EP4087753A1 - Ladesystem und verfahren zum autonomen laden eines elektrofahrzeugs - Google Patents

Ladesystem und verfahren zum autonomen laden eines elektrofahrzeugs

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Publication number
EP4087753A1
EP4087753A1 EP21707619.9A EP21707619A EP4087753A1 EP 4087753 A1 EP4087753 A1 EP 4087753A1 EP 21707619 A EP21707619 A EP 21707619A EP 4087753 A1 EP4087753 A1 EP 4087753A1
Authority
EP
European Patent Office
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charging
arm part
loading arm
vehicle
horizontal
Prior art date
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Pending
Application number
EP21707619.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Kummeth
Stefan PERRAS
Johannes Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4087753A1 publication Critical patent/EP4087753A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to a charging system for autonomous charging of an electric vehicle with electrical energy, comprising a charging arm and a charging cable or a busbar which can be connected to the electric vehicle to be charged.
  • the invention also relates to a method for autonomous charging of an electric vehicle with such a charging system.
  • Numerous charging systems for charging electric vehicles are known from the prior art, in which a human user has to connect a charging cable to the electric vehicle at the beginning of the charging process and accordingly has to disconnect this charging cable from the electric vehicle at the end of the charging process. Due to the necessary interaction of the user, such charging systems are not suitable for the automated charging of autonomous vehicles in which no human user can or does not want to be active.
  • a wall-mounted charging box is verbun with a robot arm that carries the charging cable and can plug it into the charging socket of the vehicle to be charged by means of an automated movement.
  • This robot arm is based on several robot links that are pivotably arranged via swivel joints. Together with a vertical translational movement of the robot arm in the area of the charging box, a spatially limited positioning of the charging plug can be achieved in order to be able to plug the charging plug into a parked car.
  • the disadvantage of this solution is that it is comparatively complex and the robot arm used is relatively expensive.
  • the robot arms are usually rigidly fixed in their assembly position and therefore cannot Achieve different charging socket positions in different electric cars.
  • such robot arms are typically not suitable for continuous use outdoors.
  • the object of the invention is therefore to specify a charging system which overcomes the disadvantages mentioned and is in particular compatible with different vehicle lengths and is suitable for permanent use outdoors. In particular, it should have as free a position as possible of the loading arm end and advantageously also allow the fastest possible loading. Another object is to specify a method for charging an electric vehicle with such a charging system.
  • the charging system is designed for the autonomous charging of an electric vehicle with electrical energy. As part of a higher-level loading arm, it includes a vertical loading arm section. It also includes a charging cable or a power rail. The charging cable or the busbar can be connected to the electric vehicle to be charged with the aid of the charging arm.
  • the charging system further comprises an elongated horizontal charging arm part which can be extended from the vertical charging arm part in the direction of the electric vehicle.
  • the horizontal loading arm part has a first drive system with a first linear effective direction which corresponds to a longitudinal direction of the horizontal loading arm part. As a result, the vehicle-side end of the horizontal charging arm part can be moved autonomously relative to the electric vehicle by the first drive system with respect to a first linear degree of freedom.
  • the charging system has a second drive system with a second linear direction of action, with which the horizontal loading arm part can be moved autonomously relative to the electric vehicle with respect to a second linear degree of freedom.
  • the charging system can alternatively comprise either a charging cable or a busbar for electrical connection to the electric vehicle. If only one of these two alternatives is mentioned as an example in the following, the other possibility should always also apply as disclosed.
  • autonomous charging is to be understood here generally as an automated charging process which does not require any interaction from a human user. Accordingly, the term “autonomously movable” means a type of movement which does not require any human interaction.
  • Essential in connection with the present invention is the autonomous mobility of the vehicle-side horizontal loading arm end along at least two, in particular independent, linear degrees of freedom of movement.
  • the loading system can therefore generally have a loading arm as a basic element, which arm part comprises a vertical loading arm part and (in particular carried by this) a horizontal loading arm part.
  • the vertical loading arm part should be understood to mean an elongated sub-element of the loading arm with a vertical main directional component. So it does not have to be aligned exactly vertically. Accordingly, an elongated sub-element of this loading arm with a horizontal main direction component is to be understood under the horizontal loading arm part.
  • the loading arm can also be arranged to be movable, in particular it can be translationally movable overall.
  • the loading arm can be arranged so that it can move horizontally, for example, on a rail system. This can in particular be one of the required two linear degrees of freedom of movement.
  • the charging system can include a vehicle area in which the vehicle to be charged can be positioned. Thieves- The written movement from the end of the horizontal loading arm part “towards the electric vehicle” and “with respect to the first linear degree of freedom” should therefore correspond to a movement in the direction of this vehicle area.
  • the vehicle to be charged can be oriented essentially along a predetermined longitudinal direction of the vehicle, which corresponds in particular to a local target direction of travel. This direction is referred to in the following as the x direction or “horizontal longitudinal direction”.
  • the horizontal spatial direction perpendicular to it is referred to here as the y direction or “horizontal transverse direction”.
  • the vertical spatial direction is referred to as the z-direction.
  • the described movement of the end of the loading arm in the direction of the electric vehicle can in particular be a movement with a directional component in the horizontal transverse direction, ie in the y direction.
  • a charging plug can be plugged into a charging socket arranged on the side of the vehicle in a particularly simple manner.
  • the direction of movement does not have to coincide exactly with the y-direction. Rather, in this embodiment it is sufficient if the direction of movement has at least one partial component in the y-direction.
  • the direction of movement besides the y-component also has a (mostly lower) z-component.
  • a movement in the x-direction should not be ruled out, especially if the longitudinal direction of the vehicle is not aligned exactly along the desired longitudinal direction (i.e. the x-direction of the charging system).
  • the movement with respect to the first translational degree of freedom is made possible by a first drive system of the horizontal loading arm part, which has a "first linear direction of action".
  • first linear direction of action This feature should be understood to mean that the movement brought about by the drive system is a linear movement
  • the first drive system is not a pure linear drive act with linear primary motion. It can also be, for example, a spindle drive in which a rotary primary movement is converted into a linear movement.
  • it is essential that the movement of the horizontal loading arm part (and thus also of the cable end) caused by the drive system is a linear movement. This is a major difference to the loading system with Ro boterarm described above, in which the movement of the loading arm end is only caused by several rotational movements in the loading arm, namely the rotations about rotatable robot joints.
  • the horizontal loading arm part (and in particular the loading arm as a whole) can be moved with respect to a second linear degree of freedom.
  • the end of the horizontal loading arm part is movable with respect to two independent linear degrees of freedom.
  • the two linear directions of movement do not necessarily have to be exactly perpendicular to one another, but they must not be parallel to one another in any case. They advantageously enclose an angle of at least 45 ° with one another.
  • the second linear direction of movement can in particular be a movement with a substantial directional component in the z-direction or a movement with a substantial directional component in the x-direction. In addition to the direction of the “insertion movement”, positioning in at least one other spatial direction is achieved.
  • An essential advantage of the present invention is that the combination of at least two linearly acting drive systems enables the vehicle-side loading arm end to be positioned relatively freely and autonomously. This free positioning enables the autonomous charging system to be compatible with a large number of different vehicles with different sizes and different positions of the charging sockets. To the Vehicles therefore no special adaptation is necessary for charging with the charging system according to the invention.
  • linearly acting drive systems For the described linearly acting drive systems, numerous embodiments are known which are easy to implement and which can in principle be controlled automatically within an autonomous system. Another essential advantage is that such linearly acting drive systems can be designed to be comparatively robust and / or can be easily encapsulated against external influences. In this way, a charging system designed for operation outdoors can be implemented comparatively easily. Furthermore, this solution can be implemented relatively inexpensively and with little maintenance compared to the robot arms based on swivel joints. This is particularly true when the charging cable to be carried by the charging arm or the busbar is designed for the transport of direct current at high currents and is therefore comparatively heavy.
  • the method according to the invention is used for autonomous charging of an electric vehicle with a charging system according to the invention.
  • the method comprising at least the following steps:
  • step (b) The position determination in step (b) and the positioning in step (c) are carried out autonomously in each case the charging system carried out.
  • the retraction or positioning of the vehicle in step (a) can in principle also take place autonomously, so that it is particularly advantageous that an autonomously driving vehicle can be charged completely autonomously in this way.
  • a human driver can also position the vehicle in the charging system in step (a), whereupon only steps (b) and (c) then take place automatically.
  • an angle can advantageously be formed between the first linear effective direction and the second linear effective direction which is between 45 ° and 135 °.
  • This angle is particularly advantageously between 60 ° and 120 °, in particular special in a range of 90 ° +/- 10 °.
  • the effective directions are clearly different, so that sufficiently independent linear degrees of freedom can be assumed.
  • the two directions of action mentioned do not have to be exactly perpendicular to one another.
  • the first effective direction can have an inclined position in space and, for example, have both a y and a z component.
  • the second linear effective direction can be oriented mainly along the z-direction or along the x-direction, for example.
  • the first linear effective direction of the first drive system forms an angle ⁇ of at most 45 ° in terms of amount and especially advantageously at most 30 ° with the y-direction defined above.
  • the first linear effective direction is also referred to below as the a-direction.
  • the vehicle-side end of the horizontal loading arm part can be moved towards the vehicle with a main directional component in the horizontal transverse direction.
  • the vehicle-side end of the horizontal loading arm part can also be moved away from the vehicle autonomously in a correspondingly opposite direction (that is, in the negative a-direction).
  • This backward movement can also be brought about, for example, by the first drive system, but alternatively this is also possible by a further drive system.
  • the first linear effective direction can particularly advantageously be oriented in an angular range of +/- 10 ° around the y-direction and in particular even essentially correspond to the y-direction.
  • the second linear direction of action of the second drive system can advantageously form an angle of at most 10 ° with the z-direction.
  • the second linear effective direction is also referred to below as the b-direction.
  • the b direction can essentially correspond to the z direction.
  • the horizontal loading arm part and thus also the vehicle-side end of the horizontal loading arm part can be moved in the vertical spatial direction via the second drive system. In combination with the first linear degree of freedom already described, this allows overall very extensive positioning of the loading arm end with respect to a vehicle parked in the area of the charging system and in particular with respect to the position of its charging socket.
  • the second drive system can in particular move the horizontal loading arm part vertically relative to the ground.
  • the horizontal loading arm part can also be partially vertically movable together with the vertical loading arm part or at least with parts of the vertical loading arm.
  • the charging system has a third drive system with a third linear direction, with which the vertical charging arm part can be moved autonomously relative to the electric vehicle with respect to a third linear degree of freedom.
  • the movement of the vertical loading arm part also moves the horizontal loading arm part attached to it and, correspondingly, the loading arm end on the vehicle side attached to the horizon tal loading arm part. If such a further degree of freedom is present, the free positioning of the loading arm end is increased even further relative to the parked vehicle.
  • the loading arm end can be positioned within a predefined vehicle area with an arbitrarily selectable x, y and z coordinate.
  • the third linear effective direction of the third drive system forms an angle of at most 15 ° with the x direction.
  • This x-direction is understood to mean the "nominal longitudinal direction" of the vehicle to be charged. It should be noted that there is a deviation of the actual longitudinal direction of the vehicle from this superordinate x-direction of the charging system during individual charging processes and when the parking position is slightly inclined can.
  • the second linear effective direction can also essentially correspond to the x-direction, in which case the horizontal loading arm part (either individually or in particular together with the vertical loading arm part) along the target is then already with the second drive system -Longitudinal direction of the vehicle is movable.
  • the charging system can, in an advantageous embodiment, be in the end area on the vehicle side of the horizontal loading arm part have a pan and / or tilt unit. With this unit, the vehicle-side end of the horizontal loading arm part can be moved with respect to at least one degree of freedom of rotation. It is particularly advantageous if it is a pan-tilt unit with a mobility with respect to at least two degrees of freedom of rotation. These degrees of freedom of rotation can be designed in such a way that, in particular, a charging connector arranged at this loading arm end can be pivoted within the xy plane and inclined in the yz plane.
  • the charging plug can be aligned with regard to an oblique insertion direction of the charging plug into the charging socket. Due to the xy swivel movement, the charging plug can be adjusted with regard to an inclined position of the charging socket on the vehicle within this plane or also with regard to a deviation of the exact parking position from the exact desired longitudinal direction.
  • the pan-tilt unit can be designed in such a way that it also enables movement with respect to a third degree of freedom of rotation. This can in particular be a rotary movement within the xz plane.
  • the loading system can be designed in such a way that the pan and / or tilt unit enables autonomous rotation with respect to the described degrees of freedom of rotation.
  • the charging system can have a charging plug in the vehicle-side end region of the horizontal charging arm part.
  • the charging cable can be plugged into a charging socket of the vehicle to be charged via such a charging plug.
  • the charging system has a fourth drive system with a fourth linear direction of action, with this fourth drive system a plugging and / or unplugging of the charging plug into a charging socket or from a charging socket of the vehicle to be charged is made possible.
  • the fourth linear effective direction is also referred to below as the d-direction. It can coincide with the above-described a-direction of the first drive system or, particularly advantageously, form an angle with it other than zero, in particular an angle between -45 ° and 45 °.
  • the angle between the a-direction and the d-direction can in particular be adapted autonomously to the conditions of the vehicle currently to be charged. It can thus advantageously be achieved that the extension direction of the horizontal loading arm part (a-direction) can be universally established for the loading system, while the insertion direction (d-direction) can be dynamically adapted for each loading process.
  • the angle between the a-direction and the d-direction can for example be adjustable in a range between -30 ° and 30 °, in particular even in a range between -45 ° and 45 °.
  • the fourth drive system can be designed in such a way that it also enables a movement in the negative d-direction and thus unplugging the charging plug from the charging socket.
  • a further drive can also be provided in the area of the loading arm end for this backward movement.
  • the individual linearly acting drive systems can be designed either the same or different from one another.
  • the first linearly acting drive system can in particular be formed by a push chain system and accordingly comprise a linearly movable push chain.
  • a push chain drive is described in the application filed by the same applicant on the same day with the title "Charging system and method for charging an electric vehicle", which should therefore be included in the disclosure of the present application.
  • the first drive system can also be a telescopic system, a slide system and / or a rail system in which several sub-elements are connected to one another in a linearly movable manner.
  • These types of drive are also advantageously suitable for the second and third linearly acting drive systems.
  • the actual drive element of such a linearly acting drive system can be, for example, a spindle drive, a belt drive, a rack and pinion drive or a real linear drive (with a primary linear drive direction).
  • the second drive system comprises a linearly movable telescopic or slide system with which the horizontal loading arm part can be moved vertically relative to the vertical loading arm part.
  • the third drive system if it comprises a rail system so that the vertical loading arm part can be moved horizontally together with the horizontal loading arm part on one or more rails.
  • the charging cable or the busbar of the charging system is designed for charging the electric vehicle with direct current.
  • it should be a DC cable.
  • a direct current cable particularly advantageously enables the vehicle to be charged very quickly with a large amount of electrical energy. In this way, a particularly short charging time and thus a particularly high productive utilization of an autonomous vehicle can be achieved.
  • Such a direct current cable can have, for example, insulated copper strands (in particular insulated flat copper strands) and / or copper ropes and / or insulated braided copper fabric tapes.
  • the actual DC cable can advantageously be guided in a drag chain, which enables reliable protection against mechanical damage to the cable.
  • the direct current cable can in particular generally be designed for a charging current of at least 125 A, for example for a charging current in the range between 125 A and 1000 A.
  • the cable can be designed for a charging voltage of at least 125 V, for example a voltage in the range between 125 V and 1500 V.
  • the required current carrying capacities result in a comparatively high cable mass.
  • the length-specific mass of the cable can be above 1 kg / m and in particular even above 3 kg / m.
  • a busbar can be used as an alternative to the direct current cable.
  • the charging system is generally advantageously designed for use outdoors.
  • the charging system as a whole and, in particular, both the charging arm and the drive systems in front of it (in particular linearly acting) can be designed for IP protection class IP54.
  • IP protection class IP54 IP protection class
  • Such a design is comparatively easy to implement for a charging system according to the present invention, in contrast to an extendable robot arm based on swivel joints.
  • the optionally available pan-tilt unit is then advantageously designed to be sufficiently robust or encapsulated that it also fulfills the requirements of the protection class specified above. This is easier to implement for such a single rotatably movable sub-area of the loading system than for a large number of swivel joints in a more complex robot arm.
  • the charging system has at least one sensor unit, by means of which the position of a charging unit of the electric vehicle to be charged can be determined.
  • the corresponding position can be determined autonomously with this sensor unit.
  • the mentioned charging unit of the vehicle is in particular a charging socket into which a charging plug of the charging system is then inserted.
  • the invention is not intended to this type of Contacting be limited. In principle, two or more contact elements (on the vehicle and on the charging system) can be brought into electrically conductive contact without a plug connection, or conversely, a charging socket can be attached to the charging system and a charging plug can be attached to the vehicle.
  • said "charging unit” is intended to designate the unit of the vehicle in which the electrical connection required for charging is made rich.
  • the sensor unit can in particular comprise an optical sensor, for example an optical camera.
  • the charging system can advantageously include an evaluation unit, by means of which a target position of the vehicle-side end of the horizontal loading arm part can be determined on the basis of the measured data from the sensor unit.
  • a target orientation of the end of the charging arm (and in particular of a charging plug arranged thereon) can also be determined.
  • the evaluation unit can have a trainable neural network with which the target position and, if necessary, the target alignment can be determined.
  • the charging system can generally advantageously have a control unit by means of which the present drive systems (both the linearly acting drive systems and the optionally present rotatably movable unit) can be controlled automatically.
  • the control unit is then preferably designed to bring about autonomous positioning by activating the drive systems in accordance with the setpoint position determined by the evaluation unit in combination with the sensor unit.
  • the charging system comprises two charging devices, each charging device having a vertical charging arm part, a charging cable or a busbar and a longitudinally extending part of the vertical charging arm in the direction of the electric vehicle. comprises borrowed shaped horizontal loading arm portion.
  • the charging devices are preferably arranged in such a way that the electric vehicle to be charged can be positioned between them. In this way, it can advantageously be achieved that a vehicle to be charged can in principle be charged both from the right and from the left with the same charging system. An adaptation or a special selection of the charging system depending on the side of the respective charging unit is therefore not necessary.
  • the charging system is therefore particularly universally applicable.
  • step (b) in addition to the target position of the charging arm end, a target orientation of the charging arm end and in particular of a charging plug arranged there can also be determined autonomously.
  • step (c) As a further sub-step within step (c), the following additional sub-step can be provided:
  • This positioning with respect to the second linear degree of freedom is also carried out autonomously in accordance with the target position of the end of the loading arm.
  • This step is optional, since the position of the horizontal loading arm part (and thus the loading arm end) with regard to the second linear degree of freedom can already be selected correctly for the current vehicle. If it is carried out, however, it is preferably carried out before the horizontal loading arm part is extended in step (cl).
  • step (c) As a further sub-step within step (c), the following additional sub-step can be provided:
  • This positioning with respect to the third linear degree of freedom is also carried out autonomously in accordance with the target position of the end of the loading arm.
  • This step is also optional nal, since the position of the vertical loading arm part (and thus also of the horizontal loading arm end) with regard to the third linear degree of freedom can already be selected correctly for the current vehicle. If it is needed, however, it is preferably carried out before the horizontal loading arm part is extended in step (cl). It can take place before or after step (c2).
  • the method can have one or more of the following optional steps:
  • step (c) All of the sub-steps of step (c) that are present in each case can in particular be controlled autonomously via a control unit of the charging system.
  • the method can optionally have the following additional step:
  • step (c) This step can in particular take place following step (c), that is to say after the end of the loading arm has been correctly positioned.
  • step (d) The presence of step (d) is preferred, but not mandatory, since the electrical connection can in principle also be established without a plug connection.
  • step (d) the method can advantageously include the following further steps (in particular in the order mentioned): (e) Starting the charging process, in particular by switching on a charging current,
  • step (b) can comprise at least the following substeps:
  • the target position can be determined in particular via automatic image recognition from the data of an optical sensor.
  • a target orientation for the end of the loading arm can also be determined from the acquired measurement data. Then, for example, not only the position but also the orientation of the loading unit of the vehicle can be determined with image recognition. In this case, in particular, it is advantageous if the alignment of the loading arm end is then adapted via one or more of the rotary movements described above in (c4) to (c6).
  • step (b2) the target position can be determined from the measurement data at least partially by means of a trainable neural network of the evaluation unit.
  • the autonomous determination of the position data for the control unit can be carried out by an artificial intelligence.
  • Figure 1 shows a representation of a charging system according to a first embodiment in a schematic plan view
  • Figure 2 shows the charging system of Figure 1 in a schematic longitudinal view
  • FIG 3 shows the charging system of Figures 1 and 2 in schematic cross section
  • FIGS. 4 to 7 show detailed views of charging systems according to further exemplary embodiments in a schematic cross section.
  • Figure 1 shows a charging system 1 according to a first Aussch approximately example of the invention in a schematic plan view of the x-y plane.
  • the charging system 1 has a vehicle area 3 in which an electric vehicle 5 to be charged can be positioned.
  • the x-direction is the horizontal longitudinal direction of the vehicle, and the y-direction is the horizontal transverse direction perpendicular thereto.
  • the z-direction is the vertical spatial direction perpendicular to the plane of the drawing.
  • the corresponding side view of the charging system 1 in the x-z plane is shown in FIG. 2, and the corresponding schematic cross-sectional illustration is shown in FIG.
  • the charging system has two charging devices la and lb, with which the electric vehicle can be charged both from the right and from the left. In principle, however, only one such charging device is sufficient to implement the inventive concept.
  • the two charging devices are electrically connected by a cross connection 2 which is only indicated very schematically here.
  • a charging station 11 is attached. ordered, via which both charging devices are electrically connected to a higher-level power grid. The charging column 11 is therefore used to control and forward a charging current to the other sub-elements of the charging system 1.
  • the charging system 1 also includes a sensor unit 16 which is used to determine the vehicle position and, in particular, to determine the position of the charging socket 5a on the vehicle 5.
  • the sensor unit 16 can be an optical camera, for example.
  • the sensor unit 16 on the charging station is shown in FIG. 1 only as an example.
  • such a sensor unit can also be arranged at a different location, in particular particularly preferably at a loading arm end 21a on the vehicle side.
  • the arrangement of such a sensor unit 16 in only one of the present charging devices is basically sufficient.
  • the data measured by the sensor unit 16 are in any case forwarded to an evaluation unit 17, which is only shown here by way of example in the area of the charging base.
  • such an evaluation unit 17 can also be arranged at another point, particularly preferably in the area of the rail system 15.
  • the evaluation unit automatically determines a target position for the vehicle-side end 21a of the horizontal loading arm part from the sensor data.
  • the loading system comprises a control unit 18 with which the movements of the vertical (13) and horizontal loading arm part (21) and its subcomponents can be controlled. In principle, this can also be arranged in a different area of the charging system.
  • the vehicle 5 in FIG. 1 has a charging socket 5a in the rear left vehicle area. Therefore, the game vehicle shown is loaded from the first charging device la.
  • each of the charging devices la, lb has a charging cable (not shown here).
  • each of the charging devices has therhin three drive systems 31, 41 and 15 with linear We kraumen, which together chen possible a movement of the vehicle-side loading arm end in several spatial directions.
  • the charging system 1 of the first embodiment made light a translational movement of the respective La dearm end in all three spatial directions x, y and z. However, this is not absolutely necessary. Rather, it is sufficient if movements with respect to two translational degrees of freedom are possible.
  • Each of the charging devices la and lb has a vertical loading arm part 13 as an essential component.
  • These vertical charging arm parts 13 extend in the z-direction and raise the charging cable to the level of the charging socket 5a.
  • the respective vertical loading arm part is arranged to be movable in the x-direction via an assigned rail system 15.
  • This rail system 15 forms a drive system with the linear effective direction c, this effective direction c here coinciding with the x direction.
  • the vertical loading arm is therefore movable and not stationary.
  • the charging system can thus be adapted to different x positions of the charging socket on the vehicle and / or to different parking positions of the vehicle.
  • the respective vertical Ladearmteil 13 carries an assigned th horizontal Ladearmteil 21, through which the charging cable can be guided in the y-direction in the area of the charging socket 5a.
  • This horizontal Ladearmteils 21 can be extended in the direction of the vehicle to be charged or retracted in the direction of the verti cal Ladearmteils 13.
  • the y-position of the charging head 22 can be adapted to the position of the charging socket 5a by extending the horizontal charging arm part on the relevant side of the vehicle by a suitable distance in the direction of the vehicle.
  • the horizontal loading arm part 21 therefore has a correspondingly large possible extension path in order to bridge the varying horizontal distance between the vertical loading arm part and the respective charging socket.
  • the minimum required extension path of the horizontal loading arm part is given by the minimum safety distance 7, which must be guaranteed when parking between the retracted horizontal loading arm part and the corresponding side 6 of the vehicle.
  • This safety distance 7 can, for example, be in the range of approximately 20 cm.
  • the horizontal loading arm part 21 has a push chain as the supporting element, so that the extension and retraction of the horizontal loading arm part can be implemented by correspondingly extending and retracting the push chain.
  • the part of the horizontal Ladearmteils between the vertical Ladearmteil 13 and loading head 22 is for the most part by this push chain formed.
  • This push chain system also forms a drive system with a linear direction of action a, this direction of action a coinciding with the y direction here.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a charging system 1 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • This charging system can, for example, be constructed overall similarly to the charging system of FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 4 shows a detailed view in the area of the vertical loading arm part 13, with the horizontal loading arm part 21 being extended in FIG.
  • the entire loading arm is arranged to be movable in the x-direction on a base 23 via an associated rail system 15 (not shown closer in this section).
  • a large part of the horizontal loading arm part 21 is formed by a push chain 31 with a length of 1 in the extended state.
  • This push chain 31 has a large number of chain links (not shown here) which, in the extended state, interlock positively so that the push chain is self-reinforcing.
  • this push chain is rolled up against conditions and thus housed in a chain box 33, which is arranged in the area of the vertical loading arm part 13 to save space.
  • the push chain 31 has an end piece 35 which carries the loading head 22.
  • a charging plug 27 is integrated, which can be plugged into a suitable charging socket of a vehicle to be charged.
  • the charging head also carries a vehicle-side end 25a of a charging cable 25 which is towed by the horizontal charging arm part in the direction of the vehicle to be charged.
  • this charging cable 25 will therefore be suspended relatively freely from the horizontal charging arm part 21. It is only at certain points on the loading head 22 and apart from that in the area of the vertical loading arm part 13 mechanically xed. Alternatively, however, the charging cable can also be guided closer to the push chain 31 and, in particular, also be integrated into it.
  • the maximum extension path As results in general from the difference in chain length 1 between the maximally extended state and the maximally retracted state. With a sufficiently long chain strand, for example, an extension path in the range between 20 cm and 150 cm can be implemented.
  • the push chain 31 With a self-stiffening design of the push chain 31, a sufficiently high rigidity can be achieved so that the push chain is self-supporting. So it is insbesonde re stiff enough not only to carry its own weight, but also to be able to support the weight of the charging cable 25 and the charging head 22 and also to apply the necessary insertion force to insert the charging plug.
  • the height h of the horizontal loading arm part 21 above the floor 8 should essentially be maintained over the extension path.
  • the force of gravity Fg acting in the area of the loading head also does not lead to an excessive vertical sagging of the horizontal loading arm part. A slight hanging down towards the vehicle, for example in the range of a few millimeters to a few centimeters, can be tolerated under certain circumstances. It is only essential that the horizontal loading arm part is sufficiently stiff to move the loading head horizontally far enough in the direction of the loading socket and at the same time to meet the height of the loading socket of the vehicle within the framework of the required positioning accuracy.
  • FIG. 5 shows a detailed view of a charging system 1 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the main difference to the charging system of Figure 4 is that the first and the second linearly acting drive system are implemented differently. Otherwise, however, the charging system is designed similarly to the previous example.
  • the first drive system is implemented as a slide system 32, in which the horizontal loading arm part 21 has several slide elements which are translationally movable relative to one another along the first linear direction a.
  • the horizontal loading arm part 21 has several slide elements which are translationally movable relative to one another along the first linear direction a.
  • only two arm elements 32a and 32b are shown here, namely a slide 32b which can slide element 32a on a Tragele.
  • the relative movement of adjacent elements then always being intended to run along the same effective direction a.
  • the a-direction coincides with the y-direction of the system.
  • the second drive system is also implemented as a slide system 42 in which a slide 43 (which carries the horizontal loading arm part 21) can slide up and down in a vertical guide rail 44 within the vertical loading arm part.
  • the second linear effective direction therefore essentially corresponds to the z-direction here as well.
  • FIG. 6 shows a detailed view of a charging system 1 according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the first and the second drive are again implemented similarly to the example in FIG.
  • the main difference to the loading system of Figure 4 is that the horizontal loading arm is attached to the vertical loading arm part hanging at an incline.
  • the first linear effective direction a is also not parallel to the y-axis, but rather forms an angle a with it. This makes it easier to insert the charging plug 27 into a correspondingly inclined charging socket.
  • the corresponding angle at which the horizontal loading arm part 21 protrudes from the vertical loading arm part can also generally advantageously be varied via an autonomously controllable tilting element, not shown here.
  • FIG. 7 shows a detailed view of a charging system 1 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Since the first and the second drive are implemented similarly to the example in FIG. The essential difference to the loading system of FIG. 5 is that the loading head has a pan-tilt unit 51 in the end area 21a of the horizontal loading arm part. This allows the charging head to be inclined in the yz plane (as indicated by the double arrow r yz ) and, in addition, a second rotation, for example pivoting in the xy plane. As a result, an adjustment of the orientation of the charging plug 27 to an inclined charging socket can be achieved even with a horizontal charging arm part 21. In addition, a rotation in the xz plane is optionally possible. Furthermore, the charging system 1 of FIG.
  • the seventh has a fourth linearly acting drive system 61.
  • the linear direction of action of this drive system is denoted by d. Since d (as in the illustrated position of the pan-tilt unit 51), depending on the position of the pan-tilt unit 51, may be inclined, i.e. an angle different from zero with the y-axis and thus also with the we k include direction a.
  • the fourth drive system can for example have a real linear drive. Generally and independently of the implementation of the apparatus, the travel path of this fourth drive can be comparatively short. For example, a travel of less than 10 cm is generally sufficient to plug a charging plug 27 into a corresponding La debuchse. In addition to such an insertion movement (in the positive d direction), the fourth drive system 61 can also be designed to cause an autonomous movement in the negative d direction in order to be able to automatically unplug the charging plug after the charging process has ended. List of reference symbols

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Abstract

Es wird ein Ladesystem (1) zum autonomen Laden eines Elektrofahrzeugs (5) mit elektrischer Energie angegeben. Das Ladesystem umfasst - einen vertikalen Ladearmteil (13), - ein Ladekabel (25) oder eine Stromschiene, welche(s) mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug (5) verbindbar ist, - sowie einen vom vertikalen Ladearmteil (13) aus in Richtung des Elektrofahrzeugs (5) ausfahrbaren länglich geformten horizontalen Ladearmteil (21), - wobei der horizontale Ladearmteil (21) ein erstes Antriebssystem (31) mit einer ersten linearen Wirkrichtung (a) aufweist, welche einer Längsrichtung des horizontalen Ladearmteils (21) entspricht, so dass das fahrzeugseitige Ende (21a) des horizontalen Ladearmteils (21) durch das erste Antriebssystem (31) bezüglich eines ersten linearen Freiheitsgrades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug bewegbar ist, - und wobei das Ladesystem (1) ein zweites Antriebssystem (41) mit einer zweiten linearen Wirkrichtung (b) aufweist, mit welchem der horizontale Ladearmteil (21) bezüglich eines zweiten linearen Freiheitsgrades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug (5) bewegbar ist. Weiterhin wird ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs (5) mit einem solchen Ladesystem (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Ladesystem und Verfahren zum autonomen Laden eines Elektro fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladesystem zum autono men Laden eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie, umfassend einen Ladearm und ein Ladekabel oder eine Strom schiene, welche(s) mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug ver bindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum autonomen Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem solchen Ladesystem.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Ladesysteme zum La den von Elektrofahrzeugen bekannt, bei denen ein menschlicher Nutzer zu Beginn des Ladevorgangs ein Ladekabel mit dem Elektrofahrzeug verbinden muss und entsprechend dieses Lade kabel am Ende des Ladevorgangs wieder vom Elektrofahrzeug trennen muss. Aufgrund der notwendigen Interaktion des Nut zers eignen sich solche Ladesysteme allerdings nicht zum au tomatisierten Laden von autonomen Fahrzeugen, bei denen kein menschlicher Nutzer mehr tätig werden kann oder will.
Zum (teil-)automatisierten Laden von Elektrofahrzeugen wurden Ladesysteme vorgeschlagen, bei denen beispielsweise ein an einer Wand montierter Ladekasten mit einem Roboterarm verbun den ist, welcher das Ladekabel trägt und dieses durch eine automatisierte Bewegung in die Ladebuchse des zu ladenden Fahrzeugs einstecken kann. Dieser Roboterarm basiert auf meh reren, über Drehgelenke schwenkbar angeordneten Roboterglie dern. Zusammen mit einer vertikalen Translationsbewegung des Roboterarms im Bereich des Ladekastens kann so eine räumlich limitierte Positionierung des Ladesteckers erreicht werden, um den Ladestecker in ein geparktes Auto einstecken zu kön nen. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass sie ver gleichsweise aufwendig ist und der verwendete Roboterarm re lativ teuer ist. Zudem sind die Roboterarme meist starr an ihrer Montageposition fixiert und können somit nicht die un- terschiedlichen Ladebuchsen-Positionen verschiedener Elektro autos erreichen. Außerdem sind solche Roboterarme typischer weise nicht für den Dauereinsatz im Außenbereich geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ladesystem anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet und insbesondere mit unterschiedlichen Fahrzeuglängen kompatibel ist und für den dauerhaften Einsatz im Freien geeignet ist. Es soll ins besondere eine möglichst freie Positionierbarkeit des Lade arm-Endes aufweisen und vorteilhaft auch ein möglichst schnelles Laden erlauben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem solchen Ladesystem anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Ladesystem und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren ge löst.
Das erfindungsgemäße Ladesystem ist zum autonomen Laden eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie ausgelegt. Es um fasst als Teil eines übergeordneten Ladearms einen vertikalen Ladearmteil. Es umfasst ferner ein Ladekabel oder eine Strom schiene. Das Ladekabel bzw. die Stromschiene ist mit Hilfe des Ladearms mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug verbindbar. Das Ladesystem umfasst weiterhin einen vom vertikalen Lade armteil aus in Richtung des Elektrofahrzeugs ausfahrbaren länglich geformten horizontalen Ladearmteil. Der horizontale Ladearmteil weist ein erstes Antriebssystem mit einer ersten linearen Wirkrichtung auf, welche einer Längsrichtung des ho rizontalen Ladearmteils entspricht. Dadurch ist das fahrzeug seitige Ende des horizontalen Ladearmteils durch das erste Antriebssystem bezüglich eines ersten linearen Freiheitsgra des autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug bewegbar. Außerdem weist das Ladesystem ein zweites Antriebssystem mit einer zweiten linearen Wirkrichtung auf, mit welchem der horizonta le Ladearmteil bezüglich eines zweiten linearen Freiheitsgra des autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug bewegbar ist. Das Ladesystem kann alternativ entweder ein Ladekabel oder eine Stromschiene zur elektrischen Verbindung mit dem Elekt rofahrzeug umfassen. Wenn im Folgenden beispielhaft nur eine diese beiden Alternativen genannt ist, soll immer auch die andere Möglichkeit als offenbart gelten.
Unter dem Begriff „autonomes Laden" soll hier allgemein ein automatisierter Ladevorgang verstanden werden, welcher keine Interaktion eines menschlichen Nutzers erfordert. Entspre chend ist mit dem Begriff „autonom bewegbar" eine Art der Be wegung gemeint, welche keine menschliche Interaktion erfor dert. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfin dung ist die autonome Bewegbarkeit des fahrzeugseitigen hori zontalen Ladearm-Endes entlang wenigstens zweier, insbesonde re unabhängiger, linearer Bewegungsfreiheitsgrade.
Das Ladesystem kann also allgemein als Grundelement einen La dearm aufweisen, welcher einen vertikalen Ladearmteil und (insbesondere von diesem getragen) einen horizontalen Lade armteil umfasst. Unter dem vertikalen Ladearmteil soll ein längliches Teilelement des Ladearms mit einer vertikalen Hauptrichtungskomponente verstanden werden. Er muss also nicht exakt vertikal ausgerichtet sein. Entsprechend soll un ter dem horizontalen Ladearmteil ein längliches Teilelement dieses Ladearms mit einer horizontalen Hauptrichtungskompo nente verstanden werden.
Allgemein ist es nicht erforderlich, dass der Ladearm orts fest ist. Dies ist zwar möglich und unter Umständen vorteil haft. Vorteilhaft kann der Ladearm aber auch beweglich ange ordnet sein, insbesondere kann er insgesamt translatorisch bewegbar sein. Dazu kann der Ladearm beispielsweise auf einem Schienensystem horizontal beweglich angeordnet sein. Dies kann insbesondere einer der geforderten zwei linearen Bewe gungsfreiheitsgrade sein.
Das Ladesystem kann einen Fahrzeugbereich umfassen, in dem das zu ladende Fahrzeug positioniert werden kann. Die be- schriebene Bewegung von dem Ende des horizontalen Ladearm teils „auf das Elektrofahrzeug zu" und „bezüglich des ersten linearen Freiheitsgrades" soll also einer Bewegung in Rich tung dieses Fahrzeugbereichs entsprechen. In dem Fahrzeugbe reich kann das zu ladende Fahrzeug im Wesentlichen entlang einer vorgegebenen Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet sein, welche insbesondere einer lokalen Soll-Fahrtrichtung ent spricht. Diese Richtung wird im Folgenden mit x-Richtung bzw. mit „horizontaler Längsrichtung" bezeichnet. Die senkrecht dazu stehende horizontale Raumrichtung wird hier mit y- Richtung bzw. mit „horizontaler Querrichtung" bezeichnet. Die vertikale Raumrichtung wird als z-Richtung bezeichnet.
Die beschriebene Bewegung des Ladearm-Endes in Richtung des Elektrofahrzeugs (bezüglich des ersten linearen Freiheitsgra des) kann insbesondere eine Bewegung mit einer Richtungskom ponente in horizontaler Querrichtung sein, also in y- Richtung. Auf diese Weise kann besonders einfach ein Ladeste cker in eine seitlich am Fahrzeug angeordnete Ladebuchse ein gesteckt werden. Die Bewegungsrichtung muss dabei aber nicht genau mit der y-Richtung zusammenfallen. Vielmehr reicht es bei dieser Ausführungsform aus, wenn die Bewegungsrichtung zumindest eine Teilkomponente in y-Richtung hat. Insbesondere bei einer leicht schrägen Einbaulage der Ladebuchse am Fahr zeug kann es vorteilhaft sein, wenn die Bewegungsrichtung ne ben der y-Komponente auch eine (meist geringere) z-Komponente aufweist. Auch eine Bewegung in x-Richtung soll dabei nicht ausgeschlossen sein, vor allem dann, wenn die Längsrichtung des Fahrzeugs nicht exakt entlang der Soll-Längsrichtung (al so der x-Richtung des Ladesystems) ausgerichtet ist.
Die Bewegung bezüglich des ersten translatorischen Freiheits grades wird durch ein erstes Antriebssystem des horizontalen Ladearmteils ermöglicht, welches eine „erste lineare Wir krichtung" aufweist. Unter diesem Merkmal soll verstanden werden, dass die von dem Antriebssystem bewirkte Bewegung ei ne lineare Bewegung ist. Dabei muss es sich bei dem ersten Antriebssystem allerdings nicht um einen reinen Linearantrieb mit linearer Primärbewegung handeln. Es kann auch beispiels weise ein Spindelantrieb sein, bei dem eine rotatorische Pri märbewegung in eine lineare Bewegung umgesetzt wird. Wesent lich ist aber, dass die von dem Antriebssystem bewirkte Bewe gung des horizontalen Ladearmteils (und damit auch des Kabel endes) eine lineare Bewegung ist. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu dem eingangs beschriebenen Ladesystem mit Ro boterarm, bei dem die Bewegung des Ladearm-Endes erst durch mehrere rotatorische Bewegungen im Ladearm, nämlich die Dre hungen um drehbare Robotergelenke, bewirkt wird.
Zusätzlich zu diesem ersten Antriebssystem liegt ein zweites, linear wirkendes Antriebssystem vor, mit welchem der horizon tale Ladearmteil (und insbesondere der Ladearm als Ganzes) bezüglich eines zweiten linearen Freiheitsgrades bewegbar ist. Hierdurch ist das Ende des horizontalen Ladearmteils be züglich zweier unabhängiger linearer Freiheitsgrade beweg lich. Die beiden linearen Bewegungsrichtungen müssen dazu nicht zwangsläufig genau senkrecht zueinander stehen, aber sie dürfen in jedem Fall nicht parallel zueinander liegen. Vorteilhaft schließen sie einen Winkel von wenigstens 45° miteinander ein. Die zweite lineare Bewegungsrichtung kann insbesondere eine Bewegung mit einer wesentlichen Richtungs komponente in z-Richtung oder eine Bewegung mit einer wesent lichen Richtungskomponente in x-Richtung sein. So wird zu sätzlich zu der Richtung der „Einsteckbewegung" eine Positio- nierbarkeit in wenigstens einer anderen Raumrichtung er reicht.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass über die Kombination von wenigstens zwei linear wirkenden An triebssystemen eine relativ freie, autonome Positionierbar- keit des fahrzeugseitigen Ladearm-Endes erreicht werden kann. Durch diese freie Positionierbarkeit kann eine Kompatibilität des autonomen Ladesystems mit einer Vielzahl unterschiedli cher Fahrzeuge mit unterschiedlichen Größen und unterschied lichen Positionen der Ladebuchsen erreicht werden. An den Fahrzeugen ist daher keine besondere Anpassung für die Aufla dung mit dem erfindungsgemäßen Ladesystem nötig.
Für die beschriebenen linear wirkenden Antriebssysteme sind zahlreiche einfach zu realisierende Ausführungsformen be kannt, welche prinzipiell innerhalb eines autonomen Systems automatisiert angesteuert werden können. Ein weiterer wesent licher Vorteil ist, dass solche linear wirkenden Antriebssys teme vergleichsweise robust ausgebildet und/oder leicht gegen Einwirkungen von außen gekapselt werden können. So kann ver gleichsweise einfach ein für den Betrieb im Freien ausgeleg tes Ladesystem realisiert werden. Weiterhin kann diese Lösung im Vergleich zu den auf Drehgelenken basierenden Roboterarmen relativ kostengünstig und wartungsarm realisiert werden. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das vom Ladearm zu tragende Ladekabel bzw. die Stromschiene für den Transport von Gleich strom bei hohen Strömen ausgelegt ist und daher vergleichs weise schwer ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum autonomen Laden ei nes Elektrofahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Ladesystem. Das Verfahren umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
(a) Positionieren des zu ladenden Elektrofahrzeugs in einem Fahrzeugbereich des Ladesystems,
(b) autonome Ermittlung einer Soll-Position für das fahrzeug seitige Ende des horizontalen Ladearmteils
(c) autonomes Positionieren des fahrzeugseitigen Endes des horizontalen Ladearmteils in der Soll-Position, mit wenigs tens dem Teilschritt:
(cl) Ausfahren des horizontalen Ladearmteils in Richtung des Elektrofahrzeugs mittels des ersten Antriebssystems.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen des erfin dungsgemäßen Ladesystems. Insbesondere erfordert das gesamte Ladeverfahren keine Interaktion eines menschlichen Nutzers. Die Positions-Ermittlung in Schritt (b) und die Positionie rung in Schritt (c) werden dabei in jedem Fall autonom durch das Ladesystem durchgeführt. Auch das Einfahren bzw. Positio nieren des Fahrzeugs in Schritt (a) kann grundsätzlich auto nom erfolgen, so dass besonders vorteilhaft ein autonom fah rendes Fahrzeug auf diese Weise vollständig autonom geladen werden kann. Grundsätzlich kann in Schritt (a) allerdings auch ein menschlicher Fahrer das Fahrzeug in dem Ladesystem positionieren, woraufhin dann nur die Schritte (b) und (c) automatisiert erfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen An sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön nen die beschriebenen Ausgestaltungen des Ladesystems und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert wer den.
So kann allgemein vorteilhaft zwischen der ersten linearen Wirkrichtung und der zweiten linearen Wirkrichtung ein Winkel gebildet sein, welcher zwischen 45° und 135° liegt. Besonders vorteilhaft liegt dieser Winkel zwischen 60° und 120°, insbe sondere in einem Bereich von 90° +/- 10°. Bei einem Winkel in einem der genannten Bereiche sind die Wirkrichtungen deutlich verschieden, so dass von ausreichend unabhängigen linearen Freiheitsgraden ausgegangen werden kann. Die beiden genannten Wirkrichtungen müssen aber insbesondere nicht genau senkrecht zueinander liegen. Beispielsweise kann die erste Wirkrichtung eine Schräglage im Raum aufweisen und dabei beispielsweise sowohl eine y- als auch eine z-Komponente aufweisen. Dies kann vor allem bei leicht schräg orientierten Ladebuchsen am Fahrzeug vorteilhaft sein, um den Ladestecker einer solchen Ladebuchse entsprechend schräg annähern zu können. Demgegen über kann die zweite lineare Wirkrichtung beispielsweise hauptsächlich entlang der z-Richtung oder entlang der x- Richtung ausgerichtet sein.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform bildet die erste lineare Wirkrichtung des ersten Antriebssystems ei nen Winkel a von betragsmäßig höchstens 45° und besonders vorteilhaft höchstens 30° mit der oben definierten y-Richtung aus. Die erste lineare Wirkrichtung wird im Folgenden auch als a-Richtung bezeichnet. Somit kann über das erste An triebssystem das fahrzeugseitige Ende des horizontalen Lade armteils mit einer Hauptrichtungskomponente in horizontaler Querrichtung auf das Fahrzeug zu bewegt werden. Optional ist das fahrzeugseitige Ende des horizontalen Ladearmteils auch autonom in entsprechend entgegengesetzter Richtung (also in negativer a-Richtung) von dem Fahrzeug weg bewegbar. Auch diese Rückwärtsbewegung kann beispielsweise durch das erste Antriebssystem bewirkt werden, alternativ ist dies aber auch durch ein weiteres Antriebssystem möglich. Besonders vorteil haft kann die erste lineare Wirkrichtung in einem Winkelbe reich von +/- 10° um die y-Richtung orientiert sein und ins besondere sogar im Wesentlichen der y-Richtung entsprechen.
So kann das fahrzeugseitige Ende des horizontalen Ladearm teils mit einer horizontal verlaufenden Bewegung dem Fahrzeug genähert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite lineare Wirkrich tung des zweiten Antriebsystems vorteilhaft einen Winkel von höchstens 10° mit der z-Richtung ausbilden. Die zweite linea re Wirkrichtung wird im Folgenden auch als b-Richtung be zeichnet. Besonders vorteilhaft kann die b-Richtung im We sentlichen der z-Richtung entsprechen. Bei dieser Ausfüh rungsform kann der horizontale Ladearmteil und somit auch das fahrzeugseitige Ende des horizontalen Ladearmteils über das zweite Antriebssystem in der vertikalen Raumrichtung bewegt werden. In Kombination mit dem bereits beschriebenen ersten linearen Freiheitsgrad erlaubt dies insgesamt eine sehr weit gehende Positionierbarkeit des Ladearm-Endes bezüglich eines im Bereich des Ladesystems geparkten Fahrzeugs und insbeson dere bezüglich der Position seiner Ladebuchse. Dabei kann das zweite Antriebssystem insbesondere den horizontalen Ladearm teil relativ zum Boden vertikal bewegen. Alternativ kann aber auch der horizontale Ladearmteil zusammen mit dem vertikalen Ladearmteil oder zumindest mit Teilen des vertikalen Ladearm teils vertikal bewegbar sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ladesystem ein drittes Antriebssystem mit einer dritten linearen Wir krichtung auf, mit welchem der vertikale Ladearmteil bezüg lich eines dritten linearen Freiheitsgrades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug bewegbar ist. Über die Bewegung des vertikalen Ladearmteils wird dabei auch der daran angebrachte horizontale Ladearmteil und entsprechend auch das am horizon talen Ladearmteil angebrachte fahrzeugseitige Ladearm-Ende mit bewegt. Bei Vorliegen eines solchen weiteren Freiheits grades ist die freie Positionierbarkeit des Ladearm-Endes re lativ zu dem geparkten Fahrzeug noch weiter erhöht. Insbeson dere kann bei dieser Ausführungsform innerhalb eines vordefi nierten Fahrzeugbereichs eine Positionierung des Ladearm- Endes mit einer beliebig wählbaren x-, y- und z-Koordinate vorgenommen werden.
Bei einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform bildet die dritte lineare Wirkrichtung des dritten Antriebssystems einen Winkel von höchstens 15° mit der x-Richtung aus. Unter dieser x-Richtung wird her die „Soll-Längsrichtung" des zu ladenden Fahrzeugs verstanden. Es ist zu beachten, dass bei einzelnen Ladevorgängen und bei leicht schräger Parkposition eine Abweichung der tatsächlichen Längsrichtung des Fahrzeugs von dieser übergeordneten x-Richtung des Ladesystems vorlie gen kann.
Alternativ zu der vorab beschriebenen Ausführungsform kann aber auch grundsätzlich die zweite lineare Wirkrichtung im Wesentlichen der x-Richtung entsprechen, wobei dann also be reits mit dem zweiten Antriebssystem der horizontale Ladearm teil (entweder für sich oder insbesondere zusammen mit dem vertikalen Ladearmteil) entlang der Soll-Längsrichtung des Fahrzeugs bewegbar ist.
Allgemein und unabhängig von der genauen Anzahl und Orientie rung der Bewegungsfreiheitsgrade kann das Ladesystem in einer vorteilhaften Ausführungsform im fahrzeugseitigen Endbereich des horizontalen Ladearmteils eine Schwenk- und/oder Neige- Einheit aufweisen. Mit dieser Einheit ist das fahrzeugseitige Ende des horizontalen Ladearmteils bezüglich wenigstens eines Rotationsfreiheitsgrades bewegbar. Besonders vorteilhaft han delt es sich um eine Schwenk-Neige-Einheit mit einer Beweg lichkeit bezüglich wenigstens zweier Rotationsfreiheitsgrade. Diese Rotationsfreiheitsgrade können so ausgestaltet sein, dass insbesondere ein an diesem Ladearm-Ende angeordneter La destecker innerhalb der xy-Ebene geschwenkt und in der yz- Ebene geneigt werden kann. Damit ist eine sehr weitreichende Wahl der Orientierung eines vom Ladearm getragenen Ladeste ckers relativ zur Ladebuchse des Fahrzeugs möglich. Insbeson dere können dabei auch schräge Anordnungen der Ladebuchse to leriert werden. Durch die Neige-Bewegung kann der Ladestecker im Hinblick auf eine schräge Einsteckrichtung des Ladeste ckers in die Ladebuchse ausgerichtet werden. Durch die xy- Schwenk-Bewegung kann der Ladestecker im Hinblick auf eine innerhalb dieser Ebene schräg liegende Position der Ladebuch se am Fahrzeug oder auch im Hinblick auf eine Abweichung der genauen Parkposition von der exakten Soll-Längsrichtung ange passt werden. Optional kann die Schwenk-Neige-Einheit so aus gestaltet sein, dass sie zusätzlich die Bewegung bezüglich eines dritten Rotationsfreiheitsgrades ermöglicht. Dabei kann es sich insbesondere um eine Drehbewegung innerhalb der xz- Ebene handeln. Hiermit kann zusätzlich eine im Verhältnis zur Grundposition des Ladesteckers verdrehte Einbaulage der Lade buchse kompensiert werden. Allgemein vorteilhaft kann das La desystem so ausgestaltet sein, dass durch die Schwenk- und/oder Neige-Einheit eine autonome Rotation bezüglich der beschriebenen Rotationfreiheitsgrade ermöglicht wird.
Allgemein vorteilhaft kann das Ladesystem im fahrzeugseitigen Endbereich des horizontalen Ladearmteils einen Ladestecker aufweisen. Über einen solchen Ladestecker kann das Ladekabel in eine Ladebuchse des zu ladenden Fahrzeugs eingesteckt wer den. Besonders bevorzugt ist es bei dieser Ausführungsform, wenn das Ladesystem ein viertes Antriebssystem mit einer vierten linearen Wirkrichtung aufweist, wobei mit diesem vierten Antriebssystem ein Einstecken und/oder Ausstecken des Ladesteckers in eine Ladebuchse beziehungsweise aus einer La debuchse des zu ladenden Fahrzeugs ermöglicht wird. Die vier te lineare Wirkrichtung wird im Folgenden auch als d-Richtung bezeichnet. Sie kann mit der oben beschriebenen a-Richtung des ersten Antriebssystems zusammenfallen oder, besonders vorteilhaft, einen von Null verschiedenen Winkel mit ihr aus bilden, insbesondere einen Winkel zwischen -45° und 45°.
Durch die oben beschriebene Schwenk-Neige-Einheit kann insbe sondere der Winkel zwischen der a-Richtung und der d-Richtung autonom auf die Gegebenheiten des jeweils aktuell zu ladenden Fahrzeugs angepasst werden. Somit kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Ausfahrrichtung des horizontalen Ladearm teils (a-Richtung) für das Ladesystem universell festgelegt werden kann, während die Einsteckrichtung (d-Richtung) dyna misch für jeden Ladevorgang angepasst werden kann. Dabei kann der Winkel zwischen der a-Richtung und der d-Richtung bei spielsweise in einem Bereich zwischen -30° und 30° einstell bar sein, insbesondere sogar in einem Bereich zwischen -45° und 45°.
Optional kann das vierte Antriebssystem so ausgestaltet sein, dass es auch eine Bewegung in negativer d-Richtung und somit ein Ausstecken des Ladesteckers aus der Ladebuchse ermög licht. Alternativ dazu kann für diese Rückwärtsbewegung auch ein weiterer Antrieb im Bereich des Ladearm-Endes vorgesehen sein.
Für die einzelnen Antriebssysteme des Ladesystems existieren verschiedene geeignete Antriebsarten. Dabei können die ein zelnen linear wirkenden Antriebssysteme untereinander entwe der gleich oder auch unterschiedlich ausgestaltet sein. So kann das erste linear wirkende Antriebssystem insbesondere durch ein Schubkettensystem gebildet sein und entsprechend eine linear bewegliche Schubkette umfassen. Ein solcher Schubkettenantrieb ist in der von derselben Anmelderin am selben Tag eingereichten Anmeldung mit dem Titel „Ladesystem und Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs" beschrieben, welche daher in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden An meldung mit einbezogen sein soll. Alternativ kann das erste Antriebssystem aber auch ein Teleskopsystem, ein Schlitten system und/oder ein Schienensystem sein, bei dem mehrere Teilelemente linear beweglich miteinander verbunden sind. Diese Antriebsformen eignen sich vorteilhaft auch für das zweite und das dritte linear wirkende Antriebssystem. Das ei gentliche Antriebselement eines solchen linear wirkenden An triebssystems kann dabei beispielsweise ein Spindelantrieb, ein Riemenantrieb, ein Zahnstangenantrieb oder aber auch ein echter Linearantrieb (mit primärer linearer Antriebsrichtung) sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das zweite Antriebs system ein linear bewegliches Teleskop- oder Schlittensystem umfasst, mit welchem der horizontale Ladearmteil relativ zum vertikalen Ladearmteil vertikal beweglich ist. Für das dritte Antriebssystem ist es besonders bevorzugt, wenn dieses ein Schienensystem umfasst, so dass der vertikale Ladearmteil zu sammen mit dem horizontalen Ladearmteil auf einer oder mehre ren Schienen horizontal beweglich ist.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform ist das Ladekabel bzw. die Stromschiene des Ladesystems für ein Auf laden des Elektrofahrzeugs mit Gleichstrom ausgelegt. Es soll sich also mit anderen Worten um ein Gleichstromkabel handeln. Ein solches Gleichstromkabel ermöglicht besonders vorteilhaft ein sehr schnelles Laden des Fahrzeugs mit einer hohen Menge an elektrischer Energie. Hierdurch kann eine besonders gerin ge Ladezeit und damit eine besonders hohe produktive Auslas tung eines autonomen Fahrzeugs erreicht werden. Ein solches Gleichstromkabel kann beispielsweise isolierte Kupferlitzen (insbesondere isolierte Kupferflachlitzen) und/oder Kupfer seile und/oder isolierte geflochtene Kupfergewebebänder auf weisen. Das eigentliche Gleichstromkabel kann dabei vorteil haft in einer Schleppkette geführt sein, was einen zuverläs sigen Schutz vor mechanischer Schädigung des Kabels ermög licht. Das Gleichstromkabel kann insbesondere allgemein für einen Ladestrom von wenigstens 125 A ausgelegt sein, beispielsweise für einen Ladestrom im Bereich zwischen 125 A und 1000 A. Al ternativ oder zusätzlich kann das Kabel für eine Ladespannung von wenigstens 125 V ausgelegt sein, beispielsweise eine Spannung im Bereich zwischen 125 V und 1500 V. Bei derart ho hen Spannungen und/oder Strömen kann eine besonders kurze La dezeit erreicht werden. Allerdings resultiert aus den gefor derten Stromtragfähigkeiten eine vergleichsweise hohe Kabel masse. Beispielsweise kann die längenspezifische Masse des Kabels oberhalb von 1 kg/m und insbesondere sogar oberhalb 3 kg/m liegen. Alternativ zum Gleichstromkabel kann eine Strom schiene genutzt werden.
Allgemein vorteilhaft ist das Ladesystem für einen Einsatz im Außenbereich ausgelegt. Hierzu kann das Ladesystem als Ganzes und insbesondere sowohl der Ladearm als auch die jeweils vor liegenden (insbesondere linear wirkenden) Antriebssysteme für die IP-Schutzart IP54 ausgelegt sein. Eine solche Auslegung ist für ein Ladesystem nach der vorliegenden Erfindung im Un terschied zu einem auf Drehgelenken basierenden ausfahrbaren Roboterarm vergleichsweise einfach zu realisieren. Auch die optional vorliegende Schwenk-Neige-Einheit ist dann vorteil haft ausreichend robust bzw. gekapselt ausgestaltet, dass auch sie die Anforderungen der oben angegebenen Schutzart er füllt. Dies ist für solch einen einzelnen drehbar beweglichen Teilbereich des Ladesystems einfacher zu realisieren als für eine Vielzahl von Drehgelenken in einem komplexeren Roboter arm.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform weist das Ladesystem wenigstens eine Sensoreinheit auf, mittels welcher die Position einer Ladeeinheit des zu ladenden Elektrofahr zeugs bestimmbar ist. Insbesondere ist mit dieser Sensorein heit die entsprechende Position autonom bestimmbar. Die ge nannte Ladeeinheit des Fahrzeugs ist insbesondere eine Lade buchse, in welche dann ein Ladestecker des Ladesystems einge steckt wird. Die Erfindung soll aber nicht auf diese Art der Kontaktierung beschränkt sein. So können grundsätzlich auch zwei oder mehrere Kontaktelemente (am Fahrzeug und am Lade system) ohne Steckverbindung in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden, oder es kann umgekehrt am Ladesystem eine Ladebuchse und am Fahrzeug ein Ladestecker angebracht sein. Auch für diese allgemeineren Fälle soll die genannte „Lade einheit" die Einheit des Fahrzeugs bezeichnen, in deren Be reich die für das Laden benötigte elektrische Verbindung her gestellt wird.
Die Sensoreinheit kann insbesondere einen optischen Sensor, beispielsweise eine optische Kamera, umfassen. Weiterhin kann das Ladesystem vorteilhaft eine Auswerteeinheit umfassen, durch welche anhand der gemessenen Daten der Sensoreinheit eine Soll-Position des fahrzeugseitigen Endes des horizonta len Ladearmteils bestimmt werden kann. Gegebenenfalls kann zusätzlich zu der Soll-Position auch eine Soll-Ausrichtung des Ladearmendes (und insbesondere eines daran angeordneten Ladesteckers) bestimmbar sein. Hierzu kann die Auswerteein heit ein trainierbares neuronales Netz aufweisen, mit welcher die Soll-Position und ggf. die Soll-Ausrichtung bestimmt wer den kann.
Zusätzlich kann das Ladesystem allgemein vorteilhaft eine Steuereinheit aufweisen, mittels welcher die vorliegenden An triebssysteme (sowohl die linear wirkenden Antriebssysteme als auch die optional vorliegende drehbar bewegliche Einheit) automatisiert angesteuert werden können. Die Steuereinheit ist dann bevorzugt dazu ausgebildet, durch Ansteuerung der Antriebssysteme eine autonome Positionierung entsprechend der durch die Auswerteeinheit in Kombination mit der Sensorein heit ermittelten Soll-Position zu bewirken.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Ladesystem zwei Ladeeinrichtungen, wobei jede La deeinrichtung einen vertikalen Ladearmteil, ein Ladekabel o- der eine Stromschiene und einen von dem vertikalen Ladearm teil aus in Richtung des Elektrofahrzeugs ausfahrbaren läng- lieh geformten horizontalen Ladearmteil umfasst. Dabei sind die Ladeeinrichtungen bevorzugt so angeordnet, dass das zu ladende Elektrofahrzeug zwischen ihnen positioniert werden kann. Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein zu ladendes Fahrzeug mit demselben Ladesystem prinzipiell sowohl von rechts als auch von links geladen werden kann. Eine An passung oder eine spezielle Auswahl des Ladesystems abhängig von der Seite der jeweils vorliegenden Ladeeinheit ist somit nicht nötig. Das Ladesystem ist damit besonders universell einsetzbar .
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann in Schritt (b) zusätzlich zur Soll-Position des Ladearm-Endes auch eine Soll-Ausrichtung des Ladearm-Endes und insbesondere eines dort angeordneten Ladesteckers autonom ermittelt wer den.
Als weiterer Teilschritt innerhalb des Schritt (c) kann der folgende zusätzliche Teilschritt vorgesehen sein:
(c2) Positionierung des horizontalen Ladearmteils mittels des zweiten Antriebssystems.
Auch diese Positionierung bezüglich des zweiten linearen Freiheitsgrades wird autonom entsprechend der Soll-Position des Ladearm-Endes vorgenommen. Dieser Schritt ist optional, da die Position des horizontalen Ladearmteils (und somit des Ladearm-Endes) bezüglich des zweiten linearen Freiheitsgrades bereits für das aktuelle Fahrzeug korrekt gewählt sein kann. Wenn er aber durchgeführt wird, wird er bevorzugt vor dem Ausfahren des horizontalen Ladearmteils in Schritt (cl) durchgeführt .
Als weiterer Teilschritt innerhalb des Schritt (c) kann der folgende zusätzliche Teilschritt vorgesehen sein:
(c3) Positionierung des vertikalen Ladearmteils mittels des dritten Antriebsystems.
Auch diese Positionierung bezüglich des dritten linearen Freiheitsgrades wird autonom entsprechend der Soll-Position des Ladearm-Endes vorgenommen. Auch dieser Schritt ist optio- nal, da die Position des vertikalen Ladearmteils (und somit auch des horizontalen Ladearm-Endes) bezüglich des dritten linearen Freiheitsgrades bereits für das aktuelle Fahrzeug korrekt gewählt sein kann. Wenn er aber benötigt wird, wird er bevorzugt vor dem Ausfahren des horizontalen Ladearmteils in Schritt (cl) durchgeführt. Er kann vor oder nach dem Schritt (c2) erfolgen.
Falls das Ladesystem eine zusätzliche drehbar bewegliche Ein heit im Endbereich des horizontalen Ladearmteils aufweist, kann das Verfahren ein oder mehrere der folgenden optionalen Schritte aufweisen:
(c4) Neigen des fahrzeugseitigen Endes des horizontalen Lade armteils bezüglich eines ersten Rotationsfreiheitsgrades,
(c5) Schwenken des fahrzeugseitigen Endes des horizontalen Ladearmteils bezüglich eines zweiten Rotationsfreiheitsgra des,
(c6) Drehen des fahrzeugseitigen Endes des horizontalen Lade armteils bezüglich eines dritten Rotationsfreiheitsgrades.
Alle jeweils vorliegenden Teilschritte des Schritts (c) kön nen insbesondere autonom über eine Steuereinheit des Ladesys tems gesteuert werden.
Zusätzlich kann das Verfahren optional den folgenden zusätz lichen Schritt aufweisen:
(d) Einstecken eines Ladesteckers am fahrzeugseitigen Lade arm-Ende in die Ladebuchse des Fahrzeugs.
Dieser Schritt kann insbesondere im Anschluss an den Schritt (c) erfolgen, also nachdem das Ladearm-Ende korrekt positio niert ist. Das Vorliegen des Schritts (d) ist bevorzugt, aber nicht zwingend, da die elektrische Verbindung prinzipiell auch ohne eine Steckverbindung zustande kommen kann.
Im Anschluss an Schritt (d) kann das Verfahren vorteilhaft die folgenden weiteren Schritte umfassen (insbesondere in der genannten Reihenfolge): (e) Starten des Ladevorgangs, insbesondere durch Einschalten eines Ladestroms,
(f) Beenden des Ladevorgangs, insbesondere durch Ausschalten des Ladestroms,
(g) Ausstecken des Ladesteckers (optional),
(h) Zurückfahren des horizontalen Ladearmteils,
(i) Entfernen des Fahrzeugs aus dem Fahrzeugbereich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ver fahrens kann Schritt (b) zumindest die folgenden Teilschritte umfassen:
(bl) Erfassung von Messdaten, welche von der Position einer Ladeeinheit des Elektrofahrzeugs abhängen, mittels einer Sen soreinheit des Ladesystems,
(b2) Bestimmung der Soll-Position für das fahrzeugseitige En de des horizontalen Ladearmteils mittels einer Auswerteein heit des Ladesystems aus den erfassten Messdaten.
Die Bestimmung der Soll-Position kann insbesondere über eine automatische Bilderkennung aus den Daten eines optischen Sen sors erfolgen. Optional kann in Schritt (b2) aus den erfass ten Messdaten neben der Soll-Position auch eine Soll- Ausrichtung für das Ladearm-Ende bestimmt werden. Dann kann z.B. mit der Bilderkennung nicht nur die Position, sondern auch die Ausrichtung der Ladeeinheit des Fahrzeugs bestimmt werden. Insbesondere für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn anschließend über eine oder mehrere der oben beschriebenen Drehbewegungen in (c4) bis (c6) eine Anpassung der Ausrich tung des Ladearm-Endes erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ver fahrens kann in Schritt (b2) die Bestimmung der Soll-Position aus den Messdaten zumindest teilweise mittels eines trainier baren neuronalen Netzes der Auswerteeinheit erfolgen. Mit an deren Worten kann die autonome Bestimmung der Positionsdaten für die Steuereinheit durch eine künstliche Intelligenz durchgeführt werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine Darstellung eines Ladesystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel in schematischer Aufsicht zeigt, Figur 2 das Ladesystem der Figur 1 in schematischer Längsan sicht zeigt,
Figur 3 das Ladesystem der Figuren 1 und 2 in schematischem Querschnitt zeigt und
Figuren 4 bis 7 Detailansichten von Ladesystemen nach weite ren Ausführungsbeispielen in schematischem Quer schnitt zeigen.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
So zeigt Figur 1 ein Ladesystem 1 nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung in schematischer Aufsicht auf die x-y-Ebene. Das Ladesystem 1 weist einen Fahrzeugbereich 3 auf, in welchem ein zu ladendes Elektrofahrzeug 5 positio niert werden kann. Dabei ist die x-Richtung die horizontale Längsrichtung des Fahrzeugs, und die y-Richtung ist die hori zontale Querrichtung senkrecht dazu. Die hier nicht gezeigte z-Richtung ist die vertikale Raumrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene. Die entsprechende Seitenansicht des Ladesys tems 1 in x-z-Ebene ist in Figur 2 gezeigt, und die entspre chende schematische Querschnittsdarstellung ist in Figur 3 gezeigt.
Das Ladesystem weist in diesem Beispiel zwei Ladeeinrichtun gen la und lb auf, mit welchen das Elektrofahrzeug sowohl rechts als auch von links geladen werden kann. Prinzipiell ist aber auch nur eine solche Ladeeinrichtung zur Realisie rung des erfinderischen Gedankens ausreichend. Elektrisch sind die beiden Ladeeinrichtungen durch eine hier nur sehr schematisch angedeutete Querverbindung 2 verbunden. Im Be reich der ersten Ladeeinrichtung la ist eine Ladesäule 11 an- geordnet, über welche beide Ladeeinrichtungen elektrisch mit einem übergeordneten Stromnetz verbunden sind. Die Ladesäule 11 dient also der Steuerung und Weiterleitung eines Lade stroms an die übrigen Teilelemente des Ladesystems 1.
Das Ladesystem 1 umfasst auch eine Sensoreinheit 16, welche zur Ermittlung der Fahrzeugposition und insbesondere zur Er mittlung der Position der Ladebuchse 5a am Fahrzeug 5 dient. Bei der Sensoreinheit 16 kann es sich beispielsweise um eine optische Kamera handeln. Nur beispielhaft ist in Figur 1 die Sensoreinheit 16 an der Ladesäule gezeigt. Alternativ dazu kann eine solche Sensoreinheit auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, insbesondere besonders bevorzugt an einem fahrzeugseitigen Ladearm-Ende 21a. Dabei ist die Anordnung einer solchen Sensoreinheit 16 in nur einer der vorliegenden Ladeeinrichtungen grundsätzlich ausreichend. Die von der Sensoreinheit 16 gemessenen Daten werden in jedem Fall an ei ne Auswerteeinheit 17 weitergeleitet, welche hier nur bei spielhaft ebenfalls im Bereich der Ladebasis gezeigt ist. Al ternativ dazu kann eine solche Auswerteeinheit 17 auch an ei ner anderen Stelle angeordnet sein, insbesondere besonders bevorzugt im Bereich des Schienensystems 15. Die Auswerteein heit ermittelt aus den Sensordaten automatisch eine Soll- Position für das fahrzeugseitige Ende 21a des horizontalen Ladearmteils. Weiterhin umfasst das Ladesystem eine Steuer einheit 18, mit welcher die Bewegungen des vertikalen (13) und horizontalen Ladearmteils (21) und seiner Teilkomponenten gesteuert werden können. Auch diese kann prinzipiell in einem anderen Bereich des Ladesystems angeordnet sein.
Das Fahrzeug 5 der Figur 1 weist im linken hinteren Fahrzeug bereich eine Ladebuchse 5a auf. Daher wird das gezeigte Bei spielfahrzeug von der ersten Ladeeinrichtung la aus geladen. Um eine elektrische Verbindung zwischen der Ladesäule 11 und der Ladebuchse 5a des Fahrzeugs herzustellen, weist jedes der Ladeeinrichtungen la,lb ein hier nicht näher dargestelltes Ladekabel auf. Um dieses Ladekabel in Kontakt mit der Lade buchse 5a zu bringen, weist jedes der Ladeeinrichtungen wei- terhin drei Antriebssysteme 31, 41 und 15 mit linearen Wir krichtungen auf, welche zusammen eine Bewegung des fahrzeug seitigen Ladearm-Endes in mehreren Raumrichtungen ermögli chen. Das Ladesystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels ermög licht damit eine translatorische Bewegung des jeweiligen La dearm-Endes in allen drei Raumrichtungen x, y und z. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr ist es ausrei chend, wenn Bewegungen bezüglich zweier translatorischer Freiheitsgrade ermöglicht sind.
Als wesentliche Komponente weist hier jede der Ladeeinrich tungen la und lb einen vertikalen Ladearmteil 13 auf. Diese vertikale Ladearmteile 13 erstrecken sich in z-Richtung und heben das Ladekabel auf die Höhe der Ladebuchse 5a an. Der jeweilige vertikale Ladearmteil ist über ein zugeordnetes Schienensystem 15 in x-Richtung fahrbar angeordnet. Dieses Schienensystem 15 bildet ein Antriebssystem mit der linearen Wirkrichtung c, wobei diese Wirkrichtung c hier mit der x- Richtung zusammenfällt. Der vertikale Ladearmteil ist also beweglich und nicht stationär. Somit kann das Ladesystem auf unterschiedliche x-Positionen der Ladebuchse am Fahrzeug und/oder auf unterschiedliche Parkpositionen des Fahrzeugs angepasst werden.
Der jeweilige vertikale Ladearmteil 13 trägt einen zugeordne ten horizontalen Ladearmteil 21, durch welchen das Ladekabel in y-Richtung in den Bereich der Ladebuchse 5a geführt werden kann. Dieser horizontale Ladearmteil 21 ist in Richtung des zu ladenden Fahrzeugs ausfahrbar bzw. in Richtung des verti kalen Ladearmteils 13 einfahrbar.
In den Figuren 1 und 3 ist zu erkennen, dass der horizontale Ladearmteil 21 der ersten Ladeeinrichtung la ausgefahren ist und der (hier nicht sichtbare) horizontale Ladearmteil der zweiten Ladeeinrichtung lb eingefahren ist. Am fahrzeugseiti gen Ende des jeweiligen horizontalen Ladearmteils trägt die ser einen Ladekopf, in den jeweils ein hier nicht näher dar gestellter Ladestecker integriert ist. Die vertikale Höhe (also die z-Position) des Ladekopfes 22 kann auf die Höhe der jeweiligen Ladebuchse angepasst werden. Diese Möglichkeit kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein, z.B. indem die vertikale Ausdehnung des vertikalen La dearmteils 13 über das gezeigte Teleskopsystem 41 verändert wird. Alternativ kann auch z.B. die vertikale Position des horizontalen Ladearmteils 21 an dem vertikalen Ladearmteil 13 über ein Schlittensystem variiert werden.
Die y-Position des Ladekopfes 22 kann auf die Position der Ladebuchse 5a angepasst werden, indem der horizontale Lade armteil auf der jeweils relevanten Fahrzeugseite um eine pas sende Weglänge in Richtung des Fahrzeugs ausgefahren wird.
Auf diese Weise können Unterschiede in der Breite der jeweils zu ladenden Fahrzeuge und Unterschiede in den jeweiligen Parkpositionen ausgeglichen werden. Durch diese Unterschiede kann die dem jeweiligen vertikalen Ladearmteil 13 zugewandte Fahrzeugseite 6 unterschiedliche y-Positionen aufweisen, wie durch den Doppelpfeil um die Position 6 herum im unteren Teil der Figur 3 angedeutet. Der horizontale Ladearmteil 21 weist daher einen entsprechend großen möglichen Ausfahrweg auf, um die variierende horizontale Distanz zwischen dem vertikalen Ladearmteil und der jeweiligen Ladebuchse zu überbrücken. Der minimale erforderliche Ausfahrweg des horizontalen Ladearm teils ist dabei durch den minimalen Sicherheitsabstand 7 ge geben, welcher beim Einparken zwischen dem eingefahren hori zontalen Ladearmteils und der entsprechenden Fahrzeugseite 6 gewährleistet werden muss. Dieser Sicherheitsabstand 7 kann beispielsweise im Bereich von etwa 20 cm liegen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 weist der ho rizontale Ladearmteil 21 als tragendes Element eine Schubket te auf, so dass das Aus- und Einfahren des horizontalen Lade armteils durch ein entsprechendes Aus- und Einfahren der Schubkette realisiert werden kann. Der Teil des horizontalen Ladearmteils zwischen dem vertikalen Ladearmteil 13 und Lade kopf 22 wird dabei zum überwiegenden Teil durch diese Schub- kette gebildet. Auch dieses Schubkettensystem bildet also ein Antriebssystem mit linearer Wirkrichtung a, wobei diese Wir krichtung a hier mit der y-Richtung zusammenfällt.
In Figur 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ladesystems 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ge zeigt. Dieses Ladesystem kann beispielsweise insgesamt ähn lich aufgebaut sein wie das Ladesystem der Figuren 1 bis 3. Figur 4 zeigt dabei eine Detailansicht im Bereich des verti kalen Ladearmteils 13, wobei in Figur 4 der horizontale Lade armteil 21 ausgefahren ist. Der ganze Ladearm ist auf einem Sockel 23 über ein zugeordnetes (in diesem Schnitt nicht nä her dargestelltes) Schienensystem 15 in x-Richtung fahrbar angeordnet .
Wie in Figur 4 gut zu erkennen, wird im ausgefahrenen Zustand ein großer Teil des horizontalen Ladearmteils 21 durch eine Schubkette 31 mit der Länge 1 gebildet. Diese Schubkette 31 weist eine Vielzahl von (hier nicht näher darstellten) Ket tengliedern auf, welche im ausgefahrenen Zustand formschlüs sig ineinandergreifen, so dass die Schubkette selbstverstei fend ist. Im eingefahrenen Zustand ist diese Schubkette dage gen zusammengerollt und somit platzsparend in einem Ketten kasten 33 untergebracht, welcher im Bereich des vertikalen Ladearmteils 13 angeordnet ist. Am fahrzeugseitigen Ende 21a des horizontalen Ladearmteils weist die Schubkette 31 ein Endstück 35 auf, welches den Ladekopf 22 trägt. In diesen La dekopf 22 ist ein Ladestecker 27 integriert, welcher in eine passende Ladebuchse eines zu ladenden Fahrzeugs eingesteckt werden kann.
Der Ladekopf trägt weiterhin ein fahrzeugseitiges Ende 25a eines Ladekabels 25, welches von dem horizontalen Ladearmteil in Richtung des zu ladenden Fahrzeugs geschleppt wird. Beim Beispiel der Figuren 4 und 5 wird dieses Ladekabel 25 also relativ frei hängend von dem horizontalen Ladearmteil 21 ge tragen. Es ist lediglich punktuell am Ladekopf 22 und außer dem im Bereich des vertikalen Ladearmteils 13 mechanisch fi- xiert. Alternativ kann das Ladekabel aber auch näher an der Schubkette 31 geführt sein und insbesondere auch in diese in tegriert sein. Der maximale Ausfahrweg As ergibt sich allge mein durch den Unterschied der Kettenlänge 1 zwischen dem ma ximal ausgefahrenen Zustand und dem maximal eingefahrenen Zu stand. Bei einem ausreichend langen Kettenstrang kann so bei spielsweise ein Ausfahrweg im Bereich zwischen 20 cm und 150 cm realisiert werden.
Bei einer selbstversteifenden Ausführung der Schubkette 31 kann eine ausreichend hohe Steifigkeit erreicht werden, so dass die Schubkette freitragend ist. Sie ist also insbesonde re steif genug, um nicht nur ihr eigenes Gewicht zu tragen, sondern auch das Gewicht des Ladekabels 25 und des Ladekopfs 22 abstützen zu können und darüber hinaus die notwendige Steckkraft zum Einstecken des Ladesteckers aufzubringen. Die Höhe h des horizontalen Ladearmteils 21 über dem Boden 8 soll über den Ausfahrweg im Wesentlichen beibehalten werden. So führt also auch die im Bereich des Ladekopfs einwirkende Schwerkraft Fg nicht zu einem übermäßigen vertikalen Absacken des horizontalen Ladearmteils. Ein leichtes Herunterhängen zum Fahrzeug hin, beispielsweise im Bereich von einigen Mil limetern bis wenigen Zentimetern, kann dabei aber unter Um ständen durchaus toleriert werden. Wesentlich ist nur, dass der horizontale Ladearmteil ausreichend steif ist, um den La dekopf horizontal weit genug in Richtung der Ladebuchse aus zufahren und dabei die Höhe der Ladebuchse des Fahrzeugs im Rahmen der erforderlichen Positioniergenauigkeit zu treffen.
Die Schubkette 31 des horizontalen Ladearmteils ist dazu aus gelegt, sowohl eine Schubkraft Fs zum Fahrzeug hin als auch eine Zugkraft Fz vom Fahrzeug weg auf den Ladekopf 22 zu übertragen. Dabei dient die Schubkraft dazu, den Ladestecker 27 in die Ladebuchse einzustecken. Umgekehrt dient die Zug kraft Fz dazu, den Ladestecker 27 aus der Ladebuchse wieder herauszuziehen. Die jeweilige Bewegung der Schubkette in y- Richtung wird dabei durch einen Antrieb 34 bewirkt, der hier im Bereich des Kettenkastens angeordnet ist. In Figur 5 ist eine Detailansicht eines Ladesystems 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der wesentliche Unterschied zum Ladesystem der Figur 4 ist, dass das erste und das zweite linear wirkende Antriebssystem an ders realisiert sind. Im Übrigen ist das Ladesystem jedoch ähnlich ausgestaltet wie beim vorhergehenden Beispiel. So ist hier das erste Antriebssystem als Schlittensystem 32 reali siert, bei dem der horizontale Ladearmteil 21 mehrere Schlit tenelemente aufweist, welche entlang der ersten linearen Wir krichtung a translatorisch gegeneinander bewegbar sind. Exemplarisch sind hier nur zwei Armelemente 32a und 32b ge zeigt, nämlich ein Schlitten 32b, welcher auf einem Tragele ment 32a gleiten kann. Es können jedoch auch mehr solche Un terelemente sein, wobei die Relativbewegung benachbarter Ele mente dann immer entlang derselben Wirkrichtung a verlaufen soll. Auch hier fällt die a-Richtung mit der y-Richtung des Systems zusammen.
Ein weiterer Unterschied zum Beispiel der Figur 4 ist, dass auch das zweite Antriebssystem als Schlittensystem 42 reali siert ist, bei dem ein Schlitten 43 (welcher den horizontalen Ladearmteil 21 trägt) in einer vertikalen Führungsschiene 44 innerhalb des vertikalen Ladearmteils auf und ab gleiten kann. Die zweite lineare Wirkrichtung entspricht daher auch hier im Wesentlichen der z-Richtung.
In Figur 6 ist eine Detailansicht eines Ladesystems 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der erste und der zweite Antrieb sind wieder ähnlich wie beim Beispiel der Figur 4 realisiert. Der wesentliche Unterschied zum Ladesystem der Figur 4 ist, dass der horizontale Ladearm teil schräg hängend an dem vertikalen Ladearmteil angebracht ist. Entsprechend ist die erste lineare Wirkrichtung a auch nicht parallel zur y-Achse, sondern schließt einen Winkel a mit ihr ein. Dies erleichtert ein Einstecken des Ladesteckers 27 in eine entsprechend schräg angeordnete Ladebuchse. Um ei ne Anpassung an die Einbaulage der jeweils anzufahrenden La- debuchse zu ermöglichen, kann der entsprechende Winkel, unter dem der horizontale Ladearmteil 21 von dem vertikalen Lade armteil absteht, auch allgemein vorteilhaft über ein hier nicht näher dargestelltes autonom ansteuerbares Neigeelement variierbar sein.
In Figur 7 ist eine Detailansicht eines Ladesystems 1 nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Da bei sind der erste und der zweite Antrieb ähnlich wie beim Beispiel der Figur 5 realisiert. Der wesentliche Unterschied zum Ladesystem der Figur 5 ist, dass der Ladekopf im Endbe reich 21a des horizontalen Ladearmteils eine Schwenk-Neige- Einheit 51 aufweist. Diese erlaubt eine Neigung des Ladekop fes in der yz-Ebene (wie durch den Doppelpfeil ryz angedeu tet) und zusätzlich eine zweite Rotation, beispielsweise ein Schwenken in der xy-Ebene. Hierdurch kann auch bei einem ho rizontalen Ladearmteil 21 eine Anpassung der Ausrichtung des Ladesteckers 27 an eine schräg eingebaute Ladebuchse erreicht werden. Zusätzlich ist optional eine Drehung in der xz-Ebene möglich. Weiterhin weist das Ladesystem 1 der Figur 7 ein viertes linear wirkendes Antriebssystem 61 auf. Die lineare Wirkrichtung dieses Antriebssystems ist mit d bezeichnet. Da bei kann d (wie in der abgebildeten Stellung der Schwenk- Neige-Einheit 51) je nach Stellung der Schwenk-Neige-Einheit 51 gegebenenfalls schräg liegen, also einen von Null ver schiedenen Winkel mit der y-Achse und somit auch mit der Wir krichtung a einschließen. Das vierte Antriebssystem kann bei spielsweise einen echten Linearantrieb aufweisen. Allgemein und unabhängig von der apparativen Realisierung kann der Ver fahrweg dieses vierten Antriebs vergleichsweise kurz sein. Beispielsweise reicht ein Verfahrweg unterhalb von 10 cm all gemein aus, um einen Ladestecker 27 in eine entsprechende La debuchse einzustecken. Zusätzlich zu einer solchen Einsteck bewegung (in positiver d-Richtung) kann das vierte Antriebs system 61 auch dazu ausgelegt sein, eine autonome Bewegung in negativer d-Richtung zu bewirken, um den Ladestecker nach Be endigung des Ladevorgangs wieder automatisch ausstecken zu können. Bezugszeichenliste
1 Ladesystem la erste Ladeeinrichtung lb zweite Ladeeinrichtung
2 Querverbindung
3 Fahrzeugbereich
5 Elektrofahrzeug
5a Ladebuchse (Ladeeinheit)
6 Fahrzeugseite
7 Sicherheitsabstand
8 Boden
11 Ladesäule
13 vertikaler Ladearmteil
15 Schienensystem (drittes Antriebssystem)
16 Sensoreinheit
17 Auswerteeinheit
18 Steuereinheit
21 horizontaler Ladearmteil
21a fahrzeugseitiges Ende des Ladearms
22 Ladekopf
23 Ladearmsockel auf Schienensystem
25 Ladekabel
25a fahrzeugseitiges Ende des Ladekabels
27 Ladestecker
31 Schubkette (erstes Antriebssystem)
32 Schlittensystem (erstes Antriebssystem)
32a erstes horizontales Armelement (Tragelement)
32b zweites horizontales Armelement (Schlitten)
33 Kettenkasten
34 Kettenantrieb
35 Endstück
41 Teleskopsystem (zweites Antriebssystem)
42 Schlittensystem (zweites Antriebssystem)
43 Schlitten
44 Führungsschiene
51 Schwenk-Neige-Einheit
61 viertes Antriebssystem a Winkel a erste lineare Wirkrichtung b zweite lineare Wirkrichtung c dritte lineare Wirkrichtung d vierte lineare Wirkrichtung
Fg Schwerkraft
Fs Schubkraft
Fz Zugkraft h Höhe des horizontalen Ladearmteils
1 Länge der ausgefahrenen Schubkette ryz zweiter Rotationsfreiheitsgrad x horizontale Längsrichtung y horizontale Querrichtung z vertikale Raumrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Ladesystem (1) zum autonomen Laden eines Elektrofahrzeugs (5) mit elektrischer Energie, umfassend
- einen vertikalen Ladearmteil (13),
- ein Ladekabel (25) oder eine Stromschiene, welche(s) mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug (5) verbindbar ist,
- sowie einen vom vertikalen Ladearmteil (13) aus in Richtung des Elektrofahrzeugs (5) ausfahrbaren länglich geformten ho rizontalen Ladearmteil (21),
- wobei der horizontale Ladearmteil (21) ein erstes Antriebs system (31) mit einer ersten linearen Wirkrichtung (a) auf weist, welche einer Längsrichtung des horizontalen Ladearm teils (21) entspricht, so dass das fahrzeugseitige Ende (21a) des horizontalen Lade armteils (21) durch das erste Antriebssystem (31) bezüglich eines ersten linearen Freiheitsgrades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug bewegbar ist,
- und wobei das Ladesystem (1) ein zweites Antriebssystem (41) mit einer zweiten linearen Wirkrichtung (b) aufweist, mit welchem der horizontale Ladearmteil (21) bezüglich eines zweiten linearen Freiheitsgrades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug (5) bewegbar ist.
2. Ladesystem (1) nach Anspruch 1, bei welchem zwischen der ersten linearen Wirkrichtung (a) und der zweiten linearen Wirkrichtung (b) ein Winkel gebildet ist, welcher zwischen 45° und 135° liegt.
3. Ladesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei wel chem die erste lineare Wirkrichtung (a) des ersten Antriebs systems (31) einen Winkel a von höchstens 45° mit einer ho rizontalen Querrichtung (y) des Ladesystems (1) ausbildet.
4. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die zweite lineare Wirkrichtung (b) des zweiten Antriebssystems (41) einen Winkel von höchstens 10° mit der vertikalen Raumrichtung (z) ausbildet.
5. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein drittes Antriebssystem (15) mit einer dritten li nearen Wirkrichtung (c) aufweist, mit welchem der vertikale Ladearmteil (13) bezüglich eines dritten linearen Freiheits grades autonom relativ zu dem Elektrofahrzeug (5) bewegbar ist.
6. Ladesystem (1) nach Anspruch 5, bei welchem die dritte li neare Wirkrichtung (c) des dritten Antriebssystems (15) einen Winkel von höchstens 10° mit einer horizontalen Längsrichtung (x) des Ladesystems (1) ausbildet.
7. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches im fahrzeugseitigen Endbereich (21a) des horizontalen Ladearmteils (21) eine Schwenk- und/oder Neige-Einheit (51) aufweist, mit welcher das fahrzeugseitige Ende (21a) des ho rizontalen Ladearmteils (21) bezüglich wenigstens eines Rota tionsfreiheitsgrades (ryz) bewegbar ist.
8. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches im fahrzeugseitigen Endbereich (21a) des horizontalen Ladearmteils (21) einen Ladestecker (27) aufweist und welches ein viertes Antriebssystem (61) mit einer vierten linearen Wirkrichtung (d) aufweist, wobei mit diesem vierten Antriebs system (61) ein Einstecken und/oder Ausstecken des Ladeste ckers (27) in eine bzw. aus einer Ladebuchse (5a) des zu la denden Fahrzeugs (5) ermöglicht wird.
9. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ladekabel (25) für ein Beladen des Elektro fahrzeugs mit Gleichstrom ausgelegt ist, insbesondere bei ei nem Ladestrom von wenigstens 125 A und/oder eine Ladespannung von wenigstens 125 V.
10. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches für einen Einsatz im Außenbereich ausgelegt ist.
11. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches wenigstens eine Sensoreinheit (16) aufweist, mittels welcher die Position einer Ladebuchse (5a) eines zu ladenden Elektrofahrzeugs (5) bestimmbar ist.
12. Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwei Ladeeinrichtungen (la,lb) aufweist,
- wobei jede Ladeeinrichtung (la,lb) einen vertikalen Lade armteil (13), ein Ladekabel (25) oder eine Stromschiene und einen vom vertikalen Ladearmteil (13) aus in Richtung des Elektrofahrzeugs (5) ausfahrbaren länglich geformten horizon talen Ladearmteil (21) umfasst,
- und wobei die beiden Ladeeinrichtungen (la,lb) so angeord net sind, dass das zu ladende Elektrofahrzeug (5) zwischen ihnen positioniert werden kann.
13. Verfahren zum autonomen Laden eines Elektrofahrzeugs (5) mit einem Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
(a) Positionieren des zu ladenden Elektrofahrzeugs (5) in ei nem Fahrzeugbereich (3) des Ladesystems (1),
(b) autonome Ermittlung einer Soll-Position für das fahrzeug seitige Ende (21a) des horizontalen Ladearmteils,
(c) autonomes Positionieren des fahrzeugseitigen Endes (21a) des horizontalen Ladearmteils in der Soll-Position, mit we nigstens dem Teilschritt:
(cl) Ausfahren des horizontalen Ladearmteils (21) in Richtung des Elektrofahrzeugs (5) mittels des ersten An triebssystems (31).
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem Schritt (b) zumindest die folgenden Teilschritte umfasst:
(bl) Erfassung von Messdaten, welche von der Position einer Ladeeinheit (5a) des Elektrofahrzeugs (5) abhän- gen, mittels einer Sensoreinheit (16) des Ladesystems (1),
(b2) Bestimmung der Soll-Position für das fahrzeugseiti ge Ende (21a) des horizontalen Ladearmteils mittels ei- ner Auswerteeinheit (17) des Ladesystems (1) aus den er fassten Messdaten.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem in Schritt (b2) die Bestimmung der Soll-Position aus Messdaten wenigstens teilweise mittels eines trainierbaren neuronalen Netzes der Auswerteeinheit (17) erfolgt.
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