DE102019213055A1 - Charging system and method for conductive charging of an energy store of a vehicle with a safe-to-touch charging voltage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Ladesystem (100) zum konduktiven Laden eines Energiespeichers (200) eines Fahrzeugs mit einer berührsicheren Ladespannung. Dazu umfasst eine Primärseite (110) eine Primärkontakteinheit (111) mit einem flächig ausgebildeten Grundkörper (112), welcher wenigstens zwei erste und wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich (113, 114) aufweist. Weiterhin umfasst eine Sekundärseite (120) eine Sekundärkontakteinheit (121) mit einem flächig ausgebildeten Grundkörper (122), welcher wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich (123, 124) aufweist. Eine Kontaktierungseinrichtung (130) ist ausgebildet, den wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich (123) mit wenigstens einem der ersten Primärkontaktbereiche (113) und den wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich (124) mit dem wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich (114) zu verbinden. Schließlich ist eine Steuereinrichtung (140) ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Verbindungszustand der jeweiligen Kontaktbereiche (113, 114, 123, 124) in einem ersten Betriebsmodus des Fahrzeugs die Primärseite (110) zum Bereitstellen der berührsicheren Ladespannung über die Primärkontaktbereiche (113, 114) anzusteuern.The invention relates to a method and a charging system (100) for conductive charging of an energy store (200) of a vehicle with a touch-safe charging voltage. For this purpose, a primary side (110) comprises a primary contact unit (111) with a flat base body (112) which has at least two first and at least one second primary contact areas (113, 114). Furthermore, a secondary side (120) comprises a secondary contact unit (121) with a flat base body (122) which has at least one first and at least one second secondary contact area (123, 124). A contacting device (130) is designed to connect the at least one first secondary contact area (123) to at least one of the first primary contact areas (113) and the at least one second secondary contact area (124) to the at least one second primary contact area (114). Finally, a control device (140) is designed, depending on a connection state of the respective contact areas (113, 114, 123, 124) in a first operating mode of the vehicle, the primary side (110) for providing the safe-to-touch charging voltage via the primary contact areas (113, 114) head for.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum konduktiven Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs mit einer berührsicheren Ladespannung. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs mit einer berührsicheren Ladespannung. Mit Energiespeicher ist in diesem Zusammenhang bevorzugt eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie gemeint. Deshalb wird im Folgenden der Begriff „Hochvoltbatterie“ als Synonym für den Energiespeicher verwendet.The invention relates to a charging system for conductive charging of an energy store of a vehicle with a safe-to-touch charging voltage. The invention also relates to a method for charging an energy store of a vehicle with a safe-to-touch charging voltage. In this context, energy storage means preferably a vehicle battery, in particular a high-voltage battery. This is why the term “high-voltage battery” is used as a synonym for the energy storage system in the following.
Bei Ladesystemen zum konduktiven Laden werden in der Regel komplementär ausgebildete Kontakteinheiten, zum Beispiel ein Stecker und eine Buchse, eines Senders (Ladevorrichtung oder Ladeinfrastruktur) und eines Empfängers (Fahrzeugs) physikalisch miteinander verbunden. Beim korrekten Verbinden oder Anschließen der Kontakteinheiten entsteht somit eine elektrisch leitende Verbindung und es kann eine Ladespannung zum Übertragen von elektrischer Energie von dem Sender an den Empfänger angelegt werden.In charging systems for conductive charging, complementary contact units, for example a plug and a socket, a transmitter (charging device or charging infrastructure) and a receiver (vehicle) are usually physically connected to one another. When the contact units are correctly connected or connected, an electrically conductive connection is thus created and a charging voltage for transmitting electrical energy can be applied from the transmitter to the receiver.
Derartige Ladesysteme sind häufig als kabelgebundene standardisierte Steckersysteme ausgebildet. Dabei sind die Kontakteinheiten in der Regel als Kontaktstifte und dazugehörige Kontaktbuchsen ausgebildet, sodass sich beim Verbinden der Kontakteinheiten eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ergibt. Bekannte Beispiele für kabelgebundene Ladesysteme sind das Combined Charging System (CCS; kombiniertes Ladesystem) oder das Chademo System. Bei derartigen kabelgebundenen Ladesystemen erfordert das Laden dabei einen Steckvorgang. Dieser kann entweder manuell, zum Beispiel von einer Bedienperson, oder automatisiert ausgeführt werden. Insbesondere bei einem automatisch ausgeführten Steckvorgang, stellt die exakte Positionierung der komplementär ausgebildeten Kontakteinheiten bei der Realisierung eine große Herausforderung dar.Such charging systems are often designed as cable-based standardized plug systems. The contact units are usually designed as contact pins and associated contact sockets, so that a point-to-point connection is obtained when the contact units are connected. Well-known examples of wired charging systems are the Combined Charging System (CCS; combined charging system) or the Chademo system. In wired charging systems of this type, charging requires a plug-in process. This can either be carried out manually, for example by an operator, or automatically. The exact positioning of the complementary contact units represents a major challenge in the implementation, especially in the case of an automatically performed plugging process.
Beispiele zum exakten Positionieren der Kontakteinheiten zueinander sind aus der
Eine alternative Ausgestaltung eines Ladesystems zum konduktiven Laden mit dem eine möglichst exakte Positionierung erreicht werden soll, ist aus der
Durch den genannten Stand der Technik ergibt sich jedoch der Nachteil, dass es sich bei der Verbindung zum Übertragen der Ladespannung immer um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung handelt. Das heißt, die Kontakte der beiden Steckersysteme müssen immer exakt zueinander positioniert werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es sich bei der übertragenen Ladespannung um eine Hochvoltspannung handelt. Dadurch sind immer Schutzmaßnahmen nötig, um eine Personengefährdung zu vermeiden. In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich die Bezeichnung „Hochvolt“ dabei insbesondere auf eine Spannung oder eine Potentialdifferenz ≥ 60 Volt für Gleichspannungen (DC) oder ≥ 25 Volt für Wechselspannungen (AC). Die aus dem Stand der Technik bekannten konduktiven Ladesysteme weisen somit aufgrund des Übertragens von elektrischer Energie im Hochvoltbereich und der Notwendigkeit der exakten Positionierung der Kontakteinheiten zueinander entweder einen mechanisch und kinematisch und elektrotechnisch hohen Aufwand oder Einschränkungen in ihrer Robustheit auf. Diese Ladesysteme sind deshalb in der Regel sehr komplex, was sich in erhöhten Kosten, erhöhtem Materialeinsatz und einer erhöhten Baugröße wiederspiegelt.However, the stated prior art has the disadvantage that the connection for transmitting the charging voltage is always a point-to-point connection. This means that the contacts of the two connector systems must always be positioned exactly to one another. Another disadvantage is that the transferred charging voltage is high-voltage. This means that protective measures are always necessary to avoid personal injury. In the present application, the term “high voltage” refers in particular to a voltage or a potential difference ≥ 60 volts for direct voltages (DC) or 25 volts for alternating voltages (AC). The conductive charging systems known from the prior art thus either have a high mechanical, kinematic and electrotechnical complexity or limitations in their robustness due to the transfer of electrical energy in the high-voltage range and the need for the exact positioning of the contact units to one another. These charging systems are therefore usually very complex, which is reflected in increased costs, increased use of materials and an increased size.
Eine Alternative zu den genannten automatisierten Steckersystemen stellt die exakte Positionierung eines Fahrzeugs auf einer im Untergrund eingearbeiteten Ladevorrichtung mittels eines Einparkassistenzsystems dar. Jedoch ist auch hier eine exakte Positionierung im Zentimeterbereich der Steckersysteme nur schwer zu erreichen.An alternative to the aforementioned automated connector systems is the exact positioning of a vehicle on a charging device built into the ground by means of a parking assistance system. However, an exact positioning in the centimeter range of the connector systems is difficult to achieve here as well.
Aus dem internen Stand der Technik ist nun ein Ladesystem bekannt, durch welches eine berührsichere Ladespannung zum Laden eines Energiespeichers beziehungsweise einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden kann. Dadurch benötigt das Ladesystem keinen Berührschutz, um eine Personengefährdung zu vermeiden, sodass die Kontakteinheiten oder Kontakte zum Beispiel großflächig als Kontaktflächen ausgebildet sein können. Der Begriff „berührsicher“ ergibt sich dabei insbesondere aus der Norm IEC 60449. Dementsprechend gilt eine Spannung als berührungssicher, wenn folgende Grenzwerte eingehalten werden: für Wechselspannung ≤ 25 Volt und für Gleichspannung ≤ 60 Volt. Eine berührsichere Ladespannung kann auch als Schutzkleinspannung bezeichnet werden. Mit einer entsprechend ausgelegten Ladespannung kann sowohl ein hoher Wirkungsgrad der Ladevorrichtung beim Übertragen der elektrischen Energie gleichzeitig mit einer geringen Gefahr für den Nutzer oder eine Bedienperson verbunden werden. Weiterhin kann auch die Komplexität der Ausgestaltung der Kontakte reduziert werden.A charging system is now known from the internal prior art, by means of which a safe-to-touch charging voltage can be provided for charging an energy store or a high-voltage battery of a motor vehicle. As a result, the charging system does not require any protection against accidental contact in order to avoid endangering persons, so that the contact units or contacts can, for example, be designed as contact surfaces over a large area. The term “safe to touch” results in particular from the IEC 60449 standard. Accordingly, a voltage is considered safe to touch if the following limit values are adhered to: for alternating voltage ≤ 25 volts and for direct voltage ≤ 60 volts. A safe-to-touch charging voltage can also be referred to as a protective extra-low voltage. With an appropriately designed charging voltage, a high degree of efficiency of the charging device when transmitting electrical energy can be combined at the same time with a low risk for the user or an operator. Furthermore, the complexity of the design of the contacts can also be reduced.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Akzeptanz von Nutzern gegenüber Ladesystemen zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs zu erhöhen, indem eine korrekte Verbindung oder Kontaktierung der Kontakteinheiten eines derartigen Ladesystems vereinfacht wird.The object of the present invention is to increase user acceptance of charging systems for charging an energy store of a vehicle by simplifying correct connection or contacting of the contact units of such a charging system.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention are disclosed by the dependent claims, the following description and the figures.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Akzeptanz von konduktiven Ladesystemen zum Übertragen einer berührsicheren Ladespannung erhöht werden kann, wenn ein Bauraumbedarf eines entsprechenden Ladesystems und ein Materialeinsatz reduziert und dadurch die Kosten für ein entsprechendes Ladesystem gesenkt werden können. Dies kann erreicht werden, indem eine Toleranzfläche von komplementären, flächig ausgebildeten Kontakteinheiten optimiert, insbesondere vergrößert wird. Mit Toleranzfläche ist eine Fläche gemeint, innerhalb derer es beim Annähern der Kontakteinheiten zum Verbinden der Kontaktflächen zur erfolgreichen oder elektrisch leitfähigen Kontaktierung kommt. Dazu werden in einer Kontakteinheit mehrere Kontaktflächen oder Kontaktbereiche, die jeweils zwei unterschiedliche Potentiale aufweisen, angeordnet. Die Kontaktflächen stellen dabei die elektrischen Anschlüsse einer jeweiligen Kontakteinheit dar. Somit kann auf komplexe Justier- oder Positioniersysteme, wie sie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind, verzichtet werden und das korrekte Verbinden der Kontakteinheiten kann vereinfacht werden. Alternativ dazu kann die Akzeptanz von konduktiven Ladesystemen auch verbessert werden, indem die Toleranzfläche der Kontakteinheiten bei gleichem Bauraumbedarf vergrößert wird. Somit wird die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Kontaktierung ebenfalls erhöht.The invention is based on the knowledge that the acceptance of conductive charging systems for transmitting a safe-to-touch charging voltage can be increased if the installation space requirement of a corresponding charging system and the use of materials can be reduced and the costs for a corresponding charging system can be lowered as a result. This can be achieved in that a tolerance area of complementary, flat contact units is optimized, in particular enlarged. The tolerance area means an area within which, when the contact units approach the contact areas to connect, successful or electrically conductive contact is made. For this purpose, a plurality of contact surfaces or contact areas, each of which has two different potentials, are arranged in a contact unit. The contact surfaces represent the electrical connections of a respective contact unit. Complex adjustment or positioning systems, as are known from the general prior art, can thus be dispensed with and the correct connection of the contact units can be simplified. As an alternative to this, the acceptance of conductive charging systems can also be improved by increasing the tolerance area of the contact units with the same installation space requirement. This also increases the likelihood of successful contact.
Um dies zu realisieren, umfasst das Ladesystem eine Primärseite mit einer Primärkontakteinheit, die einen flächig ausgebildeten Grundkörper aufweist. Der Grundkörper kann somit beispielsweise im Wesentlichen plattenförmig oder scheibenförmig ausgebildet sein. Als elektrische Anschlüsse weist der Grundkörper zudem wenigstens zwei erste Primärkontaktbereiche und wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich auf. Die wenigstens zwei ersten Primärkontaktbereiche weisen zum Beispiel ein erstes Potential auf und der wenigstens eine zweite Kontaktbereich weist ein von dem ersten Potential unterschiedliches zweites Potential auf. Die Primärkontaktbereiche bilden somit sozusagen wenigstens ein Polpaar, über welches die berührsichere Ladespannung bereitgestellt oder empfangen werden kann. Zum Beispiel können die wenigstens zwei ersten Primärkontaktbereiche jeweils als erster Leiter oder Plusleiter oder Phasenleiter (Außenleiter) ausgebildet sein, während der wenigstens eine zweite Primärkontaktbereich als zweiter Leiter oder Minusleiter oder Neutralleiter (Nullleiter) ausgebildet ist. Analog ist natürlich auch eine umgekehrte Ausgestaltung der Primärkontaktbereiche möglich. Somit umfasst der Grundkörper der Primärseite drei oder mehr Primärkontaktbereiche, die ausgebildet sind, wenigstens zwei unterschiedliche Potentiale aufzuweisen und die berührsichere Ladespannung bereitzustellen oder zu empfangen.In order to realize this, the charging system comprises a primary side with a primary contact unit which has a flat base body. The base body can thus, for example, be essentially plate-shaped or disk-shaped. The base body also has at least two first primary contact areas and at least one second primary contact area as electrical connections. The at least two first primary contact areas have a first potential, for example, and the at least one second contact area has a second potential that is different from the first potential. The primary contact areas thus form at least one pole pair, so to speak, via which the safe-to-touch charging voltage can be provided or received. For example, the at least two first primary contact areas can each be designed as a first conductor or plus conductor or phase conductor (outer conductor), while the at least one second primary contact area is designed as a second conductor or minus conductor or neutral conductor (neutral conductor). Similarly, a reverse configuration of the primary contact areas is of course also possible. The main body of the primary side thus comprises three or more primary contact areas which are designed to have at least two different potentials and to provide or receive the safe-to-touch charging voltage.
Als komplementäre Kontakteinheit zu der Primärkontakteinheit umfasst das Ladesystem auch eine Sekundärkontakteinheit einer Sekundärseite. Diese weist einen flächig ausgebildeten, insbesondere plattenförmigen oder scheibenförmigen, Grundkörper auf, welcher wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich und wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich umfasst. Der jeweilige erste Sekundärkontaktbereich kann dabei beispielsweise einen ersten Leiter oder Plusleiter oder Phasenleiter (Außenleiter) darstellen, während der jeweilige zweite Sekundärkontaktbereich beispielsweise einen zweiten Leiter oder Minusleiter oder Neutralleiter (Nullleiter) darstellt. Der Grundkörper der Sekundärseite umfasst somit wenigstens zwei oder mehr Kontaktbereiche, welche die Anschlüsse der Sekundärseite bilden. Dabei ist der wenigstens eine erste Sekundärkontaktbereich bevorzugt dazu ausgebildet, ein erstes Potential aufzuweisen und der wenigstens eine zweite Sekundärkontaktbereich ist bevorzugt dazu ausgebildet, ein zweites Potential aufzuweisen. Die ersten und zweiten Sekundärkontaktbereiche bilden somit vorzugsweise ein Polpaar, und sind dadurch ausgebildet, die berührsichere Ladespannung bereitzustellen oder zu empfangen.As a complementary contact unit to the primary contact unit, the charging system also includes a secondary contact unit on a secondary side. This has a flat, in particular plate-shaped or disk-shaped, base body which comprises at least one first secondary contact area and at least one second secondary contact area. The respective first secondary contact area can represent, for example, a first conductor or positive conductor or phase conductor (outer conductor), while the respective second secondary contact area represents, for example, a second conductor or negative conductor or neutral conductor (neutral conductor). The main body of the secondary side thus comprises at least two or more contact areas which form the connections of the secondary side. The at least one first secondary contact area is preferably designed to have a first potential and the at least one second secondary contact area is preferably designed to have a second potential. The first and second secondary contact areas thus preferably form a pole pair, and are designed to provide or receive the safe-to-touch charging voltage.
In vorteilhafter Weise sind die Primärkontaktbereiche und/oder die Sekundärkontaktbereiche als flächige Kontaktbereiche oder Anschlüsse ausgebildet. Alternativ dazu können die Primärkontaktbereiche und/oder die Sekundärkontaktberieche zum Beispiel auch als zylinderförmige Querstreben, insbesondere ähnlich wie Rohre, in den jeweiligen Grundkörper eingelassen oder eingearbeitet sein. Dadurch kann wenigstens einer der Grundkörper in einer Seitansicht eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweisen. Sie stellen somit bevorzugt offenliegende Anschlüsse oder Anschlussflächen dar, bei denen im Gegensatz zum Stand der Technik keine Abschirmungsmaßnahmen, wie eine Ummantelung oder ein Schutzleiter, nötig sind. Die jeweiligen Kontaktbereiche (Primärkontaktbereiche und Sekundärkontaktbereiche) können dabei vorzugsweise alternierend oder nacheinander, zum Beispiel ähnlich wie ein Zebrastreifenmuster, in dem jeweiligen Grundkörper ausgebildet sein. Somit kann also beispielsweise abwechselnd jeweils ein erster Kontaktbereich und ein zweiter Kontaktbereich nebeneinander angeordnet sein. Bevorzugt sind die jeweiligen Kontaktbereiche in ihrem jeweiligen Grundkörper elektrisch isolierend zueinander angeordnet. Sie können zum Beispiel durch einer Isolierschicht oder einen Isolierbereich physikalisch und elektrisch leitend getrennt voneinander angeordnet sein. Die Isolierschicht umfasst vorzugsweise ein Material mit einer vernachlässigbar geringen oder nicht vorhandenen elektrischen Leitendfähigkeit, wie zum Beispiel Luft oder Keramiken oder Thermoplasten, wie beispielsweise Polyethylen. Zum Kontaktieren der beiden Kontakteinheiten umfasst das Ladesystem auch eine Kontaktierungseinrichtung, die ausgebildet ist, den wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich mit wenigstens einem der ersten Primärkontaktbereiche und den wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich mit dem wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich zu verbinden. Mit Verbinden ist in diesem Zusammenhang ein physisches Kontaktieren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den jeweiligen Primärkontaktbereichen mit den zugehörigen Sekundärkontaktbereichen gemeint. Vorzugsweise ist die Kontaktierungseinrichtung ausgebildet, die jeweiligen Kontaktbereiche automatisiert aneinander anzuschließen.The primary contact areas and / or the secondary contact areas are advantageously designed as flat contact areas or connections. As an alternative to this, the primary contact areas and / or the secondary contact areas can, for example, also be embedded or incorporated into the respective base body as cylindrical transverse struts, in particular similar to tubes. As a result, at least one of the base bodies can have a three-dimensional surface structure in a side view. They thus preferably represent exposed connections or connection surfaces in which, in contrast to the prior art, no shielding measures, such as a sheathing or a protective conductor, are necessary. The respective contact areas (primary contact areas and secondary contact areas) can preferably be formed alternately or one after the other, for example similar to a zebra stripe pattern, in the respective base body. Thus, for example, a first contact area and a second contact area can alternately be arranged next to one another. The respective contact areas are preferably arranged in their respective base bodies so as to be electrically insulating from one another. For example, they can be arranged physically and electrically conductively separated from one another by an insulating layer or an insulating region. The insulating layer preferably comprises a material with a negligibly low or non-existent electrical conductivity, such as, for example, air or ceramics or thermoplastics, such as, for example, polyethylene. To contact the two contact units, the charging system also includes a contacting device which is designed to connect the at least one first secondary contact area to at least one of the first primary contact areas and the at least one second secondary contact area to the at least one second primary contact area. In this context, “connecting” means physical contact to produce an electrically conductive connection between the respective primary contact areas and the associated secondary contact areas. The contacting device is preferably designed to automatically connect the respective contact areas to one another.
Schließlich umfasst das Ladesystem auch eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Verbindungszustand der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen in einem ersten Betriebsmodus des Fahrzeugs die Primärseite zum Bereitstellen der berührsicheren Ladespannung über wenigstens einen der ersten Primärkontaktbereiche und den wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich anzusteuern. Bei dem ersten Betriebsmodus kann es sich also zum Beispiel um einen Ladebetrieb des Fahrzeugs zum Laden der Fahrzeugbatterie handeln In dem ersten Betriebsmodus des Fahrzeugs stellt die Primärseite somit insbesondere einen Sender der berührsicheren Ladespannung dar, während die Sekundärseite einen Empfänger der berührsicheren Ladespannung darstellt. Somit kann die Primärseite beispielsweise Teil einer Ladevorrichtung oder Ladeinfrastruktur sein und die Sekundärseite kann beispielsweise Teil des Fahrzeugs sein und bevorzugt an den Energiespeicher (Hochvoltbatterie) angeschlossen sein. Anders ausgedrückt, ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Ladespannung unter Berücksichtigung des Verbindungszustands der jeweils zugeordneten Kontaktbereiche freizugeben und in Abhängigkeit oder unter Berücksichtigung eines Betriebsmodus des Fahrzeugs eine Übertragungsrichtung der Ladespannung zu bestimmen. Der Verbindungszustand kann beispielsweise auch als Kontaktierungsstatus bezeichnet werden und gibt bevorzugt an, ob die jeweils einander zugeordneten Kontaktbereiche kontaktiert, also elektrisch leitend verbunden sind, oder nicht, ob die Hochvoltbatterie ladebereit ist und welche Ladeart (Höhe der Spannung und Stromstärke, AC, DC) für die Hochvoltbatterie genutzt werden kann. Finally, the charging system also includes a control device which is designed to control the primary side for providing the touch-safe charging voltage via at least one of the first primary contact areas and the at least one second primary contact area as a function of a connection state of the respective primary contact areas with the respective secondary contact areas in a first operating mode of the vehicle . The first operating mode can therefore be, for example, a charging mode of the vehicle for charging the vehicle battery.In the first operating mode of the vehicle, the primary side thus represents, in particular, a transmitter of the safe-to-touch charging voltage, while the secondary side represents a receiver of the safe-to-touch charging voltage. The primary side can thus be part of a charging device or charging infrastructure, for example, and the secondary side can be part of the vehicle, for example, and preferably be connected to the energy store (high-voltage battery). In other words, the control device is designed to enable the charging voltage taking into account the connection state of the respectively assigned contact areas and to determine a transmission direction of the charging voltage depending on or taking into account an operating mode of the vehicle. The connection status can, for example, also be referred to as the contacting status and preferably indicates whether the contact areas assigned to one another are in contact, i.e. are connected in an electrically conductive manner, or not, whether the high-voltage battery is ready for charging and which type of charging (level of voltage and current, AC, DC) can be used for the high-voltage battery.
Durch eine Ausgestaltung der Kontakteinheiten (Primärkontakteinheit und Sekundärkontakteinheit) mit jeweils mehreren Kontaktbereichen (Primärkontaktbereiche und Sekundärkontaktbereiche) in jeweils einem Grundkörper, also einer Kontaktfläche, ergibt sich der Vorteil, dass eine Baugröße eines entsprechenden Ladesystems, also insbesondere ein Bedarfsvolumen oder eine Bedarfsfläche der Primärkontakteinheit und der Sekundärkontakteinheit im Fahrzeug und der Ladeinfrastruktur reduziert werden kann. Anstelle von zwei Kontaktbereichen in zwei separaten Grundkörpern, sind nun nämlich mehrere Kontaktbereiche in einem Grundkörper möglich. Dadurch kann auch der Materialeinsatz und die Kosten für ein derartiges Ladesystem reduziert werden. Durch Reduktion der Kosten kann auch die Akzeptanz von Nutzern oder Kunden gegenüber dem Ladesystem verbessert werden. Weiterhin ergibt sich auch durch eine derartige Ausgestaltung eines Ladesystems auch eine Reduktion der Komplexität in Bezug auf eine Kontaktierung der beiden Kontakteinheiten. Zudem kann somit auch eine Toleranzfläche beim Kontaktieren der Kontakteinheiten optimiert werden, sodass eine korrekte Kontaktierung erfolgen kann, ohne dass eine exakte Positionierung der Kontakteinheiten im Zentimeterbereich erfolgen braucht.By designing the contact units (primary contact unit and secondary contact unit) with a plurality of contact areas (primary contact areas and secondary contact areas) each in a base body, i.e. a contact surface, there is the advantage that a size of a corresponding charging system, i.e. in particular a required volume or a required area of the primary contact unit and the secondary contact unit in the vehicle and the charging infrastructure can be reduced. Instead of two contact areas in two separate base bodies, several contact areas are now possible in one base body. As a result, the use of materials and the costs for such a charging system can also be reduced. By reducing costs, user or customer acceptance of the charging system can also be improved. Furthermore, such a configuration of a charging system also results in a reduction in the complexity with regard to making contact with the two contact units. In addition, a tolerance area when contacting the contact units can thus also be optimized, so that correct contacting can take place without the need for an exact positioning of the contact units in the centimeter range.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.
Um das Kontaktieren oder Verbinden der Primärkontakteinheit mit der Sekundärkontakteinheit zu ermöglichen, ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die wenigstens eine Kontaktierungseinrichtung eine Aktoreinheit aufweist, die ausgebildet ist, die Primärkontakteinheit und/oder die Sekundärkontakteinheit zum Verbinden der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweilige Sekundärkontaktbereichen entlang einer vorgegebenen Kontaktierungsrichtung zueinander hin zu bewegen. Gemäß der Kontaktierungsrichtung können die Kontakteinheiten dabei bevorzugt entlang einer Senkrechten durch deren jeweilige Grundkörper aufeinander zu bewegt werden. Die Aktoreinheit kann bevorzugt als elektrisch angetriebene Höhenverstellmechanik, also als Hub- oder Absenkmechanik mit einem Elektromotor als Antrieb, ausgebildet sein. Alternative ist auch eine pneumatische oder ähnliche mechanische Höhenverstellmechanik denkbar. Für den Fall, dass die Sekundärkontakteinheit beispielsweise im Unterboden eines Fahrzeugs eingelassen ist, und die Primärkontakteinheit beispielsweise als Bodenkontakt ausgebildet ist entspricht die Kontaktierungsrichtung somit einer Verschiebung einer oder beider der Kontakteinheiten in eine z-Richtung. Die Aktoreinheit kann in diesem Fall auch als z-Mover bezeichnet werden.In order to contact or connect the primary contact unit to the secondary contact unit allow, it is provided in one embodiment that the at least one contacting device has an actuator unit which is designed to move the primary contact unit and / or the secondary contact unit for connecting the respective primary contact areas to the respective secondary contact areas along a predetermined contacting direction towards one another. According to the contacting direction, the contact units can preferably be moved towards one another along a perpendicular through their respective base bodies. The actuator unit can preferably be designed as an electrically driven height adjustment mechanism, that is to say as a lifting or lowering mechanism with an electric motor as the drive. Alternatively, a pneumatic or similar mechanical height adjustment mechanism is also conceivable. In the event that the secondary contact unit is embedded, for example, in the underbody of a vehicle, and the primary contact unit is designed, for example, as a floor contact, the contacting direction thus corresponds to a displacement of one or both of the contact units in a z-direction. In this case, the actuator unit can also be referred to as a z-mover.
Um nun die jeweils ersten und zweiten Primärkontaktbereiche mit den jeweils ersten und zweiten Sekundärkontaktbereichen zum Kontaktieren exakt zueinander positionieren zu können, ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Aktoreinheit ausgebildet ist, die Primärkontakteinheit und/oder die Sekundärkontakteinheit zum Verbinden der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen in Bezug auf ihre Grundkörper parallel zueinander zu verschieben oder zu drehen. Die Aktoreinheit kann somit die Primärkontakteinheit und/oder die Sekundärkontakteinheit aktiv lateral beziehungsweise vertikal und somit in x-y-Richtung in einer zweidimensionalen Ebene zueinander verschieben. Dazu kann die Aktoreinheit insbesondere zusätzlich eine elektrisch angetriebene Lateralverstellmechanik oder Verschiebemechanik mit einem Elektromotor als Antrieb aufweisen. Die Aktoreinheit kann in diesem Fall auch als x-y-Mover bezeichnet werden.In order to be able to position the respective first and second primary contact areas with the respective first and second secondary contact areas exactly to one another for contacting, a further embodiment provides that the actuator unit is designed, the primary contact unit and / or the secondary contact unit for connecting the respective primary contact areas to the move or rotate respective secondary contact areas in relation to their base bodies parallel to one another. The actuator unit can thus actively move the primary contact unit and / or the secondary contact unit laterally or vertically and thus in the x-y direction in a two-dimensional plane with respect to one another. For this purpose, the actuator unit can in particular additionally have an electrically driven lateral adjustment mechanism or displacement mechanism with an electric motor as the drive. In this case, the actuator unit can also be referred to as an x-y mover.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ladesystem jedoch passiv geführt oder zwangsgeführt ausgebildet, sodass das aktive Bewegen der Primärkontakteinheit und der Sekundärkontakteinheit parallel zueinander entfällt. Dazu weisen die Grundkörper jeweils zueinander komplementäre dreidimensionale Oberflächenstrukturen auf, die ausgebildet sind, beim Inkontaktbringen gegeneinander bis in eine finale Kontaktposition zu gleiten. In der finalen Kontaktposition ist dabei jeweils einer der ersten Primärkontaktbereiche mit dem ersten Sekundärkontaktbereich und einer der zweiten Primärkontakte mit dem zweiten Sekundärkontaktbereich elektrisch leitend verbunden. Zum Gleiten der Grundkörper gegeneinander ist bevorzugt wenigstens einer der Grundkörper lateral oder vertikal also in einer zweidimensionalen Ebene bewegbar gelagert. Im Gegensatz dazu ist der andere der Grundkörper bevorzugt in dieser zweidimensionalen Ebene starr oder unbewegbar ausgebildet. Beim Inkontaktbringen der Kontakteinheiten kann sich einer der Grundkörper somit verschieben, sodass die Grundkörper aufgrund ihrer Oberflächenstrukturen ineinander eingefasst, eingefädelt oder eingespurt werden können. Der elektrisch leitende Kontakt zwischen den Primärkontaktbereichen und den jeweils zugeordneten Sekundärkontaktbereichen entsteht bevorzugt jedoch erst dann, wenn die finale Kontaktposition erreicht ist und die Grundkörper somit korrekt eingefasst, eingefädelt oder eingespurt sind. Bei den Oberflächenstrukturen kann es sich beispielsweise um eine zacken- oder dreieckförmige Oberflächenstruktur handeln. Dabei umfasst jeder der Grundkörper eine Vielzahl an im Wesentlichen dreieckförmigen Erhebungen und Vertiefungen, sodass eine Oberflächenstruktur aus Bergen und Tälern entsteht. Bei Dekontaktierung, also beim physikalischen und elektrischen Lösen der Kontakteinheiten voneinander, kann der wenigstens eine beweglich gelagerte Grundkörper dann wieder in seine ursprüngliche Position oder Nullstellung zurückgestellt werden.In a preferred embodiment, however, the charging system is passively guided or positively guided, so that there is no need to actively move the primary contact unit and the secondary contact unit parallel to one another. For this purpose, the base bodies each have three-dimensional surface structures which are complementary to one another and which are designed to slide against one another into a final contact position when they are brought into contact. In the final contact position, one of the first primary contact areas is connected in an electrically conductive manner to the first secondary contact area and one of the second primary contacts is connected to the second secondary contact area. In order to slide the base bodies against one another, at least one of the base bodies is preferably mounted so as to be movable laterally or vertically, that is, in a two-dimensional plane. In contrast to this, the other of the base bodies is preferably designed to be rigid or immovable in this two-dimensional plane. When the contact units are brought into contact, one of the base bodies can thus shift so that the base bodies can be framed, threaded or meshed into one another due to their surface structures. However, the electrically conductive contact between the primary contact areas and the respectively assigned secondary contact areas is preferably only created when the final contact position has been reached and the base bodies are thus correctly enclosed, threaded or meshed. The surface structures can be, for example, a jagged or triangular surface structure. Each of the base bodies includes a large number of essentially triangular elevations and depressions, so that a surface structure of mountains and valleys is created. When decontacting, that is, when the contact units are physically and electrically detached from one another, the at least one movably mounted base body can then be returned to its original position or zero position.
In diesem Zusammenhang ist in einer weiteren Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens einer der Grundkörper, das heißt einer oder beide Grundkörper, federnd gelagert ausgebildet ist. Das heißt, die zuvor beschriebene bewegbare Lagerung des wenigsten einen Grundkörpers kann beispielsweise mittels Federn erfolgen. Dadurch ist der jeweilige Grundkörper ausgelegt, sich in Folge des Gleitens parallel in Bezug auf den jeweiligen anderen Grundkörper zu verschieben. Die Federlagerung bewirkt somit, dass der jeweilige Grundkörper in lateraler oder vertikaler Richtung, das heißt bevorzugt in x-y-Richtung bewegbar ist.In this context, in a further embodiment it is preferably provided that at least one of the base bodies, that is to say one or both base bodies, is designed to be resiliently mounted. That is, the above-described movable mounting of the at least one base body can be done, for example, by means of springs. As a result, the respective base body is designed to move in parallel with respect to the respective other base body as a result of the sliding. The spring mounting thus has the effect that the respective base body can be moved in the lateral or vertical direction, that is to say preferably in the x-y direction.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Primärkontaktbereiche und/oder die jeweiligen Sekundärkontaktbereiche in Bezug auf ihr jeweiliges Potential schaltbar ausgebildet sind. Die jeweiligen Kontaktbereiche weisen somit kein festes oder vorgegebenes Potential mehr auf. Stattdessen kann ihr jeweiliges Potential umgeschaltet werden. Das heißt, jeder der Kontaktbereiche kann in Abhängigkeit von einer Polung oder Schaltung entweder als Nullleiter (Minusleiter) oder als Phasenleiter (Plusleiter) ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf eine aktive Aktoreinheit zum Bewegen oder Drehen der Grundkörper parallel zueinander oder auf eine Ausgestaltung der Grundkörper mit zueinander komplementären dreidimensionalen Oberflächenstrukturen verzichtet werden kann. Die jeweiligen Kontaktbereiche können stattdessen beim Inkontaktbringen beziehungsweise im verbundenen Zustand miteinander so geschaltet werden, dass wenigstens einer der ersten Primärkontaktbereiche mit dem wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich und der wenigstens eine zweite Primärkontaktbereich mit dem wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich verbunden ist. Somit kann die Komplexität der Kontaktierungseinrichtung und ein Bauraumbedarf der jeweiligen Grundkörper reduziert werden. Zum Schalten der jeweiligen Kontaktbereiche können die Primärseite und/oder die Sekundärseite bevorzugt eine Schaltungseinrichtung oder Umschalteinrichtung umfassen. Diese Schaltungseinrichtung kann beispielsweise als Brückenschaltung aus Halbleiterschaltern, wie beispielsweise Transistoren ausgebildet sein.Another embodiment provides that the respective primary contact areas and / or the respective secondary contact areas are designed to be switchable with respect to their respective potential. The respective contact areas therefore no longer have a fixed or predetermined potential. Instead, their respective potential can be switched. This means that each of the contact areas can be designed either as a neutral conductor (minus conductor) or as a phase conductor (plus conductor), depending on a polarity or circuit. This results in the advantage that it is possible to dispense with an active actuator unit for moving or rotating the base bodies parallel to one another or with a configuration of the base bodies with mutually complementary three-dimensional surface structures. The respective contact areas can instead be brought into contact or are switched in the connected state with one another in such a way that at least one of the first primary contact areas is connected to the at least one first secondary contact area and the at least one second primary contact area is connected to the at least one second secondary contact area. In this way, the complexity of the contacting device and the installation space required for the respective base body can be reduced. For switching the respective contact areas, the primary side and / or the secondary side can preferably comprise a switching device or switching device. This circuit device can be designed, for example, as a bridge circuit made up of semiconductor switches, such as, for example, transistors.
In vorteilhafter Weise sind die Primärkontakteinheit und die Sekundärkontakteinheit im Fahrzeug, insbesondere im Fahrzeugunterboden oder in einer Wand oder im Boden versenkbar ausgebildet. Dadurch können die Kontakteinheiten vor Verschmutzungen, insbesondere vor Staub oder Dreck oder Wasserablagerungen, geschützt gelagert werden, bis ein Kontaktieren der Kontakteinheiten gewünscht ist. Dazu können die Primärseite und die Sekundärseite jeweils eine Schutzeinrichtung zum Beispiel mit einem Versenkelement und einer Schutzklappe aufweisen, wobei das Versenkelement ausgebildet ist, die jeweilige Kontakteinheit zu versenken und die Schutzklappe als Abdeckung der jeweiligen Kontakteinheit dient.The primary contact unit and the secondary contact unit in the vehicle, in particular in the vehicle underbody or in a wall or in the floor, are advantageously designed to be retractable. As a result, the contact units can be stored protected from contamination, in particular from dust or dirt or water deposits, until contacting the contact units is desired. For this purpose, the primary side and the secondary side can each have a protective device, for example with a countersink element and a protective flap, the countersunk element being designed to countersunk the respective contact unit and the protective flap serving as a cover for the respective contact unit.
In vorteilhafter Weise kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärkontakteinheit und/oder die Sekundärkontakteinheit beheizbar ausgebildet ist. Dadurch können Vereisungen oder Abwasserablagerungen an der jeweiligen Kontakteinheit vermieden werden. Dazu kann die Primärseite und/oder die Sekundärseite ein Heizelement, wie zum Beispiel einen Heizdraht oder eine Heizwendel oder ein Peltierelement, umfassen.In an advantageous manner, it can also be provided that the primary contact unit and / or the secondary contact unit is designed to be heatable. In this way, icing or waste water deposits on the respective contact unit can be avoided. For this purpose, the primary side and / or the secondary side can comprise a heating element, such as, for example, a heating wire or a heating coil or a Peltier element.
In den folgenden Ausführungsformen ist nun eine Ausgestaltung der genannten Steuereinrichtung beschrieben.In the following embodiments, an embodiment of the aforementioned control device will now be described.
Um nämlich den beschriebenen Verbindungszustand der jeweiligen Kontaktbereiche erkennen zu können, ist die Steuereinrichtung in einer Ausführungsform dazu ausgebildet, Bilddaten, die einen Verbindungsvorgang der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen abbilden, auszuwerten und/oder die Primärseite oder die Sekundärseite zum Bereitstellen einer Testspannung als Ladespannung zum Prüfen der Verbindung der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen anzusteuern. Somit kann das Ladesystem beispielsweise eine Bilderfassungseinrichtung oder Kamera umfassen, durch die die Primärkontakteinheit und die Sekundärkontakteinheit, und insbesondere die Position der jeweiligen Kontaktbereiche zueinander, erfassen und daraus Bilddaten erzeugen kann. Die Steuereinrichtung kann entsprechend einen Objekt- oder Bilderkennungsalgorithmus nutzen und die von der Bilderfassungseinrichtung bereitgestellten Bilddaten auswerten. Alternativ oder zusätzlich zu der Bilderfassungseinrichtung kann das Ladesystem auch eine Prüfeinheit in Form einer elektrischen Schaltung aufweisen, die ausgebildet ist, die Testspannung zu erzeugen und bereitzustellen. Bei der Testspannung handelt es sich dabei bevorzugt um eine Spannung, die sehr viel geringer ist als die eigentliche Ladespannung. Zum Beispiel kann die Testspannung 5 Volt betragen. Durch Ansteuern der Prüfeinheit kann die Steuereinrichtung die Testspannung freigeben und so prüfen, ob eine korrekte Verbindung der jeweiligen Kontaktbereiche vorliegt. Mit korrekter Verbindung oder Kontaktierung ist in diesem Zusammenhang gemeint, ob die Kontaktbereiche sich überhaupt in dem elektrisch leitfähigen Kontakt befinden, und ob die jeweiligen Kontaktbereiche polrichtig, das heißt die ersten Primärkontaktbereiche mit dem ersten Sekundärkontaktbereich und die zweiten Primärkontaktbereiche mit dem zweiten Sekundärkontaktbereich, verbunden sind. Somit kann durch die Steuereinrichtung ein Verpolschutz der Kontaktbereiche erreicht werden. Vorzugsweise kann nach dem Testen der Kontaktierung noch eine Vierleitermessung durchgeführt werden, um zu überprüfen, wie gut der elektrische Kontakt zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen ist. Das heißt, es kamm insbesondere bei Feststellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung entsprechend die Primärseite oder die Sekundärseite zum Durchführen eine Vierleitermessung zum Verifizieren der Verbindung angesteuert werden. Das Durchführen einer entsprechenden Vierpunktmessung ist im späteren Verlauf noch einmal genauer beschrieben.In order to be able to recognize the described connection state of the respective contact areas, the control device is designed in one embodiment to evaluate image data that depict a connection process of the respective primary contact areas with the respective secondary contact areas and / or the primary side or the secondary side for providing a test voltage as charging voltage to check the connection of the respective primary contact areas with the respective secondary contact areas. Thus, the charging system can include, for example, an image acquisition device or camera, by means of which the primary contact unit and the secondary contact unit, and in particular the position of the respective contact areas with respect to one another, can acquire and generate image data therefrom. The control device can accordingly use an object or image recognition algorithm and evaluate the image data provided by the image acquisition device. As an alternative or in addition to the image acquisition device, the charging system can also have a test unit in the form of an electrical circuit which is designed to generate and provide the test voltage. The test voltage is preferably a voltage that is much lower than the actual charging voltage. For example, the test voltage can be 5 volts. By activating the test unit, the control device can release the test voltage and thus check whether there is a correct connection between the respective contact areas. In this context, correct connection or contacting means whether the contact areas are actually in the electrically conductive contact and whether the respective contact areas are connected with the correct polarity, i.e. the first primary contact areas are connected to the first secondary contact area and the second primary contact areas are connected to the second secondary contact area . Reverse polarity protection of the contact areas can thus be achieved by the control device. After testing the contact, a four-wire measurement can preferably be carried out in order to check how good the electrical contact is between the respective contact areas. That is to say, when an electrically conductive connection is determined, the primary side or the secondary side can be activated to carry out a four-wire measurement to verify the connection. Carrying out a corresponding four-point measurement is described in more detail below.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Kontaktierungseinrichtung in Abhängigkeit von einer Position der Primärkontakteinheit und der Sekundärkontakteinheit zueinander zum Verbinden der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen anzusteuern. Somit kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, die Position, insbesondere in Bezug auf eine laterale oder vertikale Ausrichtung der Grundkörper der Primärkontakteinheit und der Sekundärkontakteinheit, zueinander zu bestimmen. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise die zuvor genannte Bilderfassungseinrichtung oder Kamera nutzen. Nur wenn eine korrekte Position, insbesondere eine Position, bei der sich die Flächen der Grundkörper der Kontakteinheiten bevorzugt vollständig überlappen, von der Steuereinrichtung festgestellt wird, kann die Steuereinrichtung ein Steuersignal zum Ansteuern der Kontaktierungseinrichtung zum Bewegen der jeweiligen Grundkörper zueinander bereitstellen.A further embodiment provides that the control device is designed to control the contacting device as a function of a position of the primary contact unit and the secondary contact unit with respect to one another in order to connect the respective primary contact areas to the respective secondary contact areas. The control device can thus be designed to determine the position relative to one another, in particular with regard to a lateral or vertical alignment of the base bodies of the primary contact unit and the secondary contact unit. For this purpose, the control device can use the aforementioned image acquisition device or camera, for example. Only when a correct position, in particular a position in which the surfaces of the base bodies of the contact units preferably completely overlap, is determined by the control device, the control device can provide a control signal for activating the contacting device for moving the respective base bodies to one another.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebsmodus des Fahrzeugs die Sekundärseite zum Bereitstellen der berührsicheren Ladespannung über den wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich und den wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich anzusteuern. Somit kann in diesem Fall die Sekundärseite als Sender der berührsicheren Ladespannung und die Primärseite als Empfänger der berührsicheren Ladespannung ausgebildet sein. Ist nun die Sekundärseite Teil des Fahrzeugs und die Primärseite Teil einer Ladevorrichtung oder Ladeinfrastruktur kann somit beispielsweise die Hochvoltbatterie des Fahrzeugs über die Ladeinfrastruktur entladen werden. Das heißt, der zweite Betriebsmodus kann als zum Beispiel eine Entladebetrieb des Fahrzeugs zum Entladen der Fahrzeugbatterie darstellen. Somit kann beispielsweise überschüssige in der Hochvoltbatterie gespeicherte Energie zurück in ein Energienetz, an das die Ladeinfrastruktur angeschlossen ist, geführt oder eingespeist werden. Bei dem Energienetz kann es sich beispielsweise um ein Energienetz eines Haushalts handeln, sodass beispielsweise Haushaltsgeräte mittels der überschüssigen Energie der Hochvoltbatterie versorgt werden können.In a further embodiment it is provided that the control device is designed to control the secondary side in a second operating mode of the vehicle to provide the safe-to-touch charging voltage via the at least one first secondary contact area and the at least one second secondary contact area. Thus, in this case, the secondary side can be designed as a transmitter of the safe-to-touch charging voltage and the primary side as a receiver of the safe-to-touch charging voltage. If the secondary side is part of the vehicle and the primary side is part of a charging device or charging infrastructure, the high-voltage battery of the vehicle, for example, can be discharged via the charging infrastructure. That is to say, the second operating mode can represent, for example, a discharging operation of the vehicle for discharging the vehicle battery. Thus, for example, excess energy stored in the high-voltage battery can be fed back into an energy network to which the charging infrastructure is connected. The energy network can be a household energy network, for example, so that household appliances, for example, can be supplied using the excess energy of the high-voltage battery.
In Bezug auf eine Ausgestaltung der wenigstens einen Kontaktierungseinrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die wenigstens eine Kontaktierungseinrichtung wenigstens eine Halteeinheit aufweist, die ausgebildet ist, die jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen lösbar in Kontakt zu halten. Bevorzugt können die jeweiligen Kontaktbereiche dabei zerstörungsfrei lösbar in Kontakt gehalten oder verbunden werden. Das heißt, ein Lösen der Verbindung kann ohne Zerstörung oder Beschädigung der jeweiligen Kontaktbereiche erfolgen. Somit kann durch die Kontaktierungseinrichtung beispielsweise eine Haltekraft erzeugt werden, durch die die jeweiligen Kontaktbereiche aneinander gehalten werden können. Dazu kann die Halteeinheit beispielsweise als federgelagerte Haltemechanik für die jeweilige Primär- oder Sekundärkontakteinheit ausgebildet sein. Dementsprechend kann die jeweilige Kontakteinheit, wie es zum Beispiel von federgelagerten Kontaktstiften bekannt ist, beim Inkontaktbringen mit der jeweils anderen Kontakteinheit nachgeben. Alternativ kann die Halteeinheit auch als magnetische Halteeinheit ausgebildet sein, sodass eine Haltekraft zum Halten der Primär- und der Sekundärkontakteinheit aneinander ein Magnetfeld erzeugt wird.With regard to an embodiment of the at least one contacting device, a further embodiment provides that the at least one contacting device has at least one holding unit which is designed to hold the respective primary contact areas detachably in contact with the respective secondary contact areas. The respective contact areas can preferably be held in contact or connected in a non-destructive manner in a detachable manner. This means that the connection can be released without destroying or damaging the respective contact areas. Thus, for example, a holding force can be generated by the contacting device, by means of which the respective contact areas can be held against one another. For this purpose, the holding unit can be designed, for example, as a spring-loaded holding mechanism for the respective primary or secondary contact unit. Accordingly, as is known, for example, from spring-loaded contact pins, the respective contact unit can yield when it is brought into contact with the respective other contact unit. Alternatively, the holding unit can also be designed as a magnetic holding unit, so that a holding force for holding the primary and secondary contact units to one another is generated in a magnetic field.
Da eine Versorgungseinrichtung, wie beispielsweise ein öffentliches Energieversorgungsnetz in der Regel eine Versorgungsspannung von 230 Volt bereitstellt, und auch eine Hochvoltbatterie zum Laden eine Hochvoltspannung größer 60 Volt benötigt, ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Primärseite eine Primärwandlereinheit aufweist und die Sekundärseite eine Sekundärwandlereinheit aufweist, die ausgebildet sind, eine jeweilige ladesystemexterne Hochvoltspannung in die berührsichere Ladespannung umzuwandeln. Bei den Wandlereinheiten handelt es sich bevorzugt um Spannungswandler, wie zum Beispiel einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) oder einen Wechselspannungswandler (AC/DC-Wandler) oder und/oder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein.Since a supply device, such as a public energy supply network, usually provides a supply voltage of 230 volts, and a high-voltage battery also requires a high-voltage voltage greater than 60 volts for charging, a further embodiment provides that the primary side has a primary converter unit and the secondary side has a secondary converter unit which are designed to convert a respective high-voltage voltage external to the charging system into the safe-to-touch charging voltage. The converter units are preferably voltage converters, such as a direct voltage converter (DC / DC converter) or an alternating voltage converter (AC / DC converter) or and / or be designed as a step-down converter or a step-up converter.
Die Erfindung betrifft auch eine Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs mit einer berührsicheren Ladespannung, wobei die Ladevorrichtung die Primärseite des Ladesystems, wie sie zuvor beschrieben wurde, umfasst. Die Ladevorrichtung und insbesondere die Primärseite ist dabei bevorzugt an ein Versorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches Energieversorgungsnetz, angeschlossen.The invention also relates to a charging device for charging a high-voltage battery of a vehicle with a touch-safe charging voltage, the charging device comprising the primary side of the charging system, as described above. The charging device and in particular the primary side is preferably connected to a supply network, in particular a public energy supply network.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, insbesondre ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Hochvoltbatterie, die zum Laden mit einer berührsicheren Ladespannung ausgebildet ist, wobei der Energiespeicher an die Sekundärseite des Ladesystems, wie es zuvor beschrieben wurde, angeschlossen ist. Das Kraftfahrzeug ist dabei vorzugsweise als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, also zum Beispiel als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, ausgebildet. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The invention also relates to a vehicle, in particular a motor vehicle with an electrical energy store, in particular a high-voltage battery, which is designed for charging with a touch-safe charging voltage, the energy store being connected to the secondary side of the charging system, as described above. The motor vehicle is preferably designed as an electrically drivable motor vehicle, that is to say, for example, as an electric vehicle or hybrid vehicle. The motor vehicle is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum konduktiven Laden eines Energiespeichers, welcher vorzugsweise als Hochvoltbatterie ausgebildet ist, eines Fahrzeugs mit einer berührsicheren Ladespannung. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen einer Primärseite mit einer Primärkontakteinheit, die einen flächig ausgebildeten Grundkörper aufweist, welcher wenigstens zwei erste Primärkontaktbereiche und wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich umfasst, und einer Sekundärseite mit einer Sekundärkontakteinheit, die einen flächig ausgebildeten Grundkörper aufweist, welcher wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereich und wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereich umfasst. Anschließend erfolgt ein Verbinden des wenigstens einen ersten Sekundärkontaktbereichs mit wenigstens einem der ersten Primärkontaktbereiche und des wenigstens einen zweiten Sekundärkontaktbereichs mit dem wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich. Anschließend wird ein Verbindungszustand der jeweiligen Primärkontaktbereiche mit den jeweiligen Sekundärkontaktbereichen geprüft. Weiterhin wird auch geprüft, ob sich das Fahrzeug in einem ersten Betriebsmodus befindet. Für den Fall, dass sich das Fahrzeug in dem ersten Betriebsmodus befindet, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Prüfens des Verbindungszustands wird schließlich die Primärseite zum Bereitstellen der berührsicheren Ladespannung über wenigstens einen der ersten Primärkontaktbereiche und den wenigstens einen zweiten Primärkontaktbereich angesteuert.Finally, the invention also relates to a method for conductive charging of an energy store, which is preferably designed as a high-voltage battery, of a vehicle with a touch-safe charging voltage. The method comprises the following steps: First, a primary side is provided with a primary contact unit, which has a flat base body which comprises at least two first primary contact areas and at least one second primary contact area, and a secondary side with a secondary contact unit which has a flat base body, which comprises at least one first secondary contact area and at least one second secondary contact area. The at least one first secondary contact area is then connected to at least one of the first primary contact areas and the at least one second secondary contact area is connected to the at least one second primary contact area. A connection state of the respective primary contact areas with the respective secondary contact areas is then checked. Farther it is also checked whether the vehicle is in a first operating mode. In the event that the vehicle is in the first operating mode, and depending on a result of the checking of the connection status, the primary side is finally controlled to provide the safe-to-touch charging voltage via at least one of the first primary contact areas and the at least one second primary contact area.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemä-ßen Ladevorrichtung und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention, the charging device according to the invention and the motor vehicle according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the charging system according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention, the charging device according to the invention and the motor vehicle according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines konduktiven Ladesystems mit Toleranzflächenoptimierung; -
2 eine schematische Darstellung von verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten einer Primärkontakteinheit und einer Sekundärkontakteinheit, und -
3 eine schematische Darstellung von verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten einer Oberflächenstruktur der Primärkontakteinheit und der Sekundärkontakteinheit.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a conductive charging system with tolerance area optimization; -
2 a schematic representation of various design options of a primary contact unit and a secondary contact unit, and -
3rd a schematic representation of various design options for a surface structure of the primary contact unit and the secondary contact unit.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
Bisherige konduktive Ladesysteme basieren in der Regel auf Steckersystemen, bei denen ein Steckvorgang zum Kontaktieren von gegensätzlich oder komplementär ausgebildeten Kontakteinheiten einer Ladeinfrastruktur und eines Fahrzeugs von einem Nutzer oder automatisch ausgeführt wird. Die Anschlüsse oder Kontakte eines derartigen Steckersystems sind dabei in der Regel als Punktanschlüsse, wie beispielsweise Kontaktstifte und komplementäre Kontaktbuchsen ausgebildet, die zum Kontaktieren exakt zueinander ausgerichtet werden müssen. Insbesondere bei automatisiert ausgeführten Steckvorgängen fehlt es jedoch in der Regel an Genauigkeit, die Anschlüsse oder Kontakte korrekt elektrisch leitend zu verbinden oder es müssen aufwendige Justiersysteme genutzt werden, damit die Anschlüsse korrekt zueinander ausgerichtet oder positioniert werden können. Zudem werden bei entsprechenden Steckersystemen Hochvoltspannungen übertragen, wodurch aufwendige Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel einer Ummantelung der Anschlüsse oder ein zusätzlicher Schutzleiter vorzusehen sind. Dadurch sind entsprechende automatisierte Ladesysteme in der Regel teuer und werden von Nutzern weniger akzeptiert.Previous conductive charging systems are usually based on connector systems in which a plugging process for contacting oppositely or complementarily designed contact units of a charging infrastructure and a vehicle is carried out by a user or automatically. The connections or contacts of such a plug system are usually designed as point connections, such as contact pins and complementary contact sockets, which must be precisely aligned with one another for contacting. In particular in the case of automated plug-in processes, however, there is generally a lack of accuracy to connect the connections or contacts in a correctly electrically conductive manner, or complex adjustment systems have to be used so that the connections can be correctly aligned or positioned with respect to one another. In addition, high-voltage voltages are transmitted with the corresponding connector systems, which means that complex protective measures, such as sheathing the connections or an additional protective conductor, have to be provided. As a result, corresponding automated charging systems are usually expensive and are less accepted by users.
Um das Positionieren der Kontakteinheiten zu vereinfachen und einen Bauraum und Materialaufwand zum Bereitstellen eines konduktiven Ladesystems zu reduzieren und dadurch die Akzeptanz von Nutzern gegenüber einem derartigen Ladesystem zu erhöhen kann, wie in
Somit kann elektrische Energie von dem externen Energieversorgungsnetz
Zum Kontaktieren umfasst die Primärseite
In
Da von dem externen Energienetz
Zum Kontaktieren mit der Primärseite
Wie in
Die Isolierbereiche
Da die Hochvoltbatterie
Um die Primärseite
Um die Kontaktierungseinrichtung
To the contacting
Die Steuereinrichtung
Wie zuvor beschrieben, erfolgt das Bereitstellen der berührsicheren Ladespannung dabei jedoch auch in Abhängigkeit von einem Verbindungszustand der jeweiligen Primärkontaktbereiche
In einer bevorzugt Ausgestaltung des Ladesystems
Nach dem Testen oder Überprüfen, ob die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen
In einer alternativen Ausgestaltung des Ladesystems
Alternativ dazu können die Kommunikationseinheiten
Der Ausgestaltung des Ladesystems
Um ein korrektes Kontaktieren der jeweiligen Kontaktbereiche
In
Zum Beispiel kann der Grundkörper, wie in
In der in
In der Ausgestaltung in
Beim Überlagern der Grundkörper
Gemäß der Ausgestaltung in
Alternativ zu der in
In
Gemäß
In
In
In
Insgesamt zeigen die Beispiele somit eine Mehrpoltoleranzflächenoptimierung beim automatisierten kontaktgebundenen Laden von Elektrofahrzeugen beziehungsweise elektrifizierten Fahrzeugen. Die Kontaktbereiche
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016008982 A1 [0004]DE 102016008982 A1 [0004]
- DE 202018100805 U1 [0004]DE 202018100805 U1 [0004]
- WO 2019/052962 A1 [0005]WO 2019/052962 A1 [0005]
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- 2019-08-29 DE DE102019213055.0A patent/DE102019213055A1/en active Pending
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