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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bereitstellung von an ein Elektrofahrzeug zu liefernder elektrischer
Energie sowie ein System bestehend aus einer Ladestation und einem
Elektrofahrzeug und einer Verwendung für den Ladevorgang
eines Elektrofahrzeugs.
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Die
Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird in naher Zukunft erheblich
zunehmen. Mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen ergeben sich
jedoch neue Anforderungen an die Versorgungsinfrastruktur. Elektrofahrzeuge
müssen nicht nur im häuslichen Umfeld, sondern
auch außerhalb des häuslichen Umfeldes mit elektrischer
Energie versorgt werden können. Hierzu sollten an öffentlichen
Orten Ladestationen zur Verfügung gestellt werden, an denen
Nutzer von Elektrofahrzeugen elektrische Energie beziehen können.
Die Ladestationen können beispielsweise an öffentlichen
Parkplätzen, in Parkhäusern oder auch an privaten
Parkplätzen, beispielsweise im Bereich des Arbeitsplatzes
des Nutzers, angeordnet sein. Benutzer von Elektrofahrzeugen könnten
dann ihre Fahrzeuge an solche Ladestationen anschließen.
Während ihrer Abwesenheit kann die Batterie der Elektrofahrzeuge
aufgeladen werden. Alternativ oder ergänzend dazu wäre
auch ein Schnellladeprozess wünschenswert, um innerhalb
möglichst kurzer Zeit die Batterieladung zu bewirken.
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Neben
der grundsätzlichen Aufgabe einer Ladestation, elektrische
Energie im gewünschten Umfang bereit zu stellen, ist auch
die jeweilige Leistungsabrechnung von hervorgehobener Bedeutung. Daher
muss erfasst werden, welcher Nutzer welche Menge elektrischer Energie
bezieht, um diese dem Benutzer in Rechnung stellen zu können.
Insbesondere bei öffentlich zugänglichen Ladestationen
muss sichergestellt werden, dass ein Benutzer genau die elektrische
Energie bezahlt, die er tatsächlich bezieht. Außerdem
muss sichergestellt werden, dass elektrische Energie nur solchen
Nutzern zur Verfügung gestellt wird, welche einen gültigen
Versorgungsvertrag mit einem Energieversorger haben. Daher muss
vor einem Ladevorgang eine Identifikation des Benutzers gegenüber
der Ladestation und somit gegenüber dem Energieversorger
erfolgen. Nur durch eine erfolgreiche Identifikation kann eine Energiezufuhr
freigegeben werden. Hierzu sind Autorisierungsverfahren über
eine Fahrzeugerkennung, z. B. mittels RFID bekannt.
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Daneben
spielt der Sicherheitsaspekt im Zusammenhang mit der Ladestation
eine zentrale Rolle. Es ist bekannt, eine Ladestation dazu mit einer Vielzahl
unterschiedlicher Komponenten zu bestücken, deren einzelne
Funktion im Folgenden beschrieben wird:
Zunächst muss
die Ladestation über einen auch als „Stromzähler” bekannten
Energiemengenzähler verfügen, mit dem die vom
Energieversorgungsunternehmen bezogene elektrische Energiemenge
erfasst und zur Weiterberechnung zur Verfügung gestellt wird.
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Solche
Zähler erfassen den im Stromnetz jeweils bereit gestellten
Phasenstrom sowie die anliegende Spannung. Sie ermitteln daraus
durch Multiplikation und Integration über die Zeit die
genutzte Wirk-Energiemenge in der Einheit Kilowattstunden (kWh).
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Am
meisten verbreitet sind sogenannte ”Ferraris-Zähler”,
welche nach dem Induktionsprinzip arbeiten. Hierbei wird durch den
Ein- oder Mehrphasenwechselstrom sowie die Netzspannung in einer Aluminiumscheibe
ein magnetisches Drehfeld induziert, welches in dieser durch Wirbelströme
ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment ist proportional zum Vektor-Produkt
aus Strom und Spannung. Die Aluminiumscheibe läuft in einer
aus einem Dauermagnet bestehenden Wirbelstrombremse, die ein geschwindigkeitsproportionales
Bremsmoment erzeugt. Die Aluminiumscheibe, deren Kante als Ausschnitt
durch ein Fenster von außen sichtbar ist, hat dadurch eine
Drehgeschwindigkeit, welche zur elektrischen Wirkleistung proportional
ist. Mit der Aluminiumscheibe ist ein Rollenzählwerk verbunden,
so dass der Energiedurchsatz als Zahlenwert in Kilowattstunden abgelesen
werden kann.
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Bei
Tarifkunden, zum Beispiel in privaten Haushalten, werden solche
elektro-mechanischen Energiezähler mit zwei und mehr Zählwerken
eingesetzt, um zeitbezogen unterschiedliche Tarife abrechnen zu
können. Zwischen diesen Zählwerken wird beispielsweise
durch eingebaute oder externe Rundsteuerempfänger, die
durch zentrale Rundsteueranlagen im Energieversorgungsunternehmen
gesteuert werden, umgeschaltet. So kann der Energieverbrauch in
Zeiten schwacher Netzbelastung, beispielsweise nachts, für
den Verbraucher günstiger abgerechnet werden.
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Bereits
bekannt sind auch digitale elektronische Energiezähler
(sogenannte ”Smart Meter”), die keine mechanisch
bewegten Elemente enthalten. Der Strom wird durch Stromwandler,
beispielsweise mit einem weichmagnetischen Ringkern oder einem Strommesssystemen
mit Rogowskispulen mittels Nebenschlusswiderstand (Shunt) oder durch
Hallelemente erfasst. Die Berechnung der Energie erfolgt über
eine elektronische Schaltung. Das Ergebnis wird einer alphanumerischen
Anzeige, z. B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD), zugeführt.
Solche digitalen elektronischen Energiezähler weisen den
besonderen Vorteil der Fernablesbarkeit auf und machen daher die
bislang übliche jährliche Ablesung überflüssig,
da die Zählerdaten elektronisch, beispielsweise über
das Internet, an den Stromanbieter übermittelt werden.
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Als
Datenschnittstellen für die Datenübertragung zur
Abrechnungseinheit des Energieversorgungsunternehmens sind verschiedene
Varianten gebräuchlich, z. B. Infrarot, SO-Schnittstelle,
M-Bus, Potentialfreier Kontakt, EIB/KNX, oder Power Line Communication
(PLC), bei der Daten über die normale Netzleitung übertragen
werden.
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Darüber
hinaus verfügt eine Ladestation wie bekannt über Überwachungseinrichtungen,
um deren ordnungsgemäßen Betrieb sicher zu stellen
sowie um gegebenenfalls bei einer Überlastung der Ladestation
entsprechende Schutzmaßnahmen einzuleiten. Hinsichtlich
ihrer Funktionalität handelt es sich dabei um Schaltmittel,
die zum Verbinden oder Trennen des Ladestromkreises dienen, um Sicherungsmittel,
die die Stromkreise vor Beschädigung schützen
sollen infolge zu starker Leitungserwärmung oder Kurzschlüssen,
sowie um Fehlerstromüberwachungsmittel.
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Ein
Schaltmittel ist in bekannter Weise als ein elektromagnetisch betätigter
Schalter („Schütz”) ausgebildet, bei
dem ein Steuerstrom durch eine Magnetspule fließt, wobei
durch die magnetische Anziehung mechanisch ein Kontakt betätigt
wird, der den Hauptstromkreis schließt. Solange der Steuerstrom fließt,
wird die Einschaltstellung gehalten. Schütze unterscheiden
sich von Relais durch höhere Schaltleistungen.
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Als
Fehlerstromüberwachungsmittel sind insbesondere sogenannte
FI-Schalter (auch bezeichnet als RCD „Residual Current
protective Device”) bekannt, welche bei Überschreiten
einer bestimmten Differenzstromstärke (in Hausanlagen meist
30 mA) den überwachten Stromkreis allpolig, d. h. in Bezug auf
alle Leiter außer dem Schutzleiter, vom restlichen Netz
trennen.
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Dazu
vergleicht der RCD die Höhe des hin- mit dem des zurückfließenden
Stromes. Die vorzeichenbehaftete Summe aller durch den RCD fließenden
Ströme muss bei einer intakten Anlage Null betragen. Der
Vergleich erfolgt in einem Summen-Stromwandler, der alle zum und
vom Verbraucher fließenden Ströme vorzeichenrichtig
addiert. Wird irgendwo im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet,
so ist im Summenstromwandler die Summe von hin- und zurückfließendem
Strom ungleich Null: es entsteht eine Stromdifferenz ΔI,
die zum Ansprechen des RCD und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr
führt.
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Fehlerstromschutzeinrichtungen
vom Typ AC (wechselstromsensitiv) erfassen nur rein sinusförmige
Fehlerströme. In der Praxis sind daher pulsstromsensitive
Fehlerstromschutzeinrichtungen vom sog. „Typ A” üblich.
Diese erfassen rein sinusförmige Wechselströme
sowie pulsierende Gleichfehlerströme. Diese zusätzliche
Sensibilität wird durch spezielle Magnetwerkstoffe für
die eingesetzten Ringbandkerne erreicht. Pulsstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtungen
arbeiten netzspannungsunabhängig.
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Betriebsmittel
der Leistungselektronik, wie z. B. Frequenzumrichter, Wechselrichter,
unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Schaltnetzteilen oder
Phasenanschnittsteuerungen, erzeugen eine bipolare, pulsweiten-modulierte
Ausgangsspannung, welche Schaltfrequenzen im Bereich von bis zu 20
kHz aufweist. Im Fehlerfall können diese Betriebsmittel – neben
50 Hz-Wechsel- und Pulsgleichfehlerströmen – auch
glatte Gleichfehlerströme und Wechselfehlerströme
unterschiedlichster Frequenzen sowie Mischfrequenzen (bei Frequenzumrichtern
z. B. die Schaltfrequenz und Ausgangsfrequenz) verursachen. FI-Schutzschalter
vom Typ A können diese Fehlerströme nicht exakt
erfassen, so dass eine ordnungsgemäße Auslösung
des FI-Schutzschalters nicht gewährleistet ist. Daher ist
gemäß VDE 0160/EN 50178 »Ausrüstung
von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln«,
Abs. 5.2.11.2 und 5.3.2.3 zum Schutz bei direktem und indirektem Berühren
eine RCD vom „Typ B” einzusetzen, wenn ein elektronisches
Betriebsmittel einer elektrischen Anlage im Fehlerfall einen glatten
Gleichfehlerstrom erzeugen kann.
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Solche
sog. allstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter („Typ
B”) enthalten einen zweiten Summenstromwandler zur Erfassung
glatter Gleichfehlerströme. Eine Elektronikeinheit gibt
bei einem Fehler den Abschaltbefehl an den Auslöser weiter. Die Überwachung
auf Gleichfehlerströme erfolgt netzspannungsabhängig.
Eine solche Einrichtung benötigt also eine Versorgungsspannung,
welche aus den Außenleitern und ggf. dem Neutralleiter
abgenommen wird. Der pulsstromsensitive Schalterteil ist davon unabhängig
und arbeitet wie bei Typ A netzspannungsunabhängig.
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Fehlerstromschutzschalter
der beschriebenen Art benötigen Sensoren zur hochgenauen
Erfassung des Stromes und zur Weiterverarbeitung des Messsignals.
Darüber hinaus ist vorgeschrieben, dass FI-Schalter in
bestimmten Zeitabschnitten geprüft werden müssen.
Dazu werden sie entweder von Hand oder von dazu vorgesehenen Zusatzeinrichtungen
betätigt.
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Schließlich
sind als dritte Komponente in einer Überwachungseinrichtung
einer Ladestation Überstromschutzeinrichtungen in Form
von Leitungsschutzschaltern (LS-Schalter oder MCB „Miniature Circuit
Breaker”) bekannt. Leitungsschutzschalter sind wiederverwendbare,
nicht selbsttätig rückstellende Sicherungselemente,
welche den Stromkreis bei Überlast selbsttätig
abschalten. Solche Einrichtungen schützen Leitungen vor
Beschädigung durch zu starke Erwärmung, die aus
dem über einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom
resultieren würde.
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Ein Überstrom
kann durch eine Überlast oder einen Kurzschluss verursacht
werden. Bei einer Auslösung bei Überlast erfolgt
die Abschaltung, wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter
fließenden Stromes längere Zeit erheblich überschritten
wird. Die Zeit bis zur Auslösung hängt von der
Stärke des Überstroms ab – bei hohem Überstrom
ist sie kürzer als bei geringer Überschreitung
des Nennstromes. Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet,
das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden
Strom biegt und den Abschaltmechanismus auslöst. Die Reaktionszeit
einer Überstromschutzeinrichtung bei unterschiedlichen
Stromstärken wird als Charakteristik bezeichnet und in Strom-Zeit-Kennlinien
dargestellt.
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Im
Falle des Auftretens eines Kurzschlusses in der Anlage muss eine
sehr schnelle Auslösung, zumeist innerhalb weniger Millisekunden,
durch einen vom Strom durchflossenen Elektromagneten des Leitungsschutzschalters
erfolgen. Hierzu sind Sensoren für eine entsprechende Erfassung
und Schaltungsmittel zur Weiterverarbeitung des Messsignals notwendig.
Auch lassen sich Leitungsschutzschalter manuell auslösen,
z. B. für Wartungsarbeiten oder zur vorübergehenden
Stilllegung. Dazu befindet sich ein Kippschalter oder ein Auslöseknopf
auf der Frontseite des Schalters.
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Es
ist auch bekannt, einen Leitungsschutzschalter mit einem FI-Modul
zu kombinieren, um zu erreichen, dass beim Detektieren einer Fehlerstromsituation
durch das FI-Modul eine Leitungsstilllegung durch den Leitungsschutzschalter
erfolgen kann.
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Die
oben beschriebenen Überwachungs- bzw. Sicherungseinrichtungen
werden in Form der beschriebenen einzelnen Komponenten in der Praxis vielfältig
eingesetzt. Dabei werden einzelne Stromkreise oder Verbraucherzweige,
welche eine Fülle unterschiedlicher elektrischer Verbraucher
enthalten jeweils durch entsprechend dimensionierte Komponenten
abgesichert. Dabei werden in unterschiedlichen Zweigen entsprechende,
zumeist ein hierarchisches Sicherheitskonzept aufweisende Dimensionierungen
der Komponenten vorgenommen. Dabei erfolgt auch eine Absicherung
auf unterschiedlichen Spannungsebenen eines Netzes getrennt voneinander.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde,
ein Überwachungs- und Sicherheitskonzept zu entwickeln,
welches für einen solchen Anwendungsfall geeignet ist,
bei dem ein einzelner elektrischer Energieverbraucher eine speziell
auf seinen Verbraucherkreis zugeschnittene, von übrigen
Verbrauchern unabhängige Absicherung erfahren soll.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ladestation der eingangs genannten Art gelöst,
welche zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine Sicherungs-
und Überwachungseinrichtung, an deren Ausgang das Elektrofahrzeug über
Anschlussmittel anschließbar ist, wobei die Sicherungs-
und Überwachungseinrichtung Sensormittel zur Erfassung
mindestens einer elektrischen Größe und eine von
den Sensormitteln angesteuerte Auswerteeinrichtung aufweist, welche Parametrierungsmittel
zur voreinstellbaren Vorgabe mindestens eines sicherheitsrelevanten
Auslösekriteriums enthält, wobei beim Erreichen
des mindestens eines sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums eine
Schalteinrichtung für den Verbraucherstromkreis ansteuerbar
ist.
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Bei
einem Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie an den
Ladestromkreis eines Elektrofahrzeugs wird diese Aufgabe durch folgende Schritte
gelöst:
- – Erfassen mindestens
einer elektrischen Größe im Ladestromkreis und
deren Weiterleitung an eine Auswerteeinrichtung,
- – Vorgabe eines Parameters für mindestens
ein sicherheitsrelevantes Auslösekriterien in der Auswerteeinrichtung,
- – gesteuertes Ein- bzw. Ausschalten des Ladestromkreises
beim Erreichen des mindestens einen sicherheitsrelevanten Auslösekriteriums.
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Diese
Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass gegenüber
dem bekannten, eingangs beschriebenen Absicherungskonzept bestehend
aus einzelnen Überwachungseinrichtungen eine Vielzahl von Sensoren
bzw. funktionellen Baugruppen eingespart werden können,
wenn ein auf die Absicherung eines einzelnen Verbraucherkreises
zugeschnittenes Konzept verfolgt wird. Hierdurch ergeben sich entsprechende
Material- und damit Kosteneinsparungen, da auf Mehrfachfunktionalitäten
verzichtet werden kann. Durch das Vorsehen einer weitgehend wahlfreien
Parametrierung für das mindestens eine Auslösekriterium
wird dabei auch der bei bekannten Überstromschutzeinrichtungen
bestehende Nachteil beseitigt, dass z. B. ein Leitungsschutzschalter
hinsichtlich seiner Sicherungskennlinie (Strom-Zeit-Charakteristik) nur
unzureichend parametriert werden kann, da die Kennlinie im wesentlichen
durch die Materialeigenschaften des verwendeten Bimetalls bestimmt
ist. Von besonderer Bedeutung dabei ist auch, dass hierdurch eine
Integration dahin gehend erreichbar ist, dass nur noch ein einziger
Schalter benötigt wird, welcher den verschiedenen Funktionen
(Fehlerstromüberwachung, Überstromüberwachung,
Abschalten als Schütz) wahlfrei zugeordnet werden kann.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
ergeben sich entsprechend den in den abhängigen Patentansprüchen
dargestellten Ausführungsformen:
Dadurch, dass die
Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein Überstromüberwachungsmittel
aufweist, welches die Größe und/oder den zeitlichen Verlauf
des bereitgestellten elektrischen Stromes detektiert, lässt
sich die Funktionalität eines Leitungsschutzschalters simulieren.
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Wenn
von den Parametrierungsmitteln ein im Verbraucherstromkreis maximal
zulässiger Stromwert vorgebbar ist, ergibt sich ein wirksamer Überstromschutz
im Kurzschlussfall.
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Dadurch,
dass die Strom-Zeitcharakteristik einer vorgebbaren Sicherungskennlinie
entspricht, lässt sich das Verhalten eines Leitungsschutzschalters
für thermische Überlastabsicherung simulieren, und
zwar mit gegenüber herkömmlichen passiven Leitungsschutzschaltern
erheblich verbesserter Variabilität.
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Dadurch,
dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein Fehlerstromüberwachungsmittel
aufweist, lässt sich die Funktionalität eines
FI Schalters simulieren, wobei sowohl das Auftreten eines Wechselstrom-Fehlerstroms
(FI-Schalter des Typs A) als auch das Auftreten eines Gleichstrom-Fehlerstroms
(FI-Schalter des Typs B) überwacht werden kann.
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Als
Sensormittel kommen bevorzugt sowohl ein Hallsensor als auch ein
Stromwandler in Frage.
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Für
die Schalteinrichtung kommen bevorzugt in Frage ein Leistungsstromschalter,
insbesondere ein Relais, ein Schütz, ein Leistungstransistor,
ein Leistungsthyristor oder eine Kombination dieser Bauelemente.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der Sicherungs- und Überwachungseinrichtung ein von
einer Energieversorgungseinrichtung gespeister Energiemengenzähler vorgeordnet,
so dass die vom Verbraucher aufgenommene Energiemenge erfasst und
dokumentiert werden kann.
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Von
Besonderheit ist auch, dass jedem Verbraucher eine separate Sicherungs-
und Überwachungseinrichtung zugeordnet sein kann, wodurch sich
eine Optimierung sowohl im Kostenaufwand als auch in der Adaptierbarkeit
ergibt. Dabei ist jedem Verbraucher ein separater Energiemengenzähler
zugeordnet, wodurch jede Einheit als autarkes Einzelsystem („Stand-alone”)
zu betrachten ist.
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Weitere
besondere Charakteristika der erfindungsgemäßen
Lösung sind darin zu sehen, dass die Sicherungs- und Überwachungseinrichtung
eine telemetrische Funktion aufweisen kann. Von besonderer Bedeutung
ist die Möglichkeit der Fernwartung und der Überwachung
von Fehlfunktionen oder Fehlerbedingungen. Z. B. wird ein Fernwiedereinschalten nach
dem Auslösen des Schaltmittels ermöglicht. Eine
besondere Sicherheitsfunktion ist auch darin zusehen, dass im Fehlerfall
ein Stromlosfallen durch Abschalten aller Phasen erreicht werden
kann. Dies ist von Wichtigkeit, wenn keine Fremdspeisung des Überwachungsmittels
vorliegt.
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Nachfolgend
wird der Gegenstand anhand einer ein Ausführungsbeispiel
zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild für den Aufbau eines bekannten Systems
bestehend aus einem Elektrofahrzeug und einer über ein
Ladekabel damit verbundenen Ladestation;
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2 ein
Detail zu dem Energiemengenzähler entsprechend dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel;
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3 eine
Blockschaltbild einer Überwachungs- und Sicherungseinrichtung
einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug nach dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 eine
Detaildarstellung zu einer Überwachungs- und Sicherungseinrichtung
einer Ladestation nach 3.
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1 zeigt
ein Fahrzeug 2, welches ein reines Elektrofahrzeug oder
ein Hybridfahrzeug sein kann. Das Fahrzeug 2 weist eine
Batterie 4 sowie ein Ladestromsteuergerät 6 auf.
Darüber hinaus weist das Fahrzeug 2 einen geeichten
Zähler 8 auf. Die Batterie 4 ist über
das Ladesteuergerät 6 und den Zähler 8 mittels
eines Kabels 10 über einen Verbindungsstecker 11 mit
einer Ladestation 12 verbunden.
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Die
Ladestation 12 weist eine Steckdose 14, Überwachungs-
und Sicherungskomponenten 18, 20, 22,
sowie einen Energiemengenzähler 16 auf, welcher
an den Anschlusskasten eines Energieversorgungsnetzes 13 angeschlossen
ist. Während des Ladens der Batterie 4 des Fahrzeugs 2 über
das Kabel 10 fließt Strom von dem Energieversorgungsnetz 13 über
den Zähler 16 und die Steckdose 14 sowie das
Kabel 10, den Zähler 8 und das Ladegerät 6 in die
Batterie 4. Der Zähler 16 zählt
die in die Batterie 4 fließende Energiemenge.
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Bei
den Überwachungs- und Sicherungskomponenten handelt es
sich um einen FI-Schalter 18, um einen passiven Leitungsschutzschalter 20
und
um ein Schütz 22 zum gesteuerten Ein- bzw. Ausschalten
des Laststromkreises.
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Die
Steuerung des Schützes 22 erfolgt über einen
Ladestations-Gateway-Rechner 24. Der Leitungsschutzschalter 20 arbeitet
in bekannter Weise, d. h. es handelt sich um eine Komponente, welche den
Stromkreis bei Überlast selbsttätig abschaltet. Damit
wird der Laststromkreis vor Beschädigung durch zu starke
Erwärmung geschützt, die aus dem über
einen längeren Zeitraum fließenden Überstrom resultieren
würde, wobei der Überstrom entweder durch eine Überlast
oder durch einen Kurzschluss verursacht werden kann. Bei einer Auslösung
bei Überlast erfolgt die Abschaltung, wenn der vorgegebene
Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes
längere Zeit überschritten wird. Die Zeit bis
zur Auslösung hängt von der Stärke des Überstroms
ab und richtet sich nach der in einer Strom-Zeit-Kennlinie dargestellten
Charakteristik.
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Im
Falle des Auftretens eines Kurzschlusses in der Anlage erfolgt eine
sehr schnelle Auslösung, zumeist innerhalb weniger Millisekunden.
Auch lässt sich der Leitungsschutzschalter 20 manuell
auslösen, z. B. für Wartungsarbeiten oder zur
vorübergehenden Stilllegung. Dazu befindet sich ein Kippschalter
oder ein Auslöseknopf auf der Frontseite des Schalters 20.
Nach dem Auslösen lässt sich der Schalter 20 vom
Bediener der Ladestation manuell wieder einschalten.
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Auch
der FI-Schalter 18 ist wie im Stand der Technik bekannt
mit einer externen mechanischen Tastenbetätigung versehen,
um entsprechende manuelle Prozeduren durchführen zu können.
Solche manuellen Prozeduren können in Bezug auf den FI-Schalter 18 routinemäßige
Tests sein.
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Wie
aus 2 hervorgeht, enthält der Energiemengenzähler 16 eingangsseitig,
d. h. an seinem dem Energieversorgungsnetz 13 zugewandten
Anschluss, einen ersten Detektor 31 für die an
diesem Messpunkt anliegende Phasenspannung sowie einen zweiten Detektor 32 für
den in den Zähler 16 fließenden Phasenstrom.
Die Detektoren 31, 32 sind als Detektoren für
die entsprechenden elektrischen Größen, z. B.
als Ringkern Stromwandler, Hallsensoren etc. ausgebildet. Aus den
Ausgangssignalen der Detektoren 31, 32 wird die über
einen bestimmten Zeitraum gelieferte Energiemenge berechnet und diese kann
auf einer Anzeigevorrichtung 33 des Zählers 16 zur
Anzeige gebracht werden.
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Der
Zähler 16 ist ein fernauslesbarer Zähler, welcher über
ein Kommunikationsnetz 40 mit einer Abrechnungszentrale 42 verbunden
ist. Das Kommunikationsnetz 40 kann Teil des Energieversorgungsnetzes 13 sein,
so dass beispielsweise eine Kommunikation mittels Power-Line-Communication über
das Energieversorgungsnetz 13 erfolgen kann. Auch kann
das Kommunikationsnetz 40 ein drahtgebundenes oder drahtloses
Kommunikationsnetz sein. Zur Kommunikation kann beispielsweise ein
IP-Protokoll verwendet werden.
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Der
Zähler 16 weist ausgangsseitig nicht nur eine
Anzeigeeinrichtung 34 für die berechnete Energiemenge
sondern auch eine weitere Ausgabeeinheit 35 für
den Phasenstrom auf, welcher über den Detektor 32 erfasst
wird. Die weitere Ausgabeeinheit 35 kann den Messwert des
Detektors 32 unmittelbar ausgeben oder ein aus diesem Messwert
abgeleitetes weiterverarbeitetes Signal. Alternativ dazu kann von
der weiteren Ausgabeeinheit 35 auch die Phasenspannung
oder ein entsprechend weiter verarbeitetes Signal des Detektors 31 ausgegeben
werden. Schließlich ist auch die Ausgabe eines aus den
Signalen der Detektoren 31 und 32 gemeinsam abgeleiteten
Ausgangssignals, insbesondere die Phasenwirkleistung, von der weiteren
Ausgabeeinheit 35 darstellbar.
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Der
weiteren Ausgabeeinheit 35 ist ebenso wie der Ausgabeeinheit 34 für
die gemessene Energiemenge eine Datenschnittstelle 36 zugeordnet,
wobei diese Datenschnittstelle separat oder gemeinsam (wie in 2dargestellt)
mit der Datenschnittstelle für die Energiemenge ausgebildet
sein kann.
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Über
die Datenschnittstelle 36 steht der Phasenstrom oder ein
anderes elektrisches Signal für die weitere Verarbeitung
im Zusammenhang mit der im folgenden beschriebenen Überwachungs-
bzw. Sicherheitseinrichtung zur Verfügung.
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Der
Aufbau einer Ladestation für Elektrofahrzeuge nach dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im
Zusammenhang mit 3 wie folgt erläutert:
Die
vom Energieversorgungsnetz 13 führende elektrische
Versorgungsleitung, bei der es sich um eine dreiphasige Drehstromleitung
handeln kann, mündet in einem innerhalb der Ladestation 12 angeordneten Anschlusskasten.
Von dort sind die Leitungen weitergeführt auf den „Stromzähler” 16,
welcher bevorzugt als ein wie oben im Zusammenhang mit 2 dargestellter
digitaler Energiemengenzähler ausgeführt ist und
dessen Ausgabewert über eine als RS 232 Schnittstelle ausgeführte
serielle Schnittstelle oder eine sonstige serielle oder parallele
Schnittstelle zur Auswertung der erfassten Energiemenge an einen Ladestations-Gateway-Rechner
(LSG) 24 weitergegeben wird. Vom Energiemengenzähler 16 ausgehend
sind die Leitungen dreiphasig weitergeführt auf eine integrierte
digitale Überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50.
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Ausgangsseitig
der integrierten digitalen Überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50 befindet
sich die Steckdose 14 der Ladestation, über welche
dem Elektrofahrzeug 2 unter Zuhilfenahme des Ladekabels 10 die
gewünschte Energie bereitgestellt wird.
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Die
Kommunikation zwischen der Steckdose 14 und dem Ladestations-Gateway-Rechner
LSG 24 erfolgt z. B. über PWM-Technik, während
die Kommunikation zwischen dem Ladestations-Gateway-Rechner 24 und
dem Powerline-Kommunikations-Modul PLC 26 über
beispielsweise das Ethernet-Protokoll stattfindet.
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Der
grundsätzliche Aufbau der integrierten digitalen Überwachungs-
und Sicherungseinrichtung 50 ist im Zusammenhang mit 4 dargestellt:
Die Einrichtung 50 beinhaltet eine Auswerteeinrichtung 52,
an deren Eingang die Ausgangsignale von Sensoren 31, 32 für
elektrische Signale, insbesondere für den Phasenstrom und
die Phasenspannung anliegen. Bei diesen Sensoren 31, 32 kann
es sich beispielsweise um diejenigen Komponenten handeln, welche
auch die Eingangssignale für den im Zusammenhang mit 2 beschriebenen
Energiemengenzähler bilden.
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Die
elektrischen Eingangsgrößen werden hinsichtlich
ihrer Amplitude und des zeitlichen Verlaufs innerhalb der Auswerteschaltung 52 weiterverarbeitet
und mit innerhalb der Auswerteschaltung 52 abgespeicherten
oder anderweitig vorgegebenen Parametern verglichen. Im Ergebnis
werden durch die Vorgabe der Parameter Auslösekriterien
definiert, bei deren Erreichen am Ausgang der Auswerteschaltung 52 ein
Steuersignal abgegeben wird, als dessen Folge der Laststromkreis
geschaltet, d. h. entweder eingeschaltet wird, wenn er zuvor abgeschaltet
war, oder ausgeschaltet wird, wenn er zuvor eingeschaltet war.
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Im
folgenden sind die mit einem solchen Aufbau realisierbaren Funktionalitäten
beschrieben:
Mittels der Sensoren 31, 32 lässt
sich der zeitliche Verlauf der Ströme bzw. Spannungen im
Ladestromkreis erfassen und analysieren. Durch die ständige Erfassung
stehen diese Signale und deren Auswerteergebnisse auch für
eine regelmäßige Dokumentation zur Verfügung.
Zudem können die Ausgangssignale der Sensoren 31, 32 auch über
geeignete Schnittstellen anderen Komponenten des Ladekreises zur
Verfügung gestellt werden. Die im Zusammenhang mit 2 dargestellte
Verwendung für den Energiemengenzähler 16 ist
nur eine der Möglichkeiten.
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Beim Überschreiten
eines maximal zulässigen Amplitudenwertes im Stromverlauf
wird das Schaltmittel 54 angesteuert, um einen Abschaltprozess
zu bewirken, wodurch ein Überstromschutz, z. B. im Kurzschlussfall
erreicht wird. Das sichere Schalten des Schaltmittels 54 kann
zudem durch die Stromerfassung bzw. Spannungserfassung erkannt und überwacht
werden.
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Einer
der von der Auswerteschaltung 52 vorgegebenen Parameter
kann eine bestimmte Sicherungskennlinie sein, um eine bestimmte Strom-Zeitcharakteristik
zu simulieren. Das verlangte Strom-Zeitverhalten lässt
sich durch digitale Nachbildung der Kennlinie in weiten Grenzen
variieren. Hierdurch kann der Überstromschutz auf bestimmte
vorgebbare Auslösekennwerte eingestellt werden. Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass vorab gespeicherte Sicherungskennlinien
vorgesehen sind, von denen jeweils die dem Anwendungsfall entsprechende
auswählbar ist. Beispielsweise kann eine einem bestimmten
Stecker des Ladekabels angepasste Kennlinie verwendet werden. So
ist es beispielsweise möglich, mittels eines Steckergesichtes
oder mittels eines im Stecker angeordneten Widerstandes, beispielsweise
eines Widerstands zwischen einem Plug-Present- oder Pilotleiter
und einem Nulleiter, einen Stecker oder ein Ladekabel für
eine maximale Ladestromstärke zu kennzeichnen. Mit diesen Informationen
kann auch die Sicherungskennlinien angepasst werden. Gegenüber
herkömmlichen Funktionalitäten von passiven Leitungsschutzschaltern,
deren Ansprechkennlinie nicht parametriert werden kann, ergibt sich
hierdurch eine weitaus größere Flexibilität.
Im Rahmen dieser Funktionalität wird auch durch entsprechende
Parametrierung der Ansprechkennlinie eine Kompensation des Einflusses der
Umgebungstemperatur auf die Absicherungsbedingungen ermöglicht.
Hierdurch soll vermieden werden, dass eine Auslösung der
Einrichtung allein durch erhöhte Umgebungstemperatureinfluss
erfolgt, ohne dass tatsächlich ein Fehler vorliegt.
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Auch
kann die digitale Auswerteeinrichtung 52 durch entsprechende
Auswertung von Stromsignalen und entsprechende Differenzbildung
Fehlerströme im Ladekreis erkennen und durch Ansteuerung
des Schaltmittels 54 eine Abschaltung bewirken. Es können
dabei sowohl Wechselstrom-Fehlerströme als auch Gleichstrom-Fehlerströme
diagnostiziert werden, wodurch sich ein einem FI Schalter sowohl
des Typs A als auch des Typs B entsprechendes Verhalten simulieren
lässt. Von besonderer Bedeutung dabei ist, dass im Falle
eines detektierten Fehlerstromes (AC oder DC) ein dauerhaftes Abschalten
des Schaltmittels 54 bewirkt werden kann und erst bei einem
Neustart des Ladestations-Gateway Rechners wieder aktiv eingeschaltet
wird. Dabei kann die Hochlaufroutine („Rebooting”)
auf diese Funktionalität angepasst sein. Hierdurch lassen
sich auch die, z. B. im Bereich der Bundesrepublik Deutschland vorgeschriebenen
Sicherheitsrichtlinien realisieren, die bei einem Fehlerstromschutzschalter immer
ein netzspannungsunabhängiges Schalten erfordern.
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Als
weitere Sicherheitsfunktion von Bedeutung kann vorgesehen sein,
dass im Falle eines Netzausfalls das Schaltmittel zwangsweise geöffnet wird.
Auch hierdurch lässt sich die FI-Schalter-Funktionalität
gewährleisten.
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Auch
kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
automatische Prüffunktion bei der FI-Schalter-Funktionalität
vorgesehen sein. Dabei kann die Überwachungs- und Sicherungseinrichtung 50 angewiesen
werden, einen Fehlerstrom zu simulieren. Dies kann zum Beispiel
dadurch erfolgen, dass zwischen einer Phase oder einem sonstigen Leiter
und dem Schutzleiter ein Widerstand gesteuert eingeschaltet wird,
woraufhin das Relais des FI-Schalters angesteuert (und ggf. nicht
ausgelöst) und dieses Ansteuersignal von externer Seite
erkannt und somit die Funktionalität als in Ordnung befunden
wird. Diese Simulation kann für alle drei Phasen getrennt
und/oder in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt
werden. Der besondere Vorteil gegenüber der bisherigen
Praxis besteht nun darin, dass diese – gesetzlich zwingend
vorgeschriebene – Prüffunktion automatisiert von
extern erfolgt, ohne dass eine beauftragte Person an dem Ort der
Ladestation anwesend sein muss. Zum Beispiel kann ein solcher Prüfvorgang
jeweils nach Abschluss eines Ladevorgangs erfolgen.
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Durch
die zuvor beschriebene Lösung wird der Bauteile- und Verdrahtungsaufwand
in der Ladestation ganz erheblich reduziert, da Doppelfunktionalitäten,
wie sie bei der Verwendung separater sicherheitstechnischer Komponenten
unumgänglich sind, vermieden werden.
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Diese
Gestaltung bietet vor allem für solche Anwendungen, wie
sie bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge gegeben sind,
erheblich Vorteile, bei denen eine Energieversorgung genau einem
Verbraucher gegenüber steht. Durch die hohe Flexibilität
verbunden mit dem reduzierten Bauteileaufwand wird eine optimierte
Anpassung der Sicherheitsanforderungen an die speziellen Anforderungen
des Verbrauchers erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - VDE 0160 [0015]
- - EN 50178 [0015]
