DE102014208147A1

DE102014208147A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schutz von Ladevorgängen von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102014208147A1
Application number: DE102014208147.5A
Authority: DE
Inventors: Torsten Herzog; Winfried Siegl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Speichers (308) eines Fahrzeugs (100) beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle (101) mit einem Leistungs-Kontaktteil (206, 207), das eingerichtet ist, einen Strom zum Laden des elektrischen Speichers (308) bereitzustellen. Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Leistungs-Schalter (305, 306), der mit dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) mit dem elektrischen Speicher (308) zu koppeln. Desweiteren umfasst die Vorrichtung einen redundanten Schalter (702), der dem Leistungs-Schalter (305, 306) in Reihe geschaltet ist. Die Vorrichtung ist eingerichtet, ein Indiz dafür zu ermitteln, dass der Leistungs-Schalter (305, 306) im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist, und in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz, den redundanten Schalter (702) zu öffnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Schutz von Ladesystemen für Fahrzeuge und deren Ladeinfrastruktur, insbesondere von Ladesystemen, welche sowohl AC- als auch DC-Laden von Fahrzeugen ermöglichen.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb umfassen elektrische Speicher (z.B. Batterien), die über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden können. Zum Aufladen der elektrischen Speicher solcher Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeuge existieren verschiedene konduktive, d.h. kabelgebundene, Ladetechnologien. Bei dem sogenannten AC- Laden oder Wechselstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom (auch als DC-Strom bezeichnet) zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, im Fahrzeug. Auf einem Ladekabel zwischen Ladestation oder AC-Netzanschluss und Fahrzeug wird ein AC-(Alternating Current) oder Wechselstrom übertragen. Bei dem sogenannten DC-Laden oder Gleichstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, in der Ladestation. Auf dem Ladekabel wird somit ein DC-(Direct Current) oder Gleichstrom übertragen.
Das Ladekabel der Ladestation wird typischerweise über ein Stecksystem mit dem Fahrzeug verbunden. Derzeit wird auch ein sogenanntes Combo-Stecksystem standardisiert (Steckernorm: IEC 62196-3). Mit einem Combo-Stecksystem ist es möglich, an einer gemeinsamen Fahrzeugladedose sowohl einen AC-Stecker (zum AC-Laden) als auch einen DC-Stecker (zum DC-Laden) anzuschließen. Ein Fahrzeug, welches ein Combo-Stecksystem aufweist, kann sowohl an einer AC-als auch an einer DC-Ladestation aufgeladen werden, wobei das Fahrzeug nur einen Fahrzeug-seitig verbauten Ladeanschluss (d.h. eine gemeinsame Ladedose oder eine Combo-Ladedose) aufweist.
Bei der Ladedose eines Combo-Stecksystems kann es aufgrund der unterschiedlichen Belegung von Pins (auch als Kontaktteile bezeichnet) der Ladedose zu Fehlfunktionen kommen. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, der frühzeitigen Erkennung derartiger Fehlfunktionen, um ggf. Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Mit anderen Worten, das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe die Sicherheit von Combo-Stecksystemen zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Speichers (z.B. einer Hochvolt-Batterie) eines Fahrzeugs beschrieben. Die Vorrichtung zum Laden kann auch als Ladevorrichtung bezeichnet werden. Die Ladevorrichtung kann in das Fahrzeug eingebaut sein.
Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle mit einem Kontaktteil (z.B. mit einem Pin), das eingerichtet ist, einen AC-Strom oder einen DC-Strom zum Laden des elektrischen Speichers bereitzustellen. Das Kontaktteil kann auch als Leistungs-Kontaktteil bezeichnet werden, da es eingerichtet ist, einen (relativ hohen) Ladestrom zu leiten und am Eingang der Ladevorrichtung bereitzustellen. Die Schnittstelle kann eine Ladedose umfassen. Insbesondere kann die Schnittstelle eingerichtet sein mit einer entsprechenden Schnittstelle (z.B. mit einem Ladestecker) eines Ladekabels einer Ladestation leitend verbunden zu werden. Die Schnittstelle der Ladevorrichtung des Fahrzeugs kann eine Vielzahl von Kontaktteilen (z.B. Pins) aufweisen. Die Vielzahl von Kontaktteilen kann ein oder mehrere Leistungs-Kontaktteile zur Übertragung eines Ladestroms und/oder ein oder mehrere Kommunikations-Kontaktteile zur Übertragung von Kommunikationssignalen umfassen.
Die Ladevorrichtung kann weiter einen Stromrichter (insbesondere einen AC/DC Wandler) umfassen. Der Stromrichter ist an einem Eingang (leitend) mit dem Kontaktteil gekoppelt ist. Desweiteren ist der Stromrichter eingerichtet, auf Basis eines – über das Kontaktteil bereitgestellten – AC-Stroms, einen DC-Strom zu generieren. Der DC-Strom kann an einem Ausgang des Stromrichters bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, die Ladevorrichtung kann eingerichtet sein, ein AC-Laden des elektrischen Speichers des Fahrzeugs zu ermöglichen. Zu diesem Zweck kann der Ausgang des Stromrichters (leitend) mit dem elektrischen Speicher gekoppelt sein, so dass der elektrische Speicher anhand des generierten DC-Stroms geladen werden kann.
Die Ladevorrichtung umfasst einen Leistungs-Schalter, der mit dem Kontaktteil gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Kontaktteil mit dem Ausgang des Stromrichters und/oder mit dem elektrischen Speicher zu koppeln. Somit kann ein Eingang der Ladevorrichtung direkt mit dem elektrischen Speicher gekoppelt werden, um ein DC-Laden des elektrischen Speichers anhand eines am Kontaktteil bereitgestellten DC-Stroms zu ermöglichen. Der DC-Strom zum Laden des elektrischen Speichers wird typischerweise an mindestens zwei Leistungs-Kontaktteilen bereitgestellt (z.B. einem DC+ und einem DC– Kontaktteil). Die Ladevorrichtung kann einen dedizierten Leistungs-Schalter für jeden der Leistungs-Kontaktteile umfassen. Die ein oder mehreren Leistungs-Schalter können jeweils ein Schütz und/oder ein Relais umfassen. Ein Leistungs-Schalter wird in diesem Dokument auch als DC-Schalter oder DC-Schütz bezeichnet.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, über eine Steuerleitung einen Zustand des Leistungs-Schalters zu steuern. Die Steuereinheit wird in diesem Dokument auch als Ladesteuerungs-Einheit bezeichnet.
Beispielhafte Zustände des Leistungs-Schalters sind ein geöffneter Zustand und ein geschlossener Zustand. Beim geöffneten Zustand ist die (leitende) Verbindung zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Ausgang des Stromrichters unterbrochen. Beim geschlossenen Zustand ist das Leistungs-Kontaktteil (leitend) mit dem Ausgang des Stromrichters verbunden. Typischerweise ist der Leistungs-Schalter in einem Default-Zustand geöffnet. Mit anderen Worten, per Default (d.h. ohne Ansteuerung durch die Steuereinheit) ist der Leistungs-Schalter typischerweise in dem geöffneten Zustand.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, eine AC-Spannung (d.h. eine Wechselspannung) an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter zu detektieren. Die Vorrichtung kann zu diesem Zweck eine Messeinheit (z.B. einen Spannungsmesser) umfassen, die eingerichtet ist, eine Spannung an einer Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter zu erfassen. Die Detektion einer AC-Spannung ist ein Hinweis dafür, dass der elektrische Speicher des Fahrzeugs mittels AC-Laden geladen werden soll. Die Vorrichtung ist dann eingerichtet, die Steuerleitung zu unterbrechen, wenn eine AC-Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter detektiert wurde.
Durch die Unterbrechung der Steuerspannung geht der Leistungs-Schalter in seinen Default-Zustand und wird somit geöffnet. Dadurch wird der Ausgang des Stromrichters vom Eingang des Stromrichters entkoppelt und ein Kurzschluss zwischen einem AC-Strom am Eingang des Stromrichters und einem DC-Strom am Ausgang des Stromrichters unterbunden. So kann die Sicherheit der kombinierten AC/DC Ladevorrichtung erhöht werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Vorrichtung eingerichtet sein, bei AC-Laden, einen an dem Kontaktteil bereitgestellten AC-Strom anhand des Stromrichters in einen DC-Strom zu wandeln, und den gewandelten DC-Strom am Ausgang des Stromrichters zum Laden des elektrischen Speichers bereitzustellen.
Bei AC-Laden sollte der Leistungs-Schalter geöffnet sein, um einen Kurzschluss zwischen dem gewandelten DC-Strom und dem AC-Strom zu vermeiden. Dies kann durch die in diesem Dokument beschriebene Ladevorrichtung gewährleistet werden (auch bei möglichen Fehlfunktionen der Ladesteuerungs-Einheit).
Desweiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, bei DC-Laden, einen an dem Kontaktteil bereitgestellten DC-Strom über den (geschlossenen) Leistungs-Schalter zum Laden des elektrischen Speichers bereitzustellen. Die Ladevorrichtung kann somit eingerichtet sein, ein kombiniertes AC-Laden und DC-Laden zu ermöglichen. Dabei können ein oder mehrere Leistungs-Kontaktteile der Schnittstelle der Ladevorrichtung sowohl für das AC-Laden als auch für das DC-Laden verwendet werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine DC-Spannung an einer Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter zu detektieren. Dazu kann die o.g. Messeinheit verwendet werden. Desweiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Steuerung des Leistungs-Schalters durch die Steuereinheit über die Steuerleitung zu ermöglichen, wenn eine DC-Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter detektiert wurde. Das Detektieren einer DC-Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter weist darauf hin, dass der elektrische Speicher des Fahrzeugs anhand von DC-Laden geladen werden soll. In diesem Fall ist ein Kurzschluss zwischen AC-Strom und DC-Strom ausgeschlossen. Die Steuerung des Leistungs-Schalters durch die Steuereinheit kann dann je nach Bedarf ein Schließen des Leistungs-Schalters veranlassen, ohne dass dabei ein Kurzschlussrisiko besteht.
Die Vorrichtung kann weiter eingerichtet sein, ein Indiz dafür zu detektieren, dass die Vorrichtung in einen Zustand versetzt werden soll, in dem das Kontaktteil leistungsfrei und/oder spannungsfrei ist. Insbesondere kann ein Indiz dafür detektiert werden, dass der Ladevorgang beendet werden soll, und dass der Ladestecker aus der Ladedose gezogen werden soll. In diesem Fall soll verhindert werden, dass an dem Leistungs-Kontaktteil der Schnittstelle eine (Hochvolt) Spannung anliegt. Das kann dadurch erreicht werden, dass der Leistungs-Schalter geöffnet wird (d.h. in seinen Default-Zustand gebracht wird).
Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem detektierten Indiz die Steuerleitung zwischen Steuereinheit und Leistungs-Schalter zu unterbrechen. Insbesondere kann die Steuerleitung unterbrochen werden, wenn ein Indiz dafür detektiert wurde, dass die Vorrichtung in einen Zustand versetzt werden soll, in dem das Kontaktteil leistungsfrei und/oder spannungsfrei ist. So kann sichergestellt werden, dass bei Beendigung des Ladevorgangs der Ladestecker in sicherer Weise aus der Ladedose gezogen werden kann.
Die Vorrichtung kann einen Steuerungs-Schalter umfassen, der eingerichtet ist, die Steuerleitung zu unterbrechen. Da die Steuerleitung typischerweise relativ niedrige Signalpegel aufweist, kann der Steuerungs-Schalter (im Vergleich zum Leistungs-Schalter) in kostengünstiger Weise implementiert werden. Der Steuerungs-Schalter kann einen Öffner umfassen, der in einem Default-Zustand geschlossen ist, so dass die Steuereinheit den Leistungs-Schalter über die Steuerleitung steuern kann (da die Steuerleitung durchgängig ist). Alternativ kann der Steuerungs-Schalter einen Schließer umfassen, der in einem Default-Zustand geöffnet ist, so dass die Steuereinheit den Leistungs-Schalter nicht über die Steuerleitung steuern kann (da die Steuerleitung unterbrochen ist). Die Verwendung eines Steuerungs-Schalters ermöglicht eine kosteneffektive Unterbrechung der Steuerleitung.
Die Vorrichtung kann eine Einheit zur Steuerung des Steuerungs-Schalters umfassen. Diese Einheit wird in diesem Dokument auch als AC-Spannungserkennungs-Einheit und/oder als DC-Spannungserkennungs-Einheit bezeichnet. Die Messeinheit kann eingerichtet sein, die erfasste Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter der Einheit zur Steuerung des Steuerungs-Schalters bereitzustellen. Die Einheit zur Steuerung des Steuerungs-Schalters kann dann in Abhängigkeit von der erfassten Spannung die Steuerleitung mittels des Steuerungs-Schalters unterbrechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Unterbindung einer Fehlansteuerung eines Leistungs-Schalters beschrieben. Allgemeiner formuliert, wird ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit eines Ladevorgangs beschrieben. Wie bereits oben dargelegt, kann eine Steuereinheit (insbesondere eine Ladesteuerungs-Einheit) aufgrund einer Fehlfunktion den Leistungs-Schalter einer Ladevorrichtung fehlerhaft ansteuern. Dies kann, insbesondere bei AC-Laden, zu einer Kurzschlusssituation führen. Zur Erhöhung der Sicherheit einer Ladevorrichtung sollten derartige Kurzschlusssituationen vermieden werden.
Wie bereits oben dargelegt, ist der Leistungs-Schalter eingerichtet, ein Leistungs-Kontaktteil mit dem Ausgang eines Stromrichters zu koppeln (insbesondere zum DC-Laden). Der Leistungs-Schalter ist typischerweise in einem Default-Zustand geöffnet. Das Leistungs-Kontaktteil ist eingerichtet, einen AC-Strom oder einen DC-Strom zum Laden eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs bereitzustellen, und der Stromrichter ist eingerichtet, auf Basis eines – über das Kontaktteil bereitgestellten – AC-Stroms, einen DC-Strom zu generieren und an dem Ausgang des Stromrichters bereitzustellen (insbesondere zum AC-Laden).
Das Verfahren umfasst das Detektieren einer AC-Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter. Desweiteren umfasst das Verfahren das Unterbrechen einer Steuerleitung zur Steuerung des Leistungs-Schalters, wenn eine AC-Spannung an einer Stelle zwischen dem Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter detektiert wurde.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine (weitere) Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die in diesem Aspekt beschriebene Ladevorrichtung kann mit der oben beschriebenen Ladevorrichtung kombiniert werden, um die Sicherheit eines Ladevorgangs weiter zu erhöhen. Desweiteren können die Merkmale der in diesem Dokument beschriebenen Ladevorrichtungen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle mit einem Leistungs-Kontaktteil (z.B. einem Pin). Das Leistungs-Kontaktteil ist eingerichtet, einen Strom zum Laden des elektrischen Speichers bereitzustellen. Insbesondere kann ein DC-Strom zum DC-Laden des elektrischen Speichers an dem Leistungs-Kontaktteil bereitgestellt werden. Wie bereits oben dargelegt kann die Schnittstelle eine Ladedose umfassen.
Die Vorrichtung umfasst weiter einen Leistungs-Schalter, der mit dem Leistungs-Kontaktteil gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil mit dem elektrischen Speicher zu koppeln. Wie bereits oben dargelegt, kann der Leistungs-Schalter eine Vielzahl von Zuständen aufweisen. In einem geschlossenen Zustand kann der Leistungs-Schalter eine (leitende) Verbindung zwischen Leistungs-Kontaktteil und dem elektrischen Speicher bereitstellten. In einem geöffneten Zustand kann diese (leitende) Verbindung unterbrochen sein. Der Leistungs-Schalter kann ein Schütz und/oder ein Relais umfassen.
Die Vorrichtung umfasst weiter einen redundanten Schalter, der dem Leistungs-Schalter in Reihe geschaltet ist. Der redundante Schalter kann insbesondere einen Schalter umfassen, der eingerichtet ist, einen DC-Strom zum Laden des elektrischen Speichers des Fahrzeugs zu leiten. Der redundante Schalter kann ein Schütz und/oder ein Relais umfassen. Desweiteren kann der redundante Schalter einen Öffner umfassen, der in einem Default-Zustand geschlossen ist.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, ein Indiz dafür zu ermitteln, dass der Leistungs-Schalter im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist. Eine solche Situation kann auch als Schützkleber bezeichnet werden. Desweiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz, den redundanten Schalter zu öffnen. Insbesondere kann der redundante Schalter geöffnet werden, wenn ein Indiz dafür ermittelt wurde, dass der Leistungs-Schalter im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist. So kann ein Kurzschluss zwischen einem AC-Strom und einem DC-Strom (beim AC-Laden) vermieden werden. Desweiteren kann so vermieden werden, dass die Spannung des elektrischen Speichers an dem Leistungs-Kontaktteil anliegt, wenn der Ladestecker aus der Ladedose gezogen wird. Folglich kann mittels der beschriebenen Ladevorrichtung die Sicherheit eines Ladevorgangs in zuverlässiger und kosteneffektiver Weise erhöht werden.
Die Schnittstelle (insbesondere die Ladedose) kann eine Vielzahl von Leistungs-Kontaktteilen umfassen. Über die Vielzahl von (z.B. über mindestens zwei) Leistungs-Kontaktteile kann ein DC-Strom zum Laden des elektrischen Speichers bereitgestellt werden. Die Vorrichtung kann eine entsprechende Vielzahl von Leistungs-Schaltern umfassen. Insbesondere kann mindestens ein Leistungs-Schalter für jedes Leistungs-Kontaktteil bereitgestellt werden. Auch bei einer Vielzahl von Leistungs-Kontaktteilen kann die Vorrichtung ggf. nur einen redundanten Schalter aufweisen, der mit einem der Vielzahl von Leistungs-Schaltern in Reihe geschaltet ist. Die Verwendung von einem redundanten Schalter kann ausreichen, um die Sicherheit der Ladevorrichtung zu gewähren (auch bei Vorliegen von mehreren Schützklebern). Somit kann die Sicherheit der Ladevorrichtung in kosteneffizienter Weise erhöht werden.
Insbesondere kann dazu die Vorrichtung eingerichtet sein, ein Indiz dafür zu ermitteln, dass die Vielzahl von Leistungs-Schaltern (insbesondere alle Leistungs-Schalter) im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist. In Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz kann dann der redundante Schalter geöffnet werden. So können in effizienter Weise die Folgen eines mehrfachen Schützklebers beseitigt werden.
Die Vorrichtung kann eine Messeinheit (z.B. einen Spannungsmesser) umfassen, die eingerichtet ist, eine Spannung an einer Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter zu erfassen. Desweiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, das Indiz in Abhängigkeit von der erfassten Spannung zu ermitteln. Insbesondere kann ermittelt werden, dass die erfasste Spannung in einer bestimmten Situation über einem vordefinierten Spannungsschwellwert liegt. Dabei kann es sich um eine Situation handeln, in der die Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter normalerweise nicht über dem vordefinierten Spannungsschwellwert liegen sollte. Die Tatsache, dass die erfasste Spannung dennoch über dem vordefinierten Spannungsschwellwert liegt, ist ein Indiz dafür, dass die ein oder mehreren Leistungs-Schalter im geschlossenen Zustand sind, obwohl die ein oder mehreren Leistungs-Schalter eigentlich im geöffneten Zustand sein sollten. Mit anderen Worten, die Tatsache, dass die erfasste Spannung dennoch über dem vordefinierten Spannungsschwellwert liegt, ist ein Indiz für einen (einfachen oder mehrfachen) Schützkleber.
Das Indiz kann das Vorliegen von ein oder mehreren der folgenden Bedingungen oder Situationen umfassen: der Leistungs-Schalter ist angesteuert worden, in einen geöffneten Zustand zu wechseln; das Leistungs-Kontaktteil ist nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers verbunden; eine Klappe zum Verschließen der Schnittstelle ist geschlossen; und/oder die erfasste Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter ist größer als oder gleich wie der vordefinierte Spannungsschwellwert.
Wie bereits oben dargelegt, können verschiedene Bedingungen und/oder Situationen miteinander verbunden werden, um ein Indiz zu ermitteln. Insbesondere kann das Indiz das Vorliegen von ein oder mehreren der folgenden kombinierten Bedingungen/Situationen umfassen. Ein Indiz dafür, dass ein Schützkleber vorliegt, kann sein, dass der Leistungs-Schalter angesteuert worden ist, in einen geöffneten Zustand zu wechseln, und gleichzeitig die erfasste Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter größer als oder gleich wie der vordefinierte Spannungsschwellwert ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Indiz dafür, dass ein Schützkleber vorliegt, sein, dass das Leistungs-Kontaktteil nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers verbunden ist, und dennoch die erfasste Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter größer als oder gleich wie der vordefinierte Spannungsschwellwert ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Indiz dafür, dass ein Schützkleber vorliegt, sein, dass eine Klappe zum Verschließen der Schnittstelle (z.B. zum Verschließen der Ladedose) geschlossen ist, und dennoch die ermittelte Spannung an der Mess-Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil und dem Leistungs-Schalter größer ist als oder gleich ist wie der vordefinierte Spannungsschwellwert.
Die o.g. (ggf. kombinierten) Bedingungen können typischerweise in effizienter und verlässlicher Weise ermittelt werden, so dass das Vorliegen eines Schützklebers in effizienter und verlässlicher Weise ermittelt werden kann. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, über eine Steuerleitung einen Zustand des Leistungs-Schalters zu steuern. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, anhand eines Steuersignals auf der Steuerleitung zu ermitteln, dass der Leistungs-Schalter angesteuert worden ist, in einen geöffneten Zustand zu wechseln.
Alternativ oder ergänzend kann die Schnittstelle ein Kommunikations-Kontaktteil zur Übertragung von Kommunikationssignalen umfassen. Beispiele für derartige Kommunikationssignale sind ein Proxy-Signal und/oder ein Pilot-Signal. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, anhand eines Kommunikationssignals an dem Kommunikations-Kontaktteil zu ermitteln, dass das Leistungs-Kontaktteil nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers (z.B. mit einer Ladestation) verbunden ist. Insbesondere kann ein Pegel der Spannung an dem Kommunikations-Kontaktteil anzeigen, ob das Leistungs-Kontaktteil mit dem entsprechenden Kontaktteil eines Steckers des Ladekabels der Ladestation verbunden ist.
Wie bereits oben dargelegt kann die Vorrichtung einen Stromrichter umfassen, der an einem Eingang mit dem Leistungs-Kontaktteil gekoppelt ist und der eingerichtet ist, auf Basis eines – über das Leistungs-Kontaktteil bereitgestellten – AC-Stroms, einen DC-Strom zu generieren und an einem Ausgang des Stromrichters bereitzustellen. Der Leistungs-Schalter kann eingerichtet sein, das Kontaktteil mit dem Ausgang des Stromrichters zu koppeln. Somit kann die Ladevorrichtung eingerichtet sein, in kombinierter Weise AC-Laden und DC-Laden zu ermöglichen. In diesem Fall kann ein Schützkleber zu einem Kurzschluss zwischen bereitgestelltem AC-Strom und generiertem DC-Strom führen. Ein derartiger Kurzschluss kann durch die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung verhindert werden. Somit kann die Sicherheit des Ladevorgangs erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit eines Ladevorgangs eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs beschrieben. Das Fahrzeug umfasst eine Schnittstelle mit einem Leistungs-Kontaktteil, das eingerichtet ist, einen Strom zum Laden des elektrischen Speichers bereitzustellen. Das Fahrzeug umfasst weiter einen Leistungs-Schalter, der mit dem Leistungs-Kontaktteil gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil mit dem elektrischen Speicher zu koppeln. Außerdem umfasst das Fahrzeug einen redundanten Schalter, der dem Leistungs-Schalter in Reihe geschaltet ist.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Indiz dafür, dass der Leistungs-Schalter im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist. Außerdem umfasst das Verfahren das Öffnen des redundanten Schalters, in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das ein oder mehrere der in diesem Dokument beschriebenen Ladevorrichtungen umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch ein in diesem Dokument beschriebenes Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
1 ein beispielhaftes Ladesystem für ein Fahrzeug;
2 eine beispielhafte Belegung von Pins oder Kontaktteilen einer Ladedose;
3 beispielhafte Komponenten einer Fahrzeug-seitigen Ladevorrichtung;
4 eine beispielhafte Ladevorrichtung mit einer doppelten Belegung von Kontaktteilen für AC- und DC-Laden;
5a und 5b die Verwendung eines beispielhaften Steuerungs-Schalters zur Unterbrechung einer Steuerleitung;
6 einen beispielhaften Aufbau einer AC-Spannungserkennungs-Einheit; und
7a, 7b und 7c die Verwendung eines beispielhaften redundanten Schalters zur Erhöhung der Sicherheit einer Ladevorrichtung.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe die Sicherheit von Combo-Stecksystemen zu erhöhen. 1 zeigt ein Blockdiagram eines beispielhaften Ladesystems mit einer Ladestation 110 und einem Fahrzeug 100. Das Fahrzeug 100 umfasst einen elektrischen Speicher (nicht dargestellt), der mit elektrischer Energie aus der Ladestation 110 aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Ladedose 101 (in diesem Dokument auch allgemeiner als Schnittstelle bezeichnet) an der ein entsprechender Stecker 111 eines Ladekabels 112 der Ladestation 110 angesteckt werden kann. Die Ladedose 101 und der Stecker 111 bilden ein Stecksystem.
Wie in 1 dargestellt, ist die Ladedose 101 am Fahrzeug 100 angebracht. Der Ladestecker 111 (engl. Coupler) ist insbesondere beim DC-Laden fest mit der Ladestation 110 über das Ladekabel 112 verbunden. Es existieren verschiedene Steckervarianten gemäß der Steckernorm IEC 62196-3: Combo 1, Combo 2, DC-Typ1, DC-Typ 2. Sowohl Combo-1 als auch Combo-2 sind über die gleiche Steckarchitektur mit dem Fahrzeug verbunden. Bei DC-Typ1 und DC-Typ 2 werden teilweise dieselben Pins (d.h. dieselben elektrischen Kontaktteile) des Stecksystems für AC- und DC-Laden verwendet. Insbesondere werden bei DC-Typ2 Stecksystemen die Kontaktteile für L2/DC– und L3/DC+ gemeinsam für AC-Laden und DC-Laden genutzt.
2 zeigt eine beispielhafte Ladedose 101 mit einer Vielzahl von Kontaktteilen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207. Je nach Steckernorm und/oder je nach Ladetyp (d.h. DC-Laden oder AC-Laden) können die Kontaktteile eine andere Funktion aufweisen. Beispielsweise kann das Kontaktteil (auch als Pin bezeichnet) 202 für die Übertragung eines Pilot Signals verwendet werden. Das Kontaktteil 201 kann für die Übertragung eines Proxy Signals verwendet werden. Die Kontaktteile 201, 202 können auch als Kommunikations-Kontaktteile bezeichnet werden, da sie eingerichtet sind, Kommunikationssignale für eine Kommunikation zwischen der Ladestation 110 und dem Fahrzeug 100 in Bezug auf den Ladevorgang zu ermöglichen. Das Kontaktteil 205 kann für den N-Leiter eines AC-Stroms verwendet werden und das Kontaktteil 203 kann für eine erste Phase L1 des AC-Stroms verwendet werden. Das Kontaktteil 207 kann beim AC-Laden für eine zweite Phase L2 des AC-Stroms und beim DC-Laden für DC– (DC Minus) verwendet werden. In analoger Weise kann das Kontaktteil 206 beim AC-Laden für eine dritte Phase L3 des AC-Stroms und beim DC-Laden für DC+ (DC Plus) verwendet werden. Die Kontaktteile 203, 205, 206, 207 können als Leistungs-Kontaktteile bezeichnet werden, da sie eingerichtet sind, elektrischen Strom zum Laden des elektrischen Speichers des Fahrzeugs 100 zu übertragen. Das Kontaktteil 204 kann eine Verbindung zur Masse bereitstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die oben genannte Belegung der Kontaktteile einer Ladedose 101 beispielhaft ist, und andere Belegungen möglich sind.
3 zeigt ein Blockdiagram beispielhafter Komponenten eines Fahrzeugs 100 zum Laden eines elektrischen Speichers 308 des Fahrzeugs 100. Die Komponenten können Teil einer Ladevorrichtung des Fahrzeugs 100 sein. Das Fahrzeug 100 umfasst die Ladedose 101, ein AC-Ladegerät 303, eine Kommunikationseinheit 301, eine Ladesteuerungseinheit 302, die HV-Batterie 308, ein DC-Schütz 305, 306, 307 und eine Spannungsmessung 304. Das AC-Ladegerät 303 wird typischerweise nur für das AC-Laden verwendet. Das AC-Ladegerät 303 kann einphasig (1ph) betrieben werden (wie in 3 dargestellt) oder auch dreiphasig (3ph). Für den dreiphasigen Betrieb werden zusätzlich das Kontaktteil 207 (für die zweite Phase L2) und das Kontaktteil 206 (für die dritte Phase L3) mit dem AC-Ladegerät 303 verbunden. Dies ist beispielhaft in 4 dargestellt.
Das Fahrzeug 100 umfasst typischerweise einen HV(Hochvolt)-Zwischenkreis an dem weitere HV-Verbraucher, wie z.B. der Elektromotor, eine elektrische Klimaanlage, ein 12V DC/DC Wandler, etc., angeschlossen sind. Diese sind in 3 nicht dargestellt.
Der elektrische Speicher 308, z.B. die HV-Batterie, wird während des Ladevorgangs geladen. Das DC-Schütz 306, 306, 307 stellt dabei sicher, dass keine gefährliche (Hochvolt) Spannung an der Ladedose 101 anliegt. Es ist dabei ein Sicherheitsziel zu verhindern, dass Hochspannung an berührgefährdeten Teilen (insbesondere an den Kontaktteilen 201, ..., 207 der Ladedose 101) anliegt. Das DC-Schütz 305, 306, 307 trennt somit den spannungsführenden HV-Zwischenkreis, an dem der elektrische Speicher 308 angeschlossen ist, von den berührbaren Ladepins 201, ..., 207 in der Ladedose 101. Um die Spannungsfreiheit an der Ladedose 101 (Berührsicherheit) zu gewährleisten, ist typischerweise mindestens ein Schütz und/oder Schalter 305, 306, 307 erforderlich. In 3 sind zwei parallele Schütze 305, 306 dargestellt, die eingerichtet sind, beide DC-Leitungen (d.h. die DC+ und die DC– Leitung) zum elektrischen Speicher 308 zu unterbrechen. Mit der Spannungsmessung 304 kann überwacht werden, dass keine berührgefährliche Spannung an den DC Pins 206, 207 der Ladedose 101 anliegt.
Mit anderen Worten, das Fahrzeug 100 umfasst ein AC-Ladegerät 303 (in diesem Dokument auch als Stromrichter bezeichnet), das eingerichtet ist, einen einphasigen und/oder mehrphasigen AC-Strom in einen DC-Strom umzuwandeln. Der DC-Strom kann dann dazu verwendet werden, den elektrischen Speicher 308 zu laden. Das Fahrzeug 100 kann somit für AC-Laden eingerichtet sein.
Desweiteren kann das Fahrzeug 100 für DC-Laden eingerichtet sein. Dazu kann der DC-Strom an mindestens zwei Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 aufgenommen werden und an den elektrischen Speicher 308 geführt werden. Der elektrische Speicher 308 ist somit eingerichtet, DC-Strom aus dem AC-Ladegerät 303 zu beziehen und/oder DC-Strom direkt von Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 zu beziehen.
Das Fahrzeug 100 umfasst weiter ein oder mehrere Leistungs-Schalter 305, 306 (insbesondere ein oder mehrere Schütze oder Relais), die eingerichtet sind, die Kontaktteile 206, 207 der Ladedose 101 von dem elektrischen Speicher 308 zu entkoppeln (insbesondere durch Öffnen der Schalter 305, 305). Die Schalter 305, 306 können durch einen Aktuator 307 betätigt werden. Der Aktuator 307 kann durch die Ladesteuerungs-Einheit 302 gesteuert werden. Insbesondere können die ein oder mehreren Schalter 305, 306 anhand des Aktuators 307 geöffnet werden, wenn der elektrische Speicher 308 mittels AC-Laden geladen werden soll. Andererseits können die ein oder mehreren Schalter 305, 306 geschlossen werden, wenn der elektrische Speicher 308 mittels DC-Laden geladen werden soll. So kann sichergestellt werden, dass beim AC-Laden keine DC-Spannung an den Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 für den DC-Strom anliegt. Die Schalter 304, 305 können als Teil des elektrischen Speichers 308 oder als separate Einheit implementiert sein. Desweiteren können die einzelnen Schalter 304, 305 separat (durch einen jeweiligen Aktuator 307) oder gemeinsam (durch einen gemeinsamen Aktuator 307) angesteuert werden.
Das Fahrzeug 100 umfasst weiter eine Messeinheit 304, die eingerichtet ist, eine Spannung an den Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 zu erfassen. Dadurch kann überprüft werden, ob z.B. beim AC-Laden eine DC-Spannung an den Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 anliegt.
Der Ablauf eines Ladevorgangs kann gemäß der in den Standards IEC 61815-24 bzw. J2847-2 beschriebenen Abläufe durchgeführt werden. Die Ladekommunikation kann nach dem Kommunikationsschema aus ISO 15118 bzw. DIN70121 durchgeführt werden. Insbesondere kann die Kommunikationseinheit 301 des Fahrzeugs 100 eingerichtet sein, mit Ladestation 110 durch Übertragung von ein oder mehreren Signalen auf ein oder mehreren Signalleitungen des Ladekabels 112 zu kommunizieren. Die ein oder mehreren Signalleitungen können über die Kommunikations-Kontaktteile 201, 202 der Ladedose 101 mit der Kommunikationseinheit 301 des Fahrzeugs 100 verbunden sein.
Der Ladevorgang kann beispielsweise folgende Schritte umfassen. Nach dem Anstecken des Steckers 111 in der Ladedose 101 kann die Steckverbindung verriegelt werden. Außerdem kann eine Ladekommunikation zwischen dem Fahrzeug 100 und der Ladestation 110 aufgebaut werden. Anschließend kann eine Sicherheitsüberprüfung (z.B. ein Isolation Test) seitens der Ladestation 110 durchgeführt werden. Daraufhin kann die Ladestation 110 die bereitgestellte Spannung auf der Ladestationsseite an die Spannung des elektrischen Speichers 308 angleichen. Die Ladesteuerungs-Einheit 302 kann dann die DC-Schütze 305, 306 schließen und die Bereitstellung eines DC-Ladestroms durch die Ladestation 110 veranlassen. Die Ladestation 110 stellt diesen DC-Ladestrom ein und somit beginnt das eigentliche Laden des elektrischen Speichers 308 (mittels DC-Laden).
Bei Beendigung des Ladevorgangs kann eine Schützkleberdiagnose (Welding Detection) durchgeführt werden. Mit anderen Worten, es kann überprüft werden, dass nach Beendigung der Bereitstellung eines DC-Ladestroms die Schalter 305, 306 geöffnet sind, um sicherzustellen, dass die HV-Spannung des elektrischen Speichers 308 nicht an ein oder mehreren Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 anliegt. Bei der Schützkleberdiagnose steuert die Ladesteuerungs-Einheit 302 wechselseitig die Schütze 305. 206 an und überprüft den Spannungsabfall anhand der Messeinheit 304. Sollte ein DC-Schütz 305, 306 sich nicht öffnen lassen, so bezeichnet man diese Tatsache als einen Schützkleber. Erst wenn die Spannungsfreiheit an der Ladedose 101 gewährleistet ist, kann die Verriegelung der Steckverbindung geöffnet werden, so dass der Stecker 111 abgezogen werden kann.
Wie in 2 dargestellt, kann ein Kontaktteil 206, 207 mehrere Funktionen aufweisen. Insbesondere kann ein Leistungs-Kontaktteil 206, 207 eine Energieübertragungsfunktion für das DC-Laden, und eine Energieübertragungsfunktion für das AC-Laden aufweisen. Insbesondere können bei dem normierten (gemäß IEC 62169) europäischen Stecksystem „Typ2“ die zweite Phase L2 und die dritte Phase L3 als AC-Pins sowie als DC-Pins genutzt werden (siehe Kontaktteile 206, 207 in 2). Bei dem normierten US-amerikanischen Stecksystem „Typ1“ können die erste Phase L1 und der Neutralleiter N auch als DC-Pins genutzt werden.
Beim AC-Laden werden die Schalter 305, 306 geöffnet, um zu vermeiden, dass der am Ausgang des AC-Ladegeräts 303 bereitgestellte DC-Strom an die Ladedose 101 zurückgeführt wird. Andererseits werden beim DC-Laden die Schalter 305, 306 geschlossen, um den über die Ladedose 101 bereitgestellten DC-Strom an den elektrischen Speicher 308 zu führen.
Beim AC-Laden wird ein Fahrzeug 100, das kombinierte AC/DC-Pins 206, 207 (insbesondere für die Stecksysteme DC-Typ2, DC-Typ1) benutzt, mit einer AC-Quelle, d.h. mit einer Ladestation 110, verbunden, die einen AC-Strom über das Ladekabel 112 bereitstellt. Dabei können kombinierte AC/DC-Pins 206, 207 der Ladedose 101 verwendet werden. In bestimmten Fehlerfällen kann es dabei zu einem Kurzschluss kommen. Dies ist beispielhaft in 4 dargestellt. Die Leistungs-Kontakteile 206, 207 sind sowohl mit dem AC-Ladegerät 303 als auch mit den Schaltern 305, 306 gekoppelt. Über die Leistungs-Kontakteile 206, 207 können Phasen eine AC-Ladestroms bereitgestellt werden. Diese Phasen (z.B. eine zweite und dritte Phase L2, L3 des AC-Ladestroms) können in dem AC-Ladegerät 303 in einen DC-Ladestrom umgewandelt werden. Wenn die Schalter 305, 306 geschlossen sind, wird dieser DC-Ladestrom mit den Phasen des AC-Ladestroms kurzgeschlossen.
In diesem Dokument werden Verfahren und entsprechende Vorrichtungen beschrieben, die es ermöglichen, derartige Kurzschlusssituationen frühzeitig zu erkennen, und ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Ein beispielhafter Fehlerfall, der zu einem Kurzschluss führt, kann z.B. von dem fehlerhaften Schließen eines DC-Schalters 305, 306 herrühren. Ein weiterer beispielhafter Fehlerfall, der zu einem Kurzschluss führt, kann z.B. von einem unerkannten (ggf. doppelten) Schützkleber herrühren.
Bei derartigen Kurzschlüssen wird ein AC-Netz mit einem DC-Netz gekoppelt. Existierende AC-Schutzmaßnahmen in der Lade-Infrastruktur sind typischerweise nicht ausreichend, um einen solchen Fehlerfall zu detektieren und um geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Insbesondere ist eine AC-Sicherung typischerweise für einen solchen Kurzschlussfall nicht ausgelegt und löst evtl. nicht aus.
Im Folgenden werden Verfahren beschrieben, die es ermöglichen, in kosteneffizienter und zuverlässiger Weise Fehlerfälle zu detektieren, die zu einem Kurzschluss zwischen AC-Strom und DC-Strom führen können. Insbesondere können so die Fehlerfälle

1. eines fehlerhaften Schließens eines Schalters 305, 306 beim AC-Laden; und/oder
2. eines doppelten Schützklebers der Schalter 305, 306

Die Ladesteuerungs-Einheit 302 regelt typischerweise die Ansteuerung der Schalter 305, 306. Insbesondere können die Schalter 305, 306 für AC-Laden im offenen Zustand verbleiben. Für DC-Laden können die Schalter 305, 306 geschlossen werden. Zwischen AC-Laden und DC-Laden kann typischerweise aufgrund der Kommunikationssignals (z.B. Pilot-Signal und/oder Proxy-Signal) der Ladekommunikation unterschieden werden. Die Kommunikationssignale können jedoch fehlerhaft sein, wodurch es zu einer fehlerhaften Ansteuerung der Schalter 305, 306 kommen kann.
Das fehlerhafte Schließen eines Schalters 305, 306 kann dadurch verhindert werden, dass ein zusätzlicher Schalter (z.B. ein Öffner oder ein Schließer) in die Steuerleitung zwischen Ladesteuerungs-Einheit 302 und Aktuator 307 eingebracht wird. Dies ist beispielhaft in den 5a und 5b dargestellt. In dem Beispiel aus 5a wurde zur Verhinderung des fehlerhaften Schließens der DC-Schütze 305, 306 durch die Ladesteuerung 302 ein Öffner 502 in die Steuerleitung 503 zwischen Ladesteuerungs-Einheit 302 und Aktuator 307 eingebracht. Der Öffner 502 wird durch eine AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 gesteuert. Die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 ist eingerichtet, (z.B. periodisch oder permanent) zu überprüfen, ob vor den DC-Schützen 305, 306 (d.h. zwischen Ladedose 101 und DC-Schützen 305, 306) eine AC-Spannung anliegt. Die Spannung vor den DC-Schützen 305, 306 kann anhand der Messeinheit 304 erfasst werden.
Die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 ist eingerichtet, den Öffner 502 in Abhängigkeit von der erfassten Spannung vor den DC-Schützen 305, 306 zu steuern. Insbesondere kann der Öffner 502 geöffnet werden (und damit die Steuerleitung 503 zum Aktuator 307 unterbrochen werden), wenn detektiert wurde, dass eine AC-Spannung vor den DC-Schützen 305, 306 anliegt (z.B. für einen vordefinierten Mindestzeitraum). Durch Unterbrechung der Signalleitung 503 wird gewährleistet, dass die DC-Schützen 305, 306 im geöffneten Zustand sind.
Wird detektiert, dass vor den DC-Schützen 305, 306 eine DC-Spannung anliegt, so kann der Öffner 502 geschlossen bleiben, so dass die Ladesteuerungs-Einheit 302 mit dem Aktuator 307 über die Steuerleitung 503 verbunden ist. Die Ladesteuerungs-Einheit 302 kann dann bei Bedarf veranlassen, dass die DC-Schützen 305, 306 geschlossen werden.
Desweiteren kann der Öffner 502 geöffnet werden, wenn die Ladedose 101 in einen sicheren Zustand gebracht werden soll, z.B. vor einer Entriegelung der Steckverbindung zwischen Stecker 111 und Ladedose 101.
Die Ausführung der AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 kann gemäß einem vordefinierten Sicherheitslevel (z.B. ASIL C) erfolgen. Die Ausführung der AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 kann insbesondere in Hardware (als rein elektrischer Schaltkreis) und/oder Software (über einen Mikrocontroller, ...) erfolgen. Die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 kann als separate Einheit oder integriert in der Ladesteuerungs-Einheit 302 implementiert werden.
Eine beispielhafte Hardware-Implementierung der AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 ist in 6 dargestellt. Die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 umfasst einen Eingang 601 zur Erfassung der Spannung an den DC-Schaltern 305, 306, sowie eine Strombegrenzungs-Schaltung 602. Desweiteren umfasst die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 eine Schaltung 603 zur galvanischen Trennung und zur Spannungsumsetzung. Außerdem umfasst die AC-Spannungserkennungs-Einheit 501 einen Schaltung 604 zur Gleichrichtung, eine Tiefpassfilter-Schaltung 605 und einen Spannungsverstärker 606. Ein Überschreiten eines vordefinierten Spannungsschwellwerts führt dazu, dass der Öffner 502 mittels eines Ansteuer-Transistors 607 geöffnet wird.
In analoger Weise zu der Verwendung eines Öffners 502 kann zur Verhinderung des fehlerhaften Schließens der DC-Schütze 305, 306 durch die Ladesteuerung 302, ein Schließer 512 in die Steuerleitung 503 eingefügt werden. Dies ist in 5b dargestellt. Der Schließer 512 kann durch eine DC-Spannungserkennungs-Einheit 511 gesteuert werden. Die DC-Spannungserkennungs-Einheit 511 ist eingerichtet, (z.B. periodisch oder permanent) zu überprüfen, ob vor den DC-Schützen 305, 306 (d.h. zwischen Ladedose 101 und DC-Schützen 305, 306) eine DC-Spannung oder eine AC-Spannung anliegt. Die Spannung vor den DC-Schützen 305, 306 kann anhand der Messeinheit 304 erfasst werden.
Wird erkannt dass eine AC-Spannung vor den DC-Schützen 305, 306 anliegt (z.B. für einen vordefinierten Mindestzeitraum), so kann der Schließer 512 offen bleiben. Die Steuerleitung 503 bleibt somit unterbrochen, und die Ladesteuerungs-Einheit 302 kann nicht veranlassen, dass die DC-Schütze 305, 306 geschlossen werden.
Wird erkannt, dass eine DC-Spannung anliegt (z.B. für den vordefinierten Mindestzeitraum), so kann der Schließer 512 geschlossen werden. Damit wird die Ladesteuerungs-Einheit 302 befähigt, die DC-Schütze 305, 306 bei Bedarf zu schließen.
Desweiteren kann der Schließer 512 im geöffneten Zustand bleiben, wenn die Ladedose 101 in einen sicheren Zustand gebracht werden soll, z.B. vor einer Entriegelung der Steckverbindung zwischen Stecker 111 und Ladedose 101.
Die Ausführung der DC-Spannungserkennungs-Einheit 511 kann gemäß einem vordefinierten Sicherheitslevel (z.B. ASIL C) erfolgen. Die Ausführung der DC-Spannungserkennungs-Einheit 511 kann insbesondere in Hardware (als rein elektrischer Schaltkreis) und/oder Software (über einen Mikrocontroller, ...) erfolgen. Die DC-Spannungserkennungs-Einheit 511 kann als separate Einheit oder integriert in der Ladesteuerungs-Einheit 302 implementiert werden.
Die in Zusammenhang mit den 5a und 5b beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zur Verhinderung eines fehlerhaften Schließens der DC-Schütze 305, 306 ermöglicht die sichere Umsetzung von gemeinsamen AC/DC-Pins 206, 207 (z.B. DC-Typ2) bei Einhaltung von vordefinierten Sicherheitszielen.
Die oben beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es, eine fehlerhafte Ansteuerung der DC-Schütze 305, 306 zu erkennen und/oder zu unterbinden. Eine weitere Möglichkeit für einen Fehlerfall ist ein sogenannter Schützkleber, bei dem die DC-Schütze 305, 306 geschlossen bleiben, obwohl die DC-Schütze 305, 306 von der Ladesteuerungs-Einheit 302 angesteuert wurden, um in den geöffneten Zustand zu wechseln. Dieser Fehlerfall wird in diesem Dokument als doppelter Schützkleber bezeichnet.
Der Fehlerfall des doppelten Schützklebers kann durch die Verwendung eines redundanten Schalters (z.B. eines redundanten Öffners) innerhalb zumindest einer der DC-Leitungen vermieden werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Rückfallebene bereitzustellen (durch einen redundanten Schalter), durch die die Spannungsfreiheit an den kombinierten AC/DC-Pins 206, 207 hergestellt werden kann. Der redundante Schalter 702 wird in der HV-Leitung eingebracht, und ist eingerichtet, die HV-Leitung zu unterbrechen. Dies ist in den 7a, 7b und 7c veranschaulicht. Die Rückfallebene kann z.B. durch ein redundantes Schütz in dem elektrischen Speicher 308 implementiert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Rückfallebene durch einen separaten einphasigen Öffner bzw. allphasigen Öffner realisiert werden. In den 7a, 7b und 7 ist beispielhaft ein separater einphasiger Öffner dargestellt.
Bei einem doppelten Schützkleber entspricht die Spannung vor den Schützen 305, 306 der Spannung nach den Schützen 305, 306 (abzüglich der Spannung an dem Leitungswiderstand und an dem Übergangswiderstand der Schütze 305, 306). Auf jeden Fall ergibt sich bei einem Schützkleber an der Messeinheit 304 ein signifikanter und messbarer Spannungsabfall.
Ein Schützkleber liegt vor, wenn eine oder mehrere der folgenden Bedingungen vorliegen:

1. Die Ladesteuerungs-Einheit 302 veranlasst ein Öffnen der DC-Schalter 305, 306. Auch nach einem vordefinierten Zeitintervall ist der Spannungsabfall an der Messeinheit 304 (d.h. vor den DC-Schaltern 305, 306) immer noch größer oder gleich einem vordefinierten Spannungsschwellwert. Dieser Fall ist in 7a veranschaulicht.
2. Es wird detektiert, dass kein Ladestecker 111 in die Ladedose 101 gesteckt ist, und dennoch der Spannungsabfall an der Messeinheit 304 (d.h. vor den DC-Schaltern 305, 306) größer oder gleich dem vordefinierten Spannungsschwellwert ist. Die Tatsache, dass kein Ladestecker 111 in die Ladedose 101 gesteckt ist, kann auf Basis eines Proxy-Signals an dem Kommunikations-Kontaktteil 201 der Ladedose 101 erkannt werden. Dies ist in 7b veranschaulicht.
3. Es wird detektiert, dass eine Ladeklappe vor der Ladedose 101 geschlossen ist, und dennoch der Spannungsabfall an der Messeinheit 304 (d.h. vor den DC-Schaltern 305, 306) größer oder gleich dem vordefinierten Spannungsschwellwert ist. Der Zustand (offen oder geschlossen) der Ladeklappe kann durch ein Zustandssignal 722 an die AC-Ladesteuerungs-Einheit 302 und/oder an eine dedizierte Steuereinheit 701 zur Ansteuerung des redundanten Schalters 702 kommuniziert werden. Dies ist in 7c dargestellt.

Die Steuereinheit 701 ist eingerichtet, das Vorliegen von ein oder mehreren der o.g. Bedingungen zu detektieren. Desweiteren ist die Steuereinheit 701 eingerichtet, den redundanten Schalter 702 zu öffnen, wenn mindestens eine der o.g. Bedingungen vorliegt. Die Logik für die Überprüfung einer der o.g. Bedingungen kann in Hardware und/oder Software ausgeführt sein. Die Steuereinheit 701 kann separat ausgeführt sein oder in die Ladesteuerungs-Einheit 302 integriert werden.
Die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen die Umsetzung von ein oder mehreren kombinierten AC/DC-Pins oder Kontaktteilen bei Einhaltung von vordefinierten Sicherheitszielen. Mit anderen Worten, die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen eine sichere Verwendung von Combo-Stecksystemen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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

Steckernorm: IEC 62196-3 [0003]
Steckernorm IEC 62196-3: Combo 1, Combo 2, DC-Typ1, DC-Typ 2 [0053]
Standards IEC 61815-24 [0062]
ISO 15118 [0062]
DIN70121 [0062]
IEC 62169 [0065]

Claims

1) Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Speichers (308) eines Fahrzeugs (100), wobei die Vorrichtung umfasst, – eine Schnittstelle (101) mit einem Leistungs-Kontaktteil (206, 207), das eingerichtet ist, einen Strom zum Laden des elektrischen Speichers (308) bereitzustellen; – einen Leistungs-Schalter (305, 306), der mit dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) mit dem elektrischen Speicher (308) zu koppeln; und – einen redundanten Schalter (702), der dem Leistungs-Schalter (305, 306) in Reihe geschaltet ist; wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, – ein Indiz dafür zu ermitteln, dass der Leistungs-Schalter (305, 306) im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist; und – in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz, den redundanten Schalter (702) zu öffnen.

Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei – die Vorrichtung eine Messeinheit (304) umfasst, die eingerichtet ist, eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) und dem Leistungs-Schalter (305, 306) zu erfassen; und – die Vorrichtung eingerichtet ist, das Indiz in Abhängigkeit von der erfassten Spannung zu ermitteln.

Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Indiz das Vorliegen von ein oder mehreren der folgenden Bedingungen umfasst: – der Leistungs-Schalter (305, 306) ist angesteuert worden, in einen geöffneten Zustand zu wechseln; – das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) ist nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers (308) verbunden; – eine Klappe zum Verschließen der Schnittstelle (101) ist geschlossen; und/oder – eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) und dem Leistungs-Schalter (305, 306) ist größer als oder gleich wie ein vordefinierter Spannungsschwellwert.

Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Indiz das Vorliegen von ein oder mehreren der folgenden kombinierten Bedingungen umfasst: – der Leistungs-Schalter (305, 306) ist angesteuert worden, in einen geöffneten Zustand zu wechseln, und eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) und dem Leistungs-Schalter (305, 306) ist größer als oder gleich wie ein vordefinierter Spannungsschwellwert; und/oder – das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) ist nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers (308) verbunden, und eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) und dem Leistungs-Schalter (305, 306) ist größer als oder gleich wie ein vordefinierter Spannungsschwellwert; und/oder – eine Klappe zum Verschließen der Schnittstelle (101) ist geschlossen, und eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) und dem Leistungs-Schalter (305, 306) ist größer als oder gleich wie ein vordefinierter Spannungsschwellwert.

Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei – die Vorrichtung eine Steuereinheit (302) umfasst, die eingerichtet ist, über eine Steuerleitung (503) einen Zustand des Leistungs-Schalters (305, 306) zu steuern; und – die Vorrichtung eingerichtet ist, anhand eines Steuersignals auf der Steuerleitung (503) zu ermitteln, dass der Leistungs-Schalter (305, 306) angesteuert worden ist, in einen geöffneten Zustand zu wechseln.

Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei – die Schnittstelle (101) ein Kommunikations-Kontaktteil (201, 202) zur Übertragung von Kommunikationssignalen umfasst; und – die Vorrichtung eingerichtet ist, anhand eines Signals an dem Kommunikations-Kontaktteil (201, 202) zu ermitteln, dass das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) nicht mit einer Einrichtung zur Bereitstellung des Stroms zum Laden des elektrischen Speichers (308) verbunden ist.

Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Vorrichtung einen Stromrichter (303) umfasst, der an einem Eingang mit dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) gekoppelt ist und der eingerichtet ist, auf Basis eines über das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) bereitgestellten AC-Stroms, einen DC-Strom zu generieren und an einem Ausgang des Stromrichters (303) bereitzustellen; und – der Leistungs-Schalter (305, 306) eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) mit dem Ausgang des Stromrichters (303) zu koppeln.

Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Schnittstelle (101) eine Vielzahl von Leistungs-Kontaktteilen (206, 207) umfasst; – die Vorrichtung eine entsprechende Vielzahl von Leistungs-Schaltern (305, 306) umfasst; – die Vorrichtung eingerichtet ist, – ein Indiz dafür zu ermitteln, dass die Vielzahl von Leistungs-Schaltern (305, 306) im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist; und – in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz, den redundanten Schalter (702) zu öffnen.

Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei der redundante Schalter (702) einen Öffner umfasst, der in einem Default-Zustand geschlossen ist.

Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Leistungs-Schalter (305, 306) ein Schütz und/oder ein Relais umfasst.

Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schnittstelle (101) eine Ladedose umfasst.

Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit eines Ladevorgangs eines elektrischen Speichers (308) eines Fahrzeugs (100); wobei das Fahrzeug (100) eine Schnittstelle (101) mit einem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) umfasst, das eingerichtet ist, einen Strom zum Laden des elektrischen Speichers (308) bereitzustellen; wobei das Fahrzeug (100) weiter einen Leistungs-Schalter (305, 306) umfasst, der mit dem Leistungs-Kontaktteil (206, 207) gekoppelt ist, und der eingerichtet ist, das Leistungs-Kontaktteil (206, 207) mit dem elektrischen Speicher (308) zu koppeln; wobei das Fahrzeug (100) weiter einen redundanten Schalter (702) umfasst, der dem Leistungs-Schalter (305, 306) in Reihe geschaltet ist; und wobei das Verfahren umfasst, – Ermitteln eines Indiz dafür, dass der Leistungs-Schalter (305, 306) im geschlossenen Zustand eingeklemmt ist; und – Öffnen des redundanten Schalters (702), in Abhängigkeit von dem ermittelten Indiz.