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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und mit einer Ladeeinrichtung zum Austauschen von elektrischer Energie zwischen diesen Energiespeicher und einer Ladestation, an welcher das Kraftfahrzeug über eine fahrzeugeigene Ladeeinrichtung angeschlossen werden kann. Diese Ladeeinrichtung weist hierzu zwei Kontaktpole auf, von denen jeder eine elektrische Kontaktfläche zum Berühren einer korrespondierenden Spannungsabgriffsfläche der Ladestation aufweisen. Mit anderen Worten werden für das Austauschen der Energie zwei Kontaktpole der Ladeeinrichtung gegen gegen jeweils eine korrespondierende Spannungsabgriffsfläche der Ladestation gedrückt, um hierdurch einen elektrischen Kontakt mit der Ladestation herzustellen. Die Erfindung umfasst auch ein Ladesystem, das auf Grundlage des beschriebenen Kraftfahrzeugs und der beschriebenen Ladestation gebildet ist, sowie ein Verfahren zum Durchführen des beschriebenen Ladevorgangs.
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Ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Fahrantrieb kann einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, der an einer elektrischen Ladestation mit elektrischer Energie nachgeladen werden kann. Hierzu muss allerdings eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Kontaktpolen der Ladeeinrichtung des Kraftfahrzeugs einerseits und der Ladestation andererseits hergestellt werden.
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Hierbei ist man daran interessiert, dass ein Benutzer diese elektrische Verbindung mit wenigen Handgriffen und dennoch zuverlässig herstellen kann. Ein Aspekt hierbei ist das Manövrieren des Kraftfahrzeugs in die korrekte Parkposition, von welcher aus die elektrische Verbindung zu der Ladestation hergestellt werden kann. Ein weiterer Aspekt ist das Herstellen einer zuverlässigen elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktpolen der Ladeeinrichtung einerseits und den elektrischen Abgriffspolen der Ladestation andererseits.
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Aus der
DE 10 2017 214 430 A1 ist bekannt, dass die Energieübertragung zwischen Ladestation und Kraftfahrzeug induktiv erfolgen kann. Hierzu müssen die Ladestation und das Kraftfahrzeug jeweils eine elektrische Spule aufweisen, um ein magnetisches Wechselfeld auszutauschen. Nachteilig beim Induktionsladen ist, dass ein Fremdkörper im Luftspalt zwischen den beiden Spulen zu einem Ladeproblem führen kann.
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Hierzu beschreibt die
DE 10 2014 212 857 A1 , dass während des induktiven Ladens ein Fremdobjekt detektiert werden kann und dann der Ladevorgang abgebrochen wird. Dann steht aber für den Benutzer bei der Wiederinbetriebnahme des Kraftfahrzeugs nicht die erwartungsgemäße Energiemenge im Energiespeicher zur Verfügung.
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Aus der
DE 10 2017 115 909 A1 ist bekannt, dass ein Kraftfahrzeug eine Ladeeinrichtung mitführen kann, die am Fahrzeugboden einen Steckkontakt vorsieht, der in eine im Fahruntergrund eingelassene Buchse einer Ladestation automatisiert eingesteckt werden kann. Da sich die Buchse am Boden befindet, kann sich auf ihr Schmutz ansammeln, welcher das Herstellen eines elektrischen Kontaktes stört. Daher muss diese Ladeeinrichtung ein starkes Gebläse verwenden, um die Buchse freizublasen, bevor der Stecker eingesteckt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftfahrzeug mit elektrischem Energiespeicher dessen Ladeeinrichtung zuverlässig an eine Ladestation anzuschließen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Die Erfindung bildet das beschriebene Kraftfahrzeug weiter, das heißt ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und mit einer Ladeeinrichtung zum Austauschen der elektrischer Energie zwischen diesem Energiespeicher und einer Ladestation. Das Austauschen der Energie kann das Nachladen in den Energiespeicher und/oder das Rückspeisen aus dem Energiespeicher hin zur Ladestation umfassen. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie sein, das heißt ein elektro-chemischer Akkumulator mit einer elektrischen Spannung von mehr als 60 Volt, insbesondere mehr als 100 Volt. Die Ladeeinrichtung weist zwei Kontaktpole auf, von denen jeder eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche oder Kontaktierungsfläche zum Berühren einer korrespondierenden elektrisch leitfähigen Spannungsabgriffsfläche eines jeweiligen elektrischen Abgriffspols der Ladestation aufweist. Die Erfindung geht also davon aus, dass an der Ladestation zwei frei zugängliche elektrische Spannungsabgriffsflächen zur Verfügung stehen, zwischen welchen eine elektrische Ladespannung anliegt. Gegen diese Spannungsabgriffsflächen können die Kontaktflächen von Kontaktpolen der Ladeeinrichtung gedrückt oder gerieben werden. Hierzu kann das Kraftfahrzeug an die Ladestation herangefahren werden, bis die Kontaktflächen der Kontaktpole an den Spannungsabgriffsflächen anliegen. Ein Kontaktpol kann z.B. eine Metallplatte sein.
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Um das Herstellen eines elektrischen Kontaktes zwischen den Kontaktflächen der Kontaktpole der Ladeeinrichtung einerseits und den korrespondierenden Spannungsabgriffsflächen der Ladestation andererseits zuverlässig durchführen zu können, ist erfindungsgemäß Folgendes vorgesehen. Die jeweilige Kontaktfläche der Kontaktpole, also deren Oberfläche, über welche der elektrische Ladestrom für den Energiespeicher fließen soll, ist in Bezug auf eine Vorwärtsfahrtrichtung des Kraftfahrzeugs schräg ausgerichtet, und zwar derart, dass eine Flächennormale der Kontaktfläche mit der Vorwärtsfahrtrichtung einen Winkel einschließt, dessen vertikaler Anteil kleiner als 90 Grad ist, insbesondere kleiner als 80 Grad. Die Kontaktflächen weisen also schräg nach vorne, sind also nicht frontal nach vorne ausgerichtet, sondern stattdessen nach unten geneigt, das heißt die Flächennormale weist zum Fahruntergrund des Kraftfahrzeugs hin. Rollt das Kraftfahrzeug vorwärts und berührt dabei ein Kontaktpol mit seiner derart schräg ausgerichteten Kontaktfläche ein Hindernis, so findet also eine Kraftumlenkung statt und die Kontaktfläche wird schräg nach oben gedrückt. Zumindest dann, wenn die Kontaktpole in einer solchen Ladestellung beispielsweise ausgefahren sind oder für das Austauschen der Energie derart ausgerichtet sind, sind also die Kontaktflächen dabei unterhalb einer Ebene des Fahrzeugbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet. Mit anderen Worten sind die Kontaktflächen unterhalb des Fahrzeugbodens in der beschriebenen Schrägstellung (schräg nach vorne und unten) angebracht, zumindest für den Fall, dass die Kontaktpole beispielsweise ausgefahren sind und sich in der Ladestellung befinden. Damit sind die Kontaktpole unter dem Fahrzeugboden exponiert, das heißt sie sind von einem Frontbereich vor dem Kraftfahrzeug aus gesehen entlang einer horizontalen, entgegen zur Vorwärtsfahrtrichtung gerichteten Geraden zugänglich angeordnet. Mit anderen Worten ragen also die Kontaktflächen der Kontaktpole unterhalb des Fahrzeugbodens derart hervor, dass sie von frontal vor dem Kraftfahrzeug aus gesehen entlang einer geraden Linie zugänglich oder erreichbar sind. Damit kann also das Kraftfahrzeug die Kontaktpole mit ihren Kontaktflächen unterhalb des Fahrzeugbodens beim Geradeausrollen mitführen, bis diese Kontaktflächen gegen ein Hindernis stoßen, bei dem es sich dann insbesondere um die Spannungsabgriffsflächen der Ladestation handelt.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass das Kraftfahrzeug mit den Kontaktpolen seiner Ladeeinrichtung auf Spannungsabgriffsflächen der Ladestation geradeaus zurollen kann und dann die schräg ausgerichteten Kontaktflächen diese Spannungsabgriffsflächen aufgeschoben und hierbei durch ihre schräge Ausrichtung die entstehende Kraft schräg nach oben in die Kontaktpole abgelenkt wird. Hierdurch kann zum einen eine Reibbewegung der Kontaktflächen bezüglich der Spannungsabgriffsflächen verursacht werden, was wiederum ein Blankscheuern oder Blankreiben der elektrisch leitfähigen Oberflächen ermöglichen kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kraft als Anpresskraft zum Sicherstellen einer elektrischen Kontaktierung genutzt werden.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Wie bereits beschrieben, ragen die Kontaktpole mit ihren Kontaktflächen unter dem Fahrzeugboden nur hervor, wenn sich die Kontaktpole in der besagten Ladestellung befinden. Dies kann permanent vorgesehen sein. In einer alternativen Ausführungsform sind dagegen die Kontaktflächen stattdessen an einer Verfahrmechanik angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, die Kontaktflächen mittels zumindest eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen Aktuators in Abhängigkeit von einem Steuersignal zwischen der besagten Ladestellung (ausgefahren) und einer Verstaustellung (eingefahren) zu bewegen. In der Verstaustellung sind die Kontaktflächen in einen Verstauschacht eingezogen. Insbesondere ragen die Kontaktpole in der Verstaustellung nicht über die Ebene des Fahrzeugbodens hinaus nach unten, sondern sind oberhalb dieser Ebene angeordnet oder eingezogen. Beispielsweise sind sie innerhalb des Fahrzeugbodens in einen Verstauschacht eingezogen. Somit ist verhindert, dass die Kontaktpole abbrechen, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise über unebenen Fahruntergrund rollt, und/oder dass sie während einer Fahrt verdrecken. Soll der Energiespeicher nachgeladen werden, können dann mittels der Verfahrmechanik durch Erzeugen eines Steuersignals (dies kann beispielsweise durch ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs erzeugt werden) die Kontaktpole nach unten hin in die Ladestellung ausgefahren werden, sodass dann durch eine Rollbewegung des Kraftfahrzeugs die Kontaktflächen der Kontaktpole gegen Spannungsabgriffsflächen einer Ladestation bewegt oder gedrückt werden können.
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In einer Ausführungsform ist die jeweilige Kontaktfläche durch eine ebene Platte ausgebildet. Als Material für die Kontaktpole mit ihren elektrisch leitfähigen Kontaktflächen kann beispielsweise Stahl oder Kupfer oder Aluminium oder eine Metalllegierung vorgesehen sein. Die Ausgestaltung als Platte weist den Vorteil auf, dass ein großflächiger oder gleichmäßiger Anlagebereich oder Berührbereich sichergestellt werden kann. Alternativ dazu kann die jeweilige Kontaktfläche als Bestandteile einer Kufe mit gebogener Spitze oder als Bestandteil einer konvex gekrümmten Platte ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist die Kontaktfläche nach außen gewölbt oder gekrümmt geformt. Hierdurch ist sichergestellt, dass zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche in der beschriebenen Weise mit der Flächennormalen schräg nach vorn ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform ist die jeweilige Kontaktfläche konvex gekrümmt. Mit anderen Worten ist die Kontaktfläche ein nach innen gewölbter oder hohler Bereich. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Kraftverlauf, das heißt eine Abhängigkeit von Rollbewegung zu entstehender Anpresskraft der Spannungsabgriffsflächen gegen die Kontaktflächen, durch die Form der Krümmung festgelegt oder eingestellt werden kann. So kann beispielsweise der Kraftverlauf der Andruckkraft in Abhängigkeit vom Fahrweg so eingestellt werden, dass ein bestimmter Kraftzuwachs, beispielsweise 10 Newton, pro gerolltem Zentimeter bewirkt werden kann.
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In einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen jeweils an einem gefederten Teleskoparm und/oder an einer gefederten Aufhängung angeordnet. Die Kontaktflächen sind hierdurch in vertikaler Richtung oder z-Richtung gefedert angeordnet. Mit anderen Worten können die Kontaktflächen aufgrund der Federung in vertikaler Richtung einer Andruckkraft der Spannungsabgriffsflächen ausweichen. Das heißt, die Kontaktpole rutschen nach oben vertikal weg, wenn das Kraftfahrzeug nach vorne rollt und die Kontaktpole mit den Kontaktflächen gegen einen Gegenstand drückt, beispielsweise die Spannungsabgriffsflächen der Ladestation. Damit lässt sich insbesondere eine solche Kontaktfläche auch entlang eines vorgegebenen Verfahrwegs, beispielsweise mehr als 0,5 Zentimeter oder mehr als 1 Zentimeter, über eine Spannungsabgriffsfläche hinweg schieben, was ein Reiben zwischen den Kontaktflächen der Kontaktpole und den Spannungsabgriffsflächen der Ladestation ermöglicht. Damit lässt sich Oxidation und/oder Verdreckung wegschleifen. Dies stellt einen zuverlässigen elektrischen Kontakt sicher.
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Um den Rollweg des Kraftfahrzeug (bei sich bereits berührenden Kontaktpolen und Spannungsabgriffsflächen) ausreichend groß für dieses Schleifen zu machen, ist in einer Ausführungsform ein Federweg in vertikaler Richtung größer als 10 Zentimeter. Damit kann sogar sichergestellt werden, dass ein Gegenstand, gegen welchen die Kontaktflächen gedrückt werden, sogar vollständig überfahren werden kann, weil die Kontaktpole nach oben hin in vertikaler Richtung ausweichen können und beispielsweise durch den Federweg sogar vollständig in die Verstaustellung geschoben werden können, also in den Verstauschacht hineingedrückt werden können.
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Mehrere Ausführungsformen betreffen den Aspekt, dass die Berührung der Kontaktflächen der Kontaktpole an den Spannungsabgriffsflächen elektrisch detektiert werden kann, da im Moment der Berührung die besagte elektrische Ladespannung, die zwischen den Spannungsabgriffsflächen der Ladestation anliegt, im Kraftfahrzeug durch eine Messschaltung der Ladeeinrichtung auch zwischen den Kontaktpolen gemessen oder detektiert werden kann.
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In einer Ausführungsform misst eine Steuerschaltung mittels der besagten Messschaltung eine Stromstärke eines zwischen den Kontaktflächen fließenden elektrischen Stroms. Es wird also detektiert, wie viel Strom bei der gegebenen elektrischen Kontaktierung zwischen den Kontaktpolen und der Ladestation aktuell möglich ist. Mittels eines In-Ordnung-Signals signalisiert die Steuerschaltung, dass das Kraftfahrzeug bezüglich der Ladestation eine korrekte Ladeposition für das Austauschen der Energie erreicht hat, falls diese Stromstärke größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Wird also ein Ladestrom oder ein Prüfstrom mit einer vorbestimmten Mindeststromstärke (größer als der besagte Schwellenwert) gemessen, so ist offensichtlich der Stromfluss nicht mehr durch einen Abstand und/oder Korrosion und/oder Verdreckung gehemmt. Dann kann das Kraftfahrzeug in dieser korrekten Ladeposition angehalten werden, um den Ladevorgang durchzuführen. Die Detektion der korrekten Ladeposition des Kraftfahrzeugs wird also durch den fließenden Strom ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, für den Fall, dass die Stromstärke zwar größer als 0, aber kleiner als der Schwellenwert ist, mittels eines Korrektursignals eine vorbestimmte Fahrzeugbewegung des Kraftfahrzeugs auszulösen, durch welche eine Schleifbewegung der Kontaktflächen an der jeweiligen Spannungsabgriffsfläche der Ladestation verursacht wird. Wird also eine erfolgreiche Berührung oder Kontaktierung detektiert (Stromstärke größer als 0), ergibt sich dabei aber kein Ladestrom oder Prüfstrom mit einer ausreichenden Stromstärke (größer als der Schwellenwert), so liegt offensichtlich Korrosion oder eine Verdreckung vor. Durch die Schleifbewegung werden die Kontaktflächen der Kontaktpole an den Spannungsabgriffsflächen der Ladestation gerieben, wodurch die Korrosion und/oder Verdreckung abgeschliffen werden kann. Hierzu kann der Fachmann ein entsprechendes Korrektursignal zum Auslösen oder Vorgeben einer geeigneten Fahrzeugbewegung des Kraftfahrzeugs definieren. Eine geeignete Fahrzeugbewegung ergibt sich insbesondere aus der Ausgestaltung der Kontaktflächen und der korrespondierenden Spannungsabgriffsflächen.
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So sieht eine Ausführungsform vor, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, mittels des Korrektursignals als Fahrzeugbewegung eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu verursachen, die insbesondere mindestens einmal, bevorzugt mehrmals wiederholt wird. Hierdurch ergibt sich eine Schmiergel- oder Schleifbewegung zwischen den Kontaktflächen und den Spannungsabgriffsflächen. Übersteigt dann die Stromstärke den Schwellenwert, so kann das In-Ordnung-Signal erzeugt werden. Andernfalls kann eine alternative Maßnahme ausgelöst werden, die er Fachmann in Abhängigkeit von den technischen Gegebenheiten der Ladestation festlegen kann.
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In Bezug auf die Ladespannung sieht eine Ausführungsform vor, dass die Ladeeinrichtung dazu eingerichtet ist, über die Kontaktflächen der Kontaktpole eine Ladespannung von betragsmäßig (größer als 0 Volt und) maximal 60 Volt DC (DC - Gleichstrom) zu empfangen und die Ladespannung mittels einer Wandlerschaltung in eine Hochvolt-Spannung größer als 60 Volt umzuwandeln und diese gewandelte Hochvolt-Ladespannung an den Energiespeicher abzugeben. Mit anderen Worten erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie zwischen Ladestation und Kraftfahrzeug auf Basis einer elektrischen Ladespannung kleiner als 60 Volt oder maximal 60 Volt. Damit können die Kontaktpole und entsprechend auch die Spannungsabgriffsflächen der Ladestation ohne Hochvolt-Berührschutz ausgestaltet werden und damit beispielsweise als blanke (unbedeckte) Kontaktflächen, beispielsweise Kupferflächen oder Aluminiumflächen oder Stahlflächen, vorgesehen sein, die durch ein Fahrmanöver des Kraftfahrzeugs in Berührung gebracht werden.
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Die Kombination aus einem Kraftfahrzeug der beschriebenen Art und einer Ladestation ergibt ein Ladesystem, das ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist. Das erfindungsgemäße Ladesystem umfasst also ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung und eine Ladestation, die eine Bodeneinheit aufweist, welche dazu eingerichtet ist, zwischen zwei Spannungsabgriffsflächen eine elektrische Ladespannung mit einem Spannungswert kleiner als 60 Volt zu erzeugen. Diese Spannungsabgriffsflächen sind dabei bezüglich einer horizontalen Ebene jeweils schräg angeordnet, das heißt es handelt sich jeweils um geneigte oder gekrümmte Oberflächen, die nach schräg oben ausgerichtet sind. Das Erzeugen einer elektrischen Ladespannung kann in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise erfolgen. Diese elektrische Ladespannung wird dann zwischen den Spannungsabgriffsflächen bereitgestellt. Die Spannungsabgriffsflächen sind elektrisch leitfähig und können Oberflächen aus einem Metall sein, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder Stahl oder einer Metalllegierung.
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In einer Ausführungsform ist die jeweilige Spannungsabgriffsfläche durch eine ebene Platte gebildet. Ein entlang einer horizontal ausgerichteten Bewegungstrajektorie auf die Spannungsabgriffsfläche auftreffender Kontaktpol einer Ladeeinrichtung eines Kraftfahrzeugs kommt somit in jedem Bereich der ebenen Platte im selben Auftreffwinkel auf die Platte auf. In einer Ausführungsform ist die Spannungsabgriffsfläche als eine konvex gekrümmte Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Bauteils gebildet. Hierdurch kann eine Andruckkraft in Abhängigkeit vom Fahrweg eines sich nähernden Kraftfahrzeugs durch die Form und/oder Krümmung der konvex gekrümmten Oberfläche als Funktion des Rollwegs oder Fahrwegs festgelegt werden.
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Im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs, bei welchem das Kraftfahrzeug mit Kontaktflächen in der beschriebenen Ladestellung (also unter dem Fahrzeugboden ausgefahren oder dort positioniert) auf die korrespondierenden Spannungsabgriffsflächen der Ladestation zugerollt wird. Mit anderen Worten werden also die Kontaktflächen horizontal über den Fahruntergrund bewegt, während das Kraftfahrzeug rollt. Damit können sich die Kontaktflächen der Kontaktpole auch horizontal auf die Spannungsabgriffsflächen zu bewegen, bis die Kontaktflächen die Spannungsabgriffsflächen berühren und an diesen schleifen. Die beschriebene Steuerschaltung detektiert derweil, dass über die Kontaktflächen ein elektrischer Strom mit einer Stromstärke größer als der beschriebene Schwellenwert fließt. Dann wird das Kraftfahrzeug in dieser Ladeposition zum Stillstand gebracht. Hierfür kann die Steuerschaltung das Kraftfahrzeug selbst steuern, also einen autonomen Fahrbetrieb vorsehen, oder einen Fahrer des Kraftfahrzeugs mittels des beschriebenen In-Ordnung-Signals signalisieren, dass der Fahrer das Kraftfahrzeug zum Stillstand bringen soll. Dies kann beispielsweise mittels einer grafischen Anzeige und/oder einer akustischen Ausgabe und/oder einer haptischen Ausgabe an den Fahrer erfolgen.
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Zum Durchführen der Verfahrensschritte kann die Steuerschaltung eine Prozessoreinrichtung mit zumindest einem Mikroprozessor und/oder zumindest einem Mikrocontroller aufweisen. Hierbei kann die Prozessoreinrichtung auch einen Datenspeicher aufweisen, in welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, welche bei Ausführung durch die Prozessoreinrichtung diese dazu veranlassen, das Verfahren auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems, während ein Ladevorgang und/oder ein Rückspeisevorgang durch eine Rollbewegung eines Kraftfahrzeugs des Ladesystems vorbereitet wird;
- 2 eine schematische Darstellung des Ladesystems, während das Kraftfahrzeug eine für das Austauschen der Energie vorgesehene Ladeposition eingenommen hat; und
- 3 eine Ladeeinrichtung des Kraftfahrzeugs, die einen elektrischen Ladestrom von Spannungsabgriffsflächen einer Ladestation des Ladesystems abgreift.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Ladesystem 10, das ein Kraftfahrzeug 11 und eine Ladestation 12 mit einer Bodeneinheit 12' umfassen kann. Durch die Bodeneinheit 12' können auf einem Fahruntergrund 13 elektrische Abgriffspole 14 bereitgestellt sein, die Spannungsabgriffsflächen 15 aufweisen können, zwischen denen durch eine Wandlerschaltung 16 eine elektrische Ladespannung erzeugt oder bereitgestellt werden kann. Die Ladespannung kann dabei einen Wert kleiner als 60 Volt oder 60 Volt betragen, sodass es sich um eine sogenannte berührsichere Spannung handelt. Es handelt sich insbesondere um eine Gleichspannung. Die Wandlerschaltung 16 kann die Ladespannung durch Wandeln einer elektrischen Versorgungsspannung aus einem öffentlichen Versorgungsnetz 17 erzeugen, bei dem es sich um ein öffentliches Stromnetz handeln kann, das beispielsweise eine elektrische Wechselspannung von 230 Volt oder 110 Volt oder 400 Volt Drehstrom bereitstellen kann. Die Wandlerschaltung 16 kann in an sich bekannter Weise beispielsweise einen AC/DC-Wandler (AC - Wechselstrom, DC - Gleichstrom) aufweisen.
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Durch die Ladespannung kann für das Kraftfahrzeug 11 ein elektrischer Ladestrom erzeugt werden, der zum Austauschen von elektrischer Energie zwischen einem Energiespeicher 18 des Kraftfahrzeugs 11 und der Ladestation 12 genutzt werden kann, insbesondere für einen Nachladevorgang zum Übertragen von Energie in den Energiespeicher 18. Für einen Rückspeisevorgang kann die Ladespannung kleiner als die Eigenspannung des Energiespeichers 18 eingestellt werden. Der Energiespeicher 18 kann beispielsweise ein sogenannter Hochvoltspeicher mit einer elektrischen Spannung größer als 60 Volt sein. Es kann sich um eine Hochvoltbatterie oder eine Traktionsbatterie handeln. Der Energiespeicher 18 kann für einen elektrischen Fahrantrieb 19 des Kraftfahrzeugs 11 vorgesehen sein. Die an den Spannungsabgriffsflächen 15 abgegriffene elektrische Ladespannung kann in an sich bekannter Weise durch eine Wandlerschaltung 20 des Kraftfahrzeugs 11 in eine Hochvoltspannung des Energiespeichers 18 gewandelt werden. Es kann sich bei der Wandlerschaltung 20 beispielsweise um eine DC/DC-Wandlerschaltung handeln.
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Für das Austauschen von elektrischer Energie kann das Kraftfahrzeug 11 die Ladespannung an den Spannungsabgriffsflächen 15 mittels einer Ladeeinrichtung 21 abgreifen. Die Ladeeinrichtung 21 kann zwei elektrische Kontaktpole 22 aufweisen, von denen in 1 aufgrund der Seitenansicht nur einer dargestellt ist. Jeder Kontaktpol 22 kann beispielsweise an einem Teleskoparm 23 oder einer gefederten Aufhängung angeordnet sein, durch welche für die Kontaktpole 22 jeweils ein vertikaler Federweg 23` nach oben ermöglicht werden kann. Mittels einer Verfahrmechanik 24 mit einem Aktuator 24' kann jeder Kontaktpol 22 in eine Ladestellung 25 verfahren werden, in welcher der Kontaktpol 22 unterhalb eines Fahrzeugbodens 26 des Kraftfahrzeugs 11 angeordnet ist. Hierdurch ist dann eine jeweilige Kontaktfläche 27 des jeweiligen Kontaktpols 22 von einem Frontbereich 28 des Kraftfahrzeugs aus entgegen einer Vorwärtsfahrtrichtung 29 entlang einer Linie 30 auf geradem Wege zu erreichen. Wieder mit anderen Worten, befinden die Abgriffspole 14 der Bodeneinheit 12 im Fahrweg oder Fahrschlauch des Kraftfahrzeugs 11 und berühren die Kontaktpole 22 in der Ladestellung 25 die Spannungsabgriffsflächen 15 beim Überrollen der Abgriffspole 14.
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2 veranschaulicht eine solche Ladeposition 31 des Kraftfahrzeugs 11, wenn die Kontaktflächen 27 jedes Kontaktpols 22 jeweils eine der Spannungsabgriffsflächen 15 einer der Abgriffspole 14 berührt. Dann liegt die elektrische Ladespannung auch zwischen den Kontaktpolen 22 an und es kann der beschriebene Ladestrom in den Energiespeicher 18 fließen.
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Durch die Verfahrmechanik 24 kann eine Abwärtsbewegung 24" der Kontaktpole 22 in die Ladestellung 25 bewirkt werden. Durch den Teleskoparm 23 oder eine gefederte Aufhängung kann hierbei aber eine Ausweichbewegung senkrecht nach oben für die Kontaktpole 22 ermöglicht sein.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Situation von 2. Um die Kontaktfläche 27 eines Kontaktpols 22 und/oder die Spannungsabgriffsfläche 15 eines Abgriffspols 14 blank zu scheuern, das heißt eine Oxidschicht und/oder Verdreckung zu entfernen und hierdurch einen Übertritt der elektrischen Ladespannung von den Spannungsabgriffsflächen 15 auf die Kontaktflächen 27 zu fördern oder zu verbessern, kann das Kraftfahrzeug entlang der Vorwärtsfahrrichtung 29 und entgegen der Vorwärtsfahrrichtung 29 hin und her gefahren oder gerollt werden. Dann ergibt sich eine Scheuerbewegung oder Reibbewegung der besagten Flächen 15, 27. Durch die vertikale Ausweichbewegung 23' wird hierbei vermieden, dass eine Andruckkraft der Kontaktfläche 27 auf die jeweilige Spannungsabgriffsfläche 15 größer als ein vorbestimmter Schwellenwert wird, beispielsweise größer als 10 Newton oder 20 Newton. Allgemein kann der Schwellenwert in einem Bereich von 5 Newton bis 50 Newton liegen.
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Insgesamt ergibt sich somit ein konduktives Laden des Energiespeichers 18 über die Ladeeinrichtung 21 des Kraftfahrzeugs 11 und die Bodeneinheit 12. Jeder Kontaktpol 22 kann beispielsweise als eine Kontaktplatte ausgestaltet sein, ein Abgriffspol 14 kann beispielsweise als Kugel oder Rohr ausgestaltet sein. Die Energieübertragung kann per elektrischem oder galvanischem Kontakt bei einer elektrischen Ladespannung kleiner als 60 Volt DC erfolgen.
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Für die Positionierung des Kraftfahrzeugs 11 in die Ladeposition 31 kann zunächst (1) die schräge Kontaktfläche 27 jedes Kontaktpols 22 nach unten hin ausgefahren werden, noch vor Erreichen der Abgriffspole 14. Bei Berühren der Spannungsabgriffsflächen 15 durch die Kontaktflächen 27 werden dann die Kontaktflächen 27 bestromt. Durch die Berührung fließt also ein Strom, sodass vom Kraftfahrzeug aus erkannt werden kann, dass die richtige Ladeposition 31 erreicht ist. Dies kann beispielsweise durch eine Steuerschaltung des Kraftfahrzeugs 11 erfasst oder erkannt werden. Die Steuerschaltung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Die Steuerschaltung ist in 2 als Steuerschaltung 32 dargestellt.
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Da ein Kontaktpol 22 federnd gelagert sein kann, kann er in vertikale Richtung oder z-Richtung die federnde Ausweichbewegung 23' ausführen. Dies ist vorteilhaft für den Fall, dass beispielsweise ein Fahrer trotz der Information, dass die korrekte Ladeposition 31 erreicht wurde (beispielsweise signalisiert durch ein In-Ordnung-Signal 33) und der Fahrer dennoch weiterfährt und die Abgriffspole 14 sogar überfährt. Zudem können die Kontaktflächen 27 oxidiert sein und/oder verunreinigt sein. Dies wird bevorzugt anhand eines in Bezug auf einen Schwellenwert zu geringen Stromfluss des Ladestroms vordefiniert oder erkannt. Weist der Stromfluss des Ladestroms eine Stromstärke größer als ein Schwellenwert auf, so werden die Kontaktflächen 27 als „sauber“, das heißt ausreichend leitfähig, erkannt. Dann ist keine Reinigungsmaßnahme notwendig. Durch eine Verunreinigung oder Oxidation kann allerdings auch das In-Ordnung-Signal 33 betreffend die Ladeposition 31 auch zu spät erkannt werden. Dies kann durch die federnde Aufhängung oder den Teleskoparm 23 kompensiert werden. Diese erlaubt auch die Schleifbewegung, sodass die besagte Selbstreinigung stattfinden kann. Durch ein Pulsieren oder Hin- und Herfahren oder -rollen des Kraftfahrzeugs 11 kann diese Reinigung noch verstärkt werden.
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Durch die Verwendung einer Ladespannung kleiner als 60 Volt kann auch auf aufwendige Isolationsmaßnahmen verzichtet werden.
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Somit ergibt sich insgesamt ein kostengünstiges Positionieren des Kraftfahrzeugs 11 für ein konduktives Übertragen von Energie in oder aus dessen Energiespeicher 18. Zudem ist auch das Reinigen von Kontaktflächen mit geringem technischem Aufwand ermöglicht.
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3 veranschaulicht noch einmal, wie eine Flächennormale 35 der Kontaktfläche 27 einen Winkel 36 mit der Vorwärtsfahrrichtung 29 einschließt, der kleiner als 90 Grad sein kann (gemessen in einer vertikal ausgerichteten Ebene, in welcher auch der Vektor der Vorwärtsfahrrichtung 29 liegt). Die Flächennormale 35 kann dabei senkrecht auf demjenigen Teil der Kontaktfläche 27 stehen, welcher die Spannungsabgriffsfläche 15 des Abgriffspols 14 berührt. Die Flächennormale 35 ist dabei zum Fahruntergrund 13 hin ausgerichtet. Insgesamt ist also die Kontaktfläche 27 schräg nach unten und nach vorne geneigt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein konduktives Laden mit eine Positionierung per Kontaktierung erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017214430 A1 [0004]
- DE 102014212857 A1 [0005]
- DE 102017115909 A1 [0006]
