Entwicklung eines automatischen konduktiven Ladesystems für Elektrofahrzeuge
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Date
2022
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Abstract
Die zunehmende Elektrifizierung des Straßenverkehrs erfordert in gleichem Maße den Ausbau der Ladeinfrastruktur und die Zurverfügungstellung von Ladesäulen. Mit dem Hintergrund, dass die Entwicklung von autonom fahrenden Fahrzeugen stetig voranschreitet, werden in Zukunft automatische Ladesysteme für Elektrofahrzeuge unverzichtbar sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines automatischen konduktiven Ladesystem für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Anhand des aktuellen Standes der Technik wird gezeigt, dass bereits erste Prototypen entwickelt werden, jedoch keine vollständigen Untersuchungen von kostengünstigen automatischen Ladesystemen mit aktiven Markern am Inlet bekannt sind. Aus diesem Grund wird zunächst ein kostengünstiges und kompaktes, an der Wand zu befestigendes, automatisches Ladesystem entwickelt, welches lediglich vier aktiv regelbare Freiheitsgrade aufweist. Die fehlenden zwei rotatorischen Freiheitsgrade werden über eine elastische Ausgleichseinheit kompensiert.
Zudem wird eine Prozedur für den automatischen Einsteckvorgang vorgestellt, die auf der verwendeten Strategie der Inlet-Posenbestimmung mit montierten Infrarot-LEDs im Inlet basiert. Die Prozedur beinhaltet das Suchen der IR-LEDs bei gleichzeitiger Plausibilitätsüberprüfung der Anordnung der gefundenen Punkte, eine Vorpositionierung mit anschließender Identifikationsüberprüfung des Fahrzeugs, einem Visual Servoing zur Annäherung zwischen Stecker und Inlet und einem abschließenden Einsteckvorgang. Für das entwickelte System wird anschließend eine Untersuchung der Inlet-Posenbestimmung mit IR-LEDs im Arbeitsraum des automatischen Ladesystems anhand definierter Bewertungskriterien durchgeführt. Diese Untersuchung wird um die Strategie der Inlet-Posenbestimmung mittels AprilTag als passiven Marker und um die Strategie eines trainierten neuronalen Netzwerks zur Erkennung der Inlet-Pose ohne jegliche Modifikation am Fahrzeug erweitert. Somit werden Vor- und Nachteile qualitativ erarbeitet und die Strategien gegenübergestellt.
Abschließend wird eine Evaluierung des Systems im Rahmen diverser Steckversuche im Arbeitsraum des Systems bei unterschiedlicher Inletorientierung durchgeführt. Dabei werden der Steckerfolg, die Dauer des automatischen Steckvorgangs und die wirkenden Kräfte und Momente am Inlet analysiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wird abschließend eine Handlungsempfehlung für das zukünftige Vorgehen und die Standardisierung des automatischen konduktiven Ladens von Elektrofahrzeugen ausgesprochen.
The increasing electrification of the road traffic requires the expansion of the charging infrastructure and the supply of charging stations to the same extent. As the development of autonomous vehicles continues, automatic charging systems for electric vehicles will become essential in the future. In this work, the development of an automatic conductive charging system for electric vehicles is presented. Based on the current state of the art, it is shown that first prototypes are already being developed, but no complete investigations of low-cost automatic charging systems with active markers on the inlet are known. For this reason, a low-cost and compact wall-mountable automatic charging system is developed first, which has only four actively controllable degrees of freedom. The missing two rotational degrees of freedom are compensated by an elastic compensation unit. In addition, a procedure for the automatic plugging process is presented based on the used strategy of inlet pose estimation with mounted infrared LEDs in the inlet. The procedure includes the search of the IR-LEDs with a simultaneous plausibility check of the arrangement of the found points, a pre-positioning with a following identification check of the vehicle, a visual servoing for the alignment between connector and inlet and a final insertion process. For the developed system, an investigation of pose estimation of the inlet with IR LEDs in the workspace of the automatic loading system is performed based on defined evaluation criteria. This investigation is extended by the strategy of pose determination using an AprilTag as a passive marker and by the strategy of a trained neural network to detect the inlet pose without any modification on the vehicle. Thus, advantages and disadvantages are worked out qualitatively and the strategies are compared. Finally, an evaluation of the system is performed in the context of various plugging tests in the system's workspace with different inlet orientations. The plugging results, the duration of the automatic plugging process and the forces and moments acting on the inlet are analysed. Based on these results, a recommendation for future action and standardization of automatic conductive charging of electric vehicles is finally made.
The increasing electrification of the road traffic requires the expansion of the charging infrastructure and the supply of charging stations to the same extent. As the development of autonomous vehicles continues, automatic charging systems for electric vehicles will become essential in the future. In this work, the development of an automatic conductive charging system for electric vehicles is presented. Based on the current state of the art, it is shown that first prototypes are already being developed, but no complete investigations of low-cost automatic charging systems with active markers on the inlet are known. For this reason, a low-cost and compact wall-mountable automatic charging system is developed first, which has only four actively controllable degrees of freedom. The missing two rotational degrees of freedom are compensated by an elastic compensation unit. In addition, a procedure for the automatic plugging process is presented based on the used strategy of inlet pose estimation with mounted infrared LEDs in the inlet. The procedure includes the search of the IR-LEDs with a simultaneous plausibility check of the arrangement of the found points, a pre-positioning with a following identification check of the vehicle, a visual servoing for the alignment between connector and inlet and a final insertion process. For the developed system, an investigation of pose estimation of the inlet with IR LEDs in the workspace of the automatic loading system is performed based on defined evaluation criteria. This investigation is extended by the strategy of pose determination using an AprilTag as a passive marker and by the strategy of a trained neural network to detect the inlet pose without any modification on the vehicle. Thus, advantages and disadvantages are worked out qualitatively and the strategies are compared. Finally, an evaluation of the system is performed in the context of various plugging tests in the system's workspace with different inlet orientations. The plugging results, the duration of the automatic plugging process and the forces and moments acting on the inlet are analysed. Based on these results, a recommendation for future action and standardization of automatic conductive charging of electric vehicles is finally made.
Description
Table of contents
Keywords
Automatisches konduktives Laden, Elektromobilität, Laderoboter, CCS, Posenbestimmung, Bildverarbeitung, Visual Servoing, Blob Detection, Steckerfolg