WO2021260132A1 - Fahrzeugeinheit, bodeneinheit und verfahren zum laden einer batterie eines elektrofahrzeugs - Google Patents

Fahrzeugeinheit, bodeneinheit und verfahren zum laden einer batterie eines elektrofahrzeugs Download PDF

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WO2021260132A1 PCT/EP2021/067384 EP2021067384W WO2021260132A1 WO 2021260132 A1 WO2021260132 A1 WO 2021260132A1 EP 2021067384 W EP2021067384 W EP 2021067384W WO 2021260132 A1 WO2021260132 A1 WO 2021260132A1
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contact head
unit
vehicle
receptacle
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Thomas Podolski
Harald Bachmann
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Webasto SE
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a charging device for charging a battery of an electric vehicle, in particular for charging a traction battery of a motor vehicle driven by an electric motor, for example a vehicle driven exclusively by an electric motor or a plug-in hybrid vehicle, in particular for automatically connecting the electric vehicle to the charging infrastructure automatic charging of this traction battery.
  • Pure electric vehicles or hybrid vehicles which have both an internal combustion engine and an electric motor for driving, are equipped with a traction battery.
  • the traction battery stores energy for driving the respective electric motor and thus for moving the vehicle.
  • the charging cable is connected to a charging socket on the electric vehicle manually.
  • the manual connection of a charging cable to a charging socket on the electric vehicle is cumbersome, which is why various options for automatic charging are proposed in which manual insertion of the plug arranged on a charging cable into the charging socket is no longer necessary.
  • the electric vehicle can be charged inductively, i.e. wirelessly.
  • inductive charging processes are associated with high losses, this process is only attractive under strict conditions.
  • charging sockets for establishing a manual connection are usually arranged on the side, front or rear of the electric vehicle so that they can be easily reached by the respective user.
  • the charging socket should be placed in the area of the roof or in the underbody of the electric vehicle.
  • the charging socket on the underbody of the electric vehicle appears to be particularly advantageous, since the floor unit with the power connection in the floor can be arranged so that it can be driven over, e.g. in a parking space or in a garage, so that the electric vehicle can park above the floor unit.
  • the electrical connection is then established automatically by means of a robot arm or a lifting device arranged on the floor and connected to the power source. This saves space and is practical, as there is no cable or robotic arm preventing free access around the vehicle while it is charging.
  • the electrical contacts of the charging socket are open in a vertical direction towards the floor. Correspondingly, contact is made in the vertical direction.
  • the contacts of the base unit and the contacts of the charging socket in the vehicle unit are exposed to mechanical damage from falling rocks, dirt and splashing water.
  • DE 102014200290 A1 discloses a charging device for automatically charging an electric vehicle, the vehicle unit having a displaceable connection device with downwardly directed contact elements which can be contacted from below with a lifting device.
  • a displaceable connection device is provided in the vehicle unit.
  • contact elements are arranged concentrically on the contact head of the floor unit.
  • DE 102014226357 A1 discloses a device for automatically charging an electric vehicle by means of a charging robot.
  • the charging robot comprises a contact head with circular depressions, in each of which an electrical contact can be arranged, as a result of which the contact head is designed to be rotationally symmetrical.
  • the recesses in the contact head can also be designed as segments of a circle. In this way, several contacts can be arranged within a circumference.
  • WO16119001 A1 a plug connection for connecting electrical lines, consisting of a male connecting element and a female connecting element, which can be releasably connected to one another in a force-fitting manner, is disclosed.
  • the contacts of the male connecting element are formed coaxially and are displaceable so that they are arranged in a first position within and in a second position protruding from the male connecting element.
  • a vehicle unit for charging a battery of an electric vehicle comprising a receptacle which is designed and set up to receive a contact head of a floor unit inserted in an insertion direction, and contact elements for establishing an electrical connection with contacts of the contact head, the contact elements for establishing the electrical connection with the contact head can be moved in a plane perpendicular to the direction of insertion.
  • the vehicle unit is designed such that, in order to charge a battery of an electric vehicle, a contact head of a floor unit is first inserted into the vehicle unit in an insertion direction. Then contact elements of the vehicle unit are moved towards the contact head, whereby the contact between the contact elements and the contacts on the contact head takes place. The movement of the contact elements takes place in a plane perpendicular to the direction of insertion of the contact head.
  • This connection of the contact head in a plane perpendicular to the insertion direction can ensure that the contacts on the contact head also run in a plane perpendicular to the insertion direction, or are freely accessible from the side of the contact head.
  • the contacts are thus particularly protected and the contacting does not have to be effected, as in the prior art, by means of a vertical contact pressure on a corresponding contact head Counter contacts can be achieved. Rather, particularly reliable contact can be achieved through the quasi-radial contacting, which results in one-sided, two-sided or multiple-sided clamping of the contacts.
  • the plane perpendicular to the insertion direction is also the plane parallel to the underbody of the vehicle.
  • An electric vehicle can preferably be a motor vehicle with a purely electric drive or a plug-in hybrid vehicle in which the energy required for the electric ferry operation is stored in a battery of the electric vehicle, also known as a traction battery.
  • At least one contact element is preferably arranged on a contact arm and the contact arm is set up and designed so that a movement of the contact arm in a movement of the contact element into or out of the receptacle in a plane perpendicular to Insertion direction of the contact head results.
  • the contact arms can be arranged to be movable in a plane perpendicular to the direction of insertion, e.g. in the underbody of the electric vehicle parallel to its underbody.
  • An arrangement of the contact arms in a plane parallel to the insertion direction is also possible, as well as an arrangement of the contact arms in any other orientation.
  • the movement of the contact arms can for example be provided in a translatory or rotary manner. Regardless of the alignment and movement of the contact arms, the contact between the contacts on the contact head and the contact elements always takes place in a plane perpendicular to the direction of insertion of the contact head.
  • a first contact arm and a second contact arm are provided, on each of which several, preferably three, contact elements are arranged.
  • the number of contact elements on each contact arm can be less or more than three. An asymmetrical distribution of the contact elements on the first and second contact arm is also possible.
  • the total number of contacts required for the vehicle unit depends on the type of charging process, charging power, etc., e.g. whether charging with AC voltage is single-phase or three-phase or with DC voltage or in combination.
  • first contact arm and the second contact arm are connected to one another by means of kinematics, preferably by means of rotary lock kinematics, the kinematics enabling the contact elements to be moved in and out of the receptacle of the vehicle unit.
  • the kinematics are designed, for example, as rotary lock kinematics, a symmetrical construction of the contact arms is made possible, which ensures that all contact elements contact the contact head simultaneously and symmetrically. In this way, a particularly reliable contact can be achieved, because the contact arms then, for example, carry out a clamp movement which can also compensate for a possible deviation of the position of the contact head from the intended position.
  • the vehicle unit is preferably installed in the underbody of the electric vehicle and the contact arms clasp the contact head from above, i.e. in a plane perpendicular to the underbody of the vehicle or laterally, i.e. in a plane parallel to the underbody of the vehicle - depending on the respective direction of insertion of the contact head.
  • the contact head is preferably inserted into the vehicle unit from below in a direction perpendicular to the underbody. Since the contacts are freely accessible on the side of the contact head and are not directed upwards, this provides better protection against contamination for the contacts, since water, snow and mud falling from the sub-floor cannot directly reach the contacts during contacting.
  • the receptacle is defined by a housing which has at least one recess, in particular two recesses, through which the contact elements for establishing the electrical connection with the contacts of the contact head can pass.
  • the contact elements are well protected from dirt and mechanical damage, since they are not in operation inside the vehicle unit and are only moved into the receptacle when loading. Furthermore, only the contact elements move into the Recording in, so that the other components of the vehicle unit are well protected from the environment.
  • a centering device for positioning the contact head is preferably placed in the receptacle, the centering device, preferably the pin, preferably extending in the insertion direction.
  • the centering device preferably the pin, prevents a translational movement of the contact head in the plane perpendicular to the direction of insertion. This ensures precise and symmetrical contact.
  • the receptacle is particularly preferably designed to be essentially rotationally symmetrical, preferably cylindrical, the axis of symmetry, preferably the cylinder axis, extending in the insertion direction.
  • a rotationally symmetrical design can thus be achieved, which results in a high degree of flexibility with regard to the orientation of the contact head during insertion.
  • a cover is preferably provided for covering the receptacle, the cover preferably being designed as a flap with a pivot axis. This enables even better protection for the contact elements to be achieved, by means of which a robust and durable vehicle unit can be constructed.
  • the cover preferably has at least one, preferably two, locking hooks which can be locked by means of the kinematics when the cover is closed with a fixing element arranged on a contact arm. In this way, a reliable locking and also a higher sealing contact pressure of the cover can be achieved in order to reliably ensure a weatherproof cover.
  • an alternative or additional cover is provided, by means of which the at least one recess, which is defined in the receptacle of the housing, in order to allow the contact elements to pass through, can be covered. Reliable protection of the contact elements can also be achieved in this way.
  • the contact elements are never exposed unprotected, since they are either protected by the additional cover or by the inserted contact head.
  • the first cover by means of which the receptacle is closed, can first be opened and then the contact head can be inserted into the receptacle. After the contact head in the receptacle has been inserted, the cover which covers the recesses is first opened, in order then to enable the contact elements to enter the receptacle in this way. This provides complete protection against contact for the contact elements and operational reliability can be increased even further.
  • a floor unit is proposed with a contact head arranged on a lifting device, preferably on a robot arm, for charging a battery of an electric vehicle, the contact head being insertable in an insertion direction into a receptacle of a vehicle unit and having contacts which are used to establish an electrical connection with contact elements the vehicle unit are provided.
  • the contacts of the contact head are designed and set up in such a way that they can be contacted in a plane perpendicular to the direction of insertion.
  • a floor unit that matches the vehicle unit can be specified, in which the contacting of the contacts of the contact head perpendicular to the direction of insertion enables a particularly robust design in which the contacts are well protected against external influences.
  • the contacts in positions that are perpendicular to the direction of insertion, it can be achieved that contamination or collisions resulting in the direction of insertion do not affect the contacts.
  • the contact head is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, and the axis of symmetry, preferably the cylinder axis, extends in the insertion direction.
  • a rotationally symmetrical connection of the contact head to the vehicle unit can thus be guaranteed, so that no high demands have to be made on the rotational positioning of the contact head.
  • a conical configuration of the contact head can also be provided, for example. Further rotationally symmetrical configurations are conceivable.
  • the contacts of the contact head are preferably arranged one above the other in the insertion direction in the jacket of the rotationally symmetrical contact head, preferably in the cylinder jacket, with three or six contacts preferably being arranged one above the other in a ring.
  • the contacts can also be designed in grooves offset inwards, so that special protection can be achieved in the insertion direction.
  • the contacts can also preferably each extend only in one half of the jacket of the rotationally symmetrical contact head, preferably the cylinder jacket, the contacts preferably each in a segment of a circle that is less than 180 degrees and preferably greater than 90 degrees, preferably 150 degrees, get lost. This makes it possible to form at least two different contacts per ring.
  • more than two circular sections can also be provided, or the contacts can also extend around the entire jacket.
  • the contact head can be designed as a horizontal cylinder, the contacts of the contact head then running coaxially and being open on the side so that they can be electrically connected laterally to the contact elements of the vehicle unit.
  • the contact head is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, with several, preferably three contacts being arranged concentrically one above the other on each half of the contact head lying around the vertical axis in order to ensure a connection of the contact head in the vehicle unit in a plane perpendicular to the direction of insertion.
  • This design of the contact head corresponds to the vehicle unit described above with two symmetrically arranged contact arms each with three contact elements.
  • a method for automatic charging according to claim 16 comprising the steps of providing a vehicle unit with a receptacle and movable contact elements, which is mounted in the underbody of the electric vehicle, and providing a floor unit with a contact head. Furthermore, according to the method, the contact head of the floor unit is inserted into the receptacle of the vehicle unit in an insertion direction and the contact elements are moved in a plane perpendicular to the insertion direction in order to establish an electrical connection between the contact head and the vehicle unit.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a vehicle unit from below with a cover in a closed position
  • Figure 2 is a schematic perspective view of the vehicle unit from Figure 1, in which the cover is shown in an open position
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration of contact arms for contacting a contact head which can be accommodated therebetween, a surrounding housing having been omitted in the illustration
  • FIG. 4a a schematic perspective illustration of the contact arms in an open position
  • FIG. 4b shows a schematic perspective illustration of the contact arms in a closed position
  • FIG. 5a shows a schematic plan view of the contact arms in an open position, in which an introduction of a contact head is made possible
  • Figure 5b is a schematic plan view of the contact arms in a closed position
  • FIG. 6 shows a schematic perspective illustration of a contact head of a floor unit, which can be received in a receptacle of the vehicle unit, wherein the contacts of the contact head can be contacted by means of the contact arms of the vehicle unit Contact head carries,
  • FIG. 8 shows a schematic perspective illustration of the loading device from below, the robot arm of the floor unit carrying the contact head having inserted the contact head into the open receptacle of the vehicle unit and correspondingly the floor unit being connected to the vehicle unit,
  • FIG. 9a shows a schematic perspective illustration of the contact arms and the contact head in an open position
  • FIG. 9b shows a schematic perspective illustration of the contact arms and the contact head in a closed position, in which contact is made between the contacts of the contact head and the contacts of the contact arms
  • FIG. 10a a schematic side view of the contact arms and the contact head in an open position
  • FIG. 10b shows a schematic side view of the contact arms and the contact head in a closed position
  • FIG. 11 shows a schematic perspective illustration of a contact head in a further embodiment with six contacts arranged one above the other and a corresponding contact arm
  • FIG. 12 shows a schematic perspective illustration of a contact head in a further embodiment in the form of a lying cylinder and a corresponding contact arm.
  • a vehicle unit 1 with a housing 10 is shown in a schematic perspective view from below.
  • the vehicle unit 1 is set up to be arranged in an electric vehicle, the vehicle unit 1 being provided to be arranged in or on the underbody of the electric vehicle.
  • the vehicle unit can also be arranged in other positions of the electric vehicle.
  • An electric vehicle is understood to mean any vehicle that has a traction battery that can be charged externally - that is, in addition to purely electric vehicles, for example also plug-in hybrid vehicles.
  • the vehicle unit 1 is used for external charging of a traction battery arranged in the electric vehicle. To enable the charging current supply, the Vehicle unit 1 can be connected to a floor unit 6 indicated schematically in FIG. 7, for example.
  • the floor unit 6 is connected to the power grid via appropriate conditioning devices, monitoring devices and / or charging controls, so that the correspondingly conditioned, monitored and controlled charging current can be supplied to the vehicle unit 1 via the floor unit 6, so that when there is contact between the floor unit 6 and the Vehicle unit 1 to carry out the charging process of the traction battery arranged in the electric vehicle.
  • the means for providing, conditioning, monitoring and controlling a corresponding charging current are known per se.
  • the vehicle unit 1 and the floor unit 6 together form a charging device 100.
  • the vehicle unit 1 provides the function of a charging socket and the base unit 6 provides the function of a plug.
  • the floor unit 6 and the vehicle unit 1 can be achieved.
  • the charging device 100 is used to establish automatic mechanical and electrical contact between the power supply and the traction battery in the electric vehicle so that the charging process can then be started in order to charge the traction battery in the electric vehicle.
  • the charging device 100 By means of the charging device 100, it can be achieved that both the entire mechanical and electrical contacting process, the charging process and, after completion of the charging process, the releasing of the mechanical and electrical contacting run essentially automatically, so that the user or driver of the electric vehicle does not or only has to intervene initiate the process, but do not need to take any further action afterwards.
  • the user only has to position the electric vehicle above a floor unit arranged on the floor of the parking space for the electric vehicle and park it there.
  • the remaining steps of the mechanical and electrical contacting process as well as the charging process then take place without any further activities on the part of the user.
  • automatic communication can take place between the electric vehicle to be charged and the charging device and, for example, if a predetermined one
  • the charging status of the electric vehicle is not reached, a charging process is started automatically. It can, however, also be provided that the user actively initiates the charging process, but then at least no further manual interaction between the user and the charging device is necessary.
  • the ground unit then uses a contacting method described below to establish physical contact with the electric vehicle in order to be able to provide a charging current for charging the traction battery of the electric vehicle in this way.
  • a contact head of the floor unit is connected to one or more contact arms of the vehicle unit and an electrical contact is established in this way. Accordingly, a particularly convenient operation of an electric vehicle provided with an electric motor and an associated traction battery can be made possible by means of the charging device, in which the user does not have to take any further steps after parking the electric vehicle above the floor unit and possibly initiating the charging process, since the charging device does this automatically and independently.
  • the proposed charging device can also prevent a user from wanting to drive off while the electric vehicle is still in contact and then having to get out again in order to then inadvertently disconnect the connection. Rather, the proposed charging device 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 completely filled again, or triggered, for example, by opening the electric vehicle or entering the interior of the Electric vehicle or switching on the "ignition" of the electric vehicle. In other words, a user does not have to take any active steps to disconnect the existing contacting of the charging device. However, it can also be provided that the user specifies active disconnection by means of a corresponding disconnection command.
  • the vehicle unit 1 can be integrated in the underbody of the electric vehicle in order to be automatically contacted by a floor unit 6 integrated in the floor.
  • the vehicle unit 1 can also be fastened to the side or on / on the roof of the electric vehicle, but the exemplary embodiments are limited in the following 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 view from below, a cover 2 for covering a receptacle 3 shown in FIG. 2, which is designed and set up to accommodate a contact head 5 shown for example in FIG. 6, can be seen in a closed position is.
  • the cover 2 is arranged to be pivotable about a pivot axis 20 mounted close to the underbody, in order to be able to move from an open position to a closed position.
  • the cover 2 preferably closes off the vehicle unit 1 in a planar manner.
  • the vehicle unit 1 is particularly preferably integrated into the underbody of the electric vehicle in such a way that both the housing of the vehicle unit 1 and the cover 2 are flush with the rest of the underbody and an aerodynamically advantageous configuration can be achieved in this way.
  • the opening and closing of the cover 2 could alternatively also be carried out by means of a four-bar mechanism or by means of a displacement mechanism.
  • the pivotable cover 2 enables a particularly simple design. For this purpose, an additional locking of the cover 2 is formed, as a result of which a higher sealing contact pressure of a seal of the cover 2 can be achieved, as is described in detail with regard to FIG. 2, among other things.
  • the vehicle unit 1 from Figure 1 is shown schematically with the cover 2 in an open position.
  • the cover 2 is pivoted by approximately 90 degrees from a closed position into an open position.
  • the pivoting takes place about the pivot axis 20, so that in the open position the cover 2 is oriented approximately perpendicular to the sub-floor. Rotation through an angle greater than 90 degrees is also conceivable.
  • the receptacle 3 When the cover 2 is in an open position, the receptacle 3 is ready to receive a contact head 5.
  • the receptacle 3 is designed and set up so that a contact head 5 can be inserted into the receptacle 3 in an insertion direction Z.
  • the receptacle 3 is installed here in the form of a recess in the underbody of the electric vehicle.
  • the receptacle 3 is defined by a housing 30 and corresponds to the shape of the contact head 5.
  • a pin 31 is provided for positioning the contact head 5, the pin 31 extending in the insertion direction Z into the receptacle 3 extends.
  • the geometric design of the receptacle 3 depends, among other things, on the design of the contact head 5.
  • the contact head 5 is cylindrical, so that the receptacle 3 is also essentially cylindrical. In this case, it is designed to be geometrically essentially complementary to the contact head 5, so that it can be inserted easily.
  • the direction of insertion Z coincides with the cylinder axis, so that the contact head can be inserted along the cylinder axis.
  • the pin 31 accordingly also extends both in the insertion direction Z and along the cylinder axis of the receptacle 2 and of the contact head 5 to be inserted.
  • the pin 31 can be designed to be conical.
  • Two recesses 32 are positioned opposite one another on the side walls of the housing 30.
  • Guide elements 41 with contact elements 42 for contacting contacts 51 of the contact head 5 can pass through these recesses 32.
  • the shape of the recesses 32 is adapted to the geometry of the guide elements 41 and the contact elements 42.
  • the housing 30 in FIG. 2 also has two opposing locking openings 22. These are provided for locking the cover 2 in a closed position by means of two locking hooks 21 arranged on the cover 2 in interaction with fixing elements 43 of the vehicle unit 1.
  • the vehicle unit 1 is shown schematically and without housing 30 from the inside.
  • Two contact arms 4L, 4R each with three guide elements 41 R, 41 L are provided.
  • a contact element 42R, 42L for making electrical contact with the contact head 5 is arranged in each guide element 41 R, 41 L.
  • the contact elements 42R, 42L are conductively connected to the cables 47R, 47L.
  • the cables 47R, 47L lead to an in-vehicle charging control or to a connection device for the traction battery of the electric vehicle and accordingly enable the traction battery to be charged when it is connected to a power source via the contact head 5.
  • the two contact arms 4L, 4R are connected to one another by means of kinematics, which are designed here as rotary lock kinematics and which allow the guide elements 41R, 41L to move symmetrically into and out of the receptacle 3 arranged centrally between the contact arms 4L, 4R Again from this made possible.
  • the guide elements 41 R, 41 L are moved together with the contact elements 42R, 42L into the receptacle 3 in a direction which is perpendicular to the insertion direction Z for the contact head 5.
  • the two contact arms 4R, 4L are each rotatably connected to a link 45 via a coupling element 44R, 44L.
  • the handlebar 45 can be pivoted through 180 degrees by means of a drive shaft 46 in order to bring the contact arms 42R, 42L from a closed position into an open position and vice versa.
  • the guide elements 42R, 42L are guided into the receptacle 3, as shown in FIG.
  • the guide elements 42R, 42L are located inside the vehicle unit 1 and outside the receptacle 3.
  • FIGS. 5a and 5b A detailed description of the rotary lock kinematics is given below with reference to FIGS. 5a and 5b.
  • a symmetrical design of the three contact elements 42R, 42L on each contact arm 4L, 4R matches the embodiment of the contact head from FIG. In particular, depending on the configuration of the respective transmission properties, more or fewer than three contact elements can also be provided.
  • FIG. 3 the vehicle unit 1 is shown in an inactive state, the cover 2 closing the receptacle 3.
  • the locking mechanism of the cover 2 already mentioned in relation to FIG. 2 can be clearly seen here.
  • the two locking hooks 21 attached to the cover lie just above the locking openings 22.
  • the locking openings 22 cannot be seen in FIG. 3, since the housing 30 around the receptacle 3 is not shown.
  • the fixing elements 43R, 43L which are arranged on the contact arms 4R, 4L, penetrate through the locking openings 22 and thus into the locking hooks 21 when the contact arms 4R, 4L transition from an open position to a closed position enter and fix this together with the cover 2.
  • FIGS. 4 a and 4 b the vehicle unit 1 is shown schematically and with the housing 30 from the inner side of the underbody.
  • the contact arms 4R and 4L are shown in an open position in FIG. 4a and in a closed position in FIG. 4b.
  • a housing of the drive mechanism 461 which moves the two contact arms 4R, 4L by means of the drive shaft 46, can also be seen.
  • a housing of the cover drive 202 with a drive axis 201 for pivoting the cover 2 around the pivot axis 20 from a closed position to an open position and vice versa can also be seen in FIGS. 4a and 4b.
  • the corresponding drives are preferably designed as electric motors or servomotors.
  • the contact arms 4R and 4L are shown in an open position, so that the guide elements 41R, 41L are as a whole outside of the receptacle 3 or outside of the housing 30 and inside the sub-floor.
  • the contact arms 4R and 4L can therefore not be seen from the outside, although the cover 2 is open.
  • the receptacle 3 is thus ready to receive a contact head 5.
  • the contact arms 4R, 4L are moved from an open position to a closed position, the guide elements 41R, 41L through the recesses 32 in the housing 30 penetrate, as shown in Figure 4b.
  • an electrical connection is established between the contact elements 42R, 42L mounted in the guide elements 41R, 41L and the contacts 51R, 51L on the contact head 5, as is described in detail below for FIGS. 9a to 10b.
  • FIGS. 5a and 5b a top view of the vehicle unit 1 from FIGS. 4a and 4b is also shown schematically from the inside.
  • the mechanism of the rotary lock kinematics is explained below with the aid of the two FIGS. 5a and 5b.
  • the contact arms 4R, 4L are in an open position corresponding to Figure 4a.
  • the guide elements 41 R, 41 L are extended from the receptacle 3 and are inside the Vehicle unit stored.
  • Each contact arm 4R, 4L is pivotally connected at one end to the housing by means of a swivel joint 432R, 432L.
  • the contact arms are connected to the coupling elements 44R, 44L by means of swivel joints 441 R, 441 L.
  • the two coupling elements 44R and 44L are thus rotatably coupled at one end to contact arms 4R, 4L and at the other end to the link 45.
  • the handlebar 45 can be rotated via the drive axle 46.
  • the coupling elements 44R, 44L are drawn together. Since the two contact arms 4R, 4L are connected to the coupling elements 44R, 44L, these are also drawn together symmetrically and change from an open position according to FIG. 5a to a closed position according to FIG. 5b. After a subsequent clockwise rotation of the link 45, the contact arms 4R, 4L return to an open position.
  • the contact arms 4R, 4L are mounted in a plane parallel to the sub-floor or in a plane perpendicular to the insertion direction Z of the contact head 5.
  • the pivot axes of the swivel joints 432R, 432L are aligned parallel to the Z direction of insertion.
  • the contact head 5 is shown schematically from below.
  • the contact head is cylindrical.
  • three contacts 51 R, 51 L are arranged one above the other.
  • the contacts 51 R, 51 L each run in a circular segment Phi, which is smaller than 180 degrees, preferably 150 degrees, the housing 50 of the contact head 5, the contacts 51 R, 51 L on both halves preferably in a circular segment of 30 degrees separates from each other and electrically isolated.
  • the housing 50 also separates the contacts 51 R and 51 L lying one above the other.
  • Each circular segment Phi must be smaller than 180 degrees so that the same circular segment cannot be contacted by both contact arms 4R, 4L.
  • the contacts 51 R, 51 L lying one above the other are arranged on the lateral surface of the cylindrical contact head 5.
  • the contacts 51 L, 51 R emerge from under the contact head 5 in the form of conductor tracks 52L, 52R and are connected to the power source via a robot arm 62 or another lifting device, as explained in more detail below for FIG Electric vehicle can be done.
  • FIG. 6 Alternative variants of the contact head 5 from FIG. 6 are conceivable.
  • two contacts can be attached to three circle segments.
  • the two circle sections can be of different sizes.
  • the number of circle sections with the contacts and the number of contacts placed one above the other can be varied as desired, as long as the contacts are freely accessible on the side of the contact head so that they can be contacted by the vehicle unit 1 in a plane perpendicular to the insertion direction Z of the contact head 5.
  • the base unit 6 including the contact head 5 and a robot arm 62 is shown schematically from below.
  • the contact head 5 is arranged on a connecting element 61, the conductor tracks 52R, 52L being conductively connected to charging cables 63.
  • the charging cables 63 lead to the power source.
  • another lifting device which can introduce the contact head 5 into the vehicle unit 1, can also be provided.
  • the contact head 5 is inserted in the insertion direction Z into the receptacle 2 of the vehicle unit 1.
  • the direction of insertion Z coincides with the cylinder axis of the cylinder.
  • a loading device 100 comprising a floor unit 6 and a vehicle unit 1 is shown schematically from below.
  • the cover 2 of the vehicle unit 1 is in an open position so that the access to the receptacle 3 for the contact head 5 is freely accessible.
  • the contact head 5 fastened to the robot arm 62 has already been inserted into the receptacle 3 and can thus be contacted by the vehicle unit 1.
  • a contact between the contact head 5 and the contact arms 4R, 4L is explained in detail below with reference to FIGS. 9a, 9b and 10a, 10b.
  • the contact arms 4R, 4L and the contact head 5 are shown schematically in perspective from above.
  • the contact head 5 has been inserted into the receptacle 3, but the contact arms 4R, 4L are still in an open position. There is still no electrical connection between the contact head 5 and contact arms 4R, 4L.
  • the guide elements 41 R, 41 L with the contact elements 42R, 42L are at the same level as the contacts 51R, 52L of the contact head 5 after the contact head 5 has been inserted into the receptacle 3.
  • the orientation of the contact head 5 may vary by +/- 75 degrees.
  • a contact head 5 which enables a completely rotationally symmetrical connection is described below with reference to FIG. 11.
  • FIG. 9b shows a charging device 100 from FIG. 9a, the contact arms 4R, 4L being in a closed position.
  • the guide elements 41 R, 41 L with the contact elements 42R, 42L are moved into the contact head 5 from the side of the contact head 5, the contact elements 42R, 42L then being electrically connected to the contacts 51 R, 52L.
  • FIGS. 10a and 10b show a schematic side view of the loading device 100 corresponding to FIGS. 9a and 9b.
  • the contact arms 4R, 4L are in an open position, so there is still no electrical connection to the contact head 5.
  • the contact elements 42R, 42L are at the same level as the contacts 51R, 52L of the contact head 5.
  • the contacts 51 R, 51 L are designed as conductor tracks.
  • the contact elements 42R, 42L are designed as a spring clip.
  • the contacts 51 R, 51 L designed as conductor tracks penetrate the spring clips of the contact elements 42R, 42L and are held in place by spring clips. This ensures a stable conductive connection between the floor unit 6 and the vehicle unit 1.
  • Other forms of releasable connection between contacts of the floor unit and the vehicle unit are also possible.
  • FIGS. 11 and 12 Two further embodiments of a charging device 100 are shown schematically in FIGS. 11 and 12.
  • a contact head 5 and a contact arm 4 are shown schematically in a further embodiment.
  • the contact head 5 has six ring-shaped one above the other arranged contacts 51. A completely rotationally symmetrical contacting of the contact head 5 is thus possible.
  • the vehicle unit 1 has only one contact arm 5 with six guide elements 41 arranged one above the other. The movement of the contact arms 4 in the plane perpendicular to the insertion direction of the contact head 5 results in a movement of the guide elements 41 into and out of the contact head 5.
  • a contact head 5 in the form of a horizontal cylinder and a contact arm 4 in an alternative embodiment are shown schematically in FIG.
  • the contact head 5 has six coaxially extending contacts 51 which are openly accessible from the side.
  • the vehicle unit 1 has a contact arm 4 with also six guide elements 41 with contact elements 42 arranged one above the other.
  • the contact arm 4 can be moved back and forth in the plane perpendicular to the insertion direction Z of the contact head in order to establish an electrical connection with the contacts on the contact head 5.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugeinheit (1) zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine Aufnahme (3), die zum Aufnehmen eines in einer Einführrichtung (Z) eingeführten Kontaktkopfes (5) einer Bodeneinheit (6) ausgebildet und eingerichtet ist, und Kontaktelemente (42) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontakten (51) des Kontaktkopfes (5), wobei die Kontaktelemente (42) zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Kontaktkopf (5) in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung (Z) bewegbar sind.

Description

FAHRZEUGEINHEIT, BODENEINHEIT UND VERFAHREN ZUM LADEN EINER BATTERIE EINES ELEKTROFAHRZEUGS
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie eines mit einem Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeugs, beispielweise eines ausschließlich mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeugs oder eines Plugin-Hybrid Fahrzeugs, insbesondere zum automatischen Verbinden des Elektrofahrzeugs mit der Ladeinfrastruktur zum automatischen Laden dieser Traktionsbatterie.
Stand der Technik
Reine Elektrofahrzeuge oder auch Hybridfahrzeuge, welche sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor zum Antrieb aufweisen, sind mit einer Traktionsbatterie ausgestattet. In der Traktionsbatterie wird Energie für den Antrieb des jeweiligen Elektromotors und damit für die Fortbewegung des Fahrzeugs gespeichert. Zum externen Laden einer solchen Traktionsbatterie ist es bekannt, das Elektrofahrzeug oder ein Plugin-Hybridfahrzeug mit externer Ladeinfrastruktur über ein Ladekabel zu verbinden. Dabei wird beispielsweise eine Verbindung mit einer Stromquelle in Form einer Wallbox, Ladesäule, etc. hergestellt und dann der eigentliche Ladevorgang gestartet.
Die Verbindung des Ladekabels mit einer am Elektrofahrzeug angeordneten Ladebuchse erfolgt manuell. Das manuelle Verbinden eines Ladekabels mit einer Ladebuchse am Elektrofahrzeug ist umständlich, deswegen werden verschiedene Möglichkeiten zu einem automatischen Laden vorgeschlagen, bei welchem eine manuelle Einführung des an einem Ladekabel angeordneten Steckers in die Ladebuchse nicht mehr notwendig ist. Zum Beispiel kann die Ladung des Elektrofahrzeugs induktiv, d.h. kabellos stattfinden. Da induktive Ladeverfahren aber mit hohen Verlusten behaftet sind, ist dieses Verfahren nur unter engen Voraussetzungen attraktiv.
Entsprechend wurde vorgeschlagen, eine elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle und dem Elektrofahrzeug darüber herzustellen, dass ein Stecker mittels eines Roboterarms in die Ladebuchse eingeführt wird. Dabei ist zu beachten, dass Ladebuchsen für die Herstellung einer manuellen Verbindung üblicherweise seitlich, vorne oder hinten am Elektrofahrzeug angeordnet sind, damit sie vom jeweiligen Benutzer gut erreichbar ist. Bei der automatischen Herstellung der Verbindung wurde darüber hinaus aber auch eine Platzierung der Ladebuchse im Bereich des Daches oder im Unterboden des Elektrofahrzeugs vorgeschlagen.
Besonders vorteilhaft scheint eine Platzierung der Ladebuchse am Unterboden des Elektrofahrzeugs, da die Bodeneinheit mit dem Stromanschluss im Boden überfahrbar angeordnet sein kann, z.B. an einem Stellplatz oder in einer Garage, damit das Elektrofahrzeug über der Bodeneinheit parken kann. Die elektrische Verbindung wird dann automatisch mittels einem am Boden angeordneten und mit der Stromquelle verbundenen Roboterarm oder einer Hubeinrichtung hergestellt. Das ist platzsparend und praktisch, da kein Kabel oder Roboterarm den freien Zugang rund ums Fahrzeug während des Ladens verhindert.
Bei den bekannten Systemen zum automatischen Laden mittels im Unterboden des Elektrofahrzeugs angeordneter Ladebuchsen sind jedoch die elektrischen Kontakte der Ladebuchse in einer vertikalen Richtung zum Boden hin geöffnet. Eine Kontaktierung findet entsprechend in vertikaler Richtung statt. Dabei sind die Kontakte der Bodeneinheit sowie die Kontakte der Ladebuchse in der Fahrzeugeinheit mechanischen Beschädigungen durch Steinschlag, Verschmutzung und Spritzwasser ausgesetzt.
In der DE 102014200290 A1 wird eine Ladevorrichtung zum automatischen Laden eines Elektrofahrzeugs offenbart, wobei die Fahrzeugeinheit eine verschiebbare Anschlussvorrichtung mit nach unten ausgerichteten Kontaktelementen aufweist, welche von unten mit einer Hebeeinrichtung kontaktierbar sind.
Ebenso wird in WO 18055498 A2 eine verschiebbare Anschlussvorrichtung in der Fahrzeugeinheit bereitgestellt. Darüber hinaus sind Kontaktelemente an dem Kontaktkopf der Bodeneinheit konzentrisch angeordnet.
In der DE 102014226357 A1 wird eine Vorrichtung zum automatischen Laden eines Elektrofahrzeugs mittels eines Laderoboters offenbart. Der Laderoboter umfasst einen Kontaktkopf mit kreisförmigen Vertiefungen, in welchen jeweils ein elektrischer Kontakt angeordnet sein kann, wodurch der Kontaktkopf rotationssymmetrisch ausgeführt wird. Die Vertiefungen im Kontaktkopf können auch als Kreissegmente ausgeführt werden. Auf diese Weise können innerhalb eines Kreisumfangs mehrere Kontakte angeordnet werden. In der W016119001 A1 wird eine Steckverbindung zum Verbinden von elektrischen Leitungen, bestehend aus einem männlichen Verbindungselement und einem weiblichen Verbindungselement, die miteinander kraftschlüssig lösbar verbindbar sind, offenbart. Die Kontakte des männlichen Verbindungselementes sind koaxial ausgebildet und verschiebbar, so dass sie in einer ersten Position innerhalb und in einer zweiten Position aus dem männlichen Verbindungselement vorragend angeordnet sind.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Laden eines Elektrofahrzeugs, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Fahrzeugeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Fahrzeugeinheit zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, umfassend eine Aufnahme, die zum Aufnehmen eines in einer Einführrichtung eingeführten Kontaktkopfes einer Bodeneinheit ausgebildet und eingerichtet ist, und Kontaktelemente zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontakten des Kontaktkopfes, wobei die Kontaktelemente zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Kontaktkopf in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung bewegbar sind.
Mit anderen Worten ist die Fahrzeugeinheit so ausgebildet, dass zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs zuerst ein Kontaktkopf einer Bodeneinheit in einer Einführrichtung in die Fahrzeugeinheit eingeführt wird. Danach werden Kontaktelemente der Fahrzeugeinheit auf den Kontaktkopf zu bewegt, wodurch die Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen und den Kontakten am Kontaktkopf stattfindet. Die Bewegung der Kontaktelemente erfolgt in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung des Kontaktkopfes.
Durch diese Verbindung des Kontaktkopfes in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung kann erreicht werden, dass die Kontakte am Kontaktkopf ebenfalls in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung verlaufen, beziehungsweise von der Seite des Kontaktkopfes frei zugänglich stehen. Damit sind die Kontakte besonders geschützt und die Kontaktierung muss nicht wie im Stand der Technik über einen vertikalen Anpressdruck eines Kontaktkopfes an entsprechenden Gegenkontakten erreicht werden. Vielmehr kann durch die quasi radiale Kontaktierung, die in einer einseitigen, zweiseitigen oder mehrseitigen Klammerung der Kontakte resultiert, ein besonders zuverlässiges Kontaktieren erreicht werden.
Bei einer Fahrzeugeinheit im Unterboden des Elektrofahrzeugs ist die Ebene senkrecht zur Einführrichtung gleichzeitig auch die Ebene parallel zum Unterboden des Fahrzeugs.
Bei einem Elektrofahrzeug kann es sich bevorzugt um ein Kraftfahrzeug mit reinem Elektroantrieb oder um ein Plugin-Hybrid Fahrzeug handeln, bei welchen die für den elektrischen Fährbetrieb benötigte Energie in einer auch als Traktionsbatterie bezeichneten Batterie des Elektrofahrzeugs gespeichert wird.
Um eine Bewegung der Kontaktelemente gleichzeitig zu ermöglichen, ist bevorzugt mindestens ein Kontaktelement auf einem Kontaktarm angeordnet und der Kontaktarm ist so eingerichtet und ausgebildet, dass eine Bewegung des Kontaktarms in einer Bewegung des Kontaktelements in die Aufnahme hinein oder aus dieser heraus in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung des Kontaktkopfes resultiert.
Dabei können die Kontaktarme in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung bewegbar angeordnet sein, z.B. im Unterboden des Elektrofahrzeugs parallel zu dessen Unterboden. Eine Anordnung der Kontaktarme in einer Ebene parallel zur Einführrichtung ist auch möglich, sowie eine Anordnung der Kontaktarme in einer beliebigen anderen Ausrichtung. Die Bewegung der Kontaktarme kann beispielsweise translatorisch oder rotatorisch vorgesehen sein. Unabhängig von der Ausrichtung und Bewegung der Kontaktarme erfolgt die Kontaktierung zwischen den Kontakten am Kontaktkopf und den Kontaktelementen stets in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung des Kontaktkopfes.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind ein erster Kontaktarm und ein zweiter Kontaktarm vorgesehen, an welchen jeweils mehrere, bevorzugt drei, Kontaktelemente angeordnet sind.
Die Anzahl der Kontaktelemente an jedem Kontaktarm kann kleiner oder größer als drei sein. Eine asymmetrische Verteilung der Kontaktelemente am ersten und zweiten Kontaktarm ist ebenfalls möglich. Die gesamte Anzahl der benötigten Kontakte der Fahrzeugeinheit ist von der Art des Ladeverfahrens, Ladeleistung etc. abhängig, z.B. ob das Laden mit Wechselspannung einphasig oder dreiphasig oder mit Gleichspannung oder kombiniert erfolgt. Mittels der Kontaktierung können zusätzlich auch Daten übertragen werden, um eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und einer Ladesteuerung zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind der erste Kontaktarm und der zweite Kontaktarm mittels einer Kinematik, bevorzugt mittels einer Drehverschluss-Kinematik, miteinander verbunden, wobei die Kinematik das Ein- und Ausfahren der Kontaktelemente in die Aufnahme der Fahrzeugeinheit ermöglicht.
Bei einer Ausgestaltung der Kinematik beispielsweise als Drehverschluss-Kinematik wird eine symmetrische Errichtung der Kontaktarme ermöglicht, wodurch gewährleistet wird, dass alle Kontaktelemente gleichzeitig und symmetrisch den Kontaktkopf kontaktieren. Auf diese Weise kann ein besonders zuverlässiges Kontaktieren erreicht werden, denn die Kontaktarme führen dann beispielsweise eine Klammerbewegung aus, die auch eine mögliche Abweichung der Position des Kontaktkopfes von der vorgesehenen Position ausgleichen kann.
Die Fahrzeugeinheit ist bevorzugt im Unterboden des Elektrofahrzeugs eingebaut und die Kontaktarme umklammern den Kontaktkopf von oben, also in einer Ebene senkrecht zum Unterboden des Fahrzeugs oder seitlich, also in einer Ebene parallel zum Unterboden des Fahrzeugs - abhängig von der jeweiligen Einführrichtung des Kontaktkopfes.
Bei einer Fahrzeugeinheit im Unterboden des Elektrofahrzeugs wird der Kontaktkopf bevorzugt von unten in einer Richtung senkrecht zum Unterboden in die Fahrzeugeinheit eingeführt. Da die Kontakte zur Seite des Kontaktkopfes frei zugänglich stehen und nicht nach oben ausgerichtet sind, wird dadurch besserer Schutz vor Verschmutzung für die Kontakte erreicht, da vom Unterboden herunterfallendes Wasser, Schnee und Matsch die Kontakte während der Kontaktierung nicht direkt erreichen können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Aufnahme durch ein Gehäuse definiert, welches mindestens eine Ausnehmung, insbesondere zwei Ausnehmungen, aufweist, durch welche hindurch die Kontaktelemente zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit den Kontakten des Kontaktkopfes treten kann.
Dadurch sind die Kontaktelemente gut vor Verschmutzung und mechanischen Beschädigungen geschützt, da sie sich außer Betrieb im Inneren der Fahrzeugeinheit befinden und nur beim Laden in die Aufnahme bewegt werden. Weiterhin bewegen sich auch nur die Kontaktelemente in die Aufnahme hinein, so dass die anderen Bestandteile der Fahrzeugeinheit gegenüber der Umgebung gut geschützt sind.
Bevorzugt ist in der Aufnahme eine Zentriereinrichtung, bevorzugt ein Stift, zur Positionierung des Kontaktkopfes platziert, wobei sich die Zentriereinrichtung, bevorzugt der Stift, bevorzugt in der Einführrichtung erstreckt. Die Zentriereinrichtung, bevorzugt der Stift, verhindert eine translatorische Bewegung des Kontaktkopfes in der Ebene senkrecht zur Einführrichtung. Damit ist eine präzise und symmetrische Kontaktierung gewährleistet.
Besonders bevorzugt ist die Aufnahme im Wesentlichen rotationssymmetrisch, bevorzugt zylinderförmig, ausgebildet, wobei sich Symmetrieachse, bevorzugt die Zylinderachse, in Einführrichtung erstreckt. Damit kann eine drehsymmetrische Ausbildung erreicht werden, die eine hohe Flexibilität bezüglich der Orientierung des Kontaktkopfes beim Einführen ergibt.
Bevorzugt ist eine Abdeckung zum Abdecken der Aufnahme vorgesehen, wobei die Abdeckung bevorzugt als eine Klappe mit einer Schwenkachse ausgebildet ist. Damit kann ein noch besserer Schutz für die Kontaktelemente erreicht werden, mittels dessen eine robuste und langlebige Fahrzeugeinheit aufgebaut werden kann.
Bevorzugt weist die Abdeckung mindestens einen, bevorzugt zwei, Verriegelungshaken auf, welcher beim Verschließen der Abdeckung mit an einem Kontaktarm angeordneten Fixierelement mittels der Kinematik verriegelt werden kann. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Verriegelung und auch ein höherer Dichtungsanpressdruck der Abdeckung erreicht werden, um eine wetterfeste Abdeckung zuverlässig zu gewährleisten.
In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine alternative oder zusätzliche Abdeckung vorgesehen, mittels welcher die mindestens eine Ausnehmung, welche in der Aufnahme des Gehäuses definiert ist, um das Hindurchtreten der Kontaktelemente zu erlauben, abgedeckt werden kann. Auch auf diese Weise kann ein zuverlässiger Schutz der Kontaktelemente erreicht werden.
Beim Vorsehen einer zusätzlichen Abdeckung an der mindestens einen Ausnehmung kann darüber hinaus auch erreicht werden, dass die Kontaktelemente zu keinem Zeitpunkt ungeschützt offen liegen, da sie entweder durch die zusätzliche Abdeckung geschützt werden, oder durch den eingeführten Kontaktkopf. Hier kann zum Herstellen der Verbindung entsprechend zunächst die erste Abdeckung, mittels welcher die Aufnahme verschlossen wird, geöffnet werden und dann der Kontaktkopf in die Aufnahme eingeführt werden. Nachdem der Kontaktkopf in der Aufnahme eingeführt wurde wird erst die Abdeckung geöffnet, welche die Ausnehmungen abdeckt, um auf diese Weise dann ein Eintreten der Kontaktelemente in die Aufnahme zu ermöglichen. Damit ist ein vollständiger Berührungsschutz für die Kontaktelemente gegeben und die Betriebssicherheit kann noch weiter erhöht werden.
Die Aufgabe wird auch durch eine Bodeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den Figuren.
Entsprechend wird eine Bodeneinheit mit einem an einer Hubvorrichtung, bevorzugt an einem Roboterarm, angeordneten Kontaktkopf zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, wobei der Kontaktkopf in einer Einführrichtung in eine Aufnahme einer Fahrzeugeinheit einführbar ist und Kontakte aufweist, die zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontaktelementen der Fahrzeugeinheit vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind die Kontakte des Kontaktkopfes so ausgebildet und eingerichtet, dass sie in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung kontaktierbar sind.
Auf diese Weise kann eine mit der Fahrzeugeinheit zusammenpassende Bodeneinheit angegeben werden, bei der durch die Kontaktierung der Kontakte des Kontaktkopfes senkrecht zur Einführrichtung erreicht werden kann, dass eine besonders robuste Ausgestaltung ermöglicht wird, bei der die Kontakte gegen äußere Einflüsse gut geschützt sind. Insbesondere kann durch die Anordnung der Kontakte in Positionen, die senkrecht zur Einführrichtung stehen, erreicht werden, dass sich in Einführrichtung ergebende Verschmutzungen oder Kollisionen nicht auf die Kontakte auswirken.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Kontaktkopf rotationssymmetrisch, bevorzugt zylinderförmig, ausgebildet und die Symmetrieachse, bevorzugt die Zylinderachse, erstreckt sich in der Einführrichtung. Damit kann eine rotationssymmetrische Anbindung des Kontaktkopfes an der Fahrzeugeinheit gewährleistet werden, so dass an die Rotationspositionierung des Kontaktkopfes keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Neben einer zylinderförmigen Ausgestaltung kann beispielsweise auch eine konische Ausgestaltung des Kontaktkopfes vorgesehen sein. Weitere rotationssymmetrische Ausgestaltungen sind denkbar.
Bevorzugt sind die Kontakte des Kontaktkopfes in Einführrichtung übereinander im Mantel des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt im Zylindermantel, angeordnet, wobei bevorzugt drei oder sechs Kontakte ringförmig übereinander angeordnet sind. Bei der Anordnung im Mantel des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt im Zylindermantel, können die Kontakte auch in Rillen nach innen versetzt ausgebildet sein, so dass ein besonderer Schutz in Einführrichtung erreicht werden kann.
Die Kontakte können sich auch bevorzugt nur jeweils in einer Hälfte des Mantels des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt des Zylindermantels, erstrecken, wobei die Kontakte bevorzugt jeweils in einem Kreisabschnitt, der kleiner als 180 Grad ist und bevorzugt größer als 90 Grad, bevorzugt 150 Grad ist, verlaufen. Damit wird es möglich, pro Ring mindestens zwei unterschiedliche Kontakte auszubilden.
Es können in alternativen Ausgestaltungen auch mehr als zwei Kreisabschnitte vorgesehen sein, oder die Kontakte können sich auch um den gesamten Mantel herum erstrecken.
In einer alternativen Ausführung kann der Kontaktkopf als ein liegender Zylinder ausgebildet sein, wobei die Kontakte des Kontaktkopfes dann koaxial verlaufen und an der Seite offenstehen, damit sie seitlich mit den Kontaktelementen der Fahrzeugeinheit elektrisch verbindbar sind.
In einerweiteren bevorzugten Ausführung ist der Kontaktkopf rotationssymmetrisch, bevorzugt zylindrisch, ausgebildet, wobei an jeder um Vertikalachse liegenden Hälfte des Kontaktkopfes mehrere, bevorzugt drei Kontakte übereinander konzentrisch angeordnet sind, um eine Anbindung des Kontaktkopfes in der Fahrzeugeinheit in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung zu gewährleisten. Diese Ausführung des Kontaktkopfes entspricht oben beschriebener Fahrzeugeinheit mit zwei symmetrisch angeordneten Kontaktarmen mit jeweils drei Kontaktelementen.
Weiterhin wird ein Verfahren zum automatischen Laden gemäß Anspruch 16 vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Schritte des Breitstellens einer im Unterboden des Elektrofahrzeugs angebrachten Fahrzeugeinheit mit einer Aufnahme und beweglichen Kontaktelementen sowie das Bereitstellen einer Bodeneinheit mit einem Kontaktkopf umfasst. Weiterhin wird nach dem Verfahren der Kontaktkopf der Bodeneinheit in die Aufnahme der Fahrzeugeinheit in einer Einführrichtung eingeführt und die Kontaktelemente werden in einer Ebene senkrecht zu der Einführrichtung bewegt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktkopf und der Fahrzeugeinheit herzustellen.
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 einer Fahrzeugeinheit von unten mit einer Abdeckung in einer geschlossenen Stellung, Figur 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Fahrzeugeinheit aus Figur 1 , bei der die Abdeckung in einer geöffneten Stellung gezeigt ist,
Figur 3 eine schematische perspektivische Darstellung von Kontaktarmen zum Kontaktieren eines zwischen diesen aufnehmbaren Kontaktkopfes, wobei in der Darstellung ein umgebendes Gehäuse fortgelassen wurde, Figur 4a eine schematische perspektivische Darstellung der Kontaktarme in einer geöffneten Stellung,
Figur 4b eine schematische perspektivische Darstellung der Kontaktarme in einer geschlossenen Stellung,
Figur 5a eine schematische Draufsicht auf die Kontaktarme in einer geöffneten Stellung, in weicher ein Einführen eines Kontaktkopfes ermöglicht wird,
Figur 5b eine schematische Draufsicht der Kontaktarme in einer geschlossenen Stellung,
Figur 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kontaktkopfes einer Bodeneinheit, welcher in einer Aufnahme der Fahrzeugeinheit aufnehmbar ist, wobei die Kontakte des Kontaktkopfes mittels der Kontaktarme der Fahrzeugeinheit kontaktierbar sind, Figur 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Roboterarms der Bodeneinheit, wobei der Roboterarm den Kontaktkopf trägt,
Figur 8 eine schematische perspektivische Darstellung der Ladevorrichtung von unten, wobei der den Kontaktkopf tragende Roboterarm der Bodeneinheit den Kontaktkopf in die geöffnete Aufnahme der Fahrzeugeinheit eingeführt hat und entsprechend die Bodeneinheit mit der Fahrzeugeinheit verbunden ist,
Figur 9a eine schematische perspektivische Darstellung der Kontaktarme und des Kontaktkopfes in einer geöffneten Stellung, Figur 9b eine schematische perspektivische Darstellung der Kontaktarme und des Kontaktkopfes in einer geschlossenen Stellung, in welcher eine Kontaktierung der Kontakte des Kontaktkopfes mit den Kontakten der Kontaktarme hergestellt ist,
Figur 10a eine schematische Seitenansicht der Kontaktarme und des Kontaktkopfes in einer geöffneten Stellung,
Figur 10b eine schematische Seitenansicht der Kontaktarme und des Kontaktkopfes in einer geschlossenen Stellung,
Figur 11 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kontaktkopfes in einerweiteren Ausführungsform mit sechs übereinander angeordneten Kontakten und einem entsprechenden Kontaktarm, und
Figur 12 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kontaktkopfes in einerweiteren Ausführungsform in Form eines liegenden Zylinders und einem entsprechenden Kontaktarm.
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 Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist in einer schematischen perspektivischen Ansicht von unten eine Fahrzeugeinheit 1 mit einem Gehäuse 10 gezeigt. Die Fahrzeugeinheit 1 ist dazu eingerichtet, in einem Elektrofahrzeug angeordnet zu werden, wobei die Fahrzeugeinheit 1 dabei dazu vorgesehen ist, im oder am Unterboden des Elektrofahrzeugs angeordnet zu werden. Natürlich kann die Fahrzeugeinheit aber auch an anderen Positionen des Elektrofahrzeugs angeordnet werden.
Unter einem Elektrofahrzeug wird hierbei jedes Fahrzeug verstanden, welches eine Traktionsbatterie aufweist, die extern geladen werden kann - also neben reinen Elektrofahrzeugen beispielsweise auch Plugin-Hybrid Fahrzeuge.
Über die Fahrzeugeinheit 1 erfolgt entsprechend das externe Laden einer im Elektrofahrzeug angeordneten Traktionsbatterie. Um die Ladestromzufuhr zu ermöglichen, muss die Fahrzeugeinheit 1 mit einer beispielsweise in Figur 7 schematisch angedeuteten Bodeneinheit 6 verbunden werden.
Die Bodeneinheit 6 ist über entsprechende Konditioniervorrichtungen, Überwachungsvorrichtungen und/oder Ladesteuerungen mit dem Stromnetz verbunden, so dass über die Bodeneinheit 6 der entsprechend konditionierte, überwachte und gesteuerte Ladestrom an die Fahrzeugeinheit 1 geliefert werden kann, um bei einer Kontaktierung zwischen der Bodeneinheit 6 und der Fahrzeugeinheit 1 den Ladevorgang der im Elektrofahrzeug angeordneten Traktionsbatterie durchzuführen. Die Mittel zur Bereitstellung, Konditionierung, Überwachung und Steuerung eines entsprechenden Ladestroms sind an sich bekannt.
Die Fahrzeugeinheit 1 und die Bodeneinheit 6 bilden zusammen eine Ladevorrichtung 100 aus. In der gezeigten Ausführung stellt die Fahrzeugeinheit 1 dabei quasi die Funktion einer Ladebuchse bereit und die Bodeneinheit 6 stellt die Funktion eines Steckers bereit. Entsprechend kann eine mechanische und elektrische Kontaktierung zwischen der Bodeneinheit 6 und der Fahrzeugeinheit 1 erreicht werden.
Die Ladevorrichtung 100 dient dazu, eine automatische mechanische und elektrische Kontaktierung zwischen der Stromversorgung und der Traktionsbatterie im Elektrofahrzeug herzustellen, damit dann der Ladevorgang gestartet werden kann, um die Traktionsbatterie in dem Elektrofahrzeug zu laden.
Dabei kann mittels der Ladevorrichtung 100 erreicht werden, dass sowohl der gesamte mechanische und elektrische Kontaktierungsvorgang, der Ladevorgang und nach Abschluss des Ladevorgangs das Lösen der mechanischen und elektrischen Kontaktierung im Wesentlichen automatisch abläuft, so dass der Benutzer beziehungsweise Fahrer des Elektrofahrzeugs nicht eingreifen muss beziehungsweise nur den Vorgang initiieren muss, aber danach keine weiteren Schritte mehr unternehmen muss.
Vielmehr muss der Benutzer das Elektrofahrzeug lediglich über einer am Boden des Abstellplatzes für das Elektrofahrzeug angeordneten Bodeneinheit positionieren und dort abstellen. Die restlichen Schritte des mechanischen und elektrischen Kontaktierungsvorgangs sowie des Ladevorgangs finden dann ohne weitere Tätigkeiten des Benutzers statt.
Mit anderen Worten kann eine automatische Kommunikation zwischen dem zu ladenden Elektrofahrzeug und der Ladevorrichtung stattfinden und, wenn beispielsweise ein vorgegebener Ladezustand des Elektrofahrzeugs unterschritten wird, automatisch ein Ladevorgang gestartet werden. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass der Benutzer den Ladevorgang aktiv anstößt, dann aber zumindest keine weitere manuelle Interaktion zwischen dem Benutzer und der Ladevorrichtung notwendig ist.
Die Bodeneinheit stellt dann über ein nachfolgend beschriebenes Kontaktierungsverfahren einen physischen Kontakt mit dem Elektrofahrzeug her, um auf diese Weise einen Ladestrom zum Laden der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeuges bereitstellen zu können. Insbesondere wird ein Kontaktkopf der Bodeneinheit mit einem oder mehreren Kontaktarmen der Fahrzeugeinheit verbunden und auf diese Weise ein elektrischer Kontakt hergestellt. Entsprechend kann mittels der Ladevorrichtung ein besonders bequemes Betreiben eines mit einem Elektromotor und einer dazugehörigen Traktionsbatterie versehenen Elektrofahrzeugs ermöglicht werden, bei welchem der Benutzer nach dem Abstellen des Elektrofahrzeugs über der Bodeneinheit und möglicherweise einem Anstoßen des Ladevorganges keine weiteren Schritte mehr unternehmen muss, da die Ladevorrichtung dies automatisch und selbstständig vornimmt.
Es ist insbesondere nicht notwendig, dass der Benutzer des Elektrofahrzeuges zur Verbindung der Traktionsbatterie mit einer Stromquelle manuell ein Ladekabel mit einem Stecker von einer Ladesäule oder einem Wallbox zu dem Elektrofahrzeug führen muss und dann ein entsprechendes Einstecken vornehmen muss, sondern dieser manuelle Prozess kann fortfallen.
Gleichermaßen kann über die vorgeschlagene Ladevorrichtung auch vermieden werden, dass bei noch bestehender Kontaktierung des Elektrofahrzeugs ein Benutzer bereits losfahren möchte und dann noch einmal aussteigen muss, um dann die versehentlich noch bestehende Verbindung zu lösen. Mittels der vorgeschlagenen Ladevorrichtung kann vielmehr auch ein automatisches selbstständiges Trennen erreicht werden, welches beispielsweise dann durchgeführt wird, wenn der eigentliche Ladevorgang beendet wurde, also die Traktionsbatterie wieder vollständig gefüllt ist, oder aber angestoßen beispielsweise durch das Öffnen des Elektrofahrzeugs oder das Betreten des Innenraums des Elektrofahrzeugs oder das Einschalten der „Zündung“ des Elektrofahrzeugs. Mit anderen Worten muss ein Benutzer auch 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. Auf jeden Fall muss der Benutzer keine manuellen Schritte zum Trennen des Elektrofahrzeugs von der Stromversorgung vornehmen. Die Fahrzeugeinheit 1 kann im Unterboden des Elektrofahrzeugs integriert sein, um automatisch von einer im Boden integrierten Bodeneinheit 6 kontaktiert zu werden. Eine Befestigung der Fahrzeugeinheit 1 an der Seite oder an/auf dem Dach des Elektrofahrzeugs ist 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 Figur 1 in einer Ansicht von unten dargestellt, wobei eine Abdeckung 2 zur Abdeckung einer in Figur 2 gezeigten Aufnahme 3, die zur Aufnahme eines beispielsweise in Figur 6 gezeigten Kontaktkopfs 5 ausgebildet und eingerichtet ist, in einer geschlossenen Stellung zu sehen ist.
Die Abdeckung 2 ist um eine nah am Unterboden gelagerte Schwenkachse 20 schwenkbar angeordnet, um sich aus einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung bewegen zu können. Vorzugsweise schließt die Abdeckung 2 die Fahrzeugeinheit 1 ebenflächig ab. Besonders bevorzugt ist die Fahrzeugeinheit 1 so in den Unterboden des Elektrofahrzeugs integriert, dass sowohl das Gehäuse der Fahrzeugeinheit 1 als auch die Abdeckung 2 bündig mit dem restlichen Unterboden abschließen und auf diese Weise eine aerodynamisch vorteilhafte Ausgestaltung erreicht werden kann.
Das Öffnen und das Verschließen der Abdeckung 2 könnte alternativ auch mittels eines Viergelenkmechanismus oder mittels eines Verschiebemechanismus durchgeführt werden. Die schwenkbare Abdeckung 2 ermöglicht jedoch ein besonders einfaches Design. Dazu wird eine zusätzliche Verriegelung der Abdeckung 2 ausgebildet, wodurch ein höherer Dichtungsanpressdruck einer Dichtung der Abdeckung 2 erreicht werden kann, wie es unter anderem zu Figur 2 detailliert beschrieben ist.
In Figur 2 ist schematisch die Fahrzeugeinheit 1 aus der Figur 1 mit der Abdeckung 2 in einer geöffneten Stellung dargestellt. Die Abdeckung 2 ist dabei um etwa 90 Grad aus einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung verschwenkt. Die Verschwenkung erfolgt um die Schwenkachse 20, so dass in der geöffneten Stellung die Abdeckung 2 in etwa senkrecht zum Unterboden orientiert ist. Ebenfalls ist eine Drehung um einen Winkel, der größer als 90 Grad ist, denkbar.
Die Aufnahme 3 steht bei einer geöffneten Stellung der Abdeckung 2 zur Aufnahme eines Kontaktkopfes 5 bereit. Die Aufnahme 3 ist dabei dazu ausgebildet und eingerichtet, dass ein Kontaktkopf 5 in einer Einführrichtung Z in die Aufnahme 3 eingeführt werden kann. Die Aufnahme 3 ist hier in Form einer Vertiefung im Unterboden des Elektrofahrzeugs eingebaut. Die Aufnahme 3 wird durch ein Gehäuse 30 definiert und entspricht der Form des Kontaktkopfes 5. In der durch das Gehäuse 30 definierten Aufnahme 3 ist ein Stift 31 zum Positionieren des Kontaktkopfes 5 bereitgestellt, wobei sich der Stift 31 in Einführrichtung Z in die Aufnahme 3 hinein erstreckt. Beim Einführen des Kontaktkopfes 5 in die Aufnahme 3 wird der Stift 31 in eine dazu komplementäre Vertiefung im Kontaktkopf 5 eingeführt um den Kontaktkopf 5 lateral beziehungsweise radial zu führen und in der eingeführten Position auch zu fixieren.
Die geometrische Ausbildung der Aufnahme 3 hängt unter anderem von der Ausbildung des Kontaktkopfes 5 ab. In den vorliegenden Ausführungen ist der Kontaktkopf 5 zylindrisch ausgebildet, so dass die Aufnahme 3 ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Dabei ist sie geometrisch im Wesentlichen komplementär zum Kontaktkopf 5 ausgebildet, so dass dieser einfach eingeführt werden kann. Die Einführrichtung Z fällt dabei mit der Zylinderachse zusammen, so dass ein Einführen des Kontaktkopfes entlang der Zylinderachse erreicht werden kann.
Der Stift 31 erstreckt sich entsprechend auch sowohl in Einführrichtung Z als auch entlang der Zylinderachse der Aufnahme 2 und des einzuführenden Kontaktkopfes 5.
Um eine laterale beziehungsweise radiale Führung zu erreichen, kann der Stift 31 konisch ausgeführt sein.
An Seitenwänden des Gehäuses 30 sind einander gegenüberliegend zwei Ausnehmungen 32 positioniert. Durch diese Ausnehmungen 32 hindurch können Führungselemente 41 mit Kontaktelementen 42 zum Kontaktieren von Kontakten 51 des Kontaktkopfs 5 hindurchtreten. Die Form der Ausnehmungen 32 ist an die Geometrie der Führungselemente 41 und der Kontaktelemente 42 angepasst.
Das Gehäuse 30 in Figur 2 weist darüber hinaus zwei gegenüberliegende Verriegelungsöffnungen 22 auf. Diese sind zum Verriegeln der Abdeckung 2 in einer geschlossenen Stellung mittels zwei an der Abdeckung 2 angeordneter Verriegelungshaken 21 in Zusammenspiel mit Fixierelementen 43 der Fahrzeugeinheit 1 vorgesehen.
In Figur 3 ist die Fahrzeugeinheit 1 schematisch und ohne Gehäuse 30 von der Innenseite aus dargestellt. Zwei Kontaktarme 4L, 4R mit jeweils drei Führungselementen 41 R, 41 L sind vorgesehen. In jedem Führungselement 41 R, 41 L ist jeweils ein Kontaktelement 42R, 42L zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktkopfes 5 angeordnet. Die Kontaktelemente 42R, 42L sind mit den Kabeln 47R, 47L leitend verbunden. Die Kabel 47R, 47L führen zu einer fahrzeuginternen Ladesteuerung oder zu einer Anschlusseinrichtung der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs und ermöglichen entsprechend das Laden der Traktionsbatterie, wenn sie mit einer Stromquelle über dem Kontaktkopf 5 in Verbindung steht.
Die beiden Kontaktarme 4L, 4R sind miteinander mittels einer Kinematik verbunden, welche hier als Drehverschluss-Kinematik ausgebildet ist und welche ein symmetrisches Ein- und Ausfahren der Führungselementen 41 R, 41 L in die zentral zwischen den Kontaktarmen 4L, 4R angeordnete Aufnahme 3 hinein und Wieder aus dieser heraus ermöglicht. Die Führungselemente 41 R, 41 L werden dabei zusammen mit den Kontaktelementen 42R, 42L in einer Richtung in die Aufnahme 3 hinein bewegt, die senkrecht auf der Einführrichtung Z für den Kontaktkopf 5 steht.
Dabei sind beide Kontaktarme 4R, 4L über jeweils ein Koppelungselement 44R, 44L mit einem Lenker 45 drehbar verbunden. Der Lenker 45 kann mittels einer Antriebsachse 46 um 180 Grad geschwenkt werden, um die Kontaktarme 42R, 42L aus einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung zu bringen und andersherum. In der geschlossenen Stellung sind die Führungselemente 42R, 42L in die Aufnahme 3 hinein geführt, wie in Figur 3 abgebildet. In einer geöffneten Stellung befinden sich die Führungselemente 42R, 42L im Inneren der Fahrzeugeinheit 1 und außerhalb der Aufnahme 3. Eine detaillierte Beschreibung der Drehverschluss-Kinematik erfolgt im Folgenden zu den Figuren 5a und 5b.
Eine symmetrische Ausbildung der jeweils drei Kontaktelementen 42R, 42L an jeder Kontaktarm 4L, 4R passt zu der Ausführungsform des Kontaktkopfes aus Figur 6. Andere beispielhafte Ausführungsmöglichkeiten eines Kontaktkopfes 5 und der dazu passenden Kontaktarme sind näher zu den Figuren 11 und 12 erläutert. Insbesondere können je nach Ausgestaltung der jeweiligen Übertragungseigenschaften auch mehr oder weniger als drei Kontaktelemente vorgesehen sein.
In Figur 3 ist die Fahrzeugeinheit 1 in einem inaktiven Zustand abgebildet, wobei die Abdeckung 2 die Aufnahme 3 verschließt. Dabei ist der bereits zu Figur 2 erwähnte Verriegelungsmechanismus der Abdeckung 2 gut zu sehen. Die zwei an der Abdeckung befestigten Verriegelungshaken 21 liegen knapp oberhalb der Verriegelungsöffnungen 22. Die Verriegelungsöffnungen 22 sind in Figur 3 nicht zu sehen, da das Gehäuse 30 um die Aufnahme 3 nicht abgebildet ist. Jedoch kann man sich vorstellen, dass die Fixierelementen 43R, 43L, die an den Kontaktarmen 4R, 4L angeordnet sind, bei einem Übergang der Kontaktarme 4R, 4L aus einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung durch die Verriegelungsöffnungen 22 hindurchdringen und damit in die Verriegelungshaken 21 eintreten und diese gemeinsam mit der Abdeckung 2 fixieren. Durch die Verwendung einer entsprechenden Geometrie der Verriegelungshaken 21 und/oder der Fixierelemente 43R, 43L - beispielsweise durch die Ausbildung einer keilförmigen Ausgestaltung - kann ein erhöhter Dichtungsanpressdruck der Abdeckung 2 an dem übrigen Gehäuse erreicht werden, so dass eine zuverlässige Abdichtung bereitgestellt werden kann.
In Figuren 4a und 4b ist die Fahrzeugeinheit 1 von innere Seite des Unterbodens aus schematisch und mit Gehäuse 30 dargestellt. Dabei sind in Figur 4a die Kontaktarme 4R und 4L in einer geöffneten Stellung und in Figur 4b in einer geschlossenen Stellung dargestellt. In beiden Figuren ist darüber hinaus ein Gehäuse des Antriebsmechanismus 461 , welcher die beiden Kontaktarme 4R, 4L mittels der Antriebsache 46 bewegt, zu sehen. Ebenfalls ist in Figuren 4a und 4b ein Gehäuse des Abdeckungsantriebs 202 mit einer Antriebsachse 201 zum Schwenken der Abdeckung 2 um die Schwenkachse 20 herum aus einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung und andersherum zu erkennen. Die entsprechenden Antriebe sind bevorzugt als Elektromotoren oder Servomotoren ausgebildet.
In Figur 4a sind die Kontaktarme 4R und 4L in einer geöffneten Stellung gezeigt, womit die Führungselemente 41 R, 41 L im Ganzen außerhalb der Aufnahme 3 beziehungsweise außerhalb des Gehäuses 30 und im Inneren des Unterbodens liegen. Die Kontaktarme 4R und 4L sind damit von außen aus nicht zu sehen, obwohl die Abdeckung 2 geöffnet ist. Die Aufnahme 3 steht damit zur Aufnahme eines Kontaktkopfes 5 bereit.
Nach dem Einführen des Kontaktkopfes 5 in die Aufnahme 3, wie es zu Figur 8 näher erläutert wird, werden die Kontaktarme 4R, 4L aus einer geöffneten Stellung in eine geschlossene Stellung bewegt, wobei die Führungselemente 41 R, 41 L durch die Ausnehmungen 32 im Gehäuse 30 hindurchdringen, wie in Figur 4b abgebildet. Dabei wird eine elektrische Verbindung zwischen den in den Führungselementen 41 R, 41 L angebrachten Kontaktelementen 42R, 42L und den Kontakten 51 R, 51 L am Kontaktkopf 5 hergestellt, wie es unten zu Figuren 9a bis 10b detailliert beschrieben ist.
In Figuren 5a und 5b ist eine Draufsicht auf die Fahrzeugeinheit 1 aus Figuren 4a und 4b ebenfalls von innen schematisch dargestellt. Mithilfe der beiden Figuren 5a und 5b wird im Folgenden der Mechanismus der Drehverschluss-Kinematik erklärt.
In Figur 5a befinden sich die Kontaktarme 4R, 4L in einer geöffneten Stellung entsprechend Figur 4a. Die Führungselemente 41 R, 41 L sind aus der Aufnahme 3 ausgefahren und sind im Inneren der Fahrzeugeinheit gelagert. Jeder Kontaktarm 4R, 4L ist an einem Ende schwenkbar mittels eines Drehgelenks 432R, 432L mit dem Gehäuse verbunden.
An dem anderen Ende stehen die Kontaktarme mittels Drehgelenken 441 R, 441 L mit den Koppelungselementen 44R, 44L in Verbindung. Die beide Koppelungselemente 44R und 44L sind damit an einem Ende mit Kontaktarmen 4R, 4L und am anderen Ende mit dem Lenker 45 drehbar gekoppelt. Der Lenker 45 kann über die Antriebsachse 46 gedreht werden. Bei einer Drehung um 180 Grad um die Antriebsache 46 im Gegenuhrzeigersinn, werden die Koppelungselemente 44R, 44L zusammengezogen. Da die beiden Kontaktarme 4R, 4L mit den Koppelungselementen 44R, 44L verbunden sind, werden auch diese symmetrisch zusammengezogen und gehen aus einer geöffneten Stellung entsprechend Figur 5a auf eine geschlossene Stellung entsprechend Figur 5b über. Nach einer darauffolgenden Drehung des Lenkers 45 im Uhrzeigersinn gehen die Kontaktarme 4R, 4L wieder auf eine geöffnete Stellung über.
Die Kontaktarme 4R, 4L sind in einer Ebene parallel zum Unterboden beziehungsweise in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung Z des Kontaktkopfes 5 montiert. Mit anderen Worten sind die Verschwenkachsen der Drehgelenke 432R, 432L parallel zur Einführrichtung Z ausgerichtet.
Eine Montage der Kontaktarme 4R, 4L in einer Ebene parallel zur Einführrichtung Z des Kontaktkopfes 5 ist ebenfalls denkbar, wobei die Führungselemente 41 R, 41 L an den Kontaktarmen 4R, 4L dann so angebracht sind, dass sich bei einer Bewegung der Kontaktarme 4R, 4L in der Ebene parallel zur Einführrichtung Z die Führungselemente 41 R, 41 L in der Ebene senkrecht zu Einführrichtung Z in die Aufnahme 3 hinein und wieder aus dieser heraus bewegen können.
In Figur 6 ist der Kontaktkopf 5 schematisch von unten dargestellt. Der Kontaktkopf ist zylindrisch ausgebildet. An jeder Hälfte des Kontaktkopfes 5 sind drei Kontakte 51 R, 51 L übereinander angeordnet. Die Kontakte 51 R, 51 L verlaufen jeweils in einem Kreisabschnitt Phi, welcher kleiner als 180 Grad ist, bevorzugt 150 Grad ist, wobei das Gehäuse 50 des Kontaktkopfes 5 die Kontakte 51 R, 51 L an beiden Hälften bevorzugt in einem Kreisabschnitt von 30 Grad voneinander trennt und elektrisch isoliert. Ebenso trennt das Gehäuse 50 die übereinanderliegende Kontakte 51 R beziehungsweise 51 L voneinander. Jeder Kreisabschnitt Phi muss kleiner als 180 Grad sein, damit nicht derselbe Kreisabschnitt von beiden Kontaktarmen 4R, 4L kontaktiert werden kann.
Mit anderen Worten sind die übereinanderliegenden Kontakte 51 R, 51 L auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Kontaktkopfes 5 angeordnet. Die Kontakte 51 L, 51 R treten unter dem Kontaktkopf 5 in Form von Leiterbahnen 52L, 52R aus und sind über einen Roboterarm 62 oder über eine andere Hubvorrichtung mit der Stromquelle verbunden wie unten zum Figur 7 näher erläutert ist, damit das Laden der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs erfolgen kann.
Alternative Varianten des Kontaktkopfes 5 aus Figur 6 sind denkbar. Zum Beispiel können statt drei Kontakte an zwei Kreisabschnitten, zwei Kontakte an drei Kreisabschnitten angebracht werden. Die beiden Kreisabschnitte können verschieden groß sein. Die Zahl der Kreisabschnitte mit den Kontakten sowie die Zahl der übereinander angebrachten Kontakte ist beliebig variierbar, solange die Kontakte zur Seite des Kontaktkopfes frei zugänglich stehen, damit sie von der Fahrzeugeinheit 1 in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung Z des Kontaktkopfes 5 kontaktierbar sind.
In Figur 7 ist die Bodeneinheit 6 umfassend den Kontaktkopf 5 und einen Roboterarm 62 von unten schematisch dargestellt. Der Kontaktkopf 5 ist auf einem Verbindungselement 61 angeordnet, wobei die Leiterbahnen 52R, 52L mit Ladekabeln 63 leitend verbunden sind. Die Ladekabel 63 führen zur Stromquelle.
Statt einem Roboterarm kann auch eine andere Hubvorrichtung, welche den Kontaktkopf 5 in die Fahrzeugeinheit 1 einführen kann, vorgesehen sein. Der Kontaktkopf 5 wird dabei in Einführrichtung Z in die Aufnahme 2 der Fahrzeugeinheit 1 eingeführt.
Bei der gezeigten zylinderförmigen Ausbildung des Kontaktkopfes 5 fällt die Einführrichtung Z mit der Zylinderachse des Zylinders zusammen.
In Figur 8 ist eine Ladevorrichtung 100 umfassend eine Bodeneinheit 6 und eine Fahrzeugeinheit 1 von unten schematisch dargestellt. Die Abdeckung 2 der Fahrzeugeinheit 1 ist in einer geöffneten Stellung, damit der Zugang zur Aufnahme 3 für den Kontaktkopf 5 frei zugänglich ist. Der am Roboterarm 62 befestigte Kontaktkopf 5 wurde bereits in die Aufnahme 3 eingeführt und kann damit von der Fahrzeugeinheit 1 kontaktiert werden.
Eine Kontaktierung zwischen dem Kontaktkopf 5 und den Kontaktarmen 4R, 4L ist in Folgenden zu Figuren 9a, 9b und 10a, 10b detailliert erklärt.
In Figur 9a sind die Kontaktarme 4R, 4L und der Kontaktkopf 5 schematisch perspektivisch von oben dargestellt. Der Kontaktkopf 5 ist in die Aufnahme 3 eingeführt worden, aber die Kontaktarme 4R, 4L befinden sich immer noch in einer geöffneten Stellung. Es entsteht noch keine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktkopf 5 und Kontaktarmen 4R, 4L. Die Führungselemente 41 R, 41 L mit den Kontaktelementen 42R, 42L stehen nach dem Einführen des Kontaktkopfes 5 in die Aufnahme 3 niveaugleich mit den Kontakten 51 R, 52L des Kontaktkopfes 5.
Eine exakte Rotation des Kontaktkopfes 5 ist nach dem Einführen des Kontaktkopfes 5 in die Aufnahme 3 nicht nötig, da die Kontakte 51 R in einem Kreisabschnitt von 150 Grad verlaufen und es keine Rolle spielt, wo genau entlang dieses Kreisabschnittes die Kontakte 51 R, 51 L von den Kontaktelementen 42R, 42L kontaktiert werden. Es ist wird jedoch angenommen, dass eine grobe Orientierung des Kontaktkopfes 5 im Vorfeld gewährleistet wird, beispielsweise dadurch, dass durch den Stellplatz für das Elektrofahrzeug eine generelle Orientierung vorgegeben ist.
Beispielsweise darf bei einem Vorsehen der Kontakte 51 R, 51 L in einem Kreisabschnitt von 150 Grad die Orientierung des Kontaktkopfes 5 um +/- 75 Grad variieren. Ein Kontaktkopf 5, welcher eine völlig rotationssymmetrische Anbindung ermöglicht ist im Folgenden zu Fig. 11 beschrieben.
In Fig. 9b ist eine Ladevorrichtung 100 aus Fig. 9a gezeigt, wobei sich die Kontaktarme 4R, 4L in einer geschlossenen Stellung befinden. Die Führungselemente 41 R, 41 L mit den Kontaktelementen 42R, 42L werden von der Seite des Kontaktkopfes 5 in den Kontaktkopf 5 eingefahren, wobei die Kontaktelemente 42R, 42L dann mit den Kontakten 51 R, 52L elektrisch verbunden werden.
Die Figuren 10a und 10b zeigen eine schematische Seitenansicht der Ladevorrichtung 100 entsprechend den Figuren 9a und 9b. In Figur 10a stehen die Kontaktarme 4R, 4L in einer geöffneten Stellung, also es entsteht noch keine elektrische Verbindung zu dem Kontaktkopf 5. Die Kontaktelemente 42R, 42L stehen nach dem Einführen des Kontaktkopfes 5 in die Aufnahme 3 niveaugleich mit den Kontakten 51 R, 52L des Kontaktkopfes 5. Die Kontakte 51 R, 51 L sind als Leiterbahnen ausgebildet. Die Kontaktelemente 42R, 42L sind als ein Federclip ausgebildet. Beim Einfahren der Führungselemente 41 R, 41 L in den Kontaktkopf 5, dringen die als Leiterbahnen ausgebildete Kontakte 51 R, 51 L in die Federclips der Kontaktelemente 42R, 42L ein und werden von Federclips festgehalten. Damit ist eine stabile leitende Verbindung zwischen der Bodeneinheit 6 und der Fahrzeugeinheit 1 gewährleistet. Andere Formen einer lösbaren Verbindung zwischen Kontakten der Boden- und der Fahrzeugeinheit sind auch möglich.
Zum Schluss sind in Figuren 11 und 12 zwei weitere Ausführungen einer Ladevorrichtung 100 schematisch dargestellt.
In Figur 11 sind schematisch ein Kontaktkopf 5 und ein Kontaktarm 4 in einerweiteren Ausführungsform schematisch dargestellt. Der Kontaktkopf 5 hat sechs ringförmig übereinander angeordnete Kontakte 51. Damit ist eine völlig rotationssymmetrische Kontaktierung des Kontaktkopfes 5 möglich. Die Fahrzeugeinheit 1 weist nur einen Kontaktarm 5 mit sechs übereinander angeordneten Führungselementen 41 auf. Die Bewegung der Kontaktarmes 4 in der Ebene senkrecht zur Einführrichtung des Kontaktkopfes 5 resultiert in einer Bewegung der Führungselemente 41 in und aus dem Kontaktkopf 5.
In Figur 12 sind ein Kontaktkopf 5 in Form eines liegenden Zylinders und ein Kontaktarm 4 in einer alternativen Ausführungsform schematisch dargestellt. Der Kontaktkopf 5 weist sechs koaxial verlaufende Kontakte 51 auf, welche von der Seite offen zugänglich sind. Die Fahrzeugeinheit 1 weist einen Kontaktarm 4 mit ebenfalls sechs übereinander angeordneten Führungselementen 41 mit Kontaktelementen 42 auf. Der Kontaktarm 4 ist in der Ebene senkrecht zu Einführrichtung Z des Kontaktkopfes hin und her bewegbar, um eine elektrische Verbindung mit den Kontakten am Kontaktkopf 5 herzustellen.
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
100 Ladevorrichtung
10 Gehäuse
2 Abdeckung
20 Schwenkachse
201 Antriebsachse
202 Gehäuse der Abdeckungsantrieb
21 Verriegelungshaken
22 Verriegelungsöffnung
3 Aufnahme
30 Gehäuse
31 Stift
32 Ausnehmung
4L, 4R Kontaktarm 41 R, 41 L Führungselement 42, 42R, 42L Kontaktelement 43R, 43L Fixierelement 432R, 432L Drehgelenke 44R, 44L Koppelungselement 441 L, 441 R Drehgelenk
45 Lenker
45a, 45b Drehgelenk
46 Antriebsachse 461 Gehäuse des Antriebsmechanismus
47R, 47L Kabel
5 Kontaktkopf
50 Kontaktkopfgehäuse
51 R, 51 L Kontakte Phi Kreisabschnitt von Kontaktleiterbahnen
52R, 52L Leiterbahn
6 Bodeneinheit 61 Verbindungselement 62 Roboterarm 63 Ladekabel
Z Einführrichtung

Claims

Ansprüche
1 . Fahrzeugeinheit (1) zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine Aufnahme (3), die zum Aufnehmen eines in einer Einführrichtung (Z) eingeführten Kontaktkopfes (5) einer Bodeneinheit (6) ausgebildet und eingerichtet ist, und Kontaktelemente (42) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontakten (51) des Kontaktkopfes (5), wobei die Kontaktelement (42) zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Kontaktkopf (5) in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung (Z) bewegbar sind.
2. Fahrzeugeinheit (1) mit einer Aufnahme (3) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kontaktelement (42R, 42L) auf einem Kontaktarm (4L, 4R) angeordnet ist und der Kontaktarm (4L, 4R) so eingerichtet und ausgebildet ist, dass eine Bewegung des Kontaktarms (4L, 4R) in einer Bewegung des Kontaktelements (42) in die Aufnahme (3) hinein oder aus dieser heraus in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung (Z) des Kontaktkopfes (5) resultiert.
3. Fahrzeugeinheit (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kontaktarm (4L) und ein zweiter Kontaktarm (4R) vorgesehen sind, an welchen jeweils mehrere, bevorzugt drei, Kontaktelemente (42R, 42L) angeordnet sind.
4. Fahrzeugeinheit (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktarm (4L) und der zweite Kontaktarm (4R) mittels einer Kinematik, bevorzugt einer Drehverschluss-Kinematik, miteinander verbunden sind, wobei die Kinematik das Ein- und Ausfahren der Kontaktelemente (42L, 42R) in die Aufnahme (3) ermöglicht.
5. Fahrzeugeinheit (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (3) durch ein Gehäuse (30) definiert wird, welches mindestens eine Ausnehmung (32), insbesondere zwei Ausnehmungen, aufweist, durch welche hindurch die Kontaktelemente (42R, 42L) zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit den Kontakten (51 R, 51 L) des Kontaktkopfes (5) treten kann.
6. Fahrzeugeinheit (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abdeckung zum Abdecken mindestens einer der Ausnehmungen vorgesehen ist.
7. Fahrzeugeinheit (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahme (3) eine Zentriervorrichtung, bevorzugt ein Stift (31), zur Positionierung des Kontaktkopfes (5) platziert ist, wobei sich die Zentriervorrichtung, bevorzugt der Stift (31), bevorzugt in der Einführrichtung (Z) erstreckt.
8. Fahrzeugeinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (2) im Wesentlichen rotationssymmetrisch, bevorzugt zylinderförmig, ausgebildet ist, wobei sich die Symmetrieachse, bevorzugt die Zylinderachse, in Einführrichtung (Z) erstreckt.
9. Fahrzeugeinheit (1 ) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung (2) zum Abdecken der Aufnahme (3) vorgesehen ist, wobei die Abdeckung (2) bevorzugt als eine Klappe mit einer Schwenkachse ausgebildet ist.
10. Fahrzeugeinheit (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) mindestens einen, bevorzugt zwei, Verriegelungshaken (21) aufweist, welcher beim Verschließen der Abdeckung (2) mit an einem Kontaktarm (4R, 4L) angeordneten Fixierelementen (43R, 43L) mittels der Kinematik fixiert werden.
11 . Bodeneinheit (6) mit einem an einer Hubvorrichtung, bevorzugt an einem Roboterarm (62), angeordneten Kontaktkopf (5) zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, wobei der Kontaktkopf (5) in einer Einführrichtung (Z) in eine Aufnahme (2) einer Fahrzeugeinheit (1) einführbar ist und Kontakte (51) aufweist, die zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit Kontaktelementen (42) der Fahrzeugeinheit (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (51) des Kontaktkopfes (5) so ausgebildet und eingerichtet sind, dass sie in einer Ebene senkrecht zur Einführrichtung (Z) kontaktierbar sind.
12. Bodeneinheit (6) gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkopf (5) rotationssymmetrisch, bevorzugt zylinderförmig, ausgebildet ist und sich die Symmetrieachse, bevorzugt die Zylinderachse, in der Einführrichtung (Z) erstreckt, wobei die Kontakte (51) bevorzugt in Rillen im Mantel des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt im Zylindermantel, angeordnet sind.
13. Bodeneinheit (6) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (51) des Kontaktkopfes (5) in Einführrichtung (Z) übereinander im Mantel des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt im Zylindermantel, angeordnet sind, wobei bevorzugt drei oder sechs Kontakte (51) ringförmig übereinander angeordnet sind.
14. Bodeneinheit (6) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (51) sich jeweils nur im Wesentlichen in einer Hälfte des Mantels des rotationssymmetrischen Kontaktkopfes, bevorzugt des Zylindermantels, erstrecken, wobei die Kontakte (51) bevorzugt jeweils in einem Kreisabschnitt (Phi), der kleiner als 180 Grad und größer als 90 Grad, bevorzugt 150 Grad ist, verlaufen.
15. Ladevorrichtung (100) zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs mit einer Fahrzeugeinheit (1) gemäß einem der oben genannten Ansprüche 1 bis 10 und einer Bodeneinheit (6) gemäß einem der oben genannten Ansprüche 11 bis 14.
16. Verfahren zum automatischen Laden eines Elektrofahrzeugs, aufweisend folgende Schritte:
Bereitstellen einer im Unterboden des Elektrofahrzeugs angebrachten Fahrzeugeinheit (1) mit einer Aufnahme (2) und beweglichen Kontaktelementen (42);
Bereitstellen einer Bodeneinheit (6) mit einem Kontaktkopf (5);
Einführen des Kontaktkopfes (5) der Bodeneinheit (6) in die Aufnahme (2) der Fahrzeugeinheit (1) in einer Einführrichtung (Z); und
Bewegen der Kontaktelemente (42) in einer Ebene senkrecht zu der Einführrichtung (Z), um eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktkopf (5) und der Fahrzeugeinheit (1) herzustellen.
PCT/EP2021/067384 2020-06-24 2021-06-24 Fahrzeugeinheit, bodeneinheit und verfahren zum laden einer batterie eines elektrofahrzeugs WO2021260132A1 (de)

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