WO2021094477A1 - Fahrzeugeinheit mit einem ladeanschluss und ladesystem zum laden einer batterie eines elektrofahrzeugs - Google Patents

Fahrzeugeinheit mit einem ladeanschluss und ladesystem zum laden einer batterie eines elektrofahrzeugs Download PDF

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WO2021094477A1
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contacting
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vehicle
contacting device
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PCT/EP2020/081953
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Thomas Podolski
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    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Vehicle unit with a charging connection and charging system for charging a battery
  • the present invention relates to a vehicle unit and a charging system for charging a battery of an electric vehicle, in particular for charging a traction battery of a motor vehicle driven by an electric motor.
  • Motor vehicles with electric drive for example electric and hybrid vehicles and vehicles with fuel cells, are the subject of current research and development with regard to many technical aspects.
  • the energy required to drive the electric motor is stored in a traction battery.
  • the vehicle For external charging of traction batteries in motor vehicles with electric drive, the vehicle is contacted with a charging device, for example a charging station or a so-called wallbox, by the user leading a charging cable with a plug from the charging device to the vehicle and there the plug into a suitable socket on the vehicle pocketed. The user then starts the charging process.
  • a charging device for example a charging station or a so-called wallbox
  • the charging device with charging cable requires space that cannot be used for other purposes.
  • the charging cable extends from a wallbox, for example that is installed on the wall of a garage, to the vehicle, blocks a passage if necessary and can thus create a trip hazard.
  • manually connecting the charging cable to the vehicle and operating the charging device is bothersome and error-prone. It can happen that the user forgets to connect the vehicle for charging or even to disconnect the charging cable before driving off.
  • Wall-mounted automatic contacting devices have been proposed that automatically / mechanically plug a charging cable into a socket on the vehicle. This can be achieved, for example, using a scissor arm.
  • contacting devices are known which are arranged on or in the floor of a parking space.
  • the vehicle is driven to a parking space equipped with such a charging device and brought to a stop above the contacting device.
  • the vehicle is then automatically contacted from below via a lifting device.
  • the lifting device introduces a plug from below into a socket installed in the underbody of the vehicle.
  • the plug since a precise parking position of the vehicle cannot generally be guaranteed, the plug must be centered automatically by the charging device on the floor. Furthermore, the contacts of the vehicle unit arranged in the underbody of the vehicle and the contacts of the loading device on the floor are exposed to strong mechanical loads, such as stone chips, dirt and splash water, which can easily lead to damage.
  • DE 102018205 594 A1 describes a motor vehicle with an electrical contacting unit.
  • the contacting unit comprises electrical contacts and a movable cover which can be displaced between a protective position in which it covers the electrical contacts and a charging position in which the electrical contacts are accessible from the surroundings of the vehicle.
  • the contact is made in a direction perpendicular to the underbody of the vehicle.
  • the connector referred to as the “counterpart” in DE 102018205 594 A1 is raised to the vehicle-side contacting unit by a robot arm.
  • the circular, concentric contacts of the plug are open at the top and are therefore exposed to severe contamination without further technical measures.
  • the term "electric vehicle” functions as a generic term for vehicles with a purely electric drive, in which the energy required for ferry operation is stored exclusively in a traction battery, as well as hybrid vehicles of all types in which the driving energy is at least partially stored in an externally chargeable traction battery.
  • plug-in hybrid vehicles as well as vehicles with fuel cells fall under the term “electric vehicle”, provided that the traction battery can also be charged externally in addition to charging via a fuel cell.
  • the vehicle unit according to the invention is intended for installation in an electric vehicle or is already installed in an electric vehicle.
  • the vehicle unit can be implemented as a modular unit or integrated into the electric vehicle.
  • the vehicle unit is preferably mounted in the underbody of the electric vehicle or can be mounted on or in this, for example screwed on.
  • the vehicle unit is used to make electrical contact with an external charging device, such as a charging station located in the ground, for charging a battery of the electric vehicle.
  • the vehicle unit has a charging connection for contacting, in particular for mechanical and electrical contacting, of a contacting device of the external charging device.
  • the state in which the charging connection of the vehicle unit and the external contacting device are in contact so that charging current can flow from the external charging device to the battery in order to charge it is also referred to herein as the “contact position”.
  • the charging connection and the contacting device are preferably in a form-fitting and electrical connection.
  • the contacting device and the charging connection can enter into a plug / socket connection in order to to ensure reliable contact.
  • the contacting device preferably functions as a plug, while the charging connection functions as a socket.
  • the form fit can also be done the other way around.
  • a form fit between the contacting device and the charging connection is not absolutely necessary if a reliable electrical contact is ensured in the contact layer.
  • the vehicle unit also has a contacting mechanism which is set up to move the contacting device from a centering position in which the contacting device is separated from the charging connection along a trajectory in a plane which is referred to herein as the “X / Y plane” to transfer into the contact position.
  • the starting point is a defined position of the contacting device in the X / Y plane, which is achieved for example by means of an external device, for example by means of a robot arm.
  • This defined position in which the contacting device can already be introduced into the vehicle unit or a recess thereof, but is not yet in contact with the charging connection, is referred to herein as the “centering position”.
  • the centering position thus designates a well-defined, spatial position of the
  • the orientation of the same i.e. the angle around the axis perpendicular to the X / Y plane, which is referred to herein as the "Z axis"
  • Z axis may be indefinite.
  • the transfer of the contacting device to the contact state is no longer carried out by means of an external device, but is carried out by the contacting mechanism, which is a mechanism of the vehicle unit.
  • a particularly convenient charging of the battery of the electric vehicle can be implemented, in which the driver does not have to take any further steps after parking the vehicle, for example above a floor unit of the external charging device and possibly by initiating the charging process, since the system does this automatically and independently can make.
  • a Automatic, independent disconnection can be achieved, which is carried out, for example, when the actual charging process has ended, i.e. the battery is sufficiently or fully charged again, or triggered, for example, by opening the motor vehicle, entering the interior of the motor vehicle or switching on the motor vehicle.
  • a user does not have to take any active steps to disconnect the existing contacting of the charging device.
  • the user specifies active disconnection by means of a corresponding disconnection command.
  • the alignment and transfer of the contacting device to the contact state takes place at least partially within and with active technical means of the vehicle unit, i.e. with technical means that are on board the vehicle.
  • This technical solution is less sensitive to tolerances, more robust and more reliable than complete contacting via an external device such as a robot arm.
  • the forces on the external device are reduced, which supports the lightweight construction of the charging system.
  • Contacts of the charging connection which are to be brought into electrical contact with contacts of the contacting device for charging, are preferably aligned parallel to the X / Y plane, the X / Y plane preferably running parallel to the underbody of the electric vehicle.
  • Such an alignment alone already protects the charging connection and makes contact particularly gentle, since the contacts are not subjected to any stress in the stroke direction, i.e. the Z direction perpendicular to the X / Y plane.
  • no force is applied to the motor vehicle in the Z direction.
  • the contacts can also be shielded synergistically in the Z direction by housing or protective elements.
  • the charging connection is preferably mounted in a recess in the vehicle unit, as a result of which the risk of contamination or damage due to environmental and driving influences can be further reduced.
  • the recess provides protection in particular when the charging connection is in the “slipstream” of the walls defining the recess, so that dirt, water and stone chips do not hit the charging connection directly during ferry operation, but rather sweep over it.
  • the vehicle unit preferably has a positioning element which is set up to guide the contacting device during the external supply to the vehicle unit in such a way that the contacting device reaches the defined centering position.
  • the positioning element can be designed, for example, as a centering pin that is connected to a corresponding, preferably cooperates conical recess of the contacting device.
  • the aim of the positioning element is thus that the contacting device reliably arrives in the centering position in the vehicle unit, even if, for example, positional deviations occur due to variable parking positions of the vehicle or inaccuracies in the supply by the external device.
  • the position of the contacting device in the X / Y plane is thus defined, but the orientation of the same, ie the angle about the Z axis, may be indefinite.
  • the centering position of the contacting device is thus achieved in this case by the work of the above-mentioned external device, for example by a robot arm, and cooperation with the positioning element.
  • the vehicle unit preferably has a cover for covering the charging connection.
  • the cover In the closed state, the cover is preferably essentially flush with the underbody of the electric vehicle or the corresponding wall on which the vehicle unit is located. In this way, the charging connection and any other components of the vehicle unit are particularly effectively protected against mechanical external influences such as stone chips, dirt and the like in the normal state, i.e. outside the charging mode.
  • the cover can be provided with a seal in order to protect the charging connection in particular against splash water and moisture.
  • the cover is preferably mounted pivotably, for example by means of a four-bar linkage, so that it can be pivoted from an open position into a closed position and vice versa.
  • a corresponding actuator preferably an electric motor or servo, with a transmission mechanism (pinion, linkage and the like), collectively referred to as a “drive”, can be provided for actuation.
  • the drive for the cover preferably has over-center kinematics, with which the cover can be closed firmly and reliably without a separate locking mechanism.
  • the vehicle unit preferably comprises a housing defining a recess, which can in particular be elongated, the charging connection preferably being arranged in the recess at one end of the same such that the contacts of the charging connection run parallel to the X / Y plane.
  • the charging connection can be arranged in a recess in the vehicle unit, as a result of which a particularly protected design of the vehicle unit is provided.
  • a separate housing becomes a modular one Structure of the vehicle unit is supported so that it can be easily mounted on different vehicle types and positions.
  • the contacting mechanism is preferably set up to rotate the contacting device in the centering position about an axis perpendicular to the X / Y plane into a straightening position in which the contacts of the contacting device face the contacts of the charging connection. It is therefore not necessary for the contacting device to be correctly aligned by an external device, rather the alignment, in particular adjustment about the Z axis, takes place according to this preferred embodiment within and with technical means of the vehicle unit. This technical solution is particularly insensitive to tolerances, robust and reliable.
  • the contacting mechanism is further or alternatively set up to translate the contacting device from the straightening position into the contact position.
  • the contacting and / or plugging process is carried out within and with technical means of the vehicle unit, whereby the electrical and mechanical connection between the contacting device and the charging connection can be implemented in a particularly defined and reliable, thus gentle and long-lasting manner.
  • the contacting mechanism preferably has an actuator and kinematics to carry out the movement along the trajectory in the X / Y plane into the contact position.
  • the actuator preferably comprises an electric motor or a servo.
  • the kinematics can be designed as 4-joint kinematics, as a result of which the required movement takes place in a mechanically simple and reliable manner.
  • the kinematics preferably have at least one alignment arm, preferably two alignment arms, for gripping the contacting device in the centering position.
  • the alignment arms can each be equipped with a hook or some other gripping means at the corresponding ends in order to mechanically grasp the contacting device and reliably manipulate its position and / or location.
  • the term “grab” is to be interpreted broadly and does not have to include an active grabbing movement. For example, operations of hooking, latching, latching, connecting, pushing, etc. are included.
  • the contacting mechanism is preferably set up, when the actuator is actuated, to move the contacting device via the alignment arms, preferably via any hooks the same, to grip or to grasp and to rotate in the centering position around an axis perpendicular to the X / Y plane in the straightening position, and then translationally transferring it from the straightening position to the contact position when the actuator is operated further.
  • the contacting mechanism is preferably set up, when the actuator is actuated, to move the contacting device via the alignment arms, preferably via any hooks the same, to grip or to grasp and to rotate in the centering position around an axis perpendicular to the X / Y plane in the straightening position, and then translationally transferring it from the straightening position to the contact position when the actuator is operated further.
  • the contacting mechanism preferably has a slide which is set up to move the contacting device together with the kinematics in a translatory manner in the contacting direction when the actuator is operated further.
  • the above-mentioned object is also achieved by a charging system for charging a battery of an electric vehicle.
  • the charging system has a vehicle unit according to an embodiment of the above description and an external charging device for charging the battery of the electric vehicle.
  • the charging device has the contacting device for contacting, in particular mechanical and electrical contacting, with the charging connection of the vehicle unit and an external movement mechanism or an external device for transferring the contacting device into the centering position.
  • the external device can have a robot arm or some other suitable mechanism which enables the contacting device to move along one or more degrees of freedom, in particular along the Z axis.
  • the loading device preferably has a floor unit which is arranged in the floor and which comprises the contacting device and the corresponding external movement mechanism. In this way, the charging device can interact in a space-saving manner with a vehicle unit mounted in the underbody of the electric vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view from below of an external contacting device and of a vehicle unit with a closed cover
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view from below of the external contacting device and of the vehicle unit according to the exemplary embodiment in FIG. 1 with the cover open;
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view from below of the external contacting device and of the vehicle unit according to the exemplary embodiment of FIG. 1 with the cover open, the contacting device being in the centering position
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view from below of the external contacting device and of the vehicle unit according to the exemplary embodiment of FIG. 1 with the cover open, the contacting device being in the straightening position
  • FIG. 5 shows a schematic perspective view from below of the external contacting device and of the vehicle unit according to the exemplary embodiment of FIG. 1 with the cover open, the contacting device being in the contact position;
  • FIG. 6 shows a schematic perspective view from above of the external contacting device and of the vehicle unit according to the exemplary embodiment in FIG. 1 with the housing open or transparent;
  • FIG. 7A shows a plan view of the vehicle unit according to the exemplary embodiment in FIG. 1 with the housing open or transparent in the centering position
  • FIG. 7B shows a view of the vehicle unit from below according to the exemplary embodiment in FIG. 1 in the centering position;
  • FIG. 8A shows a plan view of the vehicle unit according to the exemplary embodiment in FIG. 1 with the housing open or transparent in the straightening position;
  • FIG. 8B shows a view of the vehicle unit from below according to the exemplary embodiment in FIG. 1 in the straightened position
  • FIG. 9A shows a plan view of the vehicle unit according to the exemplary embodiment in FIG. 1 with the housing open or transparent in the contact position;
  • FIG. 9B shows a view of the vehicle unit from below according to the exemplary embodiment in FIG. 1 in the contact position
  • FIGS 1 to 9B show a vehicle unit 1 of a charging system for charging a traction battery of an electric vehicle in different states and from different perspectives.
  • the traction battery and the electric vehicle are not shown for the sake of clarity.
  • the vehicle unit 1 is mounted or mountable on the vehicle side, preferably on or in the underbody of the vehicle, and it is set up to receive an external contacting device 2 for the charging process of the traction battery and to align and / or move at least partially independently so that a reliable electrical and preferably also mechanical contact is achieved.
  • the traction battery is therefore particularly preferably charged conductively.
  • the vehicle unit 1 can alternatively be mounted elsewhere in the electric vehicle, for example on one side of the vehicle, for example in the area of the tank filler neck of a conventional vehicle with an internal combustion engine, or in the area of the vehicle roof.
  • the external contacting device 2 is also shown, which can be moved by an external mechanical unit (not shown), for example a robot arm, to bring the contacting device 2 up to the vehicle unit 1, for example translatory and / or rotatable and / or pivotable.
  • the required degrees of freedom for the first, rough adjustment of the contacting device 2 by the external device depend on the specific configuration of the system and the requirements for the required accuracy.
  • the contacting device 2 In the case of floor-side assembly, the contacting device 2 must be implemented so that it can be raised and lowered at least relative to the vehicle floor, with mobility in the plane perpendicular thereto preferably also being implemented.
  • the axis of the approach of the contacting device 2 to the vehicle unit 1, i.e. in the case of floor mounting, the axis of the direction of gravity, is defined here as the Z-axis.
  • the plane perpendicular to this is referred to as the X / Y plane.
  • the external contacting device 2 is supplied with a charging current from a charging device (not shown) which, after successful contacting with the vehicle unit 1, is passed to the vehicle unit 1 for charging the vehicle-side traction battery.
  • the charging device providing the charging current can be provided, for example, in the form of a wall box or charging column in which the charging controller is also provided.
  • the charging process can also be controlled on the vehicle side by means of appropriate electronics on board the electric vehicle, via an app or in some other way.
  • the charging system comprising at least the vehicle unit 1 and the external contacting device 2, is used to establish automatic contact with the electric vehicle and then preferably also to automatically start a charging process in order to charge the traction battery in the electric vehicle.
  • the aim here is that the entire contacting process and preferably the charging process run essentially automatically, so that the driver or user of the electric vehicle does not have to intervene.
  • the driver must drive his vehicle into a defined contacting area within which the automatic contacting can be carried out.
  • floor mounting it is sufficient to place the vehicle above a floor unit mounted in or on the floor of the parking space To turn off the charging device which has the external contacting device 2 described above.
  • Contacting can now be started automatically or through user interaction.
  • automatic communication can take place between the electric vehicle to be charged and the charging device, and if the charge state of the electric vehicle falls below a specified level, a contacting and charging process is started automatically.
  • the automatic contacting and charging can, however, also be implemented, for example, in such a way that the driver actively initiates the charging process, but then at least no further manual interaction between the driver and the charging device is necessary.
  • the vehicle unit 1 has a housing 11 which is mounted, for example screwed, in a corresponding receptacle in the electric vehicle, or can be received and mounted therein. It should be pointed out that the vehicle unit 1 can be implemented as a modular structural unit or can be integrated with the electric vehicle to such an extent that, for example, a separate housing 11 can be dispensed with.
  • the vehicle unit 1 can be integrated in the underbody of the electric vehicle in a substantially planar manner. To form the level integration, the housing 11 of the vehicle unit 1 is inserted so far into the electric vehicle that the downward-facing floor 11 a of the housing 11 is essentially flush with the underbody of the electric vehicle.
  • the vehicle unit 1 it is also possible to fasten the vehicle unit 1 to the side or on / on the roof of the electric vehicle, but the exemplary embodiments are limited to mounting the vehicle unit 1 on or in the underbody of the electric vehicle.
  • the vehicle unit 1 is shown in FIG. 1 in a perspective view from below, wherein a cover 3 for covering a recess 6 shown in FIG. 2 can be seen in the closed position.
  • the recess 6 contains, inter alia, a charging connection 4, which is to be brought into mechanical and electrical contact with the external contacting device 2 for the charging process.
  • the cover 3 is designed to protect the recess 6 and the components located therein in the normal state, ie outside the loading operation, from mechanical external influences, such as stone chips, dirt, moisture and the like.
  • a seal 33 can additionally be provided, as can be seen from FIGS. 2 to 5, 7B, 8B and 9B.
  • the cover 3 is preferably pivotably mounted, for example by means of a four-bar linkage, so that it can be pivoted from an open position into a closed position and vice versa.
  • a corresponding actuator 31, preferably an electric motor or servo, with a transmission mechanism 32 (pinion, linkage, four-bar linkage and the like) is shown in FIGS. 6, 7A, 8A and 9A.
  • cover 3 can be kept in the closed position simply and reliably by means of an over-center kinematics of the actuator 31 and the transmission mechanism 32, without the need for additional means for locking the cover 3.
  • An embodiment of the cover 3 with an actuator or drive that moves the cover translationally or along another trajectory from the closed position into an open position and vice versa is also possible.
  • a mounting of the cover 3 via a four-bar linkage is preferred compared to a purely translational mounting in the rough conditions under a vehicle, since the cover 3 is then less sensitive to dirt and easier to clean, for example as part of regular maintenance by a specialist workshop.
  • the cover 3 preferably closes off the vehicle unit 1 in a planar manner or essentially in a planar manner.
  • the housing 11 of the vehicle unit 1 preferably has a recess 13 (see FIG. 1) into which the cover 3 can move completely or partially when it is opened.
  • the vehicle unit 1 according to the embodiment of Figure 1 is shown with the cover 3 in the open position.
  • the cover 3 was partially moved into the recess 13 provided for this purpose in the housing 11 of the vehicle unit 1.
  • the positioning element 5 is in the form of a centering pin educated.
  • the positioning element 5 can, however, also be provided in other mechanical configurations - preferably those which enable a form-fitting engagement between the contacting device 2 and the positioning element 5. It can thus suffice to coordinate the walls of the recess 6 and the contacting device 2 with one another, preferably to implement a conical, self-centering shape.
  • the contacting device 2 has a counterpart to the positioning element 5 (not shown in detail in the figures), for example a conical recess, which interacts with the positioning element 5 during the introduction of the contacting device 2 into the recess 6 so that the contacting device 2 is in the X / Y plane is corrected.
  • the positioning element 5 for example a conical recess, which interacts with the positioning element 5 during the introduction of the contacting device 2 into the recess 6 so that the contacting device 2 is in the X / Y plane is corrected.
  • the aim of the positioning element 5 is for the contacting device 2 to achieve a defined position after it has been introduced into the recess 6, as shown in FIG.
  • the spatial position of the contacting device 2 is thus well defined, but the orientation of the same, i.e. the angle around the Z axis, may be indefinite.
  • This state shown in FIG. 3 is referred to herein as the “centering position” in order to make it clear that the contacting device 2 is present in a defined, centered position in the recess 6 after it has been introduced by an external device.
  • the centering position of the contacting device 2 is achieved through the work of the above-mentioned external mechanical device (for example a robot arm) and cooperation with the positioning element.
  • the further positioning of the contacting device 2 within the recess 6 and finally contacting with the charging connection 4 are now carried out solely by internal devices of the vehicle unit 1, so that these movements can be carried out particularly precisely, gently and in an energy-saving manner.
  • the charging connection 4 and its contacts are designed in such a way that contacting the contacting device 2 with the charging connection 4 starting from the centering position and separation can be carried out in a direction or along a trajectory that is in the X / Y plane lie, ie preferably in a plane lying parallel to the underbody of the vehicle.
  • the charging connection 4 and its contacts (not shown in the figures) are in an alignment parallel to the X / Y plane, so that contacting can be achieved by a translational movement in the X / Y plane.
  • the angular alignment of the contacting device 2 must be corrected, as can be seen from FIG. This state is referred to herein as the “directional position” in order to make it clear that the contacting device 2 is oriented within the recess 6 in such a way that its contacts 21 face the charging connection 4 and its contacts.
  • the contacting device 2 and the charging connection 4 form a plug / socket connection which, in addition to the purely electrical contact, also form a form fit in order to ensure reliable contacting during the charging process.
  • the contacting device 2 preferably functions as a plug, while the charging connection 4 functions as a socket.
  • the form fit can also be done the other way around.
  • a form fit between the contacting device 2 and the charging connection 4 is not absolutely necessary if a secure electrical contact is ensured in the contact layer in some other way.
  • the charging connection 4 and the positioning element 5 are stored in a protected manner in the recess 6, so that the risk of contamination or damage from environmental and driving influences is reduced.
  • the alignment of the contacts of both the charging connection 4 and the contacting device 2 in the X / Y plane also protects against damage and contamination, since these can be shielded in the Z direction by housing or protective elements without any problems.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of the contacting device 2 and of the vehicle unit 1 obliquely from above, the housing 11 being open or drawn transparently in order to show the mechanism for the internal transfer of the contacting device 2 into the contact position.
  • This mechanism is referred to herein as a “contacting mechanism” and is provided with the reference symbol 7.
  • a top view of the contacting mechanism in different states is shown in FIGS. 7A (centering position),
  • the contacting device 2 is not visible in FIGS. 7A, 8A and 9A, since it is located on the underside of the vehicle unit 1 and is essentially covered; the contacting device 2, however, emerges from FIGS. 7B, 8B and 9B, which show the vehicle unit 1 from below, also in the different states.
  • the contacting mechanism 7 comprises 4-joint kinematics 71 and an actuator 72, which is preferably an electric motor or servo.
  • the drive force of the actuator 72 is transmitted to the 4-joint kinematics 71 via a transmission mechanism, comprising, for example, pinions and / or linkages or the like.
  • the 4-joint kinematics 71 has two alignment arms 73 and 74 with hooks 73a and 74a at their ends.
  • the alignment arms 73 and 74 are best shown in FIGS. 8A and 9A, which show the contacting mechanism 7 in the alignment position (FIG. 8A) and the contact position (FIG. 9A).
  • FIGS. 8B and 9B show the vehicle unit 1 from below in the state of the straightened position and the contact position.
  • the alignment arms 73 and 74 with hooks 73a and 74a are used to grip, align and contact and, if necessary, to lock the contacting device 2.
  • the actuator 72 starts the contacting process, the 4-joint kinematics 71 being triggered first, which engages the centered contacting device 2 via the hooks 73a and 74a and aligns, as can be seen by comparing Figures 7B and 8B.
  • the alignment is an adjustment or rotation of the contacting device 2 in the X / Y plane about the Z axis.
  • the alignment of the contacting device 2 takes place after the engagement of both hooks 73a and 74a in corresponding recesses, undercuts or the like of the contacting device 2 and subsequent actuation of the 4-joint kinematics 71.
  • a slide 75 including 4-joint kinematics 71 is moved by the further movement of the actuator 72 in the contacting direction or insertion direction, i.e. translationally in the X / Y plane.
  • the subsequent release of the slide 75 takes place either by a link control or by means of a spring, the spring force having to be greater than the force required for the 4-joint kinematics 71.
  • the charging system set out above comprising at least the vehicle unit 1 and contacting device 2, particularly convenient charging of a traction battery of an electric vehicle can be implemented, in which the driver or user after parking the motor vehicle, for example over a floor unit of the external charging device and, if necessary, by pushing of the charging process, no further steps have to be taken, as the system does this automatically and independently.
  • the proposed technical solution can also be used to achieve automatic, independent disconnection, which is carried out, for example, when the actual charging process has ended, i.e. the traction battery is sufficiently or fully charged again, or is triggered, for example, by opening the motor vehicle or entering the interior of the motor vehicle or switching on the motor vehicle.
  • a user does not need to take any active steps to disconnect the existing contacting of the charging device.
  • the user specifies active disconnection by means of a corresponding disconnection command.
  • the alignment of the contacting device 2, in particular an adjustment around the Z-axis, and the contacting or plugging process within and with technical means of the vehicle unit 1 take place external device such as a robotic arm.
  • the forces on the external device are reduced, which supports the lightweight construction of the charging system.
  • the contacting device 2 is locked by the hooks 73a and 74a, preferably in the Z direction, as a result of which loosening from outside is prevented. In this way, the charging process can be carried out particularly reliably and safely.
  • the cover 3 is preferably designed as a rotary flap. This implements a structurally simple, reliable and robust system. Furthermore, a seal against moisture, for example, can be easily implemented in this way. In addition, the cover 3 can be locked synergistically by the actuator 72 and, if necessary, using the 4-joint kinematics 71.

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Abstract

Fahrzeugeinheit (1) zur Montage in einem Elektrofahrzeug, vorzugsweise in einem Unterboden des Elektrofahrzeugs, und zur elektrischen Kontaktierung einer externen Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie des Elektrofahrzeugs, wobei die Fahrzeugeinheit (1) aufweist: einen Ladeanschluss (4) zur Kontaktierung einer Kontaktierungseinrichtung (2) der externen Ladevorrichtung in einer Kontaktlage; und einen Kontaktierungsmechanismus (7), der eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung (2) aus einer Zentrierlage, in der die Kontaktierungseinrichtung (2) vom Ladeanschluss (4) getrennt ist, entlang einer Trajektorie in einer X/Y-Ebene in die Kontaktlage zu überführen.

Description

Fahrzeugeinheit mit einem Ladeanschluss und Ladesystem zum Laden einer Batterie eines
Elektrofahrzeugs
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugeinheit sowie ein Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie eines mit einem Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb, beispielsweise Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Brennstoffzellen, sind hinsichtlich vieler technischer Aspekte Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung. Die zum Antrieb des Elektromotors benötigte Energie wird in einer Traktionsbatterie gespeichert.
Zum externen Laden von Traktionsbatterien bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb wird eine Kontaktierung des Fahrzeugs mit einer Ladevorrichtung, beispielsweise einer Ladesäule oder einer sogenannten Wallbox, hergestellt, indem der Benutzer ein Ladekabel mit Stecker von der Ladevorrichtung zum Fahrzeug führt und dort den Stecker in eine passende fahrzeugseitige Buchse einsteckt. Anschließend startet der Benutzer den Ladevorgang.
Mit einem solchen manuellen Ladevorgang sind verschiedene Nachteile verbunden. So benötigt die Ladevorrichtung mit Ladekabel Platz, der nicht anderweitig genutzt werden kann. Von einer Wallbox, beispielsweise, die an der Wand einer Garage installiert ist, erstreckt sich das Ladekabel zum Fahrzeug, blockiert gegebenenfalls einen Durchgang und kann so eine Stolperfalle bilden. Weiterhin ist das manuelle Verbinden des Ladekabels mit dem Fahrzeug und Bedienen der Ladevorrichtung lästig und fehleranfällig. Es kann Vorkommen, dass das Verbinden des Fahrzeugs zum Laden oder gar Trennen des Ladekabels vor dem Losfahren vom Benutzer vergessen wird.
Es gibt daher Bestrebungen, die Kontaktierung mit der Ladevorrichtung zum Laden des Fahrzeugs zu automatisieren. Hierzu sind unterschiedliche Konzepte in der Erprobung, wobei beispielsweise wandgebundene automatische Kontaktierungsvorrichtungen vorgeschlagen wurden, die ein Ladekabel automatisch/mechanisch in eine fahrzeugseitige Buchse einstecken. Dies kann beispielsweise über einen Scherenarm erreicht werden.
Weiterhin sind Kontaktierungsvorrichtungen bekannt, die auf oder in dem Boden eines Stellplatzes angeordnet sind. In diesem Fall wird das Fahrzeug auf einen mit einer solchen Ladevorrichtung ausgestatteten Stellplatz gefahren und über der Kontaktierungsvorrichtung zum Stehen gebracht. Anschließend findet automatisch eine Kontaktierung des Fahrzeugs über eine Hubvorrichtung von unten her statt. Die Hubvorrichtung führt einen Stecker von unten in eine Buchse, die im Unterboden des Fahrzeugs installiert ist, ein.
Da jedoch eine präzise Parkposition des Fahrzeugs im Allgemeinen nicht gewährleistet werden kann, muss eine automatische Zentrierung des Steckers von der bodenseitigen Ladevorrichtung erfolgen. Ferner sind die Kontakte der im Unterboden des Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugeinheit sowie die Kontakte der bodenseitigen Ladevorrichtung starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, wie etwa Steinschlag, Verschmutzung und Spritzwasser, was leicht zu Beschädigungen führen kann.
Die DE 102018205 594 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Kontaktierungseinheit. Die Kontaktierungseinheit umfasst elektrische Kontakte sowie eine verlagerbare Abdeckung, die zwischen einer Schutzstellung, in der sie die elektrischen Kontakte abdeckt, und einer Ladestellung, in der die elektrischen Kontakte von der Fahrzeugumgebung aus zugänglich sind, verlagerbar ist. Die Kontaktierung erfolgt in einer Richtung senkrecht zum Unterboden des Fahrzeugs.
Der in der DE 102018205 594 A1 als „Gegenstück“ bezeichnete Stecker wird über einen Roboterarm zur fahrzeugseitigen Kontaktierungseinheit angehoben. Die kreisförmigen, konzentrischen Kontakte des Steckers sind nach oben hin offen und somit ohne weitere technische Maßnahmen einer starken Verschmutzung ausgesetzt. Darstellung der Erfindung
Ausgehend ven dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vcrliegenden Erfindung, die autcmatische Kcntaktierung einer externen Ladeverrichtung mit einer Fahrzeugeinheit zum Laden eines Elektrofahrzeugs weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Fahrzeugeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sewie einem Ladesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Verteilhafte Weiterbildungen felgen aus den Unteransprüchen, der felgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die Bezeichnung „Elektrofahrzeug“ fungiert hierin als Oberbegriff für Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb, bei denen die für den Fährbetrieb benötigte Energie ausschließlich in einer Traktionsbatterie gespeichert ist, sowie Hybridfahrzeuge aller Art, in denen die Fahrenergie zumindest teilweise in einer extern ladbaren Traktionsbatterie gespeichert ist. Somit fallen hierin beispielsweise Plugin-Hybrid Fahrzeuge ebenso wie Fahrzeuge mit Brennstoffzelle unter die Bezeichnung „Elektrofahrzeug“, sofern die Traktionsbatterie zusätzlich zum Laden über eine Brennstoffzelle auch extern geladen werden kann.
Die Fahrzeugeinheit gemäß der Erfindung ist zur Montage in einem Elektrofahrzeug vorgesehen oder bereits in einem Elektrofahrzeug montiert. Die Fahrzeugeinheit kann hierbei als modulare Baueinheit realisiert oder in das Elektrofahrzeug integriert sein. Vorzugsweise ist die Fahrzeugeinheit im Unterboden des Elektrofahrzeugs montiert oder an bzw. in diesen montierbar, beispielsweise anschraubbar. Die Fahrzeugeinheit dient der elektrischen Kontaktierung einer externen Ladevorrichtung, wie etwa einer im Boden befindlichen Ladestation, zum Laden einer Batterie des Elektrofahrzeugs.
Die Fahrzeugeinheit weist einen Ladeanschluss zur Kontaktierung, insbesondere zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung, einer Kontaktierungseinrichtung der externen Ladevorrichtung auf. Der Zustand, in dem der Ladeanschluss der Fahrzeugeinheit und die externe Kontaktierungseinrichtung in Kontakt stehen, so dass Ladestrom von der externen Ladevorrichtung zur Batterie fließen kann, um diese zu laden, wird hierin auch als „Kontaktlage“ bezeichnet.
Vorzugsweise befinden sich der Ladeanschluss und die Kontaktierungseinrichtung im Kontaktzustand in einer formschlüssigen sowie elektrischen Verbindung. Insbesondere können die Kontaktierungseinrichtung und der Ladeanschluss eine Stecker/Buchse-Verbindung eingehen, um eine zuverlässige Kontaktierung zu gewährleisten. Hierbei fungiert die Kontaktierungseinrichtung vorzugsweise als Stecker, während der Ladeanschluss als Buchse fungiert. Allerdings kann der Formschluss auch andersherum erfolgen. Ferner ist ein Formschluss zwischen Kontaktierungseinrichtung und Ladeanschluss nicht unbedingt erforderlich, wenn in der Kontaktlage ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet ist.
Die Fahrzeugeinheit weist gemäß der Erfindung ferner einen Kontaktierungsmechanismus auf, der eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung aus einer Zentrierlage, in der die Kontaktierungseinrichtung vom Ladeanschluss getrennt ist, entlang einer Trajektorie in einer Ebene, die hierin als „X/Y-Ebene“ bezeichnet sei, in die Kontaktlage zu überführen.
In anderen Worten, Ausgangspunkt ist eine definierte Position der Kontaktierungseinrichtung in der X/Y-Ebene, die etwa mittels einer externen Einrichtung, beispielsweise mittels eines Roboterarms, erzielt wird. Diese definierte Position, in der die Kontaktierungseinrichtung zwar bereits in die Fahrzeugeinheit bzw. eine Ausnehmung derselben eingebracht sein kann, jedoch mit dem Ladeanschluss noch nicht in Kontakt steht, wird hierin als „Zentrierlage“ bezeichnet. Die Zentrierlage bezeichnet somit eine wohldefinierte, räumliche Position der
Kontaktierungseinrichtung; insbesondere die Ausrichtung derselben, d.h. der Winkel um die Achse senkrecht zur X/Y-Ebene, die hierin als „Z-Achse“ bezeichnet sei, darf jedoch unbestimmt sein. Die Überführung der Kontaktierungseinrichtung in den Kontaktzustand erfolgt nun nicht weiter mittels einer externen Einrichtung, sondern wird vom Kontaktierungsmechanismus vorgenommen, der ein Mechanismus der Fahrzeugeinheit ist.
Auf diese Weise ist ein besonders bequemes Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs realisierbar, bei dem der Fahrer nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs etwa über einer Bodeneinheit der externen Ladevorrichtung und gegebenenfalls durch Anstoßen des Ladevorganges keine weiteren Schritte mehr unternehmen muss, da das System dies automatisch und selbstständig vornehmen kann. Es ist insbesondere nicht notwendig, dass der Benutzer des Kraftfahrzeugs zur Kontaktierung der Batterie mit der Ladevorrichtung ein Ladekabel mit einem Stecker von einer Wallbox oder einer Ladesäule zum Kraftfahrzeug führen und den Stecker manuell in eine fahrzeugseitige Ladebuchse einstecken muss, sondern dieser Vorgang erfolgt automatisch.
Gleichermaßen kann so effektiv verhindert werden, dass bei einer noch bestehenden Kontaktierung des Kraftfahrzeugs ein Benutzer, der bereits losfahren möchte, noch einmal aussteigen muss, um die Verbindung zu lösen. Mittels der vorgeschlagenen technischen Lösung kann vielmehr auch ein automatisches, selbstständiges Trennen erreicht werden, das beispielsweise dann durchgeführt wird, wenn der eigentliche Ladevorgang beendet wurde, also die Batterie wieder ausreichend oder vollständig geladen ist, oder aber angestoßen beispielsweise durch Öffnen des Kraftfahrzeugs, Betreten des Innenraums des Kraftfahrzeugs oder Einschalten des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten, ein Benutzer muss zum Trennen der bestehenden Kontaktierung der Ladevorrichtung keine aktiven Schritte unternehmen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Benutzer ein aktives Trennen durch einen entsprechenden Trennbefehl vorgibt.
Die Ausrichtung und Überführung der Kontaktierungseinrichtung in den Kontaktzustand erfolgt hierbei zumindest teilweise innerhalb und mit aktiven technischen Mitteln der Fahrzeugeinheit, d.h. mit technischen Mitteln, die sich an Bord des Fahrzeugs befinden. Diese technische Lösung ist toleranzunempfindlicher, robuster und zuverlässiger als eine vollständige Kontaktierung über eine externe Einrichtung, wie etwa einen Roboterarm. Zudem werden die Kräfte auf die externe Einrichtung verringert, wodurch ein Leichtbau des Ladesystems unterstützt wird.
Vorzugsweise sind Kontakte des Ladeanschlusses, die mit Kontakten der Kontaktierungseinrichtung zum Laden in elektrischen Kontakt zu bringen sind, parallel zurX/Y- Ebene ausgerichtet, wobei die X/Y-Ebene vorzugsweise parallel zum Unterboden des Elektrofahrzeugs verläuft. Allein durch eine solche Ausrichtung ist der Ladeanschluss bereits geschützt und besonders schonend kontaktierbar, da die Kontakte keiner Beanspruchung in der Hubrichtung, d.h. der zur X/Y-Ebene senkrechten Z-Richtung, unterzogen werden. Außerdem wird keine Kraft auf das Kraftfahrzeug in Z-Richtung aufgebracht. Die Kontakte können in der Z-Richtung ferner synergetisch durch Gehäuse- oder Schutzelemente abgeschirmt werden.
Vorzugsweise ist der Ladeanschluss in einer Ausnehmung der Fahrzeugeinheit gelagert, wodurch das Risiko einer Verschmutzung oder Beschädigung durch Umwelt- und Fahreinflüsse weiter reduziert werden kann. Durch die Ausnehmung ist ein Schutz insbesondere dann gegeben, wenn der Ladeanschluss im „Windschatten“ der die Ausnehmung definierenden Wände liegt, so dass im Fährbetrieb Schmutz, Wasser und Steinschlag nicht direkt auf den Ladeanschluss treffen, sondern quasi über diesen hinwegstreichen.
Vorzugsweise weist die Fahrzeugeinheit ein Positionierungselement auf, das eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung während der externen Zufuhr zur Fahrzeugeinheit so zu führen, dass die Kontaktierungseinrichtung in die definierte Zentrierlage gelangt. Das Positionierungselement kann beispielsweise als Zentrierstift ausgebildet sein, der mit einer entsprechenden, vorzugsweise konischen Ausnehmung der Kontaktierungseinrichtung zusammenwirkt. Ziel des Positionierungselements ist es somit, dass die Kontaktierungseinrichtung zuverlässig in die Zentrierlage in der Fahrzeugeinheit gelangt, auch wenn beispielsweise durch veränderliche Parkpositionen des Fahrzeugs oder Ungenauigkeiten bei der Zufuhr durch die externe Einrichtung Positionsabweichungen auftreten. Die Lage der Kontaktierungseinrichtung in der X/Y-Ebene ist damit definiert, die Ausrichtung derselben, d.h. der Winkel um die Z-Achse, darf jedoch unbestimmt sein. Die Zentrierlage der Kontaktierungseinrichtung wird in diesem Fall somit durch Arbeit der oben erwähnten externen Einrichtung, etwa durch einen Roboterarm, und Zusammenwirkung mit dem Positionierungselement erreicht.
Vorzugsweise weist die Fahrzeugeinheit eine Abdeckung zum Abdecken des Ladeanschlusses auf. Die Abdeckung schließt im geschlossenen Zustand bevorzugt im Wesentlichen ebenflächig mit dem Unterboden des Elektrofahrzeugs oder der entsprechenden Wandung, an der sich die Fahrzeugeinheit befindet, ab. Auf diese Weise werden der Ladeanschluss und etwaige weitere Komponenten der Fahrzeugeinheit im Normalzustand, d.h. außerhalb des Ladebetriebs, vor mechanischen äußeren Einflüssen, wie etwa Steinschlag, Schmutz und dergleichen, besonders wirksam geschützt. Die Abdeckung kann mit einer Dichtung versehen sein, um den Ladeanschluss insbesondere gegen Spritzwasser und Feuchtigkeit zu schützen.
Die Abdeckung ist vorzugsweise schwenkbar gelagert, etwa mittels eines Viergelenks, um so aus einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung und vice versa verschwenkt werden zu können. Zur Betätigung kann ein entsprechender Aktuator, vorzugsweise ein Elektromotor oder Servo, mit Übertragungsmechanismus (Ritzel, Gestänge und dergleichen), gemeinsam als „Antrieb“ bezeichnet, vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist der Antrieb für die Abdeckung eine Übertotpunkt-Kinematik auf, womit die Abdeckung ohne gesonderte Verriegelung fest und zuverlässig verschließbar ist.
Vorzugsweise umfasst die Fahrzeugeinheit ein eine Ausnehmung definierendes Gehäuse, die insbesondere länglich ausgebildet sein kann, wobei der Ladeanschluss vorzugsweise in der Ausnehmung an einem Ende derselben so angeordnet ist, dass die Kontakte des Ladeanschlusses parallel zur X/Y-Ebene verlaufen. Mit anderen Worten, der Ladeanschluss kann in einer Ausnehmung in der Fahrzeugeinheit angeordnet sein, wodurch eine besonders geschützte Ausbildung der Fahrzeugeinheit bereitgestellt wird. Durch ein eigenes Gehäuse wird ein modularer Aufbau der Fahrzeugeinheit unterstützt, so dass diese einfach an unterschiedlichen Fahrzeugtypen und Positionen montierbar ist.
Vorzugsweise ist der Kontaktierungsmechanismus eingerichtet, um die Kontaktierungseinrichtung in der Zentrierlage um eine Achse senkrecht zur X/Y-Ebene in eine Richtlage zu drehen, in der die Kontakte der Kontaktierungseinrichtung den Kontakten des Ladeanschlusses zugewandt sind. Somit ist es nicht erforderlich, dass die Kontaktierungseinrichtung von einer externen Einrichtung korrekt ausgerichtet wird, sondern die Ausrichtung, insbesondere Justierung um die Z-Achse, erfolgt gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform innerhalb und mit technischen Mitteln der Fahrzeugeinheit. Diese technische Lösung ist besonders toleranzunempfindlich, robust und zuverlässig.
Vorzugsweise ist der Kontaktierungsmechanismus ferner oder alternativ eingerichtet, um die Kontaktierungseinrichtung aus der Richtlage translatorisch in die Kontaktlage zu überführen. Somit wird der Kontaktierungs- und/oder Steckvorgang innerhalb und mit technischen Mitteln der Fahrzeugeinheit durchgeführt, wodurch die elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Kontaktierungseinrichtung und dem Ladeanschluss besonders definiert und zuverlässig, somit schonend sowie langlebig realisierbar ist.
Vorzugsweise weist der Kontaktierungsmechanismus einen Aktuator sowie eine Kinematik auf, um die Bewegung entlang der Trajektorie in der X/Y-Ebene in die Kontaktlage durchzuführen. Der Aktuator umfasst vorzugsweise einen Elektromotor oder einen Servo. Die Kinematik kann als 4- Gelenk-Kinematik ausgebildet sein, wodurch die erforderliche Bewegung auf maschinenbaulich einfache und zuverlässige Weise erfolgt.
Vorzugsweise weist die Kinematik zumindest einen Ausrichtungsarm, vorzugsweise zwei Ausrichtungsarme, zum Greifen der Kontaktierungseinrichtung in der Zentrierlage auf. Die Ausrichtungsarme können an den entsprechenden Enden jeweils mit einem Haken oder einem anderen Greifmittel ausgestattet sein, um die Kontaktierungseinrichtung mechanisch zu erfassen und deren Position und/oder Lage zuverlässig zu manipulieren. Die Bezeichnung „greifen“ ist hierbei weit auszulegen und muss keine aktive Greifbewegung umfassen. Beispielsweise sind Vorgänge des Einhakens, Einrastens, Einklinkens, Verbindens, Stoßens usw. umfasst.
Vorzugsweise ist der Kontaktierungsmechanismus eingerichtet, um bei Betätigung des Aktuators die Kontaktierungseinrichtung über die Ausrichtungsarme, vorzugsweise über etwaige Haken derselben, zu greifen bzw. zu erfassen und in der Zentrierlage um eine Achse senkrecht zurX/Y- Ebene in die Richtlage zu drehen, und anschließend bei Weiterbetätigung des Aktuators aus der Richtlage translatorisch in die Kontaktlage zu überführen. Auf diese Weise können mehrere Bewegungsformen mittels ein- und desselben Aktuators durchgeführt werden, wodurch sich der Aufbau der Fahrzeugeinheit vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht wird.
Vorzugsweise weist der Kontaktierungsmechanismus einen Schlitten auf, der eingerichtet ist, um bei Weiterbetätigung des Aktuators die Kontaktierungseinrichtung samt Kinematik translatorisch in Kontaktierungsrichtung zu bewegen. Dies stellt eine baulich einfache und zuverlässige technische Lösung bereit, um eine Drehausrichtung der Kontaktierungseinrichtung und eine anschließende translatorische Kontaktierungsbewegung zu implementieren.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs gelöst. Das Ladesystem weist eine Fahrzeugeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorstehenden Beschreibung sowie eine externe Ladevorrichtung zum Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs auf. Die Ladevorrichtung weist die Kontaktierungseinrichtung zur Kontaktierung, insbesondere mechanischen und elektrischen Kontaktierung, mit dem Ladeanschluss der Fahrzeugeinheit und einen externen Bewegungsmechanismus bzw. eine externe Einrichtung zum Überführen der Kontaktierungseinrichtung in die Zentrierlage auf. Die externe Einrichtung kann zu diesem Zweck einen Roboterarm oder einen anderen geeigneten Mechanismus aufweisen, der eine Bewegung der Kontaktierungseinrichtung entlang einer oder mehrerer Freiheitsgrade, insbesondere entlang der Z-Achse, ermöglicht.
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Fahrzeugeinheit beschrieben wurden, gelten analog für das Ladesystem.
Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung eine im Boden angeordnete Bodeneinheit auf, welche die Kontaktierungseinrichtung und den entsprechenden externen Bewegungsmechanismus umfasst. Auf diese Weise kann die Ladevorrichtung auf platzsparende Weise mit einer im Unterboden des Elektrofahrzeugs montierten Fahrzeugeinheit interagieren.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale technisch nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht von unten einer externen Kontaktierungseinrichtung sowie einer Fahrzeugeinheit mit geschlossener Abdeckung;
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht von unten der externen Kontaktierungseinrichtung sowie der Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffneter Abdeckung;
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht von unten der externen Kontaktierungseinrichtung sowie der Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffneter Abdeckung, wobei sich die Kontaktierungseinrichtung in der Zentrierlage befindet; Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht von unten der externen Kontaktierungseinrichtung sowie der Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffneter Abdeckung, wobei sich die Kontaktierungseinrichtung in der Richtlage befindet;
Figur 5 eine schematische perspektivische Ansicht von unten der externen Kontaktierungseinrichtung sowie der Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffneter Abdeckung, wobei sich die Kontaktierungseinrichtung in der Kontaktlage befindet;
Figur 6 eine schematische perspektivische Ansicht von oben der externen Kontaktierungseinrichtung sowie der Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffnetem bzw. transparentem Gehäuse;
Figur 7A eine Draufsicht auf die Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffnetem bzw. transparentem Gehäuse in der Zentrierlage; Figur 7B eine Ansicht der Fahrzeugeinheit von unten gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 in der Zentrierlage;
Figur 8A eine Draufsicht auf die Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffnetem bzw. transparentem Gehäuse in der Richtlage;
Figur 8B eine Ansicht der Fahrzeugeinheit von unten gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 in der Richtlage;
Figur 9A eine Draufsicht auf die Fahrzeugeinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit geöffnetem bzw. transparentem Gehäuse in der Kontaktlage;
Figur 9B eine Ansicht der Fahrzeugeinheit von unten gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 in der Kontaktlage;
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden.
Die Figuren 1 bis 9B zeigen eine Fahrzeugeinheit 1 eines Ladesystems zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs in verschiedenen Zuständen und aus unterschiedlichen Perspektiven. Die Traktionsbatterie und das Elektrofahrzeug sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Fahrzeugeinheit 1 ist fahrzeugseitig montiert bzw. montierbar, vorzugsweise am oder im Unterboden des Fahrzeugs, und sie ist eingerichtet, um für den Ladevorgang der Traktionsbatterie eine externe Kontaktierungseinrichtung 2 zu empfangen und zumindest teilweise selbstständig so auszurichten und/oder zu verfahren, dass ein zuverlässiger elektrischer und vorzugsweise ebenfalls mechanischer Kontakt erzielt wird. Das Laden der Traktionsbatterie erfolgt hierin somit besonders bevorzugt konduktiv.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Fahrzeugeinheit 1 alternativ an anderer Stelle im Elektrofahrzeug montiert sein kann, beispielsweise an einer Fahrzeugseite, etwa im Bereich des Tankeinfüllstutzens eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, oder auch im Bereich des Fahrzeugdachs . In den meisten Figuren ist ebenfalls die externe Kontaktierungseinrichtung 2 gezeigt, die von einer nicht dargestellten externen mechanischen Einheit, beispielsweise einem Roboterarm, zum Heranführen der Kontaktierungseinrichtung 2 an die Fahrzeugeinheit 1 bewegbar ist, etwa translatorisch verfahrbar und/oder drehbar und/oder verschwenkbar.
Die erforderlichen Freiheitsgrade zur ersten, groben Justierung der Kontaktierungseinrichtung 2 durch die externe Einrichtung hängen von der konkreten Ausgestaltung des Systems und Anforderungen an die erforderliche Genauigkeit ab. Im Fall einer bodenseitigen Montage muss die Kontaktierungseinrichtung 2 zumindest relativ zum Fahrzeugboden anhebbar und absenkbar realisiert sein, wobei eine Bewegbarkeit in der dazu senkrechten Ebene vorzugsweise ebenfalls implementiert ist.
Die Achse der Annäherung der Kontaktierungseinrichtung 2 an die Fahrzeugeinheit 1 , d.h. im Fall der bodenseitigen Montage die Achse der Schwerkraftrichtung, sei hierin als Z-Achse definiert. Die dazu senkrechte Ebene sei als X/Y-Ebene bezeichnet.
Die externe Kontaktierungseinrichtung 2 wird mit einem Ladestrom von einer nicht näher dargelegten Ladevorrichtung versorgt, der nach erfolgreicher Kontaktierung mit der Fahrzeugeinheit 1 zum Laden der fahrzeugseitigen Traktionsbatterie an diese geleitet wird.
Die den Ladestrom bereitstellende Ladevorrichtung kann etwa in Form einer Wallbox oder Ladesäule bereitgestellt werden, in der auch die Ladesteuerung vorgesehen ist. Alternativ kann die Steuerung des Ladevorgangs auch fahrzeugseitig mittels einer entsprechenden Elektronik an Bord des Elektrofahrzeugs, über eine App oder auf andere Weise erfolgen.
Das Ladesystem, umfassend zumindest die Fahrzeugeinheit 1 und die externe Kontaktierungseinrichtung 2, dient dazu, eine automatische Kontaktierung mit dem Elektrofahrzeug herzustellen und dann einen Ladevorgang vorzugsweise ebenfalls automatisch zu starten, um die Traktionsbatterie im Elektrofahrzeug zu laden. Dabei soll erreicht werden, dass der gesamte Kontaktierungsvorgang und vorzugsweise Ladevorgang im Wesentlichen automatisch ablaufen, so dass der Fahrer beziehungsweise Benutzer des Elektrofahrzeugs nicht eingreifen muss.
Der Fahrer muss hierfür sein Fahrzeug in einen definierten Kontaktierungsbereich fahren, innerhalb welchem die automatische Kontaktierung ausführbar ist. Im Fall der bodenseitigen Montage genügt es, das Fahrzeug über einer im oder am Boden des Abstellplatzes montierten Bodeneinheit der Ladevorrichtung, welche die vorstehend beschriebene externe Kontaktierungseinrichtung 2 aufweist, abzustellen.
Die Kontaktierung kann nun automatisch oder durch eine Benutzerinteraktion gestartet werden. So kann beispielsweise eine automatische Kommunikation zwischen dem zu ladenden Elektrofahrzeug und der Ladevorrichtung stattfinden, und wenn ein vorgegebener Ladezustand des Elektrofahrzeugs unterschritten ist, wird automatisch ein Kontaktierungs- und Ladevorgang gestartet. Das automatische Kontaktieren und Laden kann allerdings beispielsweise auch so implementiert sein, dass der Fahrer den Ladevorgang aktiv anstößt, dann aber zumindest keine weitere manuelle Interaktion zwischen dem Fahrer und der Ladevorrichtung notwendig ist.
Nachstehend werden der technische Aufbau der Fahrzeugeinheit 1 und der externen Kontaktierungseinrichtung 2 sowie der Kontaktierungsvorgang im Detail mit Bezug auf die Figuren 1 bis 5 beschrieben:
Die Fahrzeugeinheit 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 11 auf, das in einer entsprechenden Aufnahme im Elektrofahrzeug montiert, beispielsweise verschraubt, ist oder darin aufgenommen und montiert werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die Fahrzeugeinheit 1 als modulare Baueinheit realisiert oder mit dem Elektrofahrzeug soweit integriert sein kann, dass beispielsweise ein eigenes Gehäuse 11 verzichtbar ist.
Die Fahrzeugeinheit 1 kann im Unterboden des Elektrofahrzeugs im Wesentlichen ebenflächig integriert sein. Zur Ausbildung der ebenflächigen Integration wird das Gehäuse 11 der Fahrzeugeinheit 1 so weit in das Elektrofahrzeug eingesetzt, dass der nach unten zeigende Boden 11 a des Gehäuses 11 im Wesentlichen eben mit dem Unterboden des Elektrofahrzeugs abschließt.
Eine Befestigung der Fahrzeugeinheit 1 an der Seite oder an/auf dem Dach des Elektrofahrzeugs ist jedoch ebenfalls möglich, jedoch beschränken sich im Weiteren die Ausführungsbeispiele auf eine Montage der Fahrzeugeinheit 1 am oder im Unterboden des Elektrofahrzeugs.
Die Fahrzeugeinheit 1 ist in der Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht von unten dargestellt, wobei eine Abdeckung 3 zur Abdeckung einer in der Figur 2 gezeigten Ausnehmung 6 in geschlossener Stellung zu sehen ist. Die Ausnehmung 6 enthält unter anderem einen Ladeanschluss 4, der für den Ladevorgang mit der externen Kontaktierungseinrichtung 2 in mechanischen und elektrischen Kontakt zu bringen ist. Die Abdeckung 3 ist eingerichtet, um die Ausnehmung 6 und die darin befindlichen Komponenten im Normalzustand, d.h. außerhalb des Ladebetriebs, vor mechanischen äußeren Einflüssen, wie etwa Steinschlag, Schmutz, Feuchtigkeit und dergleichen, zu schützen. Dazu kann zusätzlich eine Dichtung 33 vorgesehen sein, wie aus den Figuren 2 bis 5, 7B, 8B und 9B ersichtlich.
Zu diesem Zweck ist die Abdeckung 3 vorzugsweise schwenkbar gelagert, etwa mittels eines Viergelenks, um so aus einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung und vice versa verschwenkt werden zu können. Ein entsprechender Aktuator 31 , vorzugsweise ein Elektromotor oder Servo, mit Übertragungsmechanismus 32 (Ritzel, Gestänge, Viergelenk und dergleichen) geht aus den Figuren 6, 7A, 8A und 9A hervor.
Weiterhin kann die Abdeckung 3 mittels einer Übertotpunkt-Kinematik des Aktuators 31 und des Übertragungsmechanismus 32 einfach und zuverlässig in der geschlossenen Position gehalten werden, ohne das zusätzliche Mittel zur Verriegelung der Abdeckung 3 erforderlich sind.
Eine Ausführung der Abdeckung 3 mit einem Aktuator bzw. Antrieb, der die Abdeckung translatorisch oder entlang einer anderen Trajektorie aus der geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung und vice versa bewegt, ist ebenfalls möglich.
Eine Lagerung der Abdeckung 3 über ein Viergelenk ist im Vergleich zu einer rein translatorischen Lagerung bei den rauen Bedingungen unter einem Fahrzeug jedoch bevorzugt, da die Abdeckung 3 dann unempfindlicher gegen Verschmutzungen und leichter zu reinigen ist, beispielsweise im Rahmen der regelmäßigen Wartung durch eine Fachwerkstatt.
Vorzugsweise schließt die Abdeckung 3 die Fahrzeugeinheit 1 ebenflächig oder im Wesentlichen ebenflächig ab. Vorzugsweise weist das Gehäuse 11 der Fahrzeugeinheit 1 eine Vertiefung 13 (vgl. Figur 1) auf, in welche sich die Abdeckung 3 beim Öffnen vollständig oder teilweise hineinbewegen kann.
In der Figur 2 ist die Fahrzeugeinheit 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit der Abdeckung 3 in geöffneter Stellung dargestellt. Die Abdeckung 3 wurde teilweise in die dazu vorgesehenen Vertiefung 13 im Gehäuse 11 der Fahrzeugeinheit 1 bewegt.
Durch das Bewegen der Abdeckung 3 zur Seite ist nun die Ausnehmung 6 freigelegt, in welcher der Ladeanschluss 4 und ferner ein Positionierungselement 5 angeordnet sind. Das Positionierungselement 5 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen in Form eines Zentrierstifts ausgebildet. Das Positionierungselement 5 kann aber auch in anderen mechanischen Ausgestaltungen vorgesehen sein - bevorzugt solchen, die einen formschlüssigen Eingriff zwischen der Kontaktierungseinrichtung 2 und dem Positionierungselement 5 ermöglichen. So kann es genügen, die Wandungen der Ausnehmung 6 und der Kontaktierungseinrichtung 2 aufeinander abzustimmen, vorzugsweise eine konische, selbstzentrierende Form zu implementieren.
Die Kontaktierungseinrichtung 2 weist ein in den Figuren nicht näher gezeigtes Gegenstück zum Positionierungselement 5 auf, beispielsweise eine konische Ausnehmung, die mit dem Positionierungselement 5 während des Einbringens der Kontaktierungseinrichtung 2 in die Ausnehmung 6 so zusammenwirkt, dass die Kontaktierungseinrichtung 2 in derX/Y-Ebene korrigiert wird.
Ziel des Positionierungselements 5 ist es, dass die Kontaktierungseinrichtung 2 nach dem Einbringen in die Ausnehmung 6 eine definierte Position erlangt, wie sie in der Figur 3 gezeigt ist. Die räumliche Position der Kontaktierungseinrichtung 2 ist damit wohldefiniert, die Ausrichtung derselben, d.h. der Winkel um die Z-Achse, darf jedoch unbestimmt sein. Dieser in der Figur 3 gezeigte Zustand sei hierin als „Zentrierlage“ bezeichnet, um deutlich zu machen, dass die Kontaktierungseinrichtung 2 nach dem Einbringen durch eine externe Einrichtung in einer definierten, zentrierten Position in der Ausnehmung 6 vorliegt.
Die Zentrierlage der Kontaktierungseinrichtung 2 wird durch die Arbeit der oben erwähnten externen mechanischen Einrichtung (beispielsweise Roboterarm) und Zusammenwirkung mit dem Positionierungselement erreicht. Die weitere Positionierung der Kontaktierungseinrichtung 2 innerhalb der Ausnehmung 6 und schließlich Kontaktierung mit dem Ladeanschluss 4 erfolgen nun allein durch interne Einrichtungen der Fahrzeugeinheit 1 , wodurch diese Bewegungen besonders präzise, schonend und energiesparend durchführbar sind.
Der Ladeanschluss 4 und dessen Kontakte sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass ein Kontaktieren der Kontaktierungseinrichtung 2 mit dem Ladeanschluss 4 ausgehend von der Zentrierlage und ein Trennen in einer Richtung bzw. entlang einer Trajektorie durchgeführt werden können, die in derX/Y-Ebene liegen, d.h. vorzugsweise in einer parallel zum Unterboden des Fahrzeugs liegenden Ebene. Mit anderen Worten, der Ladeanschluss 4 und dessen Kontakte (in den Figuren nicht gezeigt) liegen in einer Ausrichtung parallel zurX/Y-Ebene vor, so dass eine Kontaktierung durch eine translatorische Bewegung in derX/Y-Ebene erreicht werden kann. Zuvor muss jedoch die Winkelausrichtung der Kontaktierungseinrichtung 2 korrigiert werden, wie es aus der Figur 4 hervorgeht. Dieser Zustand sei hierin als „Richtlage“ bezeichnet, um deutlich zu machen, dass die Kontaktierungseinrichtung 2 innerhalb der Ausnehmung 6 so ausgerichtet ist, dass deren Kontakte 21 dem Ladeanschluss 4 und dessen Kontakten zugewandt sind.
Nach der Korrektur der Winkelposition der Kontaktierungseinrichtung 2 in die Richtlage genügt eine translatorische Bewegung auf den Ladeanschluss 4 zu, um eine formschlüssige sowie elektrische Verbindung zwischen beiden herzustellen. Dieser hierin als „Kontaktlage“ bezeichnete Zustand ist in der Figur 5 gezeigt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die Kontaktierungseinrichtung 2 und der Ladeanschluss 4 eine Stecker/Buchse-Verbindung, die neben dem rein elektrischen Kontakt auch einen Formschluss eingehen, um eine zuverlässige Kontaktierung während des Ladevorgangs zu gewährleisten. Vorzugsweise fungiert die Kontaktierungseinrichtung 2 hierbei als Stecker, während der Ladeanschluss 4 als Buchse fungiert. Allerdings kann der Formschluss auch andersherum erfolgen. Ferner ist ein Formschluss zwischen Kontaktierungseinrichtung 2 und Ladeanschluss 4 nicht unbedingt erforderlich, wenn in der Kontaktlage auf andere Weise ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet ist.
Der Ladeanschluss 4 und das Positionierungselement 5 sind in der Ausnehmung 6 geschützt gelagert, so dass das Risiko einer Verschmutzung oder Beschädigung durch Umwelt- und Fahreinflüsse reduziert wird. Ebenso schützt die Ausrichtung der Kontakte sowohl des Ladeanschlusses 4 als auch der Kontaktierungseinrichtung 2 in der X/Y-Ebene vor Beschädigung und Verschmutzung, da diese problemlos in der Z-Richtung durch Gehäuse- oder Schutzelemente abgeschirmt werden können. Durch die Ausnehmung 6 allein ist bereits ein Schutz gegeben, insbesondere dann, wenn der Ladeanschluss 4 im „Windschatten“ der die Ausnehmung 6 definierenden Wände liegt, so dass im Fährbetrieb Schmutz, Wasser und Steinschlag nicht direkt auf den Ladeanschluss 4 treffen, sondern quasi über diesen hinwegstreichen.
Ist die Ausnehmung 6 dann durch die Abdeckung 3 vollständig geschlossen und damit der Ladeanschluss 4 besonders wirksam geschützt, kann eine Verschmutzung während des Fährbetriebs vollständig verhindert und damit die Haltbarkeit und Funktion des Ladeanschlusses 4 über eine lange Zeit aufrecht erhalten werden. Die innerhalb und von der Fahrzeugeinheit 1 vorgenommene interne Überführung der Kontaktierungseinrichtung 2 von der Zentrierlage (Figur 3) in die Richtlage (Figur 4) und schließlich in die Kontaktlage (Figur 5) wurde vorstehend dargelegt. Ein konkreter Mechanismus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Realisierung dieser Bewegungstrajektorie wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren 6 bis 9B erläutert:
Die Figur 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Kontaktierungseinrichtung 2 sowie der Fahrzeugeinheit 1 von schräg oben, wobei das Gehäuse 11 geöffnet bzw. transparent gezeichnet ist, um den Mechanismus zur internen Überführung der Kontaktierungseinrichtung 2 in die Kontaktlage zu zeigen. Dieser Mechanismus ist hierin als „Kontaktierungsmechanismus“ bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Eine Draufsicht auf den Kontaktierungsmechanismus in unterschiedlichen Zuständen ist in den Figuren 7A (Zentrierlage),
8A (Richtlage) und 9A (Kontaktlage) gezeigt.
Die Kontaktierungseinrichtung 2 ist in den Figuren 7A, 8A und 9A nicht sichtbar, da sie sich auf der Unterseite der Fahrzeugeinheit 1 befindet und im Wesentlichen verdeckt ist; die Kontaktierungseinrichtung 2 geht jedoch aus den Figuren 7B, 8B und 9B hervor, welche die Fahrzeugeinheit 1 von unten zeigen, ebenfalls in den unterschiedlichen Zuständen.
Der Kontaktierungsmechanismus 7 umfasst gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine 4- Gelenk-Kinematik 71 sowie einen Aktuator 72, der vorzugsweise ein Elektromotor oder Servo ist.
Die Antriebskraft des Aktuators 72 wird über einen Übertragungsmechanismus, umfassend beispielsweise Ritzel und/oder Gestänge oder dergleichen, auf die 4-Gelenk-Kinematik 71 übertragen.
Die 4-Gelenk-Kinematik 71 weist zwei Ausrichtungsarme 73 und 74 mit Haken 73a und 74a an deren Enden auf. Die Ausrichtungsarme 73 und 74 gehen am besten aus den Figuren 8A und 9A hervor, welche den Kontaktierungsmechanismus 7 in der Richtlage (Figur 8A) und der Kontaktlage (Figur 9A) zeigen. In gleicher Systematik zeigen die Figuren 8B und 9B die Fahrzeugeinheit 1 von unten im Zustand der Richtlage und Kontaktlage.
Die Ausrichtungsarme 73 und 74 mit Haken 73a und 74a dienen zum Greifen, Ausrichten und Kontaktieren sowie gegebenenfalls Verriegeln der Kontaktierungseinrichtung 2.
Der Aktuator 72 startet den Kontaktierungsvorgang, wobei als erstes die 4-Gelenk-Kinematik 71 ausgelöst wird, welche die zentrierte Kontaktierungseinrichtung 2 über die Haken 73a und 74a greift und ausrichtet, wie es aus einem Vergleich der Figuren 7B und 8B hervorgeht. Die Ausrichtung ist eine Justierung bzw. Drehung der Kontaktierungseinrichtung 2 in der X/Y-Ebene um die Z-Achse.
Die Ausrichtung der Kontaktierungseinrichtung 2 ist nach dem Eingriff beider Haken 73a und 74a in entsprechende Ausnehmungen, Hinterschnitte oder dergleichen der Kontaktierungseinrichtung 2 und anschließender Betätigung der 4-Gelenk-Kinematik 71 erfolgt.
Anschließend wird ein Schlitten 75 samt 4-Gelenk-Kinematik 71 durch die weitere Bewegung des Aktuators 72 in Kontaktierungsrichtung bzw. Steckrichtung, d.h. translatorisch in derX/Y-Ebene, bewegt. Die anschließende Freigabe des Schlittens 75 erfolgt entweder durch eine Kulissensteuerung oder mittels einer Feder, wobei die Federkraft größer sein muss als die für die 4- Gelenk-Kinematik 71 benötigte Kraft.
Gemäß dem vorstehend dargelegten Ladesystem, umfassend zumindest die Fahrzeugeinheit 1 und Kontaktierungseinrichtung 2, ist ein besonders bequemes Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs realisierbar, bei dem der Fahrer bzw. Benutzer nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs, etwa über einer Bodeneinheit der externen Ladevorrichtung und gegebenenfalls durch Anstoßen des Ladevorgangs, keine weiteren Schritte mehr unternehmen muss, da das System dies automatisch und selbstständig vornimmt.
Es ist insbesondere nicht notwendig, dass der Benutzer des Kraftfahrzeugs zur Kontaktierung der T raktionsbatterie mit einer Ladevorrichtung ein Ladekabel mit einem Stecker von einer Wallbox oder einer Ladesäule zum Kraftfahrzeug führen und den Stecker manuell in eine fahrzeugseitige Ladebuchse einstecken muss, sondern dieser Vorgang erfolgt automatisch.
Gleichermaßen kann so effektiv verhindert werden, dass bei noch bestehender Kontaktierung des Kraftfahrzeugs ein Benutzer, der bereits losfahren möchte, noch einmal aussteigen muss, um die Verbindung zu lösen. Mittels der vorgeschlagenen technischen Lösung kann vielmehr auch ein automatisches selbstständiges Trennen erreicht werden, das beispielsweise dann durchgeführt wird, wenn der eigentliche Ladevorgang beendet wurde, also die Traktionsbatterie wieder ausreichend oder vollständig geladen ist, oder aber angestoßen beispielsweise durch Öffnen des Kraftfahrzeugs, Betreten des Innenraums des Kraftfahrzeugs oder Einschalten des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten, ein Benutzer braucht auch zum Trennen der bestehenden Kontaktierung der Ladevorrichtung keine aktiven Schritte unternehmen. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass der Benutzer ein aktives Trennen durch einen entsprechenden Trennbefehl vorgibt. Gemäß den vorstehend dargelegten Ausführungsbeispielen erfolgt die Ausrichtung der Kontaktierungseinrichtung 2, insbesondere eine Justierung um die Z-Achse, sowie der Kontaktierungs- bzw. Steckvorgang innerhalb und mit technischen Mitteln der Fahrzeugeinheit 1. Diese Lösung ist toleranzunempfindlicher, robuster und zuverlässiger als eine Ausrichtung über eine externe Einrichtung, wie etwa einen Roboterarm. Zudem werden die Kräfte auf die externe Einrichtung gesenkt, wodurch ein Leichtbau des Ladesystems unterstützt wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Kontaktierungseinrichtung 2 durch die Haken 73a und 74a verriegelt, vorzugsweise in Z-Richtung, wodurch ein Lösen von außerhalb unterbunden wird. Auf diese Weise kann der Ladevorgang besonders zuverlässig und sicher durchgeführt werden.
Die Abdeckung 3 ist vorzugsweise als Drehklappe ausgebildet. Dadurch wird ein baulich einfaches, zuverlässiges und robustes System implementiert. Ferner ist auf diese Weise eine Abdichtung etwa gegen Feuchtigkeit einfach realisierbar. Zusätzlich kann eine Verriegelung der Abdeckung 3 synergetisch durch den Aktuator 72 sowie gegebenenfalls unter Verwendung der 4-Gelenk- Kinematik 71 realisiert werden.
Soweit anwendbar können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
1 Fahrzeugeinheit
11 Gehäuse
11 a Boden des Gehäuses 13 Vertiefung
2 Kontaktierungseinrichtung
21 Kontakte
3 Abdeckung
31 Aktuator 32 Übertragungsmechanismus
33 Dichtung
4 Ladeanschluss
5 Positionierungselement
6 Ausnehmung 7 Kontaktierungsmechanismus
71 4-Gelenk-Kinematik
72 Aktuator
73 Ausrichtungsarm
73a Haken 74 Ausrichtungsarm
74a Haken

Claims

Ansprüche
1. Fahrzeugeinheit (1) zur Montage in einem Elektrofahrzeug, vorzugsweise in einem Unterboden des Elektrofahrzeugs, und zur elektrischen Kontaktierung einer externen Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie des Elektrofahrzeugs, wobei die Fahrzeugeinheit (1) aufweist: einen Ladeanschluss (4) zur Kontaktierung einer Kontaktierungseinrichtung (2) der externen
Ladevorrichtung in einer Kontaktlage; und einen Kontaktierungsmechanismus (7), der eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung (2) aus einer Zentrierlage, in der die Kontaktierungseinrichtung (2) vom Ladeanschluss (4) getrennt ist, entlang einer Trajektorie in einer X/Y-Ebene in die Kontaktlage zu überführen.
2. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte des
Ladeanschlusses (4), die mit Kontakten (21) der Kontaktierungseinrichtung (2) in elektrischen Kontakt zu bringen sind, parallel zur X/Y-Ebene ausgerichtet sind, wobei die X/Y-Ebene vorzugsweise parallel zum Unterboden des Elektrofahrzeugs verläuft.
3. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Positionierungselement (5), bevorzugt als Zentrierstift ausgebildet, aufweist, das eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung (2) während einer Zufuhr zur Fahrzeugeinheit (1) mittels einer externen Einrichtung, vorzugsweise mittels eines Roboterarms, so zu führen, dass die Kontaktierungseinrichtung (2) in die wohldefinierte Zentrierlage gelangt.
4. Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Abdeckung (3) zum Abdecken des Ladeanschlusses (4) aufweist, wobei die
Abdeckung (3) im geschlossenen Zustand vorzugsweise im Wesentlichen ebenflächig mit dem Unterboden des Elektrofahrzeugs abschließt.
5. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (3) durch einen Antrieb (31 , 32) zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position bewegbar, vorzugsweise schwenkbar, ist.
6. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (31 , 32) für die Abdeckung (3) eine Übertotpunkt-Kinematik aufweist, womit die Abdeckung (3) im geschlossenem Zustand fest verschlossen werden kann.
7. Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugeinheit (1) ein eine Ausnehmung (6), vorzugsweise längliche Ausnehmung (6), definierendes Gehäuse (11) umfasst, und der Ladeanschluss (4) so in der Ausnehmung (6) an einem Ende derselben angeordnet ist, dass die Kontakte des Ladeanschlusses (4) parallel zur X/Y-Ebene verlaufen.
8. Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsmechanismus (7) eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung (2) ausgehend von der Zentrierlage um eine Achse senkrecht zur X/Y-Ebene in eine Richtlage zu drehen, in der die Kontakte (21) der Kontaktierungseinrichtung (2) den Kontakten des Ladeanschlusses (4) zugewandt sind.
9. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsmechanismus (7) eingerichtet ist, um die Kontaktierungseinrichtung (2) aus der Richtlage translatorisch in die Kontaktlage zu überführen.
10. Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsmechanismus (7) einen Aktuator (72), vorzugsweise umfassend einen Elektromotor oder einen Servo, sowie eine Kinematik, vorzugsweise als 4-Gelenk-Kinematik (71) ausgebildet, aufweist.
11. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematik zumindest einen Ausrichtungsarm (73), vorzugsweise zwei Ausrichtungsarme (73, 74), zum Greifen der Kontaktierungseinrichtung (2) in der Zentrierlage aufweist.
12. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 8, 9 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsmechanismus (7) eingerichtet ist, um bei Betätigung des Aktuators (72) die Kontaktierungseinrichtung (2) über die Ausrichtungsarme (73, 74), vorzugsweise über Haken (73a, 74a) derselben, zu greifen und aus der Zentrierlage um eine Achse senkrecht zur X/Y- Ebene in die Richtlage zu drehen, und anschließend bei Weiterbetätigung des Aktuators (72) aus der Richtlage translatorisch in die Kontaktlage zu überführen.
13. Fahrzeugeinheit (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsmechanismus (7) einen Schlitten (75) aufweist, der eingerichtet ist, um bei der Weiterbetätigung des Aktuators (72) die Kontaktierungseinrichtung (2) samt Kinematik translatorisch in Kontaktierungsrichtung zu bewegen.
14. Ladesystem mit einer Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche und einer externen Ladevorrichtung zum Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs, wobei die Ladevorrichtung die Kontaktierungseinrichtung (2) zur Kontaktierung mit dem Ladeanschluss (4) der Fahrzeugeinheit (1) und einen externen Mechanismus, vorzugsweise umfassend einen Roboterarm, zum Überführen der Kontaktierungseinrichtung (2) in die Zentrierlage aufweist.
15. Ladesystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung eine im Boden angeordnete Bodeneinheit, welche die Kontaktierungseinrichtung (2) umfasst, aufweist und die Fahrzeugeinheit (1) im Unterboden des Elektrofahrzeugs montiert oder montierbar ist.
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