AT519516A1

AT519516A1 - Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn

Info

Publication number: AT519516A1
Application number: ATA51164/2016A
Authority: AT
Inventors: Ing Dr Techn Gerfried Cebrat Dipl
Original assignee: Ing Dr Techn Gerfried Cebrat Dipl
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-07-15

Abstract

Es wird eine roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn vorgestellt, welche ein flexibles Laden von batterie-elektrischen Fahrzeugen erlaubt. Durch die Integration der Primärspulen in Bordsteinkanten sowie die Stromversorgung über Regenwassersammler wird der Aufwand zur Versorgung ganzer Straßenzüge minimiert. Zusätzlich lässt das System auch die Option offen in die Fahrbahn integrierte Primärspulen zu nutzen um während dem Fahren oder bei Schrägparkplätzen zu laden. Eine Kooperation zwischen Ladesystem, Fahrautomat und roboterisierter Vorrichtung verringert die Übertragungsverluste beim Laden und erhöht damit auch die elektromagnetische Verträglichkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn. Beim kontaktlosen Laden können sowohl die induktive als auch die resonante Übertragung genutzt werden. Die Vorrichtung kann auch für das kontaktbehaftete induktive Laden genutzt werden. Für ein offenes System ist ein Standard analog zu SAE J2954 notwendig.

In US2016303980 (Al) - Deployable Vehicle Inductive Charging Assembly wird eine Vorrichtung gezeigt bei der die Distanz zwischen Primär und Sekundärspule über eine Mechanik verringert wird.

Technische Aufgabe der vorgestellten Erfindung ist, ganze Straßenzüge mit einer berührungslosen Lademöglichkeit für elektrische Fahrzeuge mit Speicher für elektrische Energie (elektrochemische Akkus, Flusszellen, Kondensatoren, Hybride aus Akku und Kondensator o.ä.) auszustatten indem Fahrzeuge die Sekundärspule zusätzlich zum Ladezustand für das Nachladen aus der Fahrbahn um 90° an die Bordsteinkante klappen und vorteilhafterweise auch lateral dorthin verschieben können. In der Bordsteinkannte befindet sich die mindestens eine Primärspule.

Die gegenständliche Aufgabe wird beispielsweise über eine einklappbare Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an der Bordsteinkante gelöst, welche über mehrere Gelenke verfügt und beim Ausfahren die Sekundärspule gleichzeitig um 90° kippt und in Richtung Bordsteinkante verschwenkt. Die Bordsteinkante selbst, welche die Primärspule umfasst, besitzt vorteilhafterweise Kontakte an mindestens einem Ende, wodurch mehre Bordsteinkanten verbunden werden können und nur eine Anspeisung mit elektrischem Strom nötig ist. Vorteilhafterweise erfolgt die Stromversorgung über den Regenwassersammler, indem dort wasserresistente Kabel eingezogen werden welche vorteilhafterweise über Roboter verlegt und wenn an der Sohle des Regenwassersammlers verlegt mit einer schweren Abdeckung (auch des vertikalen Teils)gegen Beschädigung geschützt werden. Alternativ wird das Kabel an der Decke des Regenwassersammelkanals befestigt und zwischen den Schächten mit Schellen an der Decke des Regenwassersammelkanals befestigt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Zeichnungen näher erläutert, wobei Fig. 1 die Vorrichtung am Fahrzeug zeigt, Fig. 2 die Bordsteinkante und deren Stromversorgung, Fig. 3 die eingeklappte Position und Fig. 4 eine mögliche Verknüpfung Schwenk und der rotatorischen Bewegung.

Fig. 5 schlussendlich skizziert beispielhaft das Zusammenwirken der Steuerungskomponenten zur Optimierung der Übertragungseffizienz und Reduktion der Streuverluste.

Vorteil der vorgestellten Lösung ist ein Verzicht auf eine Verlegung von Leitungen und Primärspulen in der Fahrbahndecke. Die Ausrüstung der Straße bedarf nur eines Austauschs der Bordsteinkanten, und einer Stromversorgung, die für die Regenwassersammelkanäle an einem geeigneten Ort erfolgen kann, wo ein Netzebenenübergang (z.B. Transformatorenstation Ebene 6) erfolgt.

Das Fahrzeug wird vorteilhafterweise mithilfe eines Fahrautomaten oder optional nachrüstbaren Fahrassistenten parallel zur Bordsteinkante eingeparkt. Die Sekundärspule 1 klappt beispielsweise über das Getriebe 2 - welches diverse Gelenke 4 umfasst und an der Bodenplatte 3 des Fahrzeuges befestigt ist - in eine parallel Position zur Primärspule. Vorteilhafterweise wird der Vorgang bzw. Abstand zur Bordsteinkante 5 über einen Abstandssensor neben oder im Zentrum der Sekundärspule überwacht. Es können aber auch die Spulen selbst für Messungen benutzt werden wenn das Fahrzeug die Ansteuerung der Primärspulen in der Bordsteinkante fernsteuern kann. Die Vorrichtung kann modular aufgebaut sein, wodurch längere Fahrzeuge mit mehreren Sekundärspulen ausgerüstet werden können. In den Bordsteinkanten befinden sich mehrere Primärspulen beispielsweise analog zum FASTINCHARGE CONCEPT (Karakitsios, Karfopoulos, & Hatziargyriou). Dabei werden nur diejenigen Primärspulen angeschaltet werden, welche eine sehr gute Überdeckung zu den

Sekundärspulen besitzen. Vorteilhafterweise befinden sich im Zentrum und neben den Spulen mindestens drei NFC- bzw. RFID Antennen, wodurch eine Kommunikation und gleichzeitig über Triangulierung die Ausrichtung (Versatz, Parallelität, Verdrehung, Luftspalt) überprüft und gesteuert werden kann (Neagle, 2013). Daneben ist eine magnetische Positionierung über die Messung von Feldstärken möglich. J2954 sieht auch Dedicated Short Range Communication DSRC vor (Schneider), welches aber durch 4G Mobilfunk ersetzt werden könnte.

Die Aktuierung der Vorrichtung kann über einen einzigen Stellmotor, Linearmotor, Hydraulik oder Pneumatik erfolgen wenn die Dreh- mit der Schwenkbewegung durch ein Getriebe verknüpft werden. Dabei kann die Sekundärspule im eingefahrenen Zustand so positioniert werden, dass eine Nutzung von im Boden eingelassenen Primärspulen ebenso möglich ist. Die Vorrichtung kann auch mit einem lateral verfahrbaren Schlitten und einem über Stellmotor ausklappbaren Träger 1 für die Sekundärspule erfolgen.

Die Bordsteinkanten beispielsweise aus Beton, oder einem anderen nicht leitenden Werkstoff hoher Festigkeit sind untereinander elektrisch im Zweileiter oder Dreileitersystem verbunden. Vorteilhafterweise beinhalten die Bordsteinkanten auch Nahbereichs-Kommunikationsinfrastruktur für die Steuerung der Ladevorrichtung am Fahrzeug. Es ist aber auch möglich über GPS das Fahrzeug zu verorten und über Weitverkehrsnetze zu kommunizieren, wobei die Ladevorrichtungen in den Bordsteinkanten über Power Line Communication PLC verbunden sein können.

Die beispielsweise federbelasteten Kontakte 11 können in den Aufnahmen 7 bewegt werden ohne Kontakt zu verlieren. Die elektrische Verbindung zur Primärspule 6 kann in einem Kabelkanal 8 erfolgen. Die beispielhaft gezeigte Stromversorgung über den Deckel eines Regenwassersammlers 10 wird durch eine Kappe 9 geschützt.

Fig. 3 zeigt die Konstruktion in eingeklappter Position, wodurch auch horizontale in die Fahrbahn eingelassene Primärspulen zum Laden benutzt werden können.

In Fig. 4 wird beispielhaft eine Zwangskopplung der Verschwenkung mit dem Kippen der Sekundärspule 1 über ein Getriebe gezeigt - wobei die Zähnezahlen so gewählt werden dass die Sekundärspule in den Endpositionen horizontal bzw. vertikal zu liegen kommt. Alternativ zu Zahnrädern ist eine Anlenkung des unteren Teils der Sekundärspule möglich, womit sich ein so genanntes Getriebe ergibt, bei dem zwei Freiheitsgrade (Verschwenken und Kippen der Sekundärspule) gekoppelt werden.

Darüber hinaus sind aber andere Konstruktionen denkbar, welche sich aus der Kombination der Möglichkeiten für vertikale und horizontale Bewegung ergeben: - Formschlüssige Führung in einer (Schwalbenschwanz-) Schiene - Führung über Rollen in einer C-Schiene (Schubladenprinzip) - geführt über Gleit- oder Kugellager auf zylindrischen Stangen

Die Aktuierung kann über Elektroantrieb, pneumatische oder hydraulische Stellelement erfolgen. Die Ausführung wird auch davon abhängen inwieweit eine Integration in das Fahrzeug erfolgt, oder die Lösung nachgerüstet wird. Im ersten Falle kann die Vorrichtung während der Fahrt in einer Öffnung vorteilhafterweise hinter einer Klappe verborgen werden. Eine Nutzung von Stellmotoren für die getrennte Drehung der Primärspule und dem lateralen und vertikalen Verfahren erzeugt die höchste Flexibilität. Statt einer auf Sensoren basierenden Erkennung von möglichen Kollisionen, wenn Bordsteinkanten verschoben wurden oder Teile auf der Fahrbahn liegen, kann auch eine Erkennung über den Druck in pneumatischen und hydraulischen Systemen bzw. einer Momentenmessung in elektrischen Antrieben erfolgen.

Nach Einlangen des Ladewunsches wird die Parkposition bestimmt und bei bemanntem Fahrzeug kommuniziert und quittiert. Der optionale Fahrautomat positioniert das Fahrzeug so, dass die beste Annäherung an die Primärspulen erreicht werden kann (parallele Ausrichtung zu Bordsteinen). Dabei werden auch Mindestabstände zu anderen Fahrzeugen eingehalten um diesen das Ausparken zu ermöglichen. Vorteilhafterweise basiert dies auch auf einer Ermittlung der Abstände des der benachbarten Fahrzeuge zu dessen Nachbarn, welche bereits bei der Anfahrt gemessen werden können. Das roboterisierte Ladesystem achtet auf eine Minimierung des Luftspaltes und höchstmögliche Überdeckung der Spulen. Dabei kann es auch die Hilfe einer eventuell vorhandenen aktiven Federung des Fahrzeuges in Anspruch nehmen um dieses optimal für die Operation auszurichten. Die Hinderniserkennung vermeidet auch das Einklemmen von Gliedmaßen von spielenden Kindern und von Tieren. Die Sensorik zur Fahrzeugüberwachung bzw. für das automatische Fahren kann bei Annäherung von Lebewesen die übertragene Leistung reduzieren oder ganz abschalten um mögliche Beeinträchtigungen zu vermeiden. Auch Menschen mit sensibler Elektronik zur Erhaltung von Vitalfunktionen können beispielsweise über NFC oder DSRC eine Abschaltung oder Leistungsreduktion beim fahrzeuggebundenen Ladesystem oder der straßenseitigen Ladeinfrastruktur anfordern. Die Ermittlung der Ladeeffizienz kann über Leistungsmessungen in beiden Systemen erfolgen. EP2887489A1 zeigt eine Umsetzung der

Kombination von berührungslosem Laden und Kommunikation.

Zusätzlich kann auch noch die Abwicklung der Parkgebührenerhebung in das System integriert werden, um das berührungslose Laden zu steuern und abzurechnen. Dies betrifft einerseits Parkautomaten mit Nutzerschnittstelle und Bezahlfunktion und andererseits Systeme die mittels Smartphones oder entsprechenden Telematikeinrichtungen in Fahrzeugen arbeiten.

Mit der Vorrichtung sind auch Schrägparkplätze nutzbar, wenn die Sekundärspule parallel zum Boden ausgerichtet ist. Im Bereich Nutzfahrzeuge und Docks kann die Vorrichtung auch am Heck von Nutzfahrzeugen befestigt werden, bzw. an der Front, wenn die Be- und Entladung über eine Frontöffnung erfolgt wie beispielhaft in Fig. 6 gezeigt. Die Sekundärspule kann dabei auch während kleiner Bewegungen des Fahrzeuges z.B. durch das Befahren mit Gabelhubwagens nachjustiert werden. Im besten Falle wird die Sekundärspule an die Primärspule gedrückt um bei Bewegungen durch die Vorspannung der Vorrichtung den Kontakt zu behalten. Deckfahrzeuge ohne Fahrerinnenkabine können auch auf beiden Seiten mit einer Vorrichtung ausgerüstet werden.

Es ist auch denkbar Energie zwischen nebeneinander stehenden oder fahrenden Fahrzeugen auszutauschen, indem die Fahrzeuge entsprechend ausgerichtet werden und die Vorrichtungen über die Kontur des Fahrzeuges hinaus lateral verschoben werden.

Literaturverzeichnis

Karakitsios, I., Karfopoulos, E., & Hatziargyriou, N. (kein Datum). Fast Inductive Charging: The General Conceptr the Definition of the Energy Needs and the Energy Management System. Von http://www.fastincharge.eu/images/Communication/MedPowe r%20Paper_FastInCharge_project.pdf abgerufen

Neagle, C. (2013). How wireless charging can drive near-field Communications growth. Von http://www.networkworld.com/article/2163042/smartphones /how-wireless-charging-can-drive-near-field-communications-growth.html abgerufen

Schneider, J. (kein Datum). SAE J2954 OverView and path forward. Von http://www.sae.org/smartgrid/sae-j2954-status_l-2012.pdf abgerufen

Claims

Patentansprüche

1. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärspule wahlweise vertikal parallel zu der mindestens einen Primärspule in einem Bordstein und optional auch horizontal parallel zu einer Primärspule oder einem Set an Primärspulen in der Fahrbahn ausgerichtet wird.
2. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung nachträglich an Fahrzeugen montiert wird.
3. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Vorrichtung über einen einzigen Aktuator erfolgt indem die Elemente des Gelenk-Getriebes reib- oder formschlüssige verbunden sind.
4. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn, nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Fahrzeuges Vorrichtungen vorhanden sind um richtungsunabhängiges Parken sowie eine doppelte Übertragungsleistung bei Nutzung beider Systeme bei Laden aus in der Fahrbahn oder Garagenböden integrierten Primärspulen zu ermöglichen.
5. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrroboter genutzt wird um die relative Position der Spulen für die Leistungsübertragung zu optimieren, vorteilhafterweise geregelt über die Übertragungseffizienz welche optimalerweise durch Leistungsmessung in beiden Teilen des Übertragungssystems bestimmt wird.
6. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Federung des Fahrzeuges genutzt wird um die relative Position der Spulen für die Leistungsübertragung zu optimieren.
7. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordsteinkanten elektrisch leitend verbunden sind, vorteilhafterweise über eine tolerante Kupplung mit Gleitplatten und federbelasteten Stiften, so dass durch eine Verschiebung gegeneinander der Kontakt erhalten bleibt.
8. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung für die Bordsteinkanten über Regenwassersammler erfolgt.
9. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Abdeckungen der Regenwassersammler eine Durchführung für das Stromkabel integriert werden.
10. Roboterisierte fahrzeuggebundene Vorrichtung für das kontaktlose Laden von Fahrzeugen an Bordsteinkante und Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass Parkautomaten für die Verrechnung des Nachladens der Akkus benutzt werden, wobei dies in einem Verfahren aus Verrechnung des Energiebedarfs und fixer Aufschlag auf die zeitbezogenen Parkgebühren erfolgt.