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Die Erfindung betrifft eine Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrleitungs-Kopplungssystem. Außerdem betrifft die Erfindung ein Transportsystem. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur infrastrukturgestützten Detektion von Fahrleitungen.
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Elektrische Transportsysteme für den Transport von Gütern und Personen mit Fahrleitungen zur Versorgung von Fahrzeugen mit elektrischer Energie werden in vielen verschiedenen Varianten eingesetzt. Am verbreitetsten sind schienengebundene Fahrzeuge, welche meist aus Oberleitungen über Stromabnehmer elektrischen Strom beziehen. Dabei gibt es verschiedene Oberleitungssysteme mit Wechselstrom oder Gleichstrom. Wechselstromsysteme können mit höheren elektrischen Spannungen betrieben werden, was mit geringeren Energieverlusten beim Stromtransport und der Möglichkeit höherer Leistungen der elektrisch betriebenen Fahrzeuge verbunden ist. Sie haben aber den Nachteil eines höheren Isolationsbedarfs und der damit bei der Verwendung von Oberleitungen verbundenen höheren Lichtraumprofile der elektrischen Fahrzeuge. Zudem haben mit Wechselstrom betriebene, aus einer Versorgungsleitung gespeiste Elektrofahrzeuge im Vergleich zu mit Gleichstrom betriebenen Fahrzeugen einen größeren Platzbedarf für Transformatoren, so dass sie sich nur bei Transportsystemen mit sehr hohem Leistungsbedarf durchgesetzt haben.
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Bei dem Einsatz von fahrspurgebundenen Energieversorgungssystemen für nicht schienengebundene Fahrzeuge, insbesondere Straßenfahrzeuge, werden daher üblicherweise ausschließlich Gleichstrom-basierte Oberleitungssysteme eingesetzt. Diese haben den Vorteil eines geringeren Platzbedarfs und einer erhöhten Sicherheit.
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Ein zukünftiges Anwendungsgebiet für fahrspurgebundene Versorgungssysteme ist der Gütertransport auf Fernstraßen.
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Dabei beziehen elektrifizierte Fahrzeuge, insbesondere elektrifizierte Lastkraftwagen, während der Fahrt elektrische Energie aus Fahrleitungen, insbesondere Oberleitungen, die entlang der Fernstraßen montiert sind. Ein solcher elektrifizierter Lastkraftwagen ist in der 1 gezeigt. Dort ist ein Lastkraftwagen mit einem Hybridsystem mit einem Antrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor gezeigt. Der elektrifizierte Lastkraftwagen bezieht mit Hilfe eines Stromabnehmers, auch Pantograph genannt, aus einer Oberleitung kontinuierlich elektrische Antriebsenergie.
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Es ist davon auszugehen, dass in der Praxis zunächst nur ein Teil der von Lastkraftwagen befahrenen Strecken mit Fahrleitungen versehen sein wid. Fahrleitungen sollen in diesem Zusammenhang jede Art von elektrischen Versorgungsleitungen umfassen, mit denen eine fahrspurgebundene Versorgung von elektrischen Fahrzeugen mit elektrischer Energie möglich ist. Bei einem mehrpoligen Energieversorgungssystem, wie es auch bei dem in 1 gezeigten Transportsystem zum Einsatz kommt, umfasst der Begriff Fahrleitung die verschieden gepolten Leitungen des Systems, also mehrere Stromleitungen bzw. Fahrdrähte. Bei dem häufigen Wechsel zwischen elektrifizierten Strecken und nicht elektrifizierten Strecken kommt es immer wieder zu Kopplungs- und Entkopplungsmanövern, bei denen die elektrischen Fahrzeuge mit ihren Pantographen eine Fahrleitung kontaktieren bzw. von ihr entfernt werden. Diese Art von Manöver wird auch als „Abbügeln“ bzw. „Anbügeln“ bezeichnet.
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Zudem wird es auch auf elektrifizierten Fahrstrecken häufiger zu Spurwechseln der elektrisch betriebenen Lastkraftwagen kommen, so dass es bei üblichen Fahrten von Lastkraftwagen zu häufigem Abkoppeln und erneutem Ankoppeln an Oberleitungen kommen wird. Diese Vorgänge sind mit einer Änderung der Position des Pantographen eines Lastkraftwagens verbunden. Beispielsweise muss ein Pantograph bei einer Kontaktierung einer Oberleitung zunächst auf dem Fahrzeug entriegelt und anschließend auf die richtige Höhe angehoben werden. In diesem Zusammenhang ist es entscheidend, dass die Position der Oberleitungen richtig erkannt wurde, um Kollisionen mit anderen Infrastruktureinrichtungen, wie zum Beispiel Schilderbrücken, Brücken oder Lichtsignalmasten zu vermeiden.
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Bei allen Ausführungen von elektrischen Fahrzeugen mit Pantographen besteht die Notwendigkeit, Bewegungen des Fahrzeugs in Querrichtung auszugleichen. Ein Transportsystem mit einem nicht schienengebundenen Fahrzeug, welches über Oberleitungen mit Energie versorgt wird, ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 076 623 A1 bekannt. Das dort gezeigte nicht schienengebundene Fahrzeug weist einen Stromabnehmer zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer zweipoligen Oberleitung auf, deren als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte jeweils durch mindestens eine Schleifleiste des Stromabnehmers kontaktierbar sind. In einer in der genannten Offenlegungsschrift beschriebenen exemplarischen Ausführung weist der Stromabnehmer zwei Tragausleger auf, die jeweils am Fahrzeug und an einer die Schleifleisten tragenden Wippe derart kipp- und schwenkbar angelenkt sind, dass die Wippe sowohl anheb- und absenkbar als auch quer zur Fahrtrichtung bewegbar ist, um so Änderungen der Position des Fahrzeugs in Querrichtung auszugleichen.
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Eine Ist-Lage des Fahrzeugs relativ zu den Fahrdrähten wird mittels eines Lagesensors erfasst, der als fahrzeugfeste Videokamera ausgebildet ist. Das Fahrzeug weist eine Regeleinrichtung auf, die aus einem Vergleich der erfassten Ist-Lage mit einer vorgegebenen Soll-Lage des Fahrzeugs relativ zu den Fahrdrähten eine Stellgröße bestimmt. Die Regeleinrichtung steuert entsprechend der bestimmten Stellgröße einen Stellantrieb zur seitlichen Nachführung einer die Schleifleisten tragenden Wippe an. Die Ist-Lage beruht auf der automatisierten Erkennbarkeit der Fahrdrähte auf den aufgenommenen Videobildern, beispielsweise durch Anwendung eines so genannten Pattern-Matchings (zu deutsch: Musterabgleich).
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Diese Vorgehensweise ist aber bei schlechten Sichtbedingungen, wie etwa bei Dunkelheit, bei Nebel oder bei Niederschlag, stark beeinträchtigt bis unmöglich. Außerdem müssen das Objektiv der Videokamera und auch die Fahrdrähte möglichst frei von Schmutz sein, was praktisch kaum erreichbar ist.
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Ein vergleichbares Transportsystem ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 205 276 A1 bekannt, wobei dort als Lagesensor ein Laserscanner vorgeschlagen wird, der die Position der Fahrdrähte mittels Laserstrahlung abtastet. Neben den hohen Anschaffungskosten ist an einem Laserscanner nachteilig, dass er bewegliche Teile aufweist, die unter den rauen Einsatzbedingungen auf der Straße im Freien in Mitleidenschaft gezogen werden können. Eine Möglichkeit der Anordnung des Lagesensors besteht darin, den Laserscanner auf Höhe der Stoßstange zu befestigen, um eine ausreichende Strahlauffächerung bis zu den abzutastenden Fahrdrähten zu erreichen, was in unerwünschter Weise die Fahrzeuglänge vergrößert. Alternativ kann der Laserscanner auch oben auf dem Dach der Fahrerkabine des Fahrzeugs montiert werden. Allerdings ist bei dieser Variante der Laserscanner für den Fall, dass das Sichtfenster des Laserscanners eine Reinigung benötigt, nur schwer zugänglich. Schließlich wird die Positionsbestimmung bei Regen erheblich gestört. Überdies ist ein solches Sensorsystem mit hohen Kosten verbunden.
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Es ist mithin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewährleistung einer sicheren Kontaktierung und Entkopplung eines Pantographen mit bzw. von einer Fahrleitung zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung gemäß Patenanspruch 1, ein Fahrleitungs-Kopplungssystem gemäß Patentanspruch 10, ein Transportsystem gemäß Patentanspruch 12 und ein Verfahren zur infrastrukturgestützten Detektion von Fahrleitungen gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung für ein Wegesystem mit einem fahrspurgebundenen Energieversorgungssystem, insbesondere einem Oberleitungssystem, weist eine Detektoreinheit auf, welche relativ zu einer Position einer zugeordneten Fahrleitung des Energieversorgungssystems stationär angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, eine Position eines auf dem Wegesystem befindlichen elektrischen Fahrzeugs zu ermitteln. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung eine Relativpositions-Ermittlungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der ermittelten Position des elektrischen Fahrzeugs und der Position einer Fahrleitung des Energieversorgungssystems eine Relativposition des elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung zu ermitteln. Teil der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung ist eine Positionsinformation-Übertragungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die ermittelte Relativposition an das betreffende elektrische Fahrzeug drahtlos zu übermitteln. Die Untereinheiten der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung sind also im Gegensatz zu herkömmlichen Detektoreinrichtungen, wie sie zum Beispiel in der
DE 10 2011 076 623 A1 gezeigt sind, stationär ausgebildet.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Detektionseinrichtungen wird somit nicht versucht, von einem fahrenden Fahrzeug aus eine Fahrleitung eines fahrspurgebundenen Energieversorgungssystems zu detektieren, sondern es wird eine dazu konträre Vorgehensweise gewählt. Hierbei wird von einer stationären bekannten Position aus ein sich näherndes Fahrzeug und dessen Position erfasst und anschließend auf Basis der erfassten Position des Fahrzeugs sowie einer vorab bekannten Position der Fahrleitung eine Relativposition von Fahrzeug und Fahrleitung ermittelt. Da die Abmessungen eines Fahrzeugs im Vergleich zu den Abmessungen von Fahrdrähten einer Fahrleitung deutlich größer dimensioniert sind, lässt sich ein Fahrzeug mit deutlich weniger Aufwand detektieren und lokalisieren als eine Fahrleitung, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Detektoreinrichtungen eine erhöhte Sicherheit bei der Positionsermittlung eines sich nähernden Fahrzeug relativ zu einer Fahrleitung erzielt wird. Zudem sind die für den stationären Detektor verwendeten Detektoren günstiger als die herkömmlich am Fahrzeug angebrachten Detektoren, weil erstere für nicht so harte Bedingungen, wie zum Beispiel Vibrationen oder Schocksituationen, wie sie bei mobil ausgelegten Einheiten auftreten können, konzipiert sein müssen. Weiterhin wirkt die Positionsinformation-Übertragungseinheit der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung auch als Sicherung gegen ein irrtümliches Anheben des Stromabnehmers durch ein elektrisches Fahrzeug. Denn nur, wenn eine gültige Lageinformation von der Positionsinformation-Übertragungseinheit empfangen wurde, ist auch eine entsprechende Infrastruktur zum Anbügeln des Stromabnehmers vorhanden. Ein irrtümliches Erkennen einer Oberleitung und ein versehentliches Anheben des Stromabnehmers ohne Oberleitung sind bei der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung praktisch ausgeschlossen.
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Das erfindungsgemäße Fahrleitungs-Kopplungssystem für elektrische Fahrzeuge auf einem Wegesystem mit einem fahrspurgebundenen Energieversorgungssystem, insbesondere einem Oberleitungssystem, weist mindestens eine erfindungsgemäße Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung auf. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Fahrleitungs-Kopplungssystem auch mindestens eine Positionsinformations-Empfangseinheit. Die Positionsinformations-Empfangseinheit ist an einem das Wegesystem befahrenden elektrischen Fahrzeug angeordnet und dazu eingerichtet, die von einer Positionsinformation-Übertragungseinheit der mindestens einen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung übermittelte Information bezüglich der Relativposition zwischen Fahrzeug und Detektoreinheit zu empfangen. Teil des erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Kopplungssystems ist auch eine Stromabnehmer-Steuereinheit, welche an dem elektrischen Fahrzeug angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, auf Basis der erfassten Relativposition eine Position eines Stromabnehmers des elektrischen Fahrzeugs zu steuern.
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Durch die Übermittlung der Positionsdaten von der Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung an die Positionsinformations-Empfangseinheit des elektrischen Fahrzeugs wird zusätzlich zu der Positionsinformation die konkludente Information übermittelt, dass es sich bei der an der übermittelten Position befindlichen Fahrleitung überhaupt um eine Fahrleitung bzw. die richtige Fahrleitung – und nicht etwa eine für Trolleybusse oder Straßenbahnen vorgesehene Fahrleitung – handelt. Erst dann darf vorzugsweise der Stromabnehmer entriegelt und angehoben werden, um Kollisionen mit Schilderbrücken, Brücken, Lichtsignalanlagen und dergleichen Infrastruktureinrichtungen zu verhindern und ein seitliches Einhaken der Wippe des Stromabnehmers des elektrischen Fahrzeugs in einen Fahrdraht der Fahrleitung zu vermeiden.
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Ist der Stromabnehmer sicher angebügelt, dient die Relativlagebestimmung dem seitlichen Nachführen des Stromabnehmers, um Fahrmanöver quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs auszugleichen. Hierdurch kann innerhalb vorgebbarer Fahrtoleranzen der Schleifkontakt des Stromabnehmers zur Fahrleitung aufrecht erhalten werden und bei Überschreiten eines Schwellwertes für den seitlichen Versatz der Stromabnehmer sicher abgebügelt werden. Bei der Lageerkennung können die bekannte Fahrdrahtanzahl, der bekannte Fahrdrahtabstand, die mit Hilfe der stationären Detektoreinheit ermittelte relative Fahrdrahthöhe und der Fahrdrahtversatz zur Fahrzeuglängsmitte berücksichtigt werden.
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Das erfindungsgemäße Transportportsystem mit einem Wegesystem mit einem fahrspurgebundenen Energieversorgungssystem, insbesondere einem Oberleitungssystem, umfasst das erfindungsgemäße Fahrleitungs-Kopplungssystem. Ein solches Transportsystem umfasst üblicherweise elektrische Fahrzeuge, welche Personen und Güter transportieren, ein Wegesystem, auf dem sich die elektrischen Fahrzeuge fortbewegen können, und ein fahrspurgebundenes Energieversorgungssystem mit einer Infrastruktur zur fahrspurgebundenen Energieversorgung der elektrischen Fahrzeuge.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur infrastrukturgestützten Detektion von Fahrleitungen wird eine Position eines auf dem Wegesystem befindlichen elektrischen Fahrzeugs von einer stationären Position des Wegesystems aus detektiert. Anschließend wird eine Relativposition des elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung auf Basis der ermittelten Position des elektrischen Fahrzeugs und der Position der Fahrleitung des Energieversorgungsystems ermittelt. Darauf wird die Information bezüglich der ermittelten Relativposition an das betreffende elektrische Fahrzeug drahtlos übermittelt. Die Information bezüglich der Relativposition zwischen dem elektrischen Fahrzeug und der Detektoreinheit wird durch eine Empfangseinheit des elektrischen Fahrzeugs empfangen und es wird eine Position eines Stromabnehmers des elektrischen Fahrzeugs auf Basis der erfassten Relativposition gesteuert. Das erfindungsgemäße Detektionsverfahren ist besonders robust und eignet sich auch für schlechte Wetterbedingungen, wie zum Beispiel Starkregen, Nebel und dichter Schneefall, da ein Fahrzeug sowie dessen Lage in einer Fahrspur aufgrund der Größe des Fahrzeugs auch bei schlechter Sicht sicher erkannt werden können. Eine weitere Rolle spielt auch die relativ zum Wettergeschehen stationäre Position der Detektoreinheit. Beispielsweise können die auf die Detektoreinheit wirkenden relativen Windgeschwindigkeiten im Gegensatz zu einer mobilen Detektoreinheit nicht noch durch eine hohe Geschwindigkeit des Fahrzeugs weiter erhöht werden.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung umfasst die Detektoreinheit eine Sensorik, mit der eine Position eines Fahrzeugs auf dem Wegesystem erfassbar ist. Eine solche Sensorik muss also eine gewisse Ortsauflösung aufweisen und einen Teilbereich des Wegesystems erfassen, so dass die Position eines auf die Sensorik zufahrenden oder daran vorbeifahrenden Fahrzeugs erkannt werden kann.
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In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung umfasst die Detektoreinheit als Sensorik ein bildgebendes System und/oder ein Radar. Die Relativlage der Fahrleitung bzw. der von dieser umfassten Fahrdrähte zu dem betreffenden Fahrzeug wird dann mittels der Relativpositions-Ermittlungseinheit aus den aufgenommenen Videobilddaten oder Radarbildern berechnet. Dabei werden auch die Position und die Ausrichtung der stationären Detektoreinheit sowie die Position der Fahrdrähte der Fahrleitung berücksichtigt.
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Vorzugsweise ist der Videodetektor als Stereokamera ausgebildet. Eine Stereokamera weist zumeist zwei nebeneinander angebrachte Objektive auf und ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme der für 3D-Bilder erforderlichen stereoskopischen Halbbilder. Die Belichtungssteuerung und Schärfeneinstellung beider Objektive sind gekoppelt.
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In einer besonders praktikablen Variante der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung umfasst das bildgebende System ein TOF-System. Ein solches System umfasst eine Laufzeitkamera, die die aufzunehmende Szene mittels eines Lichtpulses ausleuchtet. Die Laufzeitkamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt, in diesem Fall das elektrische Fahrzeug, und wieder zurück braucht. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz zwischen der Kamera und dem Objekt. Die Laufzeitkamera liefert somit für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objektes. Das Prinzip entspricht dem eines Laserscanners mit dem Vorteil, dass eine ganze Szene auf einmal aufgenommen wird und nicht abgetastet werden muss.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung ist die Detektoreinheit, beispielsweise eine Videokamera, in einem spitzen Winkel zu der Fahrtrichtung ausgerichtet. Durch die Ausrichtung der Detektoreinheit unter einem spitzen Winkel zur Fahrtrichtung werden Videobilder von Positionen aufgenommen, die das Fahrzeug je nach Fahrgeschwindigkeit mehr oder weniger zeitverzögert erreicht. Während dieser Zeit kann die Relativpositions-Ermittlungseinheit aus der erfassten Position des Fahrzeugs dessen Relativlage zur Fahrleitung ermitteln und es kann weiterhin in dem betreffenden Fahrzeug die aktuell erforderliche Stellgröße ermittelt werden und der Stellantrieb des Stromabnehmers des Fahrzeugs entsprechend angesteuert werden, so dass der Stromabnehmer rechtzeitig an die richtige Position geführt wird.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung eine Mehrzahl von Detektoreinheiten auf, welche mit einer gemeinsamen Relativpositions-Ermittlungseinheit verbunden sind, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der von der Mehrzahl von Detektoreinheiten detektierten Positionsdaten eine Relativposition eines auf dem Wegesystem befindlichen elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung zu ermitteln. Bei dieser Ausgestaltung fließen in die Positionsbestimmung eines Fahrzeugs Daten von mehreren Detektoreinheiten an vorzugsweise verschiedenen Positionen ein. Bei einer solchen Konfiguration kann eine Positionsbestimmung beispielsweise mit Hilfe einer Triangulation durchgeführt werden.
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Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung eine Mehrzahl von Positionsinformation-Übertragungseinheiten auf, welche an unterschiedlichen Positionen des Wegesystems angeordnet sind, mit einer gemeinsamen Relativpositions-Ermittlungseinheit verbunden sind und dazu eingerichtet sind, die von der Relativpositions-Ermittlungseinheit ermittelten Informationen bezüglich einer Relativposition eines auf dem Wegesystem befindlichen elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung an das elektrische Fahrzeug zu überermitteln. Eine Mehrzahl von Übertragungseinheiten kann die Übertragungsreichweite verbessern und trägt zu einer erhöhten Redundanz des Datenübertragungssystems bei.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung ist die Relativpositions-Ermittlungseinheit dazu eingerichtet, Wetterdaten zu empfangen und dahingehend zu verarbeiten, dass ein Querabtrieb der Fahrleitung durch Seitenwind in der Ermittlung der Relativposition zwischen einem elektrischen Fahrzeug und der Fahrleitung berücksichtigt werden. Die Einbeziehung von Wetterdaten ermöglicht eine noch genauere Ermittlung der Relativposition von Fahrleitung und Fahrzeug.
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In einer besonders effektiven Variante der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung umfasst die Detektoreinheit eine Windmesseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die aktuelle Windstärke und Windrichtung zu messen. Dabei ist die Relativpositions-Ermittlungseinheit dazu eingerichtet, auf Basis der gemessenen Winddaten einen Querabtrieb der Fahrleitung durch Seitenwind bei der Ermittlung der Relativposition zwischen einem elektrischen Fahrzeug und der Fahrleitung zu berücksichtigen.
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In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung ist die Detektoreinheit an einem Querträger oder einem vertikalen Träger eines Fahrleitungsmasts angeordnet. Ein Querträger eines Fahrleitungsmasts bietet eine herausgehobene Position, von der ein freies Sichtfeld auf vorbeifahrende Fahrzeuge besteht. Außerdem ist eine in einer solchen Position angebrachte Detektoreinheit vor Beschädigungen durch Verkehrsteilnehmer gut geschützt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Kopplungssystems ist die Stromabnehmer-Steuereinheit dazu eingerichtet, auf Basis der empfangenen Informationen bezüglich der Relativposition zwischen Fahrzeug und Detektoreinheit zu ermitteln, ob ein Anbügelungsvorgang des Stromabnehmers des elektrischen Fahrzeugs gestartet werden kann. Beispielsweise kann die Entscheidung, ob ein Anbügelungsvorgang gestartet werden kann, davon abhängen, weit das betreffende Fahrzeug von der Fahrleitung entfernt ist und ob es sich in einer korrekten Position in Querrichtung zu der Fahrleitung befindet.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrleitungs-Kopplungssystems ist die Stromabnehmer-Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Querposition eines mit einer Fahrleitung kontaktierten Stromabnehmers auf Basis der empfangenen Informationen bezüglich der Relativposition des elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung zu steuern. Eine Querkorrektur der Position des Stromabnehmers erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, da leichte Abweichungen von der Ideallinie durch Unaufmerksamkeit des Fahrers oder Kurven in der Streckenführung praktisch ständig auftreten.
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Das erfindungsgemäße elektrische Fahrzeug ist bevorzugt ein Straßenfahrzeug, noch bevorzugter ein elektrisch betriebener Lastkraftwagen. Elektrifizierte Lastkraftwagen sind aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs auf die Versorgung durch elektrische Fahrleitungen angewiesen, wenn sie einen erheblichen Teil der Traktionsenergie durch elektrische Energie aufbringen wollen.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrifizierten Lastkraftwagens,
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2 eine Draufsicht auf ein Transportsystem mit einem Fahrleitungskopplungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine Seitenansicht eines Transportsystems mit einem Fahrleitungskopplungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur infrastrukturgestützten Detektion von Fahrleitungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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1 zeigt einen Lastkraftwagen 4 mit einem elektrischen Antrieb und einem Pantographen 9 zum Kontaktieren einer elektrischen Versorgungsleitung 22 eines elektrischen Energieversorgungsnetzes. Der LKW 4 kann dabei aufgrund der kontinuierlichen Energieversorgung Langstrecken problemlos mit elektrischem Antrieb bewältigen und hat trotzdem die gleiche Flexibilität wie ein herkömmlicher LKW mit einer Brennkraftmaschine. Dies wird dadurch erreicht, dass zum Beispiel der Pantograph 9 flexibel ist, so dass das Fahrzeug 4 in einem gewissen Bereich in Querrichtung der Fahrbahn beweglich ist. Der Pantograph 9 kann, falls das Fahrzeug 4 die Spur mit der elektrischen Versorgungsleitung 22 verlassen möchte, heruntergeschwenkt, d.h. abgebügelt werden. Ein Überholvorgang sowie das Fahren auf nicht elektrifizierten Strecken kann zum Beispiel mit Hilfe eines zusätzlichen kleinen elektrischen Energiespeichers oder mit einem Hybridantriebsystem bewältigt werden.
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In 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines fahrspurgebundenen Transportsystems 100 gezeigt, welches ein Fahrleitungs-Kopplungssystem 1 für elektrische Fahrzeuge 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Das Transportsystem 100 umfasst eine Fahrstraße 12 mit einem Mittelstreifen 13 sowie ein Stromversorgungssystem mit einer Fahrleitung 22 mit zwei Fahrdrähten 22a, 22b, welche an Fahrleitungsmasten 14 über den Fahrspuren (nur auf einer Fahrspur gezeigt) aufgehängt sind. Die Fahrleitungsmasten umfassen vertikale pfahlartige Stützelemente 15, an deren oberen Enden Querträger 16 montiert sind, an denen die Fahrleitung 22 aufgehängt ist. Die Fahrleitung 22 umfasst zwei Fahrdrähte 22a, 22b, von denen einer ein positives Potential aufweist und der andere ein negatives Potential aufweist. Weiterhin ist in 2 ein elektrisches Fahrzeug 4 gezeigt, welches gerade dabei ist, einen Anbügelungsvorgang, d.h. eine Kontaktierung der Fahrleitung 22 mit Hilfe eines Stromabnehmers 9 vorzunehmen. Zur Erleichterung und Absicherung dieses Vorgangs umfasst das System 100 das bereits genannte Fahrleitungskopplungssystem 1.
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Das Fahrleitungskopplungssystem 1 umfasst eine Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2, welche gestrichelt markiert ist. Die Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 ist stationär ausgelegt. D.h., die wesentlichen Teile der Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 sind in der in 2 gezeigten Ausführungsform stationär am Rand der Fahrstrecke 12 des Transportsystems 100 angeordnet. Teil der Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 ist eine Detektoreinheit 3. Die Detektoreinheit 3 ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform an einem Fahrleitungsmast 15 montiert und umfasst als Sensorelement ein Kamerasystem mit Laufzeitverfahren, auch als TOF-Kamera (TOF = time of flight = Laufzeit) bezeichnet. Eine solche TOF-Kamera erfasst Bilder mit exakten Abstandswerten der einzelnen Pixeln der Bilder zugeordneten Objekte zur Kamera. Mit einer solchen Kamera lässt sich eine Relativposition eines elektrischen Fahrzeugs 4 zu der Detektoreinheit 3 ermitteln. Die erfassten Positionsdaten PD werden an eine Relativpositions-Ermittlungseinheit 5 übertragen, welche auf Basis der ermittelten Relativ-Position des elektrischen Fahrzeugs 4 und der bekannten Position einer Fahrleitung 22 des Transportsystems 100 eine Relativposition des elektrischen Fahrzeugs 4 zu der Fahrleitung 22 ermittelt. Beispielsweise kann diese Relativposition den Höhenabstand und die Relativposition in Querrichtung eines elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung 22 umfassen. Die stationär ermittelten Daten RPD bezüglich der Relativposition des Fahrzeugs 4 zu der Fahrleitung 22 werden an eine Positionsinformation-Übertragungseinheit 6 übermittelt, welche ebenfalls stationär angeordnet ist. Die Relativpositionsinformation-Übertragungseinheit 6 umfasst eine Antenne 7, mit der sie die Information bezüglich der Relativposition des elektrischen Fahrzeugs 4 an das betreffende elektrische Fahrzeug 4 drahtlos übermittelt.
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Teil des elektrischen Fahrzeugs 4 ist eine Positionsinformations-Empfangseinheit 10. Die Positionsinformations-Empfangseinheit 10 empfängt die Daten RPD bezüglich der Relativposition des elektrischen Fahrzeugs 4 zu der Fahrleitung 22 per Funk von der Positionsinformation-Übertragungseinheit 6 und gibt diese Information an eine Stromabnehmer-Steuereinheit 11 weiter, die ebenfalls an dem elektrischen Fahrzeug 4 als mobile Einheit angeordnet ist. Die Stromabnehmer-Steuereinheit 11 steuert auf Basis der von der Positionsinformation-Übertragungseinheit 6 erhaltenen Informationen RPD betreffend die Relativposition des elektrischen Fahrzeugs 4 den Stromabnehmer 9 (aufweisend eine Wippe 17 mit sogenannten Schleifleisten 17a) des elektrischen Fahrzeugs 4. Beispielsweise steuert die Stromabnehmer-Steuereinheit 11 den Stromabnehmer 9 in Höhenrichtung und in Querrichtung unter Berücksichtigung der erfassten Messdaten, so dass eine exakte und sichere elektrische Kopplung des Stromabnehmers 9 mit der Fahrleitung 22 erzielt wird.
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In 3 ist eine Seitenansicht des in 2 gezeigten Transportsystems 100 veranschaulicht. Teil des Transportsystems ist eine Oberleitungsanlage 20, welche als Hin- und Rückleiter (in der Seitenansicht ist nur ein Fahrdraht 22a zu erkennen) ausgebildete Fahrdrähte 22a, 22b aufweist, die über einer Fahrspur 12 des Fahrzeugs 4 parallel zueinander verlaufen. Hierzu weist die Oberleitungsanlage 20 seitlich der Fahrspur 12 aufgestellte Masten 14 auf, von welchen Ausleger 16 (siehe 2) seitlich über eine Fahrspur der Fahrbahn 12 ragen. Über der Fahrspur verlaufen ferner zwei Tragseile 23, die von den Auslegern 16 (siehe 2) gestützt werden und zwischen diesen kettenlinienförmig durchhängen. An jedem Tragseil 23 hängt je ein Fahrdraht 22a, 22b über eine Vielzahl an Hängerseilen 24, deren Längen mit zunehmender Entfernung von den Auslegern 16 abnehmen, damit eine annähernd konstante Fahrdrahthöhe über der Fahrspur der Fahrbahn 12 eingestellt werden kann. Ein Hängerseil 24 wird an einem Fahrdraht 22a, 22b mittels einer Hängerklemme (nicht gezeigt) befestigt, deren Klemmkanten mittels einer Schraubverbindung in je einer von zwei Längsrillen des Fahrdrahtes formschlüssig in Eingriff gehalten werden. Diese Art der Befestigung stellt sicher, dass die Hängerklemmen (nicht gezeigt) keine Hindernisse beim Beschleifen der Fahrdrähte 22a, 22b durch den Stromabnehmer 9 des Fahrzeugs 4 darstellen. An den Enden der die Fahrdrähte 22a, 22b umfassenden Fahrleitung 22 wird das Kettenwerk durch nicht näher bezeichnete Nachspanneinrichtungen abgespannt.
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Der Stromabnehmer 9 des Fahrzeugs 4 weist zwei Tragarme 9a auf, die eine Wippenanordnung 17 mit Schleifleisten 17a tragen. Die Tragarme 9a sind fahrzeugseitig um horizontale Achsen drehbar gelagert, wodurch die Wippenanordnung 17 mittels einer nicht dargestellten Hubeinrichtung zwischen einer unteren Ruheposition, in der der Stromabnehmer 9 über der Fahrerkabine 18 abgelegt ist, und einer oberen Arbeitsposition, in der die Schleifleisten 17a die Fahrdrähte 22a, 22b kontaktieren, anheb- und absenkbar ist. Ferner sind die Tragarme 9a fahrzeugseitig um vertikale Achsen drehbar gelagert, wodurch die Wippenanordnung 17 mittels nicht dargestellter Stellantriebe seitlich, also quer zu einer Fahrtrichtung V des Fahrzeugs 4, verschwenkbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Wippenanordnung 17 bei seitlichen Fahrungenauigkeiten innerhalb der Fahrspur der Fahrbahn 12 derart nachzustellen, dass die Schleifleisten 17a den Schleifkontakt zu den Fahrdrähten 22 und damit die Energieeinspeisung aufrechterhalten.
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Hierzu ist als Regeleinrichtung ein Fahrleitungskopplungssystem 1 vorgesehen, das mit einer stationären Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 zur Ermittlung einer seitlichen Relativlage der Fahrdrähte 22 relativ zum Fahrzeug 4 verbunden ist. Das Fahrleitungskopplungssystem 1 weist zusätzlich zu der stationären Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 die bereits beschriebene Positionsinformations-Empfangseinheit 10 zum Empfang der von der Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 ermittelten Positionsinformationen RPD und eine Stromabnehmer-Steuereinheit 11 auf, die aus der ermittelten Relativlage und der aktuellen Stellung der Wippenanordnung 17 eine Stellgröße für die Stellantriebe derart berechnet, dass die Schleifleisten 17a innerhalb ihres Arbeitsbereiches die Fahrdrähte 22 kontaktieren. Daher ist die Stromabnehmer-Steuereinheit 11 mit den Stellantrieben verbunden, um an diese ein der berechneten Stellgröße entsprechendes Steuersignal zu übertragen. Die Stellantriebe verschwenken die Wippenanordnung 17 durch Drehung der Tragarme 9a um deren vertikale Achsen.
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Diese seitliche Nachführung des Stromabnehmers 9 erfordert eine verlässliche Ermittlung der Relativlage des Fahrzeugs 4 zu den Fahrdrähten 22. Wie bereits erwähnt, ist für die Detektion und Ermittlung der Relativlage des Fahrzeugs eine Fahrleitungs-Detektionsvorrichtung 2 mit einer Detektorvorrichtung, in diesem Ausführungsbeispiel ein Videodetektor 3, vorgesehen. Der Videodetektor 3 ist hierfür zur Aufnahme von Videobildern der Frontseite 18a, insbesondere der Kabine, eines elektrischen Fahrzeugs ausgerichtet. Dem Videodetektor 3 ist als Auswertungseinheit eine Relativpositions-Ermittlungseinheit 5 zugeordnet, welche auf Basis der ermittelten Relativ-Position des elektrischen Fahrzeugs 4 und der bekannten Position der Fahrleitung 22 des Transportsystems 100 eine Relativposition des elektrischen Fahrzeugs 4 zu der Fahrleitung 22 ermittelt. Der Videodetektor 3 kann als Stereokamera zur Aufnahme von 3D-Bildern oder als Laufzeitkamera zur Abstandsmessung zwischen dem Videodetektor 3 und einem elektrischen Fahrzeug 4 ausgebildet sein. Der Videodetektor 3 kann eine nicht dargestellte Belichtungseinheit aufweisen, die zur Aussendung von Infrarotlicht in Richtung einer Erfassungsachse des Videodetektors 3 ausgebildet ist. In dieser Variante kann der Videodetektor selbst auch als Infrarotdetektor ausgebildet sein, welcher auch bei Dunkelheit problemlos funktioniert.
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Es kann auch zusätzlich eine Reflexionsfläche an der Frontseite des elektrischen Fahrzeugs 4 ausgebildet sein. Entsprechend ist die Erfassungsachse des Videodetektors 3 in Fahrtrichtung V oder in einem spitzen Winkel zu dieser ausgerichtet, so dass von der Reflexionsfläche reflektiertes Licht, beispielsweise Tageslicht, Licht von Fahrzeugscheinwerfern oder Infrarotlicht einer Belichtungseinheit des Videodetektors 3, vom Videodetektor 3 aufgenommen wird.
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In 4 ist ein Flussdiagramm 400 gezeigt, mit dem ein Verfahren zur infrastrukturgestützten Detektion von Fahrleitungen veranschaulicht wird. Bei dem Schritt 4.I wird von einer Detektoreinheit, welche sich an einer stationären Position eines Wegesystems mit einer Fahrleitung als elektrischer Versorgungsleitung befindet, eine Position eines auf dem Wegesystem befindlichen elektrischen Fahrzeugs detektiert. Bei dem Schritt 4.II werden die von der Detektoreinheit ermittelten Positionsinformationen PD an eine ebenfalls stationäre Relativpositions-Ermittlungseinheit übermittelt. Bei dem Schritt 4.III wird auf Basis der ermittelten Position des elektrischen Fahrzeugs sowie einer vorab bekannten Position einer Fahrleitung des Wegesystems eine Relativposition RPD des elektrischen Fahrzeugs zu der Fahrleitung ermittelt. Bei dem Schritt 4.IV wird die ermittelte Positionsinformation RPD an eine Positionsinformation-Übertragungseinheit übermittelt, die ebenfalls stationär positioniert ist. Bei dem Schritt 4.V erfolgt eine drahtlose Übermittlung der Positionsinformation RPD über die ermittelte Relativposition an eine Empfangseinrichtung des betreffenden elektrischen Fahrzeugs. Bei dem Schritt 4.VI wird die von der Empfangseinrichtung des elektrischen Fahrzeugs empfangene Positionsinformation RPD an eine Stromabnehmer-Steuereinheit des elektrischen Fahrzeugs übermittelt. Schließlich steuert bei dem Schritt 4.VII die Stromabnehmer-Steuereinheit eine Position des Stromabnehmers des elektrischen Fahrzeugs auf Basis der erfassten Relativposition.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Die Erfindung ist weder auf die Anwendung im Straßenverkehr noch auf eine Anwendung mit Oberleitungen beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich auf andere Verkehrssysteme, wie zum Beispiel Schienensysteme und/oder mit Stromschienen als Versorgungsleitungen ausgerüstete Transportsysteme angewandt werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076623 A1 [0008, 0014]
- DE 102012205276 A1 [0011]
