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Die Erfindung betrifft einen Laderoboter zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen einer fahrzeugexternen ersten Anschlusseinrichtung und einer zweiten Anschlusseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei der Laderoboter eine Bodeneinheit zur Anordnung auf einem Untergrund aufweist und eine mit der Bodeneinheit gekoppelte Hubeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, zur Herstellung des elektrischen Kontakts die erste Anschlusseinrichtung in einem mit der Hubeinrichtung gekoppelten Zustand gegenüber der Bodeneinheit anzuheben. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Ladesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems mit einem Laderoboter.
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Aus dem Stand der Technik sind fahrbare automatische Ladesysteme am Fahrzeugunterboden bekannt, die vorliegend als Laderoboter bezeichnet werden. Fahrende Roboter stellen dabei eine Ladeverbindung zum Fahrzeug her, indem sie mithilfe einer Hubmechanik eine Steckverbindung herstellen. Diese physische Verbindung muss stets getrennt werden können. Beispielsweise bei Missuse, System- und Stromausfällen, Feuerwehreinsätzen und weiteren Szenarien, in denen das Fahrzeug nicht vorhergesagt bewegt werden muss oder ein Defekt am Ladesystem und/oder Fahrzeug vorliegt, wäre es vorteilhaft, wenn die Steckverbindung zum Laderoboter auf möglichst einfache Weise getrennt werden könnte, ohne dass hierbei der Roboter oder das Fahrzeug Schaden nehmen. Aktuelle Systeme weisen oft keine oder unzureichende oder mechanisch komplexe Notentriegelungs- und Sicherheitskonzepte auf. Ein weiteres Problem bei solchen Laderobotern ist es, dass außerdem im gesteckten Zustand eine leichte Fahrzeugbewegung oder Schwankung, zum Beispiel beim Be- und Entladen des Fahrzeugs, abgefangen werden muss.
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Weiterhin beschreibt die
EP 0 788 212 A2 ein induktives Ladesystem mit einer in einem Untergrund fest installierten Induktionseinheit. Die oben beschriebenen Probleme treten bei induktiven Ladeeinheiten jedoch seltener auf, da hier keine direkte physische Verbindung zwischen der kraftfahrzeugseitigen Induktionseinheit und der kraftfahrzeugexternen Induktionseinheit hergestellt werden muss, wie dies bei Steckverbindungen typischerweise der Fall ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Laderoboter, ein Ladesystem und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Sicherheit im Zusammenhang mit der Verwendung eines Laderoboters auf möglichst einfache Weise zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laderoboter, ein Ladesystem und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Laderoboter zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen einer fahrzeugexternen ersten Anschlusseinrichtung und einer zweiten Anschlusseinrichtung eines Kraftfahrzeugs weist eine Bodeneinheit zur Anordnung auf einem Untergrund auf und eine mit der Bodeneinheit gekoppelte Hubeinrichtung. Die Hubeinrichtung ist dazu ausgebildet, zur Herstellung des elektrischen Kontakts die erste Anschlusseinrichtung in einem mit der Hubeinrichtung gekoppelten Zustand gegenüber der Bodeneinheit anzuheben. Weiterhin ist die Hubeinrichtung dazu ausgelegt ist, im mit der zweiten Anschlusseinrichtung gekoppelten Zustand des Laderoboters einen Abstand zwischen der Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit zu verringern, zumindest bis die Bodeneinheit den Untergrund nicht mehr berührt.
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Somit kann vorteilhafterweise die Hubmechanik der Hubeinrichtung genutzt werden, um den gesamten Roboter anzuheben und somit von der Fahrbahn beziehungsweise dem Untergrund zu entkoppeln. Dies hat den großen Vorteil, dass auch mögliche Bewegungen des Fahrzeugs während des Ladevorgangs ganzheitlich von der Fahrbahn entkoppelt sind beziehungsweise zumindest nicht über den Laderoboter gekoppelt sind. Daher besteht keine Gefahr einer Beschädigung des Laderoboters oder des Fahrzeugs bedingt durch solche Fahrzeugbewegungen oder Schwankungen während des Ladevorgangs und ermöglicht zudem eine deutlich einfachere Ausgestaltung des Laderoboters, da dieser nicht für einen eventuellen Toleranzausgleich zu Kompensation solcher Bewegungen sorgen muss. Ein Ladekabel, das beispielsweise vom Laderoboter beziehungsweise von der ersten Anschlusseinrichtung zu einer fahrzeugexternen Energiequelle, zum Beispiel einem Stromanschluss, führt, ist ohnehin in der Regel ausreichend flexibel, sodass mögliche Bewegungen des Fahrzeugs keine Rolle spielen. Die Zuverlässigkeit während eines Ladevorgangs kann somit deutlich erhöht werden und die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung des Ladesystems des Fahrzeugs oder des Laderoboters mit einfachen Mitteln deutlich gesenkt werden. Insbesondere bis auf die Arretierungseinrichtung sind zur Umsetzung dieser zusätzlichen Sicherheitsmaßnahme vorteilhafterweise keine weiteren Komponenten erforderlich. Der Laderoboter kann so vorteilhafterweise über die Hubmechanik beziehungsweise die Hubeinrichtung die erste Anschlusseinrichtung mit der kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung koppeln, wobei diese Kopplung zum Beispiel auch durch eine roboterseitige oder kraftfahrzeugseitige Arretierungseinrichtung arretiert werden kann, und sich somit selbst einfach durch Einfahren der ohnehin vorhandenen Hubeinrichtung am Fahrzeugunterboden hochziehen. Ist der Ladevorgang beendet, so erfolgt die Entkopplung in umgekehrter Reihenfolge. Der Laderoboter kann dann also wieder den Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit durch Ausfahren der Hubeinrichtung vergrößern, bis die Bodeneinheit wieder auf den Untergrund aufsetzt, anschließend kann die Arretierungseinrichtung die Arretierung wieder lösen und der Roboter kann die Hubeinrichtung einfahren und somit die erste Anschlusseinrichtung nach unten fahren und dadurch den elektrischen Kontakt zur zweiten Anschlusseinrichtung wieder lösen.
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Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht zudem noch darin, dass die Tatsache, dass der Laderoboter vom Untergrund entkoppelt werden kann und sich am Fahrzeug hochziehen kann, vorteilhafterweise zu einer besonders einfachen, schnellen, zuverlässigen und kostengünstigen Umsetzung eines Notentkopplungsmechanismus genutzt werden kann. Kommt es beispielsweise zu einem Defekt, so kann einfach die oben erwähnte roboterseitige oder kraftfahrzeugseitige Arretierungseinrichtung die Arretierung zwischen Roboter und Kraftfahrzeug wieder lösen, selbst dann, wenn sich die Bodeneinheit noch im angehobenen und den Untergrund nicht berührenden Zustand befindet. Dann fällt der Laderoboter unter dem Einfluss der Schwerkraft einfach zu Boden und der Kontakt der ersten Anschlusseinrichtung zur zweiten Anschlusseinrichtung wird automatisch getrennt. Das Kraftfahrzeug kann nach einer solchen Notentkopplung einfach losfahren, ohne dass entsprechend durch eine weiter bestehende Kontaktierung zwischen den Anschlusseinrichtungen eine Beschädigung des Ladesystems des Fahrzeugs oder des infrastrukturseitigen Ladesystems zu befürchten ist. Somit muss vorteilhafterweise bei völligem Systemversagen keine komplexe Mechanik im Laderoboter vorhanden sein, welche ein manuelles Zurückfahren der Hubmechanik erlaubt. Dadurch lässt sich die Sicherheit noch weiter steigern.
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Im Allgemeinen kann der Laderoboter fahrbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann dieser eines oder mehrere Räder und einen Antrieb aufweisen. Auch kann der Laderoboter eine Positioniereinrichtung aufweisen, mittels welcher er sich korrekt zur zweiten Anschlusseinrichtung des Kraftfahrzeugs ausrichten kann, um den Kontakt mit der ersten Anschlusseinrichtung zur zweiten Anschlusseinrichtung herstellen zu können. Eine solche Positioniereinrichtung kann zum Beispiel ein optisches Positioniersystem, zum Beispiel mit einem Laser oder ähnlichem, aufweisen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Laderoboter zur Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der zweiten Anschlusseinrichtung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, welche an einer Unterseite des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, insbesondere in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs. Um den Kontakt herzustellen, kann der Laderoboter also einfach unter das Kraftfahrzeug fahren, sich korrekt in Bezug auf die zweite Anschlusseinrichtung ausrichten und mit der Hubeinrichtung die erste Anschlusseinrichtung nach oben fahren, bis der Kontakt zur zweiten Anschlusseinrichtung bestimmungsgemäß hergestellt ist, zum Beispiel der Ladestecker in die fahrzeugseitige Ladebuchse eingesteckt ist.
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Beim elektrischen Kontakt zwischen der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung handelt es sich weiterhin vorzugsweise um einen galvanischen Kontakt. Dieser wird zudem vorzugsweise durch eine Steckverbindung realisiert. Zu diesem Zweck ist eine der beiden Anschlusseinrichtungen als Stecker und die andere als korrespondierende Buchse ausgebildet. Die Anschlusseinrichtungen können aber auch als korrespondierende Flächenkontaktstecker ausgebildet sein. Durch eine galvanische Kontaktierung lassen sich deutlich höhere Ladeleistungen bereitstellen als beim induktiven Laden. Nichtsdestoweniger wäre es aber auch möglich, den Kontakt zwischen den beiden Anschlusseinrichtungen als induktiven oder kapazitiven Kontakt auszuführen, um hierüber Ladeleistung zu übertragen.
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Zudem ist es bevorzugt, dass die erste Anschlusseinrichtung Teil des Laderoboters ist. Mit anderen Worten umfasst der Laderoboter vorzugsweise auch die erste Anschlusseinrichtung. Diese ist dann ebenfalls mit der Hubeinrichtung gekoppelt. Denkbar wäre es theoretisch aber auch, dass die erste Anschlusseinrichtung Teil eines separat bereitgestellten Ladekabels ist, welches zu einer Ladestation, Wallbox oder Haushaltssteckdose führt beziehungsweise mit einer solchen Energiequelle koppelbar ist. In diesem Fall könnte die Hubeinrichtung mit einer entsprechenden Aufnahmeeinrichtung versehen sein, in welcher die erste Anschlusseinrichtung beispielsweise eingesteckt oder im Allgemeinen aufgenommen und gehalten werden kann. Die Ausbildung der ersten Anschlusseinrichtung als Teil des Laderoboters hat jedoch den großen Vorteil, dass hierdurch eine deutlich bauraumeffizientere Ausgestaltung des Laderoboters möglich ist. Zudem kann der Laderoboter hierdurch vorteilhafterweise auch kommunikativ in die Ladeinfrastruktur integriert werden, was vor allem die Auslösemechanismen für den Notentriegelungsmechanismus vereinfacht, wie dies später näher erläutert ist.
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Die erste Anschlusseinrichtung kann also beispielsweise an einem Ende der Hubeinrichtung angeordnet sein, welches der Bodeneinheit in Bezug auf eine erste Richtung gegenüberliegt. Diese erste Richtung verläuft dabei vorzugsweise vertikal bezogen auf die bestimmungsgemäße Betriebsposition des Roboters. Auch die zuvor und im Folgenden noch verwendeten Begriffe wie „oben“, „unten“, „oberhalb“, „unterhalb“ oder ähnliches beziehen sich auf eine bestimmungsgemäße Betriebsposition des Laderoboters, in welcher dieser auf einem im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Untergrund angeordnet ist. Eine Befestigung am Untergrund besteht dabei nicht, insbesondere im Gegensatz zu fest installierten Ladesystemen, was es erfindungsgemäß erst vorteilhafterweise ermöglicht, den Laderoboter am Kraftfahrzeug hochzuziehen, sodass dieser den Untergrund nicht mehr berührt.
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Für die Hubeinrichtung gibt es darüber hinaus ebenfalls zahlreiche Ausbildungsmöglichkeiten. Eine vorteilhafte Möglichkeit ist zum Beispiel die Ausbildung als eine Scherenhubvorrichtung. Diese ist besonders bauraumsparend, da sie vor allem im eingefahrenen Zustand in der Vertikalen sehr bauraumeffizient ausgestaltet sein kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Hubeinrichtung zumindest mittelbar an einer Komponente des Kraftfahrzeugs mittels einer Arretierungseinrichtung, insbesondere der oben bereits erwähnten Arretierungseinrichtung, arretierbar ist, wenn die erste Anschlusseinrichtung mit der zweiten Anschlusseinrichtung elektrisch kontaktiert ist. Dabei kann diese Arretierungseinrichtung ebenfalls Teil des Roboters sein, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss. Eine solche Arretierungseinrichtung kann auch Teil des Kraftfahrzeugs sein und kann zum Beispiel im Bereich oder an der zweiten Anschlusseinrichtung des Fahrzeugs angeordnet sein. Selbst wenn die Arretierungseinrichtung in einigen der nachfolgend noch beschriebenen Ausführungsbeispielen Teil des Laderoboters ist, so soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen darauf nicht beschränkt sein und es können diese Ausführungsbeispiele ganz analog auch umgesetzt sein, wenn die Arretierungseinrichtung Teil des Kraftfahrzeugs ist. Ist die Arretierungseinrichtung oder zumindest der arregierungsmechanismus Teil des Kraftfahrzeugs, so kann eine Ansteuerung des Arretierungsmechanismus durch das Kraftfahrzeug oder auch durch eine roboterseitige Steuereinrichtung erfolgen. Dazu kann der Laderoboter auch eine kommunikative Verbindung zum Kraftfahrzeug aufweisen.
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Die Arretierungseinrichtung bzw. der durch diese bereitgestellte Arretierungsmechanismus kann sich, wenn die Arretierungseinrichtung Teil des Roboters ist, ebenfalls an der Hubeinrichtung und/oder der ersten Anschlusseinrichtung befinden. Die Arretierungseinrichtung kann im Allgemeinen zum Beispiel die erste Anschlusseinrichtung direkt an der zweiten Anschlusseinrichtung arretieren oder einen anderen Teil der Hubeinrichtung in der Nähe der ersten Anschlusseinrichtung an der zweiten Anschlusseinrichtung des Kraftfahrzeugs oder an einer anderen Kraftfahrzeugkomponente in der Nähe der zweiten Anschlusseinrichtung. Mit anderen Worten kann der Laderoboter und/oder die Arretierungseinrichtung nach erfolgreichem Stecken z.B. den Steckerkopf beziehungsweise den Roboter selbst an der Buchse beziehungsweise der Fahrzeugeinheit arretieren. Die Arretierungseinrichtung kann dabei mechanisch ausgestaltet sein, und beispielsweise automatisch einschnappen, einhaken oder ähnliches, sobald die erste Anschlusseinrichtung in ihre bestimmungsgemäße Kontaktposition bezüglich der zweiten Anschlusseinrichtung gebracht ist. Das Lösen der Arretierung wird in diesem Fall zum Beispiel durch Ansteuerung der Arretierungseinrichtung bewirkt, kann optional zusätzlich aber auch mechanisch gelöst werden. Beispielsweise kann die Arretierungseinrichtung so ausgestaltet sein, dass die Arretierung bei erhöhter Zugkraft geöffnet werden kann. Dies erlaubt beispielsweise ein manuelles Abstecken des Roboters von außen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Arretierungseinrichtung dazu ausgelegt, im arretierten Zustand und im Falle eines Fehlerzustands die Arretierung automatisch zu lösen. Insbesondere wird dabei die Arretierung durch die Arretierungseinrichtung auch gelöst, wenn die Bodeneinheit des Laderoboters aktuell nicht den Untergrund berührt. Tritt also während des Ladevorgangs irgendein Fehlerfall ein, so kann die Arretierungseinrichtung vorteilhafterweise die Arretierung automatisch lösen, wodurch der Laderoboter zu Boden fällt und dadurch der Ladekontakt zum Fahrzeug automatisch getrennt wird. Dabei kann die Arretierungseinrichtung auch so ausgestaltet sein, dass ein Auftreten bestimmter Fehler, wie zum Beispiel ein Stromausfall, automatisch das Lösen der Arretierung bewirkt. Beispielsweise kann die Arretierungseinrichtung so ausgestaltet sein, dass ein permanentes Bestromen der Arretierungseinrichtung erforderlich ist, um die Arretierung aufrecht zu erhalten. Das Wegfallen einer solchen Bestromung hat dann automatisch das Lösen der Arretierung zur Folge haben. So lässt sich beispielsweise im Falle eines Stromausfalls automatisch die Arretierung lösen. Eine sehr vorteilhafte Arretierungsmöglichkeit ist zum Beispiel in der
DE 10 2019 125 784 A1 beschrieben. Beispielsweise kann die Arretierungseinrichtung mit einem federvorgespannten Ring mit Aktor ausgebildet sein, der mithilfe einer Drehbewegung den Steckkopf, d.h. die erste Anschlusseinrichtung, des Roboters innerhalb der Buchse, d.h. der zweiten Anschlusseinrichtung, am Fahrzeug arretiert. Ein Elektromagnet kann dafür sorgen, dass der Ring die Position „offen“ sowie „arretiert“ hält. Liegt ein Systemausfall oder Stromausfall vor, so löst der Elektromagnet automatisch und der federvorgespannte Ring öffnet die Arretierung und der Roboter fällt zurück auf den Boden. Für eine Notentriegelung mit erhöhter Zugkraft kann das Arretierelement, zum Beispiel ein Arretierstift, mithilfe eines federnden Elements umgesetzt werden. Es sind aber auch zahlreiche andere Ausgestaltungen denkbar.
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Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass der Laderoboter und/oder die Arretierungseinrichtung dazu ausgelegt ist, den Fehlerzustand zu detektieren. Zu diesem Zweck kann die Arretierungseinrichtung auch eine Steuereinrichtung aufweisen, die vom Arretierungsmechanismus räumlich entfernt angeordnet ist. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise noch deutlich mehr verschiedene Zustände berücksichtigen, in denen eine Notentkopplung ausgelöst werden kann. Beispielsweise kann die Arretierungseinrichtung dazu ausgelegt sein, als Fehlerzustand einen Defekt einer kraftfahrzeugseitigen Einrichtung zu detektieren, und/oder einen Defekt einer kraftfahrzeugexternen, elektrischen Energieversorgungseinrichtung zu detektieren, und/oder einen Defekt des Laderoboters zu detektieren. Eine kraftfahrzeugexterne elektrische Energieversorgungseinrichtung kann zum Beispiel ein Stromnetz sein, eine herkömmliche Haushaltssteckdose, eine Ladestation, eine Wallbox oder ähnliches. Ein Defekt einer solchen Energieversorgungseinrichtung kann zum Beispiel einen Stromausfall betreffen, einen Kurzschluss oder einen sonstigen Fehlerfall. Um Unstimmigkeiten in der Stromversorgung zu detektieren, kann der Laderoboter Eigensensoren aufweisen. Vorteilhaft ist es vor allem, wenn der Laderoboter kommunikativ über ein Ladekabel mit der kraftfahrzeugexternen Energieversorgungseinrichtung und/oder dem Ladesystem des Kraftfahrzeugs in Verbindung steht. Ladekabel weisen typischerweise eine Kommunikationsleitung auf, die vorteilhafterweise auch vom Laderoboter genutzt werden kann, um die oben genannten Fehlerfälle zu detektieren. Auf diese Weise kann der Laderoboter, insbesondere die Arretierungseinrichtung, auch kraftfahrzeugseitige Fehlerzustände detektieren und entsprechend eine Notentkopplung auslösen, indem bei Detektion eines solchen Fehlerfalls die Arretierungseinrichtung die Arretierung automatisch löst. Somit kann vorteilhafterweise in vielzähligen verschiedenen Situationen eine Notentkopplung auf besonders einfache und komfortable Weise bereitgestellt werden. In diesem Fall ist es auch sehr vorteilhaft, wenn die erste Anschlusseinrichtung selbst Teil des Laderoboters ist, da so die Einbindung des Laderoboters in die durch die Ladeleitung bereitgestellte Kommunikationsleitung vereinfacht ist. Diese Kommunikationsleitung wird auch als CP (Control Pilot)-Leitung bezeichnet. Die Steuereinrichtung der Arretierungseinrichtung kann dabei auch durch eine allgemeine, z.B. zentrale, Steuereinrichtung des Laderoboters bereitgestellt sein, die neben der Ansteuerung des Arretierungsmechanismus der Arretierungseinrichtung auch anderen Steueraufgaben, wie die Detektion von Fehlerfällen, Ansteuerung der Hubeinrichtung, Positionieren des Roboters unter dem Fahrzeug, Navigieren des Roboters beim Fahren unter das Fahrzeug, usw. übernimmt. Ist die Arretierungseinrichtung Teil des Kraftfahrzeugs, so können ebenso vorteilhafterweise über diese CP-Leitung Informationen über mögliche infrastrukturseitige oder roboterseitige Fehlerfälle bezogen werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Laderoboter ein mit der ersten Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbundenes, insbesondere flexibles, Ladekabel mit einer dritten Anschlusseinrichtung zum Koppeln mit einer laderoboterexternen und kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle auf. Das Ladekabel kann an beliebiger Stelle aus dem Laderoboter herausgeführt sein. Da dieses Ladekabel, wie herkömmliche Kabel, flexibel ist, wird dadurch die Entkopplung des Laderoboters vom Untergrund während des Ladens nicht beeinträchtigt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Laderoboter so ausgestaltet, dass, wenn sich die Bodeneinheit in einem den Untergrund nicht berührenden, von der Hubeinrichtung in Richtung der ersten Anschlusseinrichtung angehobenen Zustand befindet und die Arretierung automatisch gelöst wird, der Kontakt zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der zweiten Anschlusseinrichtung automatisch unter dem Einfluss der Schwerkraft getrennt wird und der Laderoboter unter dem Einfluss der Schwerkraft auf den Untergrund fällt. So kann auf besonders einfache und effiziente Weise eine Notentkopplung bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist es dabei zudem, wenn beispielsweise die Aussteckkraft, die zum Lösen der Steckverbindung zwischen der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung erforderlich ist, möglichst klein ist, insbesondere kleiner als eine Gewichtskraft des Laderoboters. In diesem Fall lässt sich das automatische, schwerkraftbedingte Ausstecken der ersten Anschlusseinrichtung aus der zweiten Anschlusseinrichtung und das Abfallen des Laderoboters vom Kraftfahrzeug ausschließlich durch die Gewichtskraft des Laderoboters selbst bewerkstelligen. Nichtsdestoweniger kann der Laderoboter auch noch eine Rückstelleinrichtung aufweisen, um ein solches Abfallen des Laderoboters bei Lösen der Arretierung zusätzlich zu fördern. Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Laderoboter eine Rückstelleinrichtung, insbesondere mit einer Feder, aufweist. Die Rückstelleinrichtung ist dann bevorzugt dazu ausgelegt, in einem mit der zweiten Anschlusseinrichtung kontaktierten Zustand der ersten Anschlusseinrichtung eine Rückstellkraft von der zweiten Anschlusseinrichtung auf die erste Anschlusseinrichtung auszuüben. Im einfachsten Fall kann also beispielsweise eine Feder beim Schließen des Kontakts zwischen der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung zusammengedrückt werden, und so eine Rückstellkraft erzeugen, durch welche, wenn die Arretierung gelöst wird, während die Bodeneinheit den Untergrund nicht berührt, die erste Anschlusseinrichtung zusätzlich von der zweiten Anschlusseinrichtung abgestoßen wird, das heißt zusätzlich zu der Gewichtskraft des Laderoboters. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass der Laderoboter selbst bei relativ geringem Gewicht zuverlässig vom Fahrzeug im Notfall abgekoppelt werden kann. Dies ermöglicht es zudem auch, dass die oben definierte Aussteckkraft zum Ausstecken der ersten Anschlusseinrichtung aus der zweiten Anschlusseinrichtung unter Umständen sogar größer sein kann als die Gewichtskraft des Laderoboters. Damit ist deutlich mehr Flexibilität bei der Ausgestaltung der einzelnen Komponenten des Laderoboters bereitgestellt.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn sich der Laderoboter am Kraftfahrzeug zum Beispiel um seine eigene Höhe im eingefahrenen Zustand der Hubeinrichtung hochziehen kann. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die lichte Höhe vom Untergrund bis zur zweiten Anschlusseinrichtung mindestens doppelt so groß ist wie eine Höhe des Roboters in der vertikalen Richtung, wenn sich die erste Anschlusseinrichtung in einer eingefahrenen Verstaustellung befindet. Mit anderen Worten sollte der Laderoboter in vertikaler Richtung möglichst klein sein und sich um seine eigene Höhe in der Vertikalen durch die Hubeinrichtung hochziehen können. Dies hat den Vorteil, dass im Falle einer Notentkopplung auch ein kollisionsfreies Wegfahren des Kraftfahrzeugs möglich ist, und vor allem auch ein zuverlässiges Entkoppeln der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung. Der Laderoboter muss sich hierfür aber nicht notwendigerweise um seine eigene Höhe hochziehen können, aber zumindest um eine Steckhöhe, um welche die erste Anschlusseinrichtung in die zweite Anschlusseinrichtung eingesteckt ist oder umgekehrt. Durch das Herabfallen des Roboters um mindestens diese Höhe lässt sich damit ein zuverlässiges ausreichendes Ausstecken der Anschlusseinrichtungen bereitstellen. Diese Einsteckhöhe ist dabei kleiner als die Höhe des Roboters im eingefahrenen Zustand der Hubeinrichtung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Hubeinrichtung dazu ausgelegt, die erste Anschlusseinrichtung zwischen einer Verstaustellung und mindestens einer Kontaktstellung zu bewegen, wobei ein Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit in der mindestens einen Kontaktstellung größer ist als in der Verstaustellung. Vorzugsweise ist die Hubeinrichtung nicht nur dazu ausgelegt, die erste Anschlusseinrichtung in eine Kontaktstellung zu bewegen, sondern mindestens in zwei verschiedene Kontaktstellungen. Grundsätzlich kann die Hubeinrichtung auf einfache Weise so ausgestaltet werden, dass sie sich an beliebige Steckhöhen beziehungsweise Höhen der zweiten Anschlusseinrichtung über dem Untergrund anpassen kann. Beispielsweise kann die Hubeinrichtung von der Verstaustellung, die so definiert sein kann, dass in dieser Stellung der Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit minimal ist, in beliebig viele verschiedene höhere Kontaktstellungen bis zu einer maximalen Kontaktstellung verfahrbar sein, in welcher der Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit maximal ist. Um den Kontakt zwischen der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung herzustellen, fährt die Hubeinrichtung die erste Anschlusseinrichtung aus der Verstaustellung zunächst in eine erste Kontaktstellung, in welcher der Kontakt zwischen den beiden Anschlusseinrichtungen bestimmungsgemäß hergestellt ist. Anschließend fährt die Hubeinrichtung die erste Anschlusseinrichtung in eine zweite Kontaktstellung in Bezug auf die Bodeneinheit, in welcher der Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit gegenüber der zweiten Kontaktstellung verringert ist. Dies bewirkt das Hochheben der Bodeneinheit, sodass diese den Untergrund nicht mehr berührt. Der Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit ist dabei aber vorzugsweise immer noch größer als in der Verstaustellung. Dies ermöglicht es, eine vertiefte Verstaustellung vorzusehen.
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Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Hubeinrichtung dazu ausgelegt ist, die erste Anschlusseinrichtung beim Bewegen der ersten Anschlusseinrichtung von der Verstaustellung in die mindestens eine Kontaktstellung in eine erste Richtung gegenüber der Bodeneinheit zu bewegen, wobei die erste Anschlusseinrichtung in der Verstaustellung in einem Aufnahmebereich der Bodeneinheit in Bezug auf die erste Richtung vertieft angeordnet ist. Mit anderen Worten kann in der Verstaustellung die Anschlusseinrichtung in der Vertikalen in die Bodeneinheit aufgenommen werden. Die maximale Höhe des Laderoboters in der Vertikalen ist dann, wenn sich die Anschlusseinrichtung in ihrer Verstaustellung befindet, über die maximale Höhe der Bodeneinheit definiert. So lässt sich der Laderoboter vorteilhafterweise auch bei Kraftfahrzeugen einsetzen, die nur sehr wenig Bodenfreiheit aufweisen. Bei Fahrzeugen mit hoher Bodenfreiheit kann es zudem vorgesehen sein, dass sich der Laderoboter höher als die nötige Einstecktiefe des Stecksystems hochziehen kann, um nach dem Notabsteckvorgang genügend Bodenfreiheit aufzuweisen, sodass das Fahrzeug problemlos wegbewegt werden kann. Bei Fahrzeugen mit geringerer Bodenfreiheit kann beispielsweise eine zusätzliche Vorspannung der zurückgezogenen Hubmechanik dafür sorgen, dass der Stecker beziehungsweise im Allgemeinen die erste Anschlusseinrichtung komplett im Roboter verschwindet, insbesondere ohne aktive Aktoren. Dies hat den Vorteil, dass auch im Falle eines Stromausfalls oder einer fehlenden Ansteuerung ein zuverlässiges Versenken der Anschlusseinrichtung in der Bodeneinheit gewährleistet werden kann.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Ladesystem mit einem erfindungsgemäßen Laderoboter oder einer seiner Ausgestaltungen. Das Ladesystem kann darüber hinaus auch eine Kraftfahrzeug-Ladeeinheit aufweisen, die die zweite Anschlusseinrichtung umfasst. Diese kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Die Kraftfahrzeug-Ladeeinheit kann zudem auch die Arretierungseinrichtung aufweisen. Zum Ladesystem kann auch das Kraftfahrzeug gehören, welches die Kraftfahrzeug-Ladeeinheit umfasst.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems mit einem Laderoboter zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen einer fahrzeugexternen ersten Anschlusseinrichtung und einer zweiten Anschlusseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei der Laderoboter eine Bodeneinheit zur Anordnung auf einem Untergrund aufweist und eine mit der Bodeneinheit gekoppelte Hubeinrichtung, die zur Herstellung des elektrischen Kontakts die erste Anschlusseinrichtung in einem mit der Hubeinrichtung gekoppelten Zustand gegenüber der Bodeneinheit anhebt, bis der Kontakt hergestellt ist. Weiterhin verringert die Hubeinrichtung im mit der zweiten Anschlusseinrichtung gekoppelten Zustand des Laderoboters einen Abstand zwischen der ersten Anschlusseinrichtung und der Bodeneinheit, zumindest bis die Bodeneinheit den Untergrund nicht mehr berührt.
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Die für den erfindungsgemäßen Laderoboter und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für den Laderoboter. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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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 Laderoboters 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. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Laderoboters unter einer Anschlusseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei sich der Laderoboter in einem Ausgangszustand befindet, in welchem die roboterseitige Anschlusseinrichtung sich in einer Verstaustellung befindet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung des Laderoboters aus 1, während die laderoboterseitige Anschlusseinrichtung durch eine Hubeinrichtung des Laderoboters nach oben in Richtung der kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung gefahren wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des Laderoboters aus 1 in einem Zustand, in welchem die roboterseitige Anschlusseinrichtung mit der fahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung kontaktiert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung des Laderoboters aus 1 in einem durch die Hubeinrichtung am Kraftfahrzeug hochgezogenen Zustand, in welchem der Laderoboter den Untergrund nicht mehr berührt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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 Darstellung eines Laderoboters 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Laderoboter 10 befindet sich in der dargestellten Situation unterhalb einer kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung 12 eines Kraftfahrzeugs 14, von welchem nur ein Teil, insbesondere ein Bereich des Unterbodens 14a, dargestellt ist. Der Laderoboter 10 ist zudem auch in 2, 3 und 4 dargestellt, jeweils in unterschiedlichen Zuständen, wie diese nachfolgend noch näher erläutert werden. Der Laderoboter 10 weist eine Bodeneinheit 16 zur Anordnung auf einem Untergrund 18 auf. Die Bodeneinheit 16 kann zum Beispiel mit Rädern 20 oder Rollen oder ähnlichen Einrichtungen versehen sein, damit der Laderoboter 10 gegenüber dem Untergrund 18 verfahrbar und einfach beweglich ist. Zudem weist der Laderoboter 10 noch einen Antrieb 21 und optional weitere hier nicht explizit dargestellte Komponenten, wie zum Beispiel eine optische Positioniereinrichtung oder ähnliches, auf, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vordergründig relevant sind.
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Der Laderoboter 10 ist dazu ausgelegt, eine elektrische, insbesondere galvanische, Verbindung, insbesondere in Form einer Steckverbindung, zwischen einer roboterseitigen Anschlusseinrichtung 22 (vergleiche zum Beispiel 2) und der kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung 12 herzustellen. Die roboterseitige Anschlusseinrichtung 22 kann zum Beispiel als Ladestecker ausgebildet sein. Dieser Ladestecker 22 kann weiterhin mit einem zu einer Energiequelle, wie zum Beispiel einer Wallbox, einer Steckdose, einer Ladesetation, führenden Ladekabel 24 elektrisch leitend verbunden sein. Dieses kann prinzipiell an beliebiger Stelle aus dem Laderoboter 10 herausgeführt sein. Diese Anschlusseinrichtung 22 ist mittels einer Hubeinrichtung 26 des Laderoboters 10 in Bezug auf die hier dargestellte z-Richtung verfahrbar und in unterschiedliche, insbesondere grundsätzlich beliebig viele Einstellpositionen einstellbar. Im vorliegenden Beispiel ist diese Hubeinrichtung 26 als eine Scherenhubvorrichtung ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise, vor allem in z-Richtung. 1 zeigt den Laderoboter 10 dabei im eingefahrenen Zustand der Anschlusseinrichtung 22. Vorzugsweise lässt diese sich in z-Richtung in der Bodeneinheit 16 des Laderoboters 10, zum Beispiel in einem dafür vorgesehenen Aufnahmebereich 28, versenken. Somit zeigt 1 die Anschlusseinrichtung 22 und die Hubeinrichtung 26 in einer Verstaustellung. In allen übrigen Stellungen der Hubeinrichtung 26 weist die Anschlusseinrichtung 22 einen größeren Abstand zur Bodeneinheit 16 auf als in der Verstaustellung. Mit anderen Worten wird zum Herstellen des Kontakts zur kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung 12 die roboterseitige Anschlusseinrichtung 22 nach oben ausgefahren.
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Dies ist in 2 dargestellt, in welcher sich die roboterseitige Anschlusseinrichtung 22 in einem bereits teilweise ausgefahrenen Zustand befindet. In 3 ist letztendlich der Steckkontakt zwischen der roboterseitigen Anschlusseinrichtung 22 und der kraftfahrzeugseitigen Anschlusseinrichtung 12 hergestellt. Dies stellt jedoch nicht die bestimmungsgemäße Endposition des Roboters 10 zur Durchführung des Ladevorgangs zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs 14 dar. Stattdessen zieht sich der Roboter 10 mittels seiner Hubmechanik 26 vorerst noch am Kraftfahrzeug 14 hoch. Dies ist in 4 illustriert. Weiterhin ist eine Arretierungseinrichtung mit einem Arretierungsmechanismus 30 vorgesehen. Diese kann Teil des Kraftfahrzeugs 14 sein, oder wie in diesem Beispiel dargestellt, Teil des Laderoboters 10. Besipeilshaft weist also hier der Laderoboter 10 die Arretierungseinrichtung mit dem Arretierungsmechanismus 30 auf, der in 2 lediglich schematisch im Bereich des oberen Endes der Hubeinrichtung 26 beziehungsweise im Bereich der Anschlusseinrichtung 22 illustriert ist. Die Arretierungseinrichtung kann zudem auch eine Steuereinrichtung 31 zur Ansteuerung des Arretierungsmechanismus 30 umfassen. Die Steuereinrichtung 31 der Arretierungseinrichtung kann dabei auch durch eine allgemeine, z.B. zentrale, Steuereinrichtung 31 des Laderoboters 10 bereitgestellt sein, die neben der Ansteuerung des Arretierungsmechanismus 30 der Arretierungseinrichtung auch anderen Steueraufgaben, wie die Detektion von Fehlerfällen, die Ansteuerung der Hubeinrichtung 26, Positionieren des Roboters 10 unter dem Fahrzeug 14, Navigieren des Roboters 10 beim Fahren unter das Fahrzeug 14, usw. übernimmt.
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Diese Arretirungseinrichtung, die den Arretierungsmechanismus 30 bereitstellt, kann grundsätzlich in beliebiger Weise ausgestaltet sein. Eine solche Arretiereinrichtung sorgt für eine Arretierung der Hubeinrichtung 26 am Kraftfahrzeug 14, insbesondere direkt, wenn die Arretiereinrichtung 30 zum Beispiel direkt an der Hubeinrichtung 26 angeordnet ist oder indirekt über die roboterseitige Anschlusseinrichtung 22. Dieser Arretierungsmechanismus 30 ist so ausgestaltet, dass dieser das Eigengewicht des Roboters 10 halten kann, und auch die Hubmechanik 26 ist so ausgestaltet, um das Eigengewicht des Roboters 10 am Kraftfahrzeug 14 hochzuziehen. Der Roboter 10 kann dabei zum Beispiel ein Eigengewicht im Bereich zwischen fünf und zehn Kilogramm aufweisen. Die Hubmechanik 26 ist also ausgebildet, um eine ausreichend große Steckkraft zum Herstellen der Steckverbindung zwischen den Anschlusseinrichtungen 12, 22 herzustellen. Die Hubeinrichtung 26 kann dazu ausgelegt sein, eine Steckkraft von zum Beispiel 200 Newton aufzubringen. Des Weiteren ist die Hubeinrichtung 26 dazu ausgelegt, insbesondere einschließlich ihres Antriebs, das Eigengewicht des Roboters 10 zu tragen. Auch der Arretierungsmechanismus 30 ist so ausgeführt, dass diese das Gesamtgewicht des Roboters 10 tragen kann. Bei höherer Zugbelastung jedoch kann diese so ausgestaltet sein, dass diese die Arretierung freigibt, sodass der Roboter 10 ohne Beschädigung des Stecksystems oder anderer Komponenten vom Fahrzeug 14 getrennt werden kann. Dies erlaubt insbesondere eine manuelle Trennung, zum Beispiel in einem Notfall.
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Dadurch, dass sich der Roboter 10 am Fahrzeug 14, wie in 4 dargestellt, durch seine Hubmechanik 26 hochziehen kann, ist er während des Ladevorgangs vom Untergrund 18 vollständig entkoppelt. Dadurch muss durch den Roboter 10 kein Toleranzausgleich mehr für eventuelle Fahrzeugbewegungen oder Schwankungen während des Ladevorgangs bereitgestellt werden. Die Ausbildung des Roboters 10 vereinfacht sich deutlich. Zudem ermöglicht diese Ausgestaltung eine besonders einfache Notentkopplung beziehungsweise Notabsteckung der Steckverbindung der Anschlusseinrichtungen 12, 22. In diesem Fall kann die Arretierungseinrichtung 30 die Arretierung lösen, woraufhin der Roboter 10 unter dem Einfluss der Schwerkraft auf den Untergrund 18 fällt, wodurch die Steckverbindung automatisch gelöst wird. Um ein zuverlässiges Ausstecken der Anschlusseinrichtung 22 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn sich der Roboter 10 über seine Hubmechanik 26 zuvor ausreichend weit am Kraftfahrzeug 14 hochgezogen hat, insbesondere so, dass sein Abstand zum Untergrund 18, der vorliegend mit H bezeichnet ist, in der hochgezogenen Endposition des Roboters 10 mindestens so groß ist wie eine Einsteckhöhe h, welche in 2 schematisch dargestellt ist, und um welche der Stecker 22 in die korrespondierende Buchse 12 des Fahrzeugs 14 eingesteckt wird. Würde in einem Notfall und in einem in 4 dargestellten Zustand des Laderoboters 10 die Arretierungseinrichtung 30 die Arretierung lösen, so würde der Laderoboter 10 auf den Untergrund 18 fahren, und befände sich dann entsprechend wieder im in 2 dargestellten Zustand oder auch im in 1 dargestellten Zustand. Beispielsweise kann die Hubmechanik 26 noch über eine Vorspanneinrichtung 32 verfügen, die in 4 exemplarisch als zwei Federn dargestellt ist. Eine solche Vorspanneinrichtung kann dafür sorgen, dass die Hubeinrichtung 26 auch bei Stromausfall oder fehlender Ansteuerung komplett in ihre Verstauposition, wie diese in 1 dargestellt ist, zurückfahren kann, beziehungsweise durch diese Vorspanneinrichtung 32 rein mechanisch zurückgestellt wird. Dies ist vor allem bei Fahrzeugen mit geringerer Bodenfreiheit besonders vorteilhaft, da dann ein kollisionsfreies Wegfahren des Fahrzeugs 14 nach einer solchen Notabsteckung gewährleistet ist. Um eine solche Notabsteckung auszulösen, kann die Arretierungseinrichtung beziehungsweise die Steuereinrichtung 31 verschiedene Fehlerfälle detektieren und in Abhängigkeit der Detektion eines solchen Fehlerfalls die Arretierung lösen. Das Lösen der Arretierung ist somit also sowohl passiv, zum Beispiel bei einer Nichtbestromung des Arretierungsmechanismus 30 im Falle eines Stromausfalls oder Systemausfalls, sowie auch aktiv durch Ansteuerung der Arretierungseinrichtung 30 möglich, sowie alternativ auch manuell. Dadurch lässt sich die Sicherheit während des Ladevorgangs umfassend steigern.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Sicherheitsprinzipien für einen fahrbaren Laderoboter für Elektrofahrzeuge auf besonders einfache und effiziente Weise umgesetzt werden können.
