DE102019112083A1 - Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem Ladestecker, Ladestecker und Ladestation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs aufweisend einen Schutzkontakt mit Schutzleiter, einen Pilotkontakt mit Pilotleiter zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte mit jeweils einem Ladeleiter, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker ein Detektionselement zur Detektion eines Störlichtbogens und ein Schaltelement zum Kurzschließen oder Unterbrechen des Pilotleiters aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Ladestation mit einem erfindungsgemäßen Ladestecker sowie ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Ladestecker.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs aufweisend einen Schutzkontakt mit Schutzleiter, einen Pilotkontakt mit Pilotleiter zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte mit jeweils einem Ladeleiter.
  • Insbesondere bei im Freien aufgestellten Ladestationen kann es durch das Eindringen von Wasser und/oder Schmutz zu hohen Verschmutzungsgraden im Ladestecker kommen. Bleibt der Ladestecker beispielsweise auf dem Boden liegen, können Schmutz und Wasser eindringen. Die Verschmutzungen können im Inneren des Ladesteckers während des Ladevorgangs Teilentladungen, beispielsweise in Form von Störlichtbögen, auslösen. Der Störlichtbogen schließt sowohl die Ladestation als auch die fahrzeugseitige Batterie kurz. Bei Ladesystemen mit Ladestationen und Ladesteckern nach dem Stand der Technik führt insbesondere der Kurzschluss der fahrzeugseitigen Batterie zu einem hohen Strom aus dem Fahrzeug zum Ort des Kurzschlusses, also in den Ladestecker. Die fahrzeugseitige Batteriesicherung wird ausgelöst. Erst der durch die Auslösung der fahrzeugseitigen Batteriesicherung verursachte Spannungsabfall kann von der Leistungselektronik der Ladestation erkannt werden. Der Kurzschluss selbst ist für die Ladestation nicht detektierbar, da sie während des Ladevorgangs als Stromquelle fungiert. Zwar unterbricht die Batteriesicherung den Stromkreis zwischen fahrzeugseitiger Batterie und Ladestecker bzw. Ladestation, eine Notabschaltung der Ladestation wird hierdurch jedoch nicht ausgelöst.
  • Ladestation und Ladestecker gemäß dem Stand der Technik sind insofern nachteilig, weil Detektion und Sicherung eines im Ladestecker selbst auftretenden Störlichtbogens von der fahrzeugseitigen Batteriesicherung und deren zuverlässigem Funktionieren abhängig sind. Auch erfolgt gemäß dem Stand der Technik keine Notabschaltung der Ladestation, so dass der Ladevorgang von Seiten der Ladestation trotz der Teilentladung nicht unterbrochen wird. Dies stellt ein Risiko für die Sicherheit der Ladestation dar.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladestecker, eine Ladestation und ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs aufweisend einen Schutzkontakt mit Schutzleiter, einen Pilotkontakt mit Pilotleiter zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte mit jeweils einem Ladeleiter, wobei der Ladestecker ein Detektionselement zur Detektion eines Störlichtbogens und ein Schaltelement zum Kurzschließen oder Unterbrechen des Pilotleiters aufweist. Durch die Anordnung von Detektions- und Schaltelement im Ladestecker ist eine schnelle und direkte Erkennung von Störlichtbögen im Ladestecker selbst möglich. Ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung des Pilotleiters kann von einer mit dem Ladestecker verbundenen Ladestation erkannt werden, und zwar unabhängig von einer fahrzeugseitigen Batteriesicherung und deren Auslösung. Die Störerkennung und -sicherung erfolgt autark durch die Ladestation und den mit ihr verbundenen Ladestecker.
  • Pilotkontakt und Pilotleiter sind Teil eines Schaltpiloten (control pilot, CP). Der Schaltpilot dient dem Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug, beispielsweise ermöglicht er die Erkennung der Ladekapazität. Der Schutzkontakt wird häufig auch mit „PE“ für „protective earth“ gekennzeichnet. Die Ladeleiter sind insbesondere während des Ladevorgangs stromführende Leiter.
  • Bevorzugt weist das Detektionselement einen Auslösemechanismus auf. Der Auslösemechanismus löst bei Detektion eines Störlichtbogens einen Schaltmechanismus des Schaltelements aus.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement zwischen Pilotleiter und Schutzleiter angeordnet. Insbesondere weist das Schaltelement einen Schaltmechanismus auf, der bei Auslösung durch den Auslösemechanismus des Detektionselements den Pilotleiter mit dem Schutzleiter elektrisch leitend verbindet.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das Schaltelement im Pilotleiter angeordnet und kann diesen unterbrechen. Insbesondere weist das Schaltelement einen Schaltmechanismus auf, der bei Auslösung durch den Auslösemechanismus des Detektionselements den Pilotleiter unterbricht. Insbesondere ist ein Stromfluss durch den Pilotleiter bei Unterbrechung nicht möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Detektionselement einen optischen Sensor, insbesondere einen Phototransistor und/oder eine Photodiode, auf. Der optische Sensor ist geeignet, im Ladestecker auftretende Störlichtbögen zu detektieren. Besonders bevorzugt weist das Detektionselement einen Optokoppler auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Detektionselement einen Detektionsbereich und die mindestens zwei Ladeleiter sind durch den Detektionsbereich verlaufend angeordnet. Im Detektionsbereich auftretende Störlichtbögen können so durch das Detektionselement detektiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ladestecker einen Proximity-Kontakt und einen Proximity-Leiter zur Detektion der fahrzeugseitigen Ladebuchse auf. Proximity-Kontakt und Proximity-Leiter sind Teil eines Näherungsschaltersystems (proximity pilot, PP). Das Näherungsschaltersystem stellt sicher, dass der Stromfluss aus der Ladestation nur bei korrekt an die fahrzeugseitige Ladebuchse angeschlossenem Ladestecker erfolgt.
  • Bevorzugt ist der Ladestecker ein Ladestecker eines Combined Charging System, kurz CCS-Stecker. Bevorzugt entspricht der Ladestecker der Norm IEC 62196 Typ 2. In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Ladestecker über genau fünf Kontakte mit zugehörigen Leitern, wobei die genau fünf Kontakte den Schutzkontakt mit Schutzleiter, den Pilotkontakt mit Pilotleiter, den Proximity-Kontakt mit Proximity-Leiter zur Detektion der fahrzeugseitigen Ladebuchse, sowie genau zwei Ladekontakte mit Ladeleitern zur Gleichstromladung umfassen. Bevorzugt stellt ein Ladekontakt den Pluspol und ein Ladekontakt den Minuspol dar. Der Ladestecker kann bevorzugt mit mehr als 500 V Gleichspannung laden, besonders bevorzugt mit 800 V.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug mit einem vorstehend beschriebenen Ladestecker, wobei die Ladestation eine Vorrichtung zur Notabschaltung aufweist, die mit dem Pilotleiter verbunden ist. Insbesondere ist die Notabschaltung Teil der Leistungselektronik der Ladestation.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladestation eine Gleichstromquelle oder eine Gleichspannungsquelle umfasst, die mit den Ladeleitern verbunden ist. Die Gleichstromquelle oder die Gleichspannungsquelle ist bevorzugt zum Hochleistungs-Gleichspannungsladen geeignet, d.h. dass die Gleichstromquelle oder die Gleichspannungsquelle zum Laden mit einer Leistung von größer als 50kW, bevorzugt größer als 100 kW, besonders bevorzugt größer als 200 kW, beispielsweise 350 kW, geeignet ist.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem Ladestecker aufweisend einen Schutzkontakt mit Schutzleiter, einen Pilotkontakt mit Pilotleiter zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte mit jeweils einem Ladeleiter, wobei der Ladestecker ein Detektionselement zur Detektion eines Störlichtbogens und ein Schaltelement zum Kurzschließen oder Unterbrechen des Pilotleiters aufweist, wobei in einem Detektionsschritt ein Störlichtbogen zwischen den mindestens zwei Ladeleitern des Ladesteckers mit dem Detektionselement im Ladestecker detektiert wird und in einem auf den Detektionsschritt folgenden Schaltschritt der Pilotleiter im Ladestecker kurzgeschlossen oder unterbrochen wird.
  • Hierdurch ist eine Erkennung und Sicherung von im Ladestecker auftretenden Störlichtbögen direkt im Ladestecker selbst möglich. Ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung des Pilotleiters können von einer mit dem Ladestecker verbundenen Ladestation erkannt werden. Bevorzugt wird der Stromfluss durch die mindestens zwei Ladeleiter in einem Abschaltungsschritt durch eine durch den Kurzschluss oder die Unterbrechung ausgelöste Notabschaltung unterbrochen. Die Notabschaltung erfolgt insbesondere unabhängig von einer etwaigen fahrzeugseitigen Batteriesicherung und deren Auslösung. Eine erfolgreiche Detektion und Sicherung der Ladestation sind nicht vom zuverlässigen Funktionieren einer fahrzeugseitigen Batteriesicherung abhängig.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
    • 1 illustriert schematisch einen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 illustriert schematisch einen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch einen Ladestecker 1 zum Laden eines Elektrofahrzeugs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ladestecker 1 ist Teil eines aus Ladestation und Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs bestehenden Ladesystems. Der Ladestecker 1 ist mit einem Kabel mit Kabelschirm 10 mit der Ladestation verbunden. Beim Laden eines Elektrofahrzeugs wird der Ladestecker 1 mit der Ladebuchse des Elektrofahrzeugs verbunden. Ladestecker 1 und Ladebuchse weisen hierzu sich entsprechende Kontakte auf. Bevorzugt ist der Ladestecker 1 Teil eines Combined Charging Systems (CCS), also ein CCS-Stecker. Besonders bevorzugt genügt der Ladestecker 1 der Norm IEC 62196 Typ 1 und Typ 2.
  • Der erfindungsgemäße Ladestecker 1 weist einen Schutzleiter 3 mit Schutzkontakt 2 auf. Der Schutzleiter 3 ist geerdet. Schutzleiter 3 und Schutzkontakt 2 werden häufig auch mit „PE“ für „protective earth“ bezeichnet. Sie sind mit dem Erdpotential verbunden. Der Ladestecker 1 weist ferner einen Pilotkontakt 4 mit Pilotleiter 5 auf. Pilotkontakt 4 und Pilotleiter 5 sind Teil des Schaltpiloten, auch mit CP für control pilot bezeichnet. Der Schaltpilot ermöglicht die Kommunikation zwischen Ladestation und fahrzeugseitiger Batterie. Beispielsweise werden mittels des Schaltpiloten Informationen über Ladezustand der Batterie an die Ladestation übermittelt. Der Ladestecker 1 weist ferner mindestens zwei Ladeleiter 9 mit Ladekontakten 8 auf. Durch diese erfolgt der Stromfluss in die fahrzeugseitige Batterie während des Ladevorgangs.
  • Insbesondere bei Ladestationen, die im Freien aufgestellt sind, kann es durch Eindringen von Schmutz und/oder Wasser, beispielsweise auch bei versehentlichem Liegenlassen des Ladestecker 1 auf dem Boden, zu hohen Verschmutzungsgraden im Ladestecker 1 kommen. Während des Ladevorgangs können diese Teilentladungen, insbesondere Störlichtbögen 13, im Ladestecker 1 verursachen. Hierdurch werden die Ladestation und die fahrzeugseitige Batterie kurzgeschlossen. Es kommt zu einem sehr hohen Strom aus der Batterie zum Ort der Teilentladung, also dem Störlichtbogen 13 im Ladestecker 1 hin. In Ladesystemen mit einer Ladestation und einem Ladestecker nach dem Stand der Technik, wird eine entsprechende Entladung der Batterie erst durch die fahrzeugseitige Batteriesicherung erkannt. Diese unterbricht den Stromkreis zwischen fahrzeugseitiger Batterie und Störlichtbogen 13 bzw. Ladestecker. Der hierdurch verursachte Spannungsabfall kann von der Leistungselektronik, insbesondere vom Laderegler, der Ladestation erkannt werden. Eine vorherige Erkennung des Fehlers durch die Leistungselektronik der Ladestation ist nicht möglich, da sie während des Ladevorgangs als Stromquelle fungiert. Eine Notabschaltung der Ladestation wird durch das Fahrzeug nicht ausgelöst.
  • Demgegenüber ermöglicht der erfindungsgemäße Ladestecker 1 bereits die Erkennung eines Störlichtbogens 13 im Ladestecker 1 selbst und vor dem Auslösen einer fahrzeugseitigen Batteriesicherung. Hierzu weist der Ladestecker 1 ein Detektionselement 11 zur Detektion eines Störlichtbogens 13 auf. Das Detektionselement 11 weist einen Detektionsbereich auf. Die mindestens zwei Ladeleiter 9 sind durch den Detektionsbereich verlaufend angeordnet. Das Detektionselement 11 umfasst mindestens einen optischen Sensor, beispielsweise einen Phototransistor und/oder eine Photodiode und/oder einen Optokoppler.
  • Der Ladestecker 1 verfügt weiterhin erfindungsgemäß über ein Schaltelement 12. Das Schaltelement 12 ist mit dem Detektionselement 11 verbunden. Ein Schaltmechanismus des Schaltelements 12 wird durch einen Auslösemechanismus des Detektionselements 11 ausgelöst, sobald des Detektionselement 11 einen Störlichtbogen 13 detektiert. In der dargestellten Ausführungsform ist das Schaltelement 12 zwischen Schutzleiter 3 und Pilotleiter 5 angeordnet. Wird ein Störlichtbogen 13 vom Detektionselement 11 detektiert, löst dieses den Schaltmechanismus des Schaltelements 12 aus. Das Schaltelement 12 schließt den Pilotleiter 5 gegen den Schutzleiter 3 kurz.
  • Bevorzugt weist die Ladestation eine Vorrichtung zur Notabschaltung auf, die mit dem Pilotleiter 5 verbunden ist. Der Kurzschluss kann so von der Ladestation, insbesondere durch ihren Schaltpiloten, sofort erkannt werden. Bevorzugt löst die Ladestation eine Notabschaltung aus. Der Ladevorgang wird unterbrochen und/oder abgebrochen. Hierdurch wird eine Beschädigung der Ladestation durch den Störlichtbogen 13 verhindert. Der während des Ladevorgangs zwischen Ladestation und fahrzeugseitiger Batterie bestehende Stromkreis wird nicht einfach durch die fahrzeugseitige Batteriesicherung unterbrochen, sondern der Stromfluss aus der Ladestation beendet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Laden mit Gleichstrom. Die Ladeleiter sind mit einer Gleichstromquelle oder einer Gleichspannungsquelle der Ladestation verbunden, die eine Ladeleistung von größer als 50kW, bevorzugt größer als 100 kW, besonders bevorzugt größer als 200 kW, beispielsweise 350 kW, ermöglicht. Entsprechend verfügt der Ladestecker 1 über genau zwei Ladeleiter 9 mit Ladekontakten 8 zum Gleichstromladen. Das Laden erfolgt bevorzugt mit einer Spannung größer oder gleich 500 V, besonders bevorzugt mit 800 V.
  • 2 zeigt schematisch einen Ladestecker 1 zum Laden eines Elektrofahrzeugs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 durch die Anordnung des Schaltelements 12. Das Schaltelement 12 ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Pilotleiter 5 angeordnet. Das Schaltelement 12 kann den Pilotleiter 5 unterbrechen. Wird ein Störlichtbogen 13 durch das Detektionselement 11 detektiert, löst dieses einen Schaltmechanismus des Schaltelements 12 aus. Der Pilotleiter 5 wird unterbrochen. Der Stromkreis des Schaltpiloten wird hierdurch geöffnet. Dies kann durch die Leistungselektronik der Ladestation, insbesondere durch den Schaltpiloten, erkannt werden. Bevorzugt wird eine Notabschaltung der Ladestation ausgelöst wie in der Ausführungsform der 1 beschrieben.

Claims (13)

  1. Ladestecker (1) zum Laden eines Elektrofahrzeugs aufweisend einen Schutzkontakt (2) mit Schutzleiter (3), einen Pilotkontakt (4) mit Pilotleiter (5) zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte (8) mit jeweils einem Ladeleiter (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (1) ein Detektionselement (11) zur Detektion eines Störlichtbogens (13) und ein Schaltelement (12) zum Kurzschließen oder Unterbrechen des Pilotleiters (5) aufweist.
  2. Ladestecker (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) zwischen Pilotleiter (5) und Schutzleiter (3) angeordnet ist.
  3. Ladestecker (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) im Pilotleiter (5) angeordnet ist und diesen unterbrechen kann.
  4. Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionselement (11) einen optischen Sensor, insbesondere einen Phototransistor und/oder eine Photodiode, aufweist.
  5. Ladestecker (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionselement (11) einen Optokoppler aufweist.
  6. Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionselement (11) einen Detektionsbereich hat und die mindestens zwei Ladeleiter (9) durch den Detektionsbereich verlaufend angeordnet sind.
  7. Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (1) einen Proximity-Kontakt (6) und einen Proximity-Leiter (7) zur Detektion der fahrzeugseitigen Ladebuchse aufweist.
  8. Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (1) ein CCS-Stecker ist.
  9. Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestecker (1) über genau fünf Kontakte mit zugehörigen Leitern verfügt, wobei die genau fünf Kontakte den Schutzkontakt (2) mit Schutzleiter (3), den Pilotkontakt (4) mit Pilotleiter (5), den Proximity-Kontakt (6) mit Proximity-Leiter (7) zur Detektion der fahrzeugseitigen Ladebuchse, sowie genau zwei Ladekontakte (8) mit Ladeleitern (9) zum Führen von Gleichstrom umfassen.
  10. Ladestation für ein Elektrofahrzeug mit einem Ladestecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation eine Vorrichtung zur Notabschaltung aufweist, die mit dem Pilotleiter (5) verbunden ist.
  11. Ladestation nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation eine Gleichstromquelle oder eine Gleichspannungsquelle umfasst, die mit den Ladeleitern (9) verbunden ist.
  12. Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem Ladestecker (1) aufweisend einen Schutzkontakt (2) mit Schutzleiter (3), einen Pilotkontakt (4) mit Pilotleiter (5) zum Austausch von Steuersignalen zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug und mindestens zwei Ladekontakte (8) mit jeweils einem Ladeleiter (9), wobei der Ladestecker (1) ein Detektionselement (11) zur Detektion eines Störlichtbogens (13) und ein Schaltelement (12) zum Kurzschließen oder Unterbrechen des Pilotleiters (5) aufweist, wobei in einem Detektionsschritt ein Störlichtbogen zwischen den mindestens zwei Ladeleitern (9) des Ladesteckers (1) mit dem Detektionselement (11) im Ladestecker (1) detektiert wird und in einem auf den Detektionsschritt folgenden Schaltschritt der Pilotleiter (5) im Ladestecker (1) kurzgeschlossen oder unterbrochen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschaltungsschritt durch eine durch den Kurzschluss oder die Unterbrechung ausgelöste Notabschaltung der Stromfluss durch die mindestens zwei Ladeleiter (9) unterbrochen wird.
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