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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrisch oder elektromotorisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Versorgungskabel zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung mit einem solchen Versorgungskabel.
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Elektrisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebsmaschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher gekoppelt ist. Derartige Energiespeicher sind beispielsweise in Form von elektrochemischen Batterien ausgeführt.
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Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei welcher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Batterien sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.
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Unter einem „Laden eines elektrisch oder elektromotorisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs“ wird hier und im Folgenden insbesondere das (Auf)Laden eines solchen sekundären Energiespeichers des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie verstanden.
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Im Zuge der Verkehrswende hat die Verbreitung von Elektro- und Hybridfahrzeugen zuletzt deutlich zugenommen. Zur Verbesserung der Alltagstauglichkeit von derartigen Kraftfahrzeugen ist es dabei besonders wünschenswert, dass sich der fahrzeuginterne Energiespeicher jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen kann. Zu diesem Zweck wurden speziell angepasste Versorgungseinheiten in Form von Ladestationen oder Ladesäule, sogenannte Stromtankstellen, entwickelt.
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Derartige Ladestationen können öffentlich oder nichtöffentlich zugänglich sein und weisen typischerweise mindestens eine Steckdose als Ladepunkt auf, an welchem das Kraftfahrzeug mittels einer Kabelverbindung aufgeladen werden kann. Unter einem „Ladepunkt“ ist hier und im Folgenden insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, an welcher zur gleichen Zeit typischerweise lediglich ein Elektro- oder Hybridfahrzeug aufgeladen werden kann. Ein solcher Ladepunkt ist in der Regel aus einer elektrischen Zuleitung eines Versorgungsnetzes gespeist, wobei die Zuleitung typischerweise eine Überstromsicherung aufweist. Derartige Sicherungen begrenzen den maximal zulässigen Strom (Maximalstrom), welcher über den Ladepunkt entnehmbar ist.
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Derartige Ladestationen sind funktionsgemäß an ein Versorgungs- oder Stromnetz gekoppelt und weisen in der Regel eine integrierte Ladeinfrastruktur auf. Die Ladeinfrastruktur umfasst beispielsweise einen Stromrichter (Gleichrichter, Wandler), welcher einen elektrischen (Versorgungs-)Strom des Versorgungsnetzes in einen Ladestrom zum Laden des Kraftfahrzeugs wandelt. Nachteiligerweise ist die Verfügbarkeit derartiger Ladestationen vergleichsweise gering.
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Zum Laden eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art ist es beispielsweise ebenso denkbar, das Kraftfahrzeug mittels einer üblichen Haushaltssteckdose (Schutzkontaktsteckdose, Schukosteckdose) aufzuladen. Derartige Haushaltssteckdosen sind als Ladepunkt in der Regel an ein öffentliches Drehstrom- oder Wechselstromnetz (AC-Netz) als Versorgungsnetz gekoppelt. Bei einem solchen Wechselstrom laden (AC-Laden) wird das Kraftfahrzeug somit beispielsweise einphasig über eine In-Kabel-Kontrollbox (ICCB) oder direkt über ein Ladekabel als elektrisches Versorgungskabel mittels der Haushaltssteckdose mit dem Versorgungs- oder Stromnetz verbunden.
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Da bei einem AC-Laden das Kraftfahrzeug aus der Haushaltssteckdose aufgeladen wird, begrenzt sich die erforderliche Ladeinfrastruktur auf das Lade- oder Versorgungskabel. Mit anderen Worten ist die Ladeinfrastruktur - im Gegensatz zu einer Ladestation - vorzugsweise in das Ladekabel integriert. Das Ladekabel verfügt hierbei vorzugsweise über eine integrierte Überwachung in Form eines einstellbaren Ladereglers, mittels welchem ein Kraftfahrzeugnutzer einen gewünschten Ladestrom einstellen kann. Der Laderegler weist hierbei typischerweise einen einstellbaren Gleichrichter auf, welcher den Wechselstrom des Versorgungsnetzes in den Ladestrom gleichrichtet. Im Falle einer 230 V (Volt) AC-Steckdose ist der Ladestrom typischerweise bis zu 16 A (Ampere) einstellbar.
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Mittels eines solchen Versorgungskabels können Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art prinzipiell an jeder 230 V-AC-Steckdose aufgeladen werden. Somit ist es denkbar, die vorhandene öffentliche elektrische Infrastruktur, wie beispielsweise Straßenlaternen oder Beleuchtungen von Gehwegen und/oder Parkplätzen, mit Ladepunkten zu versehen. Dadurch kann die öffentliche elektrische Infrastruktur als Versorgungseinheit zum Laden von elektrisch angetrieben oder antreibbaren Kraftfahrzeugen weitergebildet werden, wodurch die Verfügbarkeit von Ladepunkten für die Elektromobilität wesentlich verbessert wird. Nachteiligerweise sind die elektrischen Zuleitungen der Infrastruktur oder des Versorgungsnetzes in der Regel lediglich einphasig und mit 16 A abgesichert.
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Steht infrastrukturseitig lediglich ein Ladepunkt oder eine Steckdose zur Verfügung, so ist somit lediglich ein Kraftfahrzeug mit dem Ladekabel mit Laderegler aufladbar. Um ein Auslösen der Stromabsicherung zu vermeiden, ist ein gleichzeitiges Laden von mehreren Kraftfahrzeugen an einem einzelnen, gemeinsamen Ladepunkt bei einer Verwendung eines Mehrfachverteilers lediglich möglich, wenn jeder Kraftfahrzeugnutzer einen entsprechend reduzierten Ladestrom am jeweiligen Laderegler einstellt.
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Aus der
DE 10 2011 107 900 A1 ist eine Steuereinrichtung zur Festlegung des maximal zur Verfügung stehenden Ladestroms beim Laden von Elektrofahrzeugen bekannt. Die Steuereinrichtung, die als Teil einer Ladeinfrastruktur in eine Ladestation integriert ist, ist zwischen einem elektrischen Versorgungsnetz und einer fahrzeugseitigen Ladeelektronik eines Energiespeichers verschaltet. Die Steuereinrichtung kommuniziert über ein Ladekabel die aktuell maximal verfügbare Ladestromstärke an die Ladeelektronik, sodass einem Kraftfahrzeugnutzer die Ladestromstärke, und somit die Ladezeitdauer bis zu vollständigen Ladung des Energiespeichers, signalisierbar ist.
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Die
DE 10 2011 107 628 A1 offenbart ein Ladekabel mit einem integrierten Laderegler. Das Ladekabel ist hierbei zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer Ladestation und einer Ladeelektronik eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Die Ladestation kann mit einem Gleichstrom- oder Wechselstromnetz als Versorgungsnetz ausgeführt sein, wobei der Laderegler einen steuerbaren Gleichrichter aufweist. Das Ladekabel weist weiterhin eine integrierte Kommunikationsleitung auf, mittels welcher Ladeparameter zwischen der netzseitigen Ladestation, dem kabelseitigen Laderegler und der fahrzeugseitigen Ladeelektronik übertragbar sind. Die Ladeelektronik versendet hierbei beispielsweise Informationen über den Ladestatus oder den Ladestrom als Ladeparameter an den Laderegler zur Ansteuerung des Gleichrichters. Des Weiteren übermittelt der Laderegler Informationen zur Bereitschaft des Ladens und zum Bemessungswert des Ladestroms, insbesondere zum maximalen Ladestrom, als Ladeparameter an die Ladestation.
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Die
WO 2012/149965 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lademanagement für Elektrofahrzeuge. Hierbei wird ein maximaler Ladestrom (Maximalstrom) für mehrere Ladevorgänge, beispielsweise für mehrere Ladestationen und/oder Elektrofahrzeuge, zentral oder dezentral koordiniert. Die Elektrofahrzeuge sind hierbei jeweils an einen Ladepunkt einer Ladestation angeschlossen. Die Ladestationen sind Teil eines Ladesystems, welches die Lastverteilung an den Ladestationen bzw. Ladepunkten bestimmt und elektrische Energie aus einem Versorgungsnetz gemäß dieser Lastverteilung bereitstellt. Hierbei ist beispielsweise eine Master-Ladestation vorgesehen, welche die Energie des Versorgungsnetzes auf die einzelnen (Slave-)Ladestationen aufteilt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte ermöglichen jedoch kein gleichzeitiges oder paralleles Laden mehrerer Kraftfahrzeuge an einem gemeinsamen, einzelnen Ladepunkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Laden eines elektrisch antreibbaren oder angetriebenen Kraftfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll ein gleichzeitiges oder paralleles Laden mehrerer Kraftfahrzeuge an einem gemeinsamen Ladepunkt ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes elektrisches Versorgungskabel zur Durchführung des Verfahrens sowie eine besonders geeignete Vorrichtung mit einem solchen Versorgungskabel zum Laden eines elektrisch antreibbaren oder angetriebenen Kraftfahrzeugs anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Versorgungskabels mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren und/oder das Versorgungskabel angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung übertragbar und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Laden eines elektrisch angetrieben oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, geeignet und ausgestaltet.
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Verfahrensgemäß wird hierbei das Kraftfahrzeug mittels eines elektrischen Versorgungskabels mit einer mit einem Versorgungsnetz verbundenen Versorgungseinheit elektrisch leitend verbunden. Mit anderen Worten erfolgt eine kabelgebundene Signal- und/oder Energieübertragung zwischen dem Kraftfahrzeug und der Versorgungseinheit.
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Das beispielsweise als Ladekabel ausgeführte Versorgungskabel weist einen Laderegler zur Strombegrenzung eines Ladestroms auf, mit welchem ein elektrochemischer Energiespeicher des Kraftfahrzeugs aufladbar ist.
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Die Versorgungseinheit ist mit mindestens einem Ladepunkt ausgeführt. Die Versorgungseinheit kann hierbei beispielsweise nach Art einer Ladestation oder Ladesäule ausgeführt sein. Der Ladepunkt ist insbesondere mittels einer einzigen Zuleitung des Versorgungsnetzes abgesichert. An den Ladepunkt ist ein Mehrfachverteiler angeschlossen, mit welchem ein von dem Versorgungsnetz bereitgestellter Maximalstrom als maximaler Ladestrom auf mehrere parallele Steckanschlüsse aufgeteilt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind somit nicht mehrere Kraftfahrzeuge an mehreren Ladepunkten einer Versorgungseinheit angeschlossen oder anschließbar. Vielmehr werden mehrere Kraftfahrzeuge aus einem gemeinsamen, einzelnen Ladepunkt heraus geladen oder gespeist.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass bei einem Anschluss des Versorgungskabels an einen Steckanschluss des Mehrfachverteilers ein erster Verfahrensschritt gestartet wird. Insbesondere wird der erste Verfahrensschritt gestartet, wenn das Versorgungskabel einerseits an einer Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs und andererseits an den Steckanschluss des Mehrfachverteilers angeschlossen wird. Beispielsweise wird der erste Verfahrensschritt bei einer Erfassung einer am Versorgungskabel anliegenden Versorgungsspannung des Versorgungsnetzes aktiviert.
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Im ersten Verfahrensschritt wird die Ist-Anzahl der an dem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeuge erfasst. Dies bedeutet, dass im Zuge des ersten Verfahrensschritts ermittelt wird, wie viele Kraftfahrzeuge über den Mehrfachverteiler aus dem gemeinsamen Ladepunkt gespeist werden sollen. Die Ist-Anzahl umfasst hierbei die Anzahl der bereits an dem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeuge sowie das neu angeschlossene Kraftfahrzeug. Mit anderen Worten wird die Anzahl der bereits an dem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeuge im Zuge des Anschlusses oder des ersten Verfahrensschritts inkrementell erhöht.
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Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt anhand der Ist-Anzahl ein Sollwert des Ladestroms für das an den Steckanschluss neu angeschlossene Kraftfahrzeug bestimmt.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Ladevorgang gestartet, bei welchem der anhand des Sollwerts mittels des Ladereglers eingestellte Ladestrom über den Steckanschluss des Mehrfachverteilers aus der Versorgungseinheit entnommen und in das Kraftfahrzeug eingespeist wird.
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Durch die Berücksichtigung der Ist-Anzahl von gleichzeitig an dem Ladepunkt angeschlossenen Kraftfahrzeugen bei der Bestimmung des Sollwerts des Ladestroms ist es möglich, die Bedürfnisse der angeschlossenen Kraftfahrzeuge im Hinblick auf einen jeweiligen Ladestrom mit der Auslegung oder Absicherung des Ladepunkts abzustimmen. Insbesondere ist es somit möglich, mehrere Kraftfahrzeuge gleichzeitig oder parallel an einen gemeinsamen Ladepunkt einer Versorgungseinheit anzuschließen und zu laden. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Laden eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs realisiert. Das Verfahren ist hierbei insbesondere auf alle gängigen 230 V oder 400 V Ladepunkte anwendbar.
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Der Ladepunkt ist hierbei insbesondere mittels einer Überstromsicherung abgesichert, welche den maximal zulässigen Laststrom oder Maximalstrom begrenzt. Der Sollwert des Ladereglers ist hierbei vorzugsweise stets derart dimensioniert, dass die Sicherung des Ladepunktes im Zuge des Ladevorgangs nicht ausgelöst wird.
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Die Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise für einen Mode-2 Lademodus oder Ladevorgang gemäß ICE-61851 ausgeführt, bei welcher das Lade- oder Versorgungskabel über Signalisierungseinrichtungen, insbesondere Widerstandskodierungen, verfügt, welche der fahrzeugseitigen Ladeelektronik die eingestellte Strombegrenzung des Ladereglers, also den eingestellten Sollwert für die Stromstärke des Ladestroms, kommuniziert.
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Die Versorgungseinheit kann beispielsweise als eine Ladesäule oder Ladestation mit mehreren Ladepunkten ausgeführt sein, wobei jeder Ladepunkt mittels eines jeweils zugeordneten Mehrfachverteilers auf mehrere parallele Steckanschlüsse aufgeteilt wird. Dadurch wird die Anzahl der Ladestellen an einer Versorgungseinheit wesentlich erhöht, wodurch die Verfügbarkeit von Ladestellen für die Elektromobilität wesentlich verbessert wird.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik werden hierbei mehrere Kraftfahrzeuge an einen gemeinsamen Ladepunkt angeschlossen und geladen, wobei das erfindungsgemäße Verfahren sicherstellt, dass eine zugeordnete (Überstrom-)Sicherung (Schutzschalter, Schütz) des Ladepunktes nicht unerwünscht auslöst.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei einer Änderung der Ist-Anzahl, also bei einem Anschluss eines weiteren Kraftfahrzeugs oder bei einem Trennen eines Kraftfahrzeugs von dem Mehrfachverteiler, ein vierter Verfahrensschritt gestartet, bei welchem der Sollwert des Ladestroms angepasst wird. Mit anderen Worten wird die Ist-Anzahl kontinuierlich, also dauerhaft, oder periodisch, also in regelmäßigen Zeitintervallen, überwacht.
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Insbesondere werden im Zuge des vierten Verfahrensschritts der erste, zweite und dritte Verfahrensschritt wiederholt. Insbesondere wird die neue Ist-Anzahl der an dem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeuge bestimmt und der Sollwert des Ladestroms entsprechend angepasst. Dadurch wird sichergestellt, dass stets eine betriebssichere und effektive Ladung des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Sollwert des Ladestroms anhand einer Division des Maximalstroms durch die Ist-Anzahl bestimmt. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Bestimmung des Sollwerts realisiert. Insbesondere ist hierdurch eine gleichmäßige Aufteilung des zulässigen Maximalstroms auf alle angeschlossen Kraftfahrzeuge gewährleistet.
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In einer denkbaren Ausgestaltungsform ist das Versorgungsnetz insbesondere ein dreiphasiges 230 V-AC-Stromnetz. Eine der Phasen ist hierbei als Zuleitung an den Ladepunkt geführt, wobei ein Maximalstrom von etwa 16 A bereitgestellt wird. Durch das Verfahren ist es möglich, den zulässigen Maximalstrom auf mehrere Kraftfahrzeuge aufzuteilen. Insbesondere wird durch das Verfahren verhindert, dass die Summe der einzelnen Ladeströme den Maximalstrom überschreitet und somit einen Überstromschutz des Ladepunkts auslöst. Vorzugsweise ist hierbei jedes Kraftfahrzeug mit einem Versorgungskabel mit einem verfahrensgemäß gesteuerten Laderegler an einen der Steckanschlüsse des Mehrfachverteilers angeschlossen.
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Falls keine weiteren Kraftfahrzeuge an dem Mehrfachverteiler angeschlossen sind wird im ersten Verfahrensschritt eine Ist-Anzahl von „1“ (Eins) erfasst. Dies bedeutet, dass das neu angeschlossene Kraftfahrzeug der einzige Teilnehmer oder Verbraucher des Mehrfachverteilers beziehungsweise des Ladepunkts ist. Als Sollwert des Ladestroms ergibt sich somit im zweiten Verfahrensschritt der Maximalstrom. Dadurch wird das Kraftfahrzeug in diesem Falle während des dritten Verfahrensschritts, also während des Ladevorgangs, mit dem maximal möglichen Ladestrom, beispielsweise 16 A, geladen.
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Wenn ein zweites Versorgungskabel oder Kraftfahrzeug an den Mehrfachverteiler angeschlossen wird, ändert sich die Ist-Anzahl, wodurch der vierte Verfahrensschritt gestartet wird. Hierbei werden die ersten, zweiten und dritten Verfahrensschritte wiederholt und ein neuer Sollwert bestimmt. Die neue Ist-Anzahl beträgt somit „2“ (Zwei), so dass für jedes Kraftfahrzeug ein Sollwert gleich dem halben Maximalstrom bestimmt wird. Mit anderen Worten wird der Maximalstrom als gleichmäßige, also hinsichtlich der Stromstärkte gleich dimensionierte, Ladeströme aufgeteilt. Die beiden Kraftfahrzeuge werden somit mit jeweils 50 % des Maximalstroms als Ladestrom geladen. Entsprechend wird der Maximalstrom bei einem Zuschalten weiterer Kraftfahrzeuge gleichmäßig aufgeteilt.
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Bei einer Beendigung des Ladevorgangs, wenn das Versorgungskabel von dem Steckanschluss des Mehrfachverteilers getrennt wird, und/oder wenn der zu ladende Energiespeicher vollständig aufgeladen ist, wird die Ist-Anzahl für die Ladevorgänge der verbleibenden Kraftfahrzeuge dekrementell reduziert, sodass die verbleibenden Kraftfahrzeuge mit einem erhöhten Ladestrom geladen werden können. Dadurch ist ein besonders zweckmäßiges Verfahren zum Laden von mehreren Kraftfahrzeugen an einem gemeinsamen Ladepunkt realisiert.
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Das erfindungsgemäße elektrische Versorgungskabel ist insbesondere als ein Ladekabel oder eine Ladeleitung für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, also elektrisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, geeignet und eingerichtet. Das nachfolgend auch als Ladekabel bezeichnete Versorgungskabel weist einen integrierten Laderegler und eine Kommunikationsleitung zur signaltechnischen Kommunikation mit Ladereglern weiterer Versorgungskabel bei einem Anschluss an einem Mehrfachverteiler einer Versorgungseinheit auf. Der Laderegler ist hierbei mit einem Controller, also einem Steuergerät, ausgeführt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Versorgungskabel realisiert.
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Der Controller des Ladereglers ist allgemein programm- und/oder schaltungstechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Laden eines an einem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeugs geeignet und eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, bei einem Anschluss des Ladekabels an einem Mehrfachverteiler die Ist-Anzahl der an dem Mehrfachverteiler angeschlossenen Kraftfahrzeuge und anhand der Ist-Anzahl einen Sollwert für den Ladestrom zu bestimmen, mit welchem der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs im Zuge eines Ladevorgangs geladen wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Microcontroller mit einem Prozessor und mit einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, sodass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Kraftfahrzeug- oder Kabelnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Microcontroller automatisch durchgeführt wird.
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Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Zweckmäßigerweise weist der Controller eine Kommunikationsschnittstelle mit der Kommunikationsleitung auf, sodass die Controller der am Mehrfachverteiler angeschlossenen Laderegler miteinander kommunizieren können. Die Kommunikationsschnittstelle beziehungsweise die Kommunikationsleitung sind hierbei beispielsweise als Bluetooth-, WLAN- oder vorzugsweise als eine Powerline-Verbindung, also mit einer Trägerfrequenzanlage, ausgeführt.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt somit lediglich eine Kommunikation der Laderegler mehrerer Versorgungskabel untereinander. Dies bedeutet, dass die Anzahl der an einen gemeinsamen Ladepunkt angeschlossenen Versorgungskabel beziehungsweise Kraftfahrzeuge kabelseitig erfasst wird. Insbesondere wird die Steuerung und/oder Regelung des Sollwerts des Ladestroms auf die Laderegler verlagert.
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Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß eine Funktionserweiterung für Versorgungskabel mit Laderegelung vorgesehen ist. Durch diese Funktionserweiterung ist es möglich, den zulässigen Maximalstrom eines Ladepunkts auf mehrere Kraftfahrzeuge aufzuteilen. Die Funktion des Versorgungskabels mit Laderegelung in Richtung des Kraftfahrzeugs ist hierbei im Wesentlichen eine Mode-2 Schnittstelle gemäß ICE-61851. Zusätzlich ist erfindungsgemäß eine Funktion zur Ermittlung der Aufteilung des Maximalstroms auf die angeschlossenen Kraftfahrzeuge vorgesehen.
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In einer geeigneten Ausführungsform wird die Funktion beziehungsweise das Verfahren in Form eines Frage-Antwort-Prinzips implementiert.
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Bei einem Anschluss des Versorgungskabels an den Mehrfachverteiler und das Kraftfahrzeug wird das Versorgungskabel beziehungsweise dessen Laderegler durch die anliegende Versorgungsspannung aktiviert. Im Zuge des ersten Verfahrensschritts empfängt der Laderegler während einer Zeitdauer Signale weiterer angeschlossener Laderegler. Ist lediglich ein Kraftfahrzeug oder ein Versorgungskabel angeschlossen, so bleiben die Signale während der Zeitdauer aus. Somit ist der angeschlossene Laderegler der einzige Teilnehmer, wodurch der Sollwert auf die Stromstärke des Maximalstroms gesetzt wird. Dies bedeutet, dass der Laderegler den maximal zulässigen Ladestrom kommuniziert oder überträgt. Des Weiteren sendet der Laderegler hierbei ein Signal in Richtung des Mehrfachverteilers, dass er als erstes angeschlossen wurde. Der Laderegler überwacht hierbei regelmäßig oder kontinuierlich, ob zusätzliche Versorgungskabel beziehungsweise Laderegler an den Mehrfachverteiler angeschlossen werden.
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Wird ein weiteres Versorgungskabel an den Mehrfachverteiler angeschlossen, so empfängt der zweite Laderegler während der Zeitdauer, dass bereits an Versorgungskabel angeschlossen ist und sendet daraufhin ein Signal, dass der Maximalstrom zwischen den beiden Versorgungskabeln aufgeteilt werden soll. Mit anderen Worten kommuniziert der zweite Laderegler, dass die Ist-Anzahl geändert wurde. Dies bewirkt bei dem ersten Laderegler eine Änderung der hinterlegten Ist-Anzahl, wodurch im Zuge des vierten Verfahrensschritts der Sollwert geändert und angepasst wird. Insbesondere wird der Sollwert hierbei auf eine Stromstärke gleich dem halben Maximalstrom gesetzt. Der erste Laderegler kommuniziert daraufhin, dass er einen reduzierten Ladestrom zieht, wodurch der zweite Laderegler den Ladevorgang betriebssicher starten kann. Dadurch ist sichergestellt, dass über den Mehrfachverteiler stets in der Summe kein Strom größer dem Maximalstrom entnommen wird. Anschließend senden der erste und zweite Laderegler jeweils ein (Status-)Signal über die Kommunikationsschnittstelle.
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Wird ein drittes Versorgungskabel an den Mehrfachverteiler angeschlossen, so empfängt dessen Laderegler während der Zeitdauer (Status-)Signale oder Botschaften von den zwei bereits angeschlossenen Ladereglern. Der dritte Lageregler kommuniziert daraufhin, dass sich die Ist-Anzahl auf „3“ (Drei) erhöht hat, wodurch der erste und zweite Laderegler im Zuge des vierten Verfahrensschritts ihren jeweiligen Sollwert auf ein Drittel des Maximalstroms reduzieren. Der erste und zweite Laderegler kommunizieren anschließend mittels Statussignalen die neue Ist-Anzahl, wodurch der dritte Laderegler den Ladevorgang startet. Für weitere Versorgungskabel erfolgt der Ablauf entsprechend.
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Wird der Ladevorgang für eines der Versorgungskabel beendet, bleiben die (Status-)Signale des zugeordneten Ladereglers aus. Dadurch registrieren die übrigen Laderegler während der Zeitdauer eine reduzierte Ist-Anzahl, wodurch der Sollwert im Zuge des vierten Verfahrensschritts entsprechend erhöht eingestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Laden eines elektrisch angetrieben oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung weist hierbei eine an ein Versorgungsnetz angeschlossene oder anschließbare Versorgungseinheit mit einem Ladepunkt auf, wobei an dem Ladepunkt ein Mehrfachverteiler mit einer Anzahl von parallel geschalteten Steckanschlüssen angeschlossen ist.
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Die Vorrichtung weist weiterhin ein vorstehend beschriebenes elektrisches Versorgungskabel zur elektrisch leitenden (Kabel-)Verbindung des Kraftfahrzeugs und der Versorgungseinheit auf. Durch das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene oder betreibbare Versorgungskabel ist sichergestellt, dass eine Anzahl von Kraftfahrzeugen parallel an einen gemeinsamen Ladepunkt der Versorgungseinheit anschließbar sind, ohne dass dabei ein zulässiger Maximalstrom überschritten wird. Dadurch ist eine besonders geeignete Vorrichtung zum Laden eines Kraftfahrzeugs realisiert.
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Zweckmäßigerweise weist der Mehrfachverteiler hierbei eine geeignete Kommunikationsschnittstelle auf, sodass die Kommunikationsschnittstellen oder Kommunikationsleitungen der Versorgungskabel im angeschlossenen Zustand miteinander signaltechnisch gekoppelt sind. Dadurch ist eine Kabel-zu-Kabel- beziehungsweise Laderegler-zu-Laderegler-Kommunikation über den Mehrfachverteiler ermöglicht.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt bei der Vorrichtung somit keine netzseitige oder versorgungsnetzseitige Einstellung und/oder Regelung des Maximalstroms des Ladepunkts, sondern eine kabelseitig gesteuerte Aufteilung des Maximalstroms des Ladepunkts auf mehrere parallel oder gleichzeitig angeschlossene Kraftfahrzeuge. Dies ermöglicht eine besonders effektive Nutzung einer vorhandenen öffentlichen elektrischen Infrastruktur, wie beispielsweise Straßenlaternen oder Beleuchtungen, als Versorgungseinheiten für die Elektromobilität.
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Das Versorgungsnetz ist beispielsweise ein solargespeistes Gleichstromnetz. In einer geeigneten Ausbildung ist das Versorgungsnetz jedoch als ein mehrphasiges Wechselstrom oder Drehstromnetz ausgeführt. Insbesondere ist das Versorgungsnetz hierbei ein dreiphasiges 230 V-AC-Stromnetz. Der Ladepunkt ist dabei an eine oder mehrere Phasen des Versorgungsnetzes angeschlossen.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Mehrfachverteiler eine Steckdosenleiste mit einer Anzahl von Steckdosen als Steckanschlüssen für die Herstellung einer Schutzkontakt-Steckverbindung (Schuko-Kupplung) mit einem Stecker des Versorgungskabels aufweist. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung für den Mehrfachverteiler hinsichtlich einer Nutzung der vorhandenen öffentlichen elektrischen Infrastruktur realisiert. Des Weiteren ist dadurch ein einfacher Einsatz des Ladekabels auch bei einer herkömmlichen Haushaltssteckdose gewährleistet.
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Alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass der Ladepunkt an eine dreiphasige Zuleitung geführt ist, wobei das Versorgungskabel netzseitig beispielsweise einen Stecker nach dem CEE-System (Commission on the Rules for the Approval of the Electrical Equipment, deutsch: Internationale Kommission für die Regelung der Zulassung elektrischer Ausrüstungen), insbesondere einen CEE 16 A- oder CEE 32 A-Stecker, aufweist.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
- 1 eine Vorrichtung zum Laden einer Anzahl von elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen,
- 2 ein elektrisches Versorgungskabel der Vorrichtung, und
- 3 ein das Verfahren zum Laden eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs veranschaulichendes Blockdiagram.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung 2 zum Laden eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs 4. Die Vorrichtung 2 weist eine als Ladestation oder Ladesäule ausgeführte Versorgungseinrichtung 6 auf, welche mittels eines Netzanschlusses 8 an ein dreiphasiges Drehstromnetz als Versorgungsnetz 10 angeschlossen ist. Zwischen dem Netzanschluss 8 und der Versorgungseinrichtung 6 verlaufen ein Schutzleiter PE und ein Neutralleiter N sowie ein mittels einer Überstromsicherung 12 abgesicherter Leiter L.
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Das Versorgungsnetz 10 ist hierbei insbesondere ein dreiphasiges 230 V-AC-Stromnetz, wobei eine Phase über den Netzanschluss 8 mittels der durch die Leiter PE, N, L gebildeten Zuleitung an einen Ladepunkt 14 der Versorgungseinheit 6 geführt ist. Die Überstromsicherung 12 ist hierbei insbesondere eine 16 A-Sicherung, dies bedeutet, dass die Überstromsicherung 12 auslöst, wenn über den Leiter L eine Stromstärke größer als 16 A fließt. Bei einem Auslösen der Überstromsicherung 12 wird der Ladepunkt 14, insbesondere galvanisch, von dem Versorgungsnetz 10 getrennt. Somit ist über den Ladepunkt 14 lediglich ein zulässiger Maximalstrom IM entnehmbar.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind das Versorgungsnetz 10, der Netzanschluss 8 sowie die Versorgungseinheit 6 vorzugsweise Teil einer öffentlichen elektrischen Infrastruktur 16. Insbesondere ist die Versorgungseinheit 6 eine Laterne, welche mit dem Ladepunkt 14 versehen ist. Die Laterne ist somit nach Art einer Ladestation oder einer Ladesäule zum Laden von Elektrofahrzeugen 4 weitergebildet.
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An den beispielsweise als Steckdose ausgeführten Ladepunkt 14 ist ein Mehrfachverteiler 18 mit drei parallel geschalteten Steckanschlüssen 20 angeschlossen. In der 1 ist der Mehrfachverteiler 18 zur verbesserten Übersicht als ein separates Bauteil gezeigt, vorzugsweise ist der Mehrfachverteiler 18 jedoch ein Teil der Versorgungseinheit 6 und ist insbesondere in diese integriert.
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Das Kraftfahrzeug 4 ist mittels eines elektrischen Versorgungskabels 22 mit einem der Steckanschlüsse 20 des Mehrfachverteilers 18 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind drei Kraftfahrzeuge 4 gezeigt, welche jeweils mittels eines Versorgungskabels 22 an einen Steckanschluss 20 des Mehrfachverteilers 18 angeschlossen sind. Beispielhaft sind in den Figuren lediglich ein Elektro- oder Kraftfahrzeug 4 und ein Versorgungskabel 22 mit Bezugszeichen versehen.
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Der Mehrfachverteiler 18 ist beispielsweise als eine Steckdosenleiste mit einer Anzahl von Steckdosen als Steckanschlüsse 20 für die Herstellung einer Schutzkontakt-Steckverbindung (Schuko-Kupplung) mit einem (Schuko-)Stecker 24 des Versorgungskabels 22 ausgeführt.
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Das nachfolgend auch als Ladekabel bezeichnete Versorgungskabel 22 weist fahrzeugseitig einen zweiten Stecker 26 auf, welcher insbesondere als eine Mode-2 Ladeschnittstelle für eine Ladeschnittstelle 28 des Kraftfahrzeugs 4 ausgebildet ist. Über die Ladeschnittstelle 28 ist ein fahrzeuginterner Energiespeicher 30 des Kraftfahrzeugs 4 mit elektrischer Energie aufladbar. Der Energiespeicher 30 ist beispielsweise ein (sekundäres) Batteriesystem eines (Hochvolt-)Bordnetzes.
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Das in der 2 in einer vergleichsweise detaillierten Darstellung gezeigte Ladekabel 22 weist einen Laderegler 32 auf, welcher zwischen den netzseitigen und den fahrzeugseitigen Stecker 24 bzw. 26 verschaltet ist.
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Der Laderegler 32 umfasst hierbei einen Controller 34 zur Steuerung eines Gleichrichters 36, welcher den Wechselstrom des Ladepunkts 14 in einen Ladestrom IL zum Laden des Energiespeichers 30 wandelt (1). Der Laderegler 32 ist hierbei insbesondere zur Strombegrenzung des Ladestroms IL ausgebildet.
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Der Controller 34 ist weiterhin mit einer nicht näher bezeichneten Kommunikationsschnittstelle ausgeführt, mittels welcher er über eine Kommunikationsleitung 38 mit den Controllern 34 beziehungsweise mit den Ladereglern 32 der anderen Ladekabel 22 kommunizieren kann. Vorzugsweise weist der Mehrfachverteiler 18 hierbei eine integrierte Kommunikationsleitung auf, welche die Kommunikationsleitungen 38 der Ladekabel 22 im steckverbundenen Zustand signaltechnisch miteinander koppelt. Die Kommunikationsschnittstellen und Kommunikationsleitungen 38 sind hierbei insbesondere für eine Powerline-Verbindung ausgestaltet.
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Nachfolgend ist anhand der 3 ein Verfahren zum Laden eines oder mehrerer Kraftfahrzeuge näher erläutert. Die 3 zeigt schematisch den Ablauf eines nach einem Frage-Antwort-Prinzip ausgeführten Verfahrens für das Laden von einem Kraftfahrzeug und von zwei Kraftfahrzeugen 4. Für weitere Kraftfahrzeuge 4 oder Ladekabel 22 erfolgt der Ablauf entsprechend.
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Die 3 zeigt einen Zeitstrahl t. Zu einem Zeitpunkt t1 wird ein erstes Versorgungskabel 22 an den Mehrfachverteiler 18 angeschlossen und zu einem Zeitpunkt t2 wird ein zweites Versorgungskabel 22 zusätzlich an den Mehrfachverteiler 18 angeschlossen.
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Bei einem Anschluss des Versorgungskabels 22 an den Mehrfachverteiler 18 einerseits und das Kraftfahrzeug 4 andererseits wird der Laderegler 32 durch die anliegende Versorgungsspannung des Ladepunkts 14 aktiviert. Bei der Aktivierung des Ladereglers 32 wird im Controller 34 ein erster Verfahrensschritts 40 gestartet.
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Während des ersten Verfahrensschritts 40 empfängt der Laderegler 32 während einer Zeitdauer Statussignale S weiterer angeschlossener Laderegler 32. Anhand der empfangenen oder nicht-empfangenen Statussignale S bestimmt der Controller 34 die Ist-Anzahl A der an dem Mehrfachverteiler 18 angeschlossenen Kraftfahrzeuge 4 oder Ladekabel 22.
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Ist lediglich ein Kraftfahrzeug 4 oder ein Versorgungskabel 22 an den Mehrfachverteiler 18 angeschlossen (3 linke Seite), bleiben die Statussignale während der Zeitdauer aus. Dadurch bestimmt der Controller 34, dass der angeschlossene Laderegler 32 der einzige Teilnehmer ist, wodurch sich eine Ist-Anzahl A von „1“ ergibt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 42 wird anschließend anhand der Ist-Anzahl A ein Sollwert W für den Ladestrom IL beziehungsweise dessen Stromstärke bestimmt. Zur Bestimmung des Sollwerts W wird eine Division der Stromstärke des Maximalstroms IM durch die Ist-Anzahl A durchgeführt. Ist die Ist-Anzahl A gleich „1“, so ergibt sich als Sollwert W der Maximalstrom IM des Ladepunkts 14. Somit wird der Sollwert W im zweiten Verfahrensschritt 42 auf den Wert des Maximalstroms IM gesetzt.
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In einem dritten Verfahrensschritt 44 wird der Gleichrichter 36 anhand des bestimmten Sollwerts W derart angesteuert, dass der resultierende Ladestrom IL gleich dem Sollwert W ist. Dies bedeutet, dass bei einem einzigen angeschlossenen Kraftfahrzeug 4 oder Ladekabel 22 der Laderegler 32 den Maximalstrom IM als Ladestrom IL kommuniziert oder überträgt. Des Weiteren sendet der Laderegler 32 ein Statussignal S' in Richtung des Mehrfachverteilers 18, dass er als erstes angeschlossen wurde. Die versendeten Statussignale der Laderegler 32 sind in den Figuren mit dem Bezugszeichen S' und die empfangenen Statussignale der Laderegler 32 sind in den Figuren mit dem Bezugszeichen S versehen.
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Zum Zeitpunkt t2 wird ein weiteres Ladekabel 22 an den Mehrfachverteiler 18 angeschlossen. Der zweite Controller 34 des zweiten Ladereglers 32 empfängt während der Zeitdauer das Statussignal S des ersten Ladekabels 22. Der zweite Laderegler 32 bestimmt somit eine Ist-Anzahl A von „2“ und sendet daraufhin ein Statussignal S', dass der Maximalstrom IM gleichmäßig zwischen den beiden Ladekabeln 22 aufgeteilt werden soll. Mit anderen Worten kommuniziert der zweite Laderegler 32, dass die Ist-Anzahl geändert wurde. Dies bewirkt bei dem ersten Laderegler 32 eine Änderung der hinterlegten Ist-Anzahl A, wodurch ein vierter Verfahrensschritt 46 gestartet wird.
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Im Zuge des vierten Verfahrensschritts 46 wird anhand der neuen Ist-Anzahl A der Sollwert W angepasst. Insbesondere werden hierbei die Verfahrensschritte 40, 42 und 44 wiederholt. Insbesondere wird der Sollwert W hierbei auf eine Stromstärke gleich dem halben Maximalstrom IM gesetzt. Der erste Laderegler 32 kommuniziert daraufhin, dass er einen reduzierten Ladestrom IL zieht, wodurch der zweite Laderegler 32 den Ladevorgang starten kann. Anschließend senden der erste und zweite Laderegler 32 jeweils ein (Status-)Signal S' über die Kommunikationsleitung 38.
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Wird der Ladevorgang für eines der Ladekabel 22 beendet, bleiben die (Status)Signale S des zugeordneten Ladereglers 32 aus. Dadurch registrieren die übrigen Laderegler 32 während der Zeitdauer eine reduzierte Ist-Anzahl A, wodurch deren Sollwerte W im Zuge des vierten Verfahrensschritts 46 entsprechend erhöht eingestellt werden.
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Durch das Verfahren wird somit die Ist-Anzahl von gleichzeitig an dem Ladepunkt 14 angeschlossenen Kraftfahrzeugen 4 bei der Bestimmung des Sollwerts W des Ladestroms IL berücksichtigt. Dadurch ist es möglich, die Bedürfnisse der angeschlossenen Kraftfahrzeuge 4 im Hinblick auf einen jeweiligen Ladestrom IL mit der Auslegung oder Absicherung des Ladepunkts 14 abzustimmen. Insbesondere ist es somit möglich, mehrere Kraftfahrzeuge 4 gleichzeitig oder parallel an dem gemeinsamen Ladepunkt 14 der Versorgungseinheit 6 anzuschließen und zu Laden, ohne dass die Überstromsicherung 12 ausgelöst wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Kraftfahrzeug/Elektrofahrzeug
- 6
- Versorgungseinrichtung
- 8
- Netzanschluss
- 10
- Versorgungsnetz
- 12
- Überstromsicherung
- 14
- Ladepunkt
- 16
- Infrastruktur
- 18
- Mehrfachverteiler
- 20
- Steckanschluss
- 22
- Versorgungskabel/Ladekabel
- 24, 26
- Stecker
- 28
- Ladeschnittstelle
- 30
- Energiespeicher
- 32
- Laderegler
- 34
- Controller
- 36
- Gleichrichter
- 38
- Kommunikationsleitung
- 40, 42, 44, 46
- Verfahrensschritt
- PE
- Schutzleiter
- N
- Neutralleiter
- L
- Leiter
- IM
- Maximalstrom
- IL
- Ladestrom
- t
- Zeitstrahl
- t1, t2
- Zeitpunkt
- S, S'
- Statussignal
- A
- Ist-Anzahl
- W
- Sollwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011107900 A1 [0012]
- DE 102011107628 A1 [0013]
- WO 2012/149965 A1 [0014]
