DE102020115487A1

DE102020115487A1 - Ladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020115487A1
Application number: DE102020115487.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Graßl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US20210387536A1; CN113771650A

Abstract

Ladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtungseingangsschnittstelle (3) und einer Vorrichtungsausgangsschnittstelle (4), wobei die Ladevorrichtung (1) mehrere Lademodule (10) umfasst, an die über eine jeweilige Moduleingangsschnittstelle (15) und die Vorrichtungseingangsschnittstelle (3) eine Eingangsspannung bereitstellbar ist, wobei ein jeweiliger Spannungsrichter (23) des jeweiligen Lademoduls (10) dazu eingerichtet ist, die Eingangsspannung in eine an einer jeweiligen Modulausgangsschnittstelle (16) bereitgestellte Ausgangsspannung umzusetzen, wobei die Modulausgangsschnittstellen (16) parallel geschaltet mit der Vorrichtungsausgangsschnittstelle (4) verbunden sind, wobei ein aus der Ladevorrichtung (1) entnommenes Lademodul (10) separat von der Ladevorrichtung (1) als Ladegerät verwendbar ist, um den Energiespeicher des oder eines weiteren Kraftfahrzeugs aus der oder einer weiteren Stromquelle zu laden, wobei das jeweilige Lademodul (10) eine Steuereinrichtung (24) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einerseits wenigstens einen Betriebsparameter des jeweiligen Lademoduls (10) zu erfassen und/oder wenigstens eine Kommunikationsinformation von einer kraftfahrzeugseitigen Kommunikationseinrichtung zu empfangen und andererseits die Ausgangsspannung an der Modulausgangsschnittstelle (16) und/oder einen Ladestrom in Abhängigkeit des Betriebsparameters und/oder der Kommunikationsinformation zu steuern oder zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtungseingangsschnittstelle zur Verbindung der Ladevorrichtung mit einer Stromquelle und einer Vorrichtungsausgangsschnittstelle zur Verbindung der Ladevorrichtung mit einem Ladeanschluss eines Kraftfahrzeugs, um einen Ladestrom zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wobei die Ladevorrichtung mehrere Lademodule umfasst, an die über eine jeweilige Moduleingangsschnittstelle und die Vorrichtungseingangsschnittstelle eine Eingangsspannung, insbesondere eine Wechselspannung, bereitstellbar ist, wobei ein jeweiliger Spannungsrichter des jeweiligen Lademoduls dazu eingerichtet ist, die Eingangsspannung in eine an einer jeweiligen Modulausgangsschnittstelle bereitgestellte Ausgangsspannung, insbesondere eine Gleichspannung, umzusetzen, wobei die Modulausgangsschnittstellen parallel geschaltet mit der Vorrichtungsausgangsschnittstelle verbunden sind, wobei wenigstens eines der Lademodule aus der Ladevorrichtung entnehmbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Ladesystem.
Für Elektro- und Hybridfahrzeuge sind häufig zwei unterschiedliche Lademöglichkeiten vorgesehen. Einerseits kann das Kraftfahrzeug mit relativ geringer Leistung, beispielsweise im einstelligen Kilowattbereich, unmittelbar aus dem Wechselspannungsnetz, beispielsweise über eine normalen Steckdose, geladen werden. Andererseits ist über einen Gleichspannungsanschluss ein Laden mit relativ hohen Leistungen an Gleichspannungsladesäulen möglich. Diese weisen Leistungen von mehr als 22 kW, beispielsweise im Bereich von 50 kW bis 150 kW, auf.
Um auch im Privatbereich ein schnelles Laden von Elektrofahrzeugen zuzulassen, existieren mittlerweile für Privatkunden Gleichspannungsladegeräte in Form von sogenannten DC-Wallboxen, deren Ausgangsleistung typischerweise in einem Bereich zwischen 11 kW und 22 kW liegen. Da jedoch nicht immer davon ausgegangen werden kann, dass eine solche Gleichspannungslademöglichkeit bereitsteht, müssen in Kraftfahrzeugen weiterhin Wechselspannungsladegeräte verbaut sein, die es ermöglichen, das Fahrzeug an normalen Steckdosen mit reduzierter Leistung zu laden.
Durch das beschriebene Vorgehen entstehen beim Kunden erhöhte Kosten, da einerseits die Kosten für die Wallbox und andererseits für das Wechselspannungsladegerät im Kraftfahrzeug zu tragen sind. Zudem benötigt das Wechselspannungsladegerät einen gewissen Bauraum im Kraftfahrzeug und erhöht dessen Gewicht. Prinzipiell könnte zum Laden unterwegs statt einem eingebauten Wechselspannungsladegerät ein mobiles externes Ladegerät genutzt werden. Dies würde jedoch die Anschaffung separater Ladegeräte für das Laden zu Hause und das Laden unterwegs erfordern, wodurch weitere Kosten entstehen und die Kundenakzeptanz sinkt.
Die Druckschrift DE 10 2015 200 960 A1 schlägt daher vor, eine Ladevorrichtung zu nutzen, deren Leistungsmodule zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom aus der Ladevorrichtung entnehmbar sind. Das entnommene Leistungsmodul kann dann gemeinsam mit einem sogenannten DC/DC-Kabel, das einen Gleichstromwandler zur Einstellung der Ladespannung für die Batterie sowie eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug umfasst, zum Laden des Kraftfahrzeugs unabhängig von dem Ladegerät genutzt werden. Anders ausgedrückt schlägt die Druckschrift vor, das Leistungsmodul gemeinsam mit anderen Leistungsmodulen in einer Ladevorrichtung oder separat von der Ladevorrichtung gemeinsam mit einem DC/DC-Kabel zum Laden des Kraftfahrzeugs zu nutzen. Hierdurch muss für ein mobiles Laden kein separates Leistungsmodul angeschafft werden. Es ist jedoch weiterhin erforderlich, die zur Ladesteuerung und Kommunikation erforderlichen Komponenten zum mobilen Laden als separate Einrichtung bereitzustellen, nämlich als Teil des DC/DC-Kabels.
Ein mobiles Laden ist somit nur mit einer zusätzlichen, relativ komplexen Komponente möglich, wodurch zusätzliche Kosten entstehen bzw. die nicht notwendig am gewünschten Ladeort vorhanden ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Ladevorrichtung anzugeben, die insbesondere bei einem stationären Laden eine hohe Ladeleistung und zugleich ein mobiles Laden mit geringem Zusatzaufwand ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ladevorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei das aus der Ladevorrichtung entnommene Lademodul separat von der Ladevorrichtung als Ladegerät verwendbar ist, um den Energiespeicher des oder eines weiteren Kraftfahrzeugs aus der oder einer weiteren Stromquelle zu laden, wobei das jeweilige Lademodul eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, einerseits wenigstens einen Betriebsparameter des jeweiligen Lademoduls zu erfassen und/oder wenigstens eine Kommunikationsinformation von einer kraftfahrzeugseitigen Kommunikationseinrichtung zu empfangen und andererseits die Ausgangsspannung an der Modulausgangsschnittstelle und/oder einen Ladestrom in Abhängigkeit des Betriebsparameters und/oder der Kommunikationsinformation zu steuern oder zu regeln.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann somit vorteilhaft alle ladewesentlichen Komponenten in dem jeweiligen Lademodul vorsehen, sodass zu einem Laden des Kraftfahrzeugs unabhängig von der Ladevorrichtung neben dem Lademodul ausschließlich passive Kabel erforderlich sind. Zudem kann die Ladevorrichtung abgesehen von den Lademodulen relativ einfach aufgebaut sein. Im einfachsten Fall muss sie nur die jeweiligen Moduleingangsschnittstellen mit der Vorrichtungseingangsschnittstelle verbinden und die Modulausgangsschnittstellen parallel mit der Vorrichtungsausgangsschnittstelle verbinden. Wie später noch erläutert werden wird, kann die Ladevorrichtung vorteilhaft weitere Komponenten, insbesondere zur Kühlung der Lademodule, umfassen.
Die Verbindung der Vorrichtungseingangsschnittstelle mit den Moduleingangsschnittstellen kann derart erfolgen, dass die Moduleingangsschnittstellen parallel geschaltet werden. Insbesondere ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Lagevorrichtung mit einer mehrphasigen Stromquelle, beispielsweise mit einem Drehstromnetz, verbunden ist, wobei für jede der Phasen eines der Lademodule oder mehrere parallel geschaltete der Lademodule verwendet werden. Bei einer Nutzung des Lademoduls unabhängig von der Ladevorrichtung kann somit nur ein Laden über eine Phase erfolgen, was beispielsweise für ein Laden aus einer üblichen Steckdose ausreichend ist.
Die Stromquelle kann ein Stromnetz sein, insbesondere ein Wechselspannungsnetz, das eine vorzugsweise ein- oder dreiphasige Spannung bereitstellt. Die Ausgangsspannung an der jeweiligen Modulausgangsschnittstelle bzw. der Ladestrom können durch entsprechende Steuerung des Stromrichters, beispielsweise durch Anpassung eines Tastverhältnisses, eingestellt werden. Ergänzend oder alternativ können die Ausgangsspannung bzw. der Ladestrom auch dadurch eingestellt werden, dass der Stromrichter, wie später noch erläutert werden wird, von der Moduleingangsschnittstelle bzw. der Modulausgangsschnittstelle getrennt wird.
Die Steuerung bzw. Regelung der Ausgangsspannung bzw. des Ladestroms in Abhängigkeit des Betriebsparameters ermöglicht es insbesondere, dass die Steuereinrichtung als Schutzeinrichtung wirkt, die beispielsweise ein Abschalten des Spannungsrichters bzw. ein Trennen des Spannungsrichters von der Moduleingangsschnittstelle bzw. der Modulausgangsschnittstelle auslöst, wenn beispielsweise eine Überspannung erkannt wird, die Temperatur einen Grenzwert überschreitet, ein zu hoher oder zu niedriger Ausgangswiderstand erkannt wird, eine Unterbrechung eines Ladekabels, beispielsweise anhand einer Überwachung einer Pilotleitung, erkannt wird oder Ähnliches. Ergänzend oder alternativ können eine Fehlerstromerkennung und/oder ein Ground-Monitoring zu den internen Schutzeinrichtungen gehören. Betriebsparameter können über Sensoren bzw. über eine Spannungsmessung, beispielsweise an der Moduleingangsschnittstelle bzw. an der Modulausgangsschnittstelle, ermittelt werden. Wird eine digitale Steuereinrichtung verwendet, kann hierbei beispielsweise eine Analog-Digital-Wandlung oder ein Komprator genutzt werden, um verarbeitbare Digitalsignale bereitzustellen.
Eine Kommunikation mit der kraftfahrzeugseitigen Kommunikationseinrichtung kann insbesondere kabelgebunden über die Modulausgangsschnittstelle bzw. die Vorrichtungsausgangsschnittstelle erfolgen. Hierbei kann beispielsweise eine separate Signalleitung in dem Stromkabel genutzt werden. In üblichen Ladevorrichtungen werden hierzu Pilotleitungen genutzt, über die Signale beispielsweise durch Pulsweitenmodulation bzw. durch die Messung von geschalteten Widerständen übermittelt werden können.
Alternativ oder ergänzend kann eine sogenannte Powerline Communication genutzt werden, bei der Kommunikationssignale auf die über die Stromleitung übertragene Gleichspannungen aufmoduliert werden.
Beide Ansätze werden bereits in Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge genutzt und sollen daher nicht detailliert erläutert werden. Die Kommunikation mit der kraftfahrzeugseitigen Kommunikationseinrichtung kann insbesondere dazu dienen, Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs zu erfassen und den Ladevorgang entsprechend zu steuern, eine korrekte Verbindung zwischen Ladevorrichtung bzw. Lademodul und Kraftfahrzeug zu überwachen und Ähnliches.
Der jeweilige Spannungsrichter kann über eine jeweilige Eingangsschalteinrichtung mit der Moduleingangsschnittstelle verbunden sein, wobei die Eingangsschalteinrichtung dazu eingerichtet ist, den Spannungsrichter oder zumindest einen Anschluss des Spannungsrichter in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuereinrichtung von der Moduleingangsschnittstelle zu trennen und/oder mit der Moduleingangsschnittstelle zu verbinden. Ergänzend oder alternativ kann der jeweilige Spannungsrichter über eine jeweilige Ausgangsschalteinrichtung mit der Modulausgangsschnittstelle verbunden sein, wobei die Ausgangsschalteinrichtung dazu eingerichtet ist, den Spannungsrichter oder zumindest einen Anschluss des Spannungsrichters in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuereinrichtung von der Modulausgangsschnittstelle zu trennen und/oder mit der Modulausgangsschnittstelle zu verbinden. Während es in der Regel möglich ist, den Stromrichter derart zu steuern, dass der Ausgangsstrom auf Null reduziert wird, beispielsweise durch Setzen des Tastverhältnisses auf Null, kann die Betriebssicherheit häufig weiter erhöht werden, wenn zusätzlich die erläuterte Eingangsschalteinrichtung bzw. Ausgangsschalteinrichtung genutzt werden. Hierdurch werden beispielsweise auch geladene Kondensatoren von den Schnittstellen getrennt, sodass z.B. bei einer Entnahme des Moduls ein robuster Berührschutz erreicht wird und selbst bei Fehlfunktionen des Stromrichters robust verhindert werden kann, dass an der Modul- bzw. Vorrichtungsausgangsschnittstelle Ladeströme bereitgestellt werden.
Die Ladevorrichtung weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem die Lademodule mechanisch gehaltert sind, wobei hierbei ein jeweiliger erster Gehäuseanschluss des Gehäuses die jeweilige Moduleingangsschnittstelle mit der am Gehäuse angebrachten Vorrichtungseingangsschnittstelle verbindet und ein jeweiliger zweiter Gehäuseanschluss die jeweilige Modulausgangsschnittstelle mit der am Gehäuse angebrachten Vorrichtungsausgangsschnittstelle verbindet. Hierdurch wird ein Einsetzen bzw. Herausnehmen des einzelnen Lademoduls in die bzw. aus der Ladevorrichtung mit wenigen einfachen Handgriffen ermöglicht, wobei eine robuste mechanische Halterung und elektrische Kontaktierung erreicht werden kann.
Das Gehäuse kann einen Lüfter aufweisen, um die Lademodule zu kühlen. Die Lademodule können insbesondere einen jeweiligen Kühlkörper aufweisen, der an ein Luftvolumen, in dem der Lüfter angeordnet ist, angrenzt. Somit wird durch einen gehäuseseitigen Lüfter eine verbesserte Kühlung der Lademodule in der Ladevorrichtung erreicht, wodurch diese potenziell höhere Ladeleistungen bereitstellen können.
Ergänzend oder alternativ kann ein Kühlmittelkreislauf des Gehäuses über Kühlmittelanschlüsse mit einem jeweiligen Kühlmittelkanal des Lademoduls gekoppelt sein. Hierdurch wird beispielsweise eine Kühlung durch eine Kühlflüssigkeit ermöglicht bzw. es wird möglich, einen Luftstrom gezielt durch das Lademodul zu lenken, um hierdurch die Kühlung weiter zu verbessern. Die Kühlmittelanschlüsse sind hierbei insbesondere selbstdichtend, sodass bei einer Entnahme des Lademodus der Kühlmittelkreislauf innerhalb der Ladevorrichtung durch Verschluss des jeweiligen Kühlmittelanschlusses geschlossen bleibt. Das bereits im Lademodul befindliche Kühlfluid kann vor einer Entnahme des Lademoduls beispielsweise abgepumpt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass das Kühlmittel im Lademodul verbleibt und durch Verschluss der Kühlmittelanschlüsse in einem dichten Volumen gehalten wird. Dienen die Kühlmittelkanäle der Luftkühlung, können die Kühlmittelkanäle des Lademoduls im ausgebauten Zustand jedoch auch offen bleiben.
Das jeweilige Lademodul kann einen jeweiligen Gehäusesensor aufweisen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, über den Gehäusesensor zu erfassen, ob das jeweilige Lademodul in dem Gehäuse gehaltert ist, und in Abhängigkeit hiervon die Ausgangsspannung und/oder den Ladestrom und/oder einen weiteren Betriebsparameter des Lademoduls anzupassen. Der Gehäusesensor kann beispielsweise durch einen Taster oder durch zwei Kontaktflächen, die durch das Gehäuse leitend verbunden werden, gebildet sein. Ergänzend oder alternativ kann auch ein Temperatursensor des Lademoduls genutzt werden, um die Temperatur des jeweiligen Lademoduls bzw. wenigstens einer Komponente des Lademoduls zu überwachen und es kann ein „Derating“, also eine Reduktion der Ladeleistung bzw. des Ladestroms, bei zu hohen Temperaturen erfolgen.
Wie obig erläutert, kann in dem Gehäuse eine zusätzliche aktive Kühlung durch den geschlossenen Kühlmittelkreislauf und/oder durch den Lüfter erfolgen. Hierdurch kann es möglich sein, dass eine höhere Abwärmeproduktion des Lademoduls und somit eine höhere Ladeleistung zulässig ist. Wird das Lademodul außerhalb des Gehäuses genutzt, kann somit der Ladestrom oder ein anderer Parameter variiert werden, um insgesamt eine niedrigere Ladeleistung bereitzustellen. Alternativ oder ergänzend wäre es auch möglich, die Ladeleistung in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur des Lademoduls zu steuern bzw. zu regeln. Auch hierdurch würde ein Anpassung der Ladeleistung daran, ob eine zusätzliche Kühlung vorhanden ist, erreicht.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Kommunikationsinformation kabelgebunden über die Modulausgangsschnittstelle oder kabellos zu empfangen und/oder eine weitere Kommunikationsinformation kabelgebunden über die Modulausgangsschnittstelle oder kabellos zu senden. Verschiedene Möglichkeiten für eine solche Kommunikation wurden bereits obig diskutiert.
Neben der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung betrifft die Erfindung ein Ladesystem, das die erfindungsgemäße Ladevorrichtung sowie ein erstes Anschlusskabel zur Verbindung der Moduleingangsschnittstelle eines der Lademodule mit der oder der weiteren Stromquelle und ein zweites Anschlusskabel zur Verbindung der Modulausgangsschnittstelle dieses Lademoduls mit einem Ladeanschluss des oder des weiteren Kraftfahrzeugs umfasst. Wie bereits obig erläutert kann es sich bei dem ersten und zweiten Anschlusskabel um rein passive Kabel handeln. Das erste Anschlusskabel kann an einer Seite einen Verbinder zum Verbinden mit der Moduleingangsschnittstelle und auf der anderen Seite einen Verbinden zum Verbinden beispielsweise mit einer üblichen Steckdose oder einer Drehstromsteckdose umfassen. Das zweite Anschlusskabel kann an einer Seite einen Verbinder zur Verbindung mit der Modulausgangsschnittstelle und an der anderen Seite einen Verbinder zum Verbinden mit dem Ladeanschluss des Kraftfahrzeugs umfassen. Die Verbinder an den Enden des ersten bzw. zweiten Anschlusskabels können durch ein mehradriges Kabel verbunden sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen sowie in den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung,
2 eine geschnittene Ansicht der in 1 gezeigten Ladevorrichtung,
3 die Verbindung eines separat genutzten Lademoduls mit Anschlusskabeln zur Verbindung des Lademoduls in einer Stromquelle und einem Ladeanschluss eines Kraftfahrzeugs, und
4 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung.

1 zeigt eine Ladevorrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug. Diese wird durch ein Gehäuse 2 und mehrere in dem Gehäuse 2 mechanisch gehalterte und durch das Gehäuse 2 kontaktierte Lademodule 10 gebildet. An dem Gehäuse 2 ist eine Vorrichtungseingangsschnittstelle 3 zur Verbindung der Ladevorrichtung 1 mit einer Stromquelle, insbesondere mit einem Drehstromnetz, vorgesehen. Die Vorrichtungseingangsschnittstelle 3 ist nur schematisch dargestellt und kann beispielsweise bei einer als Wallbox ausgebildeten Ladevorrichtung 1 durch Anschlussklemmen für Stromleitungen des Drehstromanschlusses gebildet sein. Alternativ könnte beispielsweise auch ein Stromkabel mit entsprechendem Stecker als Vorrichtungseingangsschnittstelle 3 genutzt werden.
Das Laden des nicht gezeigten Kraftfahrzeugs erfolgt über eine Vorrichtungsausgangsschnittstelle 4, die im Beispiel ein Ladestecker für übliche Ladebuchsen von Kraftfahrzeugen ist. Dieser Stecker ist über ein Kabel 14 mit dem Gehäuse 2 verbunden und weist neben Signalleitungen 7, 8, die auch als Pilotleitungen bezeichnet werden und die einerseits zum Erkennen einer korrekten Verbindung dienen und andererseits eine Kommunikation zwischen Kraftfahrzeug und Ladevorrichtung ermöglichen, einen Schutzkontakt 9 sowie zwei Anschlüsse 5, 6 zum Gleichstrom laden auf.
Weitere Details der Ladevorrichtung werden mit zusätzlichen Bezug auf 2 erläutert, die schematisch einen Schnitt durch die Ladevorrichtung 1 zeigt. Die einzelnen Lademodule 10 sind durch einen jeweiligen Riegel 13 formschlüssig gehaltert. Um ein Lademodul 10 zu entnehmen, kann der Riegel 13 in Richtung des Pfeils 17 bewegt werden, wonach das Modul 10 in Richtung des Pfeils 18 verschiebbar und anschließend, wie durch den Pfeil 19 dargestellt ist, entnehmbar ist. Die beschriebene Art der mechanischen Halterung des einzelnen Moduls 10 an dem Gehäuse 2 ist rein beispielhaft. Offensichtlich ist auch eine Vielzahl anderer Ausgestaltungen möglich.
Im eingebauten Zustand des Lademoduls 10 ist die Elektronik 22 des jeweiligen Lademoduls 10 über eine Moduleingangsschnittstelle 15, einen ersten Gehäuseanschluss 11 und einen Eingangsverteiler 20 mit der Vorrichtungseingangsschnittstelle 3 verbunden. Der Eingangsverteiler 20 kann beispielsweise jeweils eine Phase eines dreiphasig zugeführten Wechselstroms zu den einzelnen Lademodulen 10 führen oder auch die einzelnen Lademodule 10 parallel an einer Phase anschließen.
Die Verbindung der Elektronik 22 zu der Vorrichtungsausgangsschnittstelle 4 bzw. dem Kabel 14 erfolgt über eine Modulausgangsschnittstelle 16, einen zweiten Gehäuseanschluss 12 und einen Ausgangsverteiler 21, der beispielsweise die Modulausgangsschnittstellen 16 parallel schaltet, um sie mit der Vorrichtungsausgangsschnittstelle 4 zu verbinden. In 2 ist zusätzlich ein Kontakt 28 eingezeichnet, der diese Verbindung automatisch trennt, wenn der Riegel 13 geöffnet wird.
Jedes der Lademodule 10 umfasst neben einem Spannungsrichter 23, der die Eingangsspannung an der jeweiligen Moduleingangsschnittstelle 15 in eine Ausgangsspannung an der jeweiligen Modulausgangsschnittstelle 16 umsetzt, eine Steuereinrichtung 24. Diese kann Betriebsparameter des jeweiligen Lademoduls erfassen, wozu beispielsweise wenigstens ein Sensor 27 bzw. wenigstens eine Vorrichtung zur Spannungs- bzw. Strommessung genutzt werden können, um die Temperatur des Lademoduls 10 bzw. von dessen Elektronik 22, Eingangsspannungen und/oder -ströme, Ausgangsspannungen und/oder -ströme, Frequenzen eines Eingangswechselstroms und Ähnliches zu überwachen und die Ausgangsspannung bzw. den Ladestrom in Abhängigkeit dieser Betriebsparameter zu steuern bzw. zu regeln.
Eine solche Steuerung bzw. Regelung kann beispielsweise den Ladestrom reduzieren, um eine Ladeleistung zu verringern, wenn zu hohe Temperaturen ermittelt werden. Insbesondere ist es möglich, dass die Ausgangsspannung bzw. der Ladestrom auf Null gesteuert wird, insbesondere indem der Spannungsrichter 23 von der Moduleingangsschnittstelle 15 und/oder der Modulausgangsschnittstelle 16 getrennt wird. Um dies zu ermöglichen, ist der Stromrichter 23 über eine Eingangsschalteinrichtung 25 mit der Moduleingangsschnittstelle 15 und über eine Ausgangsschalteinrichtung 26 mit der Modulausgangsschnittstelle 16 verbunden, wobei die Eingangsschalteinrichtung 25 bzw. die Ausgangsschalteinrichtung 26 diese jeweilige Verbindung in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuereinrichtung 23 trennen und vorzugsweise auch verbinden kann. Dies ermöglicht es beispielsweise bei Erkennung eines Fehlerzustands den Stromrichter 23 von den Ein- und Ausgängen des Lademoduls 10 zu trennen.
Die Steuereinrichtung 23 ist zudem dazu eingerichtet, über die Modulausgangsschnittstelle 16 bzw. die Vorrichtungsausgangsschnittstelle 4 kabelgebunden mit einer Kommunikationseinrichtung des nicht gezeigten Kraftfahrzeugs zu kommunizieren. Hierdurch kann beispielsweise über eine Powerline Communication oder durch eine Pulsweitenmodulation bzw. ein Schalten von Widerständen kommuniziert werden, welche Spannungen zum Laden bereitgestellt werden sollen. Die Steuereinrichtung 24 kann den Stromrichter 23 entsprechend steuern.
Jedes der Lademodule 10 weist somit alle wesentlichen Komponenten zum Laden des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs auf, sodass das jedes einzelne Lademodul 10 durch Anschluss entsprechender Anschlusskabel 32, 33, wie in 3 dargestellt ist, auch unabhängig von der Ladevorrichtung 1 zum Laden eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann. Ein erstes Anschlusskabel 32 weist hierbei einen Verbinder 34 zur Verbindung mit der Moduleingangsschnittstelle 15 und einen Verbinder 35 zum Anschluss an einer Stromquelle, beispielsweise eine übliche Steckdose, auf. Ein zweites Anschlusskabel 33 weist einen Verbinder 36 zum Anschluss an die Modulausgangsschnittstelle 16 sowie einen Verbinder 37 zur Verbindung mit einem Ladeanschluss eines Kraftfahrzeugs auf.
Bei Nutzung eines Ladesystems, das neben den in 1 gezeigten Komponenten die Anschlusskabel 32, 33 umfasst, kann somit ein Laden eines Kraftfahrzeugs sowohl durch die Ladevorrichtung 1 erfolgen, wenn alle oder zumindest Teile der Lademodule 10 in das Gehäuse 2 eingebaut sind, als auch ein Laden des Kraftfahrzeugs unabhängig von der Ladevorrichtung 1, wenn zumindest eines der Module 10 ausgebaut und über die Anschlusskabel 32, 33 mit einer Stromquelle und dem Kraftfahrzeug verbunden ist.
Neben einer elektrischen Kontaktierung mechanischen Halterung der einzelnen Lademodule 10 kann das Gehäuse 2 der Ladevorrichtung 1 zusätzliche Funktionen aufweisen und insbesondere eine verbesserte Kühlung der Lademodule 10 ermöglichen. Hierzu ist in dem in 2 gezeigten Beispiel ein Lüfter 31 in dem Gehäuse 2 angeordnet, um die Lademodule 10 zu kühlen. Die einzelnen Lademodule 10 weisen jeweils Kühlkörper 29 auf, die an ein Luftvolumen 30 angrenzen, in dem der Lüfter angeordnet ist. Hierbei kann zwischen dem Lüfter 31 und dem Kühlkörper 29 beispielsweise ein Gitter angeordnet sein, um bei ausgebautem Lademodul 10 ein Berühren des Lüfters 31 zu verhindern.
Durch diesen oder andere Ansätze zum Kühlen der Lademodule 10, solange sie in das Gehäuse 2 eingebaut sind, kann es möglich sein, dass die Lademodule 10 innerhalb der Ladevorrichtung 1 eine höhere Leistung bereitstellen können, als in dem in 3 gezeigten Fall, in dem sie außerhalb des Gehäuses 2 genutzt werden. Es ist daher möglich, dass der Sensor 27 oder einer der Sensoren 27 ein Gehäusesensor 27 ist, beispielsweise ein Drucktaster oder Ähnliches, über den erkannt wird, wenn das Lademodul 10 in dem Gehäuse 2 eingebaut ist. Ist dies nicht der Fall, kann beispielsweise eine Ladeleistung reduziert werden. Alternativ oder ergänzend kann eine Temperaturüberwachung durch einen Temperatursensor erfolgen und die Ladeleistung kann Temperaturabhängig reduziert werden.
Eine weitere Verbesserung der Kühlung des jeweiligen Lademoduls 10, solange es in dem Gehäuse 2 angeordnet sind, kann erreicht werden, wenn zusätzlich oder alternativ zu dem in 2 gezeigten Lüfter 31 ein geschlossener Kühlmittelkreislauf verwendet wird. Ein Beispiel hierfür ist in 4 dargestellt, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur die für die Kühlung relevanten Komponenten gezeigt sind.
Bei einem Einbau des Lademoduls 10 in das Gehäuse 2, beispielsweise durch Verschieben des Riegel 13 in die in 2 gezeigten Position, werden hierbei nicht nur die Gehäuseanschlüsse 11, 12 mit der Moduleingangsschnittstelle 15 bzw. der Modulausgangsschnittstelle 16 verbunden, sondern auch Kühlmittelanschlüsse 39, die einen sich durch das Lademodul 10 erstreckenden Kühlmittelkanal 38 mit einem Kühlmittelkreislauf 40 des Gehäuses 2 verbinden. Der Kühlmittelkreislauf 40 ist in 4 nur schematisch dargestellt und kann beispielsweise ein Fördermittel 41, beispielsweise eine Pumpe, und einen Wärmetauscher 42 zur Abfuhr von Wärme umfassen. Insbesondere wenn ein flüssiges Kühlmittel genutzt wird, sollten die Kühlmittelanschlüsse 39 so ausgelegt sein, dass sie bei einem Trennen der Kühlmittelanschlüsse automatisch verschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015200960 A1 [0005]

Claims

Ladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtungseingangsschnittstelle (3) zur Verbindung der Ladevorrichtung (1) mit einer Stromquelle und einer Vorrichtungsausgangsschnittstelle (4) zur Verbindung der Ladevorrichtung (1) mit einem Ladeanschluss eines Kraftfahrzeugs, um einen Ladestrom zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wobei die Ladevorrichtung (1) mehrere Lademodule (10) umfasst, an die über eine jeweilige Moduleingangsschnittstelle (15) und die Vorrichtungseingangsschnittstelle (3) eine Eingangsspannung, insbesondere eine Wechselspannung, bereitstellbar ist, wobei ein jeweiliger Spannungsrichter (23) des jeweiligen Lademoduls (10) dazu eingerichtet ist, die Eingangsspannung in eine an einer jeweiligen Modulausgangsschnittstelle (16) bereitgestellte Ausgangsspannung, insbesondere eine Gleichspannung, umzusetzen, wobei die Modulausgangsschnittstellen (16) parallel geschaltet mit der Vorrichtungsausgangsschnittstelle (4) verbunden sind, wobei wenigstens eines der Lademodule (10) aus der Ladvorrichtung entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Ladevorrichtung (1) entnommene Lademodul (10) separat von der Ladevorrichtung (1) als Ladegerät verwendbar ist, um den Energiespeicher des oder eines weiteren Kraftfahrzeugs aus der oder einer weiteren Stromquelle zu laden, wobei das jeweilige Lademodul (10) eine Steuereinrichtung (24) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einerseits wenigstens einen Betriebsparameter des jeweiligen Lademoduls (10) zu erfassen und/oder wenigstens eine Kommunikationsinformation von einer kraftfahrzeugseitigen Kommunikationseinrichtung zu empfangen und andererseits die Ausgangsspannung an der Modulausgangsschnittstelle (16) und/oder einen Ladestrom in Abhängigkeit des Betriebsparameters und/oder der Kommunikationsinformation zu steuern oder zu regeln.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Spannungsrichter (23) über eine jeweilige Eingangsschalteinrichtung (25) mit der Moduleingangsschnittstelle (15) verbunden ist, wobei die Eingangsschalteinrichtung (25) dazu eingerichtet ist, den Spannungsrichter (23) oder zumindest einen Anschluss des Spannungsrichters (23) in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuereinrichtung (24) von der Moduleingangsschnittstelle (15) zu trennen und/oder mit der Moduleingangsschnittstelle (15) zu verbinden.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Spannungsrichter (23) über eine jeweilige Ausgangsschalteinrichtung (26) mit der Modulausgangsschnittstelle (16) verbunden ist, wobei die Ausgangsschalteinrichtung (26) dazu eingerichtet ist, den Spannungsrichter (23) oder zumindest einen Anschluss des Spannungsrichters (23) in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuereinrichtung (24) von der Modulausgangsschnittstelle (16) zu trennen und/oder mit der Modulausgangsschnittstelle (16) zu verbinden.
Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (2) aufweist, in dem die Lademodule (10) mechanisch gehaltert sind, wobei hierbei ein jeweiliger erster Gehäuseanschluss (11) des Gehäuses (2) die jeweilige Moduleingangsschnittstelle (15) mit der am Gehäuse (2) angebrachten Vorrichtungseingangsschnittstelle (3) verbindet und ein jeweiliger zweiter Gehäuseanschluss (12) die jeweilige Modulausgangsschnittstelle (16) mit der am Gehäuse (2) angebrachten Vorrichtungsausgangsschnittstelle (4) verbindet.
Ladevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Lüfter (31) aufweist, um die Lademodule (10) zu kühlen.
Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lademodule (10) einen jeweiligen Kühlkörper (29) aufweisen, der an ein Luftvolumen (30), in dem der Lüfter (31) angeordnet ist, angrenzt.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkreislauf (40) des Gehäuses (2) über Kühlmittelanschlüsse (39) mit einem jeweiligen Kühlmittelkanal (38) des Lademoduls (10) gekoppelt ist.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Lademodul (10) einen jeweiligen Gehäusesensor (27) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, über den Gehäusesensor (27) zu erfassen, ob das jeweilige Lademodul (10) in dem Gehäuse (2) gehaltert ist, und in Abhängigkeit hiervon die Ausgangsspannung und/oder den Ladestrom und/oder einen weiterer Betriebsparameter des Lademoduls (10) anzupassen.
Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, die Kommunikationsinformation kabelgebunden über die Modulausgangsschnittstelle (16) oder kabellos zu empfangen und/oder eine weitere Kommunikationsinformation kabelgebunden über die Modulausgangsschnittstelle (16) oder kabellos zu senden.
Ladesystem, umfassend eine Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche und ein erstes Anschlusskabel (32) zur Verbindung der Moduleingangsschnittstelle (15) eines der Lademodule (10) mit der oder der weiteren Stromquelle und ein zweites Anschlusskabel (33) zur Verbindung der Modulausgangsschnittstelle (16) dieses Lademoduls (10) mit einem Ladeanschluss des oder des weiteren Kraftfahrzeugs.