DE102019214938A1 - Charging system for charging an electrical energy storage device in a road vehicle - Google Patents

Charging system for charging an electrical energy storage device in a road vehicle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem (4) zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Straßenfahrzeugs (1), welches zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage mit einem Fahrdraht (7) je Kontaktpol (6P, 6N) einen Stromabnehmer (8) mit mindestens einer anheb- und absenkbaren Schleifleiste (9) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht (7) dieses Kontaktpols (6P, 6N) umfasst. Das Ladesystem (4) umfasst eine Ladestation (3) mit einem Ladekontakt (12) je Kontaktpol (6P, 6N), der oberhalb der mindestens einen, diesem Kontaktpol (6P, 6N) zugeordneten Schleifleiste (9) des auf einer Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs (1) angeordnet ist, und mit einem Erdungskontakt (13), der oberhalb und seitlich beabstandet von den Schleifleisten (9) des auf der Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs (1) angeordnet und über einen Schutzleiter (17) geerdet ist. Der Stromabnehmer (8) weist zwei gegen die Schleifleisten (9) und gegen ein elektrisches Massepotenzial (P16) des Fahrzeugrahmens (16) isolierte und hochohmig miteinander verbundene Detektionskontakte (15) auf, die bei Kontaktschluss zwischen den Schleifleisten (9) und den Ladekontakten (12) durch den Erdungskontakt (13) überbrückt sind. Eine Überbrückung der Detektionskontakte (15) ist durch den Erdungskontakt (13) mittels einer Messeinrichtung (22) erfassbar. Einer der Detektionskontakte (15) ist durch eine ein Schaltelement (23) aufweisende Masseleitung (24) trennbar mit dem Massepotential (P16) verbunden.The invention relates to a charging system (4) for charging an electrical energy store (2) of a road vehicle (1), which has a current collector (8) with at least one for each contact pole (6P, 6N) for feeding energy from a two-pole overhead contact line system with a contact wire (7) raisable and lowerable contact strip (9) for making electrical contact with the contact wire (7) of this contact pole (6P, 6N). The charging system (4) comprises a charging station (3) with a charging contact (12) for each contact pole (6P, 6N), which is located above the at least one contact strip (9) assigned to this contact pole (6P, 6N) of the road vehicle in a charging position. 1) is arranged, and with a grounding contact (13) which is arranged above and laterally spaced from the contact strips (9) of the road vehicle (1) located in the loading position and is grounded via a protective conductor (17). The current collector (8) has two detection contacts (15) that are insulated from the contact strips (9) and against an electrical ground potential (P16) of the vehicle frame (16) and connected to one another with high resistance, which when the contact is closed between the contact strips (9) and the charging contacts ( 12) are bridged by the earthing contact (13). A bridging of the detection contacts (15) can be detected by the grounding contact (13) by means of a measuring device (22). One of the detection contacts (15) is connected to the ground potential (P16) in a separable manner by a ground line (24) having a switching element (23).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Straßenfahrzeugs, welches zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage mit einem Fahrdraht je Kontaktpol einen Stromabnehmer mit mindestens einer anheb- und absenkbaren Schleifleiste zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht dieses Kontaktpols umfasst.The invention relates to a charging system for charging an electrical energy store of a road vehicle, which comprises a current collector with at least one lifting and lowering contact strip for making electrical contact with the contact wire of this contact pole for feeding energy from a two-pole catenary system with a contact wire for each contact pole.

Bei elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugen, insbesondere schweren Nutzfahrzeugen, ist es zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift DE 10 2017 203 046 A1 bekannt, den Energiespeicher während der Fahrt über eine Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage mittels eines fahrzeugseitigen Stromabnehmers aufzuladen. Der Stromabnehmer umfasst ein pantographenartiges Gestell, welches je Kontaktpol eine Wippe mit zwei Schleifleisten trägt. Während der Fahrt stehen die Schleifleisten jedes Kontaktpols mit den dem jeweiligen Kontaktpol zugeordneten Fahrdrähten in Schleifkontakt, so dass elektrische Energie sowohl direkt für den Traktionsantrieb als auch zum Aufladen des Energiespeichers einspeisbar ist, um auch Streckenabschnitte ohne Oberleitungsanlage ebenfalls mit elektrischer Energie zurücklegen zu können. Im Moment der Leistungsaufnahme aus der Oberleitungsanlage können einige 100 kW an Leistung übertragen werden.In the case of electrically or hybrid-electrically driven road vehicles, in particular heavy commercial vehicles, it is, for example, from the laid-open specification DE 10 2017 203 046 A1 known to charge the energy store while driving via an energy supply from a two-pole overhead line system by means of a vehicle-mounted pantograph. The current collector comprises a pantograph-like frame, which carries a rocker with two contact strips for each contact pole. During the journey, the contact strips of each contact pole are in sliding contact with the contact wires assigned to the respective contact pole, so that electrical energy can be fed in both directly for the traction drive and for charging the energy storage device, so that sections of the route without overhead line systems can also be covered with electrical energy. At the moment of power consumption from the overhead line system, a few 100 kW of power can be transferred.

Zur Vermeidung von gefährlichen Berührungsspannungen am Fahrzeugrahmen ist aus der Patentschrift EP 3 036 127 B1 ein Fahrzeug mit einem Schutzsystem bekannt. Es weist eine erste Schutzstufe, die durch eine elektrisch einfach isolierte Montage wenigstens des Traktionsantriebs am Fahrzeugrahmen gebildet ist, und eine zweite Schutzstufe mit höherer Sicherheit, die zusätzlich durch einen zwischen Stromabnehmer und Traktionsantrieb geschalteten, galvanisch trennenden Gleichspannungswandler gebildet ist. Mittels eines Schaltelements ist das Schutzsystem durch wahlweises Zuschalten oder Überbrücken des Gleichspannungswandlers zwischen der ersten und zweiten Schutzstufe umschaltbar. Das Schutzsystem genügt in unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs, die durch unterschiedliche mögliche Wechselwirkungen zwischen Personen und Fahrzeug charakterisiert sind, unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen. Ein erster Betriebszustand - beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten oder im Stillstand des Fahrzeugs - erfordert ein hohes Sicherheitsniveau, da es bei einem Isolationsfehler zu gefährlichen Körperströmen durch eine Fahrzeugberührung kommen kann. Der zugeschaltete Gleichspannungswandler trennt das an den Schleifleisten anliegende Fahrdrahtpotenzial vom Massepotenzial des Fahrzeugrahmens. Es wird ein kostengünstiger Gleichspannungswandler mit geringer Leistungsübertragung eingesetzt, da dieser nur im Stillstand und bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs zugeschaltet ist. In einem zweiten Betriebszustand - bei höheren Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs - wird davon ausgegangen, dass Personen mit Massebezug das Fahrzeug nicht mehr berühren. In diesem Fall wird der Gleichspannungswandler überbrückt und das Fahrdrahtpotenzial direkt, gegebenenfalls über einen galvanisch nicht trennenden Gleichspannungswandler mit höherer Übertragungsleistung, auf die Antriebssteuerung des Fahrzeugs geschaltet.To avoid dangerous contact voltages on the vehicle frame is from the patent EP 3 036 127 B1 a vehicle known with a protection system. It has a first protection level, which is formed by an electrically isolated installation of at least the traction drive on the vehicle frame, and a second protection level with higher security, which is also formed by a galvanically isolating DC voltage converter connected between the pantograph and the traction drive. By means of a switching element, the protection system can be switched between the first and second protection stages by optionally connecting or bridging the DC voltage converter. The protection system satisfies different safety requirements in different operating states of the vehicle, which are characterized by different possible interactions between people and vehicle. A first operating state - for example at low speeds or when the vehicle is at a standstill - requires a high level of safety, since an insulation fault can lead to dangerous body currents from touching the vehicle. The connected DC voltage converter separates the contact wire potential applied to the contact strips from the ground potential of the vehicle frame. An inexpensive DC / DC converter with low power transfer is used, as this is only switched on when the vehicle is at a standstill and at low speeds. In a second operating state - at a higher driving speed of the vehicle - it is assumed that people with reference to ground no longer touch the vehicle. In this case, the DC voltage converter is bridged and the contact wire potential is switched directly to the drive control of the vehicle, if necessary via a non-electrically isolating DC voltage converter with a higher transmission power.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ladesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem hohe Ladeleistungen zum schnellen Aufladen des Energiespeichers im Stillstand übertragbar sind und welches trotzdem ausreichend Personenschutz vor elektrischen Berührungsspannungen bietet.The invention is therefore based on the object of providing a charging system of the type mentioned at the outset, with which high charging powers can be transmitted for fast charging of the energy storage device when the battery is stationary and which nevertheless offers sufficient personal protection from electrical contact voltages.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ladesystem mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Demnach ist das Ladesystem geeignet und dazu vorgesehen, einen elektrischen Energiespeicher eines Straßenfahrzeugs im Stillstand aufzuladen. Das Straßenfahrzeug, beispielsweise ein schweres Nutzfahrzeug, umfasst dabei zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage, welche je Kontaktpol einen Fahrdraht aufweist, einen Stromabnehmer mit mindestens einer anheb- und absenkbaren Schleifleiste zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht dieses Kontaktpols. Das Ladesystem umfasst erfindungsgemäß eine Ladestation mit einem Ladekontakt je Kontaktpol, der oberhalb der mindestens einen, diesem Kontaktpol zugeordneten Schleifleiste eines auf einer Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs angeordnet ist. Die Ladestation hat auch einen Erdungskontakt, der oberhalb und seitlich beabstandet von den Schleifleisten des auf der Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs angeordnet und über einen Schutzleiter geerdet ist. Ladekontakt und Erdungskontakt können beispielsweise an einem Lademast der Ladestation angeordnet sein. Der Stromabnehmer des Straßenfahrzeugs weist zwei gegen die Schleifleisten und gegen ein elektrisches Massepotenzial des Fahrzeugrahmens isolierte und hochohmig miteinander verbundene Detektionskontakte auf. Die Detektionselemente können beispielsweise als Metallbügel ausgebildet sein, die zwischen den Schleifleisten der beiden Kontaktpole angeordnet sind. Bei Kontaktschluss zwischen den Schleifleisten und den Ladekontakten überbrücken der Erdungskontakt die Detektionselemente. Die Überbrückung ist mittels einer Messeinrichtung erfassbar. Die Messeinrichtung kann ein Widerstandsnetzwerk mit Auswerteelektronik aufweisen, die eine Überbrückung als Veränderung eines Spannungswerts registriert. Da die Detektionskostakte in Ausnahmefällen auf Fahrdrahtpotenzial geraten können, sind diese und die Messeinrichtung gegenüber dem Massepotenzial isoliert. Dabei ist einer der Detektionskontakte durch eine ein Schaltelement aufweisende Masseleitung trennbar mit dem Massepotential verbunden. Die Masseleitung kann als flexibles, ausreichend stromtragfähiges Kabel ausgeführt sein. Da nur einer der beiden Detektionskontakte mit dem Fahrzeugrahmen verbunden ist, führt dies zu keiner Messwertveränderung im Widerstandsnetzwerk und der zugehörigen Auswertelektronik.The object is achieved by a charging system with the features specified in claim 1. Accordingly, the charging system is suitable and provided for charging an electrical energy store of a road vehicle when it is stationary. The road vehicle, for example a heavy commercial vehicle, includes a current collector with at least one lifting and lowering contact strip for making electrical contact with the contact wire of this contact pole for feeding energy from a two-pole catenary system, which has a contact wire for each contact pole. According to the invention, the charging system comprises a charging station with a charging contact for each contact pole, which is arranged above the at least one sliding strip associated with this contact pole of a road vehicle in a charging position. The charging station also has an earthing contact which is arranged above and laterally spaced from the contact strips of the road vehicle in the charging position and which is earthed via a protective conductor. Charging contact and grounding contact can be arranged, for example, on a charging mast of the charging station. The current collector of the road vehicle has two detection contacts that are insulated from the contact strips and from an electrical ground potential of the vehicle frame and connected to one another at high resistance. The detection elements can, for example, be designed as metal brackets which are arranged between the sliding strips of the two contact poles. If the contact between the sliding strips and the charging contacts is closed, the grounding contact bypasses the detection elements. The bridging can be detected by means of a measuring device. The measuring device can have a resistor network with evaluation electronics that register a bridging as a change in a voltage value. Since the detection cost files in In exceptional cases, contact wire potential can come into play, this and the measuring device are isolated from the ground potential. In this case, one of the detection contacts is connected to the ground potential in a separable manner by a ground line having a switching element. The ground line can be designed as a flexible, sufficiently current-carrying cable. Since only one of the two detection contacts is connected to the vehicle frame, this does not lead to any change in the measured value in the resistor network and the associated evaluation electronics.

Von zentraler Bedeutung für die Erfindung ist die Ladestation mit zwei Ladekontakten und einem Erdungskontakt. Hierdurch werden beim Ladevorgang der Fahrzeugrahmen sowie damit elektrisch leitend verbundene Fahrzeugteile, wie Führerhaus oder andere Fahrzeugaufbauten, über den Erdungskontakt der Ladestation geerdet und diese Erdungsverbindung wird überwacht. Auf den bekannten leistungsschwachen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung kann verzichtet werden. Es wird ein Nachladen von elektrischer Energie auch außerhalb von Straßen mit Oberleitungsanlagen möglich, wenn Ladestationen an Parkplätzen, in Fahrzeugdepots oder an Umschlagsstellen für Transportgüter installiert sind.The charging station with two charging contacts and one grounding contact is of central importance for the invention. As a result, the vehicle frame and electrically conductively connected vehicle parts, such as the driver's cab or other vehicle superstructures, are grounded via the grounding contact of the charging station during the charging process, and this grounding connection is monitored. The well-known low-power DC voltage converter with galvanic isolation can be dispensed with. It is also possible to recharge electrical energy outside of streets with overhead line systems if charging stations are installed in parking lots, in vehicle depots or at transshipment points for transported goods.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems ist die Masseleitung durch ein weiteres Schaltelement trennbar. Das weitere Schaltelement bietet eine Redundanz zum Schaltelement, wobei das Massepotenzial gegen die Detektionskontakte isoliert sind, beide sind gegen Erstfehler gesichert.In an advantageous embodiment of the charging system according to the invention, the ground line can be separated by a further switching element. The further switching element offers redundancy to the switching element, the ground potential being isolated from the detection contacts, both of which are protected against initial faults.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems sind das Schaltelement und das weitere Schaltelement im Fahrbetrieb an der Oberleitungsanlage geöffnet sind und nur im Stillstand nach Betätigung einer Feststellbremse des Straßenfahrzeugs schließbar sind. Zum Stillstandsladen muss der Fahrer zuerst die Feststellbremse betätigt haben, anschließend schließt er die redundanten Schalter zum Stillstandsladen, wodurch die Detektionskontakte mit dem Massepotenzial des Fahrzeugrahmens verbunden wird. Ist die Feststellbremse nicht ordnungsgemäß aktiviert, wird dies als Fehler erkannt.In a further advantageous embodiment of the charging system according to the invention, the switching element and the further switching element are open on the overhead line system during driving and can only be closed when a parking brake of the road vehicle is actuated when the vehicle is at a standstill. For standstill charging, the driver must first have applied the parking brake, then he closes the redundant switches for standstill charging, which connects the detection contacts to the ground potential of the vehicle frame. If the parking brake is not properly activated, this is recognized as an error.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems sind der Erdungskontakt und die Detektionskontakte derart angeordnet, dass beim Anheben der Schleifleisten erst ein Kontaktschluss zwischen dem Erdungskontakt und den Detektionskontakten und danach zwischen den Schleifleisten und den Ladekontakten erfolgt. Nach Abstellen des Straßenfahrzeugs auf die Ladeposition wird der Stromabnehmer aufgestellt, wobei die Ladekontakte der Ladestation noch keine Ladespannung führen. Mit den Schleifleisten werden die Detektionskontakte angehoben, welche zuerst den Erdungskontakt berühren, bevor die Schleifleisten an den Ladekontakten anliegen. Wenn beide Detektionskontakte den Erdungskontakt berühren, wird dies über das Widerstandsnetzwerk detektiert, der Messspannungswert ändert sich und ein entsprechendes Signal kann übermittelt werden.In a further advantageous embodiment of the charging system according to the invention, the grounding contact and the detection contacts are arranged in such a way that when the sliding strips are lifted, contact is first made between the grounding contact and the detection contacts and then between the sliding strips and the charging contacts. After the road vehicle has been parked in the charging position, the pantograph is set up, with the charging contacts of the charging station not yet carrying any charging voltage. With the contact strips, the detection contacts are lifted, which first touch the ground contact before the contact strips make contact with the charging contacts. If both detection contacts touch the ground contact, this is detected via the resistor network, the measured voltage value changes and a corresponding signal can be transmitted.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems weist der im Kontaktfall auf Fahrdrahtpotential liegende Strompfad zwischen Stromabnehmer und einer Potenzialtrennstelle eine doppelte Isolation mit zwei Isolationsschichten und isolierter Zwischenmasse auf, wobei das Massepotenzial über eine ein anderes Schaltelement aufweisende Verbindungsleitung trennbar mit einem Zwischenpotenzial der Zwischenmasse verbunden ist. Um die Zwischenmasse erden zu können, ist sie durch Schließen des anderen Schaltelements über die Verbindungsleitung mit dem Massepotenzial verbunden.In a further advantageous embodiment of the charging system according to the invention, the current path between the current collector and a potential separation point, which is at contact wire potential in the event of contact, has double insulation with two insulation layers and an isolated intermediate ground, the ground potential being separably connected to an intermediate potential of the intermediate ground via a connecting line having another switching element . In order to be able to ground the intermediate ground, it is connected to ground potential by closing the other switching element via the connecting line.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems weist das Fahrzeug eine Überwachungseinheit zur Überwachung eines Isolationsfehlers zwischen Massepotenzial und Zwischenpotenzial auf. Die Überwachungseinheit misst den Widerstand zwischen Massepotenzial des Fahrzeugrahmens und dem Zwischenpotenzial der Zwischenmasse und leitet im Falle eines Isolationsfehlers das Absenken des Stromabnehmers ein. Während des Ladevorgangs wird es bei kurzgeschlossenen Masse- und Zwischenpotenzial zur Überprüfung der niederohmigen Verbindung zwischen diesen Potenzialen verwendet.In a further advantageous exemplary embodiment of the charging system according to the invention, the vehicle has a monitoring unit for monitoring an insulation fault between ground potential and intermediate potential. The monitoring unit measures the resistance between the ground potential of the vehicle frame and the intermediate potential of the intermediate ground and initiates the lowering of the pantograph in the event of an insulation fault. During the charging process, if the ground and intermediate potential are short-circuited, it is used to check the low-resistance connection between these potentials.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems weist das Fahrzeug eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines erfolgten Kontaktschlusses zwischen den Ladekontakten und den Schleifleisten auf. In a further advantageous exemplary embodiment of the charging system according to the invention, the vehicle has a detection device for detecting that a contact has been made between the charging contacts and the sliding strips.

Das korrekte Kontaktschluss der Schleifleisten an die beiden Ladekontakte Plus und Minus wird mithilfe einer Sensorik ermittelt, die beispielsweise durch zwei Wegsensoren gebildet sein kann, welche die Auslenkung an den beiden Federlagern einer die Schleifleisten tragenden Wippe messen. Aus den beiden Auslenkungen kann auf die laterale Lage des Kontaktpunktes geschlossen und damit ermittelt werden, ob und wo die Ladekontakte auf den Schleifleisten aufliegen. Wurde das Straßenfahrzeug falsch platziert und berührt beispielsweise ein Ladekontakt auch einen der Detektionskontakte, wird dies von der Überwachungseinheit detektiert und daraufhin ein Absenken des Stromabnehmers und eine Fehlermeldung im Fahrzeug ausgelöst. Die Position des Straßenfahrzeugs ist dann zu korrigieren. Um bei hohen Ladeströmen im Stillstand eine Überhitzung der Schleifleisten zu vermeiden, ist auf eine große Kontaktfläche zwischen Ladekontakten und Schleifleisten zu achten. Dies kann beispielweise durch eine Erhöhung der Kontaktstellen oder durch eine flexible Formanpassung der Ladekontakte an die Schleifleistenoberfläche erreicht werden.The correct contact closure of the contact strips to the two charging contacts plus and minus is determined with the help of a sensor system that can be formed, for example, by two displacement sensors that measure the deflection on the two spring bearings of a rocker bearing the contact strips. The lateral position of the contact point can be deduced from the two deflections and thus it can be determined whether and where the charging contacts are resting on the contact strips. If the road vehicle was placed incorrectly and, for example, a charging contact also touches one of the detection contacts, this is detected by the monitoring unit and the pantograph is then lowered and an error message is triggered in the vehicle. The position of the road vehicle must then be corrected. To avoid overheating at high charging currents at standstill To avoid the contact strips, make sure that there is a large contact area between the charging contacts and the contact strips. This can be achieved, for example, by increasing the contact points or by flexibly adapting the shape of the charging contacts to the contact strip surface.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems sind Ladestation und Fahrzeug über ein drahtloses Kommunikationssystem verbunden, über das ein Freigabesignal an die Ladestation übermittelbar ist, welches das Schließen von Schützen zum Anlegen der Ladespannung an die Ladekontakte auslöst. Um einen sicheren Ladevorgang durchführen zu können, wird die Ladespannung seitens der Ladestation erst an die Ladekontakte angelegt, wenn die Ladestation ein Freigabesignal vom Straßenfahrzeug erhält. Damit ist sichergestellt, dass die auf Massepotenzial des Straßenfahrzeugs liegenden, berührungsgefährdeten Fahrzeugteile über den Erdungskontakt der Ladestation geerdet sind.In a further advantageous embodiment of the charging system according to the invention, the charging station and vehicle are connected via a wireless communication system via which a release signal can be transmitted to the charging station, which triggers the closing of contactors to apply the charging voltage to the charging contacts. In order to be able to carry out a safe charging process, the charging voltage is only applied to the charging contacts by the charging station when the charging station receives a release signal from the road vehicle. This ensures that the parts of the vehicle that are at risk of contact and which are at ground potential of the road vehicle are grounded via the grounding contact of the charging station.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren

  • 1 ein erfindungsgemäßes Ladesystem mit einem in einer Ladestation positionierten Straßenfahrzeug,
  • 2 ein Schutzsystem eines Straßenfahrzeugs im Oberleitungsbetrieb und
  • 3 das Schutzsystem aus 2 im Ladebetrieb des Straßenfahrzeugs
Further properties and advantages of the invention emerge from the following description of a specific exemplary embodiment with reference to the drawings, in which
  • 1 a charging system according to the invention with a road vehicle positioned in a charging station,
  • 2 a protection system of a road vehicle in overhead contact line operation and
  • 3 the protection system off 2 in the loading mode of the road vehicle

schematisch veranschaulicht sind.are illustrated schematically.

Gemäß 1 ist ein Straßenfahrzeug 1 zum Aufladen seines elektrischen Energiespeichers 2 in einer Ladestation 3 des erfindungsgemäßen Ladesystems 4 an einer Ladeposition einer Fahrbahn 5 abgestellt. Das Straßenfahrzeug 1, beispielsweise ein schweres Nutzfahrzeug, umfasst dabei zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage, welche je Kontaktpol 6P, 6N einen Fahrdraht 7 aufweist, einen Stromabnehmer 8 auf. Die Fahrdrähte 7 der an sich bekannten und nicht näher dargestellten Oberleitungsanlage sind über einer elektrifizierten Fahrspur der Fahrbahn 5 angeordnet, während die Ladestation 4 auch abseits davon auf einem Parkplatz, in einem Fahrzeugdepot oder an einer Güterumschlagstelle für das Straßenfahrzeug 1 installiert sein kann. Der Stromabnehmer 8 weist je Kontaktpol 6P, 6N eine zwei Schleifleisten 9 tragende Wippen 10 auf, die von einem pantographenartigen Gestell 11 getragen werden. Durch Aufstellen und Ablegen des Gestells 11 sind die Schleifleisten 9 anheb- und absenkbar, um elektrischen Kontakt zu den Fahrdrähten 7 herstellen und unterbrechen zu können.According to 1 is a road vehicle 1 to charge its electrical energy storage 2 in a charging station 3 of the charging system according to the invention 4th at a loading position on a lane 5 switched off. The road vehicle 1 , for example a heavy commercial vehicle, includes for energy supply from a two-pole overhead line system, which per contact pole 6P , 6N a contact wire 7th has a pantograph 8th on. The contact wires 7th the catenary system, which is known per se and is not shown in detail, is above an electrified lane of the roadway 5 arranged while the charging station 4th also apart from it in a parking lot, in a vehicle depot or at a goods transfer point for the road vehicle 1 can be installed. The pantograph 8th points per contact pole 6P , 6N a two sanding strips 9 load-bearing seesaws 10 on that of a pantograph-like frame 11 be worn. By setting up and putting down the frame 11 are the contact strips 9 Can be raised and lowered for electrical contact with the contact wires 7th to be able to establish and interrupt.

Die Ladestation 3 umfasst je Kontaktpol 6P, 6N einen Ladekontakt 12 sowie einen Erdungskontakt 13, der beispielsweise zwischen den Ladekontakten 13 angeordnet sein kann. Die Ladekontakte 12 und der Erdungskontakt 13 sind an einem Lademast 14 derart oberhalb der Fahrbahn 5 angeordnet, dass ein auf Ladeposition befindliches Straßenfahrzeug 1 durch Aufstellen seines Stromabnehmers 8 einen elektrischen Kontaktschluss je Kontaktpol 6P, 6N zwischen Schleifleisten 9 und Ladekontakten 12 herstellen kann. Der Stromabnehmer 8 weist zwei Detektionskontakte 15 auf, die hochohmig miteinander verbunden und gegen die Schleifleisten 9 und gegen ein elektrisches Massepotenzial P16 des Fahrzeugrahmens 16 isoliert ist. Die Detektionskontakte 15 können beispielsweise als Metallbügel ausgebildet sein und zwischen den Schleifleisten 9 der beiden Kontaktpole 6P, 6N angeordnet sein. Der Erdungskontakt 13 ist derart am Lademast 14 angeordnet, dass er beim Aufstellen des Stromabnehmers 8 die beiden Detektionskontakte 15 noch vor Kontaktschluss zwischen Schleifleisten 9 und Ladekontakten 12 kontaktiert und überbrückt. Der Erdungskontakt 13 ist über einen Schutzleiter 17 geerdet. Die Ladekontakte 12 sind über Versorgungsleitungen 18 mit Schützen 19 in einem dem Lademast 14 zugeordneten Stationsgebäude 20 gekoppelt. In dem Stationsgebäude 20 liegt die Versorgungsspannung des öffentlichen Stromnetzes an den Schützen 19 an, die nachgeschaltet gefiltert, transformiert und gleichgerichtet den Ladekontakten 12 zuführbar ist.The charging station 3 includes per contact pole 6P , 6N a charging contact 12th as well as a ground contact 13th , for example between the charging contacts 13th can be arranged. The charging contacts 12th and the ground contact 13th are on a loading mast 14th so above the roadway 5 arranged that a road vehicle in the loading position 1 by setting up his pantograph 8th one electrical contact closure per contact pole 6P , 6N between contact strips 9 and charging contacts 12th can produce. The pantograph 8th has two detection contacts 15th on, which are connected with each other with high resistance and against the contact strips 9 and against an electrical ground potential P16 of the vehicle frame 16 is isolated. The detection contacts 15th can for example be designed as a metal bracket and between the contact strips 9 of the two contact poles 6P , 6N be arranged. The ground contact 13th is like that on the loading mast 14th arranged that he was when setting up the pantograph 8th the two detection contacts 15th even before the contact between contact strips 9 and charging contacts 12th contacted and bridged. The ground contact 13th is via a protective conductor 17th grounded. The charging contacts 12th are via supply lines 18th with shooters 19th in one of the loading mast 14th assigned station building 20th coupled. In the station building 20th the supply voltage of the public power grid is connected to the contactors 19th on, which is filtered, transformed and rectified downstream of the charging contacts 12th is feedable.

Im Fahrbetrieb gemäß 2 besteht zwischen den Schleifleisten 9 und den Fahrdrähten 7 elektrischer Schleifkontakt, so dass die Schleifleisten 7 auf Fahrdrahtpotenzial P7 liegen. Der weitere Strompfad von den Schleifleisten 7 bis zu einer Potenzialtrennstelle im Straßenfahrzeug 1 ist mit zwei Isolationsschichten und isolierter Zwischenmasse 21, die auf einem Zwischenpotenzial P21 liegt, gegen den Fahrzeugrahmen 16 isoliert. Die Detektionskontakte 15 sind gegenüber dem Massepotenzial P16 isoliert. Eine Überbrückung der Detektionskontakte 15 ist mittels einer Messeinrichtung 22 erfassbar, die ein Widerstandsnetzwerk mit Auswerteelektronik aufweist und eine Überbrückung - etwa durch einen fehlerhaft kontaktierten Fahrdraht 7 - als Veränderung eines Spannungswerts registriert. Einer der beiden Detektionskontakte 15 ist durch eine ein Schaltelement 23 aufweisende Masseleitung 24 trennbar mit dem Massepotential P16 verbunden. Die Masseleitung 24 kann als flexibles, ausreichend stromtragfähiges Kabel ausgeführt sein. Die Masseleitung 24 ist vorzugsweise durch ein weiteres Schaltelement 25 trennbar. Das weitere Schaltelement 25 und das Schaltelement 23 sind redundant und gegen Erstfehler gesichert. Das Massepotenzial P16 ist über eine ein anderes Schaltelement 26 aufweisende Verbindungsleitung 27 trennbar mit der Zwischenmasse 21 verbunden, um die Zwischenmasse 21 erden zu können. Das Schaltelement 23 und das weitere Schaltelement 25 sind im Fahrbetrieb an der Oberleitungsanlage geöffnet.When driving according to 2 exists between the contact strips 9 and the contact wires 7th electrical sliding contact, so that the contact strips 7th on contact wire potential P7 lie. The further current path from the contact strips 7th up to an electrical isolation point in the road vehicle 1 is with two layers of insulation and isolated intermediate ground 21 that is on an intermediate potential P21 against the vehicle frame 16 isolated. The detection contacts 15th are opposite the ground potential P16 isolated. A bridging of the detection contacts 15th is by means of a measuring device 22nd detectable, which has a resistor network with evaluation electronics and a bridging - for example, by an incorrectly contacted contact wire 7th - registered as a change in a voltage value. One of the two detection contacts 15th is through a switching element 23 having ground line 24 separable with the ground potential P16 connected. The ground line 24 can be designed as a flexible cable with sufficient current carrying capacity. The ground line 24 is preferably through a further switching element 25th separable. The further switching element 25th and the switching element 23 are redundant and secured against initial errors. The ground potential P16 is about a another switching element 26th having connecting line 27 separable with the intermediate mass 21 connected to the intermediate ground 21 to be able to ground. The switching element 23 and the further switching element 25th are open when the catenary system is in motion.

Steht das Straßenfahrzeug 1 still in Ladeposition, so betätigt der Fahrzeugführer eine Feststellbremse 28. Anschließend erst können gemäß 3 die Schaltelemente 23, 24, 26 geschlossen werden, wodurch die Detektionskontakte 15 mit dem Massepotenzial P16 des Fahrzeugrahmens 16 verbunden werden. Ist die Feststellbremse 28 nicht ordnungsgemäß aktiviert, wird dies als Fehler erkannt. Nun werden die Schleifleisten 9 und die Detektionskontakte 15 angehoben, bis zunächst ein Kontaktschluss zwischen Erdungskontakt 13 und Detektionskontakten 15 und dann weiter zwischen den Schleifleisten 9 und den Ladekontakten 12 erfolgt. Die Ladekontakte 12 führen noch keine Ladespannung. Wenn beide Detektionskontakte 15 den Erdungskontakt 13 berühren, wird dies von der Messeinrichtung 22 detektiert und ein entsprechendes Signal kann übermittelt werden. Ebenso wird ein Signal übermittelt, wenn eine Erfassungseinrichtung 29 einen korrekten Kontaktschluss zwischen den Ladekontakten 12 und den Schleifleisten 9 für beide Kontaktpole 6P, 6N feststellt. Die Erfassungseinrichtung 29 kann beispielsweise durch zwei Wegsensoren gebildet sein, welche die Auslenkung an den beiden Federlagern der Schleifleisten 9 messen. Aus den beiden Auslenkungen kann auf die laterale Lage des Kontaktpunktes geschlossen und damit ermittelt werden, ob und wo die Ladekontakte 12 auf den Schleifleisten 9 aufliegen. Wurde das Straßenfahrzeug 1 falsch platziert und berührt beispielsweise einer der Ladekontakte 12 auch einen der Detektionskontakte 15, wird dies von der Messeinrichtung 22 detektiert und daraufhin ein Absenken des Stromabnehmers 8 und eine Fehlermeldung im Straßenfahrzeug 1 ausgelöst. Die Position des Straßenfahrzeugs 1 ist dann zu korrigieren.The road vehicle is stationary 1 quietly in the loading position, the driver applies a parking brake 28 . Only then can according to 3 the switching elements 23 , 24 , 26th are closed, whereby the detection contacts 15th with the ground potential P16 of the vehicle frame 16 get connected. Is the parking brake 28 not activated properly, this is recognized as an error. Now the sanding strips 9 and the detection contacts 15th raised until there is initially a contact closure between the ground contact 13th and detection contacts 15th and then further between the contact strips 9 and the charging contacts 12th he follows. The charging contacts 12th do not yet have charging voltage. If both detection contacts 15th the ground contact 13th touch, this is done by the measuring device 22nd detected and a corresponding signal can be transmitted. Likewise, a signal is transmitted when a detection device 29 a correct contact closure between the charging contacts 12th and the contact strips 9 for both contact poles 6P , 6N notices. The detection device 29 can be formed, for example, by two displacement sensors, which determine the deflection on the two spring bearings of the contact strips 9 measure up. The two deflections can be used to deduce the lateral position of the contact point and thus determine whether and where the charging contacts are 12th on the contact strips 9 rest. Became the road vehicle 1 placed incorrectly and touches, for example, one of the charging contacts 12th also one of the detection contacts 15th , this is done by the measuring device 22nd detected and then a lowering of the pantograph 8th and an error message in the road vehicle 1 triggered. The position of the road vehicle 1 must then be corrected.

Die Ladestation 3 und das Straßenfahrzeug 1 sind über ein drahtloses Kommunikationssystem 30 verbunden, über das ein Freigabesignal an die Ladestation 3 übermittelbar ist. Der Empfang des Freigabesignals löst das Schließen der Schütze 19 zum Anlegen der Ladespannung an die Ladekontakte 12 aus. Damit ist sichergestellt, dass die auf Massepotenzial P16 des Straßenfahrzeugs 1 liegenden, berührungsgefährdeten Fahrzeugteile über den Erdungskontakt 13 der Ladestation 3 geerdet sind.The charging station 3 and the road vehicle 1 are through a wireless communication system 30th connected, via which a release signal is sent to the charging station 3 is transmittable. Receipt of the enable signal triggers the closing of the contactors 19th for applying the charging voltage to the charging contacts 12th out. This ensures that the P16 of the road vehicle 1 lying, touch-endangered vehicle parts via the grounding contact 13th the charging station 3 are grounded.

Das Fahrzeug weist eine Überwachungseinheit 31 zur Überwachung eines Isolationsfehlers zwischen Massepotenzial P16 und Zwischenpotenzial P21 auf. Sie misst den Widerstand zwischen den Potenzialen P16 und P12 und leitet im Falle eines Isolationsfehlers das Absenken des Stromabnehmers 8 ein. Während des Ladevorgangs wird es bei kurzgeschlossenen Masse- und Zwischenpotenzial zur Überprüfung der niederohmigen Verbindung zwischen diesen Potenzialen verwendet.The vehicle has a monitoring unit 31 for monitoring an insulation fault between ground potential P16 and intermediate potential P21 on. It measures the resistance between the potentials P16 and P12 and directs the lowering of the pantograph in the event of an insulation fault 8th a. During the charging process, if the ground and intermediate potential are short-circuited, it is used to check the low-resistance connection between these potentials.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • EP 3036127 B1 [0003]EP 3036127 B1 [0003]

Claims (8)

Ladesystem (4) zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Straßenfahrzeugs (1), welches zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage mit einem Fahrdraht (7) je Kontaktpol (6P, 6N) einen Stromabnehmer (8) mit mindestens einer anheb- und absenkbaren Schleifleiste (9) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht (7) dieses Kontaktpols (6P, 6N) umfasst, gekennzeichnet durch - eine Ladestation (3) mit einem Ladekontakt (12) je Kontaktpol (6P, 6N), der oberhalb der mindestens einen, diesem Kontaktpol (6P, 6N) zugeordneten Schleifleiste (9) des auf einer Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs (1) angeordnet ist, und mit einem Erdungskontakt (13), der oberhalb und seitlich beabstandet von den Schleifleisten (9) des auf der Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs (1) angeordnet und über einen Schutzleiter (17) geerdet ist, - wobei der Stromabnehmer (8) zwei gegen die Schleifleisten (9) und gegen ein elektrisches Massepotenzial (P16) des Fahrzeugrahmens (16) isolierte und hochohmig miteinander verbundene Detektionskontakte (15) aufweist, die bei Kontaktschluss zwischen den Schleifleisten (9) und den Ladekontakten (12) durch den Erdungskontakt (13) überbrückt sind, - wobei eine Überbrückung der Detektionskontakte (15) durch den Erdungskontakt (13) mittels einer Messeinrichtung (22) erfassbar ist, und - wobei einer der Detektionskontakte (15) durch eine ein Schaltelement (23) aufweisende Masseleitung (24) trennbar mit dem Massepotential (P16) verbunden ist.Charging system (4) for charging an electrical energy storage device (2) of a road vehicle (1), which has a pantograph (8) with at least one that can be raised and lowered to feed energy from a two-pole catenary system with a contact wire (7) for each contact pole (6P, 6N) Sliding strip (9) for making electrical contact with the contact wire (7) of this contact pole (6P, 6N), characterized by - a charging station (3) with a charging contact (12) per contact pole (6P, 6N) which is above the at least one , this contact pole (6P, 6N) associated sliding strip (9) of the road vehicle (1) located in a loading position is arranged, and with a grounding contact (13) which is above and laterally spaced from the sliding strips (9) of the road vehicle located in the loading position (1) is arranged and grounded via a protective conductor (17), - the current collector (8) two against the contact strips (9) and against an electrical ground potential (P16) of the Fah rzeugrahmens (16) has isolated and high-resistance interconnected detection contacts (15), which are bridged when the contact between the sliding strips (9) and the charging contacts (12) by the grounding contact (13), - bridging of the detection contacts (15) by the Grounding contact (13) can be detected by means of a measuring device (22), and - one of the detection contacts (15) being connected to ground potential (P16) in a separable manner by a grounding line (24) having a switching element (23). Ladesystem (4) nach Anspruch 1, wobei die Masseleitung (24) durch ein weiteres Schaltelement (25) trennbar ist.Charging system (4) Claim 1 , wherein the ground line (24) can be separated by a further switching element (25). Ladesystem (4) nach Anspruch 2, wobei das Schaltelement (23) und das weitere Schaltelement (25) im Fahrbetrieb an der Oberleitungsanlage geöffnet sind und nur im Stillstand nach Betätigung einer Feststellbremse (28) des Straßenfahrzeugs (1) schließbar sind.Charging system (4) Claim 2 , wherein the switching element (23) and the further switching element (25) are open when driving on the overhead line system and can only be closed when a parking brake (28) of the road vehicle (1) is actuated. Ladesystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Erdungskontakt (13) und die Detektionskontakte (15) derart angeordnet sind, dass beim Anheben der Schleifleisten (9) erst ein Kontaktschluss zwischen dem Erdungskontakt (13) und den Detektionskontakten (15) und danach zwischen den Schleifleisten (9) und den Ladekontakten (12) erfolgt.Loading system (4) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the ground contact (13) and the detection contacts (15) are arranged in such a way that when the sliding strips (9) are lifted, first a contact connection between the grounding contact (13) and the detection contacts (15) and then between the sliding strips (9) and the Charging contacts (12) takes place. Ladesystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der im Kontaktfall auf Fahrdrahtpotential (P7) liegende Strompfad zwischen Stromabnehmer (5) und einer Potenzialtrennstelle eine doppelte Isolation mit zwei Isolationsschichten und isolierter Zwischenmasse (21) aufweist, und wobei das Massepotenzial (P16) über eine ein anderes Schaltelement (26) aufweisende Verbindungsleitung (27) trennbar mit einem Zwischenpotenzial (P21) der Zwischenmasse (21) verbunden ist.Loading system (4) according to one of the Claims 1 to 4th The current path between the pantograph (5) and a potential separation point, which is at contact wire potential (P7) in the event of contact, has double insulation with two insulation layers and an isolated intermediate ground (21), and the ground potential (P16) via a different switching element (26) Connecting line (27) is separably connected to an intermediate potential (P21) of the intermediate ground (21). Ladesystem (4) nach Anspruch 5, wobei das Straßenfahrzeug (1) eine Überwachungseinheit (31) zur Überwachung eines Isolationsfehlers zwischen Massepotenzial (P16) und Zwischenpotenzial (P12) aufweist.Charging system (4) Claim 5 , wherein the road vehicle (1) has a monitoring unit (31) for monitoring an insulation fault between ground potential (P16) and intermediate potential (P12). Ladesystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Straßenfahrzeug (1) eine Erfassungseinrichtung (29) zur Erfassung eines erfolgten Kontaktschlusses zwischen den Ladekontakten (12) und den Schleifleisten (9) aufweist.Loading system (4) according to one of the Claims 1 to 6th , wherein the road vehicle (1) has a detection device (29) for detecting a contact closure between the charging contacts (12) and the sliding strips (9). Ladesystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Ladestation (3) und Straßenfahrzeug (1) über ein drahtloses Kommunikationssystem (30) verbunden sind, über das ein Freigabesignal an die Ladestation (3) übermittelbar ist, welches das Schließen der Schütze (19) zum Anlegen der Ladespannung an die Ladekontakte (12) auslöst.Loading system (4) according to one of the Claims 1 to 7th , the charging station (3) and the road vehicle (1) being connected via a wireless communication system (30), via which a release signal can be transmitted to the charging station (3), which signals the closing of the contactors (19) to apply the charging voltage to the charging contacts ( 12) triggers.
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