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Die Erfindung betrifft eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladestation.
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Es werden immer mehr Ladestationen beziehungsweise Ladesäulen vor allem in Innenstädten ausgebaut, beispielsweise auf Parkplätzen, in der Nähe von Straßenlaternen oder an andere öffentlich zugänglichen Stellen. Aufgrund des stetigen Ausbaus von Ladeinfrastrukturen werden zukünftig sehr wahrscheinlich auch wesentlich mehr Ladestationen das Stadt- und Straßenbild prägen. Nutzer von Elektrofahrzeugen, seien es reine Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, müssen darüber hinaus üblicherweise ihr Elektrofahrzeug manuell an derartigen Ladestationen anschließen.
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Es ist an sich schon bekannt, Ladestationen mit integrierten Robotern vorzusehen, sodass Ladestecker nicht mehr manuell an fahrzeugseitigen Schnittstellen eingesteckt werden müssen. So zeigen beispielsweise die
DE 10 2012 014 936 A1 , die
DE 10 2009 006 982 A1 und die
DE 10 2015 213 160 A1 jeweilige Ladestationen für Elektrofahrzeuge, welche Roboter aufweisen, mittels welchen ein Ladestecker der Ladestation automatisch in eine fahrzeugseitige Ladeschnittstelle eingesteckt werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher zum einen Elektrofahrzeuge besonders einfach aufgeladen werden können und zum anderen ein zur Verfügung stehender Raum für Ladestationen besonders effektiv genutzt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladestation mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Ladestation für ein Elektrofahrzeug umfasst einen Schwenkarmroboter mit einem nur in eine Bewegungsrichtung aus- und einklappbaren Gelenkarm, an dessen äußerem Ende eine quer zur Bewegungsrichtung höhenverstellbare Achse angeordnet ist, an welcher ein Ladestecker zum Aufladen des Elektrofahrzeugs angebracht ist. Derartige Schwenkarmroboter werden üblicherweise auch als Horizontal-Knickarmroboter oder auch als Scara-Roboter bezeichnet. Solche Schwenkarmroboter umfassen üblicherweise eine serielle Kinematik mit typischerweise vier Freiheitsgraden, die nur eine Handhabung in planparallelen Flächen zulässt. Eine erste Drehachse bildet üblicherweise ein um einen Roboterfuß drehbarer Schwenkarm, dessen Gelenk die zweite Achse bildet. Am Ende des Gelenkarms beziehungsweise Schwenkarms ist die besagte höhenverstellbare Achse angeordnet, die üblicherweise zur Aufnahme eines Greifers oder von Werkzeugen dient, wobei bei der erfindungsgemäßen Ladestation an dieser höhenverstellbaren Achse zumindest mittelbar der besagte Ladestecker zum Aufladen des Elektrofahrzeugs angebracht ist.
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Die erfindungsgemäße Ladestation umfasst des Weiteren eine Hubeinheit, mittels welcher der Schwenkarmroboter quer zur Bewegungsrichtung des Gelenkarms zwischen einer in einer Vertiefung versenkten Verstauposition und einer außerhalb der Vertiefung angeordneten Position bewegbar ist. Eine im Bereich des Ladesteckers angeordnete Sensoreinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Position einer Ladeschnittstelle an einer Unterseite des Elektrofahrzeugs zu bestimmen. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Ladestation eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der mittels der Sensoreinrichtung bestimmten Position der Ladeschnittstelle die Hubeinheit und den Schwenkarmroboter derart anzusteuern, dass der Ladestecker in einer Ladeposition angeordnet wird, in welcher der Ladestecker mit der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Die Vertiefung ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, wobei der Schwenkarmroboter mittels der Hubeinheit vollständig darin versenkt und aus der Vertiefung auch automatisch ausgefahren werden kann. Der eigentliche exakte Koppelvorgang des Ladesteckers der Ladestation an der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs erfolgt vorzugsweise durch entsprechende Ansteuerung der höhenverstellbaren Achse des Schwenkarmroboters. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise ebenfalls an der höhenverstellbaren Achse angeordnet sein, was eine besonders exakte Positionserkennung der Ladeschnittstelle an der Unterseite des Elektrofahrzeugs ermöglicht. Andere Positionierungen der Sensoreinrichtung sind natürlich auch möglich.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aller Wahrscheinlichkeit nach vor allem in Innenstädten ein zusätzlicher Flächenbedarf für Ladestationen entstehen wird, wenn diese wie üblich, oberirdisch installiert werden. Darüber hinaus wird es in historischen Stadtteilen oder auch aus rein ästhetischen Gesichtspunkten sehr wahrscheinlich zukünftig Restriktionen für die Installation derartiger oberirdisch installierter Ladestationen geben, damit beispielsweise ein Stadtbild nicht ästhetisch verschlechtert wird.
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Statt ein Elektrofahrzeug mittels einer herkömmlichen Überflur-Ladestation aufzuladen, ist es mittels der erfindungsgemäßen Ladestation möglich, das Elektrofahrzeug von unten aufzuladen. Die Ladestation als solche ist dabei in der besagten Vertiefung versenkbar und aus dieser ausfahrbar. Die Ladestation ist mit dem Schwenkarmroboter versehen, an welchem der Ladestecker zum Aufladen des Elektrofahrzeugs angebracht ist. Mittels der im Bereich des Ladesteckers angeordneten Sensoreinrichtung ist es möglich, eine Position einer Ladeschnittstelle, beispielsweise in Form einer Ladedose, an einer Unterseite des Elektrofahrzeugs zu bestimmen. Die Steuereinrichtung ermöglicht, durch entsprechende Ansteuerung der Hubeinheit und des Schwenkarmroboters, sodann den Ladestecker in der besagten Ladeposition anzuordnen, in welcher der Ladestecker mit der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Ladestation kann kostengünstig und insbesondere ohne zusätzlichen Raumbedarf und ohne optische Beeinträchtigungen verbaut werden. Zudem entsteht für Nutzer von Elektrofahrzeugen ein zusätzlicher Komfort- und Zeitgewinn, da ein Kopplungs- und Beladevorgang mittels der erfindungsgemäßen Ladestation auf einfache Weise automatisch erfolgen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass oberhalb des Gelenkarms ein Deckel angeordnet ist, welcher in der Verstauposition eine Öffnung der Vertiefung abschließt. Vorzugsweise verschließt der Deckel die Öffnung der Vertiefung bündig bezogen auf eine die Öffnung umgebende Fahrbahnoberfläche. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Deckel an seiner Oberseite mit der gleichen Oberfläche wie die Fahrbahnoberfläche versehen ist, welche die Öffnung umgibt. Beispielsweise kann der Deckel an seiner Oberseite mit einer Asphaltschicht oder auch mit Pflastersteinen oder dergleichen versehen sein. Dadurch fügt sich der Deckel der Ladestation in der versenkten Verstauposition des Schwenkarmroboters unauffällig und bündig in die restliche Umgebung ein. Insbesondere kann der Deckel auch bei Bedarf problemlos mittels beliebiger Fahrzeuge überfahren werden. Zudem wird ein optisches Erscheinungsbild rund um die Ladestation so gut wie gar nicht oder überhaupt nicht durch die versenkte Ladestation beeinflusst, da der Deckel sich ganz unauffällig in das Gesamtbild der restlichen Umgebung einfügt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Deckel an seiner Außenseite und/oder Unterseite eine Dichtung aufweist. Beispielsweise kann die Dichtung als umlaufende Ringdichtung oder dergleichen ausgeführt sein. Mittels der Dichtung kann sichergestellt werden, dass keine Flüssigkeit und auch keine anderen Stoffe in die in der Vertiefung versenkte Ladestation eindringen können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung eine CCD-Kamera umfasst. Eine Videokamera, die mit einem Halbleiterbildsensor anstelle einer Aufnahmeröhre arbeitet, wird als CCD- oder auch Chip-Kamera bezeichnet. Die für Aufnahmeröhren typischen Nachteile, wie eine Aufwärmphase bis zur Betriebsbereitschaft, ein Nachleuchten und Einbrennen, gibt es bei CCD-Kameras nicht. Durch das Vorsehen der CCD-Kamera ist die Sensoreinrichtung also besonders schnell betriebsbereit. Alternativ oder zusätzlich zur CCD-Kamera kann die Sensoreinrichtung auch andere Mittel aufweisen, um die Position der Ladeschnittstelle an der Unterseite des Elektrofahrzeugs zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ladestation eine in der Vertiefung anordenbare Wanne aufweist, welche die Ladestation gegenüber der Vertiefung abdichtet. Dadurch kann die Ladestation besonders gut gegenüber Umwelteinflüssen abgeschottet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wanne eine mit einer Dichtung versehene Öffnung zum Einführen einer Stromleitung aufweist. Genauso kann die Wanne auch beispielsweise eine mit einer Dichtung versehene Öffnung zum Herausführen derselben Stromleitung aufweisen. Ebenso ist es auf einfache Weise möglich, eine eigentliche Ladeeinheit der Ladestation mit der Stromleitung zu verbinden und die Stromleitung auch bei Bedarf wieder aus der Wanne herauszuführen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wanne an einer Oberseite einen mit einer Dichtung versehenen Flansch aufweist. Diese Dichtung kann beispielsweise mit dem zuvor erwähnten Deckel, welcher oberhalb vom Gelenkarm angeordnet ist, zusammenwirken, sodass in der Verstauposition der Hubeinheit die Ladestation zuverlässig nach oben abgedichtet wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, nach einem Beenden eines Ladevorgangs des Elektrofahrzeugs die Hubeinheit und den Schwenkarmroboter derart anzusteuern, dass der Ladestecker automatisch von der Ladeschnittstelle getrennt, der Gelenkarm an die Hubeinheit herangeklappt und der Schwenkarmroboter in der versenkten Verstauposition angeordnet wird. Sobald ein Ladevorgang beendet worden ist, wird also die gesamte Ladestation vorzugsweise automatisch in der Vertiefung versenkt. Ein Benutzer des Elektrofahrzeugs muss also nicht nur den Ladestecker nicht manuell anschließen, sondern er muss vorzugsweise nicht einmal mehr den Ladestecker noch manuell abziehen. Dadurch entsteht ein nochmals erhöhter Komfort- und Zeitgewinn für den Nutzer von Elektrofahrzeugen, da auch der Entkopplungsvorgang automatisch erfolgt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Ladestation oder einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladestation werden mittels einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einer mittels der Sensoreinrichtung bestimmten Position einer an einer Unterseite eines Elektrofahrzeugs angeordneten Ladeschnittstelle die Hubeinheit und der Schwenkarmroboter derart angesteuert, dass der Ladestecker in einer Ladeposition angeordnet wird, in welcher der Ladestecker mit der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs verbunden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladestation sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Ladestation und umgekehrt anzusehen, wobei die Ladestation insbesondere Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aufweist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Draufsicht auf ein Elektrofahrzeug, welches neben einem Parkplatz angeordnet ist, wobei ein Deckel einer im Boden versenkten Ladestation zu erkennen ist;
- 2 eine Seitenansicht der im Boden versenkbaren Ladestation, wobei ein Schwenkarmroboter in einer vertikal und horizontal ausgefahrenen Position dargestellt ist; und in
- 3 eine Draufsicht auf die Ladestation, wobei der Schwenkarmroboter in seiner eingeklappten Stellung dargestellt ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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Ein Elektrofahrzeug 1, welches neben einem Parkplatz 2 angeordnet ist, ist in einer Draufsicht in 1 gezeigt. In der vorliegenden Draufsicht ist ein Deckel 3 zu erkennen, welcher Teil einer Ladestation 4 ist, die erst in 2 und 3 zu erkennen ist.
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In 2 ist die Ladestation 4 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Ladestation 4 umfasst einen Schwenkarmroboter 5 mit einem in einer Bewegungsrichtung aus- und einklappbaren Gelenkarm 6. Gemäß der vorliegend dargestellten Anordnung des Schwenkarmroboters 5 kann der Gelenkarm 6 nur in der horizontalen Richtung ausgeklappt und eingeklappt werden. Im vorliegenden Fall umfasst der Gelenkarm 6 drei Arme 7, 8, 9. An dem äußeren Arm 9 ist eine quer zur Bewegungsrichtung des Gelenkarms 6 höhenverstellbare Achse 10 angeordnet, an welcher ein Ladestecker 11 zum Aufladen des Elektrofahrzeugs 1 angebracht ist.
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Die Ladestation 4 umfasst des Weiteren eine Hubeinheit 12, mittels welcher der gesamte Schwenkarmroboter 5 quer zur Bewegungsrichtung des Gelenkarms 6, gemäß der vorliegenden Darstellung also in vertikaler Richtung, zwischen einer in einer Vertiefung 13 vollständig versenkten Verstauposition und einer außerhalb der Vertiefung 13 angeordneten Position bewegbar ist. Im vorliegend gezeigten Fall ist der innerste der Arme 7 des Gelenkarms 6 an der Hubeinheit 12 befestigt, sodass durch Einfahren und Ausfahren der Hubeinheit 12 in vertikaler Richtung der gesamte Schwenkarmroboter 5 höhenverstellt werden kann.
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Im Bereich des Ladesteckers 11 ist noch eine hier nicht näher dargestellte Sensoreinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, eine Position einer Ladeschnittstelle an einer Unterseite des Elektrofahrzeugs 1 zu bestimmen. Des Weiteren umfasst die unterirdisch versenkbare Ladestation 4 noch eine Ladeeinheit 14, an welcher ein Stromkabel 15 und ein Ladekabel 16 angeschlossen sind. Das Ladekabel 16 ist wiederum mit dem Ladestecker 11 verbunden.
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Bei dem Ladekabel 16 muss es sich nicht nur um ein reines Ladekabel zum Übertragen von elektrischer Energie handeln. Zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, dass über das Ladekabel 16 unterschiedlichste Medien dem Elektrofahrzeug 1 über eine entsprechende fahrzeugseitige Medienschnittstelle zugeführt werden können. Es können unterschiedlichste Betriebsmittel, wie beispielsweise Schmiermittel, Waschflüssigkeiten und dergleichen schon während des Ladevorgangs nachgefüllt werden.
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Zudem weist die Ladestation 4 noch eine Steuereinrichtung 17 auf, welche dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der mittels der Sensoreinrichtung bestimmten Position der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs 1 die Hubeinheit 12 und den Schwenkarmroboter 5 derart anzusteuern, dass der Ladestecker 11 in einer Ladeposition angeordnet wird, in welcher der Ladestecker 11 mit der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs 1 verbunden ist.
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Oberhalb des Gelenkarms 6 ist der bereits erwähnte Deckel 3 angeordnet, welcher in der Verstauposition eine hier nicht näher gezeigte Öffnung der Vertiefung 13 verschließt. Vorzugsweise schließt der Deckel 3 mit seiner Oberseite 18 bündig mit dem restlichen Parkplatz 2 ab. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Oberseite 18 des Deckels 3 aus demselben Material besteht wie die Oberfläche des Parkplatzes 2. Beispielsweise ist es möglich, dass die Oberseite 18 des Deckels 3 aus Asphalt oder auch als Pflastersteinen besteht. So fügt sich die Oberseite 18 des Deckels 3 nahtlos und optisch unauffällig in den Parkplatz 2 ein, wenn die Ladestation 4 in ihrer versenkten Stellung angeordnet ist.
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Die Ladestation 4 umfasst des Weiteren eine in die Vertiefung 13 eingelassene Wanne 19, welche die Ladestation 4 gegenüber der Vertiefung 13 und somit gegenüber dem Erdreich abdichtet. Die Wanne 19 umfasst eine mit einer Dichtung 20 versehene, hier nicht näher bezeichnete Öffnung zum Einführen der bereits erwähnten Stromleitung 15. Des Weiteren umfasst die Wanne 19 eine weitere, hier nicht näher bezeichnete Öffnung, welche mit einer weiteren Dichtung 21 versehen ist, sodass die Stromleitung 15 wiederum aus der Wanne 19 herausgeführt werden kann, ohne dass durch die Einführöffnung und Ausführöffnung Flüssigkeit oder andere Medien eintreten können.
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Des Weiteren weist die Wanne 19 an einer nicht näher bezeichneten Oberseite einen mit einer Dichtung 22 versehenen Flansch 23 auf. Die Dichtung 22 ist im vorgegebenen Fall als ringförmige Dichtung ausgebildet, an welcher eine Unterseite 24 des Deckels 3 anliegt, wenn der Schwenkarmroboter 5 mittels der Hubeinheit 12 in der Vertiefung 13 vollständig versenkt angeordnet worden ist.
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Die bereits erwähnte Sensoreinrichtung, welche im Bereich des Ladesteckers 11 angeordnet ist, kann beispielsweise eine CCD-Kamera aufweisen, mittels welcher die Position der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle an der Unterseite des Elektrofahrzeugs 1 bestimmt werden kann. Andere Sensoren sind natürlich auch möglich.
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In 3 ist die Ladestation 4 in einer Draufsicht gezeigt, wobei der Gelenkarm 6 in seiner eingeklappten Position dargestellt ist. In der vorliegenden Darstellung ist nochmals gut die zylindrische Vertiefung 13 zu erkennen, in welcher der gesamte Schwenkarmroboter 5 versenkt werden kann.
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Sobald das Elektrofahrzeug 1 mit seiner Unterseite oberhalb des Deckels 3 der Ladestation 4 angeordnet worden ist, wird der Schwenkarmroboter 6 durch entsprechende Ansteuerung der Hubeinrichtung 12 zunächst nach oben ausgefahren und anschließend durch entsprechende Ansteuerung des Schwenkarmroboters in horizontaler Richtung ausgeklappt. Mittels der im Bereich des Ladesteckers 11 angeordneten Sensoreinrichtung wird sodann die genaue Position der Ladeschnittstelle an der Unterseite des Elektrofahrzeugs 1 bestimmt. Die Absolutposition der Ladeschnittstelle kann einerseits in Abhängigkeit vom genauen Fahrzeugtypen des Elektrofahrzeugs 1 und auch in Abhängigkeit von der Relativposition des Elektrofahrzeugs 1 gegenüber der Ladestation 4 variieren.
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Sobald mittels der Sensoreinrichtung die Position der Ladeschnittstelle an der Unterseite des Elektrofahrzeugs 1 gegenüber der Ladestation 4 bestimmt worden ist, steuert die Steuereinrichtung 14 den Schwenkarmroboter 6 entsprechend an, um zunächst den Ladestecker 11 in horizontaler Richtung und anschließend in vertikaler Richtung so zu positionieren, dass der Ladestecker 11 von unten in die Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs 1 angesteckt und mit dieser verbunden werden kann.
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Sobald der Ladevorgang beendet worden ist, steuert die Steuereinrichtung 4 zunächst die vertikale Achse 10 des Schwenkarmroboters 5 so an, dass der Ladestecker 11 nach unten vom Elektrofahrzeug 1 weg bewegt und somit der Ladestecker 11 von der Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs 1 getrennt wird. Anschließend wird durch entsprechende Ansteuerung des Schwenkarmroboters 5 der Gelenkarm 6 in die in 3 gezeigte Position eingeklappt. Sobald der Gelenkarm 6 soweit eingeklappt worden ist, dass dieser problemlos in der Vertiefung 13 versenkt werden kann, wird die Hubeinrichtung 12 betätigt, infolgedessen der gesamte Schwenkarmroboter 5 soweit abgesenkt wird, bis der Deckel 3 mit seiner Unterseite 24 auf der Dichtung 22 aufliegt und die Oberseite 18 bündig mit dem Parkplatz 2 abschließt.
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Die beschriebene Ladestation 4 kann selbstverständlich nicht nur im Bereich von Parkplätzen 2 verwendet werden. Die Ladestation 4 ist insbesondere überall dort sinnvoll einsetzbar, wo die Ladestation 4 im öffentlichen Raum eingesetzt wird. Mittels der im Boden versenkbaren Ladestation 4 ist es auf einfache Weise möglich, Ladeinfrastrukturen besonders platzsparend, insbesondere auch in Innenstädten, anzubieten, ohne dass das optische Bild der Städte durch die Ladestation 4 beeinträchtigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012014936 A1 [0003]
- DE 102009006982 A1 [0003]
- DE 102015213160 A1 [0003]
