Ladesystem für einen fahrzeugseitigen Energiespeicher

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Aufladen eines Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrobusses, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Ladestation für ein Fahrzeug ist beispielswei se aus der Veröffentlichung EP 3 031 658 Al bekannt. Sie um fasst wenigstens zwei elektrische Kontakte, um in gegenseiti gem Kontakt mit wenigstens zwei komplementären elektrischen Kontakten des Fahrzeugs elektrische Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation herzustellen. Die Ladestation ist derart ausgebildet, dass die elektrischen Kontakte der Ladestation wenigstens vertikal bewegbar ausgeführt sind. Die elektrischen Kontakte weisen Längen auf, welche eine Breite des Fahrzeugs unterschreiten. Wenigstens zwei elektrische Kontakte der Ladestation sind so angeordnet, dass sie in ei ner vorgegebenen Ladeposition des Fahrzeugs quer zu ihren komplementären elektrischen Kontakten des Fahrzeugs verlau fen. Bei hergestellter elektrischer Ladeverbindung besteht je Ladekontakt ein punktförmiger galvanischer Kontakt zwischen den elektrischen Kontakten zur Übertragung des Ladestroms.

Bei ungünstigen Kontaktbedingungen kommt es zu hohen Über gangswiderständen und damit zu sehr hohen, möglicherweise schädlichen, zumindest aber technisch schwer zu beherrschen den Wärmeentwicklungen in den Kontaktelementen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ladesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine si chere Übertagung hohe Ladeströme ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ladesystem der eingangs ge nannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspru ches 1 angegebenen Merkmalen. Ein Ladesystem zum Aufladen ei- nes Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahr zeugs, insbesondere eines Elektrobusses, verfügt über eine mindestens zweipolige Ladeschnittstelle zwischen dem Fahrzeug und einer straßenseitigen Ladestation. Die Ladestation weist je Ladepol ein stationsseitiges Kontaktelement mit einer li nienförmigen Kontaktfläche auf. Die stationsseitigen Kontak telemente sind relativ zu einem in Ladeposition stehenden Fahrzeug verstellbar angeordnet. Das Fahrzeug weist je Lade pol ein fahrzeugseitiges Kontaktelement mit einer linienför migen Kontaktfläche auf. Die fahrzeugseitigen Kontaktelemente sind zum Aufladen mit dem Energiespeicher verbindbar. Bei hergestellter elektrischer Ladeverbindung steht je Ladepol das stationsseitige Kontaktelement quer zum fahrzeugseitigen Kontaktelement, so dass ein elektrischer Ladestrom je Ladepol über eine punktförmige Kontaktfläche zwischen sich kreuzenden linienförmigen Kontaktflächen fließt. Erfindungsgemäß weist das fahrzeugseitige Kontaktelement oder das stationsseitige Kontaktelement mindesten eines Ladepols eine weitere linien förmige Kontaktfläche auf, so dass ein elektrischer Ladestrom über zwei punktförmige Kontaktflächen zwischen sich kreuzen den linienförmigen Kontaktflächen fließt. Durch mehrere be teiligte Kontaktstellen verteilt sich der Ladestrom und somit auch der Wärmeeintrag in die Kontaktelemente besser, so dass die punktuelle Wärmeentwicklung verringert wird. Dadurch kön nen auch hohe Ladeströme von bis zu 1000 A übertragen werden.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Ladesystems weisen das fahrzeugseitige Kontaktelement und das stationsseitige Kontaktelement mindestens eines Lade pols je eine weitere linienförmige Kontaktfläche auf, so dass ein elektrischer Ladestrom über vier punktförmige Kontaktflä chen zwischen sich doppelt kreuzenden linienförmigen Kontakt flächen fließt. Hierdurch verteilt sich der übertragene Lade strom nochmals und auch der damit verbundene Wärmeeintrag, so dass noch höhere Ladeströme fließen können.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems verlaufen die linearen Kontakt- flächen eines Kontaktelements mit zwei linearen Kontaktflä chen parallel zueinander. Neben fertigungstechnischen Verein fachungen resultieren daraus vergleichbare Kontaktverhältnis se an den Ladepolen, insbesondere wenn Kontaktelemente unter schiedlicher Ladepole entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet sind.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems sind die linearen Kontaktflächen durch eine Rippe mit bogenförmigem Querschnitt gebildet. Eine Rippe kann beispielsweise als Halbzylinder mit halbkreisför migem Querschnitt ausgebildet sein, wobei ein Bereich um die äußerste Mantellinie des Halbzylinders die linienförmige Kon taktfläche bildet, an die eine linienförmige Kontaktfläche eines komplementären Kontaktelements gedrückt wird.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems sind die Rippen eines Kontaktele ments mit zwei linearen Kontaktflächen an einem gemeinsamen Grundkörper angeformt sind. Grundkörper und angeformte Rippen können einstückig aus einem hochleitenden Material, bei spielsweise aus einer Kupferlegierung, hergestellt werden.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems ist der Grundkörper in einer Hal terung derart beweglich gelagert, dass die beiden Rippen um eine zu ihren linienförmigen Kontaktflächen parallele Kipp achse verkippbar sind. Da die linienförmigen Kontaktflächen der mindestens zwei Ladepole gleichzeitig und mit gleichen Andruckkräften an den punktförmigen Kontaktflächen kontaktie ren müssen, ermöglicht der Kippfreiheitsgrad auf einfachem Wege alle auftretenden Fertigungs- und Positionstoleranzen auszugleichen. Durch diese Maßnahme wird es den Kontaktele menten ermöglicht, sich beim Ladekontakt einem kreuzenden komplementären Kontaktelement so anzupassen, dass beide punktförmigen Kontaktflächen eines Kontaktelements mit nahezu der Hälfte der pro Kontaktelement aufgewendeten Andruckkraft aneinandergedrückt werden. In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems ist die Kippachse durch ein den Grundkörper mit der Halterung verbindendes Drehgelenk gebil det . Das Drehgelenk kann durch zwei an gegenüber liegenden Stirnseiten des Grundkörpers angeformten, fluchtenden Dreh bolzen, die in entsprechenden Bohrungen der Halterung drehbar gelagert sind, gebildet sein.

In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Ladesystems ist die Kippachse durch eine schwim mende Lagerung des Grundkörpers in der Halterung gebildet.

Die schwimmende Lagerung des Grundkörpers in der Halterung kann beispielsweise durch Federelemente gebildet sein.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an hand der Zeichnungen, in deren

FIG 1 ein Ladesystem mit einem in einer Ladestation posi tionierten Fahrzeug in Vorderansicht,

FIG 2 die Ladeschnittstelle des Ladesystems aus FIG 1 in perspektivischer Ansicht,

FIG 3 ein Ladepol mit komplementären Kontaktelementen in

Vorderansicht ,

FIG 4 ein Querschnitt des Ladepols aus FIG 3 entlang der

Schnittlinie X-X in einer ersten Ausführungsvarian te,

FIG 5 ein Querschnitt des Ladepols aus FIG 3 entlang der

Schnittlinie X-X in einer zweiten Ausführungsvari ante,

FIG 6 ein Kontaktelement mit im Uhrzeigersinn verkipptem

Grundkörper,

FIG 7 ein Kontaktelement mit gegen den Uhrzeigersinn ver kipptem Grundkörper,

FIG 8 eine Ladeschnittstelle ohne Ladekontakt und

FIG 9 die Ladeschnittstelle aus FIG 8 bei hergestelltem

Ladekontakt schematisch veranschaulicht sind.

Gemäß FIG 1 dient ein erfindungsgemäßes Ladesystem 1 dem Auf laden eines Energiespeichers 2 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 3 über eine mehrpolige Ladeschnittstelle zwischen dem Fahrzeug 3 und einer straßenseitigen Ladestation 4. Das Fahrzeug 3 kann beispielsweise ein Elektrobus des öffentli chen Personennahverkehrs mit aufladbaren Akkumulatoren und/oder Kondensatoren sein. Die Ladestation 4 umfasst einen neben der Fahrbahn 5 verankerten und über die Fahrbahn 5 ra genden Lademast 6, an dem ein oberhalb des positionierten Fahrzeugs 3 befestigtes, pantographenartiges Stellglied 7 mit stationsseitigen Kontaktelementen 8 angeordnet ist. Mittels des Stellglieds 7 sind die stationsseitigen Kontaktelemente 8 zwischen einer oberen Ruheposition (FIG 1) und einer unteren Ladeposition (FIG 2) vertikal verstellbar. Auf dem Dach des Fahrzeugs 3 sind fahrzeugseitige Kontaktelemente 9 angeord net, die zum Laden mit dem Energiespeicher 2 verbindbar sind.

Gemäß FIG 2 weist das pantographenartige Stellglied 7 einen am Lademast 6 angelenkten Oberarm 10 und einen mit diesem ge lenkig verbundenen Unterarm 11 auf, die gegen die Rückstell kraft einer Schraubenfeder 12 über eine Schubstange 13 halb scherenartig aufklapp- und einfaltbar sind, wodurch die sta tionsseitigen Kontaktelemente 8 je Ladepol in Ladekontakt mit den komplementären fahrzeugseitigen Kontaktelementen 9 bring bar sind. Die Ladeschnittstelle im dargestellten Ausführungs beispiel weist vier Ladepole auf: Zur Übertragung des Lade stroms einen Pluspol, dem das stationsseitige Kontaktelement 8P und das fahrzeugseitige Kontaktelement 9P zugeordnet sind, und einen Minuspol, dem das stationsseitige Kontaktelement 8N und das fahrzeugseitige Kontaktelement 9N zugeordnet sind.

Zur Ausbildung als Schutzleiter ist ein Erdungspol vorgese hen, dem das stationsseitige Kontaktelement 8E und das fahr zeugseitige Kontaktelement 9E zugeordnet sind. Schließlich ist ein Kontrollpol zur Feststellung eines Massestroms vorge sehen, dem das stationsseitige Kontaktelement 8C und das fahrzeugseitige Kontaktelement 9C zugeordnet sind. Die stati- onsseitigen Kontaktelemente 8N und 8E sowie 8P und 8C sind jeweils auf einer Linie angeordnet, die beiden Linien verlauf parallel. Die fahrzeugseitigen Kontaktelemente 9P und 9E so wie 9N und 9C sind über Stützisolatoren 14 am Dach des Fahr zeugs 3 befestigt und ebenfalls jeweils auf einer Linie ange ordnet, diese beiden Linien verlaufen auch parallel zueinan der. Die stationsseitigen Kontaktelemente 8 stehen dabei je weils quer zu den komplementären fahrzeugseitigen Kontaktele menten 9; anders ausgedrückt, bilden die Linien, entlang der die stationsseitigen Kontaktelementen 8 ausgerichtet sind, und die Linien, entlang der die fahrzeugseitigen Kontaktele menten 9 ausgerichtet sind, einen Winkel von zwischen 45° und 135°, vorzugsweise von 90°.

Gemäß FIG 3 bis FIG 9 sind die fahrzeugseitigen Kontaktele mente 9 durch einen schienenartigen Grundkörper 15 mit zwei angeformten Rippen 16 gebildet. Grundkörper 15 und Rippen 16 sind einstückig aus einer Kupferlegierung aus oder einem an deren elektrisch hoch leitenden Material hergestellt. Die Rippen 16 verlaufen parallel zueinander und sind von etwa halbzylindrischer Form, weisen also einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Die äußerste Mantellinie der ersten Rippe 16 bildet eine linienförmige Kontaktfläche 17 und diejenige der zweiten Rippe 16 eine weitere linienförmige Kontaktfläche 18. Die beiden linienförmigen Kontaktflächen 17 und 18 liegen in einer Tangentialebene des Kontaktelements 9.

Gemäß FIG 4 weist das stationsseitige Kontaktelement 8 nur eine Rippe 19 mit einer linearen Kontaktfläche 20 auf, so dass gemäß FIG 3 bei Ladekontakt je Ladepol zwei punktförmige Kontaktflächen zwischen dem stationsseitigen Kontaktelement 8 und dem fahrzeugseitigen Kontaktelement 9 entstehen, auf die sich die Kontaktkraft F eines Ladepols hälftig aufteilt.

Gleichwohl verteilt sich der übertragene Ladestrom auf die beiden punktförmigen Kontaktflächen, so dass sich der Wärme eintrag in die Kontaktelemente 8 und 9 ebenfalls gut ver teilt . In der alternativen Ausführung gemäß FIG 5 weist das stati onsseitige Kontaktelement 8 auch zwei Rippen 19 mit einer li nearen Kontaktfläche 20 und einer weiteren linearen Kontakt fläche 21 auf, so dass bei Ladekontakt je Ladepol vier punkt förmige Kontaktflächen zwischen dem stationsseitigen Kontak telement 8 und dem fahrzeugseitigen Kontaktelement 9 entste hen, auf die sich die Kontaktkraft F eines Ladepols gevier telt aufteilt. Gleichwohl verteilt sich der übertragene Lade strom auf alle vier punktförmigen Kontaktflächen, so dass sich der Wärmeeintrag in die Kontaktelemente 8 und 9 noch besser verteilt.

In beiden Ausführungsvarianten können höhere Ladeströme über tragen werden, so dass erfindungsgemäße Ladesysteme 1 mit hö herer Ladeleistung ausgelegt werden können.

Gemäß FIG 8 können aufgrund von Fertigungs- und Montagetole ranzen oder aufgrund einer Neigung des Fahrzeugs 3 in der La deposition die durch die linienförmigen Kontaktflächen 17 und 18 aufgespannten Tangentialebenen nebeneinander liegender La depole auseinander fallen, so dass im statischen Fall die stationsseitigen Kontaktelemente 8 und die fahrzeugseitigen Kontaktelemente 9 nicht an allen acht oder sechzehn Kontakt punkte mit gleicher Kontaktkraft F aneinander gedrückt werden - gegebenenfalls wird an manchen Kontaktpunkten gar kein gal vanischer Kontakt geschlossen. Um dies zu vermeiden, sind die Grundkörper 15 in einer Halterung 22 derart beweglich gela gert, dass die beiden Rippen 16 um eine zu ihren linienförmi gen Kontaktflächen 17 und 18 parallele Kippachse 23 verkipp bar sind, die in FIG 3 und FIG 6 bis FIG 9 senkrecht zur Zei chenebene verläuft. Die Kippachse 23 wird durch ein den

Grundkörper 15 mit der Halterung 22 verbindendes Drehgelenk gebildet, das zwei an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Grundkörpers 15 angeformte und einander fluchtende Drehbolzen 24 aufweist, die in entsprechenden Bohrungen der Halterung 22 gelagert sind. In den Grenzen der Bauformen von Grundkörper 15 und Halterung 22 ist gemäß FIG 6 und FIG 7 ein Verkippen des Grundkörpers 15 im Uhrzeigersinn um einen Kippwinkel und gegen den Uhrzeigersinn um einen Kippwinkel ß möglich. Hierdurch wird gemäß FIG 9 bei Herstellung des Ladekontakts eine gleichmäßige Kontaktierung über sämtliche Kontaktstellen aller Ladepole möglich.

Ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, ist die Verwirklichung des Kippfreiheitsgrades auch über eine schwim mende Lagerung der Grundkörper 15 in den Halterungen 22 rea lisierbar. Ebenso müssen nicht sämtliche Ladepole mit vier Kontaktpunkten, also punktförmigen Kontaktflächen, ausgestal tet sein. Es können auch einzelne oder alle Ladepole mit zwei Kontaktpunkten gebildet werden.

In den Zeichnungen und der vorangegangenen Figurenbeschrei bung werden folgende Bezugszeichen verwendet:

1 Ladesystem

2 Energiespeieher

3 Fahrzeug

4 Ladestation

5 Fahrbahn

6 Lademast

7 Stellglied

8 Kontaktelement , stationsseitiges

8P Kontaktelement , stationsseitiges, Pluspol

8N Kontaktelement , stationsseitiges, Minuspol

8E Kontaktelement , stationsseitiges, Erdungspol

8C Kontaktelement , stationsseitiges, Kontrollpol

9 Kontaktelement , fahrzeugseitiges

9P Kontaktelement , fahrzeugseitiges , Pluspol

9N Kontaktelement , fahrzeugseitiges , Minuspol

9E Kontaktelement , fahrzeugseitiges , Erdungspol

9C Kontaktelement , fahrzeugseitiges , Kontrollpol

10 Oberarm

11 Unterarm

12 Schraubenfeder

13 Schubstange

14 Stützisolator 15 Grundkörper

16 Rippe von 9

17 Kontaktfläche, linienförmige an 16

18 Kontaktfläche, weitere linienförmige an 16

19 Rippe von 8

20 Kontaktfläche, linienförmige an 19

21 Kontaktfläche, weitere linienförmige an 19

22 Halterung

23 Kippachse

24 Drehgelenk, Drehbolzen

F Kontaktkraft

, ß Kippwinkel