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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erfindung zum Laden und/oder Entladen von Akkumulatoren mit einem feststehenden und einem drehbaren Teil, wobei der drehbare Teil zum Aufwickeln eines Ladekabels mit einem Ladestecker vorgesehen ist, wobei der feststehende Teil einen Anschluss zur Verbindung mit einem Stromnetz aufweist.
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Derartige Vorrichtungen zum Laden von Akkumulatoren werden unter anderem beim Laden von Elektroautos eingesetzt. Beim Laden von Akkumulatoren bei Elektroautos fließen sehr hohe Ladeströme, um die Zeitspanne für den Ladevorgang in einer halbwegs erträglichen Größenordnung zu halten. Damit diese hohen Ladeströme fließen können, muss die Ladevorrichtung, das Ladekabel und auch der Ladestecker entsprechend dimensioniert sein. Da das Ladekabel mit dem Ladestecker nach Abschluss des Ladevorgangs sicher verstaut werden soll, muss das Ladekabel mit dem Ladestecker aufgewickelt werden. Dies kann über einen Art Kabeltrommel erfolgen, welche einen drehbaren Teil aufweist, um das Ladekabel mit dem Ladestecker aufzuwickeln. Der feststehende Teil der Kabeltrommel weist einen elektrischen Anschluss zur Verbindung der Kabeltrommel mit dem Stromnetz auf. Diese Kabeltrommeln sind meist für 230 Volt Wechselstrom oder 400 Volt Drehstrom ausgelegt.
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Aus der Patentschrift
DE 44 26 395 C2 ist ein Ladegerät mit einem Netzkabel und einem Verbraucheranschluss bekannt. Bei diesem Ladegerät ist die Ladeschaltung im Trommelkern eines Trommelgehäuses mit Aufwickelfeder und Trommelbremse angeordnet. Die Trommel weist dabei in axialer Richtung nebeneinander zwei Wickelräume für ein Netzkabel und ein Anschlusskabel zum Laden auf. Beide Kabel sind fest mit der Ladeschaltung und dem Ladegerät verbunden und werden durch Austrittsöffnungen aus dem Trommelgehäuse ausgeführt. Die Ladeelektronik im Trommelkern ist so integriert, dass sie sich mit dem Trommelkern immer mit dreht. Auf diese Art und Weise können Ladekabel und Netzkabel ohne Drehkontaktsystem oder Drehkupplung fest angeschlossen werden. Der Nachteil bei diesem System liegt darin, dass Ladekabel und Anschlusskabel immer gleichzeitig auf- und abgewickelt werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 079 870 A1 ist eine mobile Ladestation für Elektroautos bekannt. Die Ladestation weist an ihrem unteren Ende ein Gehäuse mit einer Kabeltrommel zur Aufnahme eines Kabels, an dessen Ende ein Stecker zur Verbindung mit einem Anschluss eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, auf. In der mobilen Ladestation ist ein Elektronikmodul untergebracht, in dem verschiedene Funktionalitäten für die Überwachung oder Steuerung und Abrechnung des elektrischen Ladevorgangs beim Aufladen des Elektrofahrzeugs vorgesehen ist. Dazu weist das Elektronikmodul Signalübertragungsmittel zur Ermöglichung einer Signalübertragung über die Einspeisevorrichtung und die Anschlussvorrichtung auf, um eine Kommunikationsverbindung zwischen mobiler Ladestation und Elektroauto zur Prüfung der Authentizität des Benutzers oder zur Abrechnung des Ladevorgangs aufzubauen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Laden und/oder Entladen von Akkumulatoren, insbesondere für Elektrofahrzeuge, zu schaffen, welche eine sichere, zuverlässige und komfortable Handhabung des Ladekabels erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und/oder Entladen von Akkumulatoren weist einen feststehenden und einen drehbaren Teil, ähnlich wie bei einer herkömmlichen Kabeltrommel, auf. Der drehbare Teil ist dabei zum Aufwickeln des Ladekabels mit dem Ladestecker vorgesehen, während der feststehende Teil einen Anschluss zur Verbindung mit dem Stromnetz aufweist. Der feststehende Teil und der drehbare Teil sind dabei über einen elektrischen Übertrager elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Netzstrom aus dem feststehenden Teil mittels des elektrischen Übertragers auf den drehbaren Teil zu transportieren und umgekehrt. Weiterhin ist bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der feststehende Teil an das normale Stromnetz mit Wechselspannung angeschlossen wird und der Ladestecker mit dem Ladekabel des drehbaren Teils zum Anschluss an ein Gleichspannungsnetz zum direkten Laden eines Akkumulators oder einer Fahrzeugbatterie geeignet ist. Dies bedeutet, dass bei der vorliegenden Erfindung zusätzlich in der Aufwickelvorrichtung für das Ladekabel eine Leistungselektronik integriert ist, welche die Wechselspannung des Stromnetzes in eine Gleichspannung zum Laden von Akkumulatoren und Fahrzeugbatterien umwandelt. Auf diese Art und Weise wird dem Stromnetz Wechselspannung entnommen und an den Akkumulator Gleichspannung weitergeleitet. Die Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren enthält somit gleichzeitig eine Ladeelektronik, welche die benötigte Gleichspannung zum Laden des Akkumulators bereitstellt. Damit wird eine kompakte Einheit geschaffen, welche die Ladeelektronik enthält und zugleich ein bequemes Aufwickeln des Ladekabels erlaubt, da der Netzanschluss des feststehenden Teils und das Ladekabel auf dem drehbaren Teil durch einen elektrischen Übertrager drehbar elektrisch miteinander verbunden sind. Durch bidirektionale Auslegung des drehbaren und des stationären Teils kann die Vorrichtung auch zum Entladen des Akkumulators genutzt werden.
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Die Vorrichtung kann problemlos mit dem Stromnetz verbunden bleiben, während das Ladekabel aufgewickelt wird, da sich der feststehende Teil mit dem Netzanschluss beim Aufwickeln nicht bewegt. Dies ist ein erheblicher Vorteil im Vergleich zum Stand der Technik im Patent
DE 44 26 395 C2 , wo das Ladekabel und das Netzanschlusskabel auf einen gemeinsamen Trommelkern aufgewickelt werden, so dass beide nur gleichzeitig auf- und abgewickelt werden können. Dies hat nämlich zur Folge, dass beim Stand der Technik vor dem Auf- oder Abwickeln des Ladekabels, das Anschlusskabel zum Netz entfernt werden muss, da dieses mit auf- oder abgewickelt wird. Dieser Nachteil ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren nicht mehr gegeben, da hier das Ladekabel unabhängig vom Netzanschluss auf- und abgewickelt werden kann.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Übertrager ein kontaktloser, insbesondere ein induktiver, Drehübertrager ist. Durch die Ausführung als kontaktloser Drehübertrager ist es möglich, den elektrischen Übertrager verschleißfrei zu gestalten. Auf diese Art und Weise entstehen durch die Drehbewegung beim Auf- oder Abwickeln des Ladekabels keine Verschleißerscheinungen, so wie sie bei einem kontaktierenden Drehübertrager auftreten würden. Insbesondere induktive Drehübertrager eignen sich für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren hervorragend, da diese ähnlich einem Transformator hohe elektrische Leistungen und Ströme übertragen können, so wie sie beim schnellen Laden von Fahrzeugbatterien benötigt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Übertrager aus zwei, drei oder mehr parallel arbeitenden Übertragern aufgebaut ist. Wenn bei hohen Ladeströmen die Leistung eines Übertragers nicht ausreicht, können gemäß der vorliegenden Erfindung zwei, drei oder mehr parallel arbeitende Übertrager eingebaut werden. Dadurch ist es möglich, die Ladeleistung zweifach, dreifach oder noch mehr zu erhöhen. Insbesondere kann der Drehübertrager auf beiden Seiten der Trommel mit dem Ladekabel angeordnet sein, so dass von beiden Seiten die Ladeelektronik auf der Kabeltrommel mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Zudem kann die Speisung über mehrere parallele Übertrager dazu genutzt werden, die Ströme phasenversetzt im Interleave-Betrieb zu übertragen. Durch den Phasenversatz ist eine besonders effiziente Gleichrichtung auf dem drehenden Teil möglich, da die Welligkeit reduziert wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der drehbare Teil zur Aufnahme des Ladekabels mit dem Ladestecker durch einen Elektromotor zum Ein- oder Auszug des Ladekabels antreibbar ist. Durch das Vorsehen eines Elektromotors kann das Ladekabel mit dem Ladestecker ohne Muskelkraft ein- oder ausgezogen werden. Dies erleichtert den Bedienkomfort beim Auf- oder Abwickeln des doch recht dicken und damit schweren Ladekabels erheblich. Gleichzeitig ist es auf diese Art und Weise möglich, den Ein- oder Auszug des Ladekabels automatisch zu steuern. Dies ist insbesondere wichtig, wenn sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators im öffentlichen Raum befindet, so wie dies häufig bei Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge der Fall ist. Im öffentlichen Raum besteht immer die Gefahr des Vandalismus, wodurch das Ladekabel beschädigt werden kann. Durch einen automatisch gesteuerten Ein- und Auszug des Ladekabels ist es möglich, das Ladekabel abseits des Ladevorgangs immer sicher im Innern der Vorrichtung aufzubewahren und so gegenüber Vandalismus oder anderen Beschädigungen und auch Umwelteinflüssen zu schützen.
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Deshalb ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung einen elektrischen Antriebsmotor für einen Ein- und Auszug des Ladekabels aufweist und dass mit Beendigung des Ladevorgangs eines an den Ladestecker angeschlossenen Objekts der elektrische Antriebsmotor das Ladekabel mit dem Ladestecker in ein Gehäuse der Vorrichtung selbsttätig einzieht. Dabei wird der Ladevorgang von der Ladeelektronik im Inneren der Vorrichtung erfasst und bei Beendigung des Ladevorgangs insbesondere beim Abstöpseln des Ladesteckers des Ladekabels automatisch der elektrische Antriebsmotor angesteuert und das abgestöpselte Ladekabel automatisch in das Innere der Vorrichtung eingezogen, wo es bis zum nächsten Ladevorgang aufbewahrt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass der Übertrager ein induktiver Drehübertrager ist und dass der Elektromotor und der induktive Drehübertrager baulich ineinander integriert sind. Auf diese Art und Weise kann eine besonders kompakte bauliche Einheit geschaffen werden, da lediglich ein elektrisches Bauteil benötigt wird, was sowohl als Elektromotor als auch als induktiver Drehübertrager funktioniert. In diesem Fall sitzen Drehübertrager und Elektromotor im Inneren der Vorrichtung auf einer Achse und sind baulich ineinander integriert, indem Rotor und Stator von induktivem Drehübertrager und Elektromotor jeweils ein Bauteil darstellen. Somit sind die beiden Rotoren des induktiven Drehübertragers und des Elektromotors miteinander verbunden und die beiden Statoren des induktiven Drehübertragers und des Elektromotors.
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In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladestecker, das Ladekabel und der drehbare Teil der Vorrichtung eine Kommunikationseinrichtung aufweisen, welche die Übertragung von digitalen Daten vom Ladestecker über den drehbaren Teil hin zur elektronischen Komponenten auf dem feststehenden Teil ermöglicht. Mit einer derartigen Ausprägung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, digitale Daten vom Ladestecker und damit auch von einem angeschlossenen Elektrofahrzeug über den drehbaren Teil hin zu elektronischen Komponenten auf dem feststehenden Teil zu übertragen. Damit kann insbesondere der Ladevorgang vom feststehenden Teil der Vorrichtung aus gesteuert werden. Zudem ist es so möglich, am feststehenden Teil der Vorrichtung einen Bildschirm vorzusehen, welcher den Ladevorgang für den Benutzer visualisiert und insbesondere anzeigt, wie weit fortgeschritten der Ladevorgang ist. Zur Übertragung der digitalen Daten von dem drehbaren auf den feststehenden Teil kann ebenfalls ein Drehübertrager genutzt werden, welcher bevorzugt als kapazitiver Drehübertrager ausgeführt ist, um hochfrequente Datenübertragungen zu ermöglichen. Auch ein optischer Drehübertrager ist möglich. Des Weiteren ist es auch möglich, die Daten vom drehbaren auf den feststehenden Teil drahtlos, z. B. per Datenfunk wie Bluetooth oder WLAN, zu übertragen.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der drehbare Teil mittels einer betätigbaren Bremseinrichtung feststellbar ist. Damit wird verhindert, dass sich das ausgezogene Ladekabel unbeabsichtigt weiter abrollt. Die Bremseinrichtung kann dabei entweder manuell durch den Benutzer betätigt oder automatisch gesteuert werden, indem die Bremse elektronisch angesteuert und somit z. B. nach Anschluss des Ladekabels an das Elektrofahrzeug automatisch verriegelt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Kommunikationseinrichtung ein über den Ladestecker verbundenes elektrisch aufzuladendes Objekt identifizierbar ist und dass eine Übertragung elektrischer Energie mittels des Ladesteckers auf das verbundene Objekt erst nach einer erfolgreichen Identifizierung des verbundenen Objekts erfolgt. Damit kann zum einen verhindert werden, dass ungeeignete elektrisch aufzuladende Objekte aus Sicherheitsgründen vom Ladevorgang ausgeschlossen werden, indem z. B. bei ungeeigneten Fahrzeugbatterien der Ladevorgang verweigert wird. Weiterhin ist es durch die Identifizierung des verbundenen Objekts, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, möglich, den Energieverbrauch beim Ladevorgang abzurechnen und dem entsprechenden Elektrofahrzeug und seinem Betreiber zuzuordnen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der drehbare und der feststehende Teil der Vorrichtung in einem tragbaren Gehäuse angeordnet sind. In diesem Fall verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Wesentlichen über das Aussehen einer tragbaren Kabeltrommel, so dass die Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators bequem transportiert werden kann und auch im Inneren eines Elektrofahrzeugs aufbewahrt werden kann. Soll das Elektrofahrzeug geladen werden, so wird die Vorrichtung zwischen dem Netzanschluss und dem Elektrofahrzeug positioniert, so dass der Netzanschluss der Vorrichtung mit dem Wechselspannungsnetz verbunden und das Ladekabel abgewickelt und mit dem Elektrofahrzeug verbunden wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so zum Laden beliebiger Elektrofahrzeuge eingesetzt werden, welche zu dem Ladestecker passen und gegebenenfalls von der Vorrichtung als geeignetes Objekt identifiziert worden sind.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Kabeltrommel mit Gleichspannungs- und Netzspannungsanschluss, integriertem Drehübertrager und Ladeelektronik,
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2 eine erfindungsgemäße Kabeltrommel mit zwei beidseitig angeordneten Drehübertragern,
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3 eine erfindungsgemäße Kabeltrommel mit zwei beidseitig angeordneten Topfkerndrehübertragern und
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4 eine erfindungsgemäße Kabeltrommel mit drei Ringkerndrehübertragern auf der Achse der Kabeltrommel.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kabeltrommel 1, welche z. B. zum Laden eines Elektrofahrzeugs genutzt werden kann. Dazu weist die Kabeltrommel 1 an ihrem stationären Teil 4 einen Netzanschluss 5 auf, mit dem die Kabeltrommel 1 an ein Dreiphasenwechselspannungsnetz angeschlossen werden kann. Der Netzanschluss 5 und das Dreiphasenwechselspannungsnetz stellen sicher, dass mit der Kabeltrommel 1 hohe Ladeströme zum Schnellladen eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt werden können. Dieser stationäre Teil 4 der Kabeltrommel 1 ist mit dem Gehäuse der Kabeltrommel 1 fest verbunden. Auf der linken Seite der Kabeltrommel 1 ist ein rotierender Teil 3 zu erkennen, auf den das Ladekabel 9 aufgewickelt werden kann. Am freien Ende des Ladekabels 9 ist ein Ladestecker 2 angebracht, welcher mit dem Elektrofahrzeug verbunden werden kann, um dessen Akkumulator aufzuladen. Während der Netzanschluss 5 des stationären Teils 4 mit Wechselspannung gespeist wird, ist der Ladestecker 2 zum Anschluss an ein Gleichspannungsnetz vorgesehen, um den Akkumulator direkt laden zu können. Dazu weist der rotierende Teil 3 einen Gleichrichter 8 auf, welcher Wechselspannung in Gleichspannung zum Laden umsetzt. Der Gleichrichter 8 ist mit dem rotierenden Teil 3 fest verbunden und dreht sich somit mit. Der stationäre Teil 4 verfügt über einen Umrichter 6 als AC/AC-Konverter, welcher die Dreiphasen-Wechselspannung des Stromnetzes in eine Zweiphasenwechselspannung umrichtet. Dabei wird im Umrichter 6 zunächst die Netzspannung des Netzanschluss 5 gleichgerichtet und zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreis genutzt. Die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises wird dann anschließend in einem Wechselrichter in eine Wechselspannung mit gewünschter Spannung und Frequenz zur Speisung eines Drehtransformators 7 verwandelt. Die Wechselspannung wird mittels des Drehtransformators 7 auf den rotierenden Teil 3 übertragen und speist dort den Gleichrichter 8.
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Gleichrichter 8 und Umrichter 6 können auch bidirektional ausgestaltet sein, so dass elektrische Energie in beide Richtungen transportiert werden kann und überflüssige Energie ins Stromnetz zurückgespeist werden kann. Zudem kann mit einer bidirektionalen Auslegung auch gezielt Energie vom Akkumulator ins Netz gespeist werden, so die Akkumulatoren angeschlossener Elektroautos auch als Energiespeicher zur Netzstabilisierung in Zeiten mit hohem Stromverbrauch genutzt werden können.
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Der rotierende Teil 3 wird außerdem über einen elektrischen Antriebsmotor 10 angetrieben, um das Ladekabel 9 mit dem Ladestecker 2 elektromotorisch betrieben ein- und ausfahren zu können. Weiterhin kann der rotierende Teil 3 mittels einer elektrisch betätigten Feststellbremse 11 festgesetzt werden, um ein Weiterdrehen des rotierenden Teils 3 zu verhindern. Weiterhin kann auf diese Art und Weise verhindert werden, dass Unbefugte den Ladestecker 2 mit dem Ladekabel 9 aus der Kabeltrommel 1 herausziehen können. Die Kabeltrommel 1 ist in einem tragbaren Gehäuse untergebracht, so dass diese an jeden dreiphasigen Netzanschluss angeschlossen werden kann. Neben der Funktion als Energieübertrager dient der Drehtransformator 7 gleichzeitig als Trennwandler, um den rotierenden Teil der Kabeltrommel 1 vom Masseanschluss des Stromnetzes zu trennen.
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Die 2 zeigt das Innere einer erfindungsgemäßen Kabeltrommel 1, welcher über zwei Drehtransformatoren 7 verfügt. Beide Drehtransformatoren 7 werden jeweils über einen Umrichter 6 gespeist, welcher Dreiphasenwechselspannung des Netzanschluss 5 in Zweiphasenwechselspannung umsetzt. Auf dem rotierenden Teil 3 sind zwei Gleichrichter 8 vorhanden, welche die Wechselspannungen der Drehtransformatoren 7 jeweils in Gleichspannung umwandeln. Die Energie der beiden Gleichrichter 8 wird dann in das Ladekabel 9 in dem Ladestecker 2 gespeist, so dass der Ladestecker 2 hier entsprechend mehr elektrische Energie übertragen kann, da er von zwei Drehtransformatoren 7, zwei Umrichtern 6 und zwei Gleichrichtern 8 gespeist wird. Sowohl auf dem rotierenden Teil 3 als auch auf dem stationären Teil 4 befindet sich entsprechende Steuerelektronik, welche den Ladevorgang beim geschlossenen Elektroauto steuert. Die beiden Drehtransformatoren 7 enthalten jeweils einen Luftspalt, so dass auch hier eine Trennung der Masse zwischen rotierendem Teil 3 und stationärem Teil 4 bewirkt wird.
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In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Kabeltrommel 1 abgebildet, welche anstelle von zwei Drehtransformatoren 7 mit zwei Übertragern nach dem Topfkernprinzip arbeitet. Auch hier wird durch die Übertrager 7 beidseitig elektrische Energie auf den rotierenden Teil 3 der Kabeltrommel 1 übertragen, so dass das Ladekabel 9 mit dem Ladestecker 2 hier ebenfalls beidseitig gespeist wird.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus 4. Hier ist der stationäre Teil 4 als Ringkern ausgestaltet, um den der rotierende Teil 3 herum bewegt wird. Die Energieübertragung vom stationären Teil 4 auf den rotierenden Teil 3 erfolgt über drei Ringkernübertrager 7, welche eine dreiphasige Übertragung vom stationären Teil 4 auf den rotierenden Teil 3 erlaubt. Auf dem rotierenden Teil 3 befinden sich auch hier drei nicht abgebildete Gleichrichter 8, welche jeweils einem der drei Ringkernübertrager 7 zugeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann die dreifache Menge elektrischer Energie in der gleichen Zeit übertragen werden, so dass die Ladeleistung weiter gesteigert wird. Im Vergleich zu einem Übertrager in der Variante gemäß 1 kann somit hier die dreifache elektrische Leistung zum Laden verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kabeltrommel
- 2
- Ladestecker
- 3
- rotierender Teil der Kabeltrommel
- 4
- stationärer Teil der Kabeltrommel
- 5
- Netzanschluss
- 6
- Umrichter
- 7
- Drehtransformator
- 8
- Gleichrichter
- 9
- Ladekabel
- 10
- Antriebsmotor
- 11
- Feststellbremse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4426395 C2 [0003, 0008]
- DE 102011079870 A1 [0004]
