DE102019209827A1 - Gleichstrom-Ladestation für ein Elektrofahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Ladestation für ein Elektrofahrzeug zur Wandmontage (DC-Wallbox) und ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit der Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Ladestation für ein Elektrofahrzeug zur Wandmontage (DC-Wallbox) und ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit der Vorrichtung.
  • Aktuelle Elektrofahrzeuge (BEVs) verfügen über eine Combo-Ladedose welche ein DC-Laden (480V Gleichstrom / 150kW Ladeleistung) und ein AC-Laden (230V Wechselstrom / 400V Drehstrom / maximal 22kW Ladeleistung) ermöglicht. Aktuell laden ca. 98% der Kunden im privaten Umfeld ihr Elektrofahrzeug an der Wechselstrom-Infrastruktur. Hierbei wandelt der Onboard-Charger des BEV die Wechselspannung in eine Gleichspannung um, die zum Laden der Traktionsbatterie des BEV dient. Die maximale AC-Ladeleistung beträgt dabei 22kW (bei dreiphasigem Drehstrom und einer Stromstärke von 32A).
  • Für zukünftige Elektrofahrzeuggenerationen (2025+) wird erwartet, dass der Kunde auch zuhause die Traktionsbatterie über eine DC-Wallbox direkt mit Gleichstrom lädt. DC-Wallboxen für den privaten Gebrauch sind bei einigen Herstellern bereits erhältlich. Diese beinhalten die zur Umwandlung der AC-Spannung der Netzinfrastruktur in eine DC-Ladespannung erforderliche Leistungselektronik und Ansteuerelektronik.
  • Bevorzugt werden die DC-Wallboxen im privaten Umfeld bidirektional aufgebaut, um eine Möglichkeit der Stromeinspeisung in die Wechselstrom-Infrastruktur bereitzustellen. Die Leistung solcher DC-Wallboxen für den privaten Gebrauch ist limitiert auf die maximale Anschlussleistung von 22kW.
  • Aktuelle DC-Wallboxen für den privaten Gebrauch verfügen über diverse Bedieninterfaces wie Touch-Displays oder eine Vielzahl von Tastern für den Start und Stopp des Ladevorgangs. Diese zusätzlichen Bedieninterfaces bedingen erhöhte Entwicklungskosten für Hardware und Software. Hinzu kommen noch erhöhte Herstellkosten.
  • Der Ladeablauf ist relativ umständlich und wenig komfortabel, da der Kunde zunächst zur Wallbox gehen und sie einschalten muss, dann das Ladekabel nehmen, zum Fahrzeug gehen und das Ladekabel im Fahrzeug einstöpseln muss, anschließend wieder zur Wallbox gehen und den Ladevorgang starten muss. Möchte der Kunde Zusatzfunktionen wie z.B. Bidirektionalität abrufen, muss er dafür noch eine entsprechende Applikation starten.
  • Aus WO 2012 / 034 225 A1 ist eine modulare AC-Ladestation für ein Elektrofahrzeug bekannt. Die Ladestation ist an einer Wand montierbar und weist einen an einem flexiblen Kabel angeordneten Stecker auf, dessen Einhängezustand in einer Aufnahme ladestationsseitig überwacht ist.
  • DE 10 2013 226 444 A1 offenbart eine Steuereinheit für eine wandmontierte Ladestation zum Laden einer Fahrzeugbatterie. Die Steuereinheit weist eine Funktion zur Spannungstrennung der Ladestation bei Nichtbenutzung sowie eine Weckfunktion auf.
  • Aus US 2010 / 0 301 802 A1 geht eine Ladevorrichtung zum elektrischen Laden einer Fahrzeugbatterie mit einem an einem Kabel angeordneten Stecker hervor. Die Ladevorrichtung weist einen einzigen Schalter zur Aktivierung eines Stromflusses auf.
  • Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Gleichstrom-Ladestation für ein Elektrofahrzeug zur Wandmontage (DC-Wallbox) bereitzustellen, die den Ladeablauf vereinfacht und den Energieverbrauch minimiert, wenn kein Ladevorgang durchgeführt wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Gleichstrom-Ladestation für ein Elektrofahrzeug zur Wandmontage (DC-Wallbox). Die Ladestation dient zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel. Die Traktionsbatterie versorgt den Elektroantrieb des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie. Das Ladekabel der Ladestation weist einen Ladestecker auf, der für den Ladevorgang in eine dafür vorgesehene Ladebuchse des Elektrofahrzeugs eingesteckt wird. In einer Ausführungsform ist das Ladekabel ein CCS Typ2 Kabel gemäß IEC 62196-3. In einer anderen Ausführungsform ist das Ladekabel ein CCS Typ1 Kabel gemäß SAE J1772 und IEC 62196-3. In einer weiteren Ausführungsform ist das Ladekabel ein DC-Ladekabel gemäß GB/T 20234.3-2015. In einer weiteren Ausführungsform ist das Ladekabel ein DC-Ladekabel nach dem CHAdeMO Standard. Die Ladestation weist eine Steckerfangschale zur Aufnahme des Ladesteckers auf. Wenn die Ladestation nicht in Gebrauch ist, befindet sich der Ladestecker in der Steckerfangschale.
  • Erfindungsgemäß weist die DC-Wallbox als einziges Bedienelement eine Vorrichtung zur Erkennung des Einhängens des Ladesteckers in die Steckerfangschale auf. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Tastschalter in der Steckerfangschale, welcher durch Einhängen des Ladesteckers in die Steckerfangschale betätigt wird. In einer weiteren Ausführungsform ist der Tastschalter als Mikroschalter ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Erkennung des Einhängens des Ladesteckers in die Steckerfangschale über einen Sensor, z.B. optisch oder induktiv oder über Nahbereichskommunikation, z.B. RFID oder NFC.
  • Der Tastschalter steuert ein Hilfsrelais an, welches die Stromversorgung der DC-Wallbox schaltet. Wird der Tastschalter betätigt, trennt das Hilfsrelais die DC-Wallbox vollständig vom Stromversorgungsnetz. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Trennen vom Stromversorgungsnetz allphasig über Schütze. Die DC-Wallbox wird dadurch deaktiviert und verbraucht keinen Standby-Strom am Netz, d. h. der Stromverbrauch der DC-Wallbox wird auf die minimal mögliche Leistungsaufnahme von 0W gesetzt. In einer Ausführungsform erfolgt nach Betätigung des Tastschalters die Trennung vom Stromversorgungsnetz zeitverzögert. In einer weiteren Ausführungsform ist die Zeitverzögerung einstellbar.
  • Wird der Ladestecker aus der Steckerfangschale entnommen, so verbindet das Hilfsrelais die DC-Wallbox mit dem Stromversorgungsnetz. Die DC-Wallbox wird automatisch gestartet und hochgefahren. Wird nun der Ladestecker an einem Fahrzeug eingesteckt, so kann der Ladevorgang direkt gestartet werden.
  • Die erfindungsgemäße DC-Wallbox weist eine Steuereinheit auf, die für die automatische Durchführung eines Ladevorgangs einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs konfiguriert ist. Die Steuereinheit steuert die DC-Wallbox so, dass diese die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs gemäß einer vorgegebenen Spezifikation lädt, z.B. gemäß IEC 61851, oder gemäß SAE J1772 und IEC 62196-2 oder IEC 62196-3, oder gemäß GBIT 20234.3-2015, oder gemäß dem CHAdeMO Standard (ISO/IEC 61851-23 und -24).
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, mit dem Elektrofahrzeug gemäß IEC 61851 zu kommunizieren, um Informationen bzgl. der Status der DC-Wallbox und/oder des Elektrofahrzeugs auszutauschen. Beispiele für auftretende Status umfassen: Fahrzeug ist nicht angeschlossen, Fahrzeug ist angeschlossen, Fahrzeug ist ladebereit, Ladevorgang wird durchgeführt. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, zu veranlassen, dass eine Spannung gemäß IEC 61851 angelegt wird, und/oder eingerichtet, einen Pegel eines Pilotsignals gemäß IEC 61851 zu erfassen. Somit stellt die Steuereinheit sicher, dass die DC-Wallbox standardkonform ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, mit dem Elektrofahrzeug gemäß ISO 15118 zu kommunizieren. ISO 15118 ermöglicht es, anhand von Power Line Communication (PLC) detaillierte Informationen zwischen Elektrofahrzeug und DC-Wallbox auszutauschen.
  • In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, zu veranlassen, dass eine Spannung an eine Signalleitung des Ladekabels gelegt wird. Typischerweise umfasst das Ladekabel ein oder mehrere Signalleitungen, zum Austausch von Informationen bzgl. der Status der Ladestation und/oder des Elektrofahrzeugs. Des Weiteren umfasst das Ladekabel typischerweise ein oder mehrere Ladeleitungen zum Transfer von elektrischer Energie von der Ladestation zu der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs.
  • Ein Nutzer kann das Elektrofahrzeug über das Ladekabel zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der DC-Wallbox verbinden. Zu einem späteren Zeitpunkt (z. B. zu einem Zeitpunkt, wenn mit günstigen Stromtarifen geladen werden kann) kann vom Elektrofahrzeug und/oder von der DC-Wallbox der Ladevorgang eingeleitet werden. Nach Beendigung des Ladevorgangs kann es vorkommen, dass das Elektrofahrzeug weiterhin für einen längeren Zeitraum mit der DC-Wallbox verbunden bleibt. Eine derartige Situation liegt z.B. vor, wenn der Nutzer sein Fahrzeug abends mit der DC-Wallbox verbindet und erst am folgenden Morgen wieder von der DC-Wallbox trennt. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, in Situationen, in denen ein Fahrzeug angeschlossen ist, aber kein Ladevorgang erfolgt, die DC-Wallbox in einen energiesparenden Bereitschaftsmodus (Standby) zu versetzen
  • Die Steuereinheit ist dafür eingerichtet, einen Pegel eines Pilotsignals auf der Signalleitung zu erfassen. Insbesondere kann der Pegel des Pilotsignals an dem Übergang zum Fahrzeug ermittelt werden. Bei einem nichtangeschlossenen Fahrzeug (d. h. bei einem unendlichen Widerstand) entspricht der Pegel des Pilotsignals der angelegten Spannung. Die Steuereinheit ist dafür eingerichtet, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel, zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird. Durch Trennung der Spannung von der Signalleitung kann erreicht werden, dass der Energieverbrauch für die Erkennung des Status des Fahrzeugs reduziert wird. Insbesondere kann durch die Trennung der Spannung eine Reduzierung des Energieverbrauchs der DC-Wallbox im Bereitschaftsmodus (wenn kein Fahrzeug angeschlossen ist und/oder wenn das Fahrzeug nicht ladebereit ist) bewirkt werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob ein Fahrzeug an die DC-Wallbox angeschlossen ist. Sie kann weiter dafür eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird, wenn erkannt wird, dass kein Fahrzeug an die DC-Wallbox angeschlossen ist, und somit die Ladestation nicht für einen Ladevorgang benötigt wird.
  • Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, zu prüfen, ob ein angeschlossenes Elektrofahrzeug während eines vordefinierten Zeitraums nach Aktivierung der DC-Wallbox in den Status „ladebereit“ wechselt. Sollte dies nicht der Fall sein, kann nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums die DC-Wallbox wieder deaktiviert werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren.
  • Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, zu prüfen, ob der Ladevorgang der Traktionsbatterie eines angeschlossenen Elektrofahrzeugs beendet ist. Sollte dies der Fall sein, kann die DC-Wallbox deaktiviert werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren.
  • Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Spannung (nur) für einen vordefinierten Prüfzeitraum an die Signalleitung des Ladekabels gelegt wird. In Abhängigkeit von dem erfassten Pegel und nach Ablauf des vordefinierten Prüfzeitraums kann dann veranlasst werden, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird. Durch zeitliche Limitierung des Messintervalls zur Erfassung des Pegels des Pilotsignals wird sichergestellt, dass für die Erfassung des Pegels des Pilotsignals nur während eines begrenzten Zeitraums elektrische Energie verbraucht wird. Durch Reduzierung des Prüfzeitraums kann somit der Energieverbrauch der DC-Wallbox im Bereitschaftsmodus reduziert werden.
  • Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, in periodischer Weise Prüfzyklen von vordefinierter Dauer durchzuführen, bei denen eine Spannung an die Signalleitung des Ladekabels gelegt und der Pegel des Pilotsignals auf der Signalleitung erfasst wird. Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu veranlassen, dass in dem Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen die Spannung an der Signalleitung unterbrochen wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, bidirektionales Gleichstrom-Laden zu ermöglichen. Das heißt, dass die erfindungsgemäße DC-Wallbox auch dafür eingesetzt werden kann, elektrische Energie aus einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs in das Stromnetz einzuleiten. Das Steuergerät weist in dieser Ausführungsform eine zur Kommunikation mit externen Datenverarbeitungsgeräten befähigte Schnittstelle auf, z.B. eine Mobilfunk-, WLAN oder Bluetooth-Schnittstelle. Nach entsprechender Anforderung durch einen Nutzer konfiguriert die Steuereinheit die DC-Wallbox dazu, elektrische Energie aus einer Traktionsbatterie eines angeschlossenen Elektrofahrzeugs zu entnehmen und in das Stromnetz einzuleiten. In einer Ausführungsform erfolgt die Anforderung über eine Software-Applikation („App“), die installiert ist auf einer zur Kommunikation mit dem Steuergerät befähigten Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise einem Smartphone oder einem Laptop.
  • Die erfindungsgemäße DC-Wallbox kommt vollständig ohne Bedieninterface aus, um sie für den privaten Gebrauch maximal attraktiv für den Kunden zu machen.
  • Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen DC-Wallbox zählen geringere Herstellkosten durch Entfall des Bedieninterfaces (Display, Bedienelemente etc.). Durch Wegfallen des Bedieninterfaces fallen auch geringere Entwicklungskosten für Hard- und Software an. Es wird zudem ein schlankes, attraktives Design der Wallbox möglich.
  • Weiterhin ergibt sich eine Energieersparnis durch die vollständige Abschaltung der DC-Wallbox durch den Tastschalter. Es entstehen so keine Standby-Verluste. Da die DC-Wallbox bei Entnahme des Ladesteckers selbstständig startet und den Ladevorgang automatisch durchführt, erhöht sich der Bedienkomfort für den Nutzer.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit der erfindungsgemäßen DC-Wallbox. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Entnahme des Ladesteckers aus der Steckerfangschale; das Einstecken des Ladesteckers in eine korrespondierende Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs; und das von der DC-Wallbox automatisch durchgeführte Aufladen der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs.
  • Bei einem typischen Ladevorgang geht der Nutzer zur DC-Wallbox und entnimmt den Ladestecker aus der Steckerfangschale. Dadurch wird der Tastschalter in der Steckerfangschale betätigt und die DC-Wallbox startet automatisch. Der Nutzer geht zum Fahrzeug und steckt den Ladestecker in die dafür vorgesehene Ladebuchse des Fahrzeugs. Die DC-Wallbox beginnt nach dem Einstecken des Ladesteckers selbstständig mit dem Ladevorgang. Das Steuergerät der DC-Wallbox steuert den Ladevorgang automatisch und beendet nach vollständigem Aufladen der Traktionsbatterie selbständig die Energieübertragung an das Fahrzeug.
  • Möchte der Nutzer Zusatzfunktionen wie z.B. bidirektionales Laden abrufen, so kann er dies über eine entsprechende Software-Applikation auf einem externen Datenverarbeitungsgerät, das zur Kommunikation mit dem Steuergerät der DC-Wallbox befähigt ist, veranlassen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Energieverbrauch der DC-Wallbox reduziert, wenn ein Elektrofahrzeug an die DC-Wallbox angeschlossen ist, die DC-Wallbox aber keinen Ladevorgang durchführt. Dies erfolgt durch Trennung der Spannung vom Ladekabel, wenn das Steuergerät erkennt, dass ein Elektrofahrzeug an die DC-Wallbox angeschlossen ist, aber kein Ladevorgang durchgeführt wird, d. h. wenn das Fahrzeug nicht ladebereit oder der Ladevorgang bereits abgeschlossen ist.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/034225 A1 [0007]
    • DE 102013226444 A1 [0008]
    • US 2010/0301802 A1 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • IEC 61851 [0016, 0017]
    • SAE J1772 [0016]
    • IEC 62196-2 [0016]
    • IEC 62196-3 [0016]
    • GBIT 20234.3-2015 [0016]
    • ISO/IEC 61851-23 und -24 [0016]
    • ISO 15118 [0018]

Claims (10)

  1. DC-Wallbox zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel mit einem Ladestecker, welche DC-Wallbox eine Steckerfangschale zur Aufnahme des Ladesteckers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Wallbox als einziges Bedienelement eine Vorrichtung zur Erkennung des Einhängens des Ladesteckers in die Steckerfangschale aufweist.
  2. DC-Wallbox nach Anspruch 1, worin die Vorrichtung zur Erkennung des Einhängens des Ladesteckers in die Steckerfangschale einen Tastschalter in der Steckerfangschale umfasst, welcher durch Einhängen des Ladesteckers in die Steckerfangschale betätigt wird.
  3. DC-Wallbox nach Anspruch 1 oder 2, worin die Vorrichtung zur Erkennung des Einhängens des Ladesteckers in die Steckerfangschale ein Hilfsrelais ansteuert, welches die Stromversorgung der DC-Wallbox schaltet und bei Betätigung des Tastschalters die DC-Wallbox vollständig vom Stromversorgungsnetz trennt.
  4. DC-Wallbox nach Anspruch 3, worin das Trennen vom Stromversorgungsnetz allphasig über Schütze erfolgt.
  5. DC-Wallbox nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin nach Betätigung des Tastschalters die Trennung vom Stromversorgungsnetz zeitverzögert erfolgt.
  6. DC-Wallbox nach Anspruch 5, worin die Zeitverzögerung einstellbar ist.
  7. DC-Wallbox nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche dafür eingerichtet ist, bei Entnahme des Ladesteckers aus der Steckerfangschale automatisch zu starten und hochzufahren.
  8. DC-Wallbox nach einem der voranstehenden Ansprüche, welche eine Steuereinheit aufweist, die für die automatische Durchführung eines Ladevorgangs einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gemäß IEC 61851 konfiguriert ist.
  9. Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit einer DC-Wallbox gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend die Entnahme des Ladesteckers aus der Steckerfangschale; das Einstecken des Ladesteckers in eine korrespondierende Ladebuchse des Elektrofahrzeugs; und das von der DC-Wallbox automatisch durchgeführte Aufladen der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Steuergerät das Ladekabel von der Spannung trennt, wenn das Steuergerät erkennt, dass ein Elektrofahrzeug an die DC-Wallbox angeschlossen ist, aber kein Ladevorgang durchgeführt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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