DE102013200864A1

DE102013200864A1 - Adapter für Elektrofahrzeug-Ladesystem

Info

Publication number: DE102013200864A1
Application number: DE102013200864A
Authority: DE
Inventors: Allan Roy Gale; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-07-25
Also published as: US20130187600A1; US9762078B2; CN103227495A

Abstract

Es wird ein Adapter zum Verbinden eines EV/PHEV-Ladesystems mit einer geerdeten Verlängerungsschnur bereitgestellt, die in eine herkömmliche NEMA-Steckdose gesteckt werden kann. Innerhalb des Adapters ist ein Näherungssensorschalter bereitgestellt. Ein pulsbreitenmoduliertes Signal wird durch die Steuerlogik begrenzt, um den Strom zu begrenzen, der dem Fahrzeugladesystem bereitgestellt wird, derart, dass der durch das System bezogene Strom nicht die Strombelastbarkeit der Verlängerungsschnur überschreitet. Der Adapter weist auf einer Seite einen NEMA-Stecker und auf einer anderen Seite eine J1772-Verbindersteckdose auf.

Description

Diese Offenbarung betrifft das Gebiet der Adapter für Elektrofahrzeug-Ladesysteme, die das Laden der Batterie erleichtern, indem sie die Verbindung mit einer herkömmlichen Wechselstromquelle ermöglichen.
Batterien speichern Energie, um ein Elektrofahrzeug (Electric Vehicle – EV) oder ein plug-in-hybrid-elektrisches Fahrzeug (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV) mit Strom zu versorgen. Ein Stromnetz ist zum Laden der Batterie mit dem EV/PHEV verbunden. Das Ladesystem kann zusätzlich zum Laden der Batterie auch andere elektrische Systeme betreiben, einen Erdungsweg bereitstellen und für den Austausch von Steuerinformationen zwischen der Versorgungsausrüstung und dem Ladesystem auf dem EV/PHEV sorgen.
Vom grundsätzlichen Verfahren zum Laden eines EV/PHEV wird vorausgesetzt, dass es dem AC Level 2 Charging des Standards SAE J1772 mit einem Ladesystem entspricht, für das die Verwendung einer Fahrzeugverbindung vorgeschrieben ist, die erfordert, dass der Benutzer eine Ladung von einer festen Ladestation erhält. Die Ladestation kann eine Steckdose aufweisen, die einen Stecker des Standards SAE J1772 vom Elektrofahrzeug-Ladesystem aufnimmt, das einen hohen Ladestrom (d. h. 80 Ampere) bereitstellt.
Alternativ kann das Fahrzeug einen J1772-Stecker mit einer Schnur aufweisen. Ein EV/PHEV kann gemäß dem AC Level One Charging des Entwicklungsstandards SAE J1772 geladen werden, indem es über eine Schnur und einen Steckverbinder des Electric Vehicle Supply Equipments (EVSE) mit einer gewöhnlichen geerdeten Steckdose verbunden wird. Dieser Ansatz kann verwendet werden, wenn das Fahrzeug mit einem eingebauten Ladegerät versehen ist, das angepasst ist, um den Einphasenwechselstrom vom Stromnetz mit einem Höchststrom von entweder 12 Ampere für einen 15-Ampere-Unterbrecher und eine NEMA-5-15-Steckdose oder einem Höchststrom von 16 Ampere für einen 20-Ampere-Unterbrecher und eine NEMA-5-20R-Steckdose zu erhalten.
Das Mitführen einer Schnur mit einem J1772-Stecker gemäß dem AC Level One Charging-Standard im Fahrzeug kann durch den Fahrzeugbenutzer aufgrund der Größe, der Masse, der Unreinlichkeit und des Gewichts als nicht wünschenswert angesehen werden. Es wird damit gerechnet, dass viele Fahrzeugbenutzer aus diesen Gründen auf das Mitführen der alternativen Ladeschnur im Fahrzeug verzichten werden. Dabei bleibt aber die Sorge, dass der Fahrzeugbenutzer in eine Situation gelangen kann, in der ein Aufladen erforderlich ist und kein fester Stromstationswechselstrom verfügbar ist.
Der Standard J1772 weist ein Steuerpilotsignal auf, das durch das Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) übermittelt wird. Das Steuerpilotsignal ist der Hauptsteuerleiter, der über die Steuerschaltungen mit der Erde verbunden ist, um die folgenden Funktionen durchzuführen: Überprüfen des Vorhandenseins der Steckverbindung, Zulassen des Ladens; Übertragen der Nennstromstärke der Versorgungsausrüstung an das EV/PHEV; Überwachen der Erdung der Ausrüstung und dergleichen.
Der Standard J1772 spezifiziert, dass ein festes Ladesystem einen Näherungssensor aufweist, der das Laden verhindert, wenn der Stecker nicht vollständig mit der Ladestation oder der Fahrzeugsteckdose verbunden ist. Das Fahrzeugladesystem und die feste Ladestation kommunizieren in Bezug auf den Zustand einer mechanischen Rastverbindung mit der Fahrzeug-Steckdose als eine Bedingung dafür, dass das Fahrzeug-Ladesystem eine Ladung empfängt. Die mechanische Rastklinke und Verriegelung sind dazu bestimmt, eine Brückenbildung zwischen dem Stecker und der Steckdose zu verhindern.
Das Nichtvorhandensein des Pilotsignals oder Näherungssensorsignals verhindert, dass das EV/PHEV-Ladesystem eine Ladung empfängt, wenn versucht wird, das Fahrzeug-Ladesystem mit einer herkömmlichen elektrischen Verlängerungsschnur zu verbinden.
Die vorhergehenden Probleme und andere Probleme, die mit dem Bereitstellen eines Ladesystemadapters verbunden sind, werden durch die folgende Offenbarung, wie unten zusammengefasst, angegangen.
Es wird ein Adapterstecker offenbart, der einen J1772-Fahrzeugverbinder, einen Standard-Wechselstromverbinder, der die Verbindung mit einer Standard-Verlängerungsschnur ermöglicht, und eine Schaltung aufweist, die ein Steuerlogik-Pilotsignal bereitstellt. Der Adapter kann eine Steuerschaltung aufweisen, die ein Näherungssensorsignal bereitstellt. Der Adapter weist keine Schnur auf und kann zur kompakten Lagerung im Fahrzeug eingepackt werden. Der Adapter weist eine Schaltung zum Begrenzen des Stroms auf einen Pegel auf, der sicher über eine Standardverlängerungsschnur mit einer herkömmlichen geerdeten Wechselstrom-Steckdose verbunden werden kann, um das Fahrzeug zu laden, wenn das Laden des Fahrzeugs in einer Notfallsituation erforderlich ist.
Ein besseres Verständnis der vorhergehenden Zusammenfassung der Offenbarung geht im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen und die folgende ausführliche Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Adaptersteckers;
2 ist ein Schaltplan eines Beispiels des Adaptersteckers; und
3 ist ein Schaltplan einer alternativen Ausführungsform eines Adaptersteckers.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und einige Merkmale können überzeichnet oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Bauelemente zu zeigen. Die spezifischen strukturellen und funktionellen Einzelheiten, die in dieser Anmeldung offenbart werden, sind nicht als einschränkend sondern lediglich als charakteristische Grundlage auszulegen, um den Fachmann die praktische Anwendung der Erfindung zu lehren.
Mit Bezug auf 1 ist eine Ausführungsform eines Adapters 10 veranschaulicht, der ein Gehäuse 12 aufweist, das eine NEMA-Steckerseite aufweist, die allgemein mit dem Bezugszeichen 14 angegeben ist. Ein Stift 16 der Wechselstromleitung eins, ein Stift 18 der Wechselstromleitung zwei und ein Erdungsstift 20 erstrecken sich von der NEMA-Steckerseite 14 des Gehäuses 12. Eine Schaltung, die eine Wechselstrom/Gleichstrom-Steuerlogikschaltung 22 aufweist, ist innerhalb des Gehäuses 12 untergebracht, um eine Schnittstelle mit der Fahrzeug-Ladeschaltung zu bilden, wie unten ausführlicher beschrieben wird. Auf dem Gehäuse 12 ist auch eine J1772-Verbinder-Steckdosenseite 26 vorgesehen. Auf der Seite 26 der Steckdose des Gehäuses 12 für den J1772-Verbinder sind eine Steckdose 28 für die Wechselstromleitung eins, eine Steckdose 30 für die Wechselstromleitung zwei und eine Erdungssteckdose 32 bereitgestellt. Auf der Steckdosenseite 26 des J1772-Verbinders sind auch eine Steuerpilot-Steckdose 36 und eine Näherungssensor-Steckdose 38 bereitgestellt, die mit der Wechselstrom/Gleichstrom-Steuerlogikschaltung 22 in Verbindung stehen, die innerhalb des Adapters 10 untergebracht ist.
Mit Bezug auf 2 ist der Adapter 10 in einem Systemschaltplan veranschaulicht, der allgemein durch das Bezugszeichen 50 angegeben ist. Es ist eine NEMA-Steckdose 52 gezeigt, die Zugang zum Stromversorgungsnetz bereitstellt. Eine geerdete Verlängerungsschnur 54, die vom gewöhnlichen 14AWG-Typ sein kann, ist in die Steckdose 52 eingesteckt, um eine Verbindung zwischen der Steckdose 52 und dem Adapter 10 herzustellen. Die Wechselstromleitungen 16, 18 und der Erdungsstift 20 des Adapters 10 sind durch die Verlängerungsschnur 54 aufgenommen. Der Adapter 10 und die Verlängerungsschnur 54 können gemeinsam als Ladeverbindung bezeichnet werden.
Ein Fahrzeugladesystem 56 für ein EV/PHEV ist allgemein mit dem Bezugszeichen 56 angegeben. Der Adapter 10 stellt eine kompakte Verbindung mit dem Fahrzeugladesystem 56 bereit, das ein Laden durch die Verlängerungsschnur 54 ermöglicht.
Innerhalb des Gehäuses 12 sind Schütze 58 bereitgestellt. Ein “Wechselstrom ein”-Anzeiger 60 kann in der Form einer LED-Leuchte oder dergleichen bereitgestellt sein, um anzuzeigen, dass der Adapter 10 mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Der Erdungsstift 20 ist mit einer Ausrüstungserdung 62 verbunden, die die im Adapter 10 angeordnete/n elektronische/n Bauelemente und Verdrahtung erdet. Ein Erdschlussunterbrecher (Ground Fault Interrupt – GFI) 64 kann als ein Eingang für die Wechselstrom/Gleichstrom-Steuerlogik 22 bereitgestellt werden, die den Ladeprozess beim Ermitteln eines Erdschlusses unterbricht.
Eine +12-Volt-Stromversorgungsverbindung 66 versorgt die Steuerlogik 22 mit Strom. Ein pulsbreitenmoduliertes Signal 68 wird durch einen Oszillator (nicht gezeigt) innerhalb der Steuerlogik 22 erzeugt. Der Oszillator im Adapter 10 stellt einen 1KHz-Rechteckwellenausgang bereit, der auf ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit 20% Arbeitszyklus begrenzt ist. Die Pulsbreite ist begrenzt, um dem Ladesystem einen festen Strompegel bereitzustellen, derart, dass der Adapter mit einer 14 AWG Standardverlängerungsschnur 14 sicher verwendet werden kann. Der Strompegel, dem es erlaubt wird, durch das Ladesystem zu fließen, kann in Abhängigkeit von der Nennstromstärke des Abzweigschaltungsunterbrechers der Steckdose 52 begrenzt werden, zum Beispiel auf einen Höchststrom von 6 Ampere oder 12 Ampere. Das pulsbreitenmodulierte Signal wird dem Fahrzeugladesystem 56 durch die Steuerpilot-Steckdose 38 bereitgestellt. Das pulsbreitenmodulierte Signal wird dem Widerstand 70 (R1) bereitgestellt. Die Überwachungsschaltung 72 überwacht den Ausgang des Widerstands 70 und ist mit der Steuerlogik 22 verbunden.
Der Adapter 10 ist mit einem Fahrzeugeingangsstecker 74 verbunden, der Pins aufweist, die der Steckdose 28 für die Wechselstromleitung eins, der Steckdose 30 für die Wechselstromleitung zwei, der Erdungssteckdose 32, der Steuerpilot-Steckdose 38 und der Näherungssensor-Steckdose 36 entsprechen. Zwischen dem pulsbreitenmodulierten Signal und der Erdung ist ein Überspannungsschutz (Transient Voltage Suppressor – TVS) 76 bereitgestellt. Eine Diode 78 ist bereitgestellt, um es dem EVSE zu ermöglichen, zu bestimmen, dass ein EV/PHEV mit dem Ladegerät verbunden ist, und um andere potentielle niederohmige Lasten herauszufiltern. Der Widerstand 80 (R2) und der Widerstand 82 (R3) sind mit entgegengesetzten Seiten des Einschalters 86 (S2) verbunden. Das EV/PHEV ist bereit, um Energie von dem EVSE aufzunehmen, wenn der Schalter 86 geschlossen ist und das Stromprofil auf dem Steuerpilotoszillator des EVSE bereitgestellt wird. Der Strom von dem EVSE kann jederzeit durch Öffnen des Schalters 86 zum Ändern des Signals durch die Steuerelektronik 22 zum Öffnen der Schütze 58 abgeschaltet werden. Das Stromprofil wird dem Laderegler 90 durch den Operationsverstärkerpuffer 88 bereitgestellt.
Eine Näherungssensorschaltung 91 weist einen Schalter 92 (S3) und eine durch den Widerstand 94 (R4) zu einem Eingang des Ladereglers 90 geregelte +5V Stromquelle auf. Die Näherungssensorschaltung 91 ist über den Widerstand 98 (R5) mit der Erde verbunden. Der Schalter 92 ist in Reihe mit dem Widerstand 98 bereitgestellt und parallel mit dem Widerstand 100 (R7) geschaltet. Die Widerstände 94, 98 und 100 ermöglichen die Diagnose der Näherungssensorschaltung 91. Die Näherungssensorschaltung 91 ist geschlossen, wenn eine mechanische Rastklinke 101 zwischen dem Adapter 10 und der Fahrzeugeingangssteckdose 74 im Eingriff ist, um sicherzustellen, dass der Adapter 10 vollständig mit der Fahrzeugeingangssteckdose 74 verbunden ist. Die Näherungssensorschaltung 91 verhindert das Laden, bis eine vollständige Verbindung hergestellt ist. Die Näherungssensorschaltung 91 ist bereitgestellt, um während der Verbindung mit oder Trennung von dem Fahrzeug die Wahrscheinlichkeit irgendeiner elektrischen Brückenbildung in der Steckdose 74 zu minimieren. Der Schalter 92 ist mechanisch mit dem mechanischen Rastklinken-Lösestellglied 101 verbunden. Der Schalter 92 ist normalerweise immer geschlossen, außer wenn das Verbinderrastklinken-Lösestellglied 101 betätigt wird, um den Verbinder vom Fahrzeugeingang zu entkoppeln. Das Öffnen des Schalters 92 löst die Fahrzeugladeregelung aus, um vor dem Trennen ein kontrolliertes Abstellen des Ladestroms bereitzustellen.
Ein Ladezustandsanzeiger 102 ist bereitgestellt, um den Zustand des Ladereglers 90 anzugeben. Der Laderegler 90 betätigt das Ladegerät 106, das es der Batterie 108 ermöglicht, eine Ladung aufzunehmen, wenn die Steuerlogik 22 und die Näherungssensorschaltung 91 vollständig sind.
Der Adapter 10 ist kompakt und kann sicher mit einer geerdeten 14 AWG Standard-Verlängerungsschnur 54 verbunden werden, wenn eine Notladung für das EV/PHEV benötigt wird. Der Adapter 10 weist innerhalb des Gehäuses 12 Steuerelektronik auf, die ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal bereitstellt, das den Ausgang des Ladereglers auf einen Arbeitszyklus zwischen 10% und 20% begrenzt, der den Strom, der der Batterie 108 durch das Ladegerät 106 bereitgestellt wird, auf entweder 6 Ampere oder 12 Ampere begrenzt, um sicherzustellen, dass der Strom durch die Verlängerungsschnur 54 nicht die Strombelastbarkeit der Verlängerungsschnur 54 überschreitet. Die Näherungssensorschaltung 91, die den Schalter 92 und die Widerstände 98 und 100 aufweist, die normalerweise im EVSE-Verbinderstecker bereitgestellt werden, ist stattdessen im Adapter 10 eingebaut.
Mit Bezug auf 3 ist eine alternative Ausführungsform des Adaptersteckers 112 gezeigt, die insofern vereinfacht ist, als dass sie das Rastklinken-Stellglied 101 oder den Schalter 92 der Ausführungsform von 2 nicht benötigt. Der Kürze halber sind die in der Ausführungsform von 3 gezeigten Bauelemente, die denjenigen von 2 ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Adapterstecker 112 weist den Stift 16 der Wechselstromleitung eins, den Stift 18 der Wechselstromleitung zwei und den Erdungsstift 20 auf, die sich von einer Seite des NEMA-Steckers 14 des Gehäuses 12 erstrecken, der in 3 mit einer gestrichelten Linie angegeben ist.
Eine Stromversorgung 114 stellt der Steuerlogik 22 Strom bereit und stellt insbesondere Strom für einen Oszillator 116 bereit, der der Steuerpilot-Steckdose 36 durch den Widerstand R1 70 ein pulsbreitenmoduliertes Signal bereitstellt. Innerhalb des Gehäuses 12 kann eine Erdschlussunterbrecherschaltung 64 bereitgestellt sein, um falls gewünscht vor Erdschlüssen zu schützen. Anstatt des Rastklinkenstellglieds 101 und des Schalters 92 der Ausführungsform von 2 ist eine Überbrückung zwischen der Erdungsklemme 32 und einer Überbrückungsklemme 118 bereitgestellt, die mit einem Widerstand 120 versehen ist, der an den Widerstand angepasst ist, der für das J1772-System durch die Näherungssensorschaltung 91 erforderlich ist.
Der Adapter 112 kann verwendet werden, ohne dass eine Verriegelung mittels einer mechanischen Rastklinke erforderlich ist. Falls gewünscht, kann der "Wechselstrom ein"-Anzeiger 60, der in der Ausführungsform von 2 veranschaulicht wurde, beseitigt werden.
Obgleich vorhergehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, wird damit nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Begriffe als Beschreibung und nicht als Einschränkung zu verstehen und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener ausführender Ausführungsformen zum Bilden weiterer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standards SAE J1772 [0003]
Standards SAE J1772 [0003]
Entwicklungsstandards SAE J1772 [0004]
Standard J1772 [0006]
Standard J1772 [0007]

Claims

Adapter zum Verbinden eines Elektrofahrzeug-Ladesystems mit einer Wechselstromquelle mit einer Erdung über eine Verlängerungsschnur, wobei der Adapter Folgendes aufweist: ein Gehäuse; einen geerdeten Wechselstromverbinder, der sich von einer ersten Seite des Gehäuses erstreckt und mit der Verlängerungsschnur verbunden werden kann; eine Steckdose, die durch eine zweite Seite des Gehäuses zugänglich ist und einen Wechselstromverbinder, einen Erdungspinverbinder, einen Näherungssensor-Pinverbinder und einen Steuerpilot-Pinverbinder aufweist; und eine Steuerschaltung, die in dem Gehäuse angeordnet ist und die ein vorbestimmtes pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt, das das Elektrofahrzeug-Ladesystem steuert und einen Stromversorgungspegel, der dem Ladesystem des Elektrofahrzeugs durch den Wechselstromverbinder bereitgestellt wird, durch Kommunizieren mit einem Laderegler des Fahrzeugladesystems über einen Steuerpilot-Pinverbinder begrenzt.
Adapter nach Anspruch 1, wobei der Adapter einen Widerstandswert bereitstellt, der dem Widerstandswert entspricht, der bereitgestellt wird, wenn ein Näherungsschalter dem Fahrzeugladesystem als geschlossen angegeben wird.
Adapter nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung dem Elektrofahrzeug-Ladesystem ein Signal bereitstellt, das die Nähe durch einen Näherungssensorschalter bestätigt.
Adapter nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung dem Elektrofahrzeug-Ladesystem durch den Steuerpilot-Pinverbinder mehrere Steuersignale bereitstellt.