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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum konduktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle zu einem Energiespeicher. Das Ladesystem umfasst eine Ladestation mit einem Kontaktkopf, der elektrisch leitend mit der externen Energiequelle und mit dem Energiespeicher verbindbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Ladestation für ein solches Ladesystem, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter einem Ladesystem ein automatisch zu betreibendes oder automatisiertes, konduktives Ladesystem zu verstehen. Ein solches Ladesystem kann beispielsweise zum elektrischen Aufladen eines solchen elektrischen Energiespeichers verwendet werden, der zum Speichern einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu den bekannten induktiven Ladesystemen, welche mit Hilfe elektrisch leitfähiger Sende- und Empfängerspulen auf induktivem Weg elektrische Energie übertragen, weist ein konduktives Ladesystem zumindest ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement, beispielsweise ein Kabel, auf, um die elektrische Energie kabelgebunden von der externen Energiequelle zu dem Energiespeicher zu transferieren oder zu übertragen. Um das elektrisch leitfähige Verbindungselement mit dem Energiespeicher zu kontaktieren, ist in der Regel ein Kontaktkopf mit elektrischen Kontakten oder Kontaktpunkten vorgesehen, welcher bevorzugt als ein Steckkopf ausgebildet ist und in eine entsprechende Ladebuchse des Energiespeichers eingesteckt werden kann.
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Das elektrisch leitfähige Verbindungselement (also das Kabel) und der Kontaktkopf sind in bekannten Ladesystemen bevorzugt in einer Ladestation untergebracht. In einem automatisierten Ladesystem ist die Ladestation bevorzugt fahrbahnseitig angeordnet, sodass eine in einem Kraftfahrzeugunterboden installierte Ladebuchse durch den Kontaktkopf kontaktiert werden kann, wenn das Kraftfahrzeug die Ladestation überfährt und oberhalb der Ladestation zum Halten und/oder Parken kommt. Um die Kontaktierung zwischen Kontaktkopf und Ladebuchse realisieren zu können, ist es in bekannten automatisierten Ladesystemen (im Gegensatz zu bekannten manuellen Ladesystemen, die nicht automatisiert betrieben werden können) vorgesehen, dass eine Verschiebeeinrichtung in der Ladestation vorhanden ist, die dazu ausgebildet ist, den Kontaktkopf optimal bezüglich der Ladebuchse zu positionieren. Dies kann entlang zumindest einer vorbestimmten Verschieberichtung in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal geschehen.
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Der beschriebene Kontaktkopf oder Steckkopf unterliegt aufgrund von Witterungsbedingungen und/oder aufgrund der Belastung durch die Ladestation überfahrende Kraftfahrzeuge einem beträchtlichen Verschleiß. Nachteilig bei bekannten konduktiven und automatisiert betriebenen Ladesystemen der eingangs beschriebenen Art ist es, dass bei einem an dem Kontaktkopf auftretenden Defekt die Ladestation als Ganzes oder zumindest zum Großteil ausgetauscht oder für eine Reparatur entfernt werden muss, da der Kontaktkopf nicht zerstörungsfrei von der Ladestation getrennt werden kann. Dies muss in der Regel unter einem hohen Kostenaufwand und/oder einem großen zeitlichen Aufwand von spezialisierten Wartungsunternehmen durchgeführt werden.
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Außerdem ist es bei den bekannten Ladesystemen problematisch, dass eine Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Fabrikaten an Kontaktköpfen einerseits und Ladebuchsen jeweiliger Energiespeicher andererseits nicht oder nur unter großem konstruktivem Aufwand hergestellt werden kann.
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Die
DE 10 2017 108 174 A1 und die
DE 10 2017 108 526 A1 beschreiben konduktive Ladesysteme, welche mittels manuell zu bedienender Ladepistolen oder Ladesteckverbinder zu betreiben sind. Jeweilige elektrische Kontaktelemente der beschriebenen Ladepistolen können gemäß den genannten Druckschriften austauschbar ausgebildet sein.
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Die
DE 2015 204 530 A1 beschreibt einen elektrischen Kontaktpin, welcher fahrzeugseitig in einer Ladebuchse angeordnet und ebenfalls austauschbar ausgestaltet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Betrieb einer Ladestation der eingangs beschriebenen Art kostengünstig und benutzerfreundlich zu realisieren.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Ladesystem, insbesondere ein automatisiert zu betreibendes oder automatisches Ladesystem, zum konduktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle zu einem Energiespeicher bereitgestellt. Eine Ladestation des Ladesystems weist einen Kontaktkopf oder Steckkopf auf, der elektrisch leitend mit der externen Energiequelle einerseits und mit dem Energiespeicher andererseits verbindbar ist. Mit anderen Worten dient der Kontaktkopf als Verbindungsmittel zwischen der externen Energiequelle, beispielsweise einer elektrischen Stromquelle, und dem Energiespeicher, welcher beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher zum Speichern einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein kann.
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Die Ladestation weist eine Verschiebeeinrichtung oder Hubmechanik auf, die dazu ausgebildet ist, den Kontaktkopf entlang zumindest einer vorbestimmten Verschieberichtung zwischen einer ersten und zumindest einer weiteren Betriebsposition zu bewegen. Eine Oberkante des Kontaktkopfes schließt in der ersten Betriebsposition oder Verstauposition bündig mit einer Oberfläche der Ladestation ab. Mit anderen Worten ragt der Kontaktkopf in der Verstauposition nicht über die Oberfläche der Ladestation hinaus. Hierdurch ist der Kontaktkopf in vorteilhafter Weise gegenüber Umwelteinflüssen geschützt verstaut.
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Insbesondere ist die Verschiebeeinrichtung dazu ausgebildet, den Kontaktkopf bezüglich einer Ladebuchse des Energiespeichers derart zu positionieren, dass ein Einstecken des Kontaktkopfes in die Ladebuchse erfolgen kann. Insbesondere ist die Verschiebeeinrichtung dazu ausgebildet, in einem automatischen oder automatisiert betriebenen konduktiven Ladesystem den Kontaktkopf selbsttätig der Ladebuchse des Energiespeichers zuzuführen. Die Bewegung oder das Verschieben findet dabei in Abhängigkeit von einem Steuersignal statt. Das Steuersignal kann beispielsweise von einem Kraftfahrzeug an eine entsprechend ausgebildete Sende-Empfangseinheit des Ladesystems übermittelt werden.
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Erfindungsgemäß sind der Kontaktkopf und die Verschiebeeinrichtung mittels eines Koppelsystems zerstörungsfrei oder reversibel lösbar miteinander koppelbar. Hierzu weist das Koppelsystem eine kontaktkopfseitige erste Koppelkomponente und eine verschiebeeinrichtungsseitige zweite Koppelkomponente auf. Die Koppelkomponenten können als zueinander in der Form korrespondierend ausgebildete Komponenten eines Bajonettverschlusses oder eines Schraube-Schraubengewinde-Systems ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die erste und die zweite Koppelkomponente erst bei Einstellen einer vorbestimmten Einbaulage des Kontaktkopfes an der Verschiebeeinrichtung derart ineinandergreifen, dass der Kontaktkopf an der Verschiebeeinrichtung fixiert ist. Durch das Vorsehen einer vorbestimmten Einbaulage als Voraussetzung der Fixierung des Kontaktkopfes an der Verschiebeeinrichtung ist sichergestellt, dass der Kontaktkopf in einer fixierten Position bestimmungsgemäß ausgerichtet ist. Eine vorbestimmte Einbaulage kann dadurch definiert sein, dass ausschließlich in der vorbestimmten Einbaulage die beiden Koppelkomponenten ineinander greifen oder einrasten. In jeder anderen außer der vorbestimmten Einbaulage kann ein derartiges Einrasten durch eine Geometrie der Koppelkomponenten verhindert oder gesperrt sein. Insbesondere in einem automatisierten Betrieb ist dies besonders vorteilhaft.
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Die Fixierung des Kontaktkopfes an der Verschiebeeinrichtung kann dann beispielsweise durch eine Drehbewegung des Kontaktkopfes (und damit der kontaktkopfseitig angeordneten Koppelkomponente) in Bezug auf die Verschiebeeinrichtung (und der verschiebeeinrichtungsseitig angeordneten Koppelkomponente) erfolgen.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Kontaktkopf austauschbar ausgestaltet ist, wodurch ein kostengünstiger und bedienerfreundlicher Betrieb ermöglicht ist. Insbesondere ist eine kostengünstige und/oder zeiteffiziente Reparatur und/oder Wartung ermöglicht. Darüber hinaus kann der Kontaktkopf einfach gegen einen von dem Kontaktkopf unterschiedlichen weiteren Kontaktkopf ausgetauscht werden, wodurch beispielsweise eine verbesserte Interoperabilität des beschriebenen Ladesystems realisiert sein kann. Es müssen also nicht komplette Ladestationen je verfügbarer Ladebuchsenausgestaltung vorgehalten und/oder installiert sein, sondern vorhandene Ladestationen können leicht auf unterschiedliche Ladebuchsenanforderungen umgerüstet werden. Gleichzeitig ist durch die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise eine stets korrekte Ausrichtung eines jeweiligen Kontaktkopfes in Bezug auf die Verschiebeeinrichtung sichergestellt.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Bevorzugt ragt in der zumindest einen weiteren Betriebsposition der Kontaktkopf beziehungsweise die Oberkante des Kontaktkopfes über die Oberfläche der Ladestation hinaus. Mit anderen Worten ist die Oberkante des Kontaktkopfes gegenüber der Oberfläche der Ladestation in der zumindest einen weiteren Betriebsposition erhöht. Hierdurch bietet der Kontaktkopf in der zumindest einen weiteren Betriebsposition, welche eine Wartungsposition sein kann, eine Angriffsfläche. Entlang der Angriffsfläche kann der Kontaktkopf beispielsweise durch einen Wartungstechniker ergriffen werden oder ist diesem für Wartungsarbeiten zugänglich gemacht. Eine Verriegelungseinrichtung ist gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform dazu ausgebildet, eine Trennung der Koppelkomponenten in Abhängigkeit von einer jeweils aktuellen Betriebsposition des Kontaktkopfes zuzulassen und zu verhindern. Mit anderen Worten kann durch die jeweils aktuelle Betriebsposition bestimmt sein, ob eine Trennung der Koppelkomponenten ermöglicht ist, oder nicht. Bevorzugt ist eine Trennung der Koppelkomponenten in der ersten Betriebsposition verhindert und in der zumindest einen weiteren Betriebsposition zugelassen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Trennung nicht aus Versehen oder unabsichtlich erfolgen kann, sondern erst bei Einstellen der entsprechenden Betriebsposition.
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Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Kontaktkopf in der ersten Betriebsposition innerhalb einer Schutzhülse versenkt ist, und in der zumindest einen weiteren Betriebsposition, welche ja eine Wartungsposition und/oder eine Zwischenposition sein kann, zumindest teilweise aus der Schutzhülse herausschiebbar ist, und dass die Verriegelungseinrichtung als ein Blockadeanschlag innerhalb der Schutzhülse ausgebildet ist, wobei eine Höhe des Blockadeanschlags entlang der zumindest einen vorbestimmten Verschieberichtung einem Verschiebebetrag entspricht, der aufgebracht werden muss, um den Kontaktkopf aus der ersten Betriebsposition in die zumindest eine weitere Betriebsposition zu bewegen. In der zumindest einen weiteren Betriebsposition kann der Kontaktkopf also nach wie vor in der Schutzhülse versenkt sein, jedoch ist er in der zumindest einen weiteren Betriebsposition im Gegensatz zur ersten Betriebsposition aus der Schutzhülse herausschiebbar oder kann gegenüber der Schutzhülse bewegt oder verschoben werden.
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Ein Blockadeanschlag kann beispielsweise durch eine Blockadenase innerhalb der Schutzhülse realisiert sein. Wie oben beschrieben, ist der Kontaktkopf in der zumindest einen weiteren Betriebsposition im Gegensatz zur ersten Betriebsposition aus der Schutzhülse herausschiebbar bzw. kann die Schutzhülse gegenüber dem Kontaktkopf bewegt oder verschoben werden. In der zumindest einen weiteren Betriebsposition, die wie oben beschrieben eine Wartungsposition sein kann, kann die Schutzhülse also entlang des Kontaktkopfes entlang der vorbestimmten Verschieberichtung verschoben werden, so dass der Blockadeanschlag innerhalb der Schutzhülse den Kontaktkopf freigibt. Dieses Freigeben bewirkt, dass die Koppelkomponenten, beispielsweise durch eine Drehbewegung des Kontaktkopfes gegenüber der Verschiebeeinrichtung, voneinander gelöst werden können.
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Eine hier beschriebene Verriegelungseinrichtung in der Form eines beschriebenen Blockadeanschlags ist besonders einfach mechanisch zu realisieren und verschleißarm zu betreiben. Dennoch sind andere Ausführungsformen der beschriebenen Verriegelungseinrichtung denkbar. So kann beispielsweise die Verriegelungseinrichtung durch einen mechanischen Taster auslösbar sein. Die Verriegelungseinrichtung kann darüber hinaus eine magnetische Verriegelung vorsehen und/oder gelöst werden, wenn sich beispielsweise dazu geeignete Sensoren gegenüberliegen.
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Allgemein kann als die zumindest eine weitere Betriebsposition eine Wartungsposition vorbestimmt sein, wobei die Verriegelungseinrichtung ein Trennen der Koppelkomponenten ausschließlich in der Wartungsposition ermöglicht. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ein Trennen der Koppelkomponenten in einer von der Wartungsposition verschiedenen Zwischenposition oder gar in der Verstauposition verhindert. Mit anderen Worten wird erst durch ein Bewegen des Kontaktkopfes in die Wartungsposition die Verriegelungseinrichtung lösbar. Für den beschriebenen Fall, dass die Verriegelungseinrichtung in der Form eines mechanischen Blockadeanschlags realisiert ist, bedeutet dies, dass der Kontaktkopf erst in der Wartungsposition an dem Blockadeanschlag vorbeigeführt oder gedreht werden kann, um die Koppelkomponenten voneinander zu lösen.
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Bevorzugt kann die Schutzhülse mit dem Kontaktkopf zwischen den Betriebspositionen mitbewegt werden. Mit anderen Worten kann der Kontaktkopf gemeinsam mit der ihn umhüllenden Schutzhülse aus der ersten in die zumindest eine weitere Betriebsposition bewegt werden. Im Unterschied zu der ersten Betriebsposition ist die Schutzhülse wie oben beschrieben in der zumindest einen weiteren Betriebsposition an dem Kontaktkopf entlang verschiebbar.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Koppelelemente dazu ausgebildet sind, um eine Längsachse des Kontaktkopfes zueinander gegenläufig gedreht zu werden, wobei zumindest ein Rastelement eines der Koppelelemente innerhalb einer Nut des anderen der Koppelelemente geführt ist. Hierdurch ist der Kontaktkopf sicher und in einer korrekten vorbestimmten Einbaulage an der Verschiebeeinrichtung geführt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass an den Kontaktkopf zumindest ein Übertragungskabel angeschlossen ist. Das Übertragungskabel ist dazu ausgelegt, elektrische Energie von der externen Energiequelle zu dem Kontaktkopf zu übertragen. Das Übertragungskabel kann auch dazu ausgebildet sein, Kommunikationssignale zu dem Kontaktkopf zu übertragen. Ein Kommunikationssignal kann beispielsweise einen Befehl zum Einnehmen einer vorbestimmten Betriebsposition beschreiben. Das zumindest eine Übertragungskabel ist dazu ausgebildet, entlang einer vorbestimmten Trennstelle von der externen Energiequelle getrennt und elektrisch leitend mit dieser verbunden zu werden. Mit anderen Worten weist das zumindest eine Übertragungskabel zumindest einen trennbaren Kontakt, beispielsweise einen Steckkontakt, auf, entlang dessen es getrennt werden kann. Bevorzugt werden robuste Steckkontakte verwendet, sodass ein einfaches und schnelles Trennen beziehungsweise Verbinden des zumindest einen Übertragungskabels ermöglicht ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Kontaktkopf bei gelösten Koppelkomponenten und bei getrenntem Übertragungskabel komplett von der Ladestation entfernt werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das zumindest eine Übertragungskabel innerhalb einer Kabelhülse geführt ist, wobei die Kabelhülse entlang einer Längserstreckungsrichtung des zumindest einen Übertragungskabels verschiebbar gelagert ist. Die Kabelhülse ermöglicht zum einen einen mechanischen Schutz der zumindest einen Trennstelle, zum anderen erleichtert sie ein Ein- und Ausführen des zumindest einen Übertragungskabels.
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Bevorzugt verläuft das zumindest eine Übertragungskabel mittig durch die beschriebene Ladestation beziehungsweise mittig durch die Verschiebeeinrichtung.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Ladesystem eine Steuereinrichtung mit einer Sende-Empfangseinheit aufweist, wobei die Sende-Empfangseinheit dazu ausgebildet ist, das Steuersignal zu empfangen und an die Verschiebeeinrichtung zu übermitteln. Wie oben beschrieben, kann das Steuersignal beispielsweise einen Befehl zum Einnehmen einer Betriebsposition beschreiben. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung mittels der Sende-Empfangseinheit einen Befehl zum Bewegen des Kontaktkopfes aus einer ersten in zumindest eine weitere Betriebsposition empfangen und diesen Befehl an die Verschiebeeinrichtung übermitteln. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine externe Steuerung der Verschiebeeinrichtung ermöglicht ist. Die Steuerung kann beispielsweise per App (Applikation oder Softwareapplikation) erfolgen. Beispielsweise kann mittels einer derartigen App ein autorisierter Techniker einen Wartungsmodus für das Ladesystem freischalten, wobei nur bei einem aktivierten Wartungsmodus ein Bewegen des Kontaktkopfes in die oben beschriebene Wartungsposition ermöglicht ist.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ladestation innerhalb einer Fahrbahnoberfläche angeordnet ist, wobei eine Oberkante des Kontaktkopfes in der ersten Betriebsposition im Wesentlichen bündig mit der Fahrbahnoberfläche abschließt und wobei die Oberkante des Kontaktkopfes in der zumindest einen weiteren Betriebsposition um einen Verschiebebetrag zwischen 10 Zentimetern und 50 Zentimetern, insbesondere zwischen 20 und 40 Zentimetern, bevorzugt um 35 Zentimeter, über die Fahrbahnoberfläche hinausragt. Wie oben beschrieben, kann dabei bevorzugt ein Bewegen des Kontaktkopfes mit oder ohne Schutzhülse erfolgen. Mit anderen Worten kann die Schutzhülse mit dem Kontaktkopf mitbewegt und dann heruntergedrückt werden oder von Anfang an innerhalb der Ladestation und somit unterhalb der Fahrbahnoberfläche verbleiben.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Ladestation für ein Ladesystem der eingangs beschriebenen Art.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ladestation, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ladestation hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems, wobei das Ladesystem eine Ladestation mit einem Kontaktkopf aufweist und zum konduktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle zu einem Energiespeicher ausgebildet ist, wobei der Kontaktkopf elektrisch leitend mit der externen Energiequelle und mit dem Energiespeicher verbindbar ist. Die Ladestation weist eine Verschiebeeinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den Kontaktkopf entlang zumindest einer vorbestimmten Verschieberichtung in Abhängigkeit von einem Steuersignal zwischen einer ersten und zumindest einer weiteren Betriebsposition zu bewegen.
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Erfindungsgemäß wird ein Koppelsystem für das Ladesystem bereitgestellt, wobei das Koppelsystem eine kontaktkopfseitige erste Koppelkomponente und eine verschiebeeinrichtungsseitige zweite Koppelkomponente aufweist. Darüber hinaus wird eine vorbestimmte Einbaulage des Kontaktkopfes in Bezug auf die Verschiebeeinrichtung eingestellt. Schließlich wird ein Eingriff der Koppelkomponenten ineinander hergestellt, wobei dabei das Fixieren des Kontaktkopfes an der Verschiebeeinrichtung in einer zerstörungsfrei lösbaren Art erfolgt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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 eines Ladesystems mit einer schematischen Ausschnittdarstellung einer Ladestation;
- 2 eine schematische Detaildarstellung eines Kontaktkopfes für eine Ladestation;
- 3 eine schematische Darstellung dreier verschiedener Betriebspositionen des Kontaktkopfes;
- 4 eine schematische Explosionsdarstellung einer Anordnung aus Kontaktkopf, Koppelelementen, Übertragungskabeln und Kabelhülse; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Ladesystems.
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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 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Ladesystems 10. Das Ladesystem 10 ist zum konduktiven Übertragen von nicht bildlich dargestellter elektrischer Energie von einer externen Energiequelle 12 zu einem Energiespeicher 14 ausgebildet. Die externe Energiequelle 12 kann beispielsweise eine Starkstromquelle sein. Der Energiespeicher 14 kann beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher zum Speichern einer elektrischen Antriebsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ sein. Zum Übertragen der elektrischen Energie weist das Ladesystem 10 eine Ladestation 16 auf. Bevorzugt ist die Ladestation 16 elektrisch leitend mit der externen Energiequelle 12 verbunden oder verbindbar. Diese elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise durch hier nicht bildlich dargestellte Starkstromkabel oder ähnliches erfolgen.
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In der Art einer nicht maßstabsgetreuen Detaildarstellung zeigt die 1 eine Ausführungsform der Ladestation 16 mit einem Kontaktkopf 18 und einer Verschiebeeinrichtung 20. Der Kontaktkopf 18 und die Verschiebeeinrichtung 20 können mechanisch miteinander gekoppelt sein, wobei die Verschiebeeinrichtung 20 dazu ausgebildet ist, den Kontaktkopf 18 entlang zumindest einer vorbestimmten Verschieberichtung 22 zu bewegen oder hin- und herzuschieben. Das Bewegen oder das Verschieben kann in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal 24 erfolgen, welches beispielsweise von einem den Energiespeicher 14 enthaltenden Kraftfahrzeug KFZ ausgesendet werden kann. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug KFZ sich dem Ladesystem 10 annähert, das Steuersignal 24 aussendet und dadurch anfordert, dass der Kontaktkopf 18 aus der Ladestation 16 herausgeschoben wird, wodurch dann beispielsweise eine elektrisch leitende Ladekontaktierung zwischen dem Kontaktkopf und einer entsprechenden Anschlussstelle des Energiespeichers 14 erfolgen kann. Bevorzugt weist das Ladesystem 10 zum Empfangen des Steuersignals 24 eine Steuereinrichtung 26 mit einer Sendeempfangseinheit 28 auf.
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Der Kontaktkopf 18 und die Verschiebeeinrichtung 20 können mittels eines Koppelsystems 30 zerstörungsfrei lösbar miteinander gekoppelt sein. Das Koppelsystem 30 umfasst eine kontaktkopfseitige erste Koppelkomponente 32 und eine verschieberichtungsseitige zweite Koppelkomponente 34. Die beiden Koppelkomponenten 32, 34 können als zwei Teile eines Bajonettverschlusses ausgebildet sein. Als solche können sie in der Form korrespondierend zueinander ausgebildet sein, sodass sie bei Einstellen einer vorbestimmten Einbaulage des Kontaktkopfes 18 derart ineinandergreifen, dass der Kontaktkopf 18 an der Verschiebeeinrichtung 20 fixiert ist. Beispielsweise kann die erste Koppelkomponente 32 eine Nut N aufweisen, in die zum Fixieren des Kontaktkopfes eine Rastnase R der zweiten Koppelkomponente 34 eingreifen kann. Die Koppelkomponenten 32, 34 können auch in der Art eines Schraubgewindes und einer korrespondierend ausgebildeten Schraube ausgestaltet sein.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform zeigt darüber hinaus eine Verriegelungseinrichtung 36, welche beispielsweise in der Form einer Verrastung oder Rastnase ausgebildet sein kann.
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Kommt es zu einem Defekt an dem Kontaktkopf 18, so kann dieser durch Trennen der Koppelkomponenten 32, 34 voneinander einfach von der Verschiebeeinrichtung 20 gelöst und ausgetauscht werden.
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Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 1 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt die 2 eine schematische Detailansicht eines Kontaktkopfes 18. Der Kontaktkopf 18 ist dabei in zwei unterschiedlichen Betriebspositionen gezeigt. Auf der linken Seite der 2 befindet sich der Kontaktkopf 18 in einer Verstauposition, innerhalb derer er innerhalb einer Schutzhülse 38 versenkt angeordnet ist. Die rechte Seite der 2 zeigt den Kontaktkopf 18 in einer Wartungsposition oder auch in einer von der Wartungsposition verschiedenen Zwischenposition, wobei der Kontaktkopf in der auf der rechten Seite der 2 dargestellten Betriebsposition zumindest teilweise aus der Schutzhülse 38 herausgeschoben ist. Durch das Herausschieben aus der Schutzhülse 38 werden seitliche Kontaktflächen 40 freigelegt, sodass diese elektrisch leitend mit einer entsprechenden Anschlussbuchse des Energiespeichers 14 kontaktiert werden können. Die Schutzhülse 38 ist bevorzugt federvorgespannt an dem Steckkopf oder Kontaktkopf 18 und/oder der Verschiebeeinrichtung 20 gelagert.
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Bevorzugt ist die in 1 gezeigte Verriegelungseinrichtung 36 dazu ausgebildet, eine Trennung der Koppelkomponenten 32, 34 nur in einer von der Verstauposition verschiedenen Betriebsposition des Kontaktkopfes 18 eingestellten Lage zu ermöglichen. Die Verriegelungseinrichtung 36 kann hierzu bevorzugt einen Blockadeanschlag 42 aufweisen, wie er in 3 schematisch gezeigt ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung von insgesamt drei verschiedenen Betriebspositionen des Kontaktkopfes 18. Die oberste Darstellung der 3 zeigt dabei eine Verstauposition des Kontaktkopfes, wobei eine Oberkante 44 des Kontaktkopfes 18 im Wesentlichen bündig mit einer Fahrbahnoberfläche 46 abschließt. In der Verstauposition greift der Blockadeanschlag 42 derart gegen den Kontaktkopf 18 ein, dass dieser nicht gedreht und somit nicht von der Verschiebeeinrichtung 20 gelöst werden kann. Die mittlere Darstellung der 3 zeigt den Kontaktkopf 18 in einer Zwischenposition, wobei in der Zwischenposition die Oberkante 44 des Kontaktkopfes 18 über die Fahrbahnoberfläche 46 hinausragt, wobei immer noch der Blockadeanschlag 42 eine Drehung des Kontaktkopfes 18 verhindert. Die unterste Darstellung der 3 zeigt schließlich eine Wartungsposition des Kontaktkopfes 18, wobei in der Wartungsposition die Oberkante 44 des Kontaktkopfes 18 um einen Verschiebebetrag 48 über die Fahrbahnoberfläche 46 hinausragt, wobei eine Verschiebung um einen derartigen Verschiebebetrag 48 ausreicht, um den Kontaktkopf 18 auf ein Niveau zu bringen, welches oberhalb des Blockadeanschlags 42 liegt, wodurch der Kontaktkopf 18 in der Wartungsposition gedreht und somit von der Verschiebeeinrichtung 20 gelöst werden kann.
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Die 3 zeigt eine spezielle Ausführungsform, wobei die Schutzhülse 38 bei einem Herausfahren oder Herausverschieben des Kontaktkopfes 18 aus der Verstauposition in die Zwischen- und/oder Wartungsposition unterhalb der Fahrbahnoberfläche 46 oder auf dem Niveau der Fahrbahnoberfläche 46 verbleibt. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Schutzhülse 38 gemeinsam mit dem Kontaktkopf 18 herausgefahren wird und nachträglich heruntergedrückt werden kann, um den Kontaktkopf 18 freizulegen. Es ist denkbar, dass in der Verstauposition ein Nachuntendrücken der Schutzhülse 38 durch einen Anschlag an der Ladestation 16 oder der Verschiebeeinrichtung 20 verhindert wird.
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Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den 1 bis 3 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt die 4 eine schematische Explosionsdarstellung einer Anordnung aus Kontaktkopf 18 mit erster Koppelkomponente 32, zweiter Koppelkomponente 34, insgesamt drei Übertragungskabeln 50, einer vorbestimmten Trennstelle 52, entlang derer die Übertragungskabel 50 voneinander getrennt werden können, sowie einer Kabelhülse 54, welche zum Schutz der Übertragungskabel 50 entlang einer Längserstreckungsrichtung der Übertragungskabel 50 über die Trennstelle 52 geschoben werden kann. Für den Fall, dass der Kontaktkopf ausgetauscht werden muss, kann er, wie im Vorhergehenden beschrieben, beispielsweise durch eine Drehbewegung von der Verschiebeeinrichtung 20 getrennt und aus der Ladestation 16 herausgezogen werden. Die Übertragungsleitungen oder Übertragungskabel 50 können gemeinsam mit dem Kontaktkopf 18 aus der Ladestation 16 herausgezogen werden. Entlang der vorbestimmten Trennstelle 52 können die Übertragungskabel 50 dann durchtrennt werden. Die in der Ladestation 16 verbleibenden Endstücke der Übertragungskabel 50 können mithilfe der Trennstelle 52 mit Übertragungskabeln 50 eines neuen Steckkopfes oder Kontaktkopfes 18 verbunden werden. Im Anschluss daran können die Übertragungskabel 50 wieder in die Verschiebeeinrichtung 20 oder die Hubmechanik eingeführt werden. Dabei kann die Kabelhülse 54 unterstützen, welche zugleich die Trennstellen 52 der Übertragungskabel 50 schützt und fixiert. Die gesamte Hubmechanik oder die gesamte Verschiebeeinrichtung 20 kann daraufhin in die Verstauposition zurückgefahren werden. Ein derartiger Austausch eines Kontaktkopfes 18 kann beispielsweise erst nach Aktivieren eines Wartungsmodus durchgeführt werden, wobei in dem Wartungsmodus die Verschiebeeinrichtung 20 beispielsweise einige Zentimeter gegenüber der Fahrbahnoberfläche 46 angehoben wird.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Ladesystems 10 mit einer Ladestation 16 und einem Kontaktkopf 18, wobei das Ladesystem 10 zum konduktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle 12 zu einem Energiespeicher 14 ausgebildet ist. Der Kontaktkopf 18 ist elektrisch leitend mit der externen Energiequelle 12 einerseits und mit dem Energiespeicher 14 andererseits verbindbar. Die Ladestation 16 weist eine Verschiebeeinrichtung 20 auf, die dazu ausgebildet ist, den Kontaktkopf 18 entlang zumindest einer vorbestimmten Verschieberichtung 22 in Abhängigkeit von einem Steuersignal 24 zwischen einer ersten und zumindest einer weiteren Betriebsposition zu bewegen.
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Das in 5 schematisch dargestellte Verfahren umfasst in einem ersten Schritt S1 das Bereitstellen eines Koppelsystems 30 für das Ladesystem 10, wobei das Koppelsystem 30 eine kontaktkopfseitige erste Koppelkomponente 32 und eine verschiebeeinrichtungsseitige zweite Koppelkomponente 34 aufweist. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 sieht das hier beschriebene Verfahren vor, eine vorbestimmte Einbaulage des Kontaktkopfes 18 in Bezug auf die Verschiebeeinrichtung 20 einzustellen. Bevorzugt wird die vorbestimmte Einbaulage dadurch eingestellt, dass in der Form zueinander korrespondierend ausgebildete Aussparungen und/oder Eingriffe der Koppelkomponenten 32, 34 in der vorbestimmten Einbaulage ineinandergreifen. In einem weiteren Schritt S3 sieht das hier beschriebene Verfahren vor, dass die Koppelkomponenten 32, 34 ineinandergreifen und dabei den Kontaktkopf 18 an der Verschiebeeinrichtung 20 fixieren.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen austauschbaren Steckkopf oder Kontaktkopf für ein automatisches konduktives Ladesystem für Elektrofahrzeuge im Unterboden. Das kritische Bauteil eines solchen Ladesystems, der leistungsübertragende Steckkopf der infrastrukturseitigen Koppelstelle oder der Ladestation, wird so gestaltet, dass dieser mit geringem Aufwand getauscht werden kann.
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Automatische konduktive Ladesysteme, welche in öffentlichen Bereichen bzw. im Freien arbeiten, müssen bevorzugt eine hohe Robustheit gegen Umwelteinflüsse aller Art aufweisen können. Ein derartiges Ladesystem kann aus mechanischen Komponenten zur Bewegung des Steckkopfes (einer Verschiebeeinrichtung) sowie einer Schutzeinrichtung oder Schutzhülse bestehen. Die Kernkomponente eines konduktiven Ladesystems, der Steckkopf inklusive der Steckkontakte, kann dem verstärktem Verschleiß aufgrund von Witterungsbedingungen, Abrasion sowie elektrochemischen Effekten unterliegen. Bei einem Verschleiß des Steckkopfes muss nachteilig gemäß den bekannten Ladesystemen das Gesamtsystem getauscht werden.
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Der Steckkopf innerhalb des Ladesystems wird daher gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt so ausgelegt, dass dieser mit geringem Zeitaufwand ausgetauscht werden kann. Die Auslegung des Steckkopfes gegen Umwelteinflüsse und Verschleiß kann somit weniger stark ausgeprägt sein. Die Herstell- und Entwicklungskosten können so gesenkt werden. Außerdem kann eine Wartung der Steckeinheit oder des Steckkopfes von üblichen handwerklichen Betrieben mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Fehlfunktionen aufgrund des Steckkopfs können zudem schneller durch einen Steckkopftausch behoben werden.
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Ein Ladesystem kann grundsätzlich aus einer mechanischen Bewegungseinrichtung oder Verschiebeeinrichtung (Hubeinheit, Positioniereinheit), dem Steckkopf sowie einer Schutzeinrichtung für den Steckkopf bestehen. Der Steckkopf kann mit Leitungen oder Übertragungskabeln zur Energieübertragung und Kommunikation verbunden sein. Zum Schutz der Leitungen kann der Steckkopf von einer Schutzhülse (z.B. federvorgespannt) umgeben sein (vgl. 2). Durch einen dichtenden Anschlag an der fahrzeugseitigen Buchse kann der Steckkopf freigegeben werden. Der Steckkopf kann somit einen dauerhaften Berührschutz aufweisen und kann jederzeit vor diversen Umwelteinflüssen geschützt sein.
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Auf der Unterseite des Steckkopfes kann sich eine Seite der Verschlusskomponente oder eine erste Koppelkomponente befinden. Diese kann durch eine Drehbewegung auf das passende Gegenstück oder die zweite Koppelkomponente montiert werden. Dabei kann durch Formschluss die nötige Kraftübertragung sichergestellt werden (vgl. 1). Außerdem kann eine Verrastung oder eine Verriegelungseinrichtung bei Erreichen der korrekten Position oder der vorbestimmten Einbaustellung schließen (vgl. 1). Dieses Gegenstück kann starr mit dem Ladesystem bzw. der Hubmechanik verbunden sein. Die Verschlusskomponenten können so gestaltet sein, dass nur eine steckbare Position (die vorbestimmte Einbaustellung) sowie nur eine Drehrichtung zum Montieren möglich ist. Dies kann durch eine Kodierung der beiden Verschlusskomponenten erreicht werden. Die korrekte Ausrichtung des Steckkopfes im Gesamtsystem kann dadurch stets sichergestellt werden.
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Die Leitungen zur Leistungsübertragung sowie für die Kommunikation des Ladesystems können zunächst am Steckkopf bzw. der Verschlusskomponente fixiert sein und können platzsparend mittig durch das Ladesystem bzw. die Hubmechanik verlaufen. Die nötige Trennstelle der Leitungen für einen wechselbaren Steckkopf kann sich innerhalb einer Kabelführung oder einer Kabelhülse befinden, welche unterhalb des Steckkopfs liegen kann (vgl. 4). Die Kabelführung kann zum Schutz der Trennstellen dienen sowie das Ein- und Ausführen der Leitungen erleichtern. Dazu können robuste Steckkontakte verwendet werden, welche ein Einfaches und schnelles Trennen bzw. Verbinden der Leitungen ermöglichen kann.
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Für den Wechselvorgang des Steckkopfs kann zunächst die Schutzhülse nach unten gedrückt werden (vgl. 2, rechts). Im eingefahrenen Zustand des Ladesystems oder in der Verstauposition kann dies aus Sicherheitsgründen verhindert sein, da die Schutzhülse in dieser Position durch einen Anschlag am Ladesystem bzw. der Hubmechanik gegen ein Herunterdrücken geschützt sein kann. Erst durch das Aktiviren eines Wartungsmodus, in welchem die gesamte Hubmechanik beispielsweise einige Zentimeter angehoben werden kann, kann dies ermöglicht sein. Nun kann der Steckkopf durch eine Drehbewegung aus der Verrastung gelöst und herausgezogen werden. Die Leitungen, die trennbaren Kontakte sowie die Kabelführung können ebenfalls aus dem Ladesystem gezogen werden. Nun können die Kontakte der Leitung getrennt werden und mit denen des neuen Steckkopfes verbunden werden. Anschließend können die Leitungen wieder in die Hubmechanik eingeführt werden. Dabei kann die Kabelführung helfen, welche zugleich die Trennstellen der Leitung schützen und fixieren kann. Die gesamte Hubmechanik kann nun in die sichere Ausgangsposition oder Verstauposition zurückgefahren werden.
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Falls das Ladesystem eine Zwischenposition vorsieht, zum Beispiel für Navigations- und Positionierungsaufgaben, in welcher der Steckkopf aus dem Ladesystem gehoben werden kann, kann eine zusätzliche formschlüssige Drehsicherung vorgesehen sein (vgl. 3, Blockadeanschlag 42). Dies kann verhindern, dass der Steckkopf von Unbefugten oder unabsichtlich entfernt werden kann. Der Formschluss oder Blockadeanschlag kann so ausgelegt sein, dass dieser eine Drehung in der vollständig eingefahrenen Position (vgl. 3, oben, Verstauposition) sowie in der Zwischenposition (vgl. 3, Mitte) verhindert. Erst durch ein weiteres Herausfahren des Steckkopfes in die Wartungsposition (vgl. 3, unten) kann die nötige Drehbewegung freigelegt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein tauschbarer Steckkopf für eine automatische konduktive Ladestation bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017108174 A1 [0006]
- DE 102017108526 A1 [0006]
- DE 2015204530 A1 [0007]
