DE102016010664A1

DE102016010664A1 - Verfahren zur Positionierung von Batterien in Elektrofahrzeugen

Info

Publication number: DE102016010664A1
Application number: DE102016010664.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung von Batterien in Elektrofahrzeugen sowie eine Batteriewechselstation, die das Verfahren anwendet. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die dynamische Anpassung an sich bewegende Fahrzeuge. In Echtzeit werden Positions- und Orientierungsinformationen aktualisiert und an das Transportsystem übermittelt, das Batterien und Greifarme an die aktualisierten Daten anpasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Positionierung von Batterien in Elektrofahrzeugen.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge sind mit Batterien ausgestattet, in denen die elektrische Energie zum Antrieb der Fahrzeuge gespeichert wird. Aufgrund der geringen Energiedichten der Batterien im Vergleich mit chemischen Energiespeichern wie Diesel oder Benzin ist die Reichweite der Elektrofahrzeuge sehr begrenzt. Wenn die Batterien leer sind, müssen sie aufgeladen oder gegen volle Batterien ausgetauscht werden. Das Wechseln der Batterien ist insbesondere in zeitkritischen Fällen vorteilhaft, weil die Dauer zum Wechsel der Batterien deutlich kürzer ist als die Dauer zum Aufladen der Batterien, selbst im Vergleich mit Schnell-Ladetechniken. Bei Personenkraftwagen sind die Batterien zumeist im Unterbodenbereich angeordnet. Zum Wechseln der Batterien fährt das Fahrzeug in eine vordefinierte Position und die Batterien werden nach unten aus dem Fahrzeug entnommen, wie z. B. in Druckschrift US8164300B2 beschrieben. Die leere Batterie wird in die Ladestation transportiert und eine volle Batterie wird im Fahrzeug installiert. Bei Elektrobussen wie sie im öffentlichen Personennah- und -fernverkehr eingesetzt werden, ist ein solcher Ansatz schwer zu realisieren, denn – insbesondere bei Niederflurbussen des öffentlichen Personennahverkehrs – der benötigte Platz für die Batterien würde den Raum für die Fahrgäste einschränken. Daher ist es bei Bussen vorteilhaft, die Batterien auf dem Dach der Busse anzuordnen. Druckschrift EP2529985A2 beschreibt ein Verfahren zum Wechseln von Batterien, die auf dem Dach eines Busses angeordnet sind. Hierbei wird die Position des Busses durch eine Kamera erkannt und an einen Roboter übergeben. Dieser fährt anschließend an die ermittelte Position. Dieses Verfahren funktioniert gut, solange der Bus parallel zur Batteriewechselstation ausgerichtet ist und sich nicht bewegt. In der Realität jedoch ist das Busdach nicht parallel zur Station. Die Straße besitzt ein bestimmtes Gefälle, es bilden sich Spurrillen, usw. Zudem bewegt sich der Bus signifikant, auch, wenn er nicht fährt. Windlasten drücken gegen die Seitenwand, Passagiere steigen ein- und aus. Zum Einsteigen wird die Busseite abgesenkt, um mögliche Stufen zu verringern und Rollstuhlfahrern das Einsteigen zu erleichtern.
Außerdem bewirken auch das Ein- und Ausladen der schweren Batterien eine Auf- und Abwärtsbewegung des Busses. Der Bus steht gefedert auf Rädern, die als Drehpunkt für Bewegungen fungieren. Durch die große Höhe des Busses von ca. 3 m bewirken auch kleine Winkeländerungen in der Radebene signifikante laterale Verschiebungen in der Dachebene.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Positioniersystem zu entwickeln, das eine präzise Ablage von Batterien in oder auf sich bewegenden Fahrzeugen oder die präzise Entnahme von Batterien aus sich bewegenden Fahrzeugen erlaubt. Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein dynamisches Positioniersystem, bei dem die Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs ständig neu erfasst und die Zielkoordinaten aktualisiert werden. Neben der Bewegung durch die oben geschilderten Störgrößen wie Windlasten, Passagierbewegungen oder Einstiegsabsenkungen kann das System auch auf die Bewegung des Fahrzeugs bei Be- oder Entlastung durch die schwere Batterie reagieren. Außerdem erlaubt es eine deutliche Verkürzung der Batteriewechselzeiten, weil der Wechsel auch stattfinden kann, wenn das Fahrzeug nicht komplett stillsteht, sondern sich weiter fortbewegt.
Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsformen des Positioniersystems mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Die in den Abbildungen dargestellten Elemente sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sie dienen der Erläuterung wesentlicher Aspekte der Ausführungsformen. Vollständige Batteriewechselstationen, Batterien und Busse können weitere Elemente enthalten, die hier nicht dargestellt sind. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, sofern eine solche Kombination nicht explizit oder aus technischen Gründen ausgeschlossen ist. zeigt exemplarisch eine Batteriewechselstation (101), die einen Elektrobus (102) mit einer Batterie (103) belädt. In dieser Ausführungsform ist die Batterie auf dem Dach des Busses angeordnet, sie kann jedoch auch an anderen Orten im Bus angebracht werden, wie z. B. am Heck. Die Batteriewechselstation ist mit Sensoren ausgestattet, die die Position des Busses erfassen und an ein Kontrollsystem übertragen. Dieses wandelt die Informationen in Bewegungsbefehle für den Roboter zum Verladen der Batterie um. Während des Verladevorgangs werden die Positionsinformationen ständig aktualisiert und der Roboter passt seine Koordinaten dynamisch den Bewegungen des Busses an, so dass die Batterien exakt positioniert werden können. Das System bildet einen geschlossenen Regelkreis, der das Koordinatensystem des Verladeroboter in der gewünschten Weise mit dem Koordinatensystem des Busses verknüpft. Ein solcher Regelkreis ist exemplarisch in dargestellt. Die Positionssensoren (204) erfassen die Position des Busses (203) im Raum, aus der sich die Zielkoordinaten ergeben, an die der Roboter (202) die Batterie positionieren soll. Ändert sich die Position (205) des Busses durch Störgrößen (206) wie Wind, ein- und aussteigende Passagiere oder durch eine Absenkung des Einstiegsbereichs, so wird das System in Echtzeit vom Regler (201) nachgeregelt. zeigt das Ablaufdiagramm des Positionierverfahrens zur Ablage einer Batterie. In Schritt (S 301) wird die Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs erfasst. Im nächsten Schritt (S 302) werden daraus die Zielkoordinaten und die Zielorientierung der Batterie berechnet und die Batterie wird in Schritt (S 303) zu diesen Koordinaten bewegt. Wurde die Bewegung noch nicht durch die Ablage der Batterie beendet – Abfrage (A 304), so werden die Schritte (S 301) bis (S 303) wiederholt. Die Schritte sind hier als sequentielle Abfolge dargestellt. Sie können aber durchaus auch parallel stattfinden. Das bedeutet, dass die Schritte (S 301) und (S 302) stattfinden, während der Schritt (S 303) der vorangegangenen Iteration noch im Gange ist. zeigt das entsprechende Ablaufdiagramm zur Aufnahme einer Batterie. In Schritt (S 401) wird die Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs erfasst. Im nächsten Schritt (S 402) werden daraus die Zielkoordinaten und die Zielorientierung zur Aufnahme der Batterie berechnet und der Greifer wird in Schritt (S 403) zu diesen Koordinaten bewegt. Wurde die Bewegung noch nicht durch die Aufnahme der Batterie beendet – Abfrage (A 404), so werden die Schritte (S 401) bis (S 403) wiederholt. Auch hier laufen die Schritte parallel ab.
Die Batterien können auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnet sein und von oben auf das Fahrzeug verladen werden. Alternativ können die Batterien jedoch auch an anderen Positionen im Fahrzeug angeordnet sein, wie z. B. am Heck oder in Schubfächern, die seitlich zugänglich sind. Wichtig für die Auslegung des Systems ist die mechanische Dynamik des Robotersystems inklusive der Batterien. Die Antriebsmotoren müssen so dimensioniert werden, dass die Zeitkonstanten des Robotersystems kleiner als die Zeitkonstanten des Fahrzeugs sind und das Robotersystem schnell den Bewegungen des Fahrzeugs folgen kann.
Auch die Kommunikationselektronik und Bildverarbeitungssoftware muss schnell genug sein, dass Latenzzeiten nicht die Reaktionszeit des Systems beeinträchtigen. Latenzzeiten von weniger als einer Millisekunde sind anzustreben. Ohne die Bewegung zu unterbrechen oder anzuhalten, wird der Verfahrweg des Roboters an die neuen Zielkoordinaten angepasst und der Roboter setzt seine Bewegung auf dem neuen optimalen Pfad fort. Durch entsprechende Algorithmen wird die Stetigkeit der Bewegung gewährleistet und es werden ruckartige Bewegungen vermieden. In einer Ausführungsvariante der Erfindung werden die Station mit dem Roboter, die Batterie sowie das Elektrofahrzeug als mathematische Modelle hinterlegt, die es erlauben, das Verhalten der Komponenten im Voraus zu berechnen und Koordinatenänderungen zu antizipieren. In diese Modelle gehen Feder-Masse Modelle sowie statistische Daten aus der Vergangenheit ein, die es erlauben, die Parameter der Modelle iterativ anzupassen. Dadurch wird die Präzision der Berechnungen stetig verbessert. Die Sensoren zur Erfassung der Busposition umfassen beispielsweise bildgebende Sensoren wie Kameras, aber auch Sensoren zur Abstandsbestimmung wie Lasersensoren, Ultraschallsensoren oder kapazitive Sensoren. Für die optische Erkennung können beispielsweise Justiermarken verwendet werden. Um eine möglichst exakte Erfassung der Translation und Rotation zu ermöglichen, kann die Erkennung an mehr als einem Punkt erfolgen. Um das System robust auszulegen, kann das Positioniersystem durch Zentrierbolzen unterstützt werden. Diese verhindert ein Verrutschen der Batterie im Moment der Ablage.
: Überblick einer Batteriewechselstation (101) mit einem Elektrobus (102), auf dessen Dach eine wechselbare Batterie (103) installiert ist.
: Geschlossener Regelkreis bestehend aus dem Regler (201), dem Robotersystem incl. der Batterie (202), dem Bus (203) und der Rückführung (204) durch die Positionssensoren. Die Zielposition des Roboters wird auf die Position des Busses (205) angepasst. Verändert sich letztere durch den Einfluss von Störgrößen (206) wie Wind, ein- und aussteigende Passagiere, etc, so wird die Zielposition aktualisiert.
: Ablaufdiagramm einer dynamischen Positionierung zur Ablage einer Batterie in/auf einem Elektrofahrzeug. In Schritt (S 301) wird die Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs erfasst. Im nächsten Schritt (S 302) werden daraus die Zielkoordinaten und die Zielorientierung der Batterie berechnet und die Batterie wird in Schritt (S 303) zu diesen Koordinaten bewegt. Wurde die Bewegung noch nicht durch die Ablage der Batterie beendet, so werden die Schritte (S 301) bis (S 303) wiederholt.
: Ablaufdiagramm einer dynamischen Positionierung zur Entnahme einer Batterie aus einem Elektrofahrzeug. In Schritt (S 401) wird die Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs erfasst. Im nächsten Schritt (S 402) werden daraus die Zielkoordinaten und die Zielorientierung zur Aufnahme der Batterie berechnet und der Greifer wird in Schritt (S 403) zu diesen Koordinaten bewegt. Wurde die Bewegung noch nicht durch die Aufnahme der Batterie beendet, so werden die Schritte (S 401) bis (S 403) wiederholt.
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

US 8164300 B2 [0002]
EP 2529985 A2 [0002]

Claims

Verfahren zur Positionierung von Batterien in oder auf sich bewegenden Elektrofahrzeugen, umfassend: a. Erfassung der Position und Ausrichtung des Elektrofahrzeugs; b. Berechnung der Zielkoordinaten und Zielorientierung für die Ablage der Batterie; c. Bewegung der Batterie zu den Zielkoordinaten mit der Zielorientierung. d. Wiederholung der Schritte a. bis c. bis die Batterie abgelegt worden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholung der Schritte 1a bis 1c in Zeitintervallen von weniger als 10 ms stattfindet.
Verfahren zur Entnahme von Batterien aus sich bewegenden Elektrofahrzeugen, umfassend: a. Erfassung der Position und Ausrichtung des Elektrofahrzeugs; b. Berechnung der Zielkoordinaten und Zielorientierung für die Aufnahme der Batterie; c. Bewegung des Greifarms zu den Zielkoordinaten mit der Zielorientierung. d. Wiederholung der Schritte a. bis c. bis die Batterie aufgenommen worden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholung der Schritte 2a bis 2c in Zeitintervallen von weniger als 10 ms stattfindet.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem eine Kombination aus Kameras und Lasersensoren zur Erfassung von Position und Orientierung des Elektrofahrzeugs verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Positioniergenauigkeit besser als 1 mm beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zusätzlich Zentrierdornen zur Reduzierung der geforderten Ablagegenauigkeit verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem mittels eines mathematischen Modells das Schwingverhalten des Fahrzeugs antizipiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Parameter des Modells mittels statistischer Daten aus der Vergangenheit angepasst werden.
Batteriewechselstation, die ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche verwendet.