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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug aufweist, die Messeinrichtung umfassend eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt und einem Spannungsmesser zum Messen einer Spannung an dem Shunt zur Bestimmung eines Ladestroms durch einen ersten Stromleiter der Verbindungseinrichtung, und eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Ladespannung zwischen dem ersten Stromleiter und einem zweiten Stromleiter der Verbindungseinrichtung, wobei die Messeinrichtung eine Leiterplatte aufweist, auf der die Strommesseinrichtung und die Spannungsmesseinrichtung angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug und eine obige Messeinrichtung aufweist, wobei die Messeinrichtung angeordnet ist, um einen Strom und eine Spannung der Verbindungseinrichtung zu messen.
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Beim Laden und insbesondere beim Schnellladen von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben mit hohen Gleichspannungen und -strömen ist es erforderlich, große elektrische Leistungen bereitzustellen. Ladespannungen von bis zu tausend Volt und/oder Ladeströme von mehreren hundert Ampere können bei solchen Schnellladevorgängen aktuell auftreten. Für zukünftige Anwendungen sind auch Spannungen von über tausend Volt und Ströme von über tausend Ampere möglich.
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Zur Ladeinfrastruktur gehören typischerweise eine Ladeeinrichtung, meist nach der Art einer Ladesäule, eine Kühlungseinheit und eine Leistungselektronik. Dabei werden häufig mehrere Ladesäulen gemeinsam aufgestellt. Ein optionales Backend kann jede Ladesäule oder bei gemeinsamer Aufstellung jeden Ladepark mit einer Zentrale verbinden.
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Wichtig beim Laden von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben ist eine korrekte Abrechnung von übertragener elektrischer Energie. Dazu ist es prinzipiell erforderlich, die großen Gleichspannungen und -ströme zuverlässig zu messen. Dadurch kann die an das jeweilige Fahrzeug beim Laden übertragene Energie abgerechnet werden, damit sich der Betrieb von solchen (Gleichstrom-)Ladeeinrichtungen lohnt. Dies ist jedoch in der Praxis schwierig durchzuführen. Heutige Ladesäulen messen meist eine eingangsseitig an die Ladesäule übertragene AC-Eingangsenergie, weil diese zertifiziert bestimmt werden kann. Diese gegenüber einem Kunden abzurechnen würde jedoch bedeuten, dass in der Ladesäule anfallende Verluste dem Kunden mit in Rechnung gestellt werden. Daher wird die Energie teilweise verschenkt oder über Pauschalen oder Parkplatzmiete vor den Ladesäulen abgerechnet. Dies ist meist sowohl für den Betreiber einer Ladeeinrichtung wie auch für den Kunden unerwünscht.
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Um die an das Fahrzeug übertragene Energie zu bestimmen, ist es erforderlich, sowohl Spannung als auch Strom während des Ladevorgangs ausgangsseitig an der Ladeeinrichtung zu bestimmen. Zur genauen Strommessung werden in Ladesäulen bisher Stromwandler eingesetzt, die auf dem Hall-Effekt, also der Messung eines einen Leiter umgebenden Magnetfeldes, beruhen. Die Verwendung von Stromwandlern ist aber ausgehend von verschiedenen, möglichen Kombinationen aus Strom und Spannung problematisch. Um einen entsprechenden Messbereich abdecken zu können, kann die Messgenauigkeit bei kleineren Werten von Strom und Spannung zu gering sein. Dies ist zusätzlich problematisch, da die Fahrzeuge verschiedene Ladecharakteristika aufweisen und beispielsweise abhängig von einem aktuellen Ladestand beliebige Spannungen und Ströme abrufen können. Ladestrom und Ladespannung hängen somit nicht nur vom Fahrzeug als solchem ab, sondern können sich während des Ladevorgangs kontinuierlich ändern. Ladestrom und Ladespannung müssen daher während des Ladevorgangs kontinuierlich überwacht werden.
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Im Stand der Technik ist allgemein bekannt, Gleichstrommesser mit einem Shunt zu verwenden, um einen Gleichstrom zu bestimmen. Dazu wird eine Spannung über dem Shunt gemessen und daraus der durch den Shunt fließende Strom ermittelt. In Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben werden bereits teilweise Shunts eingesetzt, um den Ladestrom während des Ladevorgangs zu messen. Dadurch kann der Ladevorgang einer Batterie des Fahrzeugs überwacht werden.
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Der Gleichstrom und die Gleichspannung bei großen DC-Leistungen müssen an den Ladesäulen präzise gemessen werden, um die übertragene Energie zu bestimmen und diese abrechnen zu können. Dabei kann es durch die häufige Benutzung der Ladeeinrichtung, insbesondere eine Bewegung der Verbindungseinrichtung, zu mechanischen Schäden kommen. Insbesondere kann die Messeinrichtung durch eine Bewegung von Stromleitern der Verbindungseinrichtung oder durch aus Bewegung insbesondere der Verbindungseinrichtung resultierenden Erschütterungen beschädigt werden, oder Ihre Verbindung mit den Stromleitern wird beschädigt. Dies kann dazu führen, dass die Messeinrichtung ausfällt und die Ladeeinrichtung insgesamt nicht weiter nutzbar ist. Dies betrifft beispielsweise auch Verbindungsstecker, welche einzelne Komponenten der Messeinrichtung untereinander oder die Messeinrichtung insgesamt mit der Ladeeinrichtung verbinden. Hier ist es zu verhindern, dass sich die Verbindungsstecker im Betrieb lösen, um eine korrekte Funktion der Ladeeinrichtung auch über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten und Aufwand für Wartung und Reparatur gering zu halten.
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Außerdem ist es wichtig, einzelne Komponenten leicht anbringen oder auch austauschen zu können. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Verbesserung bestehender Ladesäulen wichtig, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen insgesamt steigern zu können.
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Dabei soll außerdem eine kostengünstige Implementierung erfolgen, um Elektrofahrzeuge und ihre Infrastruktur für einen Massenbetrieb verfügbar zu machen.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
US 2017/129348 A1 ein Ladesteuerverfahren für ein Fahrzeug bekannt. Das Ladesteuerverfahren umfasst das Einstellen eines reservierten Ladens, das Schließen eines ersten Schalters in einem On-Board-Ladegerät (OBC), das Messen einer Eingangsspannung an einer Eingangsseite des OBC-Controllers, wenn ein externes Ladegerät Energie liefert, wenn der erste Schalter geschlossen ist, das Einstellen einer Ladestartzeit basierend auf der gemessenen Eingangsspannung und das Starten des Ladens einer Batterie, wenn die Ladestartzeit erreicht ist.
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Die
US 2004/169489 A1 betrifft stationäre und an Bord befindliche Batterieladegeräte, Verfahren zum Laden von Batterien, Ladegeräte für elektrische Fahrzeuge und Fahrzeuge mit Ladegeräten, einschließlich Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen. Die Ladegeräte laden automatisch die korrekte Batteriespannung für verschiedene Batterietypen. Die Ladegeräte haben variable AC-Netzteile, die von digitalen Controllern gesteuert werden und Komponenten wie Trenntransformatoren und Gleichrichter enthalten. Transformatoren können folienartig sein und eine Kupferfolie aufweisen. Stromversorgungen können frequenzvariable Generatoren sein und die Steuerungen können die Frequenz steuern. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge können Kartenleser haben, und Fahrzeuge können Batterien und ein Ladegerät haben. Ladeverfahren umfassen das Identifizieren des Batterietyps und das allmähliche Erhöhen der Ladeleistung mit verschiedenen Erhöhungsraten, während die Ladespannung, der Ladestrom oder beide überwacht werden, bis ein aktueller Deckel bzw. oberer Leistungswert erreicht ist. Das Laden kann bei konstantem Strom und dann bei konstanter Spannung erfolgen.
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Gemäß der
US 2010/076825 A1 enthält eine Lade-/Entlade-Steuervorrichtung: eine Lade-/Entlade-Belohnungsinformations-Empfangseinheit zum Empfangen von Lade-/Entlade-Belohnungsinformationen, die eine Belohnung darstellen, die einer Lade-/Entladeaktion eines Kunden gegeben wird, und einer Beschränkung beim Durchführen eines Ladens/Entladens von einer Lademanagementzentrale bzw. einem Server; eine Berechnungseinheit zum Erzeugen eines Lade-/Entladeplans, der eine Gesamtladungsmenge in einer Zeitzone bzw. -spanne und eine geschätzte Nutzungsstartzeit eines Elektrofahrzeugs umfasst, so dass eine Belohnung maximiert wird, basierend auf der Lade-/Entlade-Belohnungsinformation; eine Lade-/Entladeanweisungs-Sendeeinheit zum Anweisen des Elektrofahrzeugs, ein Laden/Entladen gemäß dem Lade-/Entladeplan zu beginnen oder zu beenden; eine Lade-/Entladegrößen-Überwachungseinheit zum Überwachen des Ladens/Entladens; und eine Lade-/Entladeergebnis-Sendeeinheit zum Übertragen von Ergebnissen des überwachten Ladens/Entladens, einschließlich des Inhalts der geführten Lade-/Entlade- und individuellen Identifikationsinformation zum Identifizieren selbst, an einen zentralen Gebührenverwaltungsserver .
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Die
US 2011/258112 A1 betrifft ein System und Verfahren zum Laden eines Fahrzeugs, einschließlich Empfangen von Elektrizität über eine an einer Wanddose angebrachte elektrische Steckdose oder eine Steckdose, die elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist; Herstellen einer Verbindung zwischen einem Kommunikationsmodul der an der Wanddose montierten elektrischen Steckdose oder der Steckaufnahme und einem Kommunikationsnetz; Empfangen von elektrischen Energiequellendaten; und Steuern des Ladens einer elektrischen Speichervorrichtung des Fahrzeugs durch automatisches Steuern des Ladens basierend auf den elektrischen Energiequellendaten.
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Außerdem ist aus der
US 2015/346288 A1 das Testen von Elektrofahrzeugladestationen (EVCS) bekannt. In einem aktiven Modus stellt die Vorrichtung eine programmierbare Last bereit oder ist damit verbunden, die in der Lage ist, die Last eines elektrischen Fahrzeugs (EV) zu emulieren. Im passiven Modus ist die Last ein EV, wobei das Gerät in Reihe zwischen EVCS und EV angeordnet ist. In beiden Fällen wird die Energieabgabe vom EVCS an die Last von der Vorrichtung überwacht, um die Energiemessung und Abrechnungsgenauigkeit des EVCS zu bestimmen. Dies ermöglicht einen Vergleich zwischen einem gemessenen Wert der gelieferten Energie und einem gemessenen Wert der abgegebenen Energie, wie von dem EVCS angegeben. Andere Messungen und Sicherheitstests können ebenfalls vom Gerät durchgeführt werden. Ein programmierbarer Lastcontroller ist ebenfalls vorgesehen, um eine variable effektive Last bereitzustellen, wie sie von dem EVCS basierend auf einer oder mehreren festen Lasten gesehen wird.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom und eine Ladeeinrichtung der oben genannten Art anzugeben, die eine einfache und dauerhafte Bestimmung von Ladestrom und Ladespannung ermöglicht und wobei die Messeinrichtung einfach und zuverlässig in die Ladeeinrichtung integrierbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom vorgesehen, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug aufweist, die Messeinrichtung umfassend eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt und einem Spannungsmesser zum Messen einer Spannung an dem Shunt zur Bestimmung eines Ladestroms durch einen ersten Stromleiter der Verbindungseinrichtung, und eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Ladespannung zwischen dem ersten Stromleiter und einem zweiten Stromleiter der Verbindungseinrichtung, wobei die Messeinrichtung eine Leiterplatte aufweist, auf der die Strommesseinrichtung und die Spannungsmesseinrichtung angeordnet sind, und die Messeinrichtung ein elektrisch leitendes Verbindungselement, das mit der Leiterplatte verbunden ist, zur elektrischen Verbindung der Spannungsmesseinrichtung mit dem zweiten Stromleiter aufweist.
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Erfindungsgemäß ist außerdem eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom vorgesehen, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug und eine obige Messeinrichtung aufweist, wobei die Messeinrichtung angeordnet ist, um einen Strom und eine Spannung der Verbindungseinrichtung zu messen.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, die Messeinrichtung mit dem Verbindungselement als starre Einheit bereitzustellen. Dies ermöglicht eine einfache Montage der Messeinrichtung und die Messeinrichtung kann als kompakte Einheit bereitgestellt werden. Die Befestigung der Messeinrichtung kann dadurch eine geringe Anfälligkeit für Störungen aufweisen. Die Spannungsmessung kann über das Verbindungselement und den Shunt, der integral in der Messeinrichtung vorhanden ist und in den ersten Stromleiter eingebracht wird, erfolgen. Zusätzliche Kontakte sind nicht erforderlich. Das Verbindungselement kann dabei ein prinzipiell beliebiges elektrisch leitendes Element sein.
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Die Ladeeinrichtung ist beispielsweise eine Ladesäule zum Laden des Fahrzeugs. Das Fahrzeug kann dabei ausschließlich einen elektrischen Antrieb aufweisen, oder als sogenanntes Hybridfahrzeug einen zusätzlichen Antrieb aufweisen.
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Die Messeinrichtung umfasst die Strommesseinrichtung und die Spannungsmesseinrichtung, so dass darauf basierend eine über die Verbindungseinrichtung übertragene Energiemenge einfach bestimmt werden kann. Durch die Anbringung der Messeinrichtung an bzw. in der Verbindungseinrichtung wird sichergestellt, dass eine zum Laden an das jeweilige Fahrzeug abgegebene Energiemenge korrekt bestimmt werden kann.
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Die Messeinrichtung kann für den Betrieb der Strommesseinrichtung wie auch der Spannungsmesseinrichtung eine Energieversorgungseinrichtung umfassen. Die Energieversorgungseinrichtung stellt dazu typischerweise ausgangsseitig einen konstanten Gleichspannungspegel zur Verfügung. Eingangsseitig kann die Energieversorgungseinrichtung von den Stromleitern oder einem Netzteil gespeist werden.
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Die Messeinrichtung kann eine Datenschnittstelle aufweisen, über die bei der Strom- und Spannungsmessung ermittelte Werte übertragen werden können. Die Datenschnittstelle kann beispielsweise zur Verbindung mit einem CAN-Bus ausgeführt sein. Aus den von der Messeinrichtung gelieferten Werten für Strom und Spannung kann unter Berücksichtigung der Zeit eine beim Laden an das Fahrzeug über die Verbindungseinrichtung übertragene Energiemenge ermittelt werden.
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Der Shunt wird in dem ersten Stromleiter eingebracht und mit diesem kontaktiert bzw. leitend verbunden. Die Strommesseinrichtung umfasst den Shunt als Messwiderstand, der einen sehr kleinen Widerstandswert von typischerweise weniger als einem Ohm aufweist. Eine genaue Kenntnis des Widerstandswerts des Shunts ermöglicht eine exakte Bestimmung eines Stroms durch den Shunt. Der Ladestrom kann bestimmt werden, indem die Spannung über dem Shunt gemessen wird, wobei die Spannung prinzipiell proportional zu dem Ladestrom ist. Beispielsweise können Ströme in einem Bereich von +/-500 A mit einem Fehler von 0,4% über den Shunt sehr genau bestimmt werden. Durch die Strommessung mit dem Shunt ist die Messung gut gegen externe elektromagnetische Felder geschützt. Die Strommessung mit dem Shunt bietet damit Vorteile gegenüber Messungen von Magnetfeldern mit Hall-Sensoren in z.B. LEM-Wandlern. Diese sind meist groß und müssen den Stromleiter umgreifen. Die Messeinrichtung kann somit auch ohne bewegliche Teile bereitgestellt werden, wodurch sie vor Verschleiß geschützt ist.
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Die Messeinrichtung kann einen Kontakt des Shunts als Massepotential verwenden. Insbesondere wird eine negative Seite des Shunts als Massepotential verwendet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Verbindungselement mit einer Schraubverbindung an der Leiterplatte angebracht. Schraubverbindungen sind einfach herzustellen und ermöglichen eine stabile und zuverlässige Verbindung. Für Wartung und Austausch kann die Schraubverbindung einfach gelöst werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Verbindungselement mit der Leiterplatte verlötet. Das Verlöten ermöglicht ein Herstellen einer elektrisch gut leitenden Verbindung. Die Lötverbindung kann beispielsweise nach dem Bestücken der Leiterplatte in einem einzigen Lötschritt mit hergestellt werden, so dass das Verbindungselement mit geringem Aufwand angebracht werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrische Verbindungselement einen Steckverbinder zur steckenden Verbindung mit einer korrespondierenden Steckverbinderaufnahme auf der Leiterplatte auf. Somit kann das Verbindungselement einfach mit der Leiterplatte verbunden oder bei Bedarf wieder davon entfernt werden. Vorzugsweise ist die Verbindung aus Steckverbinder und Steckverbinderaufnahme innerhalb eines die Messeinrichtung umschließenden Gehäuses angeordnet, wodurch die Verbindung gut geschützt ist. Das umschließende Gehäuse dient dabei einerseits zum Schutz der darin aufgenommenen Strommesseinrichtung und der Spannungsmesseinrichtung, und andererseits zur Bereitstellung einer integralen und kompakten Messeinrichtung. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem nicht elektrisch leitenden Material ausgeführt, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrische Verbindungselement an seinem freien Ende wenigstens ein Durchgangsloch zum Herstellen einer Schraubverbindung mit dem zweiten Stromleiter auf. Schraubverbindungen sind einfach herzustellen und ermöglichen eine stabile und zuverlässige Verbindung mit dem zweiten Stromleiter. Für Wartung und Austausch kann die Schraubverbindung einfach gelöst werden. Die Schraubverbindung wird hergestellt, indem eine Schraube durch das Durchgangsloch geführt, und in ein Gewinde in dem zweiten Stromleiter eingeschraubt wird. Alternativ weist der zweite Stromleiter ebenfalls ein Durchgangsloch auf, und die Schraube wird durch beide Durchgangslöcher geführt und mit einer Mutter befestigt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrische Verbindungselement an seinem freien Ende eine Mehrzahl Durchgangslöcher zum Herstellen einer Schraubverbindung mit dem zweiten Stromleiter auf, wobei die Durchgangslöcher in einer Längsrichtung des Verbindungselements beabstandet positioniert sind. Die Mehrzahl Durchgangslöcher ermöglicht ein Bereitstellen einer universellen Messeinrichtung, die in verschiedenen Ladeeinrichtungen mit unterschiedlichen Abmessungen zwischen den beiden Stromleitern verwendet werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Verbindungselement als metallisches Blechelement ausgeführt. Das metallische Blechelement ist also ein Metallstreifen, welcher prinzipiell unterschiedlich geformt sein kann. Beispielsweise kann der Metallstreifen eine Winkelform aufweisen. Ein solches Blechelement ist sehr kostengünstig herzustellen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung spannt das metallische Blechelement eine Ebene auf, die parallel zu einer Ebene der Leiterplatte angeordnet ist. Das Blechelement und die Leiterplatte können somit insgesamt eine flache Einheit bilden. Die Verbindung von Blechelement und Leiterplatte ermöglicht eine leichte Durchbiegung bei einer senkrecht auf die Ebene gerichteten Kraft.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das metallische Blechelement ausgeführt, Schwingungen zwischen der Leiterplatte und dem zweiten Stromleiter auszugleichen. Das metallische Blechelement wird also zur Reduktion von Schwingungen und Vibrationen genutzt. Dazu ist das metallische Blechelement entsprechend dimensioniert, so dass es auftretende Vibrationen und Schwingungen durch seine Flexibilität reduzieren kann. Insbesondere weist das metallische Blechelement eine Dicke auf, so dass das metallische Blechelement eine Reduktion von Schwingungen und Vibrationen bewirkt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ladeeinrichtung eine Auswerteeinheit auf, die über einen Datenbus mit der Messeinrichtung verbunden ist, und die Auswerteeinheit ist ausgeführt, basierend auf mit der Messeinrichtung gemessenen Strömen und Spannungen eine übertragene Energiemenge zu ermitteln. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt zur Schraubbefestigung an der Ladeeinrichtung ausgeführt. Dadurch kann auch die Auswerteeinheit einfach montiert werden. Die Auswerteeinheit kann die übertragene Energiemenge zu Abrechnungszwecken bestimmen. Zusätzlich kann die übertragene Energiemenge beispielsweise über eine Anzeigevorrichtung angezeigt oder auf andere Weise an der Ladeeinrichtung ausgegeben werden. Der Datenbus kann beispielsweise als an sich bekannter CAN-Bus ausgeführt sein. Die Auswerteeinheit kann zusätzlich eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise zur Anzeige einer übertragenen Energiemenge, aufweisen.
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Alternativ kann die Auswerteeinheit integral mit der Messeinrichtung ausgeführt sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Verbindungseinrichtung zum kabellosen Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug ausgeführt. Dies ist sehr komfortabel für die Handhabung, da das Fahrzeug nicht mechanisch mit der Ladeeinrichtung verbunden werden muss, so dass auch kurze Stillstände, beispielsweise an einer roten Ampel, zum Laden des Fahrzeugs verwendet werden können. Allerdings können Energieverluste bei der Übertragung der Energie von der Verbindungseinrichtung zu dem elektrischen Fahrzeug auftreten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung ein Ladekabel zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug. Das Ladekabel ermöglicht eine effiziente Übertragung auch von großen Energien, d.h. eine Verwendung von großen Ladeströmen und/oder großen Ladespannungen. Standardisierte Ladestecker zur Verbindung der Ladekabel mit den Fahrzeugen sind als solche bekannt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Schnellladesäule zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine Darstellung einer Messeinrichtung zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform zusammen mit einer Auswerteeinheit in einer Draufsicht,
- 3 eine funktionale Darstellung eines Innenbereichs der Messeinrichtung aus 2 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform, und
- 4 eine Innenansicht der Messeinrichtung aus 2 mit Strommesseinrichtung und Spannungsmesseinrichtung, die auf einer Leiterplatte gemeinsam angeordnet sind, in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform.
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Die 1 bis 4 betreffen eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 10 zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform. Die Ladeeinrichtung 10 ist hier als Ladesäule 10 ausgeführt.
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Die Ladesäule 10 umfasst einen Grundkörper 11 und eine Verbindungseinrichtung 12 zum Verbinden mit einer Batterie eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb. Die Verbindungseinrichtung 12 umfasst ein Ladekabel 14, das in diesem Ausführungsbeispiel an seinem freien Ende mit einem Ladestecker 16 nach dem Standard Combined Charging System (CCS) Combo Typ 2 ausgeführt ist. Der Ladestecker 16 ist bei Nichtbenutzung in einem Halter 18 der Ladesäule 10 gehalten. Bei Benutzung wird das Ladekabel 14 mit dem Ladestecker 16 elektrisch mit dem zu ladenden Fahrzeug verbunden.
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Die Ladesäule 10 umfasst weiterhin eine in 2 dargestellte Messeinrichtung 20 zur Messung eines Ladestroms und einer Ladespannung an dem Ladekabel 14. In 2 sind zwei Stromleiter 22, 24 dargestellt, die mit dem Ladekabel 14 auf nicht dargestellte Weise verbunden sind.
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Die Messeinrichtung 20 weist weiter ein umschließendes Gehäuse 28 auf. Das Gehäuse 28 ist vorliegend aus einem nicht elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, ausgeführt.
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Die Messeinrichtung 20 weist eine Datenschnittstelle 30 auf, über die bei der Strom- und Spannungsmessung ermittelte Werte übertragen werden. Die Datenschnittstelle 30 ist zur Verbindung mit einem Datenbus 32 ausgeführt. Der Datenbus 32 ist hier als CAN-Bus 32 ausgeführt.
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In dem Gehäuse 28 der Messeinrichtung 20 sind eine Strommesseinrichtung 34, eine Spannungsmesseinrichtung 36 und eine hier nicht dargestellte Energieversorgungseinrichtung aufgenommen. Die Spannungsmesseinrichtung 36 dient zum Messen einer Ladespannung zwischen den Stromleitern 22, 24. Die Energieversorgungseinrichtung versorgt die Strommesseinrichtung 34 wie auch die Spannungsmesseinrichtung 36. Die Energieversorgungseinrichtung stellt dazu typischerweise ausgangsseitig einen konstanten Gleichspannungspegel zur Verfügung.
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Eingangsseitig wird die Energieversorgungseinrichtung von den Stromleitern 22, 24, alternativ von einem nicht dargestellten Netzteil, gespeist.
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Die Strommesseinrichtung 34 umfasst im Detail einen Shunt 38 und einen Spannungsmesser 40 zum Messen einer Spannung an dem Shunt 38. Der Shunt 38 ist in einen ersten Stromleiter 22 eingebracht, so dass der Ladestrom der Verbindungseinrichtung 12 durch den Shunt 38 fließt. Der Shunt 38 dient in der Strommesseinrichtung 34 als Messwiderstand, der einen sehr kleinen Widerstandswert von typischerweise weniger als einem Ohm aufweist. Basierend auf dem Widerstandswert des Shunts 38 und der über dem Shunt 38 mit dem Spannungsmesser 40 gemessen Spannung kann in der Strommesseinrichtung 34 der Ladestrom durch den ersten Stromleiter 22 exakt bestimmt werden. Die Spannung ist dabei prinzipiell proportional zu dem Ladestrom.
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Die Messeinrichtung 20 ist mit einer internen Masse ausgeführt, die mit einem negativen Potential des Shunts 38 verbunden ist.
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An dem Shunt 38 sind Kontaktelemente 42 zur Verbindung des Shunts 38 mit einem ersten Stromleiter 22 ausgebildet. Die Kontaktelemente 42 sind hier als Metallstreifen mit Durchgangslöchern 44 ausgeführt und aus dem Gehäuse 28 geführt, wie in 2 dargestellt ist. Die Verbindung der Kontaktelemente 42 mit dem ersten Stromleiter 22 erfolgt jeweils mit einer Schraubverbindung 48. Dazu wird eine Schraube 50 durch die jeweiligen Durchgangslöcher 44 der Kontaktelemente 42 geführt und mit dem ersten Stromleiter 22 verschraubt. Dazu sind in dem ersten Stromleiter 22 Durchgangsöffnungen ausgebildet, die in den Figuren nicht dargestellt sind, durch welches die Schrauben 50 geführt und mit einer ebenfalls nicht dargestellten Mutter gesichert sind.
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Wie in 4 dargestellt ist, sind die Strommesseinrichtung 34 und die Spannungsmesseinrichtung 36 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 52 angeordnet. Der Shunt 38 ist außerdem in der Leiterpatte 52 eingebettet. Die Kontaktelemente 42 sind auf nicht explizit dargestellte Weise mit dem Shunt 38 elektrisch verbunden.
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An einem Rand der Leiterplatte 52 sind mehrere elektrische Steckverbinderaufnahmen 54 angeordnet. Die Spannungsmesseinrichtung 36 ist ausgeführt, die Ladespannung an der Verbindungseinrichtung 12 zwischen der jeweiligen Steckverbinderaufnahme 54 und einem Potential an dem Shunt 38 zu messen.
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Die Messeinrichtung 20 umfasst ebenfalls ein elektrisch leitendes Verbindungselement 46 zur elektrischen Verbindung der Spannungsmesseinrichtung 36 mit einem zweiten Stromleiter 24. Das Verbindungselement 46 ist als metallisches Blechelement 46 ausgeführt.
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Das elektrische Verbindungselement 46 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen nicht dargestellten Steckverbinder zur steckenden Verbindung mit einer der Steckverbinderaufnahmen 54 auf der Leiterplatte 52 auf.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das elektrische Verbindungselement 46 mit einer Schraubverbindung an der Leiterplatte 52 angebracht. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist das elektrische Verbindungselement 46 mit der Leiterplatte 52 verlötet.
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Das elektrische Verbindungselement 46 weist an seinem freien Ende ein Durchgangsloch zum Herstellen einer Schraubverbindung 56 mit dem zweiten Stromleiter 24 auf. Die Schraubverbindung 56 wird hergestellt, wie oben entsprechend für die Anbringung des Shunts 38 an dem ersten Stromleiter 22 beschrieben wurde.
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Das metallische Blechelement 46 spannt eine Ebene auf, die parallel zu einer Ebene der Leiterplatte 52 angeordnet ist. Außerdem weist das metallische Blechelement 46 eine Dicke auf, um Schwingungen zwischen der Leiterplatte 52 und dem zweiten Stromleiter 24 auszugleichen.
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Die Ladeeinrichtung 10 weist außerdem eine Auswerteeinheit 58 auf, die über den Datenbus 32 mit der Messeinrichtung 20 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 58 ist ausgeführt, mit der Messeinrichtung 20 gemessene Ströme und Spannungen zu empfangen und darauf basierend eine übertragene Energiemenge zu ermitteln. Die Auswerteeinheit 58 umfasst eine Anzeigevorrichtung 60, mit der die übertragene Energiemenge angezeigt wird. Die Auswerteeinheit 58 umfasst ein Gehäuse 62, in dem eine Funktionselektronik und die Anzeigevorrichtung 60 angeordnet sind. Die Auswerteeinheit 58 ist auf nicht dargestellte Weise zur Schraubbefestigung an der Ladeeinrichtung 10 ausgeführt. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 58 - hier nicht dargestellt - LEDs zum Abnehmen von Signalen für Kalibrierung und Eichung aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017129348 A1 [0011]
- US 2004169489 A1 [0012]
- US 2010076825 A1 [0013]
- US 2011258112 A1 [0014]
- US 2015346288 A1 [0015]
