DE102018112472A1

DE102018112472A1 - Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem und Verfahren zur Schaltung eines Kontaktbereiches einer Bodenkontakteinheit

Info

Publication number: DE102018112472A1
Application number: DE102018112472.4A
Authority: DE
Inventors: Günther Jernej; Manuel Leibetseder
Original assignee: Ease Link GmbH
Current assignee: Ease Link GmbH
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-04-18
Also published as: US11305664B2; CN111386208A; WO2019076663A1; US20210122256A1

Abstract

Eine Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem hat einen Grundkörper, wenigstens eine Potentiallage (24), mehrere Kontaktbereiche (20), mehrere Schalteinheiten (26) und mehrere Schaltleitungen (44, 46), mittels der die Schalteinheiten (26) betätigt werden können, wobei an jeder der Schaltleitungen (44, 46) mehrere Schalteinheiten (26) vorgesehen sind. Die Schaltleitungen (44, 46) sind in wenigstens zwei Gruppen unterteilt und jede der Schalteinheiten (26) ist an wenigstens zwei Schaltleitungen (44, 46) aus wenigstens zwei verschiedenen Gruppen vorgesehen, so dass der Schaltzustand der Schalteinheit (26) vom Signalzustand an seinen zugeordneten Schaltleitungen (44, 46) abhängt. Jede Schalteinheit (26) ist derart mit wenigstens einem Kontaktbereich (20) gekoppelt, dass die Schalteinheit (26) den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich (20) mit der dem Kontaktbereich (20) zugeordneten wenigstens einen Potentiallage (24) elektrisch verbinden und unterbrechen kann.Ferner ist ein Verfahren zur Schaltung eines Kontaktbereiches gezeigt.

Description

Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie Plug-in-Hybridfahrzeugen und reinen Elektrofahrzeugen, müssen die Batterien der Fahrzeuge regelmäßig, am besten nach jeder Fahrt, aufgeladen werden. Hierzu wird das Fahrzeug mittels eines Fahrzeugkoppelsystems mit einer Stromquelle, beispielsweise dem örtlichen Stromnetz, verbunden. Dabei kann ein Stecker, wie der Typ-2 Stecker verwendet werden, der von einer Person manuell in die entsprechende Buchse des Fahrzeugs eingesteckt werden muss.
Bekannt sind beispielsweise Fahrzeugkoppelsysteme für Fahrzeugbatterieladesysteme mit einer Kontakteinheit des Stromanschlusses, die am Boden vorgesehen ist. Diese am Boden angeordnete Bodenkontakteinheit wird mittels einer verfahrbaren Fahrzeugkontakteinheit, die sich aus dem Unterboden des Fahrzeugs nach unten bewegen kann, physisch kontaktiert. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung des Fahrzeugs mit dem örtlichen Stromnetz ermöglicht.
Hierbei ist es notwendig, dass die an der Fahrzeugkontakteinheit vorgesehenen Elektroden mit Kontaktflächen der Bodenkontakteinheit physisch in Berührung kommen. Dazu muss die Fahrzeugkontakteinheit nicht nur oberhalb der Bodenkontakteinheit beim Abstellen des Fahrzeugs positioniert werden, sondern es müssen auch die richtigen Elektroden der Fahrzeugkontakteinheit auf den entsprechenden Kontaktflächen der Bodenkontakteinheit sitzen und entsprechend geschaltet werden, da die Elektroden bzw. Kontaktflächen unterschiedliche Funktionen haben. Wichtig dabei ist, dass nur im Bereich der Fahrzeugkontakteinheit liegende Kontaktflächen der Bodenkontakteinheit bestromt werden, so dass keine freiliegenden, bestromten Kontaktflächen vorhanden sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute und kostengünstige Bodenkontakteinheit für ein automatisches Fahrzeugbatterieladesystem sowie ein Verfahren zur Schaltung eines Kontaktbereiches einer Bodenkontakteinheit bereitzustellen, durch die eine physische elektrische Verbindung zwischen einer Fahrzeugkontakteinheit und einer Bodenkontakteinheit auf automatische Weise und unter Ausschluss von Fehlkontaktierungen ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung der Bodenkontakteinheit und einer Fahrzeugkontakteinheit, mit einem plattenförmigen Grundkörper, wenigstens einer Potentiallage, mehreren Kontaktbereichen, die auf einer freiliegenden Ladefläche des Grundkörpers angeordnet und wenigstens einer Potentiallage zugeordnet sind, mehreren Schalteinheiten und mehreren Schaltleitungen, mittels der die Schalteinheiten betätigt werden können, wobei an jeder der Schaltleitungen mehrere Schalteinheiten vorgesehen sind,
wobei die Schaltleitungen in wenigstens zwei Gruppen mit jeweils mehreren Schaltleitungen unterteilt sind und jede der Schalteinheiten an wenigstens zwei Schaltleitungen aus wenigstens zwei verschiedenen Gruppen, insbesondere an jeweils einer Schaltleitung jeder Gruppe, vorgesehen ist, so dass der Schaltzustand der Schalteinheit vom Signalzustand an seinen zugeordneten Schaltleitungen abhängt,
wobei jede Schalteinheit derart mit wenigstens einem der Kontaktbereiche gekoppelt ist, dass die Schalteinheit den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich mit der dem Kontaktbereich zugeordneten wenigstens einen Potentiallage elektrisch verbinden und unterbrechen kann.
Die freiliegende Ladefläche des Grundkörpers ist dabei dazu ausgebildet, dass die Fahrzeugkontakteinheit an ihr anlegbar ist bzw. zur Anlage kommt.
Dadurch, dass die Schaltleitungen in Gruppen unterteilt und die Schalteinheiten mit Schaltleitungen der verschiedenen Gruppe verbunden ist, kann darauf verzichtet werden, dass für jede Schalteinheit ein eigener elektrischer Ansteuerschalter bzw. zumindest ein eigener Ausgang der Steuereinheit (Mikrocontroller) Bodenkontakteinheit mit eigener, direkter Verkabelung vorgesehen ist. Vielmehr ist nun nur für jede Schaltleitung ein elektrischer Ansteuerschalter notwendig, wodurch die Anzahl an benötigten elektrischen Ansteuerschaltern und Verkabelung drastisch reduziert werden kann, ohne Einbußen an der Funktionalität der Bodenkontakteinheit hinnehmen zu müssen. In anderen Worten sind durch die Erfindung nicht für jede Schalteinheit zwei Leitungen und zumindest ein Ausgang des Mikrocontrollers der Bodenkontakteinheit nötig. Daher ist die Bodenkontakteinheit einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen.
Die Schalteinheiten können elektromechanische Schalter - wie Relais -, elektronische Schalter - wie Feldeffektransistoren (z.B. MOSFET) oder TRIAC (Triode for Alternating Current) - und/oder andere logische Schalter umfassen.
Sofern die Schalteinheiten elektronische Schalter umfassen, z.B. TRIAC oder Feldeffektransistoren, können die Schalteinheiten zudem je eine Vorschaltung aufweisen, über die der elektronische Schalter mit den Schaltleitungen verbunden ist.
Die Vorschaltungen erzeugen zum Beispiel ein Ausgangssignal an den elektronischen Schalter auf Basis der Signale der Schaltleitungen, wobei das Ausgangsignal den entsprechenden elektronischen Schalter schaltet. Die Vorschaltungen sind zum Beispiel AND-Gatter oder NAND-Gatter.
Für eine flexible Verwendung der Kontaktbereiche ist die wenigstens eine Potentiallage mit dem Erdpotential, einem Neutralleiter, einem Außenleiter bzw. Phase, einem Pluspol oder einem Minuspol einer Stromquelle, insbesondere eines lokalen Stromnetzes verbindbar, insbesondere wobei für das Erdpotential, den Neutralleiter, einem Außenleiter bzw. Phase, einem Pluspol und/oder einem Minuspol einer Stromquelle jeweils eine eigene Potentiallage vorhanden ist.
Im Rahmen dieser Erfindung wird zur Vereinfachung die veraltete Bezeichnung „Phase“ für einen Außenleiter verwendet.
Zudem wird zur Vereinfachung auch bei den Lagen, die mit den Außenleitern bzw. der Phase verbunden sind, von einer Potentiallage gesprochen, obwohl diese Lagen kein konstantes elektrisches Potential aufweisen, sondern sich ihr Potential periodisch mit dem Potential des entsprechenden Außenleiters ändert.
Vorzugsweise sind die Schaltleitungen voneinander getrennt mit Spannung und/oder Strom beaufschlagbar, wodurch die Schalteinheiten gezielt und effektiv geschaltet werden können.
Beispielsweise weist die Bodenkontakteinheit wenigstens eine PE-Lage auf, wobei die Schalteinheiten derart eingerichtet sind, dass sie den ihnen zugeordneten Kontaktbereich entweder mit der ihm zugeordneten Potentiallage oder mit der wenigstens einen PE-Lage elektrisch verbinden können. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass kein strom- und/oder spannungsführender Kontaktbereich freiliegt, wenn der entsprechende Kontaktbereich bzw. die gesamte Bodenkontakteinheit nicht verwendet wird. Insbesondere liegen die PE-Lagen auf Erdpotential.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bodenkontakteinheit PE-Kontaktbereiche aufweisen, die permanent mit der wenigstens einen PE-Lage verbunden sind.
Vorzugsweise ist genau eine Schalteinheit für jeden Kontaktbereich vorgesehen, insbesondere der kein PE-Kontaktbereich ist, wodurch ein besonders flexibler und kostengünstiger Aufbau erreicht wird.
Um das Potential eines Kontaktbereichs auf einfache Weise zu ändern, kann ein Schaltelement der Schalteinheit den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich mit der ihm zugeordneten Potentiallage elektrisch verbinden, wenn die der Schalteinheit zugeordneten Schaltleitungen passend geschaltet, insbesondere in einem gemeinsamen Stromkreis mit korrekter Polarität geschaltet sind.
Vorzugweise unterscheiden sich die Schaltleitungen, an denen eine der Schalteinheiten vorgesehen ist, von den Schaltleitungen, an denen eine andere der Schalteinheiten vorgesehen ist, in wenigstens einer Schaltleitung. Auf diese Weise ist eine eindeutige Ansteuerung der Schalteinheiten möglich.
In anderen Worten erfolgt die Ansteuerung der einzelnen Schalteinheiten mit einer Kombination von wenigstens zwei Schaltleitungen, wobei jede Schalteinheit durch eine bestimmte Kombinationen von Schaltleitungen betätigt werden kann bzw. jeder Kombination von Schaltleitungen nur eine Schalteinheit zugeordnet ist.
Zum Beispiel ist für jede Schalteinheit nur eine Schaltleitung pro Gruppe vorgesehen und mit ihr gekoppelt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Schaltleitungen einer Gruppe im Wesentlichen in die gleiche Richtung, insbesondere parallel und/oder die Schaltleitungen bilden ein Gitter, an dessen Kreuzungspunkten sich Schaltleitungen unterschiedlicher Gruppen kreuzen, wobei an den Kreuzungspunkten jeweils eine Schalteinheit angeordnet ist, vorzugsweise wobei die Schalteinheit nur bei unterschiedlichen Potentialen an seinen Schaltleitungen geschaltet werden kann. Dadurch lässt sich eine kompakte Anordnung der Kontaktbereiche der Bodenplatte realisieren.
Vorzugsweise schließen die Richtungen der verschiedenen Gruppen einen Winkel miteinander ein, insbesondere wobei der Winkel zwischen den verschiedenen Gruppen 90° und/oder gleich groß ist, wodurch ein übersichtlicher Aufbau möglich ist.
Zum Beispiel verlaufen die Schaltleitungen der verschiedenen Gruppen senkrecht zueinander, sodass die Schaltleitungen einer der Gruppen Zeilen bilden und die Schaltleitungen einer anderen der Gruppen Spalten bilden. Dabei ist insbesondere jeder Kombination aus einer bestimmten Zeile und einer bestimmten Spalte genau eine Schalteinheit zugeordnet.
Die Schaltleitungen wenigstens einer der Gruppen können im Zick-Zack verlaufen, um komplexere Geometrien zu ermöglichen.
In einer Ausführungsvariante haben die Schalteinheiten jeweils zwei Schaltkontakte, die mit den Schaltleitungen verbunden sind, wodurch eine einfache Integration der Schalteinheit in einen Stromkreis möglich ist.
Beispielsweise ist einer der Schaltkontakte mit einer Schaltleitung der einen Gruppe über wenigstens eine Diode verbunden und der andere der Schaltkontakte ist mit einer Schaltleitung der anderen Gruppe verbunden, wodurch die Betriebssicherheit erhöht werden kann.
Zur zuverlässigen Schaltung des Kontaktbereiches kann die Schalteinheit derart eingerichtet sein, dass sie den ihr zugeordneten Kontaktbereich mit der ihm zugeordneten Potentiallage elektrisch verbindet, wenn zwischen den Schaltkontakten wenigstens eine vorbestimmte Spannungsdifferenz vorliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Bodenkontakteinheit wenigstens eine Kontrollleitung und die Schalteinheiten einen Doppelschalter als Schaltelement, insbesondere ein Relais auf, wobei der Doppelschalter derart ausgebildet ist, dass die Kontrollleitung nur dann mit einer bestimmten Potentiallage, insbesondere der PE-Lage elektrisch verbunden ist, wenn auch der Kontaktbereich mit der bestimmten Potentiallage verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der mit der PE-Lage verbundenen Kontaktbereiche ermitteln.
Die Abfrage der Anzahl kann über eine Spannungsmessung über alle Kontrollleitungen oder mittels eines Multiplexers im Wechsel über einzelne Kontrollleitungen erfolgen.
Beispielsweise ist der Doppelschalter derart ausgebildet, dass einer der Schalter des Doppelschalters die Kontrollleitung mit dem Kontaktbereich elektrisch verbinden kann und der andere Schalter des Doppelschalters den Kontaktbereich nur dann mit der bestimmten Potentiallage, insbesondere der PE-Lage elektrisch verbindet, wenn auch die Kontrollleitung mit dem Kontaktbereich elektrisch verbunden ist. Dadurch kann erkannt werden, dass der Kontaktbereich auf dem Erdpotential liegt, wenn auch die Kontrollleitung auf dem Erdpotential liegt.
Dabei kann der Doppelschalter zwangsgeführt sein, sodass entweder der Kontaktbereich mit der Kontrollleitung und der PE-Lage verbunden ist oder der Kontaktbereich nur mit der ihm zugeordneten Potentiallage verbunden ist.
Zum Beispiel können die Kontaktbereiche und/oder deren Kontaktflächen auf der Ladefläche in einem Gitter in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters angeordnet sein. Dieses Gitter wird auch als Hauptgitter bezeichnet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bodenkontakteinheit eine erste Potentiallage, eine zweite Potentiallage und eine dritte Potentiallage auf. Die Kontaktbereiche, die der ersten Potentiallage zugeordnet sind, bilden erste Kontaktbereiche, die Kontaktbereiche, die der zweiten Potentiallage zugeordnet sind, bilden zweite Kontaktbereiche und die Kontaktbereiche, die der dritten Potentiallage zugeordnet sind, bilden dritte Kontaktbereiche. Die ersten Kontaktbereiche sind in einem ersten Untergitter in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters, die zweiten Kontaktbereiche sind in einem zweiten Untergitter in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters und die dritten Kontaktbereiche sind in einem dritten Untergitter in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters angeordnet. Das erste Untergitter, das zweite Untergitter und das dritte Untergitter sind dabei ineinander verschachtelt, und in Richtung zumindest einer der Basisvektoren des durch die Kontaktbereiche gebildeten Hauptgitters treten die ersten Kontaktbereiche, die zweiten Kontaktbereiche und die dritten Kontaktbereiche im Wechsel auf. Auf diese Weise lässt sich eine hochfunktionale Bodenkontakteinheit mit Kontaktbereichen realisieren, die auf verschiedene Potentiale geschaltet werden können. Durch die Anordnung im Gitter ist es außerdem die Lage der Kontaktbereiche mit verschiedenen Potentialen zueinander stets bekannt und festgelegt, sodass auch ein Teilbereich der Ladefläche verschiedene Kontaktbereiche mit den verschiedenen Potentialen aufweist.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Schaltung eines Kontaktbereiches einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit auf ein gewünschtes Potential, mit den folgenden Schritten:

a) Anlegen einer vorbestimmten Spannung mit einer vorbestimmten Polarität an den Schaltleitungen, an denen die dem zu schaltenden Kontaktbereich zugeordnete Schalteinheit anliegt, wodurch die Schalteinheit betätigt wird, sodass der Kontaktbereich mit der dem Kontaktbereich zugeordneten wenigstens einen Potentiallage elektrisch verbunden wird, und
b) Anlegen des gewünschten Potentials an der dem zu schaltenden Kontaktbereich zugeordneten wenigstens einen Potentiallage, insbesondere über einen Haupttrennschalter oder einen Trennschalter, der im Grundkörper angeordnet ist und/oder der dem Kontaktbereich vorgeschaltet ist.

Auf diese Weise kann sehr einfach und effizient das Potential eines Kontaktbereiches auf das gewünschte Potential gebracht werden. Die vorbestimmte Spannung ist dabei diejenige Spannung, die zur Betätigung der Schalteinheit nötig ist.
Der Haupttrennschalter und/oder der Trennschalter ist zum Beispiel ein Ladeschütz.
Beispielsweise wird an die Schaltleitung einer der Gruppen eine positive Spannung, insbesondere +12V oder +6V, und an die Schaltleitung der anderen Gruppe eine negative Spannung, insbesondere -12V oder -6V, angelegt, wodurch ein definierter Spannungsabfall an insbesondere genau einer Schalteinheit erzeugt wird.
Zur Kontrolle des Schaltzustands mehrerer Schalteinheiten und/oder des Potentials mehrerer Kontaktbereiche, kann an der Kontrollleitung eine Spannung bestimmt werden, wobei anhand der Größe der Spannung auf die Anzahl an geschalteten und/oder nicht geschalteten Kontaktbereichen geschlossen werden kann.
In einer Ausführungsvariante wird der Strom, der über eine der Schaltleitungen, an die die Spannung angelegt wurde, so begrenzt, dass nur eine bestimmte Anzahl an Schalteinheiten über diese Schaltleitung geschaltet werden können. Auf diese Weise lassen sich unbeabsichtigte Fehlschaltungen verhindern.
Ferner kann die Aufgabe gelöst werden durch ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung einer Bodenkontakteinheit und einer Fahrzeugkontakteinheit, mit der Bodenkontakteinheit und einem elektrischen Hauptanschluss für eine Stromquelle oder ein Stromnetz,
wobei die Bodenkontakteinheit einen plattenförmigen Grundkörper, mehrere Potentiallagen und mehrere Kontaktbereiche aufweist, die auf einer freiliegenden Ladefläche des Grundkörpers, an der die Fahrzeugkontakteinheit zur Anlage kommen kann, angeordnet und wenigstens einer Potentiallage zugeordnet sind,
wobei das Fahrzeugbatterieladesystem einen Haupttrennschalter, zum Beispiel ein Hauptladeschütz, und mehrere Trennschalter, zum Beispiel Ladeschütze oder Relais, aufweist, wobei der Haupttrennschalter dazu eingerichtet ist, mehrere, insbesondere alle Potentiallagen vom Hauptanschluss galvanisch zu trennen,
wobei jedem der mehreren Trennschalter je eine der mehreren Potentiallagen zugeordnet ist und die Trennschalter dazu eingerichtet sind, die ihnen zugeordnete Potentiallage vom Hauptanschluss galvanisch zu trennen. Auf diese Weise ist eine doppelte galvanische Trennung der Kontaktflächen möglichen - durch den Haupttrennschalter bzw. Hauptlageschütz und die mehreren Trennschalter bzw. Ladeschütze - und zugleich können die Potentiallagen über die jeweiligen Trennschalter gezielt auf das gewünschte Potential gelegt werden. Durch diese Doppelfunktion der mehreren Trennschalter können Bauteile eingespart werden. Zudem müssen die Schalteinheiten der Kontaktbereiche nicht im bestromten Zustand schaltbar sein.
In einer Ausführungsvariante sind die mehreren Trennschalter dazu ausgebildet, die ihnen zugeordnete Potentiallage wahlweise mit einem von wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei Bodenanschlüssen zu verbinden. Dadurch kann das elektrische Potential der entsprechenden Potentiallage gezielt gewählt werden.
Beispielsweise hat das Fahrzeugbatterieladesystem einen Schaltschrank, der den Hauptanschluss, den Haupttrennschalter (z.B. den Hauptladeschütz) und/oder die mehreren Trennschalter (z.B. die Ladeschütze) aufweist. Dadurch lässt sich die Bodenkontakteinheit kostengünstig ohne viele Bauteile ausführen.
Der Haupttrennschalter und/oder die mehreren Trennschalter können auch in der Bodenkontakteinheit vorgesehen sein. Zum Beispiel ist der Haupttrennschalter im Schaltschrank und die mehreren Trennschalter sind in der Bodenkontakteinheit vorgesehen. Auf diese Weise kann das Fahrzeugladesystem an verschiedene Situationen mit unterschiedlichem Platzangebot angepasst werden.
Selbstverständlich können alle Merkmale der zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit auch im Fahrzeugbatterieladesystem vorgesehen sein und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 schematisch ein Fahrzeugkoppelsystem mit einer Fahrzeugkontakteinheit und einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit,
- 2a eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit,
- 2b eine vereinfachte Schnittansicht eines Teils der Bodenkontakteinheit nach 2a,
- 3 schematisch die Anordnung der verschiedenen Kontaktbereiche der Bodenkontakteinheit nach 2a,
- 4 einen Ersatzschaltplan für eine elektrische Anordnung eines Kontaktbereiches der Bodenkontakteinheit gemäß 2a,
- 5 einen Ersatzschaltplan für die elektrische Anordnung von vier Kontaktbereichen der Bodenkontakteinheit gemäß 2a,
- 6 eine vereinfachte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit,
- 7 eine Draufsicht auf einen Teil der Bodenkontakteinheit nach 2a mit einer angedeuteten Fahrzeugkontakteinheit,
- 8 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit mit einer angedeuteten Fahrzeugkontakteinheit,
- 9 eine Draufsicht auf einen Teil einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit mit einer angedeuteten Fahrzeugkontakteinheit,
- 10 einen Teil eines Ersatzschaltplans der Bodenkontakteinheit nach 9,
- 11 einen schematischen Aufbau des bodenseitigen Teils eines erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterieladesystems,
- 12 einen Ersatzschaltplan für die elektrische Anordnung von zwei Kontrollleitungen der Bodenkontakteinheit gemäß 2a, und
- 13 einen Ersatzschaltplan für eine elektrische Anordnung eines Kontaktbereiches der Bodenkontakteinheit einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In 1 ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, beispielsweise ein batteriebetriebenes Fahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug, das auf oder über einer Bodenkontakteinheit 12 zum Laden der Batterie abgestellt ist.
Am Unterboden des Fahrzeugs 10 ist eine Fahrzeugverbindungsvorrichtung mit einer Fahrzeugkontakteinheit 14 befestigt, die das Fahrzeug 10 mit der Bodenkontakteinheit 12 elektrisch verbinden kann.
Die Bodenkontakteinheit 12 und die Fahrzeugverbindungsvorrichtung 14 sind Teil eines automatischen Fahrzeugkoppelsystems 15, das wiederum Teil eines Fahrzeugbatterieladesystems ist.
In 2 ist die Bodenkontakteinheit 12 in Draufsicht dargestellt.
Die Bodenkontakteinheit 12 weist einen plattenförmigen Grundkörper 16 auf, auf dessen Oberseite eine Ladefläche 18 vorgesehen ist.
Die Ladefläche 18 liegt frei auf der Oberseite der Bodenkontakteinheit 12, d. h. der dem Fahrzeug 10 und der Fahrzeugkontakteinheit 14 zugewandten Seite.
In der Ladefläche 18 sind mehrere verschiedene Kontaktbereiche 20 vorgesehen, die jeweils wenigstens eine Kontaktfläche aufweisen.
Die Kontaktbereiche 20 sind jeweils geschlossene Flächen mit einer sechseckigen, insbesondere regelmäßigen sechseckigen Kontur. Gegebenenfalls können die Ecken des Sechsecks einen Radius aufweisen.
Die Kontaktbereiche 20 und/oder die Kontaktflächen können in einer Ebene liegen, beispielsweise ist die Ladefläche 18 diese Ebene.
Die Kontaktbereiche 20 sind in einem Hauptmuster angeordnet. Das Hauptmuster ist in der gezeigten Ausführungsform ein zweidimensionales Bravais-Gitter, genauer gesagt ein hexagonales Gitter. Das Hauptmuster ist somit ein Hauptgitter G_H mit zwei Basisvektoren h₁ , h₂ mit der gleichen Länge, die einen Winkel von 120° miteinander einschließen.
Das Hauptmuster bzw. das Hauptgitter G_H erstreckt sich über die gesamte Ladefläche 18.
Außerdem hat die Bodenkontakteinheit 12 mehrere, im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Bodenanschlüsse 22, nämlich einen ersten Bodenanschluss 22.1, einen zweiten Bodenanschluss 22.2 und einen dritten Bodenanschluss 22.3, die über einen Hauptanschluss 23 mit entsprechenden Anschlüssen des örtlichen Stromnetzes (nicht gezeigt) am Ort der Bodenkontakteinheit 12 verbunden sind. Jeder der Bodenanschlüsse 22 stellt ein anderes elektrischen Potential bereit.
In der Bodenkontakteinheit 12 ist für jedes Potential der Bodenanschlüsse 22 wenigstens eine Potentiallage 24 vorgesehen, wie in 2b dargestellt ist. Es ist im gezeigten Ausführungsbeispiel also eine erste Potentiallage 24.1, eine zweite Potentiallage 24.2 und eine dritte Potentiallage 24.3 vorhanden.
Zum Beispiel sind jedoch drei Potentiallagen 24 vorhanden, wobei auch andere Anzahlen an Potentiallagen 24 möglich sind. Die Potentiallagen 24 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durchgehende bzw. vollflächige Lagen in der Bodenkontakteinheit 12 aus einem leitenden Material. Die Potentiallagen 24 erstrecken sich zumindest im gesamten Bereich der Ladefläche 18. Die unterschiedlichen Potentiallagen 24 sind gegeneinander isoliert.
Zum Beispiel sind die Potentiallagen 24 leitende Schichten einer Leiterplatte.
Selbstverständlich müssen die Potentiallagen 24 keine vollständigen bzw. flächigen Lagen sein. Des Weiteren können die Potentiallagen 24 auch aus einer entsprechenden Verkabelung bestehen.
Zum Beispiel ist der erste Bodenanschluss 22.1 über den Hauptanschluss 23 mit der Phase bzw. einem Außenleiter des örtlichen Stromnetzes elektrisch verbunden, der zweite Bodenanschluss 22.2 ist über den Hauptanschluss 23 mit einem Neutralleiter des örtlichen Stromnetzes elektrisch verbunden und der dritte Bodenanschluss 22.3 ist über den Hauptanschluss 23 mit einem Schutzleiter des örtlichen Stromnetzes elektrisch verbunden.
Dementsprechend können die den Bodenanschlüssen 22.1, 22.2 und 22.3 zugeordneten Potentiallagen 24.1, 24.2 bzw. 24.3 auf das Potential des Außenleiters, des Neutralleiters bzw. des Schutzleiters (Erdpotential; PE) gelegt werden. Die dritte Potentiallage 24.3 wird daher auch PE-Lage genannt.
Um die Bodenanschlüsse 22 mit der entsprechenden Potentiallage 24 elektrisch zu verbinden, ist für jede der Potentiallagen 24 jeweils ein Trennschalter 27 (11), zum Beispiel ein Ladeschütz oder ein Relais vorgesehen. Auf den Trennschalter 27 kann im Falle der PE-Lage verzichtet werden.
Die Trennschalter 27 können im Grundkörper 16 vorgesehen sein und den Kontaktbereichen 20 vorgeschaltet sein d. h. zwischen den Bodenanschlüssen 22 bzw. dem Hauptanschluss 23 und den Kontaktbereichen 20 bzw. den Schalteinheiten 26 angeordnet sein.
Denkbar ist auch, dass die Trennschalter 27 in einem Schaltschrank 70 des Fahrzeugbatterieladesystems außerhalb der Bodenkontakteinheit 12 vorgesehen sind.
Die Trennschalter 27 können die ihnen zugeordnete Potentiallage 24 beispielsweise von dem der Potentiallage 24 zugeordneten Bodenanschluss 22 trennen bzw. mit dem PE-Anschluss der Bodenanschlüsse 22 verbinden.
Möglich ist es auch, dass die Trennschalter 27 die ihnen zugeordnete Potentiallage 24 mit einem von drei (oder mehr) der Bodenanschlüssen 22 verbinden kann, um das elektrische Potential der Potentiallagen 24 variieren zu können. Dies ist in 11 durch die gestrichelten Leitungen angedeutet.
In einer alternative Ausführungsform sind keine Trennschalter 27 vorgesehen, da die Kontaktbereiche 20 auch mittels der Schalteinheiten 26 von dem der entsprechenden Potentiallage 24 zugeordneten Bodenanschluss 22 getrennt werden können. Hierzu werden die Kontaktbereiche 20 mit dem PE-Anschluss der Bodenanschlüsse 22 verbunden.
Außerdem ist ein Haupttrennschalter 29 vorgesehen, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Hauptladeschütz ausgeführt ist. Der Haupttrennschalter 29 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel im Schaltschrank 70 vorgesehen.
Selbstverständlich können sowohl als Haupttrennschalter 29 als auch als Trennschalter 27 andere Schalter als Ladeschütze zum Einsatz kommen, beispielsweise Relais.
Der Haupttrennschalter 29 ist zwischen dem Hauptanschluss 23 und den Trennschaltern 27 vorgesehen.
Im Fall von Gleichstromladen sind der erste und der zweite Bodenanschluss 22.1, 22.2 mit dem Plus- bzw. Minuspol einer Gleichstromquelle zum Laden verbunden.
Jeder der Kontaktbereiche 20 ist mit einer der Potentiallagen 24 verbunden oder verbindbar. Die elektrische Verbindung kann permanent sein aber auch schaltbar. Bei schaltbaren Kontaktbereichen 20 kann die elektrische Verbindung zwischen zwei Potentiallagen 24 hin und her geschaltet werden oder die elektrische Verbindung zu einer Potentiallage kann unterbrochen werden.
Jedem Kontaktbereich 20 ist eine Potentiallage 24 zugeordnet, mit der der Kontaktbereich 20 elektrisch verbunden wird bzw. ist, wenn dieser Kontaktbereich 20 von der Fahrzeugkontakteinheit 14 kontaktiert wird.
Zum Beispiel sind zwei Drittel der Kontaktbereiche 20 schaltbar und das andere Drittel der Kontaktbereiche 20 ist nicht schaltbar.
In der ersten Ausführungsform sind drei verschiedene Arten von Kontaktbereichen 20 vorgesehen, wobei die ersten Kontaktbereiche 20.1 der ersten Potentiallage 24.1, die zweiten Kontaktbereiche 20.2 der zweiten Potentiallage 24.2 und die dritten Kontaktbereiche 20.3 der dritten Potentiallage 24.3 zugeordnet sind.
Die ersten Kontaktbereiche 20.1 und die zweiten Kontaktbereiche 20.2 sind schaltbar. Sie können mittels der in 4 gezeigten Anordnung schaltbar mit der ersten Potentiallage 24.1 bzw. zweiten Potentiallage 24.2 verbindbar sein.
Die dritten Kontaktbereiche 20.2 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel permanent mit der dritten Potentiallage 24.3, also der PE-Lage elektrisch verbunden. Die dritten Kontaktbereiche 20.3 stellen somit PE-Kontaktbereiche 25 dar.
In 3 ist das Hauptgitter G_H aus den Kontaktbereichen 20 bzw. 20.1, 20.2, 20.3 ausschnittsweise dargestellt. Zur Vereinfachung sind die Kontaktbereiche 20 als Kreise dargestellt.
Die ersten Kontaktbereiche 20.1, die zweiten Kontaktbereiche 20.2 und die dritten Kontaktbereiche 20.3 bzw. PE-Kontaktbereiche 25 sind jeweils in einem eigenen Untermuster, hier jeweils in Form eines zweidimensionalen Bravais-Gitters, also einem Untergitter, angeordnet.
Die ersten Kontaktbereiche 20.1 sind in einem ersten Untergitter G_U1 mit den Basisvektoren u_1,1 , u_1,2 angeordnet. Auch das erste Untergitter G_U1 ist ein hexagonales Gitter, sodass die beiden Basisvektoren u_1,1 und u_1,2 den gleichen Betrag haben und einen Winkel von 120° miteinander einschließen.
Gleichermaßen sind die zweiten Kontaktbereiche 20.2 in einem zweiten Untergitter G_U2 mit den Basisvektoren u_2,1 , u_2,2 angeordnet, die ebenfalls den gleichen Betrag haben und einen Winkel von 120° einschließen.
Auch die dritten Kontaktbereiche 20.3 bzw. PE- Kontaktbereiche 25 liegen auf einem hexagonalen, dritten Untergitter G_U3 mit den gleich langen Basisvektoren u_3,1 , u_3,2 , die einen Winkel von 120° einschließen.
Die drei Untergitter G_U1 , G_U2 , G_U3 sind ineinander verschachtelt angeordnet, sodass die drei verschiedenen Kontaktbereiche 20.1, 20.2, 20.3 bzw. 25 entlang der Richtung einer der Basisvektoren h₁ , h₂ des Hauptgitters G_H im durchlaufenden Wechsel auftreten.
In anderen Worten sind die zu einem beliebigen betrachteten Kontaktbereich 20.1, 20.2, 20.3 bzw. 25 am nächsten benachbarten Kontaktbereiche 20.1, 20.2, 20.3 bzw. 25 immer von einem anderen Typ als es der betrachtete Kontaktbereich 20.1, 20.2, 20.3 bzw. 25 selbst ist.
Die Kontaktbereiche 20.1, 20.2, 20.3 bzw. 25 bzw. die Kontaktflächen sind somit drehsymmetrisch um eine Drehachse senkrecht zur Ladefläche 18 angeordnet. Auch kann die gesamte Bodenkontakteinheit 12 drehsymmetrisch ausgeführt sein, d.h. wenigstens die sichtbaren und zur Verbindung mit der Fahrzeugkontakteinheit 14 benötigen Teile sind drehsymmetrisch angeordnet.
In 4 ist ein Ausschnitt aus einem Ersatzschaltplan der Bodenkontakteinheit 12 dargestellt, der eine elektrische Anordnung für einen schaltbaren Kontaktbereich 20 zeigt.
Mithilfe der elektrischen Anordnung kann der schaltbare Kontaktbereiche 20, mit verschiedenen Potentiallagen 24 verbunden werden.
Der Kontaktbereich 20 liegt in der Mitte der 4 und die dem Kontaktbereich 20 zugeordnete Potentiallage 24 ist als oberste Leitung in 4 dargestellt.
Zudem ist für jeden schaltbaren Kontaktbereich 20 eine Schalteinheit 26, eine Kontrollleitung 28 sowie eine Erdung 30 vorgesehen.
Die Erdung 30 kann als permanente Verbindung zu einer Potentiallage 24 ausgebildet sein, die auf Erdpotential liegt, also zur PE-Lage.
Die Schalteinheit 26 weist ein Betätigungselement 32 und ein Schaltelement 34 auf und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als elektromechanischer Schalter, hier als Relais ausgeführt mit einem Relaisschalter als Schaltelement 34 und einer Relaisspule als Betätigungselement 32.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 34 ein Doppelschalter 36 mit einem ersten Schalter 38 und einem zweiten Schalter 40.
Sowohl der erste Schalter 38 als auch der zweite Schalter 40 bilden jeweils einen Wechselkontakt, der stets mit dem Kontaktbereich 20 verbunden ist.
Der erste, in der 4 oben dargestellte erste Schalter 38 kann den Kontaktbereich 20 entweder mit der Kontrollleitung 28 oder mit der Potentiallage 24 elektrisch verbinden.
Der unten dargestellte zweite Schalter 40 kann den Kontaktbereich 20 entweder mit der Erdung 30 oder mit der Potentiallage 24 verbinden.
Der Doppelschalter 36 kann vom Betätigungselement 32 betätigt werden, wobei gleichzeitig der erste Schalter 38 und der zweite Schalter 40 betätigt werden.
Der erste Schalter 38 und der zweite Schalter 40, d. h. der Doppelschalter 36 sind dabei so ausgeführt, dass durch sie entweder der Kontaktbereich 20 mit der Erdung 30 und der Kontrollleitung 28 elektrisch verbunden ist oder dass der Kontaktbereich 20 nur mit der Potentiallage 24 elektrisch verbunden ist.
In anderen Worten sind die Schalter 38 und 40 bzw. der Doppelschalter 36 zwangsgeführt.
Mittels der Schalteinheit 26 kann also der Kontaktbereich 20 mit der zugeordneten Potentiallage 24 elektrisch verbunden werden oder von der Potentiallage 24 getrennt, d. h. unterbrochen werden.
Zur elektrischen Betätigung bzw. Schaltung der Schalteinheit 26 ist ein Stromkreis 42 vorgesehen, der eine in 4 vertikal (d.h. von oben nach unten) verlaufende erste Schaltleitung 44 und eine in 4 horizontal (d.h. von links nach rechts) verlaufende zweite Schaltleitung 46 hat.
Die erste Schaltleitung 44 und die zweite Schaltleitung 46 können getrennt voneinander über entsprechende elektrische Ansteuerschalter 52 mit Strom bzw. Spannung beaufschlagt werden. Die elektrischen Ansteuerschalter 52 werden beispielsweise von einer Steuereinheit 54 der Bodenkontakteinheit 12 betätigt.
Sowohl die erste Schaltleitung 44 als auch die zweite Schaltleitung 46 sind mit der Schalteinheit 26, genauer gesagt dem Betätigungselement 32 verbunden.
Hierzu weist die Schalteinheit 26 bzw. das Betätigungselement 32 zwei Schaltkontakte 48 auf. Einer der beiden Schaltkontakte 48 ist über jeweils eine Diode 50, 51 mit beiden Schaltleitungen 44, 46 elektrisch verbunden. Die Kathoden der Dioden 50, 51 sind dabei zum Beispiel dem Betätigungselement 32 zugewandt.
Die Diode 50 zwischen dem Schaltkontakt 48 und der Schaltleitung 44 hat eine Schaltfunktion, wohingegen die Diode 51 zwischen dem Schaltkontakt 48 und der Schaltleitung 46 eine Schutzdiode ist, die das Betätigungselement 32 vor Überspannung beim Ausschalten schützt.
Der andere Schaltkontakt 48 ist nur mit einer, im gezeigten Ausführungsbeispiel der zweiten Schaltleitung 46 elektrisch verbunden.
Der Doppelschalter 36 ist in unbetätigtem Zustand der Schalteinheit 26, also wenn keine Spannung zwischen den Schaltkontakten 48 anliegt, in der in 4 dargestellten Stellung, d. h., dass der Kontaktbereich 20 mit der Erdung 30 und der Kontrollleitung 28 elektrisch verbunden ist.
Um die Schalteinheit 26 zu schalten und damit den Kontaktbereich 20 mit der zugeordneten Potentiallage 24 elektrisch zu verbinden, muss eine Spannung über die Schaltkontakte 48 erzeugt werden, beispielsweise von 24 V oder 12 V.
Hierzu wird beispielsweise eine positive Spannung an die erste Schaltleitung 44, beispielsweise von +12 V oder +6 V und eine negative Spannung an die zweite Schaltleitung 46, beispielsweise von -12 V oder -6 V angelegt.
Dadurch, dass die Diode 50 der ersten Schaltleitung 44 nun in Schaltrichtung mit Spannung beaufschlagt wird, liegt eine Spannung von 24 V bzw. 12 V zwischen den Schaltkontakten 48 und damit am Betätigungselement 32 an, wodurch das Schaltelement 34 also der Doppelschalter 36 umgelegt wird.
Wird nur eine der Schaltleitungen 44, 46 mit einer Spannung beaufschlagt oder mit verkehrter Polarität mit Spannung beaufschlagt, entsteht aufgrund der Diode 50 keine Potentialdifferenz bzw. Spannung an den Schaltkontakten 48 und dem Betätigungselement 32, sodass der Doppelschalter 36 in seine Ausgangsstellung zurückfällt wird.
Der Schaltzustand der Schalteinheit 26 hängt somit vom Signalzustand an den Schaltleitungen 44, 46 ab, d.h. ob und mit welcher Polarität eine Spannung an den Schaltleitungen 44, 46 anliegt.
Die Kontaktbereiche 20 können somit mit der ihnen zugeordneten Potentiallage 24 elektrisch verbunden und dadurch aktiviert werden.
Die in 4 gezeigte Anordnung wird für alle schaltbaren Kontaktbereiche 20 verwendet, also zum Beispiel für die ersten Kontaktbereiche 20.1 und die zweiten Kontaktbereiche 20.2.
In 5 ist ein Ersatzschaltplan für sechs benachbarte Kontaktbereiche 20 dargestellt.
Die dargestellten Kontaktbereiche 20 sind in 3 beispielhaft mit einer gepunkteten Linie umschlossen. Es sind somit zwei erste Kontaktbereiche 20.1, zwei zweite Kontaktbereiche 20.2 und zwei dritte Kontaktbereiche 20.3 bzw. PE-Kontaktbereiche 25 dargestellt.
Gut zu erkennen ist, dass die ersten und zweiten Kontaktbereiche 20.1, 20.2 schaltbare Kontaktbereiche 20 sind.
Selbstverständlich sind anstelle der allgemeinen Potentiallage 24 der 3 nun zwei Potentiallagen 24, genauer gesagt die erste Potentiallage 24.1 und die zweite Potentiallage 24.2 dargestellt.
Die dritte Potentiallage 24.3 bzw. PE-Potentiallage ist nicht durchgängig dargestellt, sondern eine elektrische Verbindung zu ihr ist als Erdungssymbol angedeutet.
Jeder der schaltbaren Kontaktbereiche 20.1, 20.2 weist eine ihm zugeordnete Schalteinheit 26 auf.
Die ersten Kontaktbereiche 20.1 können über die ihnen zugeordnete Schalteinheit 26 mit der ersten Potentiallage 24.1 und die zweiten Kontaktbereiche 20.2 können über die ihnen zugeordnete Schalteinheit 26 mit der zweiten Potentiallage 24.2 elektrisch verbunden werden.
In 5 ist gut zu erkennen, dass die schaltbaren Kontaktbereiche 20.1 und 20.2 im Hinblick auf ihre Verkabelung des Stromkreises 42 in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
In 5 sind beispielsweise die Spalten (n) und (n+1) und die Zeilen (m) und (m+1) teilweise dargestellt. Der in 5 oben rechts dargestellte Kontaktbereich 20.1 liegt z. B. in Spalte (n+1) und Zeile (m).
Jede Zeile und Spalte hat genau eine Schaltleitung 44, 46. In anderen Worten wird jede Spalte bzw. Zeile durch die entsprechende Schaltleitung 44, 46 definiert.
Beispielsweise wird jede Spalte durch eine vertikale erste Schaltleitung 44 und jede Zeile durch eine horizontal verlaufende zweite Schaltleitung 46 gebildet.
Die ersten Schaltleitungen 44 gehören somit zu einer ersten Gruppe Schaltleitungen, die die Spalten darstellt, und die zweiten Schaltleitungen 46 gehören zu einer zweiten Gruppe Schaltleitungen, die die Zeilen darstellt.
In 5 sind folglich die (n)-te und (n+1)-te erste Schaltleitung 46 sowie die (m)-te und (m+1)-te zweite Schaltleitung 46 gezeigt.
Die (n)-te erste Schaltleitung 44 ist mit den Schalteinheiten 26, genauer gesagt den Betätigungselementen 32 verbunden, die den Kontaktbereichen 20 der (n)-ten Spalte zugeordnet sind und diese schalten. Gleiches gilt für die (n+1)-te erste Schaltleitung 44.
In ähnlicher Weise ist die (m)-te zweite Schaltleitung 46 mit den Schalteinheiten 26, genauer gesagt den Betätigungselementen 32 zu den Kontaktbereichen 20 der (m)-ten Spalte elektrisch verbunden. Gleiches gilt für die (m+1)-te zweite Schaltleitung 46.
Zur Veranschaulichung ist in 6 eine Bodenkontakteinheit 12 einer anderen, vereinfachten Ausführungsform dargestellt, in denen die Kontaktbereiche 20 bzw. die Kontaktflächen quadratisch sind und in einem quadratischen Bravais-Gitter angeordnet sind.
Die ersten Schaltleitungen 44 und zweiten Schaltleitungen 46 sind durch gestrichelte bzw. strichpunktierte Linien angedeutet. In dieser Ausführungsform entspricht die physikalisch geometrische Anordnung der schaltbaren Kontaktbereiche 20 auch der elektrischen Anordnung der schaltbaren Kontaktbereiche 20, wodurch die Einteilung der Kontaktbereiche in Zeilen und Spalten deutlicher zum Vorschein kommt.
In dieser vereinfachten Ausführungsform verlaufen die ersten Schaltleitungen 44 parallel zueinander, jedoch senkrecht zu den zweiten Schaltleitungen 46, die ebenfalls parallel zueinander verlaufen.
Die Schaltleitungen 44, 46 bilden somit ein Gitter, wobei jedem Kreuzungspunkt eine Schalteinheit 26 bzw. ein schaltbarer Kontaktbereich 20 zugeordnet ist.
Somit ist jedem schaltbaren Kontaktbereich 20 bzw. seiner Schalteinheit 26 genau eine Kombination von ersten Schaltleitungen 44 und zweiten Schaltleitungen 46 zugeordnet, mittels der die Schalteinheit 26 geschaltet werden kann.
Von einer beliebigen Schalteinheit 26 unterscheidet sich eine andere Schalteinheit 26 dadurch, dass zumindest eine andere erste oder zweite Schaltleitung 44, 46 mit dieser elektrisch verbunden ist.
Insbesondere ist für jede Schalteinheit 26 nur eine Schaltleitung 44 bzw. 46 pro Gruppe vorgesehen.
Um beispielsweise in der ersten Ausführungsform nach 5 nun den Kontaktbereich 20.1 in Spalte (n+1) und Zeile (m) mit der Potentiallage 24.1 zu verbinden wird, wie bereits zu 4 beschrieben, eine positive Spannung an der (n+1)-ten ersten Schaltleitung 44 und eine negative Spannung an der (n)-ten zweiten Schaltleitung 46 angelegt. Die übrigen ersten und zweiten Schaltleitungen 44, 46 bleiben ohne Strom bzw. Spannung.
Soll zusätzlich auch der schaltbare Kontaktbereich 20.2 der (n+1)-ten Spalte und (m+1)-ten Zeile mit der ihm zugeordneten Potentiallage 24.2 elektrisch verbunden werden, wird zusätzlich an die (m+1)-te zweite Schaltleitung 46 eine negative Spannung angelegt.
Somit liegt an einer der Schaltleitungen 44 der ersten Gruppe an Schaltleitungen eine positive und an zwei zweiten Schaltleitungen 46 der zweiten Gruppe eine negative Spannung an. Dadurch werden die Schalteinheiten 26, die den Kontaktbereichen 20 der Spalte (n+1) und den Zeilen (m) und (m+1) zugeordnet sind, betätigt und die Kontaktbereiche 20.1 und 20.2 mit den ihnen zugeordneten Potentiallagen 24.1 bzw. 24.2 elektrisch verbunden.
Gleichzeitig wird der Strom über die erste Schaltleitung 44 der (n+1)-ten Spalte begrenzt, um zu verhindern, dass wesentlich mehr als zwei Schalteinheiten 26 betätigt werden.
Der Strom wird dazu auf einen Wert begrenzt, der dafür ausreichend ist, etwa zwei Schalteinheiten 26 zu betätigen. Zwar können in diesem Falle ein oder zwei Schalteinheiten 26 zu viel gleichzeitig schalten, allerdings kann durch die Strombegrenzung verhindert werden, dass wesentlich mehr, wie 10 oder 30 Schalteinheiten 26 zu viel geschaltet werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für jede Zeile eine Kontrollleitung 28 vorgesehen, die sich ggf. verzweigt, um durch den Doppelschalter 36 kontaktiert zu werden.
An jeder Kontrollleitung 28 ist eine Spannungsquelle 62 für jede Zeile vorgesehen.
Zur Überprüfung, ob alle schaltbaren Kontaktbereiche 20 der entsprechenden Zeile auf dem Erdpotential liegen, d. h. nicht aktiviert sind, wird die Spannung zwischen der Kontrollleitung 28 und dem Erdpotential bzw. dem PE-Potential gemessen.
Die gemessene Spannung ist abhängig davon, an wie vielen Stellen die Kontrollleitung 28 mit der Erdung 30 verbunden ist, sodass überprüft werden kann, ob alle Schalteinheiten 26 in ihrem unbetätigten Zustand sind.
Als Beispiel zeigt 12 hierzu ein Ersatzschaltbild, in dem die Kontrollleitung 28 für zwei Kontaktbereiche 20 einer Zeile dargestellt ist. Durch die Schalteinheiten 26 wird ein variabler Spannungsteiler mit mehreren Armen realisiert, der die von der Spannungsquelle 62 erzeugte Spannung teilt. Jede Schalteinheit 26 stellt einen Arm dar.
Ein Spannungsmesser 63 misst die Spannung zum Erdpotential über einen Arm des Spannungsteilers. Je mehr Schalteinheiten 26 die Kontrollleitung 28 mit der jeweiligen Erdung 30 verbinden, desto geringer ist die vom Spannungsmesser 63 gemessene Spannung. Anhand des Messwertes der Spannung kann die Anzahl an unbetätigten Schalteinheiten 26 - und damit auch an betätigten Schalteinheiten 26 - bestimmt werden.
Auf diese Weise können Schalteinheiten 26 erkannt werden, die im betätigten Zustand hängengeblieben sind. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Schalteinheit 26 betätigt wurde, während ein hohes Potential auf der entsprechenden Potentiallage 24 angelegt war. Dann kann beim Schaltvorgang ein Lichtbogen entstanden sein, der das Schaltelement 34 an der entsprechenden Gegenstelle verschweißt hat. Insbesondere zwangsgeführte Schaltelemente 34 lassen sich so mit hoher Sicherheit überwachen.
Denkbar ist auch, dass ein Multiplexer 72 verwendet wird, um die Spannung zwischen einer der Kontrollleitungen 28 und dem Erdpotential einzeln im zeitlichen Wechsel zu messen. Ein Multiplexer ist in 12 gepunktet angedeutet.
In 7 ist ein Teil der Ladefläche 18 der Bodenkontakteinheit 12 gemäß der ersten Ausführungsform der 2 und 4 vergrößert dargestellt, wobei die ersten Schaltleitungen 44 und die zweiten Schaltleitungen 46 zusätzlich eingezeichnet sind.
Außerdem ist ein Kontaktbereich der Fahrzeugkontakteinheit 14 durch einen Kreis angedeutet, der die von der Fahrzeugkontakteinheit 14 kontaktierten Kontaktbereiche 20 einkreist.
Um den zentralen PE-Kontaktbereich 20 herum sind sechs schaltbare Kontaktbereiche 20 vorgesehen. Diese werden auch als erster Ring bezeichnet.
Denkbar ist, dass für diese sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 sechs Potentiallagen 24 vorgesehen sind, wobei jeder dieser sechs Kontaktbereiche 20 je eine Potentiallage 24 zugeordnet ist.
Denkbar ist ebenfalls, dass für diese sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 zwei Potentiallagen 24 vorgesehen sind. Diese können zum Laden mit Gleichstrom mit einem positiven bzw. negativen Potential beaufschlagt werden. Im Fall von Wechselstrom können die Potentiallagen den Neutralleiter und die Phase darstellen.
Auch ist es denkbar, dass für diese sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 vier Potentiallagen 24 vorgesehen sind, nämlich drei Potentiallagen für die Phasen und eine für den Neutralleiter beim Wechselstromladen.
Auch ist es denkbar, dass für diese sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 sechs Potentiallagen 24 vorgesehen sind, nämlich drei Potentiallagen für die Phasen und drei Potentiallagen für den Neutralleiter beim Wechselstromladen.
Die PE-Lage 25 stellt dabei eine siebte Potentiallage dar.
In diesem Fall ergeben sich sieben Untergitter, da die Untergitter G_U1 und G_U2 dann in jeweils drei Untergitter zerfallen. Diese Untergitter haben Basisvektoren, die einen Winkel von z.B. 120° einschließen. Ein Paar solcher Basisvektoren u'₁ und u'₂ ist in 3 gestrichelt angedeutet.
Denkbar ist, dass für diese sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 drei Potentiallagen 24 vorgesehen sind, die die drei Phasen für eine Ladung mit Wechselstrom darstellen.
Wie auch in der vereinfachten Ausführungsform nach 6 gibt es in der ersten Ausführungsform eine Gruppe von ersten Schaltleitungen 44, die in 7 vertikal verläuft und eine zweite Gruppe von zweiten Schaltleitungen 46, die in 7 horizontal verläuft.
Aufgrund der hexagonalen Form der Kontaktbereiche 20 bzw. Kontaktflächen verlaufen die Spalten nicht in einer Geraden, sondern im Zickzack. Die Richtung der Spalten ist jedoch trotzdem im Wesentlichen vertikal und bildet einen Winkel von beispielsweise 90° mit den Zeilen.
Die ersten Schaltleitungen 44 der ersten Gruppe verbinden somit leicht versetzt zueinander angeordnete Kontaktbereiche 20 bzw. deren Schalteinheiten 26 miteinander, sodass davon gesprochen wird, dass auch die ersten Schaltleitungen 44 im Zickzack verlaufen.
In 7 ist ebenfalls gut zu erkennen, dass die Spalten so verlaufen, dass keine PE-Kontaktbereiche 25 in den Spalten liegen.
In dem in 7 gezeigten Beispiel liegen ein PE-Kontaktbereich 25 und die Kontaktbereiche 20 der Spalten (n) und (n+1) sowie Zeilen (m), (m+1) und (m+2) innerhalb des von der Fahrzeugkontakteinheit 14 kontaktierten Teils der Ladefläche 18.
Sobald diese schaltbaren Kontaktbereiche 20 sowie der PE-Kontaktbereich 25 von entsprechenden Elektroden (nicht gezeigt) der Fahrzeugkontakteinheit 14 elektrisch kontaktiert sind, werden die entsprechenden schaltbaren Kontaktbereiche 20 aktiviert.
Hierzu werden, wie zu 5 beschrieben, die ersten Schaltleitungen 44 der Spalten (n) und (n+1) sowie die zweiten Schaltleitungen 46 der Zeilen (m), (m+1) und (m+2) mit den vorbestimmten positiven bzw. negativen Spannungen zur Schaltung der Schalteinheiten 26 beaufschlagt, sodass die sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 mit den ihnen zugeordneten Potentiallagen 24.1 und 24.2 verbunden werden.
Nun sind die gewünschten Kontaktbereiche 20 mit den ihnen zugeordneten Potentiallagen 24.1 bzw. 24.2 verbunden und die Potentiallage 24.1 und 24.2 können nun ihrerseits mit den entsprechenden Bodenanschlüssen 22 elektrisch verbunden werden, um das gewünschte Potential an die Potentiallagen 24.1, 24.2 anzulegen. Hierzu werden die Trennschalter 27 der Potentiallagen 24.1 und 24.2 geschlossen.
Denkbar ist auch, dass die Trennschalter 27 zum Schalten der Kontaktbereiche 20 geschlossen bleiben (oder keine Trennschalter 27 vorhanden sind) und dafür der Haupttrennschalter 29, hier also der Hauptladeschütz geöffnet ist, um die Kontaktbereiche 20 bzw. Potentiallagen 24 zum Schalten galvanisch vom Hauptanschluss 23 zu trennen. In diesem Fall wird nun der Haupttrennschalter 29 geschlossen.
Das jeweils gewünschte Potential liegt dann an den Potentiallagen 24 und damit den Kontaktbereichen 20 der Spalten (n) und (n+1) sowie Zeilen (m), (m+1) und (m+2) an. Das Fahrzeug 10 kann nun über die Fahrzeugkontakteinheit 14 geladen werden.
Nach abgeschlossenem Ladevorgang werden die Potentiallagen 24.1 und 24.2 von den ihnen zugeordneten Bodenanschlüssen 22 getrennt.
Anschließend werden die entsprechenden Kontaktbereiche 20 deaktiviert, indem die Spannung von den ersten und zweiten Schaltleitungen 44, 46 genommen wird.
Die entsprechenden Schalteinheiten 26 schalten in ihrem unbetätigten Zustand, wodurch die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktbereich 20 und der jeweiligen Potentiallage 24 unterbrochen wird. Gleichzeitig wird der entsprechende Kontaktbereich 20 und die Kontrollleitung 28 über Schutzwiderstände mit der Erdung 30 elektrisch verbunden.
Über die Kontrollleitung 28 kann dann überprüft werden, ob die Kontaktbereiche 20 von ihrer zugehörigen Potentiallage 24.1 bzw. 24.2 vollständig getrennt wurden.
Auf diese Weise kann eine funktionale Bodenkontakteinheit 12 mit einer großen Menge an mechanischen Schalteinheiten 26 und damit Kontaktbereichen 20 mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an elektrischen Ansteuerschaltern 52 und unter Einsparung von elektrischen Leitungen realisiert werden.
Im diskutierten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise für eine Anordnung der Kontaktbereiche 20 mit x Spalten und y Zeilen, d. h. einer Menge von x·y mechanischen Schalteinheiten 26 lediglich x+y elektrische Ansteuerschalter 52 notwendig.
Dies führt zu einer deutlichen Vereinfachung der Bodenkontakteinheit 12.
Im Folgenden sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit 12 beschrieben, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entsprechen. Daher wird nur auf die Unterschiede eingegangen und gleiche sowie funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 8 ist eine Bodenkontakteinheit 12 dargestellt, die mit einer Fahrzeugkontakteinheit 14 verbunden werden soll, die größer ist als die Fahrzeugkontakteinheit 14 gemäß 7 ist. Genauer gesagt sollen nicht nur die sechs schaltbaren Kontaktbereiche 20 um einen zentralen PE-Kontaktbereich 25 (erster Ring) herum, sondern auch die schaltbaren Kontaktbereiche 20 im nächsten Ring um den zentralen PE-Kontaktbereich 25 herum verwendet werden.
Eine Ansteuerung der Kontaktbereiche über lediglich zwei Gruppen an Schaltleitungen ist dann nicht mehr möglich, da in diesem Falle schaltbare Kontaktbereiche 20, die nicht unterhalb der Fahrzeugkontakteinheit 14 liegen, aktiviert würden. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko dar und ist zu vermeiden. Zur Veranschaulichung sind diese schaltbaren Kontaktbereiche 20 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 64 versehen.
Um eine gezieltere Ansteuerung der schaltbaren Kontaktbereiche 20 zu erreichen, wird eine dritte Gruppe von Schaltleitungen, nämlich dritte Schaltleitungen 66 verwendet.
Diese dritten Schaltleitungen 66 definieren neben der bereits vorhandenen Zeile und der vorhandenen Spalte eine weitere Art von Spalte.
Die Zeilen bzw. die beiden Arten von Spalten verlaufen jeweils senkrecht zu den Seitenflächen der sechseckigen Kontaktbereiche 20, sodass zwischen den Zeilen und Spalten bzw. zwischen den beiden Spalten jeweils ein Winkel von 60° eingeschlossen wird. Die Zeilen und die beiden Spalten sind in 8 durch Linien dargestellt.
Die Schalteinheiten 26 der Kontaktbereiche 20 sind somit mit jeweils drei Schaltleitungen 44, 46, 66 verbunden und das entsprechende Schaltelement wird nur betätigt, wenn die Schaltleitungen 44, 46, 66 in einer bestimmten Weise mit Spannung versehen werden. Hierzu bietet sich beispielsweise eine geeignete logische Schaltung (AND, NAND) und/oder eine Transistorschaltung an.
Auch in dieser Ausführungsform kann zu jeder Zeile eine Kontrollleitung 28 vorgesehen sein, mittels der überprüft werden kann, ob die entsprechenden Kontaktbereiche 20 deaktiviert sind, also auf Erdpotential liegen.
In den 9 und 10 ist eine dritte Ausführungsform der Bodenkontakteinheit 12 dargestellt, die ebenfalls wie die Ausführungsform der 8 für eine größere Fahrzeugkontakteinheit 14 geeignet sein soll.
In dieser dritten Ausführungsform sind vier Gruppen an Schaltleitungen vorgesehen, nämlich erste Schaltleitungen 44, zweite Schaltleitungen 46, dritte Schaltleitungen 66 und vierte Schaltleitungen 68.
Wie in den vorherigen Ausführungsformen bilden die zweiten Schaltleitungen 46 die Zeilen der Anordnung. Allerdings ist in der dritten Ausführungsform nur eine Art von Spalte vorgesehen, die von den drei übrigen Gruppen an Schaltleitungen, d. h. den ersten Schaltleitungen 44, den dritten Schaltleitungen 66 und den vierten Schaltleitungen 68 definiert wird. Die Spalten entsprechen somit den Spalten der ersten Ausführungsform.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist jedoch nicht jeder schaltbare Kontaktbereich 20 bzw. dessen zugeordnete Schalteinheit 26 mit jeder der ersten Schaltleitung 44, der dritten Schaltleitung 66 und der vierten Schaltleitung 68 elektrisch verbunden, sondern nur mit jeweils einer.
Beispielsweise ist der erste Kontaktbereich 20 einer Spalte mit der ersten Schaltleitung 44 elektrisch verbunden, der zweite Kontaktbereich der Spalte mit der dritten Schaltleitung 66, der dritte Kontaktbereich 20 der Spalte mit der vierten Schaltleitung 68, der vierte Kontaktbereich 20 der Spalte dann wieder mit der ersten Schaltleitung 44, usw.
In anderen Worten wird die erste Spalte durch die drei Gruppen an Schaltleitungen 44, 66, 68 unterteilt. Jede Spalte hat somit drei Gruppen von Schaltleitungen 44, 66, 68.
Dies ist besonders gut in 10 zu erkennen, in dem wieder ein Ersatzschaltbild dargestellt ist.
Um beispielsweise die in 9 mit den ausgefüllten Punkten markierten schaltbaren Kontaktbereiche 20 zu aktivieren, die von der Fahrzeugkontakteinheit 14 kontaktiert sind, werden die zweiten Schaltleitungen 46 der Zeilen (m), (m+1), (m+2), (m+3) und (m+4) mit einer negativen Spannung beaufschlagt.
In der Spalte (n) wird lediglich eine der Schaltleitungen 44, 46, 66, hier die erste Schaltleitung 44, mit einer positiven Spannung beaufschlagt. In den Spalten (n+1) und (n+2) werden alle drei Schaltleitungen 44, 46, 66 mit der positiven Spannung beaufschlagt und in der Spalte (n+3) wieder nur eine der Schaltleitungen 44, 46, 66, hier wieder die erste Schaltleitung 44.
Auch auf diese Weise wird erreicht, dass lediglich diejenigen Kontaktbereiche 20 aktiviert und damit mit ihrer zugeordneten Potentiallage 24 elektrisch verbunden sind, die von der Fahrzeugkontakteinheit 14 kontaktiert werden.
In 13 ist eine weitere Ausführungsform der Bodenkontakteinheit 12 dargestellt.
In dieser Ausführungsform weist die Schalteinheit 26 einen elektronischen Schalter 56 und eine Vorschaltung 58 auf, wobei der elektronische Schalter 56 als Schaltelement 34 und die Vorschaltung 58 als Betätigungselement 32 dient.
Der elektronische Schalter 56 ist zum Beispiel ein MOSFET oder ein TRIAC.
Die Vorschaltung 58 ist eine logische Schaltung, beispielsweise ein AND-Gatter oder ein NAND-Gatter, die die Schaltkontakte 48 als Eingänge aufweist. Die Vorschaltung 58 ist daher mit den Schaltleitungen 44, 46 und ggf. auch den Schaltleitungen 66, 68 elektrisch verbunden.
Die Vorschaltung 58 ist zudem elektrisch mit dem elektronischen Schalter 56 verbunden, um diesen zu steuern.
Hierzu gibt die Vorschaltung 58 eine Spannung an den elektronischen Schalter 56 aus, wobei der elektronische Schalter 56 den Kontaktbereich 20 mit der zugeordneten Potentiallage 24 verbindet, wenn die von der Vorschaltung 58 ausgegebene Spannung einen Schwellwert übersteigt.
Die von der Vorschaltung 58 ausgegebene Spannung ist dabei abhängig von den Signalen der Schaltleitungen 44, 46, und übersteigt den Schwellwert beispielsweise nur, wenn gleichzeitig Signale an beiden Schaltleitungen 44, 46 anliegen.
Die Funktionsweise der Schalteinheit 26 aus dem elektronischen Schalter 56 und der Vorschaltung 58 ist daher die gleiche, wie die der Schalteinheit 26 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Über die Kontrollleitung 28 kann auch in dieser Ausführungsform überprüft werden, ob der Kontaktbereich 20 mit der zugeordneten Potentiallage 24 verbunden ist oder nicht. Zum Beispiel geschieht dies über eine Spannungsmessung oder anderweitig. Auch ein Multiplexer kann zum Einsatz kommen.
Auch ist es denkbar, dass der elektronische Schalter 56 den Kontaktbereich 20 zwischen der zugeordneten Potentiallage 24 und der PE-Lage 25 schaltet.
Auf die Kontrollleitung 28 kann jedoch auch verzichtet werden, da der elektronische Schalter 56 keine beweglichen Teile aufweist.
Außerdem kann auf die Diode 51 in dieser Ausführungsform verzichtet werden.
Selbstverständlich können die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden.
In anderen Worten lassen sich die Ausführungsformen der Erfindung wie folgt beschreiben:
Für die Freischaltung der üblicherweise auf der Oberseite des Grundkörpers freiliegenden Kontakte (im Folgenden: Kontaktbereiche) wird insbesondere eine Zeilen- und Spaltenansteuerung verwendet. Der Grund ist, dass durch diese Herangehensweise Leitungen eingespart werden können und gleichzeitig die Sicherheit erhöht werden kann.
Nachfolgend wird die Steuerung der Kontaktbereiche auf dem Grundkörper erläutert.
4 zeigt die Schaltung für die Relaissteuerung und die Senseleitung für einen einzelnen Kontaktbereich 20. Durch das Schalten des Trennschalters 27 bzw. des Haupttrennschalters 29 liegt auf der entsprechenden Leitung entweder L1, L2, L3 oder N an. Damit die Phase bzw. N-Leiter auch wirklich am Kontakt anliegt, muss das Relais geschaltet werden. Für das Schalten eines Relais werden die Steuerleitungen (auch Schaltleitungen genannt) der entsprechenden Spalte und Zeile verwendet.
Vorzugsweise werden 24V oder 12V Relais verwendet. Diese 24V bzw. 12V werden erreicht, indem man auf die Spalte +12V bzw. +6V und auf die Zeile -12V bzw. -6V anlegt. Man könnte genauso andere Relais verwenden. Entscheidend ist, dass man die benötigte Schaltspannung durch das Schalten einer Zeile und einer Spalte erhält und dadurch die Sicherheit erhöht, da zwei Elemente geschaltet werden müssen und somit eine „Und“ Verknüpfung schafft.
Um zu detektieren, ob ein Relais wirklich geschaltet ist, wird die Sense-Leitung (auch Kontrollleitung 28 genannt) verwendet. Dazu wird eine Prüfspannung an die Sense-Leitung angelegt und je nach Anzahl der geschalteten Relais pro Zeile ändert sich der Messwert. Auf diese Weise kann die Anzahl der geschalteten Relais pro Zeile bestimmt werden. Sollte also ein Relais „hängenbleiben“ (beispielsweise durch einen Schaltvorgang bei hoher Spannung und anschließendem verschweißen aufgrund des Lichtbogens) kann dies mittels der Sense-Leitung detektiert werden. Jede Zeile hat eine eigene Sense Leitung.
5 zeigt den Schaltplan für 4 schaltbare Kontakte und mit dazwischenliegenden nicht schaltbaren PE-Kontakten.
Anstelle der Relais kann auch jede beliebige Schalteinheit verwendet werden, insbesondere auch ein Triac.
Als weitere Sicherheitsfunktion wird die maximale Anzahl an schaltbaren Relais pro Zeile und Spalte durch eine Strombegrenzung pro Zeile und Spalte begrenzt. So wird sichergestellt, dass pro Zeile und Spalte nur die notwendige Anzahl geschaltet werden kann.
7 zeigt die Zeilen und Spalten (unter Bildung eines Gitters), die notwendig sind, um die aktuell benötigten 6 Kontakte zu schalten. Die Zeilen und Spalten sind durch entsprechende Schaltleitungen gebildet. Der schwarze Kreis beinhaltet die 6 Kontakte und diese können durch die drei blauen Zeilen und die zwei roten Spalten geschaltet werden, ohne dass ein weiterer Kontakt auf dem Pad geschaltet wird.
Steuerung Kontaktfläche groß
Um ein Relais zu schalten, wird eine „Und Bedingung“ benötigt. Soll ein größerer Konnektor (d.h. Schnittstelle der Fahrzeugkontakteinheit) verwendet werden (wie in 8 durch einen schwarzen Kreis dargestellt), kann dies durch mehrere Möglichkeiten erreicht werden. Eine Möglichkeit ist es noch eine zweite „Und Bedingung“ hinzuzufügen. Dies kann wie in 8 dargestellt gelöst werden, indem die zweite „Und Bedingung“ durch eine weitere Steuerleitung hinzugefügt wird und nur jene Kontakte/Relais geschalten werden, wo sich die drei Steuerleitungen kreuzen. Für diese Schaltung kann nicht die Schaltung aus 4 verwendet werden. Es würde sich eine Transistorschaltung anbieten.
Eine Möglichkeit für die Beschaltung des größeren Konnektors mit der Schaltung aus 4 ist es, jede Spalte um zwei Steuerleitungen zu ergänzen und somit drei Steuerleitungsgruppen pro Spalte zu erzeugen und die Spaltenleitungen alternierend mit den Relais in der jeweiligen Spalte zu verbinden (siehe 9). In 10 ist die Beschaltung für dieses System dargestellt.
Im plattenartigen Grundkörper sind mehrere Potenziallagen unterhalb des Kontaktbereichs vorgesehen, die auch als Layer bezeichnet werden. Die Potenziallagen sind insbesondere als Schichten in einer Leiterplatte ausgebildet.
Im Grundkörper oder außerhalb des Grundkörpers in einem Schaltschrank kann ein sogenannter Ladeschütz vorgesehen sein, mit dem dann die hohen Ströme zugeschaltet werden. Das bedeutet, üblicherweise wird vor dem Zuschalten durch den Ladeschutz die entsprechende Schalteinheit vorab in den sprechenden Schaltzustand gebracht, und erst anschließend wird der hohe Ladestrom über den Ladeschütz zugeschaltet.
Üblicherweise sind sieben Potentiallagen vorhanden, mit denen über Drehstrom, Wechselstrom oder Gleichstrom geladen werden kann. In 7 ist zu sehen, dass als kleinste Einheit auf dem Kontaktbereich ein PE Kontakt und um ihn herum sechs in einem Sechseck angeordnete Kontaktbereiche liegen, also insgesamt sieben Kontaktbereiche inkl. des PE vorhanden sind. Jede dieser Kontaktbereiche hat seine eigene Potentiallage. Bei der Ausführungsform nach 9 können die Zeilen und Spalten, die durch die Steuerleitungen gebildet werden, auch vertauscht werden. Gezeigt sind drei Schaltleitungen pro Spalte. Da normalerweise pro Schaltleitung ein Transistor vorgesehen ist, können die elektronischen Bauteile durch Tauschen von Zeilen und Spalten reduziert werden. In Abhängigkeit der Padgröße (Geometrie) und somit der Anzahl der Zeilen und Spalten kann es sinnvoll sein, die Zeilen und Spalten zu vertauschen, um Bauteile einzusparen.

Claims

Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung der Bodenkontakteinheit (12) und einer Fahrzeugkontakteinheit (14), mit einem plattenförmigen Grundkörper (16), wenigstens einer Potentiallage (24), mehreren Kontaktbereichen (20), die auf einer freiliegenden Ladefläche (18) des Grundkörpers (16), an der die Fahrzeugkontakteinheit (14) zur Anlage kommen kann, angeordnet und wenigstens einer Potentiallage (24) zugeordnet sind, mehreren Schalteinheiten (26) und mehreren Schaltleitungen (44, 46, 66, 68), mittels der die Schalteinheiten (26) betätigt werden können, wobei an jeder der Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) mehrere Schalteinheiten (26) vorgesehen sind, wobei die Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) in wenigstens zwei Gruppen mit jeweils mehreren Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) unterteilt sind und jede der Schalteinheiten (26) an wenigstens zwei Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) aus wenigstens zwei verschiedenen Gruppen, insbesondere an jeweils einer Schaltleitung (44, 46, 66) jeder Gruppe, vorgesehen ist, so dass der Schaltzustand der Schalteinheit (26) vom Signalzustand an seinen zugeordneten Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) abhängt, wobei jede Schalteinheit (26) derart mit wenigstens einem der Kontaktbereiche (20) gekoppelt ist, dass die Schalteinheit (26) den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich (20) mit der dem Kontaktbereich (20) zugeordneten wenigstens einen Potentiallage (24) elektrisch verbinden und unterbrechen kann.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Potentiallage (24) mit dem Erdpotential, einem Neutralleiter, einem Außenleiter, einer Phase, einem Pluspol oder einem Minuspol einer Stromquelle, insbesondere eines lokalen Stromnetzes verbindbar ist, insbesondere wobei für das Erdpotential, den Neutralleiter, einem Außenleiter einer Phase, einem Pluspol und/oder einem Minuspol einer Stromquelle jeweils eine eigene Potentiallage (24) vorhanden ist.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) voneinander getrennt mit Spannung und/oder Strom beaufschlagbar sind.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkontakteinheit (12) wenigstens eine PE-Lage aufweist, wobei die Schalteinheiten (26) derart eingerichtet sind, dass sie den ihnen zugeordneten Kontaktbereich (20) entweder mit der ihm zugeordneten Potentiallage (24.1, 24.2) oder mit der wenigstens einen PE-Lage elektrisch verbinden können.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine der Schalteinheiten (26) für jeden Kontaktbereich (20) vorgesehen ist, insbesondere der kein PE-Kontaktbereich (25) ist.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement (34) der Schalteinheit (26) den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich (20) mit der ihm zugeordneten Potentiallage (24) elektrisch verbindet, wenn die der Schalteinheit (26) zugeordneten Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) passend geschaltet, insbesondere in einem gemeinsamen Stromkreis (42) mit korrekter Polarität geschaltet sind.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaltleitungen (44, 46, 66, 68), an denen eine der Schalteinheiten (26) vorgesehen ist, von den Schaltleitungen (44, 46, 66, 68), an denen eine andere der Schalteinheiten (26) vorgesehen ist, in wenigstens einer Schaltleitung (44, 46, 66, 68) unterscheiden.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) einer Gruppe im Wesentlichen in die gleiche Richtung, insbesondere parallel verlaufen und/oder dass die Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) ein Gitter bilden, an dessen Kreuzungspunkten sich Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) unterschiedlicher Gruppen kreuzen, wobei an den Kreuzungspunkten jeweils eine Schalteinheit (26) angeordnet ist, vorzugsweise wobei die Schalteinheit (26) nur bei unterschiedlichen Potentialen an seinen Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) geschaltet werden kann.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen der verschiedenen Gruppen einen Winkel miteinander einschließen, insbesondere wobei der Winkel zwischen den verschiedenen Gruppen 90° und/oder gleich groß ist.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (26) jeweils zwei Schaltkontakte (48) haben, die mit den Schaltleitungen (44, 46, 66, 68) verbunden sind.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gruppen an Schaltleitungen (44, 46) vorgesehen sind, wobei einer der Schaltkontakte (48) mit einer Schaltleitung (44) der einen Gruppe über wenigstens eine Diode (50) verbunden ist und der andere der Schaltkontakte (48) mit einer Schaltleitung (46) der anderen Gruppe verbunden ist.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (26) derart eingerichtet ist, dass sie den ihr zugeordneten Kontaktbereich (20) mit der ihm zugeordneten Potentiallage (24) elektrisch verbindet, wenn zwischen den Schaltkontakten (48) wenigstens eine vorbestimmte Spannungsdifferenz vorliegt.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkontakteinheit (12) wenigstens eine Kontrollleitung (28) und die Schalteinheiten (26) einen Doppelschalter (36) als Schaltelement (34), insbesondere ein Relais aufweist, wobei der Doppelschalter (36) derart ausgebildet ist, dass die Kontrollleitung (28) nur dann mit einer bestimmten Potentiallage (24), insbesondere der PE-Lage elektrisch verbunden ist, wenn auch der Kontaktbereich (20) mit der bestimmten Potentiallage (24) verbunden ist.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelschalter (36) derart ausgebildet ist, dass einer der Schalter (40) des Doppelschalters (36) die Kontrollleitung (28) mit dem Kontaktbereich (20) elektrisch verbinden kann und der andere Schalter (40) des Doppelschalters (36) den Kontaktbereich (20) nur dann mit der bestimmten Potentiallage (24), insbesondere der PE-Lage elektrisch verbindet, wenn auch die Kontrollleitung (28) mit dem Kontaktbereich (20) elektrisch verbunden ist.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkontakteinheit (12) eine erste Potentiallage (24.1), eine zweite Potentiallage (24.2) und eine dritte Potentiallage (24.3) aufweist, wobei die Kontaktbereiche (20.1), die der ersten Potentiallage (24.1) zugeordnet sind, erste Kontaktbereiche (20.1) bilden, wobei die Kontaktbereiche (20.2), die der zweiten Potentiallage (24.2) zugeordnet sind, zweite Kontaktbereiche (20.2) bilden, wobei die Kontaktbereiche (20.3), die der dritten Potentiallage (24.3) zugeordnet sind, dritte Kontaktbereiche (20.3) bilden, wobei die ersten Kontaktbereiche (20.1) in einem ersten Untergitter (G_U1) in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters, die zweiten Kontaktbereiche (20.2) in einem zweiten Untergitter (G_U2) in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters und die dritten Kontaktbereiche (20.3) in einem dritten Untergitter (G_U3) in Form eines 2-dimensionalen Bravais-Gitters angeordnet sind, wobei das erste Untergitter (G_U1), das zweite Untergitter (G_U2) und das dritte Untergitter (G_U3) ineinander verschachtelt sind, und wobei in Richtung zumindest einer der Basisvektoren des durch die Kontaktbereiche (20) gebildeten Hauptgitters (G_H) die ersten Kontaktbereiche (20.1), die zweiten Kontaktbereiche (20.2) und die dritten Kontaktbereiche (20.3) im Wechsel auftreten.
Verfahren zur Schaltung eines Kontaktbereiches (20) einer Bodenkontakteinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf ein gewünschtes Potential, mit den folgenden Schritten: a) Anlegen einer vorbestimmten Spannung mit einer vorbestimmten entsprechenden Polarität an den Schaltleitungen (44, 46, 66, 68), an denen die dem zu schaltenden Kontaktbereich (20) zugeordnete Schalteinheit (26) anliegt, wodurch die Schalteinheit (26) betätigt wird, sodass der Kontaktbereich (20) mit der dem Kontaktbereich (20) zugeordneten wenigstens einen Potentiallage (24) elektrisch verbunden wird, und b) Anlegen des gewünschten Potentials an der dem zu schaltenden Kontaktbereich (20) zugeordneten wenigstens einen Potentiallage (24), insbesondere über einen Haupttrennschalter (29) oder einen Trennschalter (27), der im Grundkörper (16) angeordnet ist und/oder der dem Kontaktbereich (20) vorgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die Schaltleitung (44, 66, 68) einer der Gruppen eine positive Spannung, insbesondere +12V oder +6V, und an die Schaltleitung (46) der anderen Gruppe eine negative Spannung, insbesondere -12V oder -6V, angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kontrollleitung (28) die Spannung bestimmt wird, wobei anhand der Größe der Spannung auf die Anzahl an geschalteten und/oder nicht geschalteten Kontaktbereichen (20) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, der über eine der Schaltleitungen (44, 46, 66, 68), an die die Spannung angelegt wurde, so begrenzt wird, dass nur eine bestimmte Anzahl an Schalteinheiten (26) über diese Schaltleitung (44, 46, 66, 68) geschaltet werden kann.