DE102020212069A1

DE102020212069A1 - Straßengeführtes Kraftfahrzeug mit mindestens einem Stromabnehmer für mindestens eine Oberleitung und Verfahren zum Ansteuern eines Stromabnehmers

Info

Publication number: DE102020212069A1
Application number: DE102020212069.2A
Authority: DE
Inventors: Armin Sue; Hendrik Schröder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein straßengeführtes Kraftfahrzeug (1) mit mindestens einem Stromabnehmer (2) für mindestens eine Oberleitung (3) und mindestens einer Aktorik (5), wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Stromabnehmer (2) mittels der Aktorik (4) von einer ersten abgebügelten Position in eine zweite angebügelte Position oder umgekehrt gesteuert wird, wobei das Kraftfahrzeug (1) mindestens eine Sensorik (6) zur Erfassung von Fahrbahnunebenheiten (4) aufweist, wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, den Stromabnehmer (2) in Abhängigkeit einer erfassten Fahrbahnunebenheit (4) anzusteuern, sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromabnehmers (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein straßengeführtes Kraftfahrzeug mit mindestens einem Stromabnehmer für mindestens eine Oberleitung und ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromabnehmers.
Es ist bekannt, straßengeführte Kraftfahrzeuge mit mindestens einem Stromabnehmer auszubilden, um elektrische Energie von mindestens einer Oberleitung dem Kraftfahrzeug zuzuführen. Die Stromabnehmer werden auch als Pantographen bezeichnet. Dabei kann die elektrische Energie zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden und zusätzlich eine Hochvoltbatterie geladen werden, sodass insgesamt die Reichweite solcher elektrischen oder hybriden Fahrzeuge erhöht wird.
Bei straßengeführten Kraftfahrzeugen tritt dabei das Problem auf, dass es aufgrund von Fahrbahnunebenheiten oder Fahrbahnschäden dazu kommen kann, dass der Kontakt zwischen Stromabnehmer und Oberleitung abreißt. Hierdurch kann es zu einem schädlichen Lichtbogen und Überspannungen kommen, die verhindert werden müssen. Zur Lösung könnte die Anpresskraft dauerhaft erhöht werden, was jedoch den Abrieb und somit den Verschleiß erhöht.
Aus der DE 103 37 006 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Fahrkomforts von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei im Fahrbetrieb mittels eines oder mehrerer Sensoren wenigstens der aktuelle Fahrbahnzustand im Hinblick auf Fahrbahnunebenheiten erfasst und einer Auswerte- und Steuereinheit zugeführt wird, dort die erfassten Messwerte mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen werden und bei Vorliegen einer bestimmten Abweichung ein Signal zur Ansteuerung von regelbaren Dämpfern des Fahrwerks bereitgestellt wird. Dabei wird in Abhängigkeit von der aktuellen oder einer vorbestimmten maximalen Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs der Sensor derart schräg nach vorn auf die Fahrbahn gerichtet, dass aufgrund etwaig sensierter Fahrbahnunebenheiten genügend Reaktionszeit zur rechtzeitigen Erstellung von Signalen zur Ansteuerung sowie zur Anpassung sämtlicher Dämpfer des Fahrwerks an die Fahrbahnunebenheiten zur Verfügung steht. Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 0 412 719 A1 bekannt.
Aus der GB 2510672 A ist ein weiteres Verfahren bekannt, wobei in Abhängigkeit der erfassten Fahrbahnunebenheiten die Geschwindigkeit angepasst wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein straßengeführtes Kraftfahrzeug mit mindestens einem Stromabnehmer zu verbessern sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Stromabnehmers zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das straßengeführte Kraftfahrzeug weist mindestens einen Stromabnehmer für mindestens eine Oberleitung und mindestens eine Aktorik auf, wobei das Kraftahrzeug derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Stromabnehmer mittels der Aktorik von einer ersten abgebügelten Position in eine zweite angebügelte Position oder umgekehrt gesteuert wird. Weiter weist das Kraftfahrzeug mindestens eine Sensorik zur Erfassung von Fahrbahnunebenheiten auf, wobei das Kraftfahrzeug derart ausgebildet ist, den Stromabnehmer in Abhängigkeit einer erfassten Fahrbahnunebenheit anzusteuern. Hierdurch können die zuvor beschriebenen Probleme bei Fahrbahnunebenheiten verhindert oder reduziert werden. Hierzu ist die Sensorik derart ausgerichtet, dass diese bei einer gegebenen Geschwindigkeit oder einer maximal angenommenen Geschwindigkeit ausreichend frühzeitig die Fahrbahnunebenheiten erfasst und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch auch mit einer im Mittel geringeren Anpresskraft gearbeitet werden kann.
Beispielsweise ist die Sensorik derart ausgerichtet, Fahrbahnunebenheiten in einer Entfernung von ca. 50 m zu erfassen, sodass bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 80 km/h (≈ 22 m/s) mehr als zwei Sekunden Zeit für die Anpassung zur Verfügung stehen.
In einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug derart ausgebildet, dass bei einer erfassten Fahrbahnunebenheit die Anpresskraft des Stromabnehmers erhöht wird. Durch diese temporäre Erhöhung die Anpresskraft wird die Gefahr des Abreißens der Verbindung zwischen Stromabnehmer und Oberleitung reduziert, wobei der erhöhte Abrieb und Verschleiß vernachlässigbar ist. Vorzugsweise erfolgt dabei die Erhöhung der Anpresskraft rampenförmig. Durch die kontinuierliche Erhöhung der Anpresskraft auf den neuen temporären Sollwert wird die Gefahr reduziert, die Oberleitung in Schwingung zu versetzen, was wiederum die sichere Kontaktierung erschwert (gegebenenfalls auch für nachfolgende oder vorausfahrende Kraftfahrzeuge). Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erhöhung jeweils von einer minimalen Anpresskraft auf eine maximale Anpresskraft erfolgt.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Erhöhung nicht rampenförmig, sondern mittels einer ruckfreien Funktion, d.h. mittels eines Funktionsverlaufs der Anpresskraft, dessen erste Ableitung stetig ist. Somit kann die Gefahr von Schwingungsanregungen weiter minimiert werden. Die Übergangsfunktion ist dabei beispielsweise eine Polynomfunktion höherer Ordnung (z.B. 3. Ordnung) oder eine sinusförmige Funktion, die beispielsweise beim Anstieg einer Sinusfunktion zwischen 0° und 90° entspricht.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug derart ausgebildet, dass bei einer erfassten Fahrbahnunebenheit der Stromabnehmer in eine erste abgebügelte Position bewegt wird. Alternativ kann auch ein geregeltes Abschalten der Stromübertragung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug eine Einheit zur Bewertung einer Fahrunebenheit auf, wobei das Kraftfahrzeug derart ausgebildet ist, den Stromabnehmer in Abhängigkeit der Bewertung der Fahrbahnunebenheit anzusteuern. Die Bewertung kann beispielsweise eine Klassifikation umfassen. Im einfachsten Fall ist die Bewertung binär und es wird nur unterschieden, ob bei der erfassten Fahrbahnunebenheit ein Abriss der Verbindung durch Erhöhung der Anpresskraft (z.B. auf die maximale Anpresskraft Pmax) verhindert werden kann oder nicht. Im letzten Fall kann dann der Stromabnehmer in die erste Position bewegt werden oder aber die Stromaufnahme abgeregelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Anpresskraft in Abhängigkeit der Bewertung zwischen einer minimalen und einer maximalen Anpresskraft eingestellt. Somit kann die Anpresskraft auf das notwendige Maß begrenzt werden, um einen Abriss der Kontaktierung zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug derart ausgebildet, dass die erfasste Fahrbahnunebenheit und/oder die Steuersignale für den Stromabnehmer lokal in dem Kraftfahrzeug und/oder in einer Cloud abgespeichert werden, sodass diese für spätere Fahrten auf der gleichen Strecke zur Verfügung stehen. Dies kann insbesondere in Situationen von Vorteil sein, wo durch äußere oder interne Umstände die Funktionsfähigkeit der Sensorik eingeschränkt ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug mit einer Luftschnittstelle ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug derart ausgebildet ist, über die Luftschnittstelle Fahrbahnunebenheiten und/oder Steuersignale anderer Kraftfahrzeuge und/oder eines Servers zu empfangen. Alternativ oder kumulativ können über die Luftschnittstelle Fahrbahnunebenheiten und/oder Steuersignale an andere Kraftfahrzeuge und/oder einen Server gesendet werden. Insbesondere für nicht-baugleiche Kraftfahrzeuge bietet es sich an, die Fahrbahnunebenheiten zu übertragen, da die daraus resultierenden Steuersignale unterschiedlich sein können. Durch die Übermittlung an den Server kann eine zentrale Datenbasis für das Streckennetz aufgebaut werden, die dann auch Kraftfahrzeugen ohne eigene Sensorik zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Sensorik als Laser-Scanner oder als mindestens eine Kamera, beispielsweise als TOF- oder Stereokamera, ausgebildet, um eine 3D-Aufnahme der Fahrbahnunebenheit zu erhalten. Alternativ oder ergänzend kann die Sensorik auch als Radar-, Ultraschall- oder Infrarot-Sensorik ausgebildet sein. Weiter vorzugsweise ist die Sensorik eine Sensorik, die auch für ein weiteres Fahrerassistenz-System genutzt wird.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
In einer besonderen Ausführungsform werden die erfassten Fahrbahnunebenheiten und/oder Steuerbefehle für den Stromabnehmer an mindestens ein anderes Kraftfahrzeug eines Fahrzeug-Plaatons übertragen. Somit kann die Funktionalität des Verfahrens auch für ein Fahrzeug-Plaaton genutzt werden, wobei im Extremfall nur das Führungsfahrzeug dazu ausgebildet ist, Fahrbahnunebenheiten zu erfassen und zu bewerten. Alternativ können die Fahrbahnunebenheiten an ein beliebiges weiteres Fahrzeug im rückwärtigen Verkehr übertragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines straßengeführten Kraftfahrzeugs mit Stromabnehmern für Oberleitungen und
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung eines Stromabnehmers.

In der 1 ist ein straßengeführtes Kraftfahrzeug 1 mit zwei Stromabnehmern 2 zur Kontaktierung mit Oberleitungen 3 dargestellt, wobei in der 1 die Stromabnehmer 2 in einer angebügelten Position dargestellt sind. Sind beispielsweise keine Oberleitungen 3 vorhanden, so werden die Stromabnehmer 2 in eine eingefahrene, abgebügelte Position bewegt. In der angebügelten Position werden die Stromabnehmer 2 mit einer Anpresskraft P gegen die Oberleitungen 3 gedrückt. Weiter ist ein Abtastbereich A einer nicht dargestellten Sensorik dargestellt, der eine Fahrbahnunebenheit 4 in Form eines Schlagloches in der Fahrbahn F in einem bestimmten Abstand zu dem Kraftfahrzeug 1 erfasst. Im oberen Bereich der 1 ist die Anpresskraft P über dem Ort dargestellt, wobei Pmin eine minimale Anpresskraft P und Pmax eine maximale Anpresskraft P ist. Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit V (siehe 2) des Kraftfahrzeugs 1 und dem Abstand zum Schlagloch kann die verbleibende Zeit bis zum Erreichen des Schlaglochs berechnet werden. An der Position s₀ wird die Anpresskraft P rampenförmig erhöht, sodass an der Position s₁ kurz vor dem Schlagloch die maximale Anpresskraft Pmax eingestellt ist. Mit dieser maximalen Anpresskraft Pmax überfährt dann das Kraftfahrzeug 1 das Schlagloch und reduziert anschließend ab einer Position s₂ hinter dem Schlagloch rampenförmig die Anpresskraft P von der maximalen Anpresskraft Pmax auf die minimale Anpresskraft Pmin, die dann an der Position s₃ erreicht ist. Durch die rampenförmige Erhöhung und Reduzierung der Anpresskraft P wird eine Schwingungsanregung der Oberleitung 3 verhindert bzw. reduziert. Durch die temporäre Erhöhung der Anpresskraft P kann dabei in den meisten Fällen ein Kontaktabriss aufgrund der Fahrbahnunebenheiten 4 verhindert werden. Alternativ zu der rampenförmigen Übergangsfunktion kann auch eine ruckfreie Funktion gewählt werden.
In der 2 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung mindestens eines Stromabnehmers 2 dargestellt. Die Vorrichtung weist mindestens eine Aktorik 5 auf, mittels derer der Stromabnehmer 2 von einer dargestellten angebügelten Position in eine abgebügelte Position bewegt werden kann und umgekehrt. Mittels der Aktorik 5 kann der Stromabnehmer 2 in der angebügelten Position in x-Richtung bewegt werden, um so die Anpresskraft P einzustellen.
Alternativ oder ergänzend kann die Aktorik 5 auch ein Luftfedersystem sein, das das komplette Fahrzeug anhebt oder absenkt. Dabei kann die Anpresskraft durch das Maß der Anhebung gesteuert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass durch eine erste Aktorik 5 die Stromabnehmer 2 herunter- oder hochgeklappt werden, der eigentliche Anbügelungsvorgang jedoch nur durch das Luftfedersystem als zweite Aktorik 5 erfolgt. Auch ist es möglich, dass durch das Hochklappen der Stromabnehmer 2 bereits die Anbügelung erfolgt, wobei dann die Anpresskraft durch das Luftfedersystem gesteuert bzw. eingestellt wird.
Weiter weist die Vorrichtung mindestens eine Sensorik 6 zur Erfassung von Fahrbahnunebenheiten 4 (siehe 1) auf. Die Daten der Sensorik 6 sowie die Geschwindigkeit V des Kraftfahrzeugs 1 (siehe 1) werden einer Auswerte- und Steuereinheit 7 zugeführt, die eine Einheit 8 zur Bewertung der Fahrbahnunebenheiten 4 aufweist. Weiter weist die Vorrichtung einen lokalen Speicher 9, ein Steuergerät 10 mit einer Luftschnittstelle 11 sowie mindestens einen Sensor 12 am Stromabnehmer 2 auf. Der Sensor 12 ist beispielsweise ein Druck- oder Kraftsensor, um die tatsächliche Anpresskraft P des Stromabnehmers 2 gegen die Oberleitung 3 (siehe 1) zu ermitteln oder zu erfassen.
Erfasst nun die Sensorik 6 eine vor dem Kraftfahrzeug 1 befindliche Fahrbahnunebenheit 4, so wertet die Einheit 8 diese Fahrbahnunebenheit 4 aus. Dabei berücksichtigt diese beispielsweise Größe und Tiefe bzw. Höhe. Kommt die Einheit 8 zu der Bewertung, dass durch eine Erhöhung die Anpresskraft P ein Abriss zwischen Stromabnehmer 2 und Oberleitung 3 verhindert werden kann, so steuert die Auswerte- und Steuereinheit 7 die Aktorik 5 an, damit diese die Anpresskraft P, wie zu 1 erläutert, erhöht. Durch die Daten des Sensors 12 kann dabei die eingestellte Anpresskraft P überwacht werden. Kommt hingegen die Einheit 8 zu dem Ergebnis, dass trotz maximaler Anpresskraft P ein Abriss nicht verhindert werden kann, so wird der Stromabnehmer 2 in eine abgebügelte Position bewegt oder die Stromaufnahme auf andere Art abgeregelt.
Die Position der Fahrbahnunebenheit 4 sowie die dazugehörigen Steuerbefehle für die Aktorik 5 können dann in dem lokalen Speicher 9 abgelegt werden, sodass diese bei einem erneuten Befahren der Strecke bereits zur Verfügung stehen. Alternativ oder zusätzlich können diese Informationen von dem Steuergerät 10 über die Luftschnittstelle 11 an einen zentralen, externen Server 13 und/oder an andere Kraftfahrzeuge 14 übermittelt werden. Entsprechend kann die Vorrichtung über die Luftschnittstelle 11 auch Informationen von dem Server 13 oder den anderen Kraftfahrzeugen 14 empfangen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Stromabnehmer
3: Oberleitung
4: Fahrbahnunebenheit
5: Aktorik
6: Sensorik
7: Auswerte- und Steuereinheit
8: Einheit zur Bewertung der Fahrbahnunebenheit
9: lokaler Speicher
10: Steuergerät
11: Luftschnittstelle
12: Sensor
13: Server
14: Kraftfahrzeug
F: Fahrbahn
P: Anpresskraft
A: Abtastbereich
s0-s3: Positionen
V: Geschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10337006 A1 [0004]
EP 0412719 A1 [0004]
GB 2510672 A [0005]

Claims

Straßengeführtes Kraftfahrzeug (1) mit mindestens einem Stromabnehmer (2) für mindestens eine Oberleitung (3) und mindestens einer Aktorik (5), wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Stromabnehmer (2) mittels der Aktorik (4) von einer ersten abgebügelten Position in eine zweite angebügelte Position oder umgekehrt gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) mindestens eine Sensorik (6) zur Erfassung von Fahrbahnunebenheiten (4) aufweist, wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, den Stromabnehmer (2) in Abhängigkeit einer erfassten Fahrbahnunebenheit (4) anzusteuern.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass bei einer erfassten Fahrbahnunebenheit (4) die Anpresskraft (P) des Stromabnehmers (2) erhöht wird.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass bei einer erfassten Fahrbahnunebenheit (4) der Stromabnehmer (2) in eine erste abgebügelte Position bewegt wird.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine Einheit (8) zur Bewertung einer Fahrbahnunebenheit (4) aufweist, wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, den Stromabnehmer (2) in Abhängigkeit der Bewertung der Fahrbahnunebenheit (4) anzusteuern.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft (P) in Abhängigkeit der Bewertung zwischen einer minimalen Anpresskraft (P_min) und einer maximalen Anpresskraft (P_max) eingestellt wird.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass die erfasste Fahrbahnunebenheit (4) und/oder die Steuersignale für den Stromabnehmer (2) lokal im Kraftfahrzeug (1) und/oder in einer Cloud abgespeichert werden.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) mit einer Luftschnittstelle (11) ausgebildet ist, wobei das Kraftfahrzeug (1) derart ausgebildet ist, über die Luftschnittstelle (11) Fahrbahnunebenheiten (4) und/oder Steuersignale anderer Kraftfahrzeuge (14) und/oder eines Servers (13) zu empfangen und/oder über die Luftschnittstelle (11) Fahrbahnunebenheiten (4) und/oder Steuersignale an andere Kraftfahrzeuge (14) und/oder einem Server (13) zu senden.
Straßengeführtes Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorik (6) als Laser-Scanner oder als mindestens eine Kamera ausgebildet ist.
Verfahren zum Ansteuern eines Stromabnehmers (2) eines straßengeführten Kraftfahrzeugs (1), mittels mindestens einer Aktorik (5), um den Stromabnehmer (2) von einer ersten abgebügelten Position in eine zweite angebügelte Position oder umgekehrt zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Sensorik (6) Fahrbahnunebenheiten (4) erfasst werden und der Stromabnehmer (2) in Abhängigkeit der erfassten Fahrbahnunebenheiten (4) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Fahrbahnunebenheiten (4) und/oder Steuerbefehle für den Stromabnehmer (2) an mindestens ein anderes Kraftfahrzeug (14) eines Fahrzeug-Plaatons oder ein anderes Kraftfahrzeug (14) übertragen wird.