DE102024111810A1

DE102024111810A1 - Ladesystem, Ladeanordnung sowie Verfahren zum automatischen Verbinden und Trennen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit einer Energiequelle einer Unterbodenladestation

Info

Publication number: DE102024111810A1
Application number: DE102024111810.5A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Grubauer; Alan Barrera Bohorquez
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-04-26
Filing date: 2024-04-26
Publication date: 2025-10-30

Abstract

Es wird ein Ladesystem 1 zum automatischen Verbinden eines Energiespeichers 5 eines Elektrofahrzeuges 18 mit einer Energiequelle 4 einer Unterbodenladestation 17, mit einer an der Unterbodenladestation 17 anordenbaren Kontaktierungseinheit (2), mit einer am Unterboden des Elektrofahrzeuges 18 anordenbaren Gegenkontaktierungseinheit 3, wobei die Kontaktierungseinheit 2 und/oder die Gegenkontaktierungseinheit 3 mindestens einen Elektromagneten 8 aufweist, welcher zum Herstellen einer elektrischen Steckverbindung eine magnetische Anziehungskraft 101 erzeugt, vorgeschlagen, wobei die Kontaktierungseinheit 2 ein bewegliches, männliches Kontaktelement 6 und die Gegenkontaktierungseinheit 3 ein stationäres, weibliches Kontaktelement 7 aufweist, wobei das männliche Kontaktelement 6 zur Herstellung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft 101 in axialer Richtung bezogen auf eine Mittenachse 100 zu dem weiblichen Kontaktelement 7 bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Ladeanordnung mit dem Ladesystem sowie ein Verfahren zum automatischen Trennen und Verbinden eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit einer Energiequelle einer Unterbodenladestation mittels des Ladesystems und/oder der Ladeanordnung.
Aktuelle auf dem Markt befindliche Ladesysteme basieren mehrheitlich darauf, dass eine Steckverbindung zwischen Fahrzeug und Ladevorrichtung manuell bedient wird. Hierbei befindet sich der fahrzeugseitige Ladeanschluss hersteller- und auch fahrzeugabhängig an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs und ist üblicherweise als Buchse ausgeführt. Diese Buchse ist durch eine Klappe verborgen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen und um das optische Gesamtbild des Fahrzeugs nicht zu beeinträchtigen. Hierbei ist das Ladesystem ganzheitlich daraufhin optimiert, durch einen Menschen bedient zu werden.
Besonders in Hinblick auf die Zukunftstrends Vehicle2Grid und dynamische Stromtarife sowie einem erhöhten Komfortzugewinn ist damit zu rechnen, dass zukünftig automatisierte Ladesysteme sowohl bei Flotten als auch im privaten Umfeld immer relevanter und verbreiteter werden. Automatisierte Ladesysteme können grob in die Kategorien WEVC (Wireless Electric Vehicle Charging), ACDS (Automatic Connection Device for the conventional Side connection interface) und ACDU (Automatic Connection Device Underbody) untergliedert werden. ACDU-Systeme bestehen aus einer ortsfest installierten Bodeneinheit, welche beispielsweise direkt in den Boden des Parkplatzes eingelassen sein kann, sowie einer Fahrzeugeinheit, die am oder im Unterboden des Fahrzeugs installiert ist. Zur Ermöglichung des Ladevorgangs muss die Fahrzeugeinheit mit der Bodeneinheit physikalisch verbunden werden.
Beispielsweise offenbart die Druckschrift WO 2023 222 811 A1 ein Verfahren zur automatischen elektrischen Verbindung, das für das kabelgebundene Aufladen eines wiederaufladbaren Elektro- oder Hybridfahrzeugs zwischen einem Stecker, der mit einer Stromversorgungseinheit des Elektrofahrzeugs verbunden ist, und einer Steckdose, die mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist, an das die Stromversorgungseinheit des Elektrofahrzeugs zum Aufladen angeschlossen werden muss, durchgeführt wird. Der Stecker ist zunächst in einem Gehäuse einer fahrzeugseitigen ersten Anschlusseinheit untergebracht, die eine erste Steuereinheit umfasst, und die Steckdose befindet sich an einer zweiten Anschlusseinheit, die sich auf der Seite des Stromnetzes befindet und eine zweite Steuereinheit umfasst. Der Stecker weist eine erste magnetische Architektur und die Steckdose eine zweite magnetische Architektur auf, wobei der Stecker und die Steckdose mechanisch durch Magnetismus gekoppelt werden können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladesystem vorzuschlagen, welches sich durch eine besonders einfache und automatisiert herstellbare Steckverbindung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Ladesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Ladeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gegenstand der Erfindung ist ein Ladesystem, welches zum automatischen Verbinden eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit einer Energiequelle einer Unterbodenladestation ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere dient die Ladeanordnung zum Anbinden des elektrischen Energiespeichers des Elektrofahrzeuges, wie z. B. eine Traktionsbatterie, an die Energiequelle, wie z. B. ein Stromnetz. Beispielsweise kann durch die Anbindung des Energiespeichers an die Energiequelle ein Ladevorgang des Energiespeichers oder ein Entladevorgang, z. B. zur Umsetzung einer Vehicle-to-Grind-Funktion (V2G), realisiert werden. Unter Elektrofahrzeugen können sowohl rein elektrisch betriebene auch als teilweise elektrisch betriebene bzw. hybridisierte Fahrzeuge verstanden werden.
Das Ladesystem weist eine an der Unterbodenladestation anordenbare und/oder angeordnete Kontaktierungseinheit auf. Insbesondere ist die Ladestation als ein sogenanntes ACDU-System (Automatic Connecting Underbody Device) ausgebildet. Die Ladestation ist vorzugsweise permanent an eine Energiequelle bzw. eine Stromquelle angeschlossen. Besonders bevorzugt ist die Kontaktierungseinheit über eine Versorgungsleitung dauerhaft mit der Energiequelle verbunden. Besonders bevorzugt ist die Unterbodenladestation zum konduktiven Laden des Elektrofahrzeuges, insbesondere des Energiespeichers, eingerichtet.
Das Ladesystem weist eine am Unterboden des Elektrofahrzeuges anordenbaren und/oder angeordnete Gegenkontaktierungseinheit auf. Insbesondere ist die Gegenkontaktierungseinheit dauerhaft und/oder fest bzw. unbeweglich am Unterboden des Elektrofahrzeuges angeordnet bzw. integriert. Die Kontaktierungseinheit ist hingegen vorzugsweise bewegbar ausgebildet. Insbesondere ist „bewegbar“ dahingehend zu verstehen, dass die Kontaktierungseinheit der Ladestation relativ zum Unterboden des Kraftfahrzeugs bewegbar ist, während die fahrzeugseitige Gegenkontaktierungseinheit stationär verbleibt.
Die Kontaktierungseinheit und/oder die Gegenkontaktierungseinheit weisen mindestens oder genau einen Elektromagneten auf, welcher zum Herstellen einer elektrischen Steckverbindung zwischen der Kontaktierungseinheit und der Gegenkontaktierungseinheit eine magnetische Anziehungskraft erzeugt. Insbesondere wird durch den Elektromagneten eine Magnetkraft in einer Steckrichtung der Steckverbindung erzeugt, um die Steckrichtung automatisch unter Einwirkung der Magnetkraft herzustellen. Beispielsweise kann die bewegbare Kontaktierungseinheit unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft vertikal in Richtung der Gegenkontaktierungseinheit bewegt werden. Insbesondere sind der elektrische Energiespeicher und die Energiequelle über die Steckverbindung elektrische miteinander verbunden bzw. kontaktiert.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kontaktierungseinheit ein bewegliches, männliches Kontaktelement und die Gegenkontaktierungseinheit ein stationäres, weibliches Kontaktelement aufweist, wobei das männliche Kontaktelement unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft in axialer Richtung bezogen auf eine Mittenachse, vorzugsweise in der Steckrichtung, zu dem weiblichen Kontaktelement bewegbar ist, um die elektrische Steckverbindung herzustellen. Insbesondere wird das männliche Kontaktelement selbsttätig durch Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft in das weibliche Kontaktelement gesteckt. Vorzugsweise kann der Elektromagnet bei einer Annäherung der Kontaktelemente betätigt werden, wodurch die Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft erzeugt wird. Bevorzugt weist das männliche Kontaktelement nach außen, insbesondere in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse, weisende Kontaktkörper und das weibliche Kontaktelement nach innen, insbesondere in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse, weisende Kontaktöffnungen auf, wobei zur Bildung der Steckverbindung jeweils ein Kontaktkörper in jeweils einer Kontaktöffnung aufgenommen ist. Vereinfacht dargestellt, ist das weibliche Kontaktelement als eine Buchse und das männliche Kontaktelement als ein Stecker ausgebildet. Im Speziellen bilden das weibliche und das männliche Kontaktelemente eine um die Mittenachse frei verdrehbare Steckverbindung. Hierbei können die beiden Kontaktelemente in jeder beliebigen Drehposition bzw. in einem beliebigen Drehwinkelbereich um die Mittenachse miteinander kontaktierbar sein. Besonders bevorzugt sind das weibliche und das männliche Kontaktelement bezüglich der Mittenachse rotationsymmetrisch und/oder kreisrund ausgebildet.
Es wird somit ein Ladesystem vorgeschlagen, welches eine Positionierung des männlichen Kontaktelements hinsichtlich einer automatischen Verbindung durch die Unterbodenladestation verbessert, so dass ein menschlicher Eingriff zum Anstecken der Kontaktierungseinheit für den Lade- bzw. Entladevorgangs nicht notwendig ist. Durch die fahrzeugseitige Anordnung des weiblichen Kontaktelements am Unterboden, wird eine ortsfeste Anordnung am Fahrzeug realisiert, wodurch das Herstellen der Steckverbindung auf Seiten des Fahrzeuges deutlich vereinfacht wird. Zudem kann die für die Herstellung der Steckverbindung notwendige Aktorik ausschließlich oder größtenteils seitens der Unterbodenladestation vorgesehen werden, so dass möglichst viele der benötigten beweglichen Teile in der Bodenstation angeordnet werden und die Gegenkontaktierungseinheit am Fahrzeug besonders einfach und somit kostengünstig ausgestaltet werden kann.
In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kontaktierungseinheit mindestens oder genau zwei diametral zur Mittenachse angeordnete Elektromagnete aufweist und die Gegenkontaktierungseinheit mindestens oder genau zwei diametral zur Mittenachse angeordnete Permanentmagnete aufweist, welche jeweils mit einem der Elektromagnete zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft in Wirkverbindung bringbar sind. Insbesondere ist eine „Wirkverbindung“ dahingehend zu verstehen, als dass die magnetische Anziehungskraft in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse zwischen dem Elektromagnet und jeweils gegenüberliegenden Permanentmagnet erzeugt wird. Bevorzugt wird die magnetische Anziehungskraft sowohl durch eine Magnetkraft des Permanentmagneten als auch eine Magnetkraft des Elektromagneten erzeugt. Hierzu sind die Elektromagnete und die Permanentmagnete vorzugsweise derart ausgebildet und/oder orientiert, dass diese in der Kontaktlage an den axialen Stirnflächen bzw. den Polflächen aneinander anliegen und/oder sich gegenseitig anziehen. Optional ist vorgesehen, dass die Kontaktierungseinheit in der Kontaktlage durch die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagnete gehalten ist, so dass die Elektromagnete nach Herstellen der Steckverbindung nicht weiter bestromt werden müssen. Es wird somit eine Ladeanordnung vorgeschlagen, welche sich durch eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung der fahrzeugseitigen Gegenkontaktierungseinheit auszeichnet.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kontaktierungseinheit und die Gegenkontaktierungseinheit jeweils mindestens oder genau zwei diametral zur Mittenachse angeordnete Elektromagnete aufweisen, welche miteinander zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft in Wirkverbindung bringbar sind. Insbesondere ist eine „Wirkverbindung“ dahingehend zu verstehen, als dass die magnetische Anziehungskraft in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse zwischen den einander gegenüberliegenden Elektromagneten erzeugt wird. Bevorzugt wird die magnetische Anziehungskraft sowohl durch eine Magnetkraft der Elektromagneten der Kontaktierungseinheit als auch eine Magnetkraft der Elektromagnet der Gegenkontaktierungseinheit erzeugt. Hierzu sind die Elektromagnete vorzugsweise derart ausgebildet und/oder orientiert, dass diese in der Kontaktlage an den axialen Stirnflächen bzw. den Polflächen aneinander anliegen und/oder sich gegenseitig anziehen. Optional ist vorgesehen, dass das männliche Kontaktelement in der Kontaktlage durch die magnetische Anziehungskraft der Elektromagnete auf einer Seite gehalten ist, so dass die Elektromagnete auf der anderen Seite nach Herstellen der Steckverbindung nicht weiter bestromt werden müssen. Es wird somit eine Ladeanordnung vorgeschlagen, welche sich durch eine genauere Steuerung der magnetischen Anziehungskraft auszeichnen. Zudem wird im Fehlerfall der Elektromangte die magnetische Anziehungskraft aufgehoben wird, so dass die Steckverbindung ohne Einwirkung von Magnetkräften gelöst werden kann.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Elektromagnete zum Trennen der elektrischen Steckverbindung eine magnetische Abstoßungskraft erzeugen. Insbesondere können zumindest die Elektromagnete der Kontaktierungseinheit und/oder der Gegenkontierungseinheit zum Trennen der Steckverbindung umgepolt werden, wodurch die Steckverbindung unter Einwirkung durch eine entgegen der Steckrichtung gerichtete Magnetkraft getrennt wird. Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit der Stromrichtung durch die Elektromagnete sowohl eine magnetische Anziehungskraft als auch eine auch eine magnetische Abstoßkraft erzeugt. Hierbei ist die magnetische Abstoßkraft vorzugsweise größer als die durch die Permanentmangte oder der gegenüberliegenden Elektromagnete aufgebrachten Haltekraft in der Kontaktlage. Beispielsweise kann die Höhe der Abstoßkraft durch die Stromstärke und die Richtung der Magnetkraft durch die Stromrichtung eingestellt werden. Besonders bevorzugt sind die Elektromagnete der bewegbaren Kontaktierungseinheit über die Energiequelle mit elektrischer Energie bzw. Strom versorgbar und gegebenenfalls die optionalen Elektromagnete der stationären Gegenkontaktierungseinheit über den Energiespeicher mit elektrischer Energie bzw. Strom versorgbar. Es wird somit eine Steckverbindung vorgeschlagen, welche besonders einfach und automatisierbar hergestellt bzw. getrennt werden kann.
In einer konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass die Anzahl und/oder Verteilungswinkel der Elektromagnete der Kontaktierungseinheit und der Permanentmagnete oder Elektromagnete, nachfolgend als Magnete bezeichnet, der Gegenkontaktierungseinheit identisch sind. Insbesondere sind die Magnete der Kontaktierungseinheit und der Gegenkontaktierungseinheit auf einem gemeinsamen Teilkreis liegend um die Mittenachse gleichmäßig verteilt und/oder beabstandet angeordnet. Unter dem Verteilungswinkel wird hierbei der Winkelbereich bzw. der Abstand zwischen den Magneten in Umlaufrichtung in Bezug auf die Mittenachse verstanden. Bevorzugt entspricht der Verteilungswinkel 360/n, wobei „n“ der Anzahl an Magneten entspricht. Beispielsweise weisen die Kontaktierungseinheit und die Gegenkontaktierungseinheit mehr als zwei, vorzugsweise mehr als vier, im Speziellen mehr als sechs der Magnete auf. Im Speziellen sind die Magnete der Kontaktierungseinheit und der Gegenkontaktierungseinheit in Bezug auf die Mittenachse drehsymmetrisch angeordnet. Im Speziellen sind die Magnete um das jeweilige Kontaktelement kreisförmig angeordnet. Durch den symmetrischen Aufbau der Ladeanordnung bzw. der symmetrischen Verteilung der Magnete wird eine gleichmäßige Verteilung der Magnetkraft ermöglicht und zugleich eine einfache Kontaktierung in unterschiedlichen Drehpositionen zwischen Kontaktierungseinheit und Gegenkontaktierungseinheit ermöglicht. Zudem wird eine Zentrierung der Kontaktelemente unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Elektromagnete der Kontaktierungseinheit und/oder Gegenkontaktierungseinheit einen U-förmigen Magnetkern aufweisen, wobei die Schenkel der Magnetkerne gleichgerichtet zur Mittenachse orientiert sind. Prinzipiell können die Kontaktierungseinheit und/oder die Gegenkontaktierungseinheit genau einen Elektromagneten mit U-förmigen Magnetkern aufweist, wobei die beiden Schenkel bezogen auf die Mittenachse diametral einander gegenüberliegend und/oder auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen. Vereinfacht dargestellt, ist der Elektromagnet koaxial zur Mittenachse angeordnet, wobei das zugehörige Kontaktelement radial zwischen beiden Schenkeln angeordnet ist. Alternativ können die die Kontaktierungseinheit und/oder die Gegenkontaktierungseinheit jedoch auch mehrere der Elektromagneten mit U-förmigen Magnetkern aufweisen, wobei die beiden Schenkel tangential zum Teilkreis angeordnet sein und/oder auf einer Tangente des Teilkreises liegen. Vereinfacht dargestellt, sind die mehreren Elektromagnete um das jeweilige Kontaktelement auf dem Teilkreis liegend angeordnet. Vorzugsweise sind die Schenkel aller Elektromagnete, insbesondere bei beidseitig ausgeführten U-förmigen Magnetkernen, gleichgerichtet und/oder gleichbeabstandet bzw. in der Kontaktlage deckungsgleich zueinander angeordnet. Es wird somit eine Ladeanordnung vorgeschlagen, welche mit einer geringeren Anzahl an Elektromagneten ausgeführt werden kann, da jeder Elektromagnet zwei Polflächen bereitstellt.
In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass jedem Schenkel bzw. jeder Polfläche des U-förmigen Magnetkerns jeweils ein Permanentmagnet zugeordnet ist. Anders formuliert, weist die Gegenkontaktierungseinheit je Elektromagnet jeweils zwei Permanentmagnete auf. Vereinfacht dargestellt, weist die Kontaktierungseinheit eine Anzahl von „n“ Elektromagneten auf und die Gegenkontaktierungseinheit eine Anzahl von „2n“ Permanentmagnete. Im Speziellen sind die Permanentmagnet um das weibliche Kontaktelement und/oder auf einem gemeinsamen Teilkreis liegend angeordnet. Dadurch kann die Anzahl der Elektromagnete weiter reduziert werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gegenkontaktierungseinheit eine Schutzabdeckung aufweist, wobei die Gegenkontaktierungseinheit in dem Nichtladezustand durch die Schutzabdeckung abgedeckt ist, um einen Fremdpartikeleintrag im Nichtladezustand zu verhindern. Insbesondere ist die Schutzabdeckung bewegbar, beispielsweise als ein Rollo, ausgebildet, wobei die Schutzabdeckung im Nichtadezustand ausgefahren ist und im Ladezustand eingefahren ist. Insbesondere erstreckt sich die Schutzabdeckung in einer Radialebene der Symmetrieachse und/oder ist in der Radialebene bewegbar. Im Speziellen ist zumindest das Kontaktelement der fahrzeugseitigen Kontaktierungseinheit durch die Schutzabdeckung abgedeckt, um ein Eindringen von Schmutz und Wasser sowie Beschädigungen durch Steinschlag zu verhindern. Durch die Schutzabdeckung wird eine gegenüber Umwelteinflüssen robuste Kontaktierungseinheit am Fahrzeug vorgeschlagen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Ladeanordnung mit einer Unterbodenladestation, einem Elektrofahrzeug und dem Ladesystem, wie dieses bereits zuvor beschrieben wurde. Die Kontaktierungseinheit ist mit einer Energiequelle der Unterbodenladenstation und die Gegenkontaktierungseinheit mit einem Energiespeicher des Elektrofahrzeuges elektrische verbunden. Die Ladestation ist zumindest teilweise und/oder zweitweise im Boden bzw. einer Bodenfläche des Parkplatzes versenkt. Insbesondere kann die Ladestation größtenteils oder vollständig versenkt bzw. bündig und/oder bodengleich zu dem Boden des Parkplatzes angeordnet sein. Weiterhin kann die Ladeanordnung eine Energiequelle umfassen, welche über eine Stromleitung mit ein oder mehreren Ladestationen, vorzugsweise deren männlichen Kontaktelement, elektrisch verbunden ist. Das Elektrofahrzeug ist auf dem Parkplatz gegenüber der Ladestation geparkt, wobei die Kontaktierungseinheit zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der Gegenkontaktierungseinheit verbunden ist bzw. wird. Insbesondere ist das Elektrofahrzeug mit der Gegenkontaktierungseinheit im Bereich der Ladestation bzw. oberhalb der Ladestation angeordnet.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Verbinden und Trennen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit einer Energiequelle einer Unterbodenladestation mittels des Ladesystems und/oder der Ladeanordnung, wie diese bereits zuvor beschrieben wurden. Im Rahmen des Verfahrens werden die Kontaktierungseinheit und die Gegenkontaktierungseinheit einander gegenüberliegenden angeordnet; der mindestens eine Elektromagnet zur Erzeugung einer magnetischen Anziehungskraft, insbesondere in einer ersten Stromrichtung, bestromt und das männliche Kontaktelement zur Herstellung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft in axialer Richtung bezogen auf die Mittenachse mit dem weiblichen Kontaktelement in Verbindung gebracht wird. Zur Erzeugung einer magnetischen Abstoßungskraft wird der mindestens eine Elektromagnet umgepolt, insbesondere in einer der ersten Stromrichtung entgegen gerichteten zweiten Stromrichtung bestromt, und das männliche Kontaktelement zur Trennung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Abstoßungskraft in axialer Gegenrichtung bezogen auf die Mittenachse aus dem weiblichen Kontaktelement ausgeworfen wird. Insbesondere ist zumindest die Gegenkontaktierungseinheit in einem Nichtladezustand durch die Schutzabdeckung abgedeckt und der Elektromagnet stromlos. Zur Herstellung der Steckverbindung wird die Schutzabdeckung entfernt bzw. zurückgefahren und der Elektromagnet der Kontaktierungseinheit und/oder Gegenkontaktierungseinheit, insbesondere in der ersten Stromrichtung, bestromt. Hierbei resultiert die Anziehungskraft aus der durch die von den Elektromagneten erzeugten Magnetkraft sowie optional der von den Permanentmagneten erzeugten Magnetkraft. Im Speziellen werden die Kontaktelemente unter Einwirkung der Anziehungskraft zur Mittenachse zentriert. In der Kontaktlage liegen die Elektromagnete der Kontaktierungseinheit an den Permanentmagneten oder den Elektromagneten der Gegenkontaktierungseinheit an. Im Speziellen kann eine Haltekraft hierbei durch die Magnetkraft der Permanentmagnete bereitgestellt werden und die Elektromagnete stromlos geschalten werden. Zum Trennen werden zumindest die Elektromagnete der Kontaktierungseinheit umgepolt bzw. in der zweiten Stromrichtung bestromt, wobei die Stromhöhe in der zweiten Stromrichtung so gewählt wird, dass die Magnetkraft der Elektromagnete größer als die Haltekraft der Permanentmagnete bzw. der Elektromagnete der Gegenkontaktierungseinheit ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigt:

1 eine stark schematische Darstellung einer Ladeanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine alternative Ausführung der Ladeanordnung in gleicher Darstellung wie in 1;
3 eine schematische Darstellung eines Elektromagneten und zwei Permanentmagnete für eine weitere alternative Ausführung Ladeanordnung;
4 eine schematische Darstellung zweier Elektromagnete für eine weitere alternative Ausführung Ladeanordnung;
5 eine schematische Darstellung eines Ladesystems aus 1 in einem NichtLadezustand;
6 das Ladesystem aus 5 beim Herstellen einer elektrischen Steckverbindung;
7 das Ladesystem aus 5 in einem Ladezustand;
8 das Ladesystem aus 5 beim Trennen der elektrischen Steckverbindung.

Die 1 und 2 zeigen jeweils zwei unterschiedliche Ausführungen einer Ladeanordnung 16 mit einem Ladesystems 1 in einer schematischen Darstellung. Die Ladeanordnung 16 umfasst ein stark schematisiertes Elektrofahrzeug 18, welches auf beispielsweise auf einer Bodenfläche angeordnet ist. Weiterhin weist die Ladeanordnung 16 eine Unterbodenladestation 17 auf, welche in die Bodenfläche integriert und unterhalb des Elektrofahrzeuges 18 angeordnet ist.
Das Ladesystem 1 weist eine ladestationsseitige Kontaktierungseinheit 2 und eine fahrzeugseitige Gegenkontaktierungseinheit 3 auf. Die Kontaktierungseinheit 2 ist hierbei der Unterbodenladestation 17 zugeordnet und dauerhaft mit einer Energiequelle 4, z. B. ein Stromnetz, elektrisch verbunden ist. Die Gegenkontaktierungseinheit 2 ist dem Elektrofahrzeug 18 zugeordnet und dauerhaft mit einem Energiespeicher 5, z. B. eine Traktionsbatterie, elektrisch verbunden.
Zur Herstellung einer elektrischen Steckverbindung ist die Kontaktierungseinheit 2 relativ zu der Gegenkontaktierungseinheit 3 beweglich, wobei die Gegenkontaktierungseinheit 3 stationär am Elektrofahrzeug 18 verbleibt. Die Kontaktierungseinheit 2 weist hierzu ein männliches Kontaktelement 6 und die Gegenkontaktierungseinheit 3 ein weibliches Kontaktelement 7 auf, welche zur Herstellung der elektrischen Steckverbindung in axialer Richtung in Bezug auf eine Mittenachse 100 miteinander verbunden werden können. Das männliche Kontaktelement 6 ist beispielsweise als ein Stecker und das weibliche Kontaktelement 7 als eine Buchse ausgebildet. Über die Steckverbindung erfolgt eine Anbindung der Energiequelle 4 an den Energiespeicher 5, um den Energiespeicher 5 mit elektrischer Energie aus der Energiequelle 4 zu laden oder um elektrische Energie aus dem Energiespeicher 5 in die Energiequelle 4 bzw. Stromnetz einzuspeisen.
Um ein automatisiertes Herstellen und Trennen der elektrischen Steckverbindung zu ermöglichen, weist die Kontaktierungseinheit 2 mehrere Elektromagnete 8 auf, welche in Umlaufrichtung bezüglich der Mittenachse 100 kreisförmig um das männliche Kontaktelement 6 gleichmäßig verteilt sind. Hierbei können die Elektromagnete 8 bestromt werden, um eine Magnetkraft bzw. ein Magnetfeld zu erzeugen.
Gemäß 1 weist die Gegenkontaktierungseinheit 3 mehrere Permanentmagnete 9 auf, welche in Umlaufrichtung bezüglich der Mittenachse 100 kreisförmig um das weibliche Kontaktelement 7 gleichmäßig verteilt sind. Hierbei sind die Anzahl und Verteilungswinkel der Elektromagnete 8 und der Permanentmagnete 9 identisch. Insbesondere sind die Elektromagnete 8 und die Permanentmagnete 9 in n Drehpositionen deckungsgleich zueinander angeordnet, wobei n der Anzahl an Elektromagneten 8 bzw. Permanentmagneten 9 entspricht. Mit anderen Worten, sind die Elektromagnete 8 und die Permanentmagnete 9 in einer n-zähligen Drehsymmetrie angeordnet.
Gemäß 2 weist die Gegenkontaktierungseinheit 3 anstelle der Permanentmagnete 9 mehrere weitere Elektromangte 10 auf, welche in Umlaufrichtung bezüglich der Mittenachse 100 kreisförmig um das weibliche Kontaktelement 7 gleichmäßig verteilt sind. Die Anzahl und Verteilungswinkel der Elektromagnete 8 und der weiteren Elektromangte 10 sind hierbei ebenfalls identisch. Zudem können die weiteren Elektromagnete 10 zusätzlich bestromt werden, um eine Magnetkraft bzw. ein Magnetfeld zu erzeugen.
Die Elektromagnete 8 und die optionalen weiteren Elektromagnete 10 sind jeweils durch einen mit einer Spule 11 umwickelten Magnetkern 12 gebildet, wobei die Spule 11 infolge eines elektrischen Stromes das Magnetfeld erzeugt, welches durch den Magnetkern geführt und verstärkt wird. Der Magnetkern 12 ist hierbei jeweils stabförmig und/oder I-förmig ausgebildet und gleichgerichtet zur Mittenachse 100 ausgerichtet. Hierbei ist jeweils eine Polfläche 13 eines Elektromagneten 8 in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse 100 gegenüber einer Polfläche 14 des Permanentmagneten 9 bzw. des weiteren Elektromagneten 10 angeordnet. Beispielsweise liegend die Polflächen 13, 14 jeweils in einer Radialebene der Mittenachse 100. Die Elektromagnete 8 sind mit den Permanentmagneten 9 bzw. den weiteren Elektromagneten 10 derart in Wirkverbindung bringbar, dass eine Positionierung und die Verbindung der beiden Kontaktelemente 6, 7 über die Magnetkräfte realisiert wird.
Die 3 und 4 zeigen jeweils eine alternative Ausführung der Elektromagnete 8 bzw. der weiteren Elektromagnete 10, welche jeweils einen U-förmigen Magnetkern 12 aufweisen, welcher mit seinen beiden Schenkeln gleichgerichtet zur Mittenachse 100 ausgerichtet ist. Bei der Verwendung von U-förmigen Magnetkernen 12 kann somit im Vergleich zu den I-förmigen Magnetkernen 12, wie in 1 und 2 gezeigt, die Anzahl der Elektromagnete 8 halbiert werden.
Gemäß 3 ist jedem Schenkel des Magnetkerns 12 jeweils ein Permanentmagnet 9 zugeordnet. Hierbei sind die beiden Polflächen 13 des Elektromagneten 8 in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse 100 gegenüber jeweils einer Polfläche 14 des jeweiligen Permanentmagneten 9 angeordnet. Bei der Verwendung von Permanentmagneten 9 kann somit auf der Seite der Ladestation jeweils ein Elektromagnet 8 für zwei Permanentmagnete 9 auf der Fahrzeugseite eingesetzt werden.
Gemäß 4 sind anstelle der Permanentmagnete 9 je Elektromagnet 8 jeweils ein Elektromagnete 10 vorgesehen, wobei jeweils die beiden Schenkel der Magnetkerne 12 der Elektromagnete 8, 10 einander zugewandt sind. Hierbei sind die beiden Polflächen 13 der Elektromagnete 8 in axialer Richtung bezüglich der Mittenachse 100 gegenüber den beiden Polflächen 14 der weiteren Elektromagnete 10 angeordnet. Beispielsweise können die Elektromagnet 8 und die Elektromagnete 10 baugleich ausgebildet sein.
Die fahrzeugseitige Gegenkontaktierungseinheit 7 weist zudem eine Schutzabdeckung 15, wie in den 1 und 2 gezeigt, auf, welche die fahrzeugseitige Kontaktierungseinheit 3, insbesondere das weibliche Kontaktelement 7 und die Permanentmagnete 9 bzw. die weiteren Elektromagnete 10, im Nichtladezustand gegenüber einer Umgebung abschirmt bzw. abdeckt. Die Schutzabdeckung 15 erstreckt sich im Wesentlichen in einer Radialebene der Mittenachse 100, wobei die Schutzabdeckung 15 in der Radialebene bewegbar ist, um die Kontaktierungseinheit 7 freizugeben bzw. zu verschließen. Beispielsweise ist die Schutzabdeckung 15 als ein Rollo ausgebildet. Somit ist die fahrzeugseitige Gegenkontaktierungseinheit 3 durch die Schutzabdeckung 15 gegen Umwelteinflüsse geschützt.
Gemäß der 5 bis 8 soll nachfolgend ein Verfahren zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der Kontaktierungseinheit 2 und der Gegenkontaktierungseinheit 3 beschrieben werden. Hierbei zeigt 5 das Ladesystem 1 in dem Nichtladezustand, wobei das weibliche Kontaktelement 7 und die Permanentmagnete 9 durch die Schutzabdeckung 15 abgedeckt sind und die Elektromagnete 8 stromlos sind.
Zur Herstellung der Steckverbindung wird die Kontaktierungseinheit 2 gegenüber der Gegenkontaktierungseinheit 3 positioniert wird und die Schutzabdeckung 15 zurückgefahren, wie in 6 gargestellt. Hierbei werden Permanentmagnete 9 freigelegt und die Elektromagnete 8 bestromt, wodurch eine magnetische Anziehungskraft 101 zwischen den Elektromagneten 8 und den Permanentmagnete 9 erzeugt wird. Die magnetische Anziehungskraft 101 bewirkt hierbei sowohl eine axiale Bewegung des männlichen Kontaktelements 6 in Richtung des weiblichen Kontaktelements 7 sowie eine koaxiale Zentrierung in Bezug auf die Mittenachse 100. Die magnetische Anziehungskraft 101 ergibt sich aus der Magnetkraft der Permanentmagnete 9 und der Elektromagnete 8.
Im Ladezustand, wie in 7 dargestellt, ist die Steckverbindung zwischen männlichen und weiblichen Kontaktelement 6, 7 hergestellt, wobei die Elektromagnete 8 mit ihrer Polfläche 13 an den Polflächen 14 des jeweils gegenüberliegenden Permanentmagneten 9 anliegen. Hierbei ist die Kontaktierungseinheit 2 in der Kontaktlage durch eine magnetische Haltekraft der Permanentmagnete 9 gehalten, wohingegen die Elektromagnete 8 stromlos geschalten werden. Beispielsweise können die Magnetkerne 12 hierzu aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Eisen, hergestellt sein.
Zum Trennen der elektrischen Verbindung werden die Elektromagnete 8 umgepolt bzw. die Stromrichtung gewechselt, wodurch eine magnetische Abstoßungskraft 102 zwischen den Elektromagneten 8 und den Permanentmagnete 9 erzeugt wird. Die magnetische Abstoßungskraft 102 bewirkt hierbei ein axiales Auswerfen des männlichen Kontaktelements 6 aus dem weiblichen Kontaktelement 7, wodurch die elektrische Steckverbindung aufgehoben wird. Hierbei muss die Stromhöhe der Elektromagnete 8 mindestens so groß sein muss, dass die Haltekraft der Permanentmagnete 9 überwunden wird bzw. die magnetische Abstoßungskraft 102 größer als eine auf den Magnetkern 12 wirkende Anziehungskraft der Permanentmagnete 9 ist.
Es wird somit ein Ladesystem 1 vorgeschlagen, welches ein automatisches Verbinden und Trennen der elektrischen Steckverbindung ermöglicht. Über die Umpolung der Elektromagnete 8 kann eine Trennung der elektrischen Verbindung automatisiert erfolgen, was vor allem im Fehlerfall die Möglichkeit einer möglichst schnellen Trennung und entsprechend der Sicherstellung der Stromfreiheit der Ladeverbindung ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Ladesystem
2: Kontaktierungseinheit
3: Gegenkontaktierungseinheit
4: Energiequelle
5: Energiespeicher
6: männliches Kontaktelement
7: weibliches Kontaktelement
8: Elektromagnete
9: Permanentmagnete
10: weitere Elektromagnete
11: Spule
12: Magnetkern
13: Polfläche
14: Polfläche
15: Schutzabdeckung
16: Ladeanordnung
17: Unterbodenladestation
18: Elektrofahrzeug
100: Mittenachse
101: Anziehungskraft
102: Abstoßungskraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2023 222 811 A1 [0004]

Claims

Ladesystem (1) zum automatischen Verbinden eines Energiespeichers (5) eines Elektrofahrzeuges (18) mit einer Energiequelle (4) einer Unterbodenladestation (17), - mit einer an der Unterbodenladestation (17) anordenbaren Kontaktierungseinheit (2), - mit einer am Unterboden des Elektrofahrzeuges (18) anordenbaren Gegenkontaktierungseinheit (3), wobei die Kontaktierungseinheit (2) und/oder die Gegenkontaktierungseinheit (3) mindestens einen Elektromagneten (8) aufweist, welcher zum Herstellen einer elektrischen Steckverbindung eine magnetische Anziehungskraft (101) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinheit (2) ein bewegliches, männliches Kontaktelement (6) und die Gegenkontaktierungseinheit (3) ein stationäres, weibliches Kontaktelement (7) aufweist, wobei das männliche Kontaktelement (6) zur Herstellung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft (101) in axialer Richtung bezogen auf eine Mittenachse (100) zu dem weiblichen Kontaktelement (7) bewegbar ist.
Ladesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinheit (2) mindestens zwei diametral zur Mittenachse (100) angeordnete Elektromagnete (8) aufweist und die Gegenkontaktierungseinheit (3) mindestens zwei diametral zur Mittenachse (100) angeordnete Permanentmagnete aufweist, welche mit den Elektromagneten (8) zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft (101) in Wirkverbindung bringbar sind.
Ladesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinheit (2) und die Gegenkontaktierungseinheit (3) jeweils mindestens zwei diametral zur Mittenachse (100) angeordnete Elektromagnete (8, 10) aufweisen, welche miteinander zur Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft (101) in Wirkverbindung bringbar sind.
Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete (8) zum Trennen der elektrischen Steckverbindung eine magnetische Abstoßungskraft (102) erzeugen.
Ladesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder Verteilungswinkel der Elektromagnete (8) der Kontaktierungseinheit (2) und der Permanentmagnete (9) oder der Elektromagnete (10) der Gegenkontaktierungseinheit (3) identisch sind.
Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete (8) der Kontaktierungseinheit (2) und/oder der Gegenkontaktierungseinheit (3) einen U-förmigen Magnetkern (12) aufweisen, wobei die Schenkel der Magnetkerne (12) gleichgerichtet zur Mittenachse (100) orientiert sind.
Ladesystem (1) nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schenkel jeweils einer der Permanentmagnete (9) zugeordnet ist.
Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Kontaktierungseinheit (3) eine Schutzabdeckung (15) aufweist, wobei die fahrzeugseitige Kontaktierungseinheit (3) in einem Nichtladezustand durch die Schutzabdeckung (15) abgedeckt ist.
Ladeanordnung (16) mit einer Unterbodenladestation (17), einem Elektrofahrzeug (18) und dem Ladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungseinheit (2) mit einer Energiequelle (4) der Unterbodenladenstation (17) und die Gegenkontaktierungseinheit (3) mit einem Energiespeicher (5) des Elektrofahrzeuges (18) elektrische verbunden ist.
Verfahren zum automatischen Verbinden und Trennen eines Energiespeichers (5) eines Elektrofahrzeuges (18) mit einer Energiequelle (4) einer Unterbodenladestation (17) mittels des Ladesystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder der Ladeanordnung (16) nach Anspruch 8, beim dem: - die Kontaktierungseinheit (2) und die Gegenkontaktierungseinheit (3) einander gegenüberliegenden angeordnet werden; - der mindestens eine Elektromagnet (8) zur Erzeugung einer magnetischen Anziehungskraft (101) bestromt wird, wobei das männliche Kontaktelement (6) zur Herstellung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Anziehungskraft (101) in axialer Richtung bezogen auf die Mittenachse (100) mit dem weiblichen Kontaktelement (7) in Verbindung gebracht wird; - der mindestens eine Elektromagnet (8) zur Erzeugung einer magnetischen Abstoßungskraft (102) umgepolt wird, wobei das männliche Kontaktelement (6) zur Trennung der elektrischen Steckverbindung unter Einwirkung der magnetischen Abstoßungskraft (102) in axialer Gegenrichtung bezogen auf die Mittenachse (100) aus dem weiblichen Kontaktelement (7) ausgeworfen wird.