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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladevorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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Eine solche Ladevorrichtung zum Aufladen eines zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom ausgebildeten Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, sowie ein solches Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladevorrichtung sind beispielsweise bereits der
DE 10 2014 226 357 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Ladevorrichtung umfasst einen Roboter mit wenigstens einem bewegbaren Roboterarm. Außerdem umfasst die Ladevorrichtung zumindest ein an dem Roboterarm gehaltenes und mittels des Roboterarms in elektrischen Kontakt mit einem korrespondierenden, kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement bewegbares, roboterseitiges Kontaktelement. Über das roboterseitige Kontaktelement kann elektrische Energie beziehungsweise elektrischer Strom zum Aufladen des Energiespeichers bereitgestellt werden. Sind die Kontaktelemente elektrisch miteinander verbunden, so kann die elektrische Energie von dem roboterseitigen Kontaktelement auf das kraftfahrzeugseitige Kontaktelement übertragen werden. Von dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement kann die elektrische Energie beispielsweise dem Energiespeicher zugeführt und in den Energiespeicher eingespeichert werden, wodurch der Energiespeicher aufgeladen wird.
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Außerdem offenbart die
EP 1 205 340 A1 ein Fahrzeugladesystem, mit einer Energiequelle zum Laden einer Batterie eines elektrischen Fahrzeugs.
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Darüber hinaus ist aus der
US 5 696 367 ein Verfahren bekannt, mittels welchem ein elektrisches Fahrzeug vorbereitet wird, um an einer Ladestation eine Batterie des elektrischen Fahrzeugs aufzuladen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ladevorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das roboterseitige Kontaktelement auf besonders einfache und präzise Weise mit dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement zumindest elektrisch verbunden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Ladevorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das roboterseitige Kontaktelement auf besonders einfache und präzise Weise mit dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement zumindest elektrisch verbunden werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Roboterarm wenigstens ein beispielsweise auch als Detektor, Laserdetektor oder Lasersensor bezeichneter Sensor gehalten ist, mittels welchem wenigstens ein von einer Laserquelle des Kraftfahrzeugs emittierter, das heißt ausgestrahlter beziehungsweise bereitgestellter Laserstrahl erfassbar ist. Dies bedeutet, dass die beispielsweise wenigstens oder genau eine Laserdiode umfassende Laserquelle des Kraftfahrzeugs Bestandteil des Kraftfahrzeugs und somit beispielsweise an dem Kraftfahrzeug beziehungsweise an einem beispielsweise als selbsttragende Karosserie ausgebildeten Aufbau des Kraftfahrzeugs gehalten ist. Da der Sensor dazu ausgebildet ist, den von der Laserquelle bereitgestellten Laserstrahl zu erfassen, ist der Sensor zu einer Laserdetektion ausgebildet.
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Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Roboterarm dazu ausgebildet ist, das roboterseitige Kontaktelement und den Sensor, welche an dem Roboterarm gehalten sind, relativ zu dem Kraftfahrzeug dreidimensional zu bewegen, um den Laserstrahl mittels des Sensors zu erfassen und die Kontaktelemente zumindest elektrisch miteinander zu verbinden. Um die Kontaktelemente zumindest elektrisch sowie vorzugsweise auch mechanisch miteinander zu verbinden, werden das roboterseitige Kontaktelement sowie der Sensor mittels des Roboterarms zunächst relativ zu dem Kraftfahrzeug und somit relativ zu der Laserquelle beispielsweise so lange bewegt, bis der Laserstrahl mittels des Sensors erfasst wird. Hierzu verfährt der Roboterarm beispielsweise den Sensor und somit das roboterseitige Kontaktelement entlang einer insbesondere rasterförmigen Bewegungsbahn beziehungsweise nach einem definierten und somit vorgegeben oder vorgebbaren Prozess. Mit anderen Worten werden beispielsweise der Sensor und somit das roboterseitige Kontaktelement nach einem vorgegebenen oder vorgebbaren Muster mittels des Roboterarms relativ zu dem Kraftfahrzeug bewegt. Fällt der Laserstrahl auf beziehungsweise in den Sensor, so wird der Laserstrahl mittels des Sensors erfasst. Dann ist eine Position des roboterseitigen Kontaktelements relativ zu dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement bekannt, sodass in der Folge dass roboterseitige Kontaktelement derart relativ zu dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement mittels des Roboters bewegt werden kann, dass die Kontaktelemente zumindest elektrisch miteinander verbunden werden. Die Position des roboterseitigen Kontaktelement relativ zu dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement ist bekannt, da beispielsweise eine Position des roboterseitigen Kontaktelement relativ zu dem Sensor sowie eine Position des kraftfahrzeugseitigen Kontaktelements relativ zu der Laserquelle bekannt sind. Insbesondere ist es denkbar, dass der Roboterarm den Sensor und somit das roboterseitige Kontaktelement zumindest zweidimensional oder vorzugsweise dreidimensional bewegt, bis der Laserstrahl mittels des Sensors erfasst wird. Wird daraufhin das roboterseitige Kontaktelement mittels des Roboterarms in elektrischen Kontakt mit dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement bewegt, so erfolgt insgesamt eine dreidimensionale, durch den Roboterarm bewirkte Bewegung des roboterseitigen Kontaktelements und des Sensors, um zunächst den von der Laserquelle emittierten Laserstrahl aufzufinden und dann das roboterseitige Kontaktelement zumindest elektrisch mit dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement zu verbinden. Unter dem Auffinden des Laserstrahls ist zu versehen, dass der Sensor mittels des Roboterarms solange relativ zu dem Kraftfahrzeug und somit so lange relativ zu der Laserquelle bewegt wird, bis der Laserstrahl mittels des Sensors erfasst wird.
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Die Laserquelle ist beispielsweise ein Laser, der den Laserstrahl senkrecht nach unten beziehungsweise parallel zur Fahrzeughochrichtung und dabei in Fahrzeughochrichtung von oben nach unten emittiert. Die Laserquelle beziehungsweise der Laser ist beispielsweise in der Mitte des kraftfahrzeugseitigen Kontaktelements angeordnet, welches als Ladedose oder Ladebuchse ausgebildet sein kann. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Sensor in der Mitte des roboterseitigen Kontaktelements angeordnet ist, welches beispielsweise als Ladestecker ausgebildet ist.
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Wird der Laserstrahl mittels des Sensors erfasst, das heißt detektiert, da der Laserstrahl in den Sensor einfällt, so befindet sich der Ladestecker in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise senkrecht unterhalb der Ladedose. In der Folge können die Kontaktelemente derart zumindest elektrisch miteinander verbunden werden, dass das roboterseitige Kontaktelement mittels des Roboterarms senkrecht beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben bewegt wird. Erfolgt beispielsweise das Auffinden des Laserstrahls durch eine durch den Roboterarm bewirkte, rein zweidimensionale und somit in genau zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen erfolgende Bewegung des Sensors und des roboterseitigen Kontaktelements, und wird nach Auffinden des Laserstrahls das roboterseitige Kontaktelement lediglich in Fahrzeughochrichtung und dabei nach oben bewegt, um die Kontaktelemente elektrisch miteinander zu verbinden, so erfolgt nach dem Auffinden des Laserstrahls beispielsweise ein rein eindimensionales, durch den Roboterarm bewirktes Bewegen des roboterseitigen Kontaktelements. Insgesamt ergeben das rein zweidimensionale Bewegen und das rein eindimensionale Bewegen des roboterseitigen Kontaktelements eine insgesamt dreidimensionale Bewegung des roboterseitigen Kontaktelements und des Sensors, um insgesamt des Laserstrahl aufzufinden und die Kontaktelemente zumindest elektrisch miteinander zu verbinden.
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Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung ist somit ein besonders einfacher Mechanismus, mittels welchem das roboterseitige Kontaktelement besonders präzise und somit besonders fein relativ zu dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement positioniert werden kann. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Ladevorrichtung eine besonders vorteilhafte Feinpositionierung des roboterseitigen Kontaktelements relativ zu dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement. In der Folge ist es möglich, dass beispielsweise ein Fahrer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug grob relativ zur Ladevorrichtung vorpositioniert, indem beispielsweise das Kraftfahrzeug in Fahrzeughochrichtung oberhalb der Ladevorrichtung abgestellt beziehungsweise geparkt wird. Da die Ladevorrichtung eine Feinpositionierung des roboterseitigen Kontaktelements ermöglicht, kann ein besonders großes Toleranzfenster realisiert werden, innerhalb welchem das Kraftfahrzeug über der Ladevorrichtung und somit über dem Roboterarm geparkt werden kann, sodass der Laserstrahl und das kraftfahrzeugseitige Kontaktelement immer noch mittels des Roboterarms aufgefunden werden können. In der Folge kann der beispielsweise als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), ausgebildete Energiespeicher des Kraftfahrzeugs besonders einfach und komfortabel geladen werden.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das roboterseitige Kontaktelement auf besonders einfache und präzise Weise mit dem kraftfahrzeugseitigen Kontaktelement zumindest elektrisch verbunden werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ladevorrichtung wenigstens einen Sensor aufweist, welcher zum Erfassen wenigstens eines von einer Laserquelle des Kraftfahrzeugs emittierten Laserstrahls ausgebildet und an dem Roboterarm gehalten ist. Mittels des Roboterarms werden der Sensor und das roboterseitige Kontaktelement relativ zu dem Kraftfahrzeug dreidimensional bewegt, um den Laserstrahl mittels des Sensors zu erfassen und die Kontaktelemente zumindest elektrisch miteinander zu verbinden. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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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 genannten und/oder in der einzigen Figur 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 der einzigen Fig. eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zum Aufladen eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.
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Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ladevorrichtung 10 zum Aufladen eines zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom ausgebildeten Energiespeichers 12 eines beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs 14. Das Kraftfahrzeug 14 ist beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet und weist in seinem vollständig hergestellten Zustand den Energiespeicher 12 und wenigstens eine in der Fig. nicht erkennbare elektrische Maschine auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug 14 elektrisch angetrieben werden kann. Hierzu wird die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben. Um die elektrische Maschine in dem Motorbetrieb zu betreiben, wird die elektrische Maschine mit in dem Energiespeicher 12 gespeicherter elektrischer Energie versorgt. Da das Kraftfahrzeug 14 mittels der elektrischen Maschine elektrisch angetrieben werden kann, wird die elektrische Maschine auch als Traktionsmaschine bezeichnet. Da die elektrische Maschine mittels des Energiespeichers 12 mit in dem Energiespeicher 12 gespeicherter elektrischer Energie versorgt werden kann, wird der Energiespeicher 12 auch als Traktionsspeicher bezeichnet. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie, ausgebildet. Insbesondere kann der Energiespeicher 12 als Hochvolt-Komponente ausgebildet sein. Somit weist der Energiespeicher 12 eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung, auf, welche größer als 50 Volt ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Dadurch können besonders große elektrische Leistungen zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs 14 realisiert werden.
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Um elektrische Energie in den Energiespeicher 12 einspeichern und dadurch den Energiespeicher 12 laden beziehungsweise aufladen zu können, weist das Kraftfahrzeug 14 eine kraftfahrzeugseitige Ladeeinrichtung 16 auf. Wie im Folgenden noch erläutert wird, umfasst die Ladeeinrichtung 16 ein kraftfahrzeugseitiges Kontaktelement, welches beispielsweise als Ladedose 18 ausgebildet ist. Die Ladedose 18 wird auch als Ladebuchse bezeichnet und ist an einem Unterboden 20 des Kraftfahrzeugs 14 angeordnet. Der Unterboden 20 ist beispielsweise durch einen Aufbau des Kraftfahrzeugs 14 gebildet, dessen Aufbau beispielsweise als selbsttragende Karosserie ausgebildet ist. Auf die Ladedose 18 kann elektrische Energie übertragen werden, welche von der Ladedose 18 auf den Energiespeicher 12 übertragen und in den Energiespeicher 12 eingespeichert werden kann. Dadurch wird der Energiespeicher 12 geladen.
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Um den Energiespeicher 12 besonders komfortabel und einfach laden zu können, umfasst die Ladevorrichtung 10 einen Roboter 21 mit wenigstens einem Roboterarm 22. Aus der Fig. ist erkennbar, dass der Roboter 21 beispielsweise als Industrieroboter ausgebildet ist. Hierbei umfasst der Roboter 21 den Roboterarm 22 sowie weitere, auch als Roboterachsen bezeichnete Roboterarme 24 und 26. Die Roboterarme 22, 24 und 26 sind gelenkig miteinander verbunden und dadurch relativ zueinander rotatorisch und/oder translatorisch bewegbar. Außerdem umfasst der Roboter 21 eine an einem Boden 28 befestigte Basis 30, über welche der Roboter 21 an dem Boden 28 befestigt ist. Aus der Fig. ist erkennbar, dass das Kraftfahrzeug 14 beispielsweise entlang des Bodens 28 gefahren werden kann. Hierdurch kann das Kraftfahrzeug 14 in Fahrzeughochrichtung oberhalb der Ladevorrichtung 10 und somit über dem Roboter 21 positioniert und insbesondere geparkt werden.
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Die Ladevorrichtung 10 weist zumindest ein an dem Roboterarm 22 gehaltenes und mittels des Roboterarms 22 in zumindest elektrischen Kontakt mit der Ladedose 18 bewegbares, kraftfahrzeugseitiges Kontaktelement in Form eines Ladesteckers 32 auf. Der Ladestecker 32 kann mittels des Roboters 21 und somit mittels des Roboterarms 22 relativ zu dem Kraftfahrzeug 14 im Raum umherbewegt werden, insbesondere während das Kraftfahrzeug 14 relativ zu dem Boden 28 stillsteht. Der Ladestecker 32 ist beispielsweise mit einer in der Fig. nicht dargestellten Energiequelle verbunden, welche elektrische Energie bereitstellen kann. Die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie kann auf den Ladestecker 32 übertragen und von dem Ladestecker 32 bereitgestellt werden. In elektrisch mit der Ladedose 18 verbundenem Zustand kann die von dem Ladestecker 32 bereitgestellte Energie von dem Ladestecker 32 auf die Ladedose 18 übertragen und schließlich von der Ladedose 18 auf den Energiespeicher 12 übertragen und in den Energiespeicher 12 eingespeichert werden. Dadurch wird der Energiespeicher 12 aufgeladen.
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Um nun das Kraftfahrzeug 14 beispielsweise innerhalb eines vorgebbaren Toleranzfelds grob relativ zur Ladevorrichtung 10 und dabei oberhalb der Ladevorrichtung 10 positionieren zu können und dabei den Ladestecker 32 relativ zur Ladedose 18 besonders präzise ausrichten zu können, ist an dem Roboterarm 22 wenigstens ein Sensor 34 gehalten, mittels welchem wenigstens ein von der Laserquelle 36 des Kraftfahrzeugs 14 emittierter Laserstrahl 38 erfassbar ist beziehungsweise erfasst wird. Der Roboterarm 22 beziehungsweise der Roboter 21 ist dabei dazu ausgebildet, den Ladestecker 32 und dabei gleichzeitig den Sensor 34 relativ zu dem Kraftfahrzeug 14 und relativ zu dem Boden 28 zu bewegen, um den Laserstrahl 38 mittels des Sensors 34 zu erfassen und die Kontaktelemente (Ladestecker 32 und Ladedose 18) zumindest elektrisch miteinander zu verbinden, insbesondere während eine Bewegung des Kraftfahrzeugs 14 und der Ladedose 18 relativ zu dem Boden 28 unterbleibt.
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Zunächst wird beispielsweise der Sensor 34 mittels des Roboterarms 22 zweidimensional oder aber dreidimensional entlang einer beispielsweise rasterförmigen Bewegungsbahn und somit entlang eines definierten Rasters und somit nach einem definierten Prozess relativ zu dem Kraftfahrzeug 14 bewegt, insbesondere so lange, bis der Laserstrahl 38 in den Sensor 34 einfällt. Dadurch wird der Laserstrahl 38 mittels des Sensors 34 erfasst. Daran anschließend wird der Ladestecker 32 mittels des Roboterarms 22 in Fahrzeughochrichtung nach oben bewegt, wodurch beispielsweise der Ladestecker 32 in die Ladedose 18 eingesteckt wird. Hierdurch werden die Kontaktelemente zumindest elektrisch und vorzugsweise auch mechanisch miteinander verbunden. Dann kann die elektrische Energie von dem Ladestecker 32 an die Ladedose 18 übertragen werden.
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Um den Laserstrahl 38 besonders schnell auffinden zu können, ist die beispielsweise als Laderdiode ausgebildete Laserquelle 36 in der Mitte der Ladedose 18 angeordnet. Ferner ist der Sensor 34 in der Mitte des Ladesteckers 32 angeordnet. Dadurch kann dann, wenn der Laserstrahl 38 aufgefunden wurde, der Ladestecker 32 einfach in Fahrzeughochrichtung nach oben bewegt werden, um die Kontaktelemente elektrisch miteinander zu verbinden. Die Ladevorrichtung 10 ist somit eine besonders einfache und somit kostengünstige Lösung, mittels welcher die Kontaktelemente besonders fein, das heißt präzise relativ zueinander positioniert werden können. Dadurch kann das zuvor genannte und auch als Toleranzfenster bezeichnete Toleranzfeld, innerhalb dessen das Kraftfahrzeug 14 über der Ladevorrichtung 10 geparkt werden kann, besonders groß ausgestaltet werden, wobei die Kontaktelemente trotz des großen Toleranzfensters auf einfache und komfortable Weise elektrisch miteinander verbunden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladevorrichtung
- 12
- Energiespeicher
- 14
- Kraftfahrzeug
- 16
- Ladeeinrichtung
- 18
- Ladedose
- 20
- Unterboden
- 21
- Roboter
- 22
- Roboterarm
- 24
- Roboterarm
- 26
- Roboterarm
- 28
- Boden
- 30
- Basis
- 32
- Ladestecker
- 34
- Sensor
- 36
- Laserquelle
- 38
- Laserstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226357 A1 [0002]
- EP 1205340 A1 [0003]
- US 5696367 [0004]
