DE102014006960A1

DE102014006960A1 - Selbstfahrendes Energieversorgungsgerät; Energie-Servant

Info

Publication number: DE102014006960A1
Application number: DE102014006960.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Reiner Lang; Susanne Jordan-Lang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstfahrende Vorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie für einen an einer Abgabeposition angeordneten elektrischen Energieempfänger. Bekannte Anordnungen zur Übertragung elektrischer Energie verwenden Kabel oder induktionsbasierte Systeme, wobei als Vermittler zwischen Energieabgabe- und Energieaufnahmestelle fest zugeordnete Spannungs- und Stromwandler eingesetzt werden. Die neue Vorrichtung stellt auf Anforderung des Energieempfängers selbständig und selbstfahrend die elektrische Energie in der gegenwärtig geforderten Spannungs- und Stromform an der Abgabestelle bereit, ohne zusätzlichen Eingriff durch den Benutzer. Die selbstfahrende Vorrichtung (100) besteht aus einer Antriebseinheit (1), elektrischen Speicherelementen (20, 21) und Schächten (80) zur Aufnahme von Lademodulen (81). Die Lademodule (81) dienen der Bereitstellung der gewünschten Spannungs- und Stromform für die Versorgung der Empfänger. Eine Kommunikationseinheit (71) ist in der Lage mittels Antenne (72) Informationen mit den Energieempfängern auszutauschen. Die in der Vorrichtung eingebauten Steuergeräte (50, 60, 70) ermöglichen es mittels Messwertaufnehmern (61) die Vorrichtung selbständig fahrend an den Einsatzort zu leiten, und die Energieabgabe einzuleiten. Die Vorrichtung eignet sich für die Versorgung akkubasierter Energieempfänger unter Vermeidung eines unzureichenden Ladezustands, während, vor und nach deren Benutzung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungsgerät welches selbstfahrend elektrische Energie von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort transportiert. Die Energie wird dabei am ersten Ort aufgenommen, in den Energieversorgungsgerät mit geeigneten Mitteln gespeichert, und am Abgabeort in geeigneter Form wieder abgegeben. Das Gerät arbeitet mit einer selbständigen Antriebseinheit und mit auswählbaren Steuer- und Regelalgorithmen und Kommunikationseinheiten um den Fahrweg zu bestimmen und die beschriebenen Funktionen zu erfüllen.
Stand der Technik
Akkubetriebene Geräte in Industrie, Handwerk und Haushalt erfordern eine regelmäßige Nachladung um funktionsfähig zu bleiben. In diesem Sinne gehören auch elektrisch betriebene Fahrzeuge zu den akkubetriebenen Geräten.
Allgemein werden diese Geräte, als elektrische Verbraucher genannt, mit einem Ladegerät geladen. Das Ladegerät befindet sich dazu an einem festgelegten Ort, verbunden über ein kurzes Kabel mit einer Netz-Steckdose. Dazu müssen die Geräte an diesen Ort gebracht werden. Die Geräte als Energie-Empfänger sind als mobil anzusehen, z. B. tragbar, die Energiesender jedoch als immobil, fest installiert.
Als weitere bekannte Lösung zur Ladung von akkubetriebenen Verbrauchern kann elektrische Energie über größere Übertragungsstrecken durch lange Verlängerungskabel transportiert werden, entwerten aber die Verwendung dieser akkubasierten, als „kabellos” ausgewiesenen, Geräten.
Um einen mobilen Empfänger mit Energie zu versorgen, hat Nicola Tesla bereits Verfahren beschreiben um elektrische Energie von einem Sender zu einem mehrere Kilometern entfernten Empfänger zu übertragen (z. B. US 787412 A [1]). Diese Verfahren haben sich aber aus Grund hoher Sendeleistung, hoher Strahlungsbelastung und geringer Wirtschaftlichkeit nicht durchgesetzt.
Neue Verfahren zur Energieübertragung, genannt Magnetresonanz, sind in der Lage Energie über mehrere Meter vom Sender zum Empfänger zu übertragen. Diese Verfahren sind theoretisch gut beschrieben. Aufgrund der gesetzlichen Anforderungen darf die Energiedichte der magnetischen Felder nur sehr gering sein, was Sende- und Empfängerspulen notwendig macht, die einen Durchmesser von mehreren Dezimetern haben. Der Einbau dieser Spulen in akkubetriebene Geräte ist dadurch stark eingeschränkt.
Herkömmliche induktive Verfahren zur Energieübertragung kommen für Übertragungsdistanzen von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern in Frage. Für Übertragungen über mehrerer Meter Distanz sind diese Verfahren ungünstig wegen groß dimensionierten Induktionsspulen mit ähnlichen Durchmessern von mehreren Dezimetern. Diese Systeme erfordern zusätzlich die Beherrschung der Grenzwerte für elektromagnetische Feldstärken für diese großen Strecken.
Selbstfahrende Geräte welche bestimmte konstruktionsbedingte Arbeiten übernehmen können sind zum Beispiel in Form von Akku-Rasenmähern oder auch Akku-Staubsaugern bekannt.
Diese nehmen in einigen Ausführungen selbstständig elektrische Energie an fest Installierten Stromquellen zum Beispiel Ladestationen auf. Diese Energie wird ausschließlich zum Eigenbedarf des Geräts zur Erfüllung seiner Aufgabe, wie beispielsweise das Rasenmähen oder das Staubsaugen, benutzt.
Mobile Transportgeräte welche beispielsweise selbständig Teile an ein Fertigungsband liefern, sind stellvertretend aus der Automobilindustrie bekannt. Diese Geräte bewegen sich oft auf einem durch Schienen festgelegten Fahrweg. Die Energieversorgung erfolgt dabei durch elektrische Kontakte des Geräts die mit der Schiene elektrisch verbunden sind. Drahtlose Energieübertragungseinrichtung sind für solche Transportgeräte ebenfalls bekannt. Die Sendespulen sind dabei in den Boden eingelassen. Zur Energieaufnahme mittels Empfängerspulen muß das Transportgerät wiederum einen fest vorgegebenen Fahrweg einhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgenannten Probleme und Einschränkungen in der Verwendung und der Betriebsweise herkömmlicher bestehender Lösungen werden durch die erfindungsgemäßen Merkmale der Ansprüche 1–17 behoben. Ein Wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, daß der Nutzer die Arbeit nicht oder nur sehr kurz unterbrechen muß, wenn er ein mobiles Arbeitsgerät mit Energie versorgt möchte. Seinen Arbeitsort muss er im Gegensatz zu den herkömmlichen Ladeweisen nicht verlassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer gängigen Ausführungsform zusätzlich die Energieüberwachung des mobilen Arbeitsgerätes übernehmen.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung für Energieversorgung von elektrisch betriebenen Geräten im Entfernungsbereich zwischen Energiesender und -empfänger von einigen Metern bis zu einigen 100 Metern zur Verfügung. Die im Vorschlag enthaltenen Ausführungsformen stellen das Bindeglied zwischen kabellosen Energieübertragungssystemen und herkömmlicher leitungsgebundener Energieübertragung im Entfernungsbereichen von einigen Metern bis zu einigen 100 Metern dar.
Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welches elektrische Energie aufnimmt, mittels einer Selbstfahreinheit über einen großen Aktionsradius von bis zu mehreren hundert Metern transportiert, und anschließend an einen elektrischen Verbraucher abgibt.
Die Energieabgabe kann direkt an das Arbeitsgerät, beispielsweise zum Betrieb eines Elektromotors verwendet werden, oder indirekt zur Versorgung des Akkumulators des elektrischen Verbrauchers dienen.
Die Abgabeposition der Energie ist dabei nicht identisch mit der Aufnahmeposition, diese Positionen können beispielsweise mehrere hundert Meter voneinander entfernt sein. Die Energieabgabeeinheit und die Energieaufnahmeeinheit sind dabei in der Vorrichtung in geeigneter Form elektrisch miteinander verbunden. Weiter verfügt die Vorrichtung über Anzeige und Bedienelemente welches dem Nutzer die Befehlseingabe ermöglicht und Rückmeldungen der Vorrichtung bereitstellt. Diese Ein- und Ausgaben sind Vorzugsweise über Sprache mittels Mikrofonen und Lautsprecher möglich. Zusätzlich sind auch haptische Eingabemöglichkeiten (beispielsweise über eine Tastatur, oder einen Touchscreen) vorgesehen. Wahlweise erfolgt die Systemrückmeldung zusätzlich durch optische Anzeigen.
Anforderungen an die Vorrichtung und Betriebszustände der Vorrichtung werden mittels internen Steuereinheiten verarbeitet.
In der Vorrichtung enthaltene Kommunikationseinrichtungen sind in der Lage Verbindungen mit externen Energieabgabeeinheiten und externen Energieaufnahmeeinheiten herzustellen. Die Steuereinheit ist aufgrund von Kommunikation mit der Abgabestelle in der Lage die Antriebseinrichtung der Vorrichtung so zu steuern, daß sie sich zielgerichtet zur Abgabeposition fortbewegt. Die dafür notwendigen Steuerfunktionen können in der Vorrichtung auf mehrere physikalisch getrennte Steuergeräte verteilt sein, welche miteinander drahtlos oder drahtgebunden über interne Kommunikationspfade kommunizieren. Der elektrische Verbraucher sendet beispielsweise ihre Position und einen Befehl zur Energieversorgung. Dabei gibt sie wahlweise auch ihren augenblicklichen Ladezustand und weitere elektrische Größen beispielsweise Strom- und Spannungsinformationen an. Diese Anforderungen werden in der Vorrichtung verarbeitet und die Antriebseinheit bewegt das Energieversorgungsgerät zur Abgabeposition. Die externe Spannungsquelle sendet beispielsweise ein Signal welches ihre geographische Position angibt, und welche von der Vorrichtung empfangen wird, damit das Energieversorgungsgerät im Bedarfsfall an diese Position zurückfahren kann. Weitere zusätzliche Signale können vom Energieversorgungsgerät empfangen werden und es können Informationen an mehrere zu einem Verbund gehörende elektrische Verbraucher gesendet werden.
Die Energieabgabeeinheit ist so gestaltet, daß sie ein oder mehrere Schächte für Energieabgabemodule besitzt, welche so konfiguriert werden können, daß sie unterschiedliche Spannungslagen, Spannungsformen und/oder Stromformen bereitstellen können. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen diese Module die Fähigkeit mittels Algorithmus oder Kommunikation eine automatische Erkennung des angeschlossenen Verbrauchers vorzunehmen, und anschließend die genannten elektrischen Größen für die Energieabgabe einzustellen. In der Praxis können dadurch Ladegeräte für Verbraucher eingespart werden, da nicht jeder unterschiedliche elektrische Verbraucher zwangsläufig mit einem speziellen Ladegerät ausgestattet werden muß.
Weiter ist die Energieaufnahmeeinheit so gestaltet, daß sie einen oder mehrere interne elektrochemischen Energiespeicher (Akkumulator) und/oder einen oder mehrere elektrochemischen Energiespeicher (Kondensator) besitzt. Es ist eine Eigenschaft dieser Energiespeicher daß der Speicherinhalt zusätzlich oder hauptsächlich zur einer vorgegebenen Trennung durch Umhüllungen auch virtuell unterteilt bzw. zugeordnet werden kann. Damit ist es leicht möglich die gespeicherte Energie für verschiedene Funktionen einteilen oder reservieren zu können. So wird in einer Ausführungsform ein Teil des elektrischen Speichers der Antriebsfunktion zugeteilt, ein zweiter Teil der Energieabgabefunktion. Diese Zuteilung lässt sich mittels in die Steuerung vorgesehenen Softwarefunktionen bedarfsgerecht verändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Energieaufnahmeeinheit auch durch einsteckbare Zusatzspeicher in ihrer Speicherfähigkeit erweitert werden.
Die Vorrichtung enthält Kommunikationseinheiten um Daten mit dem elektrischen Verbraucher und der externen Spannungsquelle, beispielsweise als Netzversorgungseinheit ausgeführt, mittels eines Übertragungsprotokolls auszutauschen. Diese Protokolle sind wahlweise als Wifi, UMTS, LTE, Bluetooth, NFC, WLAN-Protokolle ausgeführt. Die Kommunikationsdaten beinhalten beispielsweise einen Ladeauftrag des elektrischen Verbrauchers und/oder eine Übermittlung des aktuellen Ladezustands.
In einer der bevorzugten Ausführungsformen weist die Antriebseinheit einen oder mehrere elektrische Motoren auf. Diese Motoren sind mit einer Energieabgabeeinheit verbunden, welche die Motoren über einen Steuereinheit mit elektrischer Energie versorgt. Es versteht sich von selbst, dass durch unterschiedliche Ansteuerung der Motoren die Bewegungsrichtung der selbstfahrenden Energieversorgungsgeräts vorgegeben werden kann.
In alternativen Ausführungsformen ist das Energieversorgungsgerät so gestaltet, daß es eine Energieaufnahmeeinrichtung zum drahtlosen und/oder drahtgebundenen Übertragung zwischen externen Spannungsquelle und der Energieaufnahmeeinheit aufweist. Für die drahtlose Energieübertragung sind zusätzliche Induktionsspulen in der Vorrichtung und weitere elektronische Bausteine vorhanden.
In einer Weiterführung der Erfindung erfolgt die Energieabgabe durch die Energieabgabeeinheit wahlweise ebenfalls drahtgebunden und/oder drahtlos.
Die Vorrichtung ist so gestaltet, daß sie ein Navigationseinheit aufweist. Diese bestimmt auf Basis der momentanen Position der Vorrichtung den Fahrweg zur Aufnahmeposition und/oder zur Abgabeposition und stellt den Fahrweg für die Steuereinheit zur Verfügung stellen. Die Verbraucher können über diese Navigationseinheit ebenso lokalisiert werden. In der bevorzugten Anordnung findet dafür ein GPS-basiertes oder vergleichbares System Verwendung.
In einer gängigen Ausführungsform ist das selbstfahrende Energieversorgungsgerät mittels einer oder mehrerer Messwertaufnehmer zur Erkennung von Hindernissen ausgestattet. Diese können durch gängige Verfahren, RADAR, LIDAR, Infrarot, Ultraschall erfasst werden. Durch eine geeignete Signalverarbeitung kann die Steuereinheit bei der Erkennung Hindemissen eine Fahrwegsänderung einleiten.
In einer weiteren Ausführungsform sind wahlweise Scheinwerfer schaltbar, welche durch Reflexion die lichtoptische Erfassung von Hindernissen zulassen und/oder interne Videokameras in der Objekterkennung unterstützen können.
In einer weiteren Ausführungsform wir das Versorgungsgerät befähigt, eine elektrische Türöffnung vorzunehmen. Es ist naheliegend, dass dazu ein Lemalgorithmus, welcher im Gerät vorgehalten wird, aktiviert werden kann.
Ein Hauptmerkmal der Steuereinheit ist, dass sie in der Lage ist eine Liste der Abgabepositionen aufgrund bestimmter Merkmale zu treffen. Durch Erfassung des Ladezustands der Verbraucher kann beispielsweise eine Vorzugsliste erstellt werden, bei welcher der Verbraucher mit dem geringsten verbleibenden Speicherinhalt zuerst vom Energieversorgungsgerät angefahren wird. Ein alternatives oder zusätzliches Merkmal kann die Entfernung der Vorrichtung zur Abgabeposition oder eine zuvor festgelegte Priorität des Verbrauchers sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Sitzmöglichkeit für den Nutzer ausgestattet. In einer weiteren Ausführung lässt sich die Sitzmöglichkeit heizen und/oder kühlen und/oder klimatisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Schnittbild des Energie-Servants mit den Ausstattungsmerkmalen. Elektrische Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Funktionselementen sind nicht gezeigt.
2 zeigt eine typische Konfiguration des Servants mit angeschlossenen Energie-Verbrauchern sowie die beispielhafte Ausführung einer Ladestation für leitungsgebundene und kontaktlose bertragung.
3 zeigt ein typisches Ablaufdiagramm für die Funktionen des Energie-Servants. Für die möglichen Fehlerzustände ist nur eine Auswahl angegeben.
4 zeigt ein mögliches Design und skizziert ein typisches Einsatzszenario des Energie-Servants
Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 gezeigte Vorrichtung „Energie-Servant” (100) besteht ausführungsgemäß aus den nachfolgend folgend beschriebenen Elementen.
Einer in einem Chassis befindliche elektrischen Antriebseinheit (1) mit elektrischem Speicher (20) („Akku Antrieb”), welcher elektrisch geladen- und entladen werden kann, ausgestattet mit Rädern zur Fortbewegung (3) auf welche die Antriebseinheit (1) wirkt. Ein zu der Vorrichtung zugehöriger weiterer elektrischer Speicher (21), („Akku-Energietransfer”) hält die elektrische Energie zum Laden der Verbraucher (300) vor. Eine Ladeschnittstelle (4) dient zur Ladung des Servants beispielsweise am Netz oder auch an Gleichspannungs-Quellen wie beispielsweise Solarmodulen. Die Ladeschnittstelle kann alternativ kabelgebunden sein und/oder Elemente zu induktiven Übertragung enthalten.
Ein Steuergerät (50) dient der Regelung der Ladung des Geräts und bildet eine Überwachungseinheit für den Ladezustand des Antriebs-Akkus (20). Ein weiteres Steuergerät (60) dient zur Regelung des Antriebs. Dieses Steuergerät ist so ausgeführt, daß es Signale von Messwertaufnehmern (61) aufnehmen kann, die Informationen zum Fahrweg und zu Hindernissen im Fahrweg sowie zur Umwelt (wie z. B. der Temperatur und/oder Lichtverhältnisse) aufnehmen und verarbeiten können. Dieses Steuergerät (60) kann durch Kommunikation mit dem Steuergerät (50) eine automatische Fahrwegsanpassung einleiten. Gegebenenfalls unter Vermittlung eines im Steuergerät (60) bzw. im Steuergerät (71) enthaltenen Navigationsgerätes mit GPS-Empfang. Der Energie-Servant (100) besitzt als weiteres Kernelement einen Zentralrechner (70) welcher die Steuergeräte (50) und (60) überwacht und zusätzlich die Zentraleinheit für die Steuerung der Energieabgabe an die elektrischen Verbraucher (300) bildet. Mit anderen Worten ist dieser Zentralrechner (70) in der Lage die Energieverteilung und das Energiemanagement für das Antriebsakku (20) und alle für die Versorgung durch das Akku (21) vorgesehenen Verbraucher (300) zu übernehmen. Eine Funktion des Zentralrechners (70) ist beispielsweise die Überwachung des Ladezustands der Verbraucherakkus, eine weitere die Koordinierung der Funktionen und die Selbstüberwachung der Vorrichtung (100).
Die Vermittlung zwischen Energie-Servant (100) und Verbraucher erfolgt durch ein weiteres integriertes Steuergeräts (71), welches dazu gestaltet ist die drahtlose Telekommunikation mit den Verbrauchern unter Verwendung einer Antenne (72) herzustellen. Diese Antenne kann wahlweise als Sende- und/oder als Empfangsantenne verwendet werden. Mit anderen Worten bildet der Zentralrechner (70) zusammen mit den weiteren Elementen (70) und (71) eine Einheit zur Datenübertragung zu und zum Datenempfang von den Verbrauchern. Der Zentralrechner (70) besitzt eine programmierbare elektronische Einheit zum Speichern und zur Ausgabe einer Befehlsfolge. Diese dient beispielsweise um eine Priorisierung der Ladung bestimmter Verbraucher vorzunehmen und die Antriebseinheit (1) entsprechend zu steuern.
Der Zentralrechner (70) und/oder seine programmierbare Einheit besitzt eine Schnittstelle zu einem Anzeige-/Bedienelement (73) die dem Nutzer die Befehlseingabe und Rückmeldungen des selbstfahrenden Energie-Versorgungsgeräts (100) ermöglichen. Dies können beispielsweise Ladezuständen von internen und externen Akkus sein oder weitere Zustände und technische Informationen der Verbraucher. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Anzeige-/Bedienelement einen klappbaren Monitor beispielsweise zur Anzeige von Betriebszuständen, ein Tastaturfeld zur Eingabe von Befehlen, ein Mikrofon (74) zur Aufnahme sprachlicher Befehle und einen Lautsprecher (75) für sprachliche Rückmeldungen des Geräts. Zusätzlich kann der Zentralrechner (70) noch ein Arbeitslicht und/oder eine einstellbare Fahrwegsbeleuchtung (76) einschalten. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das selbstfahrende Energieversorgungsgerät (100) Ladebuchten (80), slots genannt, für den Einschub einer oder mehrerer elektrischer Ladegeräte (81), Lademodule genannt, welche die Energie-Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Verbraucher (300) bilden. Diese Lademodule (81) dienen der Umwandlung des durch das interne Akku (21) bereitgestellten elektrische Größen in die für den jeweiligen Verbraucher (300) bevorzugten elektrischen Größen, beispielsweise der Umwandlung der Spannungsform und der Spannungslage. Vorzugsweise haben diese Lademodule elektrische Verbindungselemente, zum Beispiel codierte Stecker und/oder Buchsen (82, 83), auf Seiten des Energie-Servants (100) sowie zusätzlich auf Seiten der Verbraucher (300). Der Verbraucher ist so gestaltet, daß er auch eine bidirektionale Übertragungseinheit (304) besitzt wie sie in 2 gezeigt ist mit der der Verbraucher in der Lage ist geeignete Informationen mit dem Verbraucherakku als auch mit dem Energieversorgungsgerät (100) auszutauschen, dazu gehört die Übermittlung einer Ladeanforderung an das Energieversorgungsgerät und Bereitstellung der Ladungs- und Ladeparameter wie Spannungsformen, Strombedarf und weitere Parameter. Die Übertragungseinheit wird beispielsweise im Verbraucherakku verbaut oder wird alternativ auf den Verbraucher aufgebracht werden. Die entsprechenden Parameter können in die Übertragungseinheit (304) mittels einer entsprechenden Schnittstelle programmiert werden
In einer weiteren Ausführung können diese Ladebuchten (80) auch Akkus (301), welche für einen oder mehrere Verbraucher (300) passend sind, aufnehmen, und diese mit dem Gerät (100) direkt laden. Diese eingeschobenen Akkus können dann beispielsweise im vollgeladenen Zustand herausgenommen werden, und nachfolgend mit dem im Verbraucher (300) enthaltenen leeren Akku (303) getauscht werden. Diese Akkus können insgesamt dreierlei Aufgaben erfüllen.

1. Austauschakkus für Verbraucher sein, welche direkt in den Verbraucher eingebaut werden können
2. Als Zusatzspeicher für den „Akku Antrieb” (20) des Servants verwendet werden um den Aktionsraum zu erweitern
3. Als Zusatzspeicher für den „Akku Energietransfer” um mehr Energie an einen angeschlossenen Verbraucher abgeben zu können.

Auch die Lademodule (81) und Verbraucher-Akkus (301) können wenn erforderlich mit der bereits beschriebenen Übertragungseinheit (304) ausgerüstet werden.
Durch Kombination dieser Aufgaben, welche auch kurzfristig bedarfsgerecht vom Nutzer geändert werden können (z. B. durch Befehlseingabe), ergibt sich eine Vielzahl weiterer Möglichleiten um die gespeicherte Energie vorteilhaft und flexibel nutzen und verteilen zu können
In einer weiteren Ausführung kann die Energieübertragung zum Verbraucher drahtlos erfolgen. Das Lademodul (81) besitzt dabei eine entsprechende Signalaufbereitungsmöglichkeit für Hochfrequenz und eine daran angeschlossene Induktionsspule. Der Verbraucher (300) besitzt eine Empfängerspule und eine Empfangselektronik.
In einer bevorzugten Ausführung sind diese Lademodule als Ladeschalen ausgebildet, beispielsweise lässt sich ein mobiles Telefon einfach auflegen und drahtlos laden.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein im Versorgungsgerät (100) eingebauter Kabelschacht zur Aufnahme von Leitungen welche für die zum Verbraucher (300) notwendig sind.
Vorzugsweise wird der Aktionsbereich des Energie-Servants vom Nutzer festgelegt z. B. während einer Einlernphase. Aufgrund der Beweglichkeit und Nutzerfreundlichkeit wird der Servant bzgl. seiner Dimensionen möglichst klein gehalten. Für den industriellen Einsatz kann der Servant auch abhängig von der geforderten Speicherkapazität größere Abmessungen haben.
Das Gerät ist beispielsweise auch zur Nutzung in der Freizeit geeignet und kann selbstfahrend mitgeführt werden um im Freien elektrische Verbraucher zu versorgen und kann auch für die Versrogung von mobilen Medizingeräten genutzt werden. Hierzu kann das Gerät auch mit einer Sitzmöglichkeit für den Benutzer ausgestattet werden, die auch durch die bereitgestellte Energie beheizt oder gekühlt werden kann.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Energieversorgungsgerätes (100) mit einem für den Einschub vorgesehenen Geräteakku (301) mit/oder ohne Übertragungseinheit (304). Das Gerät ist weiter ausgerüstet mit einschiebbaren Lademodulen (81) mit oder/ohne Übertragungseinheit (304) welche mit den Verbrauchern (300) über Kabelverbindungen mittels elektrischer Kontaktelemente (302) verbunden werden. Die Ladestation (400) dient der Energieversorgung des Geräts. Diese Station kann wahlweise das Gerät konventionell über Steckverbindungen (82, 83) versorgen oder wahlweise über eine induktive Ladeschnittstelle (401).
3 zeigt ein typisches Ablaufdiagramm mit den Schritten 1–9. Das Gerät ist zunächst mit der Ladestation verbunden und versorgt sich bis zu einem auswählbaren Mindest-Ladezustand 2 mit Energie welche in den internen Akkus (20, 21) gespeichert wird. Dieser Mindest-Ladezustand sorgt dafür, daß im Gerät genügende Antriebsenergie für die Fahrt zu einem Einsatzortes gespeichert ist und das Gerät zudem in der Lage ist einen Verbraucher mit Energie zu versorgen.
An dieser Stelle kann die Abfolge wahlweise mit Schritt 8 fortgesetzt werden oder die Abfolge wird mit Schritt 3 fortgesetzt. Die Erläuterung beschreibt zunächst Schritt 8. Automatisch und/oder durch den Benutzer kann in den Konfigurationsmodus 8 geschaltet werden. In diesem Modus können die Module erkannt und konfiguriert werden, wahlweise kann die Zuordnung der elektrischen Speicherinhalte (20, 21) erfolgen. In diesem Modus erfolgt Speicherung der Standort und die Eigenschaften des Verbrauchers (Akku Kapazität, Ladezustand, Ladespannung, Ladestrom, benötigte Ladezeit usw.) und anlegen einer Prioritätenliste Diese Prioritätenliste für die angemeldeten wird beispielsweise im Monitor ausgeben, und kann durch den Benutzer durch entsprechende Eingaben jederzeit geändert werden. Nach Abschluss der Konfiguration kann das Gerät wieder in den Betriebsbereitschaftsmodus 2 wechseln.
Das Gerät ist nun bereit einen Ladewunsch („call”) des Verbrauchers durch Vermittlung des Kommunikationssteuergeräts (71) zu erhalten. Dieses empfängt dazu einen sogenannten Identifier und ein Nutzsignal vom Verbraucher. Nachdem es diesen Befehl durch Versenden eines an den Verbraucher gerichteten Signals bestätigt hat, fährt es in Schritt 3 vorzugsweise direkt den Verbraucher auf Basis der Standortinformationen an. Die Steuerung des Energie-Servants erfolgt bevorzugt durch die Vermittlung des internen Navigationssystems alternativ oder abhängig von der Auftragslage und/oder einer Prioritätenliste der Verbraucher kann dies auch später nach Abarbeitung einer Reihenfolge der Fall sein.
In einer gängigen Ausführung kann der Benutzer auch den Ladewunsch durch ein Sprachkommando oder Tonsignal, zum Beispiel einen Pfiff, auslösen. Die Programmierung des Geräts sieht alternativ auch ein automatisches Anfahren der Verbraucher in einer einstellbaren widerkehrenden (zyklischen) Reihenfolge vor. Auf dem Weg zum Verbraucher erkennt das Gerät mittels der Messwertaufnehmer (61) Hindernisse und paßt den Fahrweg dynamisch an, auch unter Zuhilfenahme der im Steuergerät (70) oder wahlweise in Steuergerät (71) hinterlegten Standortinformationen. Es ist naheliegend, daß entsprechende Weginformationen auch für spätere Einsätze zum Beispiel im Zentralsteuergerät (70) gespeichert und abgerufen werden können. Eine Zusatzfunktion befähigt das Gerät auch Zusatzsignale an ein Türmodul zu senden und beispielsweise einen automatischen Öffnungsvorgang einer elektrisch betätigten Tür zu ermöglichen.
Sobald das Gerät beim Verbraucher ankommt wird die Bereitschaft für den Energie-Transfer hergestellt 4. Wird nun die elektrische Verbindung zum Verbraucher geschlossen, was in der häufigsten Ausführungsform durch den Benutzer erfolgt, startet die Energieübertragung zum Verbraucher 5. Erfindungsgemäß wird der Zustand des Verbrauchers (Ladezustand, Temperatur, Fehler) während der Ladung unter Verwendung des Kommunikationssteuergeräts (71) überwacht. Abhängig von der Rückmeldung des Verbrauchers, vorzugsweise des Ladezustands des darin enthaltenen Speichers, wird der Ladevorgang in 6 abgeschlossen. Danach erfolgt eine Trennung der Verbindung zum Verbraucher vorzugsweise durch den Benutzer. Im Falle der optional vorhandenen drahtlosen Übertragung muß die Verbindung zum Verbraucher nicht durch Eingriff des Benutzers getrennt werden. Es kann wahlweise eine automatische Trennung erfolgen oder auch eine entsprechende Eingabe in das Bedienelement (73) des Geräts. In Schritt 7 ist die Übertragung von Energie abgeschlossen und das Gerät bewegt sich entweder zum nächsten Verbraucher, falls angefordert, oder er fährt nach Abarbeitung aller anstehenden Aufträge zur Ladestation (400) zurück und verbindet sich mit dieser. Es ist naheliegend, daß dazu erneut das Navigationssystem und die gespeicherten Positionen von Ladestation und/oder von Verbrauchern verwendet werden.
Im in 3 gezeigten Ablaufdiagramm sind stellvertretend einige Fehler aufgeführt, die in Schritt 9 zum Abschalten des Geräts führen können. Das sind beispielsweise Fehler in der Herstellung der Fahrbereitschaft welche aufgrund eines unbemerkt niedrigen Ladezustands des Antriebsspeichers (20) entstanden sein können. Ein weiterer möglicher Fehlerfall ergibt sich aufgrund einer nicht durchgeführte Trennung des Geräts vom Verbraucher. Dieser Fehler kann beispielsweise eine Abschalten des Geräts (100) aufgrund der Überschreitung eines Zeitlimits auslösen. Dem Fachmann sind viele weitere mögliche Fehlerfälle solcher Systeme bekannt, die in der Programmierung des Geräts berücksichtigt werden müssen. Auch kann die Reaktion des Geräts auf diese Fehler in der unterschiedlichsten Form vorgehalten werden.
Die 4 zeigt ein Beispiel für ein Alarmsignal ausgelöst durch einen Verbraucher mit einem dringenden Ladewunsch. Den Empfang durch das Energieversorgungsgerät sowie die Anfahrt des Geräts zum Verbraucher sind gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 787412 A [0005]

Claims

Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen an einer Abgabeposition angeordneten elektrischen Verbraucher, mit: – einer Energieaufnahmeeinheit, die mit einer an einer Aufnahmeposition angeordneten externen Spannungsquelle elektrisch koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie von der Spannungsquelle aufzunehmen, – einer Energieabgabeeinheit, die mit dem elektrischen Verbraucher elektrisch koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie an den elektrischen Verbraucher abzugeben, – einer Antriebseinrichtung zum Fortbewegen der Vorrichtung, – einer Kommunikationseinheit zum Austauschen von Kommunikationsdaten mit dem elektrischen Verbraucher, und – einer Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die Antriebseinrichtung auf der Grundlage der Kommunikationsdaten derart anzusteuern, dass die Vorrichtung zu der Abgabeposition fortbewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Energieaufnahmeeinheit einen elektrischen Energiespeicher zum Speichern der aufgenommenen elektrischen Energie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Antriebseinrichtung auf der Grundlage eines Speicher-Ladezustands der Energiespeichereinheit derart anzusteuern, dass die Vorrichtung zu der Aufnahmeposition fortbewegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kommunikationseinheit dazu ausgebildet ist, die Kommunikationsdaten mit dem elektrischen Verbraucher unter Verwendung eines drahtlosen Kommunikationsprotokolls auszutauschen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kommunikationsdaten einen Verbraucher-Ladezustand des elektrischen Verbrauchers und/oder einen Ladeauftrag des elektrischen Verbrauchers aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Antriebseinheit derart anzusteuern, dass die Vorrichtung zu der Abgabeposition fortbewegt wird, falls der Verbraucher-Ladezustand einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Antriebseinrichtung einen elektrischen Motor aufweist, und wobei die Energieabgabeeinheit mit dem elektrischen Motor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den elektrischen Motor mit elektrischer Energie zu versorgen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Energieaufnahmeeinheit eine Energieaufnahmeeinrichtung zum drahtlosen und/oder drahtgebundenen Übertragen von elektrischer Energie zwischen der externen Spannungsquelle und der Energieaufnahmeeinheit aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energieabgabeeinheit eine Energieabgabeeinrichtung zum drahtlosen und/oder drahtgebundenen Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Energieabgabeeinheit und dem elektrischen Verbraucher aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energieabgabeeinrichtung eine Mehrzahl von Energieabgabemodulen aufweist, die dazu ausgebildet sind, unterschiedliche Spannungslagen, Spannungsformen und/oder Stromformen bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei zumindest eines der Energieabgabemodule auswechselbar mit der Vorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei zumindest eines der Energieabgabemodule derart konfigurierbar ist, dass das eine der Energieabgabemodule in Abhängigkeit der Konfiguration unterschiedliche Spannungslagen, Spannungsformen und/oder Stromformen bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung ferner eine Navigationseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage einer momentanen Position der Vorrichtung einen Fahrweg zu der Aufnahmeposition und/oder der Abgabeposition zu bestimmen und den Fahrweg für die Steuereinheit bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Kommunikationseinheit dazu ausgebildet ist, Kommunikationsdaten mit einer Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern, die an einer Mehrzahl von Abgabepositionen angeordnet sind, auszutauschen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage der Kommunikationsdaten eine Liste von Abgabepositionen zu bestimmen, zu denen die Vorrichtung nacheinander fortbewegt wird.
Energieversorgungssystem, aufweisend: – eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, und – einen elektrischen Verbraucher mit einer weiteren Kommunikationseinheit, die dazu ausgebildet ist, Kommunikationsdaten mit der Kommunikationseinheit der Vorrichtung auszutauschen.
Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen an einer Abgabeposition angeordneten elektrischen Verbraucher mittels einer selbstfahrenden Vorrichtung, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten: – Koppeln einer Energieaufnahmeeinheit der Vorrichtung mit einer an einer Aufnahmeposition angeordneten externen Spannungsquelle, – Aufnehmen von elektrischer Energie von der externen Spannungsquelle mittels der Energieaufnahmeeinheit, – Austauschen von Kommunikationsdaten zwischen einer Kommunikationseinheit der Vorrichtung und dem elektrischen Verbraucher, – Ansteuern einer Antriebseinrichtung der Vorrichtung auf der Grundlage der Kommunikationsdaten derart, dass die Vorrichtung zu der Abgabeposition fortbewegt wird, – Koppeln einer Energieabgabeeinheit der Vorrichtung mit dem elektrischen Verbraucher, und – Abgeben von elektrischer Energie an den elektrischen Verbraucher mittels der Energieabgabeeinheit.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welche dazu ausgebildet ist eine Sitzmöglichkeit für den Verwender mit Funktion von Heizung und/oder Kühlung und/oder Lüftung derselben bereitzustellen.