DE102017115284A1 - Ladeanordnung für ein Elektrofahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben der Ladeanordnung - Google Patents

Ladeanordnung für ein Elektrofahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben der Ladeanordnung Download PDF

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Michael Schugt
Peter Muss
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeanordnung 1 für ein Elektrofahrzeug 2 mit einer Traktionsbatterie 3, aufweisend eine Spannungsversorgungsstation 10, angeschlossen an ein Spannungsnetz und ein Spannungsversorgungskabel 11 mit Ladestecker 6, wobei zur Durchführung eines Ladevorganges der Ladestecker 6 mit dem Elektrofahrzeug 2 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladestecker 6 ein Spannungskonverter 9 zur Konvertierung der Versorgungsspannung Uin eine relativ dazu geringere Ladespannung Uangeordnet ist sowie ein Verfahren zum Betreiben der Ladeanordnung 1.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeanordnung für ein Elektrofahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der Ladeanordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 13.
  • Für das elektrische Fahren eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges ist es notwendig, dass die Batterie, nachfolgend auch Traktionsbatterie genannt, des Fahrzeuges über eine externe Energiequelle geladen wird. Dabei wird die Zuführung der Energie über ein Stecksystem mit einem Ladekabel realisiert, mit dem die externe Energiequelle mit dem Fahrzeug verbunden wird und der Ladevorgang stattfinden kann.
  • Damit ein Standard erreicht wird, wird der Ladevorgang in verschiedenen Normungen (z. B. IEC 61851, DIN SPEC 70121 und ISO 15118) definiert. Dabei wird grundsätzlich zwischen einer „AC-Ladung“ und einer „DC-Ladung“ unterschieden. Bei der AC-Ladung wird das Elektrofahrzeug mit dem Ladekabel direkt an einer Haushaltssteckdose angeschlossen (ein- oder dreiphasig). Die übertragbaren Leistungen sind hierbei auf 22 kW begrenzt.
  • Um höhere Ladeleistungen zu realisieren, wird die sogenannte DC-Ladetechnologie eingesetzt. Bei dieser wird durch ein externes Ladegerät eine DC-Spannung erzeugt, die mit dem Ladekabel an das Fahrzeug und innerhalb direkt an die Batterie angeschlossen wird. Heutzutage können damit Ladeleistungen bis 50 kW erreicht werden.
  • Betrachtet man die Ziele der Automobilindustrie, so werden die Reichweiten eines Elektrofahrzeuges von momentan 150 km auf 500 km oder mehr ansteigen. Zusätzlich wird gefordert, dass die Ladezeit von bisher mehreren Stunden auf einige Minuten reduziert werden soll. Dieses ist nur möglich, indem der Batterie-Ladestrom auf mehrere Hundert Ampere (anstatt 50 A Stand heute) ansteigt. Problematisch sind dabei die Ladekabel zwischen Ladesäule und Elektrofahrzeug. Gemäß der Normung DIN VDE 0298 müssen die Kabelquerschnitte entsprechend dem maximalen Strom ausgelegt werden.
  • Für die Datenkommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladesäule werden unterschiedliche Verfahren verwendet (PWM, PLC). Die Kommunikation läuft aber immer kabelgebunden über zusätzliche im Ladekabel befindliche isolierte Kommunikationsleitungen.
  • Diese zusätzlichen Kommunikationsleitungen erhöhen natürlich auch das Gewicht und die Herstellungskosten eines Ladekabels.
  • Zur Lösung des Gewichtsproblems werden Ladekabel mit integrierter Wasserkühlung vorgeschlagen. Dadurch können zwar die Querschnitte und somit das Kupfergewicht eingespart werden, jedoch ist die Wasserkühlung sehr aufwendig und ebenfalls teuer in Herstellung und Unterhalt.
  • Außerdem ist an den Ladesäulenstandpunkten häufig kein Wasseranschluss vorhanden, so dass diese entweder extra gelegt oder aber in der Ladesäule ein Wasserkühlsystem mit einem Wärmetauscher installiert werden muss. Beide Lösungen erhöhen die Anschaffungskosten erheblich. Zusätzlich wird durch die Wasserkühlung die Wartung der Säule und des Ladekabels sehr aufwendig und kostspielig.
  • Durch die Reduzierung des Kabelquerschnitts wird der elektrische Widerstand des Ladekabels größer, was die Verlustleistung erhöht. Diese Verluste verschlechtern den Wirkungsgrad und erhöhen die Kosten für die elektrische Ladung, die der Anwender und/oder der Betreiber bezahlen muss.
  • Aus der DE 10 2014 004 790 A1 ist beispielsweise eine Ladeanordnung bekannt, bei der innerhalb eines Kraftfahrzeuges zwei Energiespeicherelemente in Serie geschaltet werden, um die mögliche Ladespannung zu erhöhen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit bereit zu stellen, unter Einhaltung von bereits entwickelten Normen die Ladeleistung für Elektrofahrzeuge zu steigern, gleichzeitig das notwendige Handling, um den Ladevorgang zu beginnen bzw. zu beenden, zu vereinfachen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Ladeanordnung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein verfahrenstechnischer Teil der Aufgabe wird mit den Merkmalen im Anspruch 13 gelöst.
  • Die Ladeanordnung für ein Elektrofahrzeug mit einer Traktionsbatterie weist eine Spannungsversorgungsstation, angeschlossen an ein Spannungsnetz, auf sowie ein Spannungsversorgungskabel mit Ladestecker, wobei zur Durchführung des Ladevorganges der Ladestecker mit dem Elektrofahrzeug verbunden ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Ladeanordnung dadurch aus, dass in dem Ladestecker ein Spannungskonverter zur Konvertierung der Versorgungsspannung in eine relativ dazu geringere Ladespannung angeordnet ist.
  • Eine Spannungsversorgungsstation wird umgangssprachlich auch als Ladesäule bezeichnet. Diese ist an ein Spannungsnetz angeschlossen, welches entweder eine zentrale oder dezentrale Vorverteilung aufweist. An dieser Spannungsversorgungsstation liegt nunmehr eine Versorgungsspannung an. Erfindungsgemäß liegt diese Versorgungsspannung auch an dem Ladestecker selbst an. Das Spannungsversorgungskabel ist mit der Spannungsversorgungsstation verbunden. Die Versorgungsspannung ist deutlich höher als die mögliche Ladespannung, die das jeweilige Elektrofahrzeug aufnehmen kann. Gemäß aktuellem Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge für Ladespannungen von ca. 400 V und in Ausnahmefällen von bis zu 800 V oder 850 V ausgelegt. Die Versorgungsspannung weist erfindungsgemäß jedoch einen höheren Voltbereich auf, insbesondere mehr als 900 V und bevorzugt mehr als 1.000 V.
  • Damit nunmehr die Versorgungsspannung an das Elektrofahrzeug übertragen werden kann, ist ein Spannungskonverter in bzw. an dem Ladestecker angeordnet. Bei inbesondere normierten Ladesteckern können solche Spannungskonverter an den Ladesteckern nachgerüstet werden. Neu zu produzierende Ladestecker können den Spannungskonverter bereits integriert haben. Der Spannungskonverter weist die Funktionen eines Spannungswandlers und/oder Spannungstransformators auf und kann so bezeichnet werden. Eine höhere Versorgungsspannung wird auf eine relativ dazu geringere Ladespannung konvertiert, insbesondere umgewandelt bzw. transormiert.
  • Der Spannungskonverter kann bei einem DC/DC-Ladevorgang ein Tiefsetzsteller (step-down-converter) sein.
  • Die erfindungsgemäße Ladeanordnung bietet somit verschiedene Vorteile. Zum einen kann eine aufwendige Regelungstechnik für den Ladevorgang in der Spannungsversorgungsstation selbst entfallen. Die Steuerungs- bzw. Regelungstechnik für den Ladevorgang selbst kann bereits als Hard- und Software in dem Spannungskonverter integriert sein, so dass das Elektrofahrzeug mit dem Spannungskonverter kommuniziert und dieser aus der Versorgungsspannung die notwendige Ladespannung bereitstellt. Gleichzeitig ist es möglich, eine höhere Ladeleistung bis zum Ladestecker zu übertragen. Ein Spannungsversorgungskabel, welches üblicherweise eine Länge von 1 m bis 5 m, insbesondere 1 m bis 3 m aufweist, kann in seinem Leitungsquerschnitt deutlich reduziert werden bei gleicher oder gesteigerter Ladeleistung. Im Falle der Regelungstechnik für den Ladevorgang in dem Ladestecker selbst und/oder eines zusätzlichen drahtlos Kommunikationsmoduls in dem Ladestecker kann auf eine Datenleitung im Spannungsversorgungskabel verzichtet werden. Die Herstellungskosten für ein entsprechendes Spannungsversorgungskabel können daher aufgrund hoher Kupferpreise sowie geringerer Querschnitte reduziert werden. Das Handling eines erfindungsgemäßen Spannungsversorgungskabels kann für den einzelnen Anwender deutlich vereinfacht werden, da es ein geringeres Gewicht aufweist gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Ladekabeln. Notwendig im Sinne dieser Erfindung ist jedoch immer ein physischer Kontakt von Ladestecker und Elektrofahrzeug.
  • Bei dem Elektrofahrzeug selbst kann es sich um Hybridfahrzeuge, insbesondere Steckerhybridfahrzeuge sowie reine Elektrofahrzeug handeln. Es können sowohl Kraftfahrzeuge als auch Nutzfahrzeuge mit der erfindungsgemäßen Ladeanordnung geladen werden. Auch denkbar ist, die Ladeanordnung für Flurfahrzeuge sowie Gabelstapler. Theoretisch wäre es auch denkbar, mit der erfindungsgemäßen Ladeanordnung Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge zu versorgen. Das Handling der Ladeanordnung - Steckvorgang des Ladesteckers - ist deutlich vereinfacht. Die Ladeleistung kann ebenfalls deutlich gesteigert werden, so dass die Ladezeit verkürzt werden kann, gleichzeitig jedoch aktuell geltende Normen und Sicherheitsvorschriften eingehalten sind.
  • Es findet bevorzugt immer bei dem Ladevorgang eine Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug statt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Ladeanordnung werden bevorzugt DC-Ladevorgänge durchgeführt. Dies bedeutet, dass eine DC-Versorgungsspannung durch den Spannungskonverter auf eine relativ dazu geringere DC-Ladespannung konvertiert wird.
  • In dem Spannungsversorgungskabel selbst sind mindestens zwei, bevorzugt drei elektrische Leiter angeordnet. Es können auch vier oder fünf elektrische Leiter in dem Spannungsversorgungskabel angeordnet sein. Weiterhin kann optional mindestens eine Kommunikationsleitung in dem Spannungsversorgungskabel angeordnet sein. Durch den erfindungsgemäß in dem Ladestecker angeordneten Spannungskonverter ist es möglich, die Leitungsquerschnitte der elektrischen Leiter zu reduzieren, bei mindestens gleichbleibender und/oder erhöhter am Ladestecker zur Verfügung gestellter Ladeleistung.
  • Der Spannungskonverter benötigt zu seinem Betrieb ebenfalls elektrische Energie. Eine Spannungsversorgung für den Spannungskonverter kann über das Spannungsversorgungskabel selbst erfolgen und somit von der Versorgungsspannung abgegriffen werden. Es ist jedoch auch möglich, den Spannungskonverter durch einen diesem zugeordneten bzw. integrierten Energiespeicher selbst mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierzu kann beispielsweise ein Akkumulator eingesetzt sein, der insbesondere bei Nichtgebrauch der Ladeanordnung selbst aufgeladen wird.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, über das Spannungsversorgungskabel selbst eine Versorgungsspannung von mehr als 900 V, insbesondere mehr als 1.000 V, bevorzugt mehr als 1.200 V, besonders bevorzugt mehr als 1.300 V und ganz besonders bevorzugt mehr als 1.400 V zu übertragen. Eine realistische Obergrenze zur maximal zu übertragenen Versorgungsspannung sollte bei maximal 10.000 V, besonders bevorzugt bei ca. 5.000 V liegen. Im Rahmen der Erfindung ist es vorstellbar, dass insbesondere Versorgungsspannungen von 1.000 V bis 1.600 V, insbesondere 1.300 V bis 1.550 V und besonders bevorzugt 1.400 V bis 1.500 V über das Spannungsversorgungskabel übertragen werden bzw. am Ladestecker auf der Seite des Spannungsversorgungskabels bereit zu stellen.
  • Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, Versorgungsspannungen von 1.800 V bis 2.500 V, insbesondere 1.900 V bis 2.400 V und besonders bevorzugt von ca. 2.000 V bis 2.200 V bereitzustellen. Diese Versorgungsspannungen werden in dem Spannungskonverter dann auf eine relativ dazu geringere Ladespannung konvertiert.
  • Die Ladespannung wird für eine Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) bereitgestellt. Dies bedeutet, die Ladespannung liegt zwischen 400 V und 850 V, bevorzugt bei 400 V oder 800 V. Abweichungen, die von einem Elektrofahrzeug zu Beginn oder während eines Ladevorganges gefordert wären, sind in zuvor genannten Angaben mit einzubeziehen.
  • Besonders bevorzugt liegt ein Verhältnis von Ladespannung zu Versorgungsspannung kleiner 0,9 vor. Dies bedeutet, dass die Ladespannung kleiner als 0,9 mal der Versorgungsspannung ist. Besonders bevorzugt ist die Ladespannung kleiner 0,85, insbesondere kleiner 0,8, besonders bevorzugt kleiner 0,75, besonders bevorzugt kleiner 0,7 und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,6 mal der Versorgungsspannung. Das Verhältnis sollte jedoch größer 0,1 sein.
  • Damit ist es möglich, bei heutigen Normen und Sicherheitsvorschriften sowie verfügbaren Ladetechnologien auf Seiten der Elektrofahrzeuge, die Ladezeiten zu verkürzen bei mindestens gleichbleibender, insbesondere gesteigerter Ladeleistung. Es müssen jedoch keinerlei Modifikationen an den Elektrofahrzeugen selbst, d. h. am Lademanagement seitens des Elektrofahrzeuges und/oder an den Energiespeichern seitens des Elektrofahrzeuges, vorgenommen werden.
  • Für das Spannungsversorgungskabel kann somit der stromleitende Querschnitt eines jeden elektrischen Leiters kleiner 100 mm2, insbesondere kleiner 80 mm2, bevorzugt kleiner 70 mm2 und insbesondere kleiner 55 mm2, bevorzugt zwischen 30 mm2 und 55 mm2 gewählt werden. Auch hier sollten mindestens 10 mm2 als stromleitende Querschnittsfläche vorhanden sein. Es können somit standardisierte Kabelquerschnitte für die Spannungsversorgungskabel genutzt werden und insbesondere aus dem Stand der Technik bekannte Kabelquerschnitte von Spannungsversorgungskabeln reduziert werden. Alternativ müssen die Kabelquerschnitte nicht erhöht werden, gleichsam wird jedoch die Ladeleistung deutlich gesteigert. Die geltenden gesetzlichen Vorschriften sowie Sicherheitsvorschriften werden dabei eingehalten.
  • Die Ladefunktion selbst wird dann erfindungsgemäß über den bzw. in dem Ladestecker geregelt. Die Spannungsversorgungsstation selbst stellt die Versorgungsspannung zur Verfügung. Der Ladestecker und insbesondere eine Regelungseinrichtung in dem Ladestecker kommuniziert dann mit dem Elektrofahrzeug bzw. dem Lademanagement des Elektrofahrzeuges. Hierzu können insbesondere bekannte kabelgebundene Standards, wie beispielsweise PLC- sowie PWM-Kommunikation, genutzt werden. Die zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung wird von dem Spannungskonverter in dem Ladestecker dann auf die benötigte bzw. vorgegebene Ladespannung konvertiert. Es kann somit auf der Seite des Ladesteckers des Elektrofahrzeuges direkt an dem Elektrofahrzeug die benötigte bzw. vorgegebene Ladespannung anliegen und der daraus resultierende Ladestrom an das Elektrofahrzeug übertragen werden. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass eine weitere Kommunikationsleitung in dem Spannungsversorgungskabel entfallen kann.
  • Optional kann weiterhin in oder an dem Ladestecker selbst oder zwischen Ladestecker und Spannungsversorgungsstation ein drahtlos Kommunikationsmodul angeordnet werden. Als drahtlos Kommunikationsstandard können beispielsweise Bluetooth oder Wlan genutzt werden. Auch kann als drahtlos Kommunikationsstandard ein Mobilnetzstandard, beispielsweise GSM, genutzt werden, so dass entsprechende Daten übertragen werden. Zum einen können dies Daten sein, welche übertragen werden von dem Kommunikationsmodul an die Spannungsversorgungsstation. Zum anderen können dies auch Daten sein, die zu einem Server übertragen werden. Diese Daten können beispielsweise Daten sein, die der Betreiber solcher Spannungsversorgungsstationen benötigt. Es können jedoch auch Daten sein, die an den Automobilhersteller hinsichtlich Ladezuständen sowie Ladeverbräuchen der Elektrofahrzeuge übertragen werden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Weitergabe von Daten an den Fahrer bzw. Halter des Elektrofahrzeuges. Es können beispielsweise Informationen über den Ladevorgang, über den Preis des Ladevorganges oder auch den Ladezustand der Traktionsbatterie weitergegeben werden. Diese können dann in einer Weiterbildung auf einer entsprechenden Softwareapplikation (App) eines mobilen Endgeräts, beispielsweise einem Smartphone, dargestellt werden. Auch kann hier ein Rechnungswesen eingeführt werden, das der für den Ladevorgang benötigte Strompreis und die Menge erfasst werden und dann über das Kommunikationsmodul abgerechnet werden, beispielsweise auch unter Zwischenschaltung eines mobilen Endgerätes.
  • Auch wäre es vorstellbar, dass das drahtlos Kommunikationsmodul den Spannungskonverter selbst regelt. Eine zusätzliche Regelungshardware zum Betreiben des Spannungskonverters würde in diesem Fall entfallen und durch das Kommunikationsmodul übernommen werden.
  • Weiterhin kann beispielsweise das Kommunikationsmodul die Temperatur im Ladestecker selbst und/oder an den Anschlussklemmen bzw. Steckkontakten des Ladesteckers überwachen. In Abhängigkeit der auftretenden Temperaturen kann dann wiederum die Ladespannung geregelt werden, so dass hohe Temperaturen oder ein Überhitzen, insbesondere an den Anschlussklemmen, vermieden wird.
  • In einer weiteren besonderen Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Anzeige auf der Steckeroberfläche vorgesehen. Diese Anzeige kann insbesondere ein Display, beispielsweise ein Kristalldisplay sein, auch LCD-Display oder OLED-Display genannt. Es können auch OLED-Displays oder andere Anzeigedisplays verwendet werden. Auf dieser Anzeige können dann Informationen über den Ladezustand, den Ladevorgang dargestellt werden, so dass ein Fahrzeugführer diese Informationen anhand des Ladesteckers während des Ladevorganges ablesen kann. Beispielsweise kann angezeigt werden, dass die Traktionsbatterie nunmehr halbvoll geladen sind, was den Fahrer interessieren würde, und er den Ladevorgang an dieser Stelle selbst abbricht, um weiterzufahren. Auch kann beispielsweise der bisherige und zu erwartende Preis für den Ladevorgang angezeigt werden, so dass der Fahrer des Elektrofahrzeuges darüber informiert wird.
  • Für das drahtlos Kommunikationsmodul selbst wäre wiederum eine eigene Energieversorgung notwendig. Diese kann entweder über die Versorgungsspannung erfolgen. Auch kann das drahtlos Kommunikationsmodul sowie die Anzeige über einen Energiespeicher im Stecker gespeist werden. Bevorzugt ist dies der gleiche Energiespeicher, welcher auch den Spannungskonverter versorgt. Der Energiespeicher selbst kann beispielsweise bei Nichtgebrauch der Ladeanordnung selbst aufgeladen werden.
  • Die gesamte Regelung der Ladefunktion wird somit im Ladestecker selbst vorgenommen. Die Spannungsversorgungsstation dient somit nur zur Bereitstellung der Versorgungsspannung. Es können damit die Herstellungs-, aber auch die Unterhaltskosten zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung deutlich reduziert werden, bei gesteigerter Ladeleistung und verbessertem Handling der Spannungsversorgungsstation.
  • Es ist somit auch möglich, ein Lademanagement an einem Ladepunkt für mehrere Elektrofahrzeuge bereitzustellen. Beispielsweise können zwei oder mehr Ladestecker über jeweils ein Spannungsversorgungskabel an der Spannungsversorgungsstation angeschlossen sein. Die einzelnen Ladestecker können bevorzugt untereinander kommunizieren und eine für jedes Elektrofahrzeug optimale/benötigte Ladeleistung einregeln.
  • Die zuvor genannten Ausführungen insbesondere zum drahtlos Kommunikationsmodul, in diesem Text auch nur Kommunikationsmodul genannt, können auch separat betrachtet werden, ohne den Offenbarungsgehalt zu verlassen. Dies bedeutet, dass das drahtlos Kommunikationsmodul sowie die damit verbundenen und beschriebenen Eigenschaften und Merkmale auch losgelöst von dem Spannungskonverter eingesetzt werden können.
  • Der Spannungskonverter kann auch Bi-direktional betrieben werden. Dies bedeutet, die Batteriespannung der Traktionsbatterie kann genutzt werden, um das Netz zu stabilisieren.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der Ladeanordnung mit den mindestens zum Patentanspruch 1 eingangs beschriebenen Merkmalen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine hohe Versorgungsspannung in eine relativ dazu geringere Ladespannung in einem Spannungskonverter in dem Ladestecker konvertiert wird. Somit wird eine höhere Ladeleistung bei gleichem oder verringertem Querschnitt des Spannungsversorgungskabels bereitgestellt. Gleichzeitig können bereits am Markt befindliche Elektrofahrzeuge mit ihrem jeweiligen Lademanagement ohne weitere Modifikation mit der erfindungsgemäßen Ladeanordnung betrieben bzw. aufgeladen werden.
  • Hierzu wird der Ladestecker in das Elektrofahrzeug gesteckt. Das Elektrofahrzeug erkennt den Steckvorgang und tauscht mittels PWM-Kommunikation Informationen mit dem Ladestecker aus. Beispielsweise wird auch der maximale Ladestrom, der von dem Elektrofahrzeug aufgenommen werden kann, an den Ladestecker, insbesondere das Kommunikationsmodul in dem Ladestecker, weitergegeben. Über die PLC-Kommunikation wird dann der Ladevorgang gestartet. Das Elektrofahrzeug gibt die Ladespannung bzw. den Ladestrom vor. Im Ladestecker wird dem Spannungskonverter ein Soll-Wert vorgegeben. Der Soll-Wert wird mit dem Ist-Wert verglichen und über den Spannungskonverter wird die nötige Ladespannung eingeregelt. Ebenfalls wird jedoch die höhere Versorgungsspannung auf die relativ dazu geringere Ladespannung konvertiert. Der gesamte Ladevorgang kann somit durch das Elektrofahrzeug sowie die Ladeelektronik des Elektrofahrzeuges selber, das Kommunikationsmodul und den Spannungskonverter durchgeführt werden. Die Spannungsversorgungsstation dient nur der Bereitstellung der Versorgungsspannung.
  • Das Kommunikationsmodul kann somit zum einen die Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug vornehmen. Weiterhin kann das Kommunikationsmodul beispielsweise mit der Spannungsversorgungsstation oder mit einem Server kommunizieren. Gleichzeitig kann jedoch das Kommunikationsmodul auch Daten liefern, die in einer Anzeige am Ladestecker angezeigt werden.
  • Insbesondere kann das Kommunikationsmodul über eine drahtlose Verbindung mit einer externen Empfangsstelle kommunizieren und Daten zum Ladevorgang/Ladezustand austauschen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ladeanordnung,
    • 2 eine erfindungsgemäße Ladeanordnung,
    • 3 eine Querschnittsansicht durch ein Ladekabel gemäß dem Stand der Technik und eine Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes Spannungsversorgungskabel,
    • 4 den Ladestecker aus 2 mit zusätzlichem drahtlos Kommunikationsmodul und optionaler Anzeige und
    • 5 ein Blockschaltbild, welches einen erfindungsgemäßen Ladevorgang darstellt.
  • In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
  • 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ladeanordnung 1 für ein Elektrofahrzeug 2. Das Elektrofahrzeug 2 verfügt dabei über eine Traktionsbatterie 3, auch Akkumulator oder Energiespeicher genannt, sowie eine Steckdose 4 zum Einstecken eines Ladesteckers 6. Ferner weist das Elektrofahrzeug 2 ein onboard Lademanagement 5 auf. Um einen Ladevorgang auszuführen, wird ein Ladestecker 6 in die Steckdose 4 des Elektrofahrzeugs 2 gesteckt. Der Ladestecker 6 ist über ein Ladekabel 7 mit einer Ladesäule 8 verbunden. In dem Ladekabel 7 sind sowohl elektrische Leiter 12 zum Leiten von Ladestrom als auch Kommunikationsleitungen 20 für die Kommunikation von Lademanagement 5 des Elektrofahrzeuges 2 mit der Ladesäule 8 vorhanden.
  • 2 zeigt nunmehr eine erfindungsgemäße Ladeanordnung 1. Zur Durchführung des Ladevorganges ist der Ladestecker 6 in die Steckdose 4 des Elektrofahrzeugs 2 eingesteckt (der Einfachheit halber nicht dargestellt). Auch hier ist ein Ladestecker 6 vorhanden. Erfindungsgemäß ist jedoch in dem Ladestecker 6 selbst ein Spannungskonverter 9 angeordnet. Die Ladesäule kann somit als reine Spannungsversorgungsstation 10 bezeichnet werden, welche eine Versorgungsspannung Uv bereitstellt. Diese Versorgungsspannung Uv wird über ein Spannungsversorgungskabel 11 an den Ladestecker 6 weiter gegeben, so dass an dem Ladestecker 6 die Versorgungsspannung Uv auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite am Ladestecker 6 anliegt bzw. am Spannungskonverter 9 anliegt. Nunmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Ladestecker 6 der Spannungskonverter 9 die Versorgungsspannung Uv auf eine Ladespannung UL konvertiert, wobei die Ladespannung UL relativ bezogen zu der Versorgungsspannung UV kleiner ist. Somit ist es möglich, dass ein Kabelquerschnitt des Spannungsversorgungskabels 11 und ein Leitungsquerschnitt A12 der elektrischen Leiter 12 (siehe dazu auch 3) innerhalb des Spannungsversorgungskabels 11 kleiner ist als ein Leitungsquerschnitt A13 der elektrischen Steckkontakte 13 sowie gegebenenfalls nicht näher dargestellter elektrischer Leiter von Spannungskonverter 9 zu elektrischen Steckkontakten 13 in dem Ladestecker 6. Hierdurch sinkt das damit einhergehende Gewicht des Spannungsversorgungskabels 11, bei gleichzeitig einfacherem Handling und der Möglichkeit, einen höheren Ladestrom durch das Spannungsversorgungskabel 11 zu leiten, weshalb auch die Ladeleistung verbessert ist.
  • In 2 ist noch eine Kommunikationsleitung 20 in dem Spannungsversorgungskabel 11 dargestellt, als eine Option der Erfindung. Die Kommunikationsleitung kann jedoch erfindungsgemäß entfallen, dargestellt in 3 und 4.
  • 3 zeigt zwei verschiedene Querschnittsansichten durch ein Ladekabel 7 gemäß dem Stand der Technik auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite sowie durch ein erfindungsgemäßes Spannungsversorgungskabel 11 auf der rechten Seite. Zu erkennen ist, dass die Querschnittsfläche A12 der elektrischen Leiter 12 innerhalb des Spannungsversorgungskabels 11 auf der Bildebene bezogen auf der rechten Seite kleiner ist als die Querschnittsfläche A12 der elektrischen Leiter 12 innerhalb des Ladekabels 7. Auch die Querschnittsfläche A11 des Spannungsversorgungskabels 11 ist kleiner als die Querschnittsfläche A7 des Ladekabels 7. Ebenfalls kann erfindungsgemäß die Kommunikationsleitung 20 entfallen.
  • 4 zeigt den Ladestecker 6 gemäß 2 in modifizierter Ausgestaltungsvariante. Hier ist neben dem Spannungskonverter 9 noch ein drahtlos Kommunikationsmodul 14 sowie optional eine Anzeige 15 mit in den Ladestecker 6 integriert. Das drahtlos Kommunikationsmodul 14 kann dabei mit dem Spannungskonverter 9 kommunizieren. Gleichzeitig kann das drahtlos Kommunikationsmodul 14 auch die Hard- und Software zur Regelung des Spannungskonverters 9 beinhalten. Ferner dargestellt in 4 ist eine zusätzliche Energiequelle 16, beispielsweise ein Akkumulator. Dieser kann sowohl den Spannungskonverter 9 als auch das drahtlos Kommunikationsmodul 14 sowie die Anzeige 15 mit Energie versorgen. Die Energiequelle 16 kann beispielsweise an der Spannungsversorgungsstation 10 aufgeladen werden, wenn der Ladestecker 6 nicht in Betrieb ist. Anschlussleitungen der Energiequelle 16 sind nicht dargestellt.
  • 5 zeigt weiterhin ein Blockschaltbild bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Ladevorganges mit der Ladeanordnung 1. In dem Ladestecker 6 ist der erfindungsgemäße Spannungskonverter 9 angeordnet. Beim Einstecken des Ladesteckers 6 in die Steckdose 4 des Elektrofahrzeuges 2 beginnt die Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug 2. Hierzu ist innerhalb des Ladesteckers 6 das drahtlos Kommunikationsmodul 14 angeordnet. Dieses kann sowohl Daten 17 des Elektrofahrzeuges 2 auslesen als auch eine Regelung 18 des Spannungskonverters 9 vornehmen. Insbesondere wird die Ladespannung UL eingeregelt. Auch können Informationen auf der Anzeige 15 des Ladesteckers 6 wiedergeben werden. Ferner kann das drahtlos Kommunikationsmodul 14 mit einem externen Empfänger 19, insbesondere Server, kommunizieren. Dieser Empfänger 19 kann beispielsweise in der Spannungsversorgungsstation 10 angeordnet sein. Es kann jedoch beispielsweise auch über Drahtlosverbindungen, beispielsweise eine GSM-Verbindung, ein nicht in der näheren Umgebung ortsunabhängiger Server mit Informationen versorgt werden. Beispielsweise kann dies ein Server sein, zu dem der Nutzer des Elektrofahrzeuges 2 eine Verbindung mit einem mobilen Endgerät besitzt. Es können dann Informationen auf das mobile Endgerät hinsichtlich Ladedauer, Strompreis und/oder Ladezustand sowie weitere relevante Daten weitergegeben werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 -
    Ladeanordnung
    2 -
    Elektrofahrzeug
    3 -
    Traktionsbatterie
    4 -
    Steckdose
    5 -
    Lademanagement
    6 -
    Ladestecker
    7 -
    Ladekabel
    8 -
    Ladesäule
    9 -
    Spannungskonverter
    10 -
    Spannungsversorgungsstation
    11 -
    Spannungsversorgungskabel
    12 -
    elektrischer Leiter
    13 -
    elektrischer Steckkontakt
    14 -
    drahtlos Kommunikationsmodul
    15 -
    Anzeige
    16 -
    Energiequelle
    17 -
    Daten zu 2
    18 -
    Regelung zu 9
    19 -
    Empfänger
    20 -
    Kommunikationsleitung
    UV -
    Versorgungsspannung
    UL-
    Ladespannung
    A7 -
    Querschnitt zu 7
    A11 -
    Querschnitt zu 11
    A12 -
    Querschnitt zu 12
    A13 -
    Querschnitt zu 13
  • 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 Patentliteratur
    • DE 102014004790 A1 [0012]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN SPEC 70121 [0004]
    • ISO 15118 [0004]

Claims (13)

  1. Ladeanordnung (1) für ein Elektrofahrzeug (2) mit einer Traktionsbatterie (3), aufweisend eine Spannungsversorgungsstation (10), angeschlossen an ein Spannungsnetz und ein Spannungsversorgungskabel (11) mit Ladestecker (6), wobei zur Durchführung eines Ladevorganges der Ladestecker (6) mit dem Elektrofahrzeug (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladestecker (6) ein Spannungskonverter (9) zur Konvertierung der Versorgungsspannung (Uv) in eine relativ dazu geringere Ladespannung (UL) angeordnet ist.
  2. Ladeanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass DC Ladevorgänge durchführbar sind und/oder dass mindestens zwei, bevorzugt drei elektrische Leiter (12) in dem Spannungsversorgungskabel (11) angeordnet sind und optional mindestens eine Kommunikationsleitung (20) in dem Spannungsversorgungskabel (11) angeordnet ist.
  3. Ladeanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Spannungsversorgungskabel (11) eine Versorgungsspannung (UV) von mehr als 900 V, insbesondere mehr als 1.000 V, bevorzugt mehr als 1.200 V und besonders bevorzugt mehr als 1.400 V übertragen wird.
  4. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung (UL) kleiner als 0.9 mal der Versorgungsspannung (Uv) ist.
  5. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stromleitende Querschnitt (A12) jedes elektrischen Leiters (12) in dem Spannungsversorgungskabel (11) kleiner 100 mm2, insbesondere kleiner 80 mm2, bevorzugt kleiner 70 mm2 ist, insbesondere kleiner 55 mm2 ist.
  6. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladefunktion über den Ladestecker (6) geregelt wird, wobei die Spannungsversorgungsstation (10) die Versorgungsspannung (UV) zur Verfügung stellt.
  7. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladestecker (6) oder zwischen Ladestecker (6) und der Spannungsversorgungsstation (10) ein drahtlos Kommunikationsmodul (14) angeordnet ist.
  8. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungskonverter (9) und/oder das Kommunikationsmodul (14) mit Energie aus dem Spannungsversorgungskabel (11) gespeist werden und/oder dass eine separate Energiequelle (16) hierfür vorgesehen ist.
  9. Ladeanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsmodul (14) mit dem Lademanagement (5) des Elektrofahrzeuges (2), insbesondere kabelgebunden, kommuniziert und Daten an die Spannungsversorgungsstation (10) und/oder einen Server (19) sendet und/oder von diesem empfängt und/oder dass das Kommunikationsmodul (14) den Ladevorgang regelt.
  10. Ladeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (6) eine Anzeige (15), insbesondere ein Display, aufweist, auf der Informationen über den Ladevorgang, den verbrauchten Ladestrom und/oder den Ladezustand der Traktionsbatterie (3) dargestellt sind.
  11. Ladeanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsmodul (14) die Temperatur des Ladesteckers (6), insbesondere der Steckkontakte (13) des Ladesteckers (6) überwacht.
  12. Ladeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsversorgungskabel (11) an eine Spannungsversorgungsstation (10) angeschlossen sind, um gleichzeitig mehrere Elektrofahrzeuge zu laden, wobei die Kommunikationsmodule (14) untereinander kommunizieren und eine jeweils verfügbare Versorgungsspannung (UV) am Ladestecker (6) als Ladespannung einregeln.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Ladeanordnung mit den Merkmalen von mindestens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsspannung (Uv) in eine relativ dazu geringere Ladespannung (UL) in einem Spannungskonverter (9) in dem Ladestecker (6) konvertiert wird.
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Title
DIN SPEC 70121
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