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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Lichtbogendetektionseinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei der Lichtbogendetektionseinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Lichtbogendetektionseinrichtung für die Gleichstromladeverbindung von Elektrofahrzeugen.
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Moderne Elektrofahrzeuge können heutzutage mit verschiedenen Systemen geladen werden. Kabelgebunden einmal mit Wechsel- bzw. Drehstrom, aber zunehmend auch mit Gleichstrom. Das Laden mit Wechselstrom oder Drehstrom hat den Vorteil, dass es viele Lademöglichkeiten gibt, da Wechselstrom oder Drehstrom nahezu überall verfügbar ist. Nachteilig ist hierbei aber, dass das jeweilige Fahrzeug ein Ladegerät mitführen muss, da der Wechselstrom oder Drehstrom erst in einen Gleichstrom umgewandelt werden muss, um die Fahrbatterie aufladen zu können. Als Fahrbatterie wird im Folgenden der Akkumulator des Fahrzeuges bezeichnet, der die für die Fortbewegung benötigte elektrische Energie gespeichert hat. Da Ladegeräte hohe Kosten verursachen und viel Bauraum benötigen, kommen in den meisten Fahrzeugen lediglich Leistungsschwache Ladegeräte zum Einsatz, die an normalem Haushaltsstrom angeschlossen werden können. Nachteilig hierbei ist die Ladedauer, die abhängig von der Kapazität des Akkumulators bis zu 12 Stunden oder mehr für eine Vollladung beanspruchen kann. Daher werden Elektrofahrzeuge vermehrt mit der Möglichkeit zum Gleichstromladen ausgerüstet, auch unter dem Begriff „Schnelladen“ bekannt.. Bei dieser Lademethode wird dem Fahrzeug direkt ein für das Laden der Fahrbatterie passender Gleichstrom zugeführt. Das Ladegerät befindet sich daher nicht im Fahrzeug,. Für das Gleichstromladen sind die Ladesäulen üblicherweise mit starken Ladegeräten ausgerüstet, die die Fahrbatterie deutlich schneller laden können als das eingebaute AC-Ladegerät. Viele dieser Ladesäulen können die Fahrbatterie innerhalb von nur 30 Minuten zu 80% aufladen. Dabei fließen hohe Ströme durch die Ladeleitung. Wird während des Gleichstromladens der Stecker gezogen, so kommt es zu einem starken Lichtbogen, der nicht nur die Ladestecker zerstört, sondern auch für die Bedienperson lebensgefährlich ist. Daher sind bekannte Ladesysteme dazu ausgelegt, den Stecker während des Ladevorgangs zu verriegeln, so dass er nicht ausgesteckt werden kann.
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Solange das Stecksystem in Ordnung ist und der Stecker richtig gesteckt wird, bietet diese bekannte Maßnahme ausreichend Schutz. Es kann jedoch vorkommen, dass die für die Verriegelung notwendigen Teile gebrochen sind, oder der Stecker nicht richtig gesteckt wird, so dass die Verriegelung nicht einrastet. Dann besteht für die Bedienperson Gefahr für Leib und Leben, wenn sie während des Ladevorganges den Stecker zieht. Aus dem Stand der Technik sind schon Vorrichtungen bekannt, die einen Lichtbogen erkennen können.
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Aus der
US 7 009 406 B2 ist eine Lichtbogendetektionseinrichtung mit einem Shuntwiderstand bekannt, bei der die Spannung über dem Shuntwiderstand gemessen wird und über Spannungsunregelmäßigkeiten ein Lichtbogen detektiert wird.
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Aus der
WO 01/24337 A2 ist eine Lichtbogendetektionseinrichtung bekannt, bei der der Lichtbogen über eine Photodiode und eine Differenzierungseinrichtung erkannt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die grundlegende Idee dieser Erfindung besteht darin, ein Ziehen des Steckers während des Ladevorganges zu erkennen und geeignete Schutzmaßnahmen zu ergreifen, um eine Gefährdung von Personen zu vermeiden.
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Dies kann bewerkstelligt werden mit einer Lichtbogendetektionseinrichtung, aufweisend eine Steckvorrichtung mit elektrischen Kontakten zum Kontaktieren einer Stromversorgungseinrichtung zum Beziehen eines elektrischen Stromes, eine Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe, mindestens eine Trennvorrichtung zum Trennen des elektrischen Stromes, und einer Steuerungsvorrichtung zum Verarbeiten der gemessenen physikalischen Größe und zum Ansteuern der Trennvorrichtung, wobei die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe eingerichtet ist, die physikalische Größe in der Nähe der elektrischen Kontakte zu messen, und die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, die Stromversorgung zu trennen, sobald die Änderung der gemessenen physikalischen Größe einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Der Vorteil dieser Maßnahme ist eine sichere und schnelle Erkennung eines versehentlichen oder durch einen Defekt mögliches Aussteckens des Ladesteckers und der damit verbundenen Ausbildung eines Lichtbogens. Dadurch, dass die physikalische Größe in der Nähe der Kontakte gemessen wird, wird eine schnelle und sichere Erkennung des Lichtbogens sichergestellt. Im Folgenden wird unter dem Begriff „in der Nähe der Kontakte“ verstanden, dass die physikalische Größe innerhalb des Gehäuses der Steckvorrichtung gemessen wird. Die elektrischen Kontakte sind in das Gehäuse der Steckvorrichtung eingebettet, und innerhalb dieses Gehäuses wird auch die physikalische Größe gemessen, da bei einer zu weiten Entfernung vom Lichtbogen die durch den Lichtbogen bedingten Änderungen der physikalischen Größen für eine einfache Detektion nicht mehr groß genug sind.
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Durch die Ansteuerung der Trenneinrichtung wird vorteilhaft der Stromkreis unterbrochen und der Lichtbogen damit unterbunden. Da die Trenneinrichtung schnell arbeitet, kann mit der erfindungsgemäßen Maßnahme vorteilhaft ein schneller und sicherer Schutz der Bedienperson gewährleistet werden.
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In einer Ausführungsform ist die physikalische Größe elektromagnetische Strahlung. Bevorzugt ist die physikalische Größe elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder im Infrarotbereich. Dadurch kann vorteilhaft ein Lichtbogen mit einfachen Sensoren detektiert werden. Bevorzugt wird als Sensor eine Photodiode oder ein Photowiderstand (LDR) verwendet. Diese Bauteile sind kostengünstig und gewährleisten einen sicheren Betrieb.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die physikalische Größe der Umgebungsdruck. Da bei Bildung eines Lichtbogens der Umgebungsdruck stark ansteigt, kann auch mit dieser Ausführungsform eine sichere Erkennung eines Lichtbogens bewerkstelligt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die physikalische Größe ein elektrischer Widerstandswert. Die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe ist dabei besonders bevorzugt ein temperaturabhängiger Widerstand. Durch die Tatsache, dass ein Lichtbogen eine Temperatur von etwa 13000K aufweist, kann mittels eines temperaturabhängigen Widerstands diese Temperaturerhöhung und damit der Lichtbogen vorteilhaft detektiert werden.
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Besonders bevorzugt misst dabei die Steuerungsvorrichtung die Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstandes, und aktiviert die Trennvorrichtung, sobald die Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstandes einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Stromkreis bei der Detektion eines Lichtbogens sofort getrennt wird und der Lichtbogen damit erlischt. Durch die schnelle Unterbindung des Lichtbogens kann weiterer Schaden weitgehend vermieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der temperaturabhängige Widerstand ein Heißleiter. Heißleiter sind kostengünstig und können bei entsprechender Anbringung einen Lichtbogen sicher detektieren. Vorteilhaft ist dabei der temperaturabhängige Widerstand direkt an dem elektrischen Kontakt angebracht. Die Verbindung ist bevorzugt elektrisch isolierend und besonders bevorzugt thermisch gut leitend. Durch die gute thermische Leitfähigkeit wird eine vorteilhafte schnelle Detektion erreicht.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der temperaturabhängige Widerstand ein Kaltleiter. Dieser kann ebenso wie ein Heißleiter genutzt und am elektrischen Kontakt angebracht werden. Dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung lediglich die Widerstandsänderung bewertet, können Heißleiter oder Kaltleiter verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe über ein Bussystem an die Lichtbogendetektionseinrichtung angeschlossen. Dies ist von Vorteil, wenn die Steuerungsvorrichtung räumlich entfernt von der Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe angebracht ist. Dann können vorteilhaft eigene Leitungen eingespart werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Trennvorrichtung über ein Bussystem an die Lichtbogendetektionseinrichtung angeschlossen. Auch hier besteht der Vorteil darin, dass aufwändige Leitungen zwischen der Steuerungsvorrichtung und der Trenneinrichtung gespart werden können.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Ladesystem zum Gleichstromladen eines Akkumulators, aufweisend eine Lichtbogendetektionseinrichtung gemäß obigen Merkmalen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb aufweisend ein oben beschriebenes Ladesystem, wobei der Akkumulator die Fahrbatterie des Fahrzeuges ist. Wird die Erfindung bei einem Elektrofahrzeug eingesetzt, so kann die Sicherheit des Ladevorgangs mit Gleichstrom beträchtlich erhöht werden. Fehlbedienungen und Fehlerfälle werden mit der Erfindung abgefangen und die Bediensicherheit gewährleistet. Hierbei fungiert die Erfindung als zweite Sicherheitsstufe nach der aus dem Stand der Technik bekannten Verriegelung der Steckverbindung.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lichtbogendetektionseinrichtung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Lichtbogendetektionseinrichtung,
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2 den physikalischen Effekt bei einer Lichtbogenbildung,
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3 eine schematische Ansicht der Steckvorrichtung obiger Ausführungsform mit der Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Lichtbogendetektionseinrichtung in der Anwendung in einem Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug (nicht gezeigt) weist ein Hochspannungsbordnetz 1 auf. Zum Hochspannungsbordnetz 1 gehören ein Antriebsmotor M, eine Motorsteuerung DB, die Fahrbatterie B und ein Trennschütz TV1.
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Die Lichtbogendetektionseinrichtung weist eine Steckvorrichtung T2 auf, eine Steuervorrichtung C, eine Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe MV und mindestens eine der möglichen Trennvorrichtungen TV1, TV2, TV3.
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Ein externes Ladegerät L wird mittels der passenden Steckvorrichtung T1 mit dem Gegenstück T2 über Gleichstromleitungen an das Fahrzeug angeschlossen. Die Steckverbindung kann eine bekannte für das Gleichstromladen ausgelegte Steckverbindung sein, wie z.B. eine ChaDeMo Steckverbindung, eine Combo-Steckverbindung, eine CCS-Steckverbindung, eine Steckverbindung der Supercharger von Tesla Motors oder jede andere geeignete Gleichstromsteckverbindung.
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Das Ladegerät L ist für Gleichstromladen ausgelegt, und kann eine hohe Stromstärke I an das Fahrzeug liefern. Die Spannung und Stromstärke wird zwischen dem Fahrzeug und dem Ladegerät L über ein nicht gezeigtes Bussystem ausgehandelt. Das Bussystem wird über die gleiche Steckverbindung T1, T2 verbunden wie die Gleichstromleitung. Es ist aber auch denkbar, dass das Bussystem über eine andere Verbindung realisiert wird, z.B. eine Funkverbindung.
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Im ungesteckten Zustand sind die Kontakte der beiden Steckverbinder T1, T2 spannungslos. Erst nach dem Einstecken wird über das Bussystem ein Signal ausgetauscht, und die Ladeleistung bereitgestellt. Vor der Bereitstellung der Ladeleistung wird jedoch der Stecker mechanisch verriegelt, um ein Ausstecken während der Ladung zu unterbinden.
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Im Normalzustand ist das System also vor Fehlbedienung geschützt und sicher. In seltenen Fällen kann es jedoch vorkommen, dass die Verriegelung nicht funktional ist, oder der Stecker nicht sauber verrastet. Dann kann es bei Ausstecken während des Ladevorganges zur Bildung von Lichtbögen kommen, da bei Gleichstromladung ein Lichtbogen nicht von selbst erlischt wie bei Wechselstromladung.
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Hier greift die Erfindung ein, denn die erfindungsgemäße Lichtbogendetektionseinrichtung erkennt den Lichtbogen und trennt daraufhin sofort den Stromkreis, also die Fahrbatterie vom Ladegerät.
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Zum Erkennen des Lichtbogens können verschiedene Verfahren angewandt werden. Einmal kann der Lichtbogen optisch mittels einer Photodiode oder mittels eines lichtempfindlichen Widerstandes (LDR) detektiert werden. Je nachdem wo dieser positioniert ist, kann damit der Lichtbogen sicher detektiert werden. Wird der lichtempfindliche Widerstand zum Beispiel in der Steckvorrichtung positioniert, so kann er prinzipiell schon ein Abstecken ohne Lichtbogen erkennen, so lange die Umgebungshelligkeit ausreichend ist. Da ein Lichtbogen sehr hell ist, kann hiermit ein Abstecken während der Ladung sicher erkannt werden.
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Der Lichtbogen kann auch über einen Drucksensor erkannt werden, da sich in der Nähe des Lichtbogens der Druck signifikant erhöht, wie in 2 gezeigt ist. Die dort gezeigte Kurve P ist der Umgebungsdruck kurz nach Ausbildung eines Lichtbogens. Es ist deutlich zu sehen, dass der Druck ca. 10ms nach Ausbildung des Lichtbogens stark bis auf fast 2 bar ansteigt. Mit einem geeignetem Druckmesssensor kann damit ein Lichtbogen einfach erkannt werden.
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Wie in 2 in der Kurve T zu sehen ist, steigt bei Ausbildung eines Lichtbogens auch die Temperatur in der Nähe des Lichtbogens stark bis auf ca. 13000K an. Dieser Effekt kann genutzt werden, um den Lichtbogen mittels eines einfachen Temperatursensors zu erkennen. Der Temperatursensor wird dabei vorteilhaft direkt am elektrischen Stromkontakt thermisch gut leitend appliziert. Bei Ausbildung eines Lichtbogens durch versehentliches Abstecken heizen sich die Kontakte sehr schnell auf. Der Temperatursensor misst diesen Temperaturanstieg, und die Steuervorrichtung C, an die der Temperatursensor angeschlossen ist, kann damit die Ausbildung eines Lichtbogens sicher detektieren. Der Temperatursensor ist hier bevorzugt ein temperaturabhängiger Widerstand. Er kann als Heißleiter (NTC) oder als Kaltleiter (PTC) ausgebildet sein. Der Widerstand ist bevorzugt sehr klein, so dass er wenig Wärmekapazität aufweist. Damit kann er der Temperatur des Steckkontakts schnell folgen und stellt eine schnelle Detektion des Lichtbogens sicher. Der Widerstand ist bevorzugt direkt am Steckkontakt (Stecker- oder Buchsenkontakt) angebracht. Eine gute thermische Leitfähigkeit stellt eine schnelle Erkennung des Lichtbogens sicher. Der Widerstand kann aber auch an die an dem Steckkontakt angebrachte Stromleitung appliziert sein. Da bei einer Gleichstromladung mit hohem Strom die Stromleitungen einen entsprechend hohen Querschnitt aufweisen, z.B. 20qmm, 35qmm oder auch mehr, nehmen die Leitungen sehr schnell die Temperatur des Steckkontakts an, so dass auch hier eine Erkennung gut und schnell möglich ist. Die Tatsache, dass die Stromleitungen normalerweise aus Kupfer gefertigt werden, was ein guter Wärmeleiter ist, begünstigen die schnelle Erkennung des Lichtbogens noch.
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Bei Detektion eines Lichtbogens aktiviert die Steuervorrichtung C die Trennvorrichtung TV1, TV2 oder TV3. Die Trennvorrichtung TV1 ist das Trennschütz des Hochspannungsbordnetzes 1. Die Trennvorrichtung TV2 ist ein Trennschütz, welches in der Nähe der Steckvorrichtung T2 angeordnet ist. Die Trennvorrichtung TV3 ist ein Trennschütz im Ladegerät, das den Ladestrom trennt. Dieses muss über ein oben genanntes Bussystem aktiviert werden. Bevorzugt wird als Trennvorrichtung das Trennschütz TV1 in dem Hochspannungsbordnetz 1 verwendet. Das Trennschütz ist derart ausgelegt, dass es einen Gleichstrom I dieser Stärke sicher trennen kann. Das Trennschütz kann zum Beispiel für die Trennung unter Last pyrotechnisch aktiviert werden, so dass sich zwischen den Kontakten des Schützes kein Lichtbogen ausbilden kann. Das Trennschütz kann aber auch mit einem geeigneten inerten Gas gefüllt sein, welches die Ausbildung eines Lichtbogens erschwert. Sobald das Trennschütz aktiviert ist, ist der Stromkreis getrennt, und der Lichtbogen erlischt. Damit können Personen und Material vor Schaden bewahrt werden.
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Da sich die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe MV in der Steckvorrichtung T2 befindet, wird sie über eine Messleitung an die Steuerungsvorrichtung C angeschlossen. Die Steuerungsvorrichtung C kann aber örtlich auch sehr weit entfernt sein, so dass die Messung aufgrund der Länge der Messleitung beeinträchtigt sein kann. In solchen Fällen ist es sinnvoll, wenn die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe MV einen kleinen Controller aufweist, der die Messdaten über einen im Fahrzeug vorhandenen Bus an die Steuerungsvorrichtung C sendet. Dieser Bus kann z.B. ein LIN-Bus sein. Aber auch ein CAN-Bus oder ein anderer im Automobil verwendeter Bus kann hierfür dienen.
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Auch die Trennvorrichtungen TV1, TV2 im Fahrzeug können von der Steuerungsvorrichtung C über einen Bus angesteuert werden. Dies vereinfacht die Verkabelung im Fahrzeug erheblich, da keine separaten Leitungen für die Ansteuerung mehr notwendig sind.
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3 zeigt eine schematische Ansicht der Steckvorrichtung T2 obiger Ausführungsform mit der Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe. Die Steckvorrichtung T2 weist zwei Gleichstromkontakte TS1 und TS2 auf. Der erste Gleichstromkontakt ist mit dem negativen Pol der Fahrbatterie über das Trennschütz TV1 gekoppelt, der zweite Gleichstromkontakt ist mit dem positiven Pol der Fahrbatterie über das Trennschütz TV1 gekoppelt.
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An dem zweiten Gleichstromkontakt TV2 ist die Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe MV angebracht. In der vorliegenden Ausführungsform ist dies ein temperaturabhängiger Widerstand, z.B. ein PTC-Widerstand. Es kann aber genauso gut auch ein NTC-Widerstand verwendet werden. Der temperaturabhängige Widerstand ist elektrisch isoliert aber thermisch gut leitend mit dem zweiten Gleichstromkontakt verbunden. Der temperaturabhängige Widerstand kann aber genausogut auch mit dem ersten Gleichstromkontakt verbunden sein. Wird nun die Steckverbindung T1 während der Gleichstromladung von der Steckverbindung T2 abgesteckt, so bildet sich ein Lichtbogen aus, der die beiden Gleichstromkontakte TS1 und TS2 sehr schnell aufheizt. Durch diesen Temperaturanstieg verändert sich der Widerstand, was von der Steuerungsvorrichtung C registriert wird. Die Steuerungsvorrichtung C misst während der Gleichstromladung fortwährend den Widerstand und registriert jede größere Widerstandsänderung. Steigt die Größe der Widerstandsänderung innerhalb einer vorbestimmten Zeit über einen vorbestimmten Schwellwert an, der von dem verwendeten Typ des temperaturabhängigen Widerstandes abhängt, so wird ein Lichtbogen detektiert. Die Steuerungsvorrichtung C steuert das im Hochspannungsbordnetz 1 befindliche Trennschütz TV1 an und unterbricht den Stromkreis, so dass der Lichtbogen erlischt. Aufgrund der kleinen Baugröße des temperaturabhängigen Widerstandes kann ein Lichtbogen sehr kurz nach seiner Entstehung detektiert werden, so dass Verletzungen und Schäden an der Steckvorrichtung T2 vermieden werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7009406 B2 [0004]
- WO 01/24337 A2 [0005]
