用于充电站的定位单元和用于实现接触的方法与流程

本发明涉及一种用于电动车辆的充电站的定位单元以及用于实现车辆与充电站之间的导电连接的方法，所述车辆尤其为电动公共汽车或类似车辆。所述定位单元被布置在车辆上方，充电站的电气充电接触件能够借助于定位单元相对于车辆的接触表面移动并且被连接到车辆的接触表面。所述定位单元包括铰接臂元件以及用于驱动铰接臂元件的驱动元件，驱动元件包括用于施加作用在铰接臂元件上的位移力的位移驱动器和与位移驱动器机械地相互作用的弹簧元件。

背景技术：

这种定位单元和方法在现有技术中是已知的，并且通常用于在站点之间通行的电动车辆。这些车辆可以是电动公共汽车，或者通常是任何其他类型的车辆，例如火车或有轨电车，不是永久地电连接到架空线或类似物。在这些车辆中，电能存储器在站点的中途停留过程中通过充电站充电。车辆在站点处被电连接到充电站，所述能量存储器至少被充电到足以使得车辆能够到达使用充电站的下一站。为了实现车辆与充电站之间的电连接，使用能够被安装到车顶并且将车辆的充电接触件连接到车辆上方的充电站的接触表面的定位单元。使用在各个站点安装或定位在车辆上方的定位单元也是已知的。然后，充电站的充电接触件沿车辆顶部上的接触表面的方向移动，实现电连接。在接触车辆的这种变化中，所有充电站必须沿着路线配备相应的定位单元，因此定位单元必须特别便宜、可靠且维护成本低。

当将充电站和车辆的接触表面放在一起时，必须通过施加确定的接触力将充电接触件压到接触表面上，以便能够实现安全的电连接。从de4334716a1已知一种用于施加确定的接触力的定位单元，所述定位单元用于收集架空线上的电流，并且接触力由定位单元测量和控制。

从de202014007218u1已知一种用于布置在车辆上方的定位单元，所述定位单元具有铰接臂元件和驱动元件。驱动元件包括用于使铰接臂元件相对于车辆的接触表面移动的位移驱动器和弹簧元件。特别地，铰接臂元件的向上移动需要来自位移驱动器的位移力。

在已知的定位单元中，通常不利的是，这些定位单元不得不形成或布置成用于确定的接触高度，即在用于存储充电接触件的缩回位置的定位单元的相对于用于传递电流到车辆的接触位置的距离。这意味着接触位置和缩回位置的相对距离不能被可变地使用，并且必须通过建设性的改变而被有规律地设置或调整，因为否则所需或者更确切地说所期望的接触力不能被施加在接触表面上。只要具有相同高度的车辆在相应的站点或充电站处停车，这是无关紧要的。然而，如果车辆类型以及因此车辆高度改变，则由于路上的车辆的接触表面的波动的高度，缩回位置和接触位置的相对距离会大幅波动。这同样适用于车辆的不同负载。此外，特别地，公共汽车能够在站点被降低以便让有肢体障碍的乘客更容易进入公共汽车。公共汽车的这种降低导致接触表面相对于道路的高度的变化，并且如果公共汽车仅在一侧降低，则公共汽车沿着其纵向轴线倾斜。因此，公共汽车车顶上的接触表面随着其倾斜运动相对于充电接触件沿水平或竖直方向移动。这使得实现用于在上述申请中的车辆的接触表面处的安全电连接所期望的充电站的充电接触件的接触力几乎是不可能的。相比之下，通过使用传感器和控制器来调整接触力是相当麻烦和难维护的，同时使定位单元的生产和运行成本上升。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种用于实现车辆和充电站之间的导电连接的定位单元和方法，该定位单元和方法分别能够安全地接触车辆，同时保持低的购置和运行成本。

该目的通过具有权利要求1的特征的定位单元、具有权利要求16的特征的充电站以及具有权利要求17的特征的方法来实现。

根据本发明的用于电动车辆的充电站的定位单元能够被布置在车辆上方，车辆尤其为电动公共汽车或类似车辆，充电站的充电接触件能够通过定位单元相对于车辆的接触表面被移动且接触到车辆的接触表面。所述定位单元包括铰接臂元件和用于驱动所述铰接臂元件的驱动元件，所述驱动元件包括用于施加作用在所述铰接臂元件上的位移力的位移驱动器以及与位移驱动器机械地相互作用的弹簧元件，所述弹簧元件包括至少一个接触弹簧，所述弹簧元件具有至少一个接触弹簧，所述位移驱动器和所述接触弹簧在机械串联回路中以这样的方式彼此联接：接触力能够从位移驱动器和接触弹簧被施加在接触表面上。

因此，定位单元是用于电动车辆的静止充电站的部件，用于在车辆的接触表面上移动充电站的充电接触件并且将充电接触件接触到车辆的接触表面上，车辆的接触表面优选地布置在车辆顶部上。因此，能够于在充电站处的停止期间向车辆供应电能并且将所述电能存储在车辆中。定位单元的铰接臂元件和驱动元件使充电接触件在接触表面上来回移动。为此目的，充电接触件被布置在铰接臂元件的下端。驱动元件用于将充电接触件、因此将铰接臂元件从用于储存充电接触件的上缩回位置移动到分别用于传输电流或使充电接触件接触接触表面的下接触位置。在接触位置，确定的接触力从定位单元被施加在接触表面上。

驱动元件的位移驱动器在铰接臂元件上施加位移力，所述位移驱动器与弹簧元件机械地相互作用，因此仅位移力能够引起铰接臂元件的运动。接触弹簧在机械串联回路中被联接到位移驱动器，意味着它们直接或间接地彼此联接。为此，位移驱动器能够直接或通过与另一机械部件(例如杠杆)相互连接而被连接到接触弹簧。因此，也能够同时从位移驱动器和接触弹簧一起施加接触力，所述接触力通过充电接触件被施加在接触表面上。位移驱动器和接触弹簧的机械串联回路使由于位移驱动器的位移力而移动铰接臂元件、以及当充电接触件接触充电表面时进一步增加位移力成为可能。然后，进一步增加的位移力被连接至位移驱动器的接触弹簧存储，并且作为接触力被分别传递到铰接臂元件或接触表面。因此，位移力的增加不会变成铰接臂元件的进一步的移动，而是变成接触表面上的接触力的形成或者更确切地说增加。因此，成为可能的是，在充电接触件的缩回位置中在接触表面上施加基本连续一致的接触力，而分别与接触表面在路上的高度或接触表面和充电接触件的相对距离无关。

在定位单元的一个实施例中，接触弹簧可以通过浮动轴承被联接到位移驱动器，所述接触弹簧或所述位移驱动器能够被紧固至固定轴承。根据其定义，固定轴承不能相对于铰接臂元件和驱动元件的任何其他固定轴承移动。直接将接触弹簧连接到位移驱动器的浮动轴承可以具有一个或多个轴承轴线。如果接触弹簧被紧固至固定轴承，则位移驱动器可以被连接或联接至铰接臂元件，如果位移驱动器被紧固至固定轴承，则接触弹簧可以被连接至铰接臂元件。接触弹簧和位移驱动器是否分别为平移地或旋转地作用的弹簧或位移驱动器通常是任意的。

在另一个实施例中，接触弹簧或位移驱动器可以通过弹簧元件的控制机构的杠杆被机械地联接到铰接臂元件。杠杆可以被布置在铰接臂元件上或者更确切地说以防扭转的方式被连接到铰接臂元件，使得杠杆的运动引起铰接臂元件运动。为此，接触弹簧或移动驱动器是否直接连接到杠杆首先是无关紧要的。由于通过杠杆实现的控制机构，接触弹簧的位移力和弹簧力或者更确切地说所产生的接触力可以容易地被传递到铰接臂元件。

接触弹簧还可以通过弹簧元件的夹紧机构的夹紧杠杆被机械地联接到位移驱动器。例如，夹紧杠杆可以被可枢转地紧固至定位单元的固定轴承，所述接触弹簧和所述位移驱动器各自在共用轴承轴线上或不同轴承轴线上夹持夹紧杠杆，或者连接到夹紧杠杆上。如果接触表面已经与充电接触件接触并且因此移动铰接臂元件不再可能，则位移驱动器的移动通过夹紧机构的夹紧杠杆被传递到弹簧。由于接触弹簧和位移驱动器的机械串联回路以及它们与铰接臂元件的连接，以这种方式存储的接触弹簧的弹簧力被施加在铰接臂元件上。然后，接触弹簧的弹簧力形成接触表面上的接触力。如果接触力比移动铰接臂元件所需的位移力大几倍，则接触力基本上可以独立于车辆顶部相对于定位单元的高度而实现为始终保持一致。

如果接触弹簧是拉伸弹簧，则是特别有利的。接触弹簧通常可以是压力弹簧或扭转弹簧。然而，通过使用拉伸弹簧可以实现特别紧凑的定位单元。

位移装置可以包括备用电池。在发生断电或其他故障的情况下，由于来自备用电池的应急电源，位移装置可以确保能够自动地将定位单元缩回到缩回位置。备用电池可以集成到位移驱动器中或者被布置在车辆的不同位置处。

位移驱动器可以是线性驱动器，优选地主轴驱动器。根据主轴的倾斜度，还可以视情况选择将主轴驱动器形成为自锁的。因而，铰接臂元件可以在没有任何其他辅助手段的情况下被容易地移动到期望的位置并且被紧固。

另外，线性驱动器可以包括电磁制动器。如果主轴驱动器的倾斜不会导致驱动器自锁或者允许通过从外部作用在铰接臂元件上的力以不期望的方式移动位移驱动器，则这是特别有利的。使用磁力制动器，可以通过紧固线性驱动器来维持所产生的接触力，如果磁力制动器的制动力在线性驱动器处被超过，尽管车辆的不期望的运动，线性驱动器以及由此铰接臂元件仍能够被移动。以这种方式可以防止对线性驱动器和铰接臂元件的损坏。在发生断电或任何其他故障时，磁力制动器也可以失去其磁性功能，从而使得位移驱动器开始自由移动。然后，定位单元可以分别通过提升弹簧和/或通过位移驱动器或线性驱动器的应急电源移动到缩回位置。电磁制动器可以被设计为具有磁效应的静态电流制动器或动作电流制动器。

线性驱动器可以包括位置传感器。通过使用位置传感器，可以设置一个区域，在该区域内可以通过线性驱动器移动铰接臂元件。例如，增量编码器或绝对编码器可用作位置传感器。那么，总是可以确定线性驱动器的确切工作位置。线性驱动器还可以包括能够根据位置而被致动的最终位置开关，和/或能够根据力而被致动的压力开关。此外，接触力的大小也可以通过能够被取出直至某个最终位置的线性驱动器来限制。压力开关可额外用于限制接触力，并可单独作用或与最终位置开关一起作用，以用于限制线性驱动器。压力开关可在弹簧元件或者位移驱动器的区域内被直接布置在充电接触件上或驱动元件上。

铰接臂元件可以被设计为单臂系统或者实现为优选地具有平行导向器的组合式剪刀系统，或者实现为受电弓。以这种方式，铰接臂机构能够使充电接触件的从充电接触件的缩回位置开始一直到车辆的接触表面处的接触位置的平行移动成为可能。此外，阻尼元件可以被布置在铰接臂元件处，所述阻尼元件保证平稳的运动过程。

在接触表面与充电接触件接触之后，如果弹簧元件包括用于在铰接臂元件上施加回复力的至少一个提升弹簧，则充电接触件能够容易地缩回到定位单元上的缩回位置，所述回复力能够大于反作用于提升弹簧的铰接臂元件的重量。以这种方式，布置在铰接臂元件处的充电接触件的重量和铰接臂元件的重量可导致铰接臂元件并非预期地从缩回位置移动到接触位置。如果提升弹簧对铰接臂元件施加回复力，则提升弹簧可以防止这种情况。回复力反作用于重量并且优选地稍大于重量，以防止当铰接臂元件在没有其它力的情况下被加压时充电接触件下沉或被取出。

如果提升弹簧是拉伸弹簧，则也是有利的。则可以特别紧凑地实现定位单元。然而，可以使用压力弹簧或者甚至扭转弹簧或者螺旋弹簧来代替拉伸弹簧。可以使用在机械并联回路中彼此联接的多个弹簧而非单个弹簧。

提升弹簧可以通过弹簧元件的控制机构的杠杆被机械地联接到铰接臂元件，杠杆的有效长度能够根据铰接臂元件的位置被可变地实现。杠杆因此可以被直接紧固到铰接臂元件上，使得提升弹簧的弹力可以被直接传递到铰接臂元件。分别根据提升弹簧的弹簧力的长度或方向以及根据杠杆在铰接臂元件处的布置，如果形成在弹簧力的方向和杠杆的延伸之间的角度小于或大于90°，杠杆的有效长度可以被缩短。例如，杠杆的有效长度也可以通过经由控制机构紧固在具有邻接件的铰接臂元件上的提升弹簧而改变，所述控制机构通过凸轮板或拉杆实现。凸轮板形成控制机构的杠杆。根据凸轮板相对于提升弹簧的位置，可以影响杠杆的有效长度。因此，可以依据铰接臂元件的位置连续地在铰接臂元件上施加相同的回复力，或者根据依据铰接臂的位置的相应需求增加或减少回复力。回复力也可以被调整以适应位移力和接触力。如果回复力被测出在例如由于断电引起的位移驱动器失效时使得充电接触件由于回复力而在铰接臂元件的每个位置自动缩回，则是有利的。由此，定位单元可以特别安全地操作。

定位单元可以包括用于将定位单元紧固至柱或地下通道的支撑架。例如，支撑架可以形成或包括用于铰接臂元件和驱动元件的固定轴承。特别地，接触弹簧或位移驱动器可以被直接紧固至支撑架上的固定轴承。支撑架可以特别容易地被紧固至杠杆或地下通道以及车辆可以通过的站点、隧道或类似设施的公共汽车候车亭顶部。

如果定位单元包括枢转元件，则是特别有利的。当定位单元处于缩回位置时，充电接触件能够通过该枢转元件从竖直接触位置枢转到存储位置。例如，如果充电接触件具有相对较大的尺寸，例如具有用于引导接触表面的屋顶形引导表面，则枢转元件可以将充电接触件从竖直接触位置枢转到存储位置，所述充电接触件优选地能够以水平位置存储。因此，当定位单元处于缩回位置时，定位单元在形状上是特别平的，使得其他高度较高的车辆(例如卡车)能够容易地在所述定位单元的下面通过而没有与定位单元发生碰撞的风险。枢转元件可以包括例如与布置在铰接臂元件的下端上的杠杆相互作用的凸轮板。当被移动到缩回位置时，杠杆可以夹入凸轮板并且在过程期间在凸轮板上枢转。该枢转运动可以用于枢转紧固至铰接臂元件的下端的充电接触件。在一个更简单的实施例中，也可以想到仅使用杠杆或凸轮板来形成枢转元件。

根据本发明的充电站包括电子充电接触件以及根据本发明的定位单元。充电站的有利实施例可以从回引权利要求1的从属权利要求中得出。

在根据本发明的用于实现车辆、特别是电动公共汽车或类似车辆与充电站之间的导电连接的方法中，充电站的电气接触件通过布置在车辆上方的定位单元相对于车辆的接触表面移动并与车辆的接触表面接触，定位单元的铰接臂元件由定位单元的驱动元件驱动，驱动元件的位移驱动器在铰接臂元件上施加位移力，驱动元件的弹簧元件与位移驱动器机械地相互作用，所述位移驱动器和弹簧元件的接触弹簧在机械串联回路中彼此联接，并且接触力从位移驱动器和接触弹簧被施加在接触表面上。关于该方法的有利效果，参照根据本发明的定位单元的优点的描述。

通过铰接臂元件和驱动元件，充电接触件可以位于用于传递电流的接触位置、用于中断电流的取出位置和用于存储充电接触件的缩回位置之间。为此目的，预期的是，接触力在接触位置被施加在接触表面上，并且在取出位置只有位移力作用在铰接臂元件上，该取出位置可以是接触位置和缩回位置之间的任何位置。在缩回位置，没有或仅有微小的位移力作用在铰接臂元件上，使铰接臂元件和充电接触件不可能向下运动。

无论车辆的接触表面到定位单元的缩回位置的相对距离如何，接触位置都可以有利地在定位单元下方实现。因此，将相对于道路具有不同高度的车辆与定位单元相接触成为可能。优选地，车辆的接触表面可以布置在车辆顶部上或车辆上侧上的不同的合适位置处。

如果当在定位单元下方的车辆的接触表面到定位单元的缩回位置的相对距离被切换时，接触力在接触位置被一致地实现，则是特别有利的。改变接触表面的相对距离也会导致接触表面与道路的距离被改变。相对距离可以通过在底盘上降低车辆或通过装载车辆而被改变。由于接触力相对于位移力相对较大的事实，即使相对距离被改变，接触力也可以基本上一致地实现。如果接触弹簧和/或位移驱动器所夹持在的杠杆的有效长度根据铰接臂元件的位置而改变，则无论相对距离如何，都可以更容易地实现一致的接触力。

为了在接触位置形成接触力，位移驱动器可以被移动到具有最大位移路径的位移位置，所述接触力能够从接触弹簧被传递到位移驱动器。如果位移驱动器是线性驱动器，则位移驱动器可以在最大位移路径和最小位移路径之间移动。在缩回位置，位移驱动器可以位于具有最小位移路径的位移位置。铰接臂元件通过位移驱动器被移动到取出位置，位移驱动器扩大位移路径并且因此在铰接臂元件上施加位移力并移动铰接臂元件。为此目的，由于接触弹簧在机械串联回路中被联接到位移驱动器，因此接触弹簧被卸载。然而，也可以例如通过夹紧杠杆将接触弹簧在上述位置中预加载。在达到接触位置之后，铰接臂元件不能进一步移动，从而位移路径的直至最大位移路径的进一步扩大导致接触弹簧被位移驱动器预加载。如果接触弹簧已经被预加载，则预加载会增加。这样由接触弹簧施加的弹簧力通过位移驱动器直接或间接地作用在铰接臂元件上，并在接触表面上施加接触力。因此，成为可能的是，在没有待接触的车辆处所必需的定位单元中的特定设置或者接触力的测量的情况下，连续地产生大体一致的接触力，而与接触位置中的充电接触件的相对位置无关。

方法的进一步实施例可以从回引装置权利要求1的从属权利要求中得出。

附图说明

以下，参照附图进一步描述本发明的优选实施例。

在附图中：

图1a以从左侧看的侧视图图示出处于缩回位置的定位单元；

图1b以从左侧看的侧视图图示出处于上取出位置的定位单元；

图1c以从左侧看的侧视图图示出处于上接触位置的定位单元；

图1d以从左侧看的侧视图图示出处于中间取出位置的定位单元；

图1e以从左侧看的侧视图图示出处于中间接触位置的定位单元；

图1f以从左侧看的侧视图图示出处于下接触位置的定位单元；

图2a以从右侧看的侧视图图示出处于缩回位置的定位单元；

图2b以从右侧看的侧视图图示出处于上取出位置的定位单元；

图2c以从右侧看的侧视图图示出处于上接触位置的定位单元；

图2d以从右侧看的侧视图图示出处于中间取出位置的定位单元；

图2e以从右侧看的侧视图图示出处于中间接触位置的定位单元；

图2f以从右侧看的侧视图图示出处于下接触位置的定位单元；

图3以从右侧看的侧视图图示出处于缩回位置的定位单元；

图4以从右侧看的侧视图图示出处于上接触位置的定位单元；

图5以从右侧看的侧视图图示出处于下接触位置的定位单元。

具体实施方式

图1a至2f的概要以不同的视图和位置图示出定位单元10。图3至5以补充性示意图图示出定位单元10。仅象征性地表示了接触接触表面(在此示例中未图示出)。定位单元10包括铰接臂元件11和用于驱动铰接臂元件11的驱动元件12。铰接臂元件11被实现为单臂系统13并且包括具有上剪刀臂15以及上联接杆16的上剪刀14以及具有下剪刀臂18和下联接杆19的下剪刀17。上联接构件20被可枢转地固定至上剪刀臂15，使得定位单元10的支架21可以连续地平行于用于充电站(在本示例中也未图示出)的充电接触件(在本示例中未图示出)的水平面22移动。为此，上联接构件20被连接到上联接杆16。下剪刀臂18和下联接杆19分别可枢转地紧固至定位单元10的支撑架25上的固定轴承23和24。下剪刀臂18通过轴线26被可枢转地连接到上剪刀臂15，下联接杆19通过轴线27被可枢转地连接到上剪刀臂15，从而上剪刀臂15的枢转运动导致支架21相对于水平面22的平行运动。阻尼元件28被附接至下剪刀臂18，以用于缓冲运动。

驱动装置12包括实现为线性驱动器30的位移驱动器29以及具有接触弹簧32和提升弹簧34的弹簧元件31，接触弹簧32实现为拉伸弹簧33，提升弹簧34实现为拉伸弹簧35。提升弹簧34被紧固至支撑架25上的固定轴承36和杠杆38的轴线37。紧固部分39将杠杆38连接到提升弹簧34上。杠杆38与紧固部分39和邻接件(attachment)40一起形成控制机构41。取决于铰接臂元件11的位置，以防扭转的方式连接到下剪刀臂18的杠杆38相对于提升弹簧34可枢转，使得杠杆38的有效长度缩短或延长。提升弹簧34在定位单元10的缩回位置42、上取出位置43和上接触位置44处直接作用在轴线37上。紧固部分39在定位单元10的中间取出位置45、中间接触位置46和下接触位置47处抵靠邻接件40，因此，通过枢转所述杠杆38，杠杆38的有效长度显著缩短。因此，可以调整提升弹簧34或者更确切地说是将提升弹簧34的有效回复力以适应定位单元10的位置。铰接臂元件11由于其设计而包括与驱动元件12相结合的充电接触件(在此示例中未图示出)以及重量，所述重量作用在充电接触件或支架21上。提升弹簧34分别施加超过重量的弹簧力或回复力，以确保无论定位单元10处于哪个位置，定位单元10都在断电期间恢复到缩回位置42。

形成用于铰接臂元件11的控制机构49的杠杆48被永久地紧固至铰接臂元件11，更确切的说是下剪刀臂18。线性驱动器30被可枢转地紧固至杠杆48的轴线50。线性驱动器30还通过夹紧机构52的夹紧杠杆51在机械串联回路53中被连接到接触弹簧32。因此，夹紧杠杆51被可枢转地紧固至支撑架25上的固定轴承54，轴线56布置在夹紧杠杆51的中间部分55处，轴线58布置在夹紧杠杆51的末端部分57处。接触弹簧32被紧固至轴线56以及支撑架25上的固定轴承59，线性驱动器30被紧固至夹紧杠杆51上的轴线58和杠杆48上的轴线50。

线性驱动器30在缩回位置42具有最小位移路径60，从而没有位移力施加在杠杆48上。接触弹簧32也未负载。例如，当处于中间取出位置45时，线性驱动器30具有中间位移路径61并且因此在杠杆48上施加位移力，由此提升弹簧34的回复力被超过，铰接臂元件11可以被移动到中间取出位置45。在这种情况下，位移力大到使得重量和位移力的总和超过回复力。例如，当处于中间接触位置46时，线性驱动器30具有最大位移路径62，杠杆48的位置相对于中间取出位置45没有改变。最大位移路径62使夹紧杠杆51以接触弹簧32被加载的方式围绕固定轴承54枢转。由于接触弹簧32和线性驱动器30的机械串联回路53，由此产生的弹簧载荷所引起的弹簧力作用在杠杆48上并且因此作用在铰接臂元件11上，结果接触力作用于支架21或者更确切地说作用于充电接触件(在该示例中未图示出)。接触力足够大以实现充电接触并且可以基本上一致或者更确切地说可以在上接触位置44、中间接触位置46和下接触位置47以及本示例中图示的接触位置之间的任意接触位置以同一高度实现。

定位单元10还包括用于充电接触件(在本示例中未图示出)或用于支架21的枢转元件63。

通过枢转元件63，支架21可以平行于水平面22从竖直接触位置64水平枢转至缩回位置42中的存储位置65。枢转元件63包括在上联接构件20处的杠杆66以及永久地布置在下剪刀臂18上的凸轮板67。当将铰接臂元件11缩回到缩回位置42时，杠杆66以这样的方式夹持在凸轮板67中，即，杠杆66沿着凸轮板67滑动并枢转。杠杆66的枢转导致支架21或者更确切地说导致上联接构件20转动大约90°到存储位置65。