DE102011083554A1

DE102011083554A1 - Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102011083554A1
Application number: DE102011083554A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bauer; Michael Hegmann; Alexander Mundry; Bernhard Schmid; Hans Schäffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung (1) für Kraftfahrzeuge weist eine Ladedose (2) auf, in die ein Ladekabel einsteckbar ist, um das Kraftfahrzeug in einem bestromten Zustand der Ladedose (2) mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist die Ladevorrichtung (1) eine Verriegelungseinrichtung (3) auf, welche ihrerseits ein Verriegelungselement (4) aufweist, das von einer Entriegelungsposition in eine Verriegelungsposition verbringbar ist, wobei sich das Verriegelungselement (4) im bestromten Zustand der Ladedose (2) in der Verriegelungsposition befindet. Ferner weist die Verriegelungseinrichtung (3) ein Federelement (5) auf, welches eine Rückstellkraft auf das Verriegelungselement (4) ausübt, die dieses in einem unbestromten Zustand der Ladedose (2) in die Entriegelungsposition drängt, so dass das Ladekabel entriegelt ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im bestromten Zustand der Ladevorrichtung (1) bzw. der Ladedose (2), d.h. während eines Ladevorgangs eines an die Ladevorrichtung (1) über ein Ladekabel angeschlossenen Kraftfahrzeugs, das Ladekabel nicht von der Ladedose (2) getrennt werden kann, jedoch bei einem Spannungsausfall eine einfache Trennung des Ladekabels von der Ladedose (2) möglich ist, so dass das Risiko einer Beschädigung der Ladevorrichtung (1) durch eine manuelle Entriegelung oder Trennung entfällt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge, welche eine Ladedose aufweist, in die ein Ladekabel einsteckbar ist, um das Kraftfahrzeug in einem bestromten Zustand mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist die Ladevorrichtung eine Verriegelungseinrichtung mit einem Verriegelungselement auf, das von einer Entriegelungsposition in eine Verriegelungsposition verbringbar ist, wobei das Ladekabel in der Entriegelungsposition von der Ladedose trennbar ist und in der Verriegelungsposition mit der Ladedose verriegelt ist.
Die Erfindung befasst sich mit der Ausgestaltung und Betriebsweise einer Ladevorrichtung bzw. einer Ladestation, die die Zufuhr elektrischer Ladung – insbesondere aus einem öffentlichen Stromnetz, aber auch aus einem privaten Stromnetz, beispielsweise einer privat betriebenen Photovoltaikanlage – zu einer Batterie, einem Kondensator oder einem sonstigen Speicher für elektrische Ladung in einem Kraftfahrzeug ermöglicht. Die elektrischen Batterien oder Stromspeicher eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Antrieb müssen regelmäßig wieder aufgeladen werden. Zum Anschluss an ein Stromnetz kann dabei beispielsweise ein einfacher Stecker in eine Schuko-Steckdose eines herkömmlichen Haus-Installationsnetzes eingesteckt werden. Alternativ kann auch ein geeigneter Stecker in eine CEE-Steckdose für ein Drehstromnetz eingesteckt werden. Ferner existieren auch speziell für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb bereitgestellte Ladestationen bzw. Ladevorrichtungen. Typischer Weise gibt es an einer derartigen Ladevorrichtung eine Ladebuchse, auch als Ladedose bezeichnet, in die ein Ladekabel einsteckbar ist. Das Ladekabel wird an seinem anderen Ende mit dem Kraftfahrzeug gekoppelt, typischer Weise wird es dort ebenfalls in eine Buchse eingesteckt.
Heute verfügbare Ladevorrichtungen für Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen neben einer Ladedose zum Einstecken des Ladekabels eine Verriegelungseinrichtung auf, welche das in die Ladedose eingesteckte Ladekabel während eines Ladevorgangs verriegelt und damit ein Trennen des Ladekabels von der Ladedose verhindert. Hierzu weist die Verriegelungseinrichtung einen Elektromotor auf zum Betätigen eines Verriegelungszapfens auf. Zum Öffnen und Schließen der Verriegelung ist dabei jeweils ein Spannungsimpuls, beispielsweise mit einer Spannung von 12 Volt über eine Zeitdauer von 0,3 Sekunden, erforderlich.
Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass das Ladekabel bei Ausfall der Versorgungsspannung während des Ladevorgangs verriegelt bleibt und nicht aus der Ladedose entfernt werden kann. Somit kann der Fahrzeugführer sein Kraftfahrzeug auch nicht an eine andere Ladevorrichtung anschließen, um die Stromspeicher des Fahrzeugs aufzuladen. Beim Versuch, das Ladekabel gewaltsam aus der Ladedose zu ziehen, können ferner Beschädigungen am nicht entriegelten Ladekabel und/oder an der Ladevorrichtung auftreten.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ladevorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Bedienbarkeit sowie eine erhöhte Robustheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge weist eine Ladedose auf, in die ein Ladekabel einsteckbar ist, um das Kraftfahrzeug in einem bestromten Zustand der Ladedose mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist die Ladevorrichtung eine Verriegelungseinrichtung auf, welche ihrerseits ein Verriegelungselement aufweist, das von einer Entriegelungsposition in eine Verriegelungsposition verbringbar ist, wobei sich das Verriegelungselement im bestromten Zustand der Ladedose in der Verriegelungsposition befindet. Ferner weist die Verriegelungseinrichtung ein Federelement auf, welches eine Rückstellkraft auf das Verriegelungselement ausübt, die dieses in einem unbestromten Zustand der Ladedose in die Entriegelungsposition drängt, so dass das Ladekabel entriegelt ist.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im bestromten Zustand der Ladevorrichtung bzw. der Ladedose, d.h. während eines Ladevorgangs eines an die Ladevorrichtung über ein Ladekabel angeschlossenen Kraftfahrzeugs, das Ladekabel nicht von der Ladedose getrennt werden kann. Ändert sich der Zustand der Ladevorrichtung von „bestromt“ auf „unbestromt“, d.h. es fließt kein Strom mehr oder nur noch ein geringer Strom über das Ladekabel zu dem angeschlossenen Kraftfahrzeug – beispielsweise aufgrund eines Spannungsab- oder -ausfalls – so wird das Verriegelungselement durch die von dem Federelement auf das Verriegelungselement wirkende Rückstellkraft automatisch in die Entriegelungsposition verbracht, wodurch das Ladekabel freigegeben ist und von der Ladedose getrennt werden kann. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass das Ladekabel bei Spannungsausfall einfach von der Ladedose getrennt werden kann, so dass das Risiko einer Beschädigung der Ladevorrichtung durch eine manuelle Entriegelung oder Trennung entfällt. Weiterhin werden auch Beschädigungen an der Ladevorrichtung durch ein Herausreißen des nicht entriegelten Ladekabels vermieden. Die Bedienbarkeit sowie die Robustheit der Ladevorrichtung werden dadurch deutlich verbessert. Als Federelement kommen vor allem mechanische Federn, wie beispielsweise Schrauben- oder Tellerfedern, aber auch andere Federelemente wie beispielsweise Luftfedern oder Elastomerfedern in Betracht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung ist das Federelement als eine auf das Verriegelungselement einwirkende mechanische Zugfeder oder als eine auf das Verriegelungselement einwirkende mechanische Druckfeder ausgebildet. Mechanische Zug- oder Druckfedern, beispielsweise in Form einer Schraubenfeder oder eines Tellerfederpakets stellen eine einfache Ausführungsform des Federelements dar. Da sowohl Zug- als auch Druckfedern eingesetzt werden können, wird der konstruktive Gestaltungsspielraum der Verriegelungseinrichtung deutlich erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung ist das Verriegelungselement als ein relativ zur Ladevorrichtung verschiebbar gelagerter Verriegelungszapfen ausgebildet, welcher in eine am Ladekabel ausgebildete Vertiefung eingreift, so dass das Ladekabel formschlüssig in der Ladedose fixiert ist. Ein verschiebbar gelagerter Verriegelungszapfen, welcher formschlüssig in eine am Ladekabel ausgebildete Vertiefung oder Aufnahme eingreift, stellt eine einfache und robuste Möglichkeit zur Realisierung des Verriegelungselements dar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung weist die Verriegelungseinrichtung eine Spule auf, welche im bestromten Zustand das Verriegelungselement in die Verriegelungsposition drängt. Eine elektrische Spule, welche auf das Verriegelungselement gleich einem Elektromagnet wirkt, stellt einen einfachen, im Wesentlichen verschleißfrei arbeitenden Aktor dar, um das Verriegelungselement in die Verriegelungsposition zu bewegen. Die Wartungsfreundlichkeit der Ladevorrichtung wird dadurch deutlich verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung ist eine von der Spule auf das Verriegelungselement im bestromten Zustand wirkende Magnetkraft derart einstellbar, dass sie größer als eine von der Rückstellfeder auf das Verriegelungselement aufgebrachte Rückstellkraft. Auf diese Weise ist das Zusammenspiel von Spule und Rückstellfeder optimal einstellbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung weist die Spule einen im Wesentlichen zylinderförmigen Spulenkörper auf, in dem das Verriegelungselement verschiebbar gelagert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Ladevorrichtung weist die Verriegelungseinrichtung ein Joch zur Führung eines von der Spule erzeugten magnetischen Flusses auf. Eine derartige Anordnung aus Spule, Joch sowie dem im Inneren des zylinderförmigen Spulenkörpers verschiebbar gelagerten Verriegelungselements stellt eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Bildung eines magnetischen Kreis dar, um das Verriegelungselement auch bei vergleichsweise geringen Strömen sicher in die Verriegelungsposition zu bewegen.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Ladevorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
1A und 1B schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung;
2A und 2B schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 1 schematisch dargestellt. 1A zeigt dabei die Ladevorrichtung 1 mit einer Verriegelungseinrichtung 3 in einem verriegelten Zustand. In 1B ist die Ladevorrichtung 1 mit der Verriegelungseinrichtung 3 hingegen in einem entriegelten Zustand schematisch dargestellt. Die Ladevorrichtung 1 weist eine Ladedose 2 auf, in die ein Ladekabel (nicht dargestellt) einsteckbar ist, um ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) in einem bestromten Zustand der Ladedose 2 mit elektrischer Energie zu versorgen. Weiterhin weist die Ladevorrichtung 1 eine Verriegelungseinrichtung 3 auf, welche ihrerseits ein Verriegelungselement 4 aufweist, das von einer Entriegelungsposition (in 1B dargestellt) in eine Verriegelungsposition (in 1A dargestellt) verbringbar ist. Dabei ist das in die Ladedose 2 eingesteckte Ladekabel in der Entriegelungsposition von der Ladedose trennbar – in der Verriegelungsposition jedoch mit der Ladedose 2 verriegelt, so dass es nicht ohne Weiteres von der Ladedose 2 abgezogen werden kann.
Die Verriegelungseinrichtung 3 weist neben dem Verriegelungselement 4 eine Spule 7 auf. Die Spule 7 ist dabei derart mit der Ladedose elektrisch verschaltet, dass sie im bestromten Zustand der Ladedose 2, d.h. während eines Ladevorgangs eines mit der Ladevorrichtung 1 über ein Ladekabel gekoppelten Kraftfahrzeugs, ebenfalls bestromt ist. Weiterhin ist die Spule 7 mit dem Verriegelungselement 4 derart elektromagnetisch gekoppelt, dass die von der Spule 7 im bestromten Zustand auf das Verriegelungselement 4 wirkende Magnetkraft das Verriegelungselement 4 in die in 1 dargestellte Verriegelungsposition drängt. Zur Führung des von der Spule 7 erzeugten magnetischen Flusses weist die Verriegelungseinrichtung ferner ein magnetisches Joch 8 auf. Tritt an der Ladedose 2 ein Spannungsabfall oder ein Spannungsausfall auf, beispielsweise bei Beendigung des Ladevorgangs, aber auch bei einem unbeabsichtigten Stromausfall so wird auch die Spule 7 nicht mehr bestromt, so dass das Verriegelungselement 4 nicht mehr von der Spule 7 angezogen und in die Verriegelungsposition gedrängt bzw. dort gehalten wird.
Zum Rückstellen des Verriegelungselements 4 in die Entriegelungsposition weist die Verriegelungseinrichtung 3 ein Federelement auf, welches als mechanische Zugfeder 5 in Form einer Schraubenfeder ausgebildet ist. Die Zugfeder 5 ist dabei mit dem Verriegelungselement 4 mechanisch derart gekoppelt, dass eine von der Zugfeder 5 auf das Verriegelungselement 4 wirkende Rückstellkraft das Verriegelungselement 4 in die Entriegelungsposition drängt. Diese von der Zugfeder 5 auf das Verriegelungselement 4 aufgebrachte Rückstellkraft ist dabei kleiner dimensioniert als die von der Spule 7 im bestromten Zustand auf das Verriegelungselement 4 wirkende Magnetkraft. Auf diese Weise wird das Verriegelungselement 4 im bestromten Zustand in die Verriegelungsposition verbracht, im unbestromten Zustand jedoch automatisch mittels der Zugfeder 5 in der Entriegelungsposition gezogen, so dass die Ladevorrichtung 1 entriegelt ist und das Ladekabel damit freigegeben ist.
Im Unterschied zu dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in dem in den 2A und 2B dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel das Federelement als Druckfeder 6 ausgebildet. Diese ist ebenfalls derart angeordnet und mit dem Verriegelungselement 4 mechanisch gekoppelt, dass die von der Druckfeder 6 auf das Verriegelungselement 4 wirkende Rückstellkraft das Verriegelungselement 4 wiederum in die Entriegelungsposition drängt. Im Übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei einem nicht aktiven Ladevorgang, d.h. bei unbestromter Ladedose 2, fließt folglich auch kein Strom durch die Spule 6, so dass diese auch keine elektromagnetische Kraft auf das Verriegelungselement 4 ausübt. Das Verriegelungselement 4 wird bei einem nicht aktiven Ladevorgang von dem Federelement, d.h. also entweder von der Zugfeder 5 oder von der Druckfeder 6, in der Entriegelungsposition gehalten – die Ladedose 2 ist also nicht verriegelt (siehe 1B bzw. 2B).
Vor oder zu Beginn eines Ladevorgangs wird die Spule 7 mit Strom beaufschlagt. Die dadurch entstehende elektromagnetische Kraft wirkt der von dem Federelement 5 bzw. 6 aufgebrachten Rückstellkraft entgegen, so dass das als Verriegelungsstift ausgebildete Verriegelungselement 4 in die Verriegelungsposition bewegt wird (siehe 1A bzw. 2A). Die Ladedose 2 ist somit verriegelt. Tritt während des Ladevorgangs ein Spannungsausfall oder ein Spannungsabfall auf, so fließt auch kein oder nur noch ein geringer Strom durch die Spule 7, weswegen die elektromagnetische Kraft, die das Verriegelungselement 4 in der Verriegelungsposition hält, vollständig oder zumindest weitestgehend entfällt. In diesem Fall überwiegt die von dem Federelement 5 bzw. 6 auf das Verriegelungselement 4 aufgebrachte Rückstellkraft, wodurch das Verriegelungselement 4 in die Entriegelungsposition bewegt wird. Damit ist die Ladedose 2 entriegelt, das das Ladekabel ist wieder freigegeben und kann abgezogen werden.
Mit Hilfe dieser Verriegelungsvorrichtung 3 ist eine Ladevorrichtung 1 realisierbar, deren Ladedose 2 bei einem Spannungsausfall automatisch entriegelt wird. Dabei sind weder Verschleißteile noch elektrische Energiespeicher wie Batterien oder Kondensatoren erforderlich, um die Verriegelungsvorrichtung 3 bei Spannungsausfall wieder zu entriegeln. Auf eine im Störungsfall erforderliche manuell betätigbare Entriegelungseinrichtung kann dabei verzichtet werden. Die Bedienbarkeit der Ladevorrichtung 1 wird dadurch deutlich vereinfacht.
Bezugszeichenliste

1: Ladevorrichtung
2: Ladedose
3: Verriegelungseinrichtung
4: Verriegelungselement
5: Zugfeder
6: Druckfeder
7: Spule
8: Joch

Claims

Ladevorrichtung (1) für Kraftfahrzeuge, mit – einer Ladedose (2), in die ein Ladekabel einsteckbar ist, um das Kraftfahrzeug in einem bestromten Zustand der Ladedose (2) mit elektrischer Energie zu versorgen, – einer Verriegelungseinrichtung (3), welche ein Verriegelungselement (4) aufweist, das von einer Entriegelungsposition, in der das Ladekabel von der Ladedose trennbar ist, in eine Verriegelungsposition, in der das Ladekabel mit der Ladedose (2) verriegelt ist, verbringbar ist, – wobei sich das Verriegelungselement (4) im bestromten Zustand der Ladedose (2) in der Verriegelungsposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (3) ein Federelement (5, 6) aufweist, welches eine Rückstellkraft auf das Verriegelungselement (4) ausübt, die dieses in einem unbestromten Zustand der Ladedose (2) in die Entriegelungsposition drängt, so dass das Ladekabel entriegelt ist.
Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) als eine auf das Verriegelungselement (4) einwirkende mechanische Zugfeder (5) oder als eine auf das Verriegelungselement (4) einwirkende mechanische Druckfeder (6) ausgebildet ist.
Ladevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (4) als ein relativ zur Ladevorrichtung (1) verschiebbar gelagerter Verriegelungszapfen ausgebildet ist, welcher in eine am Ladekabel ausgebildete Vertiefung eingreift, so dass das Ladekabel formschlüssig in der Ladedose (2) verriegelt ist.
Ladevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (3) eine Spule (7) aufweist, welche im bestromten Zustand das Verriegelungselement (4) in die Verriegelungsposition drängt.
Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Spule (7) auf das Verriegelungselement (4) im bestromten Zustand wirkende Magnetkraft derart einstellbar ist, dass sie größer ist als eine von dem Federelement (5, 6) auf das Verriegelungselement (4) aufgebrachte Rückstellkraft.
Ladevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (7) einen im Wesentlichen zylinderförmigen Spulenkörper aufweist, in dem das Verriegelungselement (4) verschiebbar gelagert ist.
Ladevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (3) ein Joch (8) zur Führung eines von der Spule (7) erzeugten magnetischen Flusses aufweist.