers die Vorgaben des Fahrers korrigiert. Über die vorhandene Datenverbindung zum Fahrzeug können auch im Fahrzeug erfasste oder berechnete Zustandsgrößen zum Anhänger übertragen werden und dort im der Anhängersteuerung weiter verarbeitet werden.
Der Anhänger kann rekuperativ den Bremsvorgang des Fahrers unterstützen. Die Verteilung der Bremsmomente auf Fahrzeug und Anhänger erfolgt nach bekannten Energieoptimierungsverfahren und behördlichen Vorschriften mit zusätzlicher Berücksichtigung der Nickkräfte auf die Anhängerkupplung. Die Verstellsysteme werden dabei so gesteuert, dass bei maximaler Rekuperation die Nickkräfte minimiert werden.
Die Steuerung des Anhängers umfasst weiterhin die bekannte Knickwinkelsteuerung mit entsprechenden Sensoren zur Erfassung des Knickwinkels. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Knickwinkelsteuerung derart erweitert, dass sowohl die Verstellvariationen des Deichselsystems als auch die Verstellwege des Fahrwerksteuerungssystems in die Knickwinkelsteuerung einfließen. Ermittelt eine vorhandene Knickwinkelsteuerung bspw. einen zu großen Knickwinkel, so wird die Deichsel verlängert um den Knickwinkel wieder zu reduzieren.
Der Knickwinkel kann alternativ zu bekannten Verfahren wie der DE 199 01 953 durch einen Sensor erfasst werden der in dem bereits beschriebenen Koppelsystem zwischen Fahrzeug und Deichsel integriert ist.
Der Anhänger ist ferner mit Sensoren zur Erfassung des Abstandes zwischen Fahrzeug und Anhänger ausgestattet, wobei die Sensorsignale der Anhängersteuereinheit zur Auswertung zugeführt werden. Hilfsweise können auch im Fahrzeug vorhandene Sensoren genutzt werden, wobei dabei die Abstandswerte über die bereits beschriebene Signalübertragung zwischen Fahrzeug und Anhänger zu der Anhängersteuereinheit übertragen werden. Auf der Basis dieser ausgewerteten Sensorsignale führt die Steuereinheit eine Betriebsstrategie aus und regelt dementsprechend die Verstellsysteme des Anhängers. Abstandssensoren können bekannte Ultraschallsensoren oder nach ähnlichen Prinzipien funktionierende Sensoren sein.
Der Abstand kann auch über die in dem Verstellsystem integrierten Sensoren ermittelt werden. Bspw. ist es möglich über die Anzahl der Umdrehungen der Verstellspindel oder anderen Verstellantrieben auf den Abstand zwischen Fahrzeug und Anhänger zurück zu rechnen. Die Verdrehung der Spindel wird dazu durch einen eigenen Sensor erfasst oder aus den Steuersignalen des Stellmotors abgeleitet.
Der Anhänger verfügt über Bedienelemente, einen Bediengriff sowie Schalt- oder Sensorelementen zum manuellen Rangieren des Anhängers. Berühr- und Kraftsensoren im Bedien- und Griffbereich beim Rangieren werden derart ausgewertet das mit Unterstützung des vorhandenen Antriebssystems eine Entlastung des Bedieners beim manuellen Rangieren erfolgt. Ein Neigungssensor zur Erfassung der Front- oder Hecklastigkeit des einachsigen Anhängers unterstützt die Rangierfunktion. Ein solcher Anhänger ist einachsig ausgeführt und wird über geeignete Neigungssensoren über eine Steuervorrichtung balanciert und rangiert.
Eine Bedienperson kann mit Hilfe dieser Steuervorrichtung durch Neigen des Anhängers also Heben oder Senken der Deichsel am Bediengriff den Anhänger in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung steuern. Dabei erfolgt eine Ableitung des Sollwertsignals aus dem Neigungssensor oder aus einem Kraftsensor im Handgriff.
Die Kurvenbewegung erfolgt ebenso durch Auswerten der Bedienkräfte vorzugsweise an der Deichsel und dem dort vorgesehen Handgriff. Dazu werden entsprechend der Bedienkraft am Handgriff die beiden Motoren des Anhängers so angesteuert, dass entsprechend der Bedienkraft ein mehr oder weniger großer Kurvenradius gefahren wird.
Das Längenverstellsystem wird bei manuellem Rangieren auf maximale Länge gefahren um bspw. eine ergonomische Handhabe zu ermöglichen also nicht zwangsläufig eine waagrechte Deichsel.
Die für den Bediener optimale Winkellage der Deichsel – also neben der Deichsel stehend mit ausgestreckter Hand am Bediengriff – wird beim ersten Anheben der Deichsel ohne Rangieren erfasst und über die Fahrmotoren ausbalanciert. Sinken die Kräfte am Bediengriff in dieser optimalen Winkellage unter einen definierten Schwellwert, so wird der Rangiermodus frei gegeben. Erst nach dieser Freigabe führt eine weitere Kraft oder Neigungsbewegung an der Deichsel zu einem oben bereits beschriebenen Rangiervorgang.
Erfahren die am Handgriff vorhandenen Kraftsensoren über eine definierte Zeit keinen Bedieneingriff, so wird die Deichsel langsam waagrecht verfahren und nach einer weiteren definierten Zeit auf den Boden abgelegt und die aktive Regelung der Motoren zum Balancieren des Anhängers abgeschaltet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Anhänger mit Umfelderfassungssensorik wie Ultraschall-, Radar-, Laser- oder Kamerabasierte Sensoren ausgerüstet. In dieser Ausgestaltung ist ein automatisches An- und Abkuppeln als auch ein autonomes Rangieren des Anhängers vorgesehen.
Das autonome Rangieren kann auf bekannte Bereiche wie dafür vorgesehene Wechselstationen beschränkt sein.
Die Signale der Umfelderfassung werden auch im angekuppelten Zustand genutzt. Bei der zuvor beschriebenen Längenverstellung kann in einer Ausgestaltung der Bediener über eine Gestensteuerung die Position der Deichsel verstellen. Dabei wird der Verstellvorgang entsprechend dem Umfeldzustand begrenzt. Personen oder Gegenstände im Umfeld werden dabei berücksichtigt. So wird bspw. die Längenverstellung unterbrochen wenn im notwendigen Verstellbereich ein Objekt erkannt wird.
Wie zuvor beschrieben ist das Fahrzeug mit dem Anhänger elektrisch gekoppelt und der Anhänger wird über im Fahrzeug vorhandene Bedienelemente wie Gaspedal und Bremse gesteuert. Um eine hohe Auslastung der Anhänger zu erzielen sollen diese an beliebige Fahrzeuge ankoppelbar sein. Die Fahrzeuge werden dazu in einigen Details modifiziert und hinsichtlich der Schnittstellen vorbereitet. Es sind geringe Änderungen in Bereich der Verkabelung der Anhängerkupplung notwendig sowie Anpassungen in der Fahrzeugsteuerung.
Im Bereich der Anhängerkupplung des Fahrzeugs sind überwiegend schon alle notwendigen Leitungen von Versorgung bis zum CAN-Bus verfügbar. Diese können ggf. über einen nachrüstbaren Adapter oder einfache Umbauten an das oben beschriebene elektrische Koppelsystem angepasst werden.
Eine Ausrüstung oder Nachrüstung konventionell angetriebener Fahrzeuge mit diesen Schnittstellen soll zu einer verbesserter CO2 Einstufung führen, da mit dem Anhänger ein emissionsfreier Betrieb möglich ist.
Fahrzeuge die bereits über eine Start-Stopp Funktionalität verfügen sind technisch bereits hinsichtlich notwendiger Komponenten vorbereitet. Ggf. sind weitere Umrüstungen notwendig wie bspw. elektrischer Bremskraftverstärker oder E-Gas. Aus Komfortgründen ist ggf. eine Nachrüstung mit einer Standheizung möglich aber nicht zwingend erforderlich.
Bei Fahrzeugen mit Start-Stopp Funktionalität werden die Wiederstartbedingungen wegen eingeschränkter Kapazität der Fahrzeug-Batterie im Bordnetz abgeschaltet oder angepasst da eine Versorgung des Bordnetzes über den Anhänger erfolgt. Komfortbedingte Wiederstartbedingungen werden gem. gesetzlicher Vorgaben in den emissionsbegrenzten Zonen angepasst.
Systemdaten des Anhängers wie bspw. Ladezustand der Batterie, geschätzte Restreichweite, Temperaturen oder Fehlerstati können über das bereits beschriebene elektrische Koppelsystem an das Fahrzeug übertragen werden und dort in den dafür vorgesehenen Anzeige und Bediensystemen dargestellt und ggf. beeinflusst werden.
Die Umfelderfassungssysteme des Anhängers werden ergänzend zu bereits im Fahrzeug vorhanden Assistenzsystemen genutzt. So können bspw. im Anhänger ausgewertete Videosignale insbesondere den rückwärtigen Raum des Gespannes zeigende Situation als Rückfahrkamera genutzt oder in Parkassistenzfunktionen integriert werden. Die Parkassistenzfunktion des Gespannes bspw. zum automatischen rückwärts Einparken in eine Parklücke wird funktional so erweitert, dass der Anhänger das Fahrzeug automatisch in die Parklücke rangiert.
Um eine Mehrfachnutzung und hohe Auslastung des Anhängers zu erreichen sind vollautomatische Wechselstationen vorgesehen. Durch diese vollautomatischen Wechselstationen soll die die Akzeptanz bei Nutzer gesteigert werden als auch der Verkehrsfluss möglichst gering beeinflusst werden. Diese Wechselstationen befinden sich vorzugsweise an den Grenzen oder in der Nähe der emissionsbeschränkten Zonen aber auch in Parkhäusern oder ähnlichen Einrichtungen innerhalb der Zonen.
Ein- und Ausfahrt über eine Wechselstation in eine emissionsbeschränkte Zone erfolgt ähnlich wie bei einer beschrankten Zufahrt zu einem Parkhaus oder einer Autobahn Mautstation. Auf einer einfahrenden Spur hält das verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeug und der Fahrer bucht manuell oder automatisch einen Anhänger. Dieser wird dann aus einem neben der Einfahrspur befindlichen Puffer ausgefahren und kuppelt sich bspw. automatisch an das Fahrzeug. Nach Abschalten des Verbrennungsmotors wird die Weiterfahrt frei gegeben, der Fahrer gibt Gas und der Anhänger schiebt das Fahrzeug in die emissionsbeschränkte Zone.
Die Ausfahrt aus der emissionsbeschränkten Zone gestaltet sich in ähnlicher Weise wie die Einfahrt. Das durch den Anhänger geschobenen Fahrzeug hält dafür an einer vorgesehenen Stelle und gibt das Abkuppeln frei. Der Anhänger koppelt sich vollautomatisch ab und fährt in den neben der Ausfahrtspur befindlichen Puffer. Dabei wird die längenvariable Deichsel eingefahren oder hochgeklappt um den Platz im Puffer optimal zu nutzen. Nach dem Abkoppeln des Anhängers kann der Fahrer im Fahrzeug den Verbrennungsmotor starten und weiter fahren.
Der beschriebenen Einfahrt- und Ausfahrt-Puffer für die Anhänger befindet sich vorzugsweise zwischen der Einfahrt- und Ausfahrtspur. Dabei werden die Anhänger auf der einen Seite eingefahren und fahren nach dem Lade- oder Teilladevorgang wieder aus dem Puffer.
Die Pufferzone ist mit einer entsprechenden Ladeeinrichtung versehen. Der Anhängerpuffer ist derart gestaltet, dass der Anhänger über die Ladestation fährt und von unten induktiv oder konduktiv eine Ladeverbindung hergestellt wird. Nach einem prozessoptimalen Betriebsmodus werden dabei die Anhänger auf der Pufferstation vorgerückt und in der nächsten Position weiter geladen.
Ladestationen befinden sich an dafür vorgesehenen Wechselstationen im Bereich der Ein- und Ausfahrt Puffer als auch in weiteren Tagespuffern in direkter Anbindung an die Wechselstation.
Bei der Ladestation kann es sich einfach um einen rechteckförmigen liegenden Korpus handeln der genau unter die Anhänger passt. Dabei fährt der Anhänger an der schmalen Seite über dieses Ladebett, so dass alle Anhänger über dem Ladebett aufgereiht sind. Die Länge des Ladebetts wird durch die Puffergröße vorgegeben.
Das Ladebett ist derart gestaltet, das es einfach aufgestellt und transportiert werden kann. In dem Ladebett sind sämtliche Steuerungen, Schalt- und Überwachungseinrichtungen, Ladeumrichter usw. verbaut.
An seiner Oberseite des Ladebetts befinden sich die notwendigen induktiven oder konduktiven Komponenten zum Übertragen der Ladeleistung. Hilfsweise kann das an der Deichsel vorhandene Koppelsystem für das Fahrzeugbordnetz für den notwendigen Datenaustausch mit der Ladestation genutzt werden.
An der Oberfläche des Ladebetts befinden sich Gleitschienen oder Rollen um die Anhänger zu stützen wenn sie nicht im aktiven Balancierzustand sind. Dieser aktive Balanciermodus wird bei der Einfahrt in den Ladepuffer abgeschaltet und bei der Ausfahrt zum Rangieren zum Fahrzeug wieder eingeschaltet.
Das Vorrücken im Ladepuffer erfolgt automatisch über die im Anhänger vorhanden Fahrantriebe oder über ein im Ladebett vorhandenes Fördersystem.
Die Ladestation enthält eine Steuereinheit in der die lokalen Topologie- oder Geometriedaten der Umgebung abgelegt sind. Durch entsprechenden Datenaustausch mit den Anhängern können umfeldspezifische Daten wie der Lageplan, die zulässigen Fahrbereiche, zulässige Positionen der Fahrzeuge, Position von Schrankenanlagen usw. mit dem Anhänger ausgetauscht werden. Damit können die Anhänger autonom an allen Wechselstationen auf die spezifischen Randbedingungen aktualisiert werden. Die Steuereinheit der Ladestation enthält Umfeldsensoren wie bspw. eine Kamera um die Positionen der Anhänger innerhalb der Wechselstation zu überwachen.
Das Ladebett ist modular gestaltet. Es gibt Verlängerungselemente ohne zentrale Steuerung nur mit Ladeeinrichtung und passive Lagerbette ohne Ladeeinrichtung.
Die Steuerung des Ladevorgangs erfolgt nach einem intelligentem Verteilalgorithmus der Anhänger parallel oder sequentiell lädt und dabei den Lastgang der Einspeisung so berücksichtigt, dass Energiekosten minimiert und gleichzeitig die Verfügbarkeit der Anhänger sicher gestellt wird.
Neben den bis hierher offenbarten Erfindungsinhalten sind bei der Ausgestaltung der Erfindung Varianten oder sinnvolle Ergänzungen möglich:
Neben der bisher zugrunde gelegten Anhängerkupplung mit einem Kugelkopf sind prinzipiell auch andere Anhängerkuppelsystem vorzusehen. Insbesondere bei Anwendung des Erfindungsgedankens auf Nutzfahrzeuge werden die dort üblichen Anhängerkupplungen unterstützt.
Die Deichsel kann auch als Dreiecksdeichsel ausgeführt werden wobei die beiden Schenkel jeweils ein Längenverstellsystem aufweisen. Die Verstellung erfolgt im Sinne der Funktion des bereits beschriebenen einfachen Längenverstellsystems. Die mit einem doppelten Längenverstellsystem mögliche asymetrische Verstellung wird insbesondere für die Unterstützung der Knickwinkelsteuerung genutzt und bspw. für einseitiges Verstellen in Bezug auf die bereits beschriebenen Park- und Beladungsfunktion am Heck des Fahrzeuges.
In Ergänzung zu den genannten Systemen verfügt der Anhänger über eine automatische oder manuelle Klappeinrichtung für die Deichsel um beim Laden oder Lagern der Systeme Stauraum zu sparen.
Alternativ oder in Ergänzung zu den genannten Systemen zur Beeinflussung der Nickkräfte kann der Anhänger über ein weiteres automatisch verstellbares Hilfsrad oder eine zweite Hilfsachse besitzen um dynamische Kräfte abzustützen. Die Räder des Hilfssystems sind nur bei entsprechenden Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen in Kontakt mit der Straße.
Handelt es sich bei dem Anhänger um einen Zentralachsaufbau bei dem zwei Achsen hintereinander zentral in Mitte des Anhängers angeordnet sind, so kann das Fahrwerksstellsystem auch darin bestehen, dass zur Verlagerung des Schwerpunktes eine der Achsen angehoben wird.
Im Anhänger kann eine Anti-Schlupf-Regelung vorgesehen werden um witterungsbedingte Einflüsse auf die Haftkraft der Reifen im Sinne dieses bekannten Regelungsverfahrens entsprechend zu kompensieren.
Der Anhänger verfügt über eine Befestigungseinrichtung von Zusatzgewichten um gegebenenfalls die Haftkraft der Reifen zu erhöhen.
Zum Transport von mehreren Anhängern ist ein Gestell vorgesehen, auf welchem die Anhänger aufgereiht werden können und welches an passender Stelle die Befestigung von bspw. Kranseilen ermöglicht.
Die zuvor beim Ladebett vorgestellten Schienen zum Führen und Ablegen der Anhänger können so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig als Transportgestell genutzt werden können.
Ein Wechsel der Batterie über das zuvor beschriebene Komponentenverstellsystem kann optional vorgesehen werden.
Der Anhänger verfügt über verschiedene Sicherheitseinrichtung. Bspw. bremst der Anhänger automatisch bei ungewolltem Öffnen der Kupplung und die Warnblinker werden eingeschaltet. Bei Ausfall der Anhängersteuerung wenn die Batterie leer ist fällt der Anhänger im abgekuppelten Zustand auf die Deichselseite und einen dort befindlicher Dämpfer. Im angekoppelten Zustand ist das System für diesen Fehlerfall so ausgelegt, dass keine Bremsmomente entstehen. In der Fahrzeugsteuerung wird ferner die maximale Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs in einem hybriden Betrieb begrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gespanns bestehend aus einem Fahrzeug 200 von dem nur das Heck dargestellt ist und einem erfindungsgemäßen Anhänger 100 mit einem Deichselsystem 300, einem Fahrwerksverstellsystem 400 und einem Komponentenverstellsystem 500 als Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Deichselsystems 300 im Wesentlichen bestehend aus einem Kupplungssystem 310, einem Längenverstellsystem 320 einem Höhenverstellsystem 330 und einem elektrischen Koppelsystem 340 als Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer induktiven Ausführungsvariante des elektrischen Koppelsystems 340 mit 3a einem Längsschnitt und 3b einem horizontalen Schnitt;
4 eine schematische Darstellung einer induktiven Ausführungsvariant des elektrischen Koppelsystems 340 mit 3a einem Längsschnitt und 3b den gleichen Längsschnitt mit geneigter Deichsel,
5 eine schematische Darstellung eines Fahrwerkverstellsystems 400 in einem Schnitt durch den Anhänger 100 als Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung eines Komponentenverstellsystems 500 in einem Schnitt durch den Anhänger 100 als Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung einer Wechselstation 600 für Anhänger 100 als Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung einer Ladestation 700 für Anhänger 100 als Ausführungsbeispiel in Schnittdarstellung 8a und räumlicher Darstellung 8b.
Ausführungsformen der Erfindung
Das Gespann nach 1 umfasst ein vorzugsweise verbrennungsmotorisch oder hybrid angetriebenes Kraftfahrzeug 200 und den über ein Deichselsystem 300 verbundenen Anhänger 100. Der Anhänger 100 verfügt weiter über ein Fahrwerksverstellsystem 400 und ein Komponentenverstellsystem 500.
Der in der 1 dargestellte Anhänger 100 umfasst zwei Elektroantriebe 110 als Radmotoren mit integrierter Motorelektronik dargestellt welche von einem Energiespeicher 120 mit Strom versorgt werden. Anstelle der als Radmotoren dargestellten Antriebe 110 ist auch ein Antrieb mit einem einzelnen Elektromotor mit Steuerung und ein über ein Getriebe mit steuerbarere Drehmomentverteilung auf die beiden Räder möglich. 1 zeigt zur Verdeutlichung noch die Hinterräder 201 sowie die Vorwärtsfahrtrichtung 240 des Fahrzeuges 200 mit Anhänger 100.
Ferner umfasst der Anhänger 100 eine Anhängersteuerung 150 zur Steuerung der Elektroantriebe 110 und der Verstellsysteme 300, 400, 500. Die Steuerung der Funktion des Schubfahrzeugs erfolgt auf Basis der von Fahrzeugbediensystem 230 übertragenen Steuer- oder Datensignale sowie im Schubfahrzeug erfasster Sensordaten. Das Fahrzeugbediensystem 230 soll hierbei allgemein für die Fahrzeugvernetzung mit unterschiedlichen Steuergerätetopologien und Bussystemen stehen. Über das Fahrzeugbediensystem 230 erfolgt der Zugriff auf alle über Bussysteme zugängigen Fahrzeugdaten wie bspw. Gas- und Bremspedalwerte, Geschwindigkeit oder auch Schalterzustände. So werden bspw. die Sollwerte für die Antriebe 110 auf aus den im Fahrzeugbediensystem 230 generierten Gas- und Bremssollwerten abgeleitet und über die Antriebe 110 in entsprechende Schub- oder Bremskräfte des Anhängers 100 gewandelt.
In der Anhängersteuerung 150 sind ferner Verfahren zur Steuerung der Verstellsysteme 300, 400, 500 implementiert. Diese werden bei der Beschreibung der Ausführungsformen dieser Teilsysteme sowie in den Absätzen zu den Verfahren zur Steuerung und zum Betrieb der Anhänger 100, der Stellsysteme 300, 400, 500 der Wechselstation 600 sowie der Ladestation 700 erläutert.
Das Fahrzeug 200 ist über eine Anhängerkupplung 210 und ein Kupplungssystem 310 mechanisch sowie über das elektrische Koppelsystem 340 kontaktlos oder über Kontakte mit dem erfindungsgemäßen Anhänger 100 verbunden. Das Kupplungssystem 310 und das elektrische Koppelsystem 340 sind Teil des in 2 genauer dargestellten Deichselsystems 300.
Der Anhänger 100 verfügt über einen Energiewandler 160 wie bspw. einen DCDC-Wandler mit dem aus dem Energiespeicher 220 vorzugsweise eine elektrische Batterie eine Bordnetzspannung zur Versorgung des nicht dargestellten Anhängerbordnetzes sicher gestellt wird. Über das Koppelsystem 340 kann der Energiewandler 160 auch das Bordnetz und damit die Batterie 220 des Fahrzeuges 200 versorgen.
Ebenfalls in 1 dargestellt ist ein Ladegerät 140 für den Energiespeicher 120. Die Ladegerätkopplung 141 ist als induktive Empfängerspule am Boden des Anhängers 100 angedeutet. Die Ladegerätkopplung 141 des Ladegeräts 140 mit dem nicht dargestellten Versorgungsnetz kann auch über bekannte Steckverbinder erfolgen. Hierzu ggf. notwendige Datenverbindungen sind ebenfalls nicht dargestellt.
Das Deichselsystem 300 nach 2 umfasst im Wesentlichen ein Kupplungssystem 310, ein Längenverstellsystem 320, ein Höhenverstellsystem 330, ein elektrisches Koppelsystem 340 und eine Handbedieneinheit 360.
Das Kupplungssystem 310 besteht aus einem Kupplungsantrieb 311 der sich am Deichselgehäuse 350 abstützt und einem Verriegelungsprofil 312 welches durch den Kupplungsantrieb 311 an die Kugel der Anhängerkupplung 210 gedrückt wird oder von der Kugel gelöst wird. Ergänzt wird das Kupplungssystem mit einem Auflagedämpfer 313 der gleichzeitig Führungs- und Dämpfungsfunktion hat. Der Kupplungsantrieb kann bspw. aus einem Hubmagnet, einem Kurzspindelantrieb oder auch einfach aus einer durch einen Kleinmotor gedrehten Ausrückscheibe bestehen, welche so profiliert ist, dass mit der Drehung der Hub für das Verriegelungsprofil 312 erzeugt wird.
Das Längenverstellsystem 320 ist als Spindelantrieb dargestellt. Die Spindelstange 321 wird über einen Spindelmotor 322 verschoben um das Deichselgehäuse 350 zu verlängern oder zu verkürzen. Die Spindelstange stützt sich dabei über das Kupplungssystem 310 an der Kugel der Anhängerkupplung 210 ab. Andere Ausführungen des Stellaktuators bspw. über Ketten, Seile oder Zahnstangen sind möglich. Auch eine manuelle Längenverstellung über eine nicht dargestellte Einrichtung wie bspw. eine Handkurbel kann ergänzt werden.
Das Deichselgehäuse 350 enthält nicht explizit dargestellte Führungsschienen die für die Kraftübertragung zwischen Anhänger und Fahrzeug ausgelegt sind. Ebenfalls nicht dargestellt sind notwendige Konstruktionselemente die am Spindelmotor 322 entstehende Kräfte abstützen.
Die teleskopartige Ausführung des Deichselsystems 300 ist mit zwei Teleskopsegmenten dargestellt, kann aber aus mehreren Segmenten bestehen.
Das Höhenverstellsystem 330 ist ebenfalls mit Spindelantrieb dargestellt. Die Spindelstange 331 wird über einen Spindelmotor 332 verschoben um eine Stellplatte 333 die mit dem Deichselgehäuse 350 verbunden ist gegenüber der Rahmenstruktur 101 auf oder ab zu verschieben. Die Spindelstange 331 kann in einer ähnlichen Ausführung über eine Handbedienung 334 manuell verstellt werden. Andere Ausführungen des Stellaktuators bspw. über Ketten, Seile oder Zahnstangen sind möglich.
Im Folgenden wird das elektrische Koppelsystem 340 aus 2 beschrieben und weitere Ausführungen davon anhand von 3 und 4 erläutert:
Das elektrische Koppelsystem 340 ist in 2 allgemein dargestellt und besteht aus einem Fahrzeugkoppler 341, einem Anhängerkoppler 342 welche über die horizontale Verbindungsebene 343 verbunden sind. Das Koppelsystem kann auch so angeordnet werden, dass die Koppler 341 und 342 über eine vertikale Verbindungsebene gekoppelt werden.
Die Koppler sind derart an dem Anhänger 100 und dem Fahrzeug 200 befestigt, dass die Bewegungen der Deichsel ausgeglichen werden ohne die Verbindung zu unterbrechen. Der Anhängerkoppler ist dazu über ein elastisches Verbindungselement 344 mit der Spitze des Deichselgehäuses 350 verbunden oder in ihr integriert. Um die Drehbewegung auszugleichen erfolgt die Befestigung des Verbindungselementes 344 mit dem Deichselgehäuse 350 bspw. über einen Kulissenstein und eine bogenförmige Kulisse. Der Fahrzeugkoppler 341 verfügt über nicht dargestellte Führungselemente die beim Koppelvorgang entsprechende Winkeltoleranzen zulassen.
Besteht das Koppelsystem 340 bspw. fahrzeugseitig aus einer Steckdose 341 und anhängerseitig um einen zentral um den Knickwinkel bewegliche passenden Stecker 342 so ist die elektrische Verbindung bei allen zulässigen Knickwinkeln sicher gestellt ist. Der Nick- und Verdreh-Ausgleich erfolgt über die elastische Anbindung des Steckers. Durch das Ablassen der Deichsel auf die Kugel wird die elektrische Verbindung zusammen mit der Kuppelbewegung hergestellt.
Weitere Ausgestaltungen des elektrischen Koppelsystems werden später noch anhand 3 und 4 erläutert.
Das elektrische Koppelsystem 340 verbindet das Bordnetz 220 des Fahrzeuges 200 mit dem Bordnetz des Anhängers 100. Über das Koppelsystem 340 erfolgen der Austausch von Steuer- und Datensignalen zwischen Anhängersteuerung 150 und dem Fahrzeugbediensystem sowie ein Energieaustausch zwischen Bordnetz 220 des Fahrzeugs und dem Bordnetz des Anhängers 100. Das Bordnetz des Anhängers 100 wird dabei über einen Energie-Wandler 160 aus dem Energiespeicher 120 versorgt, bspw. über einen DCDC-Wandler aus einer Fahrbatterie.
Die Energieübertragung vom Energie-Wandler 160 im Anhänger 100 zu Fahrzeugbordnetz 220 erfolgt insbesondere in den Betriebszeiten in denen der Verbrennungsmotor des Fahrzeuges 200 nicht läuft.
Neben den spezifischen Daten zur Anhängersteuerung werden auch die Signale für Einrichtungen am Anhänger gemäß den gesetzlichen Vorgaben wie bspw. Beleuchtung und Bremslichter über dieses Koppelsystem übertragen
Hilfsweise kann ein nicht dargestellter Adapter zwischen elektrischem Koppelsystem 340 und der ebenfalls nicht dargestellten, standardisierten Steckdose der Anhängerkupplung genutzt werden.
Bei Ausführungsvarianten des elektrischen Koppelsystems 340 mit einer induktive Übertragung der Energie und Daten, werden der fahrzeugseitige Fahrzeugkoppler 341 und der anhängerseitige Anhängerkoppler 342 so angeordnet, dass bei allen Knickwinkeln eine Übertragung möglich ist. Der Luftspalt 343 kann dabei sowohl vertikal als auch horizontal angeordnet sein.
In der Ausführung des Koppelsystems für einen Schubanhänger ist in dem anhängerseitigen Anhängerkoppler 342 die Sendespule und in dem fahrzeugseitigen Fahrzeugkoppler 341 die Empfängerspule hinsichtlich der Energieübertragung. Damit kann in den Phasen in denen der Verbrennungsmotor des Fahrzeuges steht vom Anhänger aus das Fahrzeugbordnetz mit Energie versorgt werden.
Die vorgeschlagenen Ausführungen der Koppelsysteme ermöglichen bei entsprechender Schaltungsanordnung auch eine Energieübertragungsrichtung vom Fahrzeug zum Anhänger. In diesem speziellen Fall ist die Funktionen von 342 und 341 vertauscht. Die fahrzeugseitige Koppelspule 341 ist damit Sendespule und die anhängerseitige Koppelspule die Empfängerspule. Diese Anordnungen aus 2, 3 und 4 soll damit auch bei konventionellen Anhängern angewendet werden.
Eine induktive Ausführungsvariante des elektrischen Koppelsystems 340 ist in 3 dargestellt. Der anhängerseitige Übertrager 342 ist dabei etwa halbkreisförmig um die Spitze des Deichselgehäuses 350 angeordnet wobei die Oberfläche zum Luftspalt kugelförmig ist und der Mittelpunkt dieser Luftspaltfläche dem Mittelpunkt der Kugel der Anhängerkupplung 210 entspricht. Der fahrzeugseitige Übertrager 341 ist auf der Luftspaltseite ebenfalls Kugelförmig ausgeprägt so dass bei allen zulässigen alle Bewegungen eine ausreichende induktive Kopplung der Spulen vorhanden ist.
In vereinfachter nicht dargestellter Ausführung ist die Oberfläche zum Luftspalt mindestens zylinderförmig und die Zylinderachse dieser Luftspaltfläche gleich der Achse der zylinderförmigen Befestigung der Kugel der Anhängerkupplung.
Der fahrzeugseitige Übertrager 342 ist auf einem Träger 345 befestigt der wiederum über ein elastisches Element 346 mit der Anhängerkupplung 210 verbunden ist. Das elastische Element gleicht die beim Kuppelvorgang notwendige Ausweichbewegung des Trägers 345 aus und sorgt für eine passende Anpresskraft die den Luftspalt möglichst klein hält.
Auf der kugelförmigen Oberfläche der Koppler befinden sich nicht dargestellte Noppen die einen definierten Luftspalt erzeugen und die Reibung minimieren.
Eine weitere induktive Ausführungsvariante des elektrischen Koppelsystems 340 ist in 4 dargestellt. Die Koppelelemente sind induktive Übertrager 341, 342 wobei beide konzentrisch um die AHK angeordnet sind, magnetisch jedoch nicht die Anhängerkupplung nutzen. Beide Koppelelemente sind jeweils verdrehfest mit dem Fahrzeug oder annähernd verdrehfest mit der Deichsel verbunden. Alternative ist die Art der Befestigung vertauscht.
Der anhängerseitige Übertrager 342 hat dabei die Form eines Hohlzylinders oder Ringes dessen Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Kugel der Anhängerkupplung 210 ist. Der Übertrager 342 ist dabei so unten an der Deichsel angeordnet, dass beim Einkuppeln die Kugel der Anhängerkupplung durch den Übertrager 342 bewegt wird. Die Befestigung des Übertragers 342 an der Deichsel erfolgt über ein ringförmiges elastisches Verbindungselement 348. Wie in 4b erkennbar können durch die elastische Anbindung Nick- oder Torsionsbewegungen an dem Kugelgelenk ausgeglichen werden. Die elektrische Verbindung des anhängerseitigen Koppelelements mit dem Bordnetz des Anhängers erfolgt über eine entsprechend flexible Kabelverbindung 347.
Der fahrzeugseitige Übertrager 341 hat ebenfalls die Form eines Hohlzylinders und ist unterhalb der Kugel auf der Anhängerkupplung aufgebracht. Die Ausführung kann zwei, oder mehrteilig sein um die Montierbarkeit sicher zu stellen. Die Teilübertrager können den verschieden Übertragungssystemen – Daten oder Energie – oder auch für unterschiedliche Richtungen genutzt werden – Sender, Empfänger.
Die beiden Koppelelemente sind konstruktiv so gestaltet, dass eine reibarme Verdrehung möglich ist. Entsprechende Gleitnoppen oder -schienen reduzieren die Auflagefläche zwischen beiden Koppelelementen. Ein Anschlag verhindert das Durchrutschen des Kopplers 342 nach unten und sorgt für eine zentrische Position; Mechanische Schutzelemente an der Deichsel wie bspw. Abdeckungen schützen vor mechanischer Beschädigung. Eine Gummilippe streicht ggf. vorhandenen Schmutz beim Eintauchen von den Kopplern ab.
Die in 4 dargestellte, anhängerseitige Verbindung des Kopplers 342 über ein elastischen Verbindungselements 348 kann sinngemäß auch fahrzeugseitig erfolgen.
Im Folgenden sind weitere Elemente des Deichselsystems beschrieben:
Das Deichselsystem 300 in 2 verfügt über einen Kraftsensor 351 der die Kraft zwischen Deichselgehäuse 350 und der Stellplatte 333 erfasst. Der Sensor 351 ist derart ausgelegt und angebracht, dass Kräfte in Fahrrichtung und Nickbewegungen erzeugende Biegekräfte oder beide Kraftrichtungen erfasst werden. Die Kräfte werden durch das Anhängersteuergerät erfasst und für Steuer- und Regelalgorithmen im Anhängersteuergerät 150 genutzt.
Ferner sind am Anhängergehäuse 102 oder Rahmen 101 ein Positionssensor 352 zur Erfassung der Lage der Anhängerkupplung 210 in Bezug zum Deichselgehäuse 350 im ausgekuppelten Zustand zu erfassen. Bei dem Sensor kann es sich bspw. um eine Kamera handeln. Durch Auswertung der Position vor dem Einkuppeln kann die Deichselhöhe entsprechend verfahren werden um ein automatisches Einkuppeln zu ermöglichen. Damit kann man Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anbauhöhen der Anhängerkupplung und Unterschiedlichen Beladezuständen erfassen und beim Kuppelvorgang zwischen Fahrzeug und Anhänger berücksichtigen.
Nicht dargestellte Abstandssensoren erfassen des Abstandes zwischen Anhänger 100 und Fahrzeug 200. Beispielsweise werden die Umdrehungen des Spindelmotors des Längenverstellsystems ausgewertet und daraus die Länge der Deichsel 300 berechnet.
Die Abstandssensoren können auch Rechts und Links am äußeren Rand des Anhängers 100 angebracht werden um ergänzend den Knickwinkel zu ermitteln. Die Sensoren sind bspw. Ultraschall- oder Radar-Sensoren.
Die Handbedienung 360 besitzt in dem Handgriff 361 oder in dessen Nähe mehrere Bedienschalter 362 zum Steuern der Funktionen des Anhängers 100. In einer Ausprägung der Handbedienung sind die Bedienelemente Kraftsensoren die Bedienkräfte am Handgriff 361 erfassen und daraus im Rangierbetrieb die Steuersignale für die Antriebsmotoren 110 generiert werden.
Zwischen Deichselgehäuse 350 und der Anhängerkupplung 210 befindet sich ein Stabilisierungselement 370 welches es ermöglicht auch Drehmomente um die Kugel der Anhängerkupplung 210 zu übertragen (2). Das Stabilisierungselement bspw. ein Gummimetall hat eine geeignete Elastizität oder einen Elastizitäts-Weg-Verlauf um Deichselmomente am Fußpunkt der Deichsel die einem Heben an der Anhängerkupplung bewirken in eine Fahrrichtung wirkende Kraftkomponente erzeugen und bspw. Nickbewegungen reduziert oder bedampft.
Ein ähnliches nicht gezeichnetes Stabilisierungselement befindet sich analog dem Stabilisierungselement 370 vor der Anhängerkupplung an der Deichsel. Dadurch werden auf die Anhängerkupplung 210 senkend wirkende Drehmomente und Kräfte sinngemäß wie beim Stabilisierungselement 370 beeinflusst.
5 zeigt schematisch eine Fahrwerksverstellsystem 400 für den Anhänger 100. Die Verstelleinrichtung 410 ist als längenvariabler Dämpfer dargestellt und verbindet die Rahmenstruktur 101 des Anhängers 100 über Aufhängepunkte 411 und die Achse 412 mit dem als Radmotor dargestellten Antriebsrad 110. Die Verstelleinrichtung 410 wird durch eine Fahrwerkssteuereinrichtung 440 angesteuert. Die Fahrwerkssteuereinrichtung 440 umfasst bspw. ein pneumatisches System zum Erzeugen der notwendigen Stellkräfte des gezeigten variablen Dämpfers. Die Fahrwerkssteuereinrichtung 440 wird von der Anhängersteuerung 150 angesteuert oder kann als Teil der der Anhängersteuerung 150 realisiert werden.
Die Verstelleinrichtung 410 ist so angeordnet, dass der Schwerpunkt 103 des Anhängers 100 gegenüber dem Rad-Auflagepunkt 104 verschoben werden kann. Dabei ist eine Höhenverstellung 431 und eine Vor-Zurück-Verstellung 430 oder eine Kombination von beiden möglich.
In anderen Ausführungsformen können auch die Aufhängepunkte 411 durch bspw. ein elektrisches Stellglied verschoben werden. Damit ist sinngemäß eine Verschiebung des Schwerpunktes des Anhängers möglich.
Verfahren zum Steuern des Fahrwerksverstellsystems 400 werden an anderer Stelle in diesem Dokument beschrieben.
In 4 zeigt schematisch eine Komponentenverstellsystem 500 für den Anhänger 100. Das Komponentenverstellsystem 500 ist so strukturiert, dass der Schwerpunkt 103 des Anhängers 100 gegenüber dem Rad-Auflagepunkt 104 verschoben werden kann. Dabei ist eine Höhenverstellung 541 und eine Vor-Zurück-Verstellung 540 oder eine Kombination von beiden möglich.
Auf einem Komponententräger 520 sind die schweren Komponenten wie bspw. die Batterie montiert wobei der Komponententräger im Anhänger 100 bewegt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Komponententräger 520 über Aufhängepunkte 512, eine Aufhängung 511 und Rahmen-Aufhängepunkte 510 pendelnd an der Rahmenstruktur 101 des Anhängers angeordnet ist. Die Verstelleinrichtung 530 verbindet die Rahmenstruktur 101 mit dem Komponententräger 520 und kann den Komponententräger 520 verschieben. Die Verstelleinrichtung 530 ist bspw. ein elektrischer oder pneumatischer Stellzylinder.
Verfahren zum Steuern des Komponentenverstellsystems 500 werden an anderer Stelle in diesem Dokument beschrieben.
Der schnelle Wechsel der Anhänger 100 erfordert eine Wechselstation 600 mit entsprechender Infrastruktur. In 7 ist eine mögliche Konfiguration einer solchen Wechselstation 600 dargestellt. Die Wechselstationen 600 sind an den Rändern oder innerhalb der Emissions- oder Einfahrbeschränkten Zonen wie bspw. im Bereich einer Straße, einem Parkhaus aufgebaut. In 7 ist der Straßenbereich ist durch die Ränder 610 angedeutet. In einfahrender Richtung 642 steht ein einfahrendes Fahrzeug 602 an einer Einfahrschranke 652 der beschränkten Zone. In ausfahrender Richtung 641 steht ein ausfahrendes Fahrzeug 601 an einer Ausfahrschranke 651 der beschränkten Zone.
Zwischen Ein- und Ausfahrbahn 642, 641 befindet sich ein Puffer 620 für die Anhänger 100. Abgekoppelte Anhänger 100 von ausfahrenden Fahrzeugen 601 die vorzugsweise noch einen hohen Ladezustand haben, werden in den Puffer 620 gemäß Pfeil 642 eingeparkt wobei beim Einfahrvorgang das Deichselsystem 300 so verstellt wird, dass die Länge des Anhängers minimiert wird. Einfahrende Fahrzeuge 602 erhalten die angeforderten Anhänger durch ausparken aus dem Puffer 620 gemäß dargestelltem Pfeil 644.
Zusätzlich zu dem Puffer 620 gibt es einen Tagespuffer 630 in den die Anhänger vorzugsweise bei niedrigem Ladezustand der Batterie oder vollem Puffer 620 geparkt werden. Das Ausparken und koppeln an Fahrzeuge 602 erfolgt analog. Die Position des Tagespuffers wird individuell an die örtlichen Gegebenheiten angepasst.
Die Steuerung der Wechselstation erfolgt über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung die mit allen Anhängern 100 kommuniziert und Wechselstationsspezifische Daten mit den Anhängern austauscht um ein autonomes Rangieren zu ermöglichen. Über diese Steuereinrichtung erfolgt auch die Abrechnung mit dem Fahrzeugnutzer, über bekannte Bezahl- und Abrechnungsverfahren an Schrankenanlagen wie bspw. in Parkhäusern üblich.
Die Puffer 620 und 630 können ganz oder teilweise als Ladestation 700 wie in 8. dargestellt ausgeführt sein.
Die in 8a als Schnitt und 8b räumlich skizzierte Ladestation 700 für Anhänger 100 ist so aufgebaut, dass die Anhänger 100 über ein Ladebett 730 rangiert werden können. Die Länge des Ladebetts 730 bestimmt die Anzahl der Anhänger 100 die hiermit geladen werden können.
An der Oberseite der Ladebetts 730 sind Ladekoppler 712 angebracht über die die Energieübertragung zu den Anhängern 100 erfolgt Dazu sind im Bodenbereich des Anhängers 100 anhängerseitigen Ladekopplern 711 verbaut.
In 8 sind die Ladekoppler 711, 712 flächig als induktives Ladesystem dargestellt. Alternativ kann auch ein automatisch koppelbares, leitungsgebundenes Koppelsystem zum Laden vorgesehen werden.
Die Ladestation 700 kann aus mehreren Ladebetten 730 bestehen die je nach Anforderung angereiht werden können.
Das Ladebett 730 verfügt beidseitig an ihrer Oberseite und/oder an den Seiten über Führungselemente 720 bspw. Gleit- oder Rollenschiene mit der die Anhänger 100 beim Laden in Balance gehalten werden. Das Führungselement 720 oder das Ladebett 730 kann so ausgeprägt sein, dass es die Anhänger über die Ladestation rangiert. Hierzu wird ein nicht dargestelltes Fördersystem eingesetzt.
Die Führungselemente 720 sind von dem Ladebett 730 trennbar und mit nicht dargestellten Halterungen für eine Kraneinrichtung versehen. Alle auf dem Ladebett 730 positionierten Anhänger 100 können damit über einen Kran bspw. auf eine dafür vorgesehene Transporteinrichtung wie einen LKW verladen werden und zwischen verschieden Wechselstationen 600 bedarfsgesteuert ausgetauscht werden.
Zu den bis hier beschriebenen Ausführungsformen und Steuerverfahren werden im Folgenden weitere Verfahren zur Steuerung und zum Betrieb der Anhänger 100, der Stellsysteme 300, 400, 500 der Wechselstation 600 sowie der Ladestation 700 genauer ausgeführt und/oder ergänzt:
Der erfindungsgemäße Anhänger 100 wird von dem Fahrzeug 200 nur in Stadtgebieten mit einer begrenzten maximal zulässigen Geschwindigkeit mitgeführt, insbesondere in Bereichen der Emissionsbeschränkungen und deren Einfahrgebiete. In nicht Emissionsbeschränkten Einfahrgebieten ist ein Hybrid Modus möglich, also ein gemeinsamer Betrieb von Verbrennungsmotor im Fahrzeug und Elektromotor im Anhänger. So könnte bspw. nach einer Überlandfahrt bei Erreichen einer Stadt mit einer Null-Emissionszone ein solcher Anhänger 100 bei einem Betreiber an dafür vorgesehenen Einfahrbereichen gemietet und mit dem Fahrzeug 200 gekoppelt werden.
Der Einkuppelvorgang kann manuell oder automatisch erfolgen. In einer Ausführungsvariante wird dabei zuerst das Höhenverstellsystem 330 nach oben gefahren und mit Unterstützung der Fahrmotoren 110 das Kupplungssystem 310 über der Anhängerkupplung 210 positioniert. Dann wird die Deichsel 350 durch eine Wippbewegung oder das Herabfahren des Höhenverstellsystems 330 die Verbindung an unterschiedliche Positionen der Anhängerkupplung des Fahrzeuges angepasst. Die Kupplung 310 wir dann manuell oder automatisch geschlossen. Für die manuelle Bedienung des gesamten Kupplungsvorgangs sind Schalter oder Kraftsensoren 362 am Handgriff 362 vorgesehen.
In einem vollautomatischen Koppelvorgang erfasst eine geeignetes Sensorsystem 352 wie bspw. eine Kamera, die relative Position zwischen Kupplungssystem 310 des Anhängers 100 und Anhängerkupplung 210 des Fahrzeuges 200 und steuert den Anhänger 100 in geeigneter Weise beim Kuppelvorgang über die Deichselverstellsysteme 310, 320, 330 und die Fahrmotoren 110.
Bei Beschleunigungsvorgängen wird der Schwerpunkt 103 des Anhängers über die Verstellsysteme 320, 330, 400 und 500 so verlagert, das die Schubkraft maximiert und andere Nickbewegungen verursachende Kräfte minimiert werden. Dabei können einzelne Stellsystem oder beliebige Kombinationen der verschiedenen Stellsysteme zur Steuerung genutzt werden. Hierzu werden bspw. die Länge der Deichsel über das Längenstellsystem 320 vergrößert, der Komponententräger 520 im das Komponentenstellsystem 500 nach vorne bewegt, oder der Radauflagepunkt 104 über das Fahrwerkstellsystem nach hinten geschoben.
Bei Bremsvorgängen wird der Schwerpunkt 103 des Anhängers über die Verstellsysteme 320, 330, 400 und 500 so verlagert, das die Bremskraft des Anhängers 100 maximiert und andere Nickbewegungen verursachende Kräfte minimiert werden. Die Steuerung der Verstellsysteme 320, 330, 400 und 500 erfolgt sinngemäß wie beim Beschleunigungsvorgang über einzelne oder alle Stellsysteme.
Die Verstellsysteme 320, 330, 400 und 500 haben jeweils eigene der Gesamtregelung unterlagerte Lage-Regler. Die Sollwerte für diese Regler werden aus einem Gespann-Modell ermittelt in dem sämtliche Kraftvektoren aus Geometriedaten und den Fahrdynamikkräften ermittelt werden. Fehlende Geometriedaten des Fahrzeugs werden mit einem typischen Defaultwert belegt und adaptiv über das über die Sensorsysteme erfasste Verhalten korrigiert.
Das Deichselverstellsystem 300 insbesondere das Längenverstellsystem 320 wird dynamisch genutzt um die Gespannlänge bzw. die Anhängerlänge der Fahrsituation anzupassen. Bei Geradeausfahrt, insbesondere bei geringer Fahrzeugbeschleunigung oder Bremsung wird das Längenverstellsystem verkürzt wodurch die Gespannlänge reduziert wird. Hierdurch wird der insgesamt notwendige Verkehrsraum durch den Anhänger weniger stark erhöht.
Die Verkürzung der Deichsel über das Längenverstellsystem 320 erfolgt auch im Fahrzeugstillstand oder beim Parken. Hiermit ist eine Nutzung üblicher Parkplätze möglich.
In Kurvenfahrten wird das Deichselsystem 300 verlängert um einseitig den notwendigen Abstand zwischen Fahrzeug 200 und Anhänger 100 einzustellen.
Ferner kann ein solcher Anhänger 100 gemäß 1 oder 2 über die Steuervorrichtung 150 so angesteuert werden, dass auch im gekoppelten Zustand ein Rangieren des Anhängers durch Verstellen der Deichselstellsysteme möglich ist. Mit Hilfe der von am Handgriff 361 integrierter Schalter 362 oder Kraftsensoren, oder bspw. einer Gestenerkennung über das Sensorsystem 352 kann eine Bedienperson den Anhänger 100 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegen, so dass der Abstand bspw. an Beladesituationen des Kofferraums, üblicherweise am Heck des Fahrzeuges, angepasst wird und die Bedienperson ausreichend Platz zum Be- und Entladen hat. Der Abstand wird vorzugsweise über das Längenverstellsystem 320 eingestellt.
Schließlich kann über die Anhängersteuerung 150 der Anhänger vollautomatisch an- und abgekoppelt werden, sowie autonom in dafür vorgesehene Lade- und Parkpositionen rangieren. Dazu verfügt der Anhänger über alle notwendigen Umfeldsensoren wie bspw. Kamera, Radar. der Anhänger ist interagiert mit einer dafür vorgesehenen Infrastruktur an entsprechenden Koppelstationen.
Ein automatischer Ankoppelvorgang von Anhänger an Fahrzeug umfasst bspw. die Sequenz: Fahreranforderung Anhänger, Anhängerauswahl durch Wechselstationsteuerung, Ladezustand Batterie prüfen, Datenprüfung Topologie Wechselstation prüfen und ggf. update, Positionserfassung Fahrzeug in Wechselstation durch Wechselstationsteuerung, Wegberechnung von Ladestation zu Fahrzeug, Höhenverstellsystem nach oben, Rangieren Anhänger hinter Fahrzeug, Positionserfassung Anhängerkupplung mit Anhängersensor, Feinpositionierung über Anhängersteuerung, Absenken Höhenverstellsystem oder Wippvorgang der Deichsel über Kugelkopf, Schließen Kupplungssystem mechanisch und elektrisch, Deichsel auf max Länge, Freigabe für Fahrer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010062979 A1 [0002]
DE 19905676 B4 [0003]
DE 202009010272 U1 [0004]
DE 10347561 B3 [0005]
DE 202010014316 U1 [0006]
DE 19901953 [0067]

Claims

Anhänger 100, sowie Einrichtungen zum Betrieb des Anhängers, für ein Fahrzeug 200, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug welches über konventionelle verbrennungsmotorische oder hybride Antriebseinheit angetrieben wird, wobei das Fahrzeug 200 und der Anhänger 100 mechanisch und elektrisch mit dem Fahrzeug 200 verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 über einer elektrischen Antriebseinheit 110 sowie einem Energiespeicher 120 für den Betrieb der Antriebseinheit 110 sowie mindestens ein Verstellsystem zur Anpassung der Geometrie oder der Schwerpunktlage des Anhängers verfügt.
Anhänger 100 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 ein Deichselsystem 300 mit, einem Längenverstellsystem 320 zur Verstellung der Deichsellänge aufweist und/oder einem Höhenverstellsystem 330 zur Verstellung der Deichselhöhe aufweist.
Anhänger 100 nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 ein Fahrwerksstellsystem 400, mit einem Stellglied 410 zur Verstellung der Position des Rades 110 in Bezug auf den Rahmen des Anhängers 101 aufweist.
Anhänger 100 nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 ein Komponentenverstellsystem 500 mit einem Stellglied 530 zwischen Anhängerrahmen 101 und schwerpunktprägende Komponenten im Komponententräger 520 zur Verstellung der Position des Schwerpunktes 103 des Anhängers 100 aufweist.
Anhänger 100 nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 einachsig ausgeführt ist und über die elektrische Antriebseinheit 110 bzw. mit einem oder mehreren der Verstellsysteme 300, 400, 500 im abgekoppelten Zustand balanciert wird.
Verfahren zur Steuerung der Verstellsysteme 300, 400, 500 nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Beschleunigungs- und Bremsmomenten des Fahrantriebs 110 sowie erfassten Bewegungs- und Zustandsgrößen des Gespannes die Verstellsysteme derart angesteuert werden, dass an der Anhängerkupplung 210 des Fahrzeugs 200 die in Fahrtrichtung wirkenden Schubkräfte oder Bremskräfte maximiert werden und in vertikaler und Quer-Richtung wirkende Kräfte beeinflusst bzw. reduziert werden.
Verfahren zur Steuerung des Längenverstellsystems 320 nach Anspruch 1, 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Deichsel fahrsituationsabhängig angepasst wird. Insbesondere bei konstanter Fahrgeschwindigkeit und bei Fahrzeugstillstand Stillstand ist die Deichsel kurz, bei Beschleunig und Bremsen ist die Deichsel lang, wobei bei Kurvenfahrt die minimale Länge der Deichsel entsprechend dem Kurvenradius angepasst wird.
Verfahren zur Steuerung des Längenverstellsystems 320 nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im eingekuppelten Zustand des Anhängers 100 an das Fahrzeug 200 in Parkstellung die Deichsellänge kurz ist um den Parkraumbedarf zu minimieren und über einen manuellen Bedieneingriff eines Nutzers oder des Fahrers beim notwendigen Zugang zum Heck des Fahrzeuges 200 die Deichsellänge des Anhängers über das Längenverstellsystem 320 verlängert wird und nach Nutzung wieder verkürzt wird.
Verfahren zur Steuerung des Höhenverstellsystems 330 nach Anspruch 1, 2, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied zwischen der Anhängerkupplung 210 des Fahrzeuges 200 und der Höhe des Kupplungssystems 310 über einen Sensor erfasst wird und die Höhe der Deichsel beim Kuppelvorgang über das Höhenverstellsystem 330 angepasst wird.
Verfahren zum Betreiben einer Wechselstation 600 für Anhänger 100 nach vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass Fahrzeuge mit einem Anhänger an einer dafür vorgesehenen Stelle in der Wechselstation halten, der Anhänger nach Freigabe durch eine zentrale Steuerung automatisch vom Fahrzeug abkuppelt, in einen Puffer rangiert und dort geladen und ggf. gelagert wird und dass Fahrzeuge ohne Anhänger an einer dafür vorgesehenen Stelle in der Wechselstation halten, ein Anhänger nach Freigabe durch eine zentrale Steuerung aus dem Puffer hin das Fahrzeug rangiert, automatisch einkuppelt und über die zentrale Steuerung die Weiterfahrt für das Fahrzeug frei gegeben wird.
Einrichtung zum Betrieb des Anhängers 100 insbesondere eine Ladestation 700 nach Anspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation 700 ein Ladebett 730 hat über welches ein oder mehrere Anhänger rangiert werden, an der Oberfläche Koppelelemente 712 angeordnet sind die in Verbindung mit den Koppelelementen 711 im Anhänger eine Energieübertragung zum Laden des Energiespeichers im Anhänger 100 ermöglichen.
Anhänger 100 sowie Fahrzeug 200, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug, wobei das Fahrzeug 200 und der Anhänger 100 mechanisch und elektrisch mit dem Fahrzeug 200 verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Kuppelsystem 310 und das elektrische Koppelsystem 340 so integriert werden, dass Nick- oder Torsionsbewegungen der Deichsel über eine elastischen Verbindung des elektrischen Koppelsystems 340 an Fahrzeug oder Deichsel ausgeglichen werden und die Knickbewegungen der Deichsel bei induktiven elektrischen Koppelsystemen durch kreissegmentförmige, zylindersegmentförmige oder kugelsegmentförmige Übertragungsflächen und bei konduktiven elektrischen Koppelsystemen durch eine verschiebbare Befestigung eines Koppelelements an einer kreisbogenförmigen oder kugelsegmentförmigen Befestigungsflächen ausgeglichen werden.
Anhänger 100 sowie Fahrzeug 200, nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Verbindens von Anhänger 100 und Fahrzeug 200 gleichzeitig oder sequentiell die mechanische Kupplung und elektrische Kopplung erfolgen.
Anhänger 100 für ein Fahrzeug 200, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug welches über konventionelle verbrennungsmotorische oder hybride Antriebseinheit angetrieben wird, wobei das Fahrzeug 200 und der Anhänger 100 mechanisch und elektrisch mit dem Fahrzeug 200 verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger 100 einen Energiewandler 160 und einem Energiespeicher 120 hat und damit über das elektrischen Koppelsystem 340 das Bordnetz des Fahrzeuges versorgt werden kann.