DE102020101923A1

DE102020101923A1 - Ladesystem für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020101923A1
Application number: DE102020101923.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum elektrischen Laden eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs (4), mit einer fahrzeugseitigen Anschlussstelle (9) und zumindest einem infrastrukturseitigen Ladestecker (5), wobei das Ladesystem eine infrastrukturseitige Steuereinheit (31) aufweist, mittels der der Ladestecker (5) von seiner Ausgangsposition (A(xist, yist, zist)) über einen Stellweg (s(Δx,Δy,Δz)) in eine Zielposition (Z(xsoll,ysoll, zsoll)) verstellbar ist, in der der Ladestecker (5) in elektrischem Kontakt mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse (9) ist, um einen elektrischen Ladevorgang zu starten. Erfindungsgemäß ist der Steuereinheit (31) eine fahrzeugseitige Sensoreinheit (27) zugeordnet. Die fahrzeugseitige Sensoreinheit (27) erfasst mittels Koordinatenmesstechnik die Ist-Koordinaten (xist, yist, zist) des in der Ausgangsposition (A) befindlichen Ladesteckers (5) in einem Koordinatensystem (K). Auf der Grundlage der Ist-Koordinaten (xist, yist, zist) und der Zielkoordinaten (xsoll,ysoll,zsoll) des Ladesteckers (5) ermittelt die Steuereinrichtung (31) den Stellweg (s(Δx,Δy,Δz)).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum elektrischen Laden eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei Hybrid- oder rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen besteht der Bedarf, die Fahrzeug-Standzeiten in der eigenen Garage oder auf einer öffentlichen Park-Stellfläche für einen elektrischen Ladevorgang zu nutzen.
Hierzu ist aus der DE 10 2009 006 982 A1 ein gattungsgemäßes Ladesystem bekannt, das einen infrastrukturseitigen Ladestecker aufweist, der vollautomatisiert in elektrischem Kontakt mit einer fahrzeugseitigen Anschlussstelle bringbar ist, um einen elektrischen Ladevorgang zu starten. Das Ladesystem weist eine infrastrukturseitige Steuereinrichtung auf, mittels der eine Robotereinheit ansteuerbar ist. Die Robotereinheit verstellt den Ladestecker von seiner Ausgangsposition über einen Stellweg in eine Zielposition, in der der Ladestecker in elektrischem Kontakt mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse gebracht ist. Zur Erfassung der Ladestecker-Ausgangsposition und der Ladestecker-Zielposition weist die Robotereinheit eine Detektoreinheit auf, mittels der die Position der fahrzeugseitigen Anschlussstelle erfassbar ist. Für eine betriebssichere Erfassung ist die fahrzeugseitige Anschlussstelle mittels eines RFID-Chips markiert, der in drahtlose Signalverbindung mit der infrastrukturseitigen Steuereinrichtung bringbar ist.
Durch die Bereitstellung der Detektoreinheit auf der Infrastrukturseite sowie des RFID-Chips auf der Fahrzeugseite ergibt sich sowohl am Fahrzeug als auch an der Robotereinheit ein vergleichsweise großer mess- und regelungstechnischer Bauteilaufwand.
Aus der DE 10 2014 226 357 A1 ist eine Ladestation und ein Verfahren zum automatischen Laden eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ladesystem bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik mit einem reduzierten mess-/regelungstechnischen Bauteilaufwand realisierbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Das erfindungsgemäße Ladesystem besteht im Wesentlichen aus einer fahrzeugseitigen Vorrichtung auf Basis einer elektrisch schwenkbaren Ladebuchse sowie aus einem infrastrukturseitigen Schienensystem mit einem Ladeschlitten. Die Infrastrukturseite kann dabei zwischen dem privaten Bereich und dem öffentlichen Bereich unterteilt werden. Im privaten Bereich unterscheidet sich das Schienensystem zwischen einer Boden- und Tor-Montage. Für den öffentlichen Bereich kann das Ladesystem ebenerdig im Boden einer Fahrzeug-Stellfläche eingelassen sein oder als ein Aufbau auf dem Boden der Fahrzeug-Stellfläche realisiert sein. Das System für den öffentlichen Bereich ist dahingehend optimiert, dass es sehr einfach aufgebaut und skaliert werden kann. Durch das Schienensystem können unterschiedliche Parkplatz Geometrien und Formen einfach aufgebaut und ergänzt werden. Gleichzeitig dient das Schienensystem auch als optische Abgrenzung und Schutzfunktion der automatischen Ladebereiche. Der Ladeschlitten kann mittels des Schienensystems zweidimensional bewegt werden, während der Ladestecker mittels eines Hubmechanismus in die Ladebuchse gesteckt werden kann. Somit ist eine dreidimensionale Positionierung des Ladeschlittens bzw. des Steckers relativ zum Fahrzeug möglich. Die Grob- und Feinpositionierung erfolgt dabei durch eine Steuereinheit im Schienensystem mit Unterstützung von fahrzeugseitigen Daten (Positionsdaten aus den Ultraschallsensoren des Parksystems sowie Bildinformationen aus der Rückfahrkamera).
Die einzelnen Komponenten des Ladesystems lassen sich wie folgt untergliedern: eine fahrzeugseitige elektrisch schwenkbare Ladebuchse sowie ein Ladeschlitten für heimische Garage (Tor-Montage), ein Ladeschlitten für die heimische Garage (Boden-Montage) oder ein Ladeschlitten für öffentlichen Bereich.
Die fahrzeugseitige Ladebuchse kann im Fahrzeugunterboden schwenkbar eingebaut sein. Dabei wird die Funktionsweise der schwenkbaren Anhängekupplung verwendet. Per Tastendruck oder automatisch schwenkt die Ladebuchse mittels einer Drehbewegung aus der Heck- oder Front-Stoßstange aus und stellt einen Ladepunkt (d.h. eine Anschlussstelle) für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug zur Verfügung. Durch die Übernahme des Anhängerkupplung-Schwenkablaufes benötigt die Ladebuchse nur einen geringen Bauraum und ist im eingefahrenen Zustand nicht sichtbar. Dieser Mechanismus wird im weiteren Verlauf für ein automatisches Ladesystem verwendet. Die Ladebuchse kann beliebig ausgeführt werden. Entweder durch die Verwendung einer vorhandenen standardisierten Buchse oder mittels einer proprietären Lösung. Zur Sicherstellung des Crashverhaltens ist die Buchse im eingeschwenkten Zustand stromlos zu schalten. Das Laden mit Wechselspannung sowie Gleichspannung ist in Abhängigkeit der gewählten Buchse (z.B. Combo) gleichermaßen möglich.
Für die Positionierung des Ladeschlittens sollen die Ultraschallsensoren für die Grobausrichtung sowie die Rückfahrkamera für die Feinpositionierung verwendet werden.
In einer ersten Ausführungsvariante kann der Ladeschlitten in einer heimischen Garage (Tor-Montage) verbaut sein. In diesem Fall kann das Schienensystem auf eine vorhandene Infrastruktur eines Garagentores (z.B. Sequentialtor) installiert werden, welches einen Ladepunkt für ein Hybrid. oder Elektrofahrzeug zur Verfügung stellt. Über zwei horizontale Schienen kann ein Schlitten bewegt werden, welcher eine Horizontal-Bewegung ausführen kann. Auf dem Schlitten befindet sich ein weiteres Schienensystem in vertikaler Ausführung, welches eine Vertikal-Bewegung ausführen kann. Durch eine Trennung der vertikalen Schienen soll zusätzlich eine Tiefen-Bewegung (z.B. in der Fahrzeuglängsrichtung) ausgeführt werden (z.B. durch Scherenhub). Auf dem Schlitten und dem Ladepunkt können sich noch Referenzmarken (z.B. optisch) befinden, welche für ein Positionierungssystem verwendet werden können. Das Ladekabel wird dabei zwischen den horizontalen Schienen geführt und kann aufgewickelt/gefaltet werden. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung auch für ein Schleifleitungssystem erfolgen. Die relative Kabelführung für die gesamte „Schiene-Tor“-Einheit erfolgt ebenfalls über ein gefaltetes Kabel bzw. eine zusätzlich notwendige Auftrolltrommel für Kabel. Gegebenenfalls kann auch hier das Prinzip der Schleifleitung angewendet werden. Die gesamte Einheit des Schienensystems kann mit der Mechanik des vorhandenen Tores bewegt werden und ist somit bei geöffnetem Tor nicht im Fahrbereich der Garage. Mittels Notentriegelung kann der Schlitten auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker ist stromlos immer in einer Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Ladeschlitten in einer Boden-Montage in der Garage verbaut sein: In diesem Fall kann der Ladeschlitten auf einer am oder im Boden montierbaren, überfahrbaren Laufschiene installiert werden. Durch die Bodenschiene kann eine Horizontal-Bewegung des Ladeschlittens ausgeführt werden. Mittels des oben beschriebenen Schienensystems auf dem Ladeschlitten kann eine Vertikal-Bewegung und/oder eine Tiefen-Bewegung (z.B. in der Fahrzeuglängsrichtung) ausgeführt werden. Die Referenzmarken auf dem Ladeschlitten werden für die Positionierung des Ladesteckers benötigt. Wird der Ladeschlitten nicht benötigt, so kann dieser in eine Ausgangsposition, d.h. eine Parkposition, gefahren werden. Das Ladekabel wird gefaltet innerhalb der Bodenschiene geführt, alternativ kann die elektrische Kontaktierung auch für ein Schleifleitungssystem erfolgen. Mittels Notentriegelung kann der Schlitten auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker ist stromlos immer in einer Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Ladeschlitten im öffentlichen Bereich verbaut werden. In diesem Fall kann für den Ladeschlitten ein Schienensystem aufgebaut sein, auf welchen der Schlitten verfahrbar ist. Das Schienensystem dient dabei auch als Eingrenzung des Parkbereichs bei offenen Parkplätzen, bei Parkhäusern auch als Geländersystem. Es soll möglich sein, dass mehrere Schlitten auf dem Schienensystem verfahren können. Das Schienensystem kann mit insgesamt drei Schienen ausgeführt sein. In diesem Fall können zwei Schienen zur Positionierung dienen, während die dritte Schiene stromführend ist. Die Schlitten sind mit Stromabnehmern ausgestattet und sind in Streichkontakt mit der dritten Schiene.
Die Zuordnung der Ladeschlitten erfolgt dann nach Reihenfolge der Parkplätze. Der Ladevorgang kann gestartet werden, wenn ein Fahrzeug auf dem jeweiligen Parkplatz stehend erkannt wird (z.B. durch vorhandene optische oder induktive Parkplatzbelegungssysteme). Sollte keine Kommunikation mit einem parkenden Fahrzeug hergestellt werden können, wird kein Ladevorgang gestartet. Der zugeordnete Schlitten wird dann nicht aktiviert, bleibt aber in der Kette vorhanden. Die Schlitten bleiben während der Öffnungszeiten des Parkbereichs an den jeweiligen Parkpositionen. Ist der Parkplatz geschlossen, können die Schlitten an entsprechenden Sammelgaragen gebracht werden. Mittels Notentriegelung können die Schlitten auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker ist stromlos immer in der Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
Nachfolgend wird ein Positionierungs-Ablauf des Ladeschlittens zur Vorbereitung eines Ladevorgangs beschrieben: Das Ladesystem erkennt, dass ein Fahrzeug auf der Ladeposition (z.B. private Garage) steht und beginnt einen Kommunikationsaufbau mit dem Fahrzeug. Wenn das automatische Laden im Fahrzeug aktiviert ist, senden die Ultraschallsensoren die aktuellen Positionsdaten an das Ladesystem. Die Positionsdaten und der Positionieralgorithmus laufen auf der Steuereinrichtung bzw. über eine statische Internetverbindung auf einem Backend. Dabei sollen selbstlernende Mechanismen (z.B. neuronale Netze) Verwendung finden und auch die Daten andere Positionierungsvorgänge und Daten verwendet und ausgewertet werden. Die Fahrzeugschnittstelle stellt lediglich die Rohdaten der Sensoren zu Verfügung und koordiniert in einfacher Weise den Ladevorgang (Start/ Stopp/ Not-Stopp). Der Schlitten setzt sich in Bewegung und fährt Richtung Fahrzeugladestelle. Sofern von den Ultraschallsensoren der Ladeschlitten erkannt wird, schaltet sich die Rückfahrkamera zu und sendet die Bildinformationen an das Ladesystem. Dieses übernimmt mittels der Daten aus dem Fahrzeug die Feinpositionierung und steckt den Ladestecker. Das Laden beginnt.
Nachfolgend werden Einzelaspekte der Erfindung detailliert hervorgehoben:

So ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 - im Gegensatz zum Stand der Technik - auf eine infrastrukturseitige Detektoreinheit verzichtet. Anstelle dessen ist der infrastrukturseitigen Ladesystem-Steuereinrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 eine fahrzeugseitige Sensoreinheit zugeordnet. Die fahrzeugseitige Sensoreinheit kann mittels Koordinatenmesstechnik die Ist-Koordinaten des in der Ausgangsposition befindlichen Ladesteckers in einem Koordinatensystem messtechnisch erfassen. Auf der Grundlage der messtechnisch erfassten Ist-Koordinaten sowie der Ziel-Koordinaten des Ladesteckers kann die Steuereinrichtung den Stellweg ermitteln, über den der Ladestecker vollautomatisch bis in seine Zielposition verstellt wird, in der der elektrische Ladevorgang starten kann. Die Ziel-Koordinaten des Ladesteckers sind lageidentisch mit der fahrzeugseitigen Anschlussstelle. Deren Koordinaten sind fahrzeugseitig hinterlegt.

Zur Vorbereitung des Ladevorgangs werden die Koordinaten der fahrzeugseitigen Anschlussstelle zusammen mit den Ist-Koordinaten des in der Ausgangsposition befindlichen Ladesteckers in die Steuereinrichtung ausgelesen. Die Steuereinrichtung kann auf der Grundlage der Zielposition (das heißt die Position der fahrzeugseitigen Anschlussstelle) und der Ladestecker-Ausgangsposition den erforderlichen Ladestecker-Stellweg bis zur fahrzeugseitigen Anschlussstelle ermitteln.
Im Hinblick auf eine Komfortsteigerung beim Fahrzeug-Rangieren kann das Fahrzeug in gängiger Praxis ein Einparkhilfe-System mit Ultraschallsensoren aufweisen, die in einer Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandet im front-/ der heckseitigen Stoßfänger angeordnet sind. Zudem kann das Einparkhilfe-System zumindest eine Kamera, insbesondere Rückfahrkamera, aufweisen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante können die Ultraschallsensoren und die Kamera des Einparkhilfe-Systems in Doppelfunktion nicht nur als Einparkhilfe wirken, sondern zusätzlich auch Bestandteile des Ladesystems sein. In diesem Fall können die Ultraschallsensoren und/oder die Kamera die Ladestecker-Ausgangsposition erfassen. Anhand der sensorisch erfassten Ladestecker-Ausgangsposition kann ein fahrzeugseitiger Koordinatenmess-Baustein die Ist-Koordinaten im Koordinatensystem ermitteln.
Die Kamera kann beispielhaft eine Rückfahrkamera sein, die in der Fahrzeugquerrichtung in etwa mittig an der Heckklappe des Fahrzeugs positioniert ist. Die Kamera weist lediglich eine eingeschränkte Messreichweite auf, die nur einen Nahbereich der fahrzeugseitigen Anschlussstelle messtechnisch erfassen kann. Demgegenüber weisen die Ultraschallsensoren eine erweiterte Messreichweite auf, die zusätzlich auch einen Außenbereich außerhalb des Nahbereichs messtechnisch erfassen kann, der von der Kamera nicht mehr erfassbar ist.
Bei einer solchen Anordnung der Kamera sowie der Ultraschallsensoren kann der Positioniervorgang des Ladesteckers in eine Grobpositionierung und in eine Feinpositionierung aufgeteilt sein. Bei der Grobpositionierung kann die im Außenbereich befindliche Ladestecker-Ausgangsposition mittels der Ultraschallsensoren erfasst werden. Die infrastrukturseitige Steuereinrichtung kann auf der Grundlage der von der Ultraschallsensoren erfassten Ladestecker-Ausgangsposition über einen ersten Stellweg bis in eine Zwischenposition verstellen, die innerhalb des Anschlussstellen-Nahbereichs positioniert ist.
Anschließend kann eine Feinpositionierung erfolgen. In der Feinpositionierung wird die Ladestecker-Zwischenposition mittels der Rückfahrkamera erfasst und werden deren Koordinaten zur Steuereinrichtung weitergeleitet. Die Steuereinrichtung kann auf der Grundlage der kameraerfassten Ladestecker-Zwischenposition und der Ladestecker-Zielposition einen zweiten Stellweg ermitteln, über den der Ladestecker bis in die Ladestecker-Zielposition zu verstellen ist. Durch die Aufteilung in eine Grobpositionierung sowie in eine Feinpositionierung kann der Positioniervorgang insgesamt wesentlich zielgenauer durchgeführt werden, so dass ein betriebssicherer elektrischer Kontakt des Ladesteckers mit der fahrzeugseitigen Anschlussstelle gewährleistet ist.
Im Hinblick auf eine einwandfreie funktionsfähige Lage-Änderung kann der Ladestecker auf einem Schlitten angeordnet sein, der entlang von Schienen eines Schienensystems geführt wird. Beispielhaft kann der Ladestecker über den Schlitten in einer Fahrzeugquerrichtung querverstellt werden und/oder in einer Horizontalebene verstellt werden (je nach Schienen-Führung). Im Hinblick auf eine flexible Ladestecker-Positionierung ist es von Vorteil, wenn der Ladestecker unter Zwischenschaltung eines Vertikal-Hubelements am Ladeschlitten montiert ist. Mit Hilfe des Vertikal-Hubelements kann der Ladestecker in der Vertikalrichtung verstellt werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Ladestecker unter Zwischenschaltung eines Tiefen-Hubelements am Ladeschlitten montiert sein. Mit Hilfe des Tiefen-Hubelements kann der Ladestecker in einer Tiefenrichtung (z.B. in der Fahrzeuglängsrichtung) innerhalb der an den Schienen aufgespannten Horizontalebene verstellt werden.
Eine betriebssichere Erfassung der Ladestecker-Position durch die fahrzeugseitige Sensoreinheit ist von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann am Ladestecker und/oder am Ladeschlitten zumindest eine Referenzmarke vorgesehen sein, mittels der die fahrerseitige Ladestecker-Ausgangsposition erfassbar ist und ein Stellweg des Ladesteckers bis in seine Zielposition überwacht werden kann. Bevorzugt kann eine erste Referenzmarke speziell von den Ultraschallsensoren des Fahrzeugs erfasst werden. Eine zweite Referenzmarke am Ladestecker und/oder am Ladeschlitten kann dagegen speziell von der fahrzeugseitigen Kamera erfasst werden.
In einer technischen Umsetzung kann das Schienensystem unmittelbar an einer Garagentor-Innenseite montiert sein. Alternativ dazu kann das Schienensystem, zum Beispiel auf einer öffentlichen Parkstellfläche, an einem bodennahen Geländer und/oder unmittelbar im Boden montiert sein. In diesem Fall kann das Schienensystem zumindest eine Fahrzeug-Stellfläche zumindest teilweise umgrenzen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 3 jeweils Ansichten eines Ladesystems in unterschiedlichen Betriebszuständen;
4 das Ladesystem in einer Ansicht von oben;
5 bis 7 jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Ladesystems.

In der 1 ist ein auf einer Fahrzeug-Stellfläche 1 installiertes Ladesystem gezeigt. Das Ladesystem weist einen auf Schienen 3 verstellbar geführten Ladestecker 5 auf, der über eine elektrische Versorgungsleitung 7 (in den 4, 5 oder 6 gezeigt) an einem Strom-Versorgungsnetz angeschlossen ist. Der Ladestecker 5 ist für einen elektrischen Ladevorgang in elektrischen Kontakt mit einer fahrzeugseitigen Anschlussstelle 9 (das heißt nachfolgend Ladebuchse) eines auf der Stellfläche 1 geparkten Fahrzeugs bringbar, wie es in der 3 gezeigt ist. In den Figuren ist die fahrzeugseitige Ladebuchse 9 an einem heckseitigen Stoßfänger 11 des Fahrzeugs angeordnet. Die Ladebuchse 9 kann bei Nichtgebrauch nach Art einer schwenkbaren Anhängerkupplung in eine nicht dargestellte Verstau-Position eingeschwenkt werden.
Es ist hervorzuheben, dass im erfindungsgemäßen Ladesystem die Steckrichtung des Ladesteckers 5 in die fahrzeugseitige Ladebuchse 9 beliebig realisiert werden kann. In den 1 bis 3 ragt die fahrzeugseitige Ladebuches 9 in der Fahrzeuglängsrichtung x nach fahrzeughinten ab, so dass die Steckrichtung des Ladesteckers 5 in der Fahrzeuglängsrichtung x ausgerichtet ist. Anstelle dessen kann in den 4 bis 7 die fahrzeugseitige Ladebuchse 9 in der Fahrzeughochrichtung z nach fahrzeugoben abragen, so dass die Steckrichtung des Ladesteckers 5 in der Fahrzeughochrichtung z nach unten ausgerichtet ist.
Wie aus der Figuren hervorgeht, erstrecken sich die Schienen 3 in einer Horizontalebene xy entlang der Fahrzeugquerrichtung y. Der Ladestecker 5 ist auf einem Ladeschlitten 13 positioniert, der entlang der Schienen 3 in der Fahrzeugquerrichtung y verstellbar ist. Zudem ist der Ladestecker 5 unter Zwischenschaltung eines Vertikal-Hubelements 15, das in der 5 Vertikalschienen aufweise, sowie unter Zwischenschaltung eines Tiefen-Hubelements 17 (3) am Ladeschlitten 13 montiert. Auf diese Weise kann der Ladestecker 5 beim Positioniervorgang in sämtliche Raumrichtungen verstellt werden, und zwar sowohl in der Fahrzeugquerrichtung y, in der Fahrzeughochrichtung z als auch in einer in Fahrzeuglängsrichtung x ausgerichteten Tiefen-Richtung.
Erfindungsgemäß ist die Einparkhilfe des Fahrzeugs Bestandteil des Ladesystems. Die Einparkhilfe weist in der 1 bis 3 Ultraschallsensoren 19 auf, die in der Fahrzeugquerrichtung y voneinander beabstandet im heckseitigen Stoßfänger 11 verbaut sind. Zudem weist die Einparkhilfe eine Rückfahrkamera 21 auf, die an einer Fahrzeug-Heckklappe montiert ist. Sowohl die Rückfahrkamera 21 als auch die in seiner Gebrauchslage befindliche Ladebuchse 9 liegen in den 1 bis 3 in einer Fahrzeuglängsmittelebene.
Die Ultraschallsensoren 19 sowie die Rückfahrkamera 21 sind in der 1 in signaltechnischer Verbindung mit einer fahrzeugseitigen Koordinatenmess-einheit 25, in der mittels Koordinatenmesstechnik die Ist-Koordinaten x_ist, y_ist, z_ist des in seiner Ausgangsposition A (1) befindlichen Ladesteckers 5 in einem Koordinatensystem K (1, 2 oder 3) messtechnisch erfasst werden. Sowohl die Koordinatenmesseinheit 25 als auch die aus den Ultraschallsensoren 19 und der Rückfahrkamera 21 bestehende Sensoreinheit 27 sind in der 1 auf der Fahrzeugseite F (d.h. im Fahrzeug) verbaut.
Die von der Sensoreinheit 27 erfasste Ausgangsposition A wird zusammen mit einer Ladestecker-Zielposition Z in eine auf der Infrastrukturseite I ( 1) angeordnete Steuereinrichtung 31 ausgelesen. Die Ladestecker-Zielposition Z ist dabei im Wesentlichen lageidentisch mit der Position der fahrzeugseitigen Ladebuchse 9.
Die Steuereinrichtung 31 ermittelt anhand der Ausgangsposition A und der Zielposition Z des Ladesteckers 5 einen Stellweg s, über den der Ladestecker 5 bis in seine Zielposition Z verstellbar ist.
Wie aus den 1 oder 2 weiter hervorgeht, weist die Rückfahrkamera 21 nur eine eingeschränkte Messreichweite auf, die lediglich einen Nahbereich 33 der fahrzeugseitigen Ladebuchse 9 messtechnisch erfasst. Demgegenüber weisen die Ultraschallsensoren 19 einen erweiterten Messbereich auf. Dieser deckt zusätzlich einen Außenbereich 35 außerhalb des Nahbereichs 33 messtechnisch ab, der von der Rückfahrkamera 21 messtechnisch nicht mehr erfasst werden kann.
Bei Verwendung von sowohl Ultraschallsensoren 19 als auch der Rückfahrkamera 21 kann die Positionierung des Ladesteckers in seiner Zielposition Z in eine Grobpositionierung und in eine Feinpositionierung aufgeteilt werden. In diesem Fall kann der Ladestecker 9 äußerst betriebssicher bis in elektrischen Kontakt mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse 9 gebracht werden.
In der Grobpositionierung kann eine noch im Außenbereich 35 befindliche Ladestecker-Ausgangsposition A (z.B. eine Parkposition) mittels der Ultraschallsensoren 19 erfasst werden. Die Steuereinrichtung 31 kann auf der Grundlage der Koordinaten der von den Ultraschallsensoren 19 erfassten Ladestecker-Ausgangsposition A und der Ladestecker-Zielposition Z den Ladestecker 5 um einen ersten Stellweg s₁ (2) bis in eine Zwischenposition P verstellen. Die Zwischenposition P des Ladesteckers 5 befindet sich innerhalb des Ladebuchsen-Nahbereichs 33, und zwar in einer Längsflucht zur Ladebuchse 9.
Anschließend erfolgt eine Feinpositionierung, bei der zunächst die Zwischenposition P (2) des Ladesteckers 5 mittels der Rückfahrkamera 21 erfasst wird. Die Steuereinrichtung 31 verstellt auf der Grundlage der kameraerfassten Ladestecker-Zwischenposition P den Ladestecker 5 um einen zweiten Stellweg s₂ (2) bis in seine Zielposition Z (3), in der sich der Ladestecker 5 in elektrischem Kontakt mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse 9 befindet. Nach Abschluss des Ladevorgangs wird der Ladestecker 5 mitsamt Ladeschlitten 13 von der Steuereinrichtung 31 wieder in seine Ausgangslage A (1) verstellt.
Damit die fahrzeugseitige Sensoreinheit 27 den Ladestecker 5 betriebssicher detektieren kann, sind auf dem Ladestecker 5 sowie auf dem Ladeschlitten 13 jeweils Referenzmarken R₁,R₂ (4 oder 5) vorgesehen. Mittels der ersten Referenzmarke R₁ können speziell die Ultraschallsensoren 19 Ladestecker-Position betriebssicher erfassen. Demgegenüber kann mittels der Referenzmarke R₂ die Rückfahrkamera 21 die Ladestecker-Position betriebssicher erfassen.
In der 5 ist der Ladeschlitten 13 beispielhaft in einem für heimische Garage (Tor-Montage) verbaut. In diesem Fall ist das Schienensystem auf einer vorhandenen Infrastruktur eines Garagentores (z.B. Sequentialtor) installiert. Auf dem Schlitten 13 und dem Ladepunkt (d.h. der fahrzeugseitigen Ladebuchse 9) befinden sich Referenzmarken R (z.B. optisch), welche für das Positionierungssystem verwendet werden können. Das Ladekabel 7 ist zwischen den horizontalen Schienen 3 geführt und kann aufgewickelt/gefaltet werden. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung auch mittels eines nicht gezeigten Schleifleitungssystems erfolgen. Die Kabelführung erfolgt über ein gefaltetes Kabel bzw. eine zusätzlich notwendige Auftrolltrommel für Kabel. Gegebenenfalls kann auch hier das Prinzip der Schleifleitung angewendet werden. Das Schienensystem kann mit der Mechanik des vorhandenen Tores bewegt werden und ist somit bei geöffnetem Tor nicht im Fahrbereich der Garage. Mittels Notentriegelung kann der Schlitten 13 auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker 5 ist stromlos immer in einer Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
In der 6 ist der Ladeschlitten 13 beispielhaft in einer Garage in Boden-Montage in etwa ebenerdig verbaut. In diesem Fall ist der Ladeschlitten 13 auf einer am bzw. im Boden montierbaren überfahrbaren Laufschiene 3 installiert. Durch die Bodenschiene 3 kann eine Horizontal-Bewegung des Ladeschlittens 13 ausgeführt werden. Mittels eines nicht gezeigten Vertikal- und/oder Tiefen-Hubelements kann der Ladeschlitten 13 kann eine Bewegung in der Fahrzeughochrichtung z und/oder in der Fahrzeuglängsrichtung x ausführen. Die Referenzmarkierungen R auf dem Ladeschlitten 13 werden für die Positionierung des Ladesteckers 5 benötigt. Wird der Ladeschlitten 13 nicht benötigt, so kann dieser in seine Ausgangsposition A (z.B. eine Parkposition) gefahren werden. Das Ladekabel 7 wird gefaltet innerhalb der Bodenschiene 3 geführt. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung auch mittels eines nicht gezeigten Schleifleitungssystems erfolgen. Mittels Notentriegelung kann der Schlitten 13 auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker 5 ist stromlos immer in einer Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
In der 7 ist der Ladeschlitten 13 beispielhaft in einem öffentlichen Bereich verbaut: In diesem Fall ist dient das Schienensystem des Ladeschlittens 13 zusätzlich als Eingrenzung des Parkbereichs bei offenen Parkplätzen, bei Parkhäusern auch als Geländersystem. Das Schienensystem weist mehrere Schlitten 13 auf. In dem Schienensystem können die zwei Schienen 3 zur Ladeschlitten-Positionierung dienen, während eine nicht gezeigte dritte Schiene stromführend ist. Die Schlitten 13 können mit Stromabnehmern ausgestattet sein und in Streichkontakt mit der dritten Schiene sein.
Die Zuordnung der Ladeschlitten 13 kann nach Reihenfolge der Parkplätze erfolgen. Der Ladevorgang kann gestartet werden, wenn ein Fahrzeug auf dem jeweiligen Parkplatz stehend erkannt wird (z.B. durch vorhandene optische oder induktive Parkplatzbelegungssysteme). Sollte keine Kommunikation mit einem parkenden Fahrzeug hergestellt werden können, wird kein Ladevorgang gestartet. Der zugeordnete Schlitten 13 wird dann nicht aktiviert, bleibt aber in der Kette vorhanden. Die Schlitten 13 bleiben während der Öffnungszeiten des Parkbereichs an den jeweiligen Parkpositionen. Ist der Parkplatz geschlossen, können die Schlitten 13 an entsprechenden Sammelgaragen gebracht werden. Mittels Notentriegelung können die Schlitten 13 auch manuell bewegt werden. Der Ladestecker 5 ist stromlos immer in einer Nulllage, d.h. eine Vorspannung im aktiven Betrieb ist notwendig.
Bezugszeichenliste

1: Stellfläche
3: Schienen
4: Fahrzeug
5: Ladestecker
7: elektrische Versorgungsleitung
9: fahrzeugseitige Anschlussstelle oder Ladebuchse
11: heckseitiger Stoßfänger
13: Ladeschlitten
15: Vertikal-Hubelement
17: Tiefen-Hubelement
19: Ultraschallsensoren
21: Rückfahrkamera
25: Koordinatenmesseinheit
27: Sensoreinheit
29: drahtlose Kommunikationsverbindung
31: Steuereinrichtung
33: Ladebuchsen-Nahbereich
35: Außenbereiche
K: Koordinatensystem
F: Fahrzeugseite
I: Infrastrukturseite
A: Ausgangsposition
Z: Zielposition
P: Zwischenposition
s: Stellweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009006982 A1 [0003]
DE 102014226357 A1 [0005]

Claims

Ladesystem zum elektrischen Laden eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs (4), mit einer fahrzeugseitigen Anschlussstelle (9) und zumindest einem infrastrukturseitigen Ladestecker (5), wobei das Ladesystem eine infrastrukturseitige Steuereinheit (31) aufweist, mittels der der Ladestecker (5) von seiner Ausgangsposition (A(x_ist,y_ist,z_ist)) über einen Stellweg (s(Δx,Δy,Δz)) in eine Zielposition (Z(x_soll,y_soll,z_soll)) verstellbar ist, in der der Ladestecker (5) in elektrischem Kontakt mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse (9) ist, um einen elektrischen Ladevorgang zu starten, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit (31) eine fahrzeugseitige Sensoreinheit (27) zugeordnet ist, und dass die fahrzeugseitige Sensoreinheit (27) mittels Koordinatenmesstechnik die Ist-Koordinaten (x_ist, y_ist, z_ist) des in der Ausgangsposition (A) befindlichen Ladesteckers (5) in einem Koordinatensystem (K) messtechnisch erfasst, und dass die Steuereinrichtung (31) auf der Grundlage der Ist-Koordinaten (xist, yist, z_ist) und der Zielkoordinaten (x_soll,y_soll,z_soll) des Ladesteckers (5) den Stellweg (s(Δx,Δy,Δz)) ermittelt.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziel-Koordinaten (x_soll,y_soll,z_soll) des Ladesteckers (5) fahrzeugseitig hinterlegt sind, und dass die Ziel-Koordinaten (x_soll,y_soll,z_soll) zusammen mit den Ist-Koordinaten (xist, yist, z_ist) über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (29) in die Steuereinrichtung (31) auslesbar sind.
Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Einparkhilfe-System mit Ultraschallsensoren (19) und/oder mit zumindest einer Kamera (21), insbesondere Rückfahrkamera, aufweist, und dass insbesondere die Ultraschallsensoren (19) in einer Fahrzeugquerrichtung (y) voneinander beabstandet im front- und/oder heckseitigen Stoßfänger (11) angeordnet sind.
Ladesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoren (19) und/oder die Kamera (21) in Doppelfunktion zusätzlich auch Bestandteile des Ladesystems sind, so dass mittels der Ultraschallsensoren (19) und/oder der Kamera (21) die Ladestecker-Ausgangsposition (A(x_ist,yist, z_ist)) erfassbar ist, und dass insbesondere der fahrzeugseitigen Sensoreinheit (27) eine Koordinatenmess-Einheit (25) zugeordnet ist, die aus der sensorisch erfassten Ladestecker-Ausgangsposition (A) deren Ist-Koordinaten (xist, y ist, z_ist) im Koordinatensystem (K) ermittelt.
Ladesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (21) eine eingeschränkte Messreichweite aufweist, die nur einen Nahbereich (33) der fahrzeugseitigen Anschlussstelle (9) messtechnisch erfasst, und dass die Ultraschallsensoren (19) eine erweiterte Messreichweite aufweisen, die zusätzlichen einen Außenbereich (35) außerhalb des Nahbereichs (33) messtechnisch erfasst, der von der Kamera (21) messtechnisch nicht erfassbar ist.
Ladesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Positioniervorgang des Ladesteckers (5) von seiner Ausgangsposition (A) bis in seine Zielposition (Z) aufgeteilt ist in eine Grobpositionierung und in eine Feinpositionierung, und dass insbesondere in der Grobpositionierung die im Außenbereich (35) befindliche Ladestecker-Ausgangsposition (A) mittels der Ultraschallsensoren (19) erfassbar ist, und dass die Steuereinrichtung (31) auf der Grundlage der von den Ultraschallsensoren (19) erfassten Ladestecker-Ausgangsposition (A) den Ladestecker (5) bis in eine Zwischenposition (P) innerhalb des Anschlussstellen-Nahbereichs (33) verstellt, in der der Ladestecker (5) mittels der Kamera (21) erfassbar ist.
Ladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feinpositionierung die Steuereinrichtung (31) auf der Grundlage der kameraerfassten Ladestecker-Zwischenposition (P) den Ladestecker (5) bis in die Zielposition (Z) verstellt.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (5) auf einem Schlitten (13) angeordnet ist, der auf Schienen (3) eines Schienensystems geführt ist, und zwar insbesondere in einer Horizontalebene (xy) und/oder in einer Fahrzeugquerrichtung (y), und dass insbesondere der Ladestecker (5) unter Zwischenschaltung eines Vertikal-Hubelements (15) am Ladeschlitten (13) montiert ist, mittels dem der Ladestecker (5) in der Vertikalrichtung (z) verstellbar ist, und/oder dass der Ladestecker (5) unter Zwischenschaltung eines Tiefen-Hubelements (17) am Ladeschlitten (13) montiert ist, mittels dem der Ladestecker (5) in einer Tiefenrichtung (x) innerhalb der Horizontalebene (xy) verstellbar ist.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ladestecker (5) und/oder am Ladeschlitten (13) zumindest eine Referenzmarke (R₁, R₂) vorgesehen ist, mittels der die fahrzeugseitige Ladestecker-Ausgangsposition (I) erfassbar ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienensystem an einem Garagentor, an einem bodennahen Geländer oder im Wesentlichen ebenerdig im Boden montiert ist, und/oder dass das Schienensystem zumindest eine Fahrzeug-Stellfläche (1) zumindest teilweise umgrenzt.