DE102020118142A1

DE102020118142A1 - Technik zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern zum Laden eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102020118142A1
Application number: DE102020118142.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Scholz
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Eine Technik zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern (114, 116) einer Ladestation (200) zum Laden eines Elektrofahrzeugs (150) wird beschrieben. Gemäß einem Aspekt umfasst eine Vorrichtung (200) einen Signalgenerator (202), der dazu ausgebildet ist, ein alternierenden Prüfsignal an den Ladeleitern (114, 116) auszugeben; und eine Auswerteeinheit (204), die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage des Prüfsignals zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern (114, 116) ein elektrisch leitender Kontakt besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Technik zur Überwachung eines Kontakts, vorzugsweise eines Kurzschlusses, zwischen Ladeleitern einer Ladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs. Insbesondere sind, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern, eine Ladestation mit einer solchen Vorrichtung und ein Ladestecker mit einer solchen Vorrichtung offenbart.
Im Stand der Technik sind Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses bekannt, die einen Kondensator mit einer Testspannung aufladen und das Ladekabel mit der Testspannung des Kondensators beaufschlagen. Das Dokument DE 10 2010 042 750 A1 beschreibt ein solches Verfahren.
Jedoch sind solche herkömmlichen Verfahren aufwendig und kostenintensiv, da kleine Gleichspannungen auf die Ladeleiter aufgekoppelt und gemessen werden müssen, wobei die Spannungsmessung den Isolationsanforderungen genügen muss, was wiederum eine aufwendige Schaltungstechnik erfordert..
Zudem muss der zeitliche Verlauf der Testspannung über eine Mindestzeit beobachtet werden, um eine zuverlässige Ausgabe über das Ausbleiben einer Entladung des Kondensators treffen zu können, wodurch das herkömmliche Verfahren langsam ist.
Das Dokument DE 10 2015 107 161 A1 beschreibt ein Sicherheitsmodul, das während des Ladevorgangs eine Vielzahl von Sensorwerten wie die Temperatur überwacht. Eine solche Überwachung ist jedoch aufwendig, da eine Vielzahl von Sensoren verbaut und abgefragt werden muss. Zudem bedeutet der Beginn des Ladevorgangs bei Bestehen eines Kurzschlusses ein erhebliches Sicherheitsrisiko und eine erhebliche Beschädigungsgefahr aufgrund des großen Ladestroms.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur zuverlässigen und reaktionsschnellen Überwachung eines Kurzschlusses zwischen Ladeleitern anzugeben.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern einer Ladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Signalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein alternierendes Prüfsignal an den Ladeleitern auszugeben. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage des Prüfsignals zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern ein elektrisch leitender Kontakt besteht.
Das alternierende Prüfsignal kann ein Signal sein, das nicht nur einen Gleichspannungsanteil (DC-Anteil) aufweist, beispielsweise ein Signal das keinen DC-Anteil aufweist. Alternativ oder ergänzend kann das alternierende Prüfsignal um einen Mittelwert schwingen, beispielsweise ein Wechselsignal sein. Beispielsweise kann das alternierende Prüfsignal periodisch oder aperiodisch schwingen. Der Mittelwert kann gleich einem Erdungspotential sein.
Das Prüfsignal kann hochfrequent sein. Beispielsweise kann das Prüfsignal eine Trägerfrequenz von mindestens einem Kilohertz (1 kHz) oder mindestens 10 kHz aufweisen. Ferner kann das Prüfsignal monochromatisch oder harmonisch sein.
Alternativ oder ergänzend kann das Prüfsignal eine Verteilung im Frequenzraum (d.h. ein Leistungsspektrum) aufweisen. Beispielsweise kann das Prüfsignal einen Impuls oder eine Zirpe (fachsprachlich auch als „Chirp“ bezeichnet) umfassen.
Jede Signalform (d.h. jede Trägerfrequenz oder jede Verteilung im Frequenzraum) kann ferner wiederkehrend sein. Hierin bezieht sich die Begriff „periodisch“ und „Frequenz“ (insbesondere der Begriff „hochfrequent“) auf die Frequenz des Prüfsignals selbst, beispielsweise die Trägerfrequenz des Prüfsignals oder die Frequenzen im Leistungsspektrum des Prüfsignals. Alternativ oder ergänzend kann ein regelmäßig wiederkehrendes Prüfsignal eine Rate der Überwachung (Überwachungsrate) aufweisen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die auf einem Gleichstromanteil basieren, kann das alternierende Prüfsignal kostengünstig und zuverlässig von der Auswerteeinheit zur Bestimmung des Kontakts erfasst werden.
Indem ein alternierendes Prüfsignal ausgegeben wird, können Ausführungsbeispiele der Vorrichtung das Prüfsignal im Frequenzraum von induzierten Störungen unterscheiden, wodurch eine robuste Überwachung des Kurzschlusses ermöglicht ist. Alternativ oder ergänzend kann das Prüfsignal aufgrund einer frequenzselektiven Dämpfung auf einen bestimmten Prüfbereich entlang der Ladeleiter begrenzt sein, wodurch die Überwachung des Kurzschlusses unabhängig von Komponenten der Ladestation oder des Elektrofahrzeugs außerhalb des Prüfbereichs ist.
Die Ladeleiter können in einem an der Ladestation angeschlossenen Ladekabel zusammengefasst sein. Ein freies Ende des Ladekabels kann einen Ladestecker aufweisen. Der Ladestecker kann Kontakte aufweisen für jeden der Ladeleiter.
Das Ausgeben des Prüfsignals an den Ladeleitern kann ein Anlegen des Prüfsignals zwischen den Ladeleitern oder ein Beaufschlagen der Ladeleiter mit dem Prüfsignal umfassen.
Der elektrisch leitendende Kontakt (kurz: der Kontakt) zwischen den Ladeleitern kann auch als Kurzschluss bezeichnet werden.
Das Prüfsignal kann ein Spannungssignal sein. Das Prüfsignal kann eine zwischen den Ladeleitern induzierte elektrische Spannung sein.
Eine Spannung (beispielsweise eine Amplitude der Spannung) des Prüfsignals kann zwischen 10 mV und 100 mV sein. Beispielsweise kann die Spannung des Prüfsignals bei der Ausgabe (beispielsweise bei der Einspeisung) in die Ladeleiter zu einer kleineren Spannung transformiert werden und zum Bestimmen des Kontakts zu einer entsprechend größeren Spannung transformiert werden. Durch das Koppelelement kann man die Spannungen transformieren, so können auch z.B. nur mV an den Ladeleitern anliegen. Vorzugsweise kann das Prüfsignal einer berührungsgefährlichen Kleinspannung zwischen den Ladeleitern entsprechen. Die Spannung des Prüfsignals größer als 3 V oder 12 V sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Spannung des Prüfsignals kleiner als 24 V oder 50 V.
Das alternierende Prüfsignal kann ein Spannungssignal sein, beispielsweise ein periodischer oder oszillierender Verlauf einer elektrischen Spannung. Das Prüfsignal kann auch als Überwachungssignal bezeichnet werden.
Die Spannung des Prüfsignals (beispielsweise eine Amplitude des alternierenden Prüfsignals) kann ein Bruchteil einer Ladespannung zum Laden des Elektrofahrzeugs sein. Eine Frequenz des Prüfsignals kann von einer Frequenz der Ladespannung (beispielsweise von 0 Hz für einen DC-Ladestrom) verschieden sein.
Eine Frequenz des alternierenden Prüfsignals kann kleiner als 100 MHz oder 10 MHz sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Frequenz des alternierenden Prüfsignals größer als 1 kHz oder 10 kHz sein.
Alternativ oder ergänzend kann eine Wellenlänge (beispielsweise eine erste Wellenlänge) des Prüfsignals (vorzugsweise bezüglich der Ladeleiter als Ausbreitungsmedium des Prüfsignals) größer, vorzugsweise mehrfach größer, als eine Länge der Ladeleiter und/oder des Ladekabels sein. Die Auswerteeinheit kann auf Grundlage des Prüfsignals eine (beispielsweise komplexwertige) Impedanz zwischen den Ladeleitern bestimmen.
Alternativ oder ergänzend kann eine Wellenlänge (beispielsweise eine zweite Wellenlänge) des Prüfsignals (vorzugsweise bezüglich der Ladeleiter als Ausbreitungsmedium des Prüfsignals) kleiner, vorzugsweise mehrfach kleiner, als eine Länge der Ladeleiter und/oder des Ladekabels sein. Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, (beispielsweise in Reaktion auf das Bestimmen des Kontakts zwischen den Ladeleitern) eine Laufzeit des Prüfsignals und/oder eine Position des Kontakts zu bestimmen. Die Position kann entlang der Ladeleiter und/oder des Ladekabels aufgrund der Laufzeit und einer Gruppengeschwindigkeit des Prüfsignals bestimmt werden.
Das alternierende Prüfsignal kann ein harmonisches Signal sein. Vorzugsweise umfasst das Prüfsignal keinen Gleichstromanteil.
Der Signalgenerator kann eine Oszillatorschaltung umfassen.
Die Vorrichtung kann ferner ein zwischen dem Signalgenerator und den Ladeleitern geschaltenes Kopplungselement umfassen, das dazu ausgebildet ist, das Prüfsignal des Signalgenerators an den Ladeleitern auszugeben. Das Kopplungselement kann die Ladeleiter voneinander galvanisch trennen und/oder die Ladeleiter vom Signalgenerator galvanisch trennen.
Indem das alternierende Prüfsignal an die Ladeleiter ausgegeben (beispielsweise aufgekoppelt) und gemessen wird, können durch das Kopplungselement bereits die Isolationsanforderungen erfüllt sein, beispielsweise ohne aufwendige Schaltungstechnik. Alternativ oder ergänzend kann das Kopplungselement zur Transformation der Spannung des Prüfsignals ausgebildet sein.
Das Kopplungselement kann den Signalgenerator mit den Ladeleitern kapazitiv oder induktiv koppeln zum Ausgegeben des Prüfsignals des Signalgenerators an den Ladeleitern. Alternativ oder ergänzend kann das Kopplungselement eine Impedanz-Schaltung umfassen.
Der Signalgenerator kann induktiv und/oder kapazitiv mit den Ladeleitern gekoppelt sein.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit umfassen oder mit der Steuereinheit in Signalverbindung stehen oder in Signalverbindung bringbar sein. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, das Laden oder Entladen des Elektrofahrzeugs zu steuern oder zu regeln.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit oder eine mit der Steuereinheit verbundene oder verbindbare Steuerschnittstelle umfassen. Die Auswerteeinheit kann ferner dazu ausgebildet ist, an die Steuereinheit oder an der Steuerschnittstelle zu signalisieren, ob zwischen den Ladeleitern der elektrisch leitendende Kontakt besteht.
Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, eine Freigabe zum Laden zu signalisieren, falls kein Kontakt besteht. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, einen Kurzschluss zu signalisieren, falls der Kontakt besteht.
Alternativ oder ergänzend kann der Signalgenerator und/oder die Auswerteeinheit in Steuerkommunikation mit der Steuereinheit stehen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Überwachung des Kontakts zwischen den Ladeleitern vor dem Laden des Elektrofahrzeugs auszuführen oder zu initiieren.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, bei Bestehen des Kontakts, einen Fehlerzustand auszugeben und/oder einen Ladestrom durch die Ladeleiter zu unterbrechen und/oder die Ladeleiter spannungsfrei zu schalten.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, den Fehlerzustand als Warnsignal (beispielsweise optisch und/oder akustisch und/oder haptisch) auszugeben. Beispielsweise kann der Ladestecker einen Vibrationsmotor umfassen, der von der Steuereinheit angesteuert ist zur Ausgabe des haptischen Warnsignals in Reaktion auf die Bestimmung des Kontakts.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ladeleiter von einer Ladestromquelle elektrisch zu trennen vor dem Ausgeben des Prüfsignals und/oder dem Bestimmen, ob ein Kontakt zwischen den Ladeleitern besteht. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Bestimmen, dass der Kontakt zwischen den Ladeleitern besteht, ein Hauptrelais und/oder ein Laderelais der Ladestation zu öffnen.
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Ladeleiter mit der Ladestromquelle elektrisch zu verbinden, falls kein Kontakt besteht.
Die Ladestromquelle kann eine Leistungsumsetzungseinheit umfassen. Die Leistungsumsetzungseinheit kann dazu ausgebildet sein, nach Maßgabe der Steuereinheit, einen Ladestrom und/oder eine Ladespannung an den Ladeleitern auszugeben. Ein Hauptrelais kann die Ladestromquelle und einen Stromanschluss nach Maßgabe der Steuereinheit wahlweise elektrisch trennen und verbinden in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Hauptrelais. Alternativ oder ergänzend kann ein Laderelais die Ladestromquelle und die (vorzugsweise jeweils jeden der) Ladeleiter nach Maßgabe der Steuereinheit wahlweise elektrisch trennen und verbinden in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Laderelais.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, das Ausgeben des Prüfsignals und/oder das Bestimmen, ob ein Kontakt besteht, mittels des Signalgenerators beziehungsweise mittels der Auswerteeinheit auszuführen vor dem Laden oder Entladen des Elektrofahrzeugs und/oder während die Ladeleiter von der Leistungsumsetzungseinheit elektrisch getrennt sind und/oder bevor ein Signalleiter eine Verbindung zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug signalisiert.
Ein Prüfbereich zur Überwachung des Kontakts zwischen den Ladeleitern kann mittels elektrischer Trennung (beispielsweise mittels des geöffneten Zustands des Laderelais) und/oder mittels mindesten einem frequenzselektiven Filterelemente begrenzt sein.
Das mindestens eine frequenzselektive Filterelemente kann (beispielsweise jeweils an jedem der Ladeleiter oder gemeinsam an den Ladeleitern) ausgangsseitig der Ladestation (beispielsweise ausgangsseitig des Laderelais) und/oder im Ladestecker angeordnet oder zwischengeschaltet sein.
Das frequenzselektive Filterelement oder mindestens eines oder jedes der frequenzselektiven Filterelemente kann die Ladeleiter jeweils oder gemeinsam mit Ferriten ummanteln und/oder andere frequenzselektive Bauteile (beispielsweise Induktivitäten und Kapazitäten mit Dämpfungswiderständen) umfassen.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, bei Bestehen des Kontakts, einen Fehlerzustand des Ladekabels oder des Ladesteckers auszugeben bevor ein Signalleiter des Ladekabels oder des Ladesteckers eine Verbindung zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug signalisiert und/oder einen Fehlerzustand des Elektrofahrzeugs auszugeben nachdem ein Signalleiter des Ladekabels oder des Ladesteckers eine Verbindung zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug signalisiert.
Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, einen vom ausgegebenen Prüfsignal getriebenen Strom durch die Ladeleiter zu messen. Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, aufgrund des gemessenen Stroms zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern der Kontakt besteht.
Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, eine vom Prüfsignal zwischen den Ladeleitern aufgebaute Spannung und/oder einen vom Prüfsignal in den Ladeleitern getriebenen Strom zu erfassen und aufgrund der Spannung und/oder des Stroms eine Impedanz zwischen den Ladeleitern zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit das Bestehen des Kontakts zwischen den Ladeleitern bestimmen, falls die Impedanz (vorzugsweise ein Betrag der Impedanz oder ein Wirkanteil der Impedanz) kleiner oder größer als ein Schwellwert der Impedanz ist.
Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, eine Dämpfung des Prüfsignals zu erfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit das Bestehen des Kontakts zwischen den Ladeleitern bestimmen, falls die Dämpfung größer oder kleiner als ein Schwellwert der Dämpfung ist.
Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, eine Dämpfung des ausgegebenen Prüfsignals durch die Ladeleiter zu messen. Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, aufgrund der gemessenen Dämpfung zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern der Kontakt besteht. Die Dämpfung kann als eine Veränderung des an einem Eingang und/oder an einem Ausgang des Kopplungselements anliegenden Prüfsignals gemessen werden.
Die Vorrichtung zur Überwachung des Kontakts kann in der Ladestation angeordnet oder implementiert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Ladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Die Ladestation umfasst eine Ladestromquelle und ein Laderelais, das dazu ausgebildet ist, die Ladestromquelle und Ladeleiter eines Ladekabels zum Laden eines Elektrofahrzeugs wahlweise elektrisch zu trennen und zu verbinden in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Laderelais. Ferner umfasst die Ladestation eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen den Ladeleitern der Ladestation gemäß einem dem Vorrichtungsaspekt. Ferner umfasst die Ladestation eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, im geöffneten Zustand des Laderelais mittels des Signalgenerators der Vorrichtung das Prüfsignal an den Ladeleitern auszugeben und mittels der Auswerteeinheit auf Grundlage des Prüfsignals zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern ein elektrisch leitender Kontakt besteht. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgebildet, bei Bestehen des Kontakts einen Fehlerzustand auszugeben und/oder bei Bestehen keines Kontakts das Laderelais zum Laden des Elektrofahrzeugs zu schließen.
Die Vorrichtung zur Überwachung des Kontakts kann im Ladestecker oder im Ladekabel angeordnet oder implementiert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Der Ladestecker umfasst Ladeleiter, die über ein Ladekabel mit einer Ladestromquelle einer Ladestation wahlweise elektrisch verbunden sind und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen den Ladeleitern gemäß dem Vorrichtungsaspekt.
In jedem Aspekt kann die Steuereinheit in der Ladestation und/oder in der Vorrichtung zum Überwachen des Kontakts und/oder im Ladekabel und/oder im Ladestecker angeordnet oder implementiert sein.
In jedem Aspekt kann die Steuereinheit zum Laden des Elektrofahrzeugs ein Ladeverfahren ausführen und/oder die Ladestromquelle steuern. Beispielsweise kann das Ladeverfahren ein Abfragen von Signalleitern zur Freigabe des Ladens und/oder zur Bestimmung eines maximalen Ladestroms umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das Steuern der Ladestromquelle ein Regeln des Ladestroms in den Ladeleitern und/oder der Ladespannung an den Ladeleitern umfassen.
Jeder Aspekt kann ferner Merkmale und Funktionen umfassen, die im Kontext eines der anderen Aspekte offenbart sind, oder dazu korrespondierende Merkmale und Funktionen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ladestation mit einer Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern der Ladestation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Ladesteckers und einer Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Ladestation, eines Ladesteckers und einer Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und
5 eine schematische Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Filterelements, dass zur Begrenzung eines Prüfbereichs in jedem Ausführungsbeispiel einsetzbar ist.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Ladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs 150 (kurz: Fahrzeug oder EV). Die Ladestation 100 kann beispielsweise als Wandladestation (auch als „Wallbox“ bezeichnet) oder als Ladesäule ausgeführt sein.
Die Ladestation 100 umfasst eine Steuereinheit 102, die den Ladevorgang überwacht oder steuert. Beispielsweise kann die Steuereinheit 102 dazu ausgebildet sein, einen Verlauf eines Ladestroms und/oder einer Ladespannung zu steuern oder zu regeln.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird mit Gleichstrom (DC) geladen. Dieses Ausführungsbeispiel der Ladestation 100 und jedes hierin offenbarte Ausführungsbeispiel kann für ein anderes Ladeverfahren, beispielsweise zum Laden mit Wechselspannung (AC), insbesondere mit einphasiger oder mehrphasiger Wechselspannung, abgeändert werden. Alternativ oder ergänzend kann jedes Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet sein, ein Ladeverfahren gemäß IEC 62196 auszuführen.
Die Ladestation 100 umfasst ein Ladekabel 110 mit einem Stecker 112 über dessen Ladeleiter 114 und 116 die Ladestation 100 den Ladestrom dem EV 150 bereitstellt. Ferner stellt die Ladestation 100 über das Ladekabel 110 und dessen Stecker 112 dem EV 150 einen Schutzleiter 118 (PE) bereit.
Das EV 150 weist eine zum Ladestecker 112 komplementäre Ladebuchse 154 auf, welche im zusammengesteckten Zustand die Ladeleiter 114 und 116 mit einem Leistungsnetz 156 des EVs 150 und/oder einem Traktionsenergiespeicher 156 des EVs 150 elektrisch leitend verbindet, beispielsweise zum Laden oder Entladen eines im EV 150 verbauten elektrischen Traktionsenergiespeichers 156. Der Traktionsenergiespeicher 156 kann ein Batteriemanagementsystem und eine Vielzahl elektrochemischer Sekundärzellen umfassen, vorzugsweise mit Lithium-Ionen als mobiler Ladungsträger.
Das Ladekabel 110 umfasst ferner Signalleiter zur Signalisierung vom EV 150 zur Ladestation 100, vorzugsweise zur Steuereinheit 102 der Ladestation 100. Beispielsweise signalisiert der Signalleiter 103 (welcher fachsprachlich auch als „Proximity Pilot“ oder PP bezeichnet wird) die Verbindung zwischen der Ladestation 100 und dem EV 150. Optional signalisiert der Signalleiter PP die maximale Belastbarkeit des Kabels 110 zur Ladestation 100. Hierzu wird seitens des EVs 150 ein Widerstand zwischen PP und PE gesetzt, dessen Wert die Belastbarkeit angibt. Über den Signalleiter CP (für fachsprachlich „Control Pilot“) signalisiert das EV 150 der Ladestation 100 den Zustand (beispielsweise eine Ladefreigabe) des EVs 150, beispielsweise je nach Widerstand zwischen CP und PE.
Optional umfasst die Steuereinheit 102 ein Modem 104, das dazu ausgebildet ist, über die Leiter CP und/oder PE mit einer Fahrzeugsteuereinheit 152 des EVs 150 zu kommunizieren. Das Modem kann auf den Leitern CP und/oder PE Kommunikationssignale mit jeweils einer oder mehreren Trägerfrequenzen modulieren und demodulieren, d.h. eine Trägerfrequenzkommunikation ausführen (welche fachsprachlich auch als „Powerline Communication“ oder PLC bezeichnet wird). Die Fahrzeugsteuereinheit 152 des EVs 150 umfasst ein entsprechendes Fahrzeugmodem 158.
Wenn es im Ladekabel 110 oder am Stecker 112 einen Kurzschluss zwischen den Ladeleitern 114 und 116 (hier DC+ bzw. DC-) gibt, der z.B. durch ein defektes Ladekabel 110 oder leitende Störgegenstände an den Steckverbindern 112 und 154 hervorgerufen wird, kann der Kurzschluss herkömmlicherweise nicht sofort oder vor dem Ladevorgang detektiert werden. Stattdessen muss erst im gesteckten Zustand des Steckers 112 und der Buchse 162 am EV 150 in einer aufwendigen Prüfung (z.B. über den Widerstand R_pre einer Vorladeschaltung) ein möglicher Kurzschluss indirekt detektiert werden oder - wenn diese Prüfung nicht implementiert ist - lösen Schutzelemente wie Sicherungen oder Leitungsschutzschalter aus.
Die Ladestation 100 umfasst ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 200 bezeichneten Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts (beispielsweise einer Impedanz) zwischen den Ladeleitern 114 und 116. Die Vorrichtung 200 ist dazu ausgebildet, den Kontakt (beispielsweise die Impedanz) zwischen den Ladeleitern 114 und 116 zu erfassen und zu bestimmen, ob ein Kontakt besteht, beispielsweise ob die erfasste Impedanz einen Kurzschluss angibt oder eine fehlerhafte Impedanz vorliegt.
Ein Kurzschluss oder eine fehlerhafte Impedanz kann beispielsweise vorliegen, falls ein Betrag der Impedanz oder ein Realanteil (auch: Wirkanteil) der Impedanz kleiner als ein Schwellwert der Impedanz (d.h. ein Mindestwert der Impedanz) ist.
Die Vorrichtung 200 kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf die erfasste fehlerhafte Impedanz, einen Fehlerzustand auszugeben und/oder den Ladestrom durch die Ladeleiter 114 und 116 zu unterbrechen und/oder die Ladeleiter 114 und 116 spannungsfrei zu schalten.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Ladestation 100 eine Ladestromquelle 106. Die Ladestromquelle 106 kann eine Leistungsumsetzungseinheit 106 sein, die dazu ausgebildet ist, vorzugsweise nach Maßgabe der Steuereinheit 102, den Ladestrom und/oder die Ladespannung an den Ladeleitern 114 und 116 auszugeben. Die Leistungsumsetzungseinheit 106 wird von einer (beispielsweise zur Ladestation 100 externen) Leistungsversorgung über einen Stromanschluss 101 gespeist. Beispielsweise wandelt die Leistungsumsetzungseinheit 106 einen von der Leistungsversorgung und/oder am Stromanschluss 101 bereitgestellten Wechselstrom in einen Gleichstrom als den Ladestrom.
Die Ladestation 100 umfasst ein Hauptrelais 107, dass dazu ausgebildet ist, die Leistungsumsetzungseinheit 106 wahlweise mit der Leistungsversorgung elektrisch zu verbinden und von der Leistungsversorgung elektrisch zu trennen. Alternativ oder ergänzend umfasst die Ladestation 100 ein Laderelais 108, das dazu ausgebildet ist, die Ladeleiter 114 und 116 (vorzugsweise jeweils) wahlweise mit der Leistungsumsetzungseinheit 106 elektrisch zu verbinden und von der Leistungsumsetzungseinheit 106 elektrisch zu trennen.
Die Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf die erfasste fehlerhafte Impedanz das Hauptrelais 107 und/oder das Laderelais 108 zu öffnen.
Die Vorrichtung zur Überwachung einer Impedanz kann als Überwachung eines Kontakts zwischen den Ladeleitern 114 und 116 realisiert sein. Da ein Kurzschluss zwischen den Ladeleitern 114 und 116 ein elektrischer Kontakt ist, kann mit der Kontaktüberwachung generell auch ein Kurzschluss detektiert werden.
Der Signalgenerator 202 kann eine Oszillatorschaltung umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 200 eine Impedanz-Schaltung als Kopplungselement mit einem Signaleingang zum Signalgenerator 202 und einem Signalausgang zu den Ladeleitern 114 und 116. Die Steuereinheit 102 ist dazu ausgebildet, das Prüfsignal als Anregungssignal des Signalgenerators an den Signaleingang anzulegen. Die Impedanz-Schaltung ist dazu ausgebildet, das Anregungssignal in das auszugebende Prüfsignal als Überwachungssignal zu wandeln und das Überwachungssignal an dem Signalausgang zum Beaufschlagen der Ladeleiter 114 und 116 auszugeben.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinheit 204 dazu ausgebildet sein, eine Änderung eines an der Impedanz-Schaltung anliegenden Signals zu überwachen und bei Vorliegen der Änderung des Signals den Kontakt der Ladeleiter 114 und 116 festzustellen. Das anliegende Signal kann das Anregungssignal und/oder das Überwachungssignal sein.
In einer Ausführungsform kann die Auswerteeinheit 204 dazu ausgebildet sein, eine Änderung des am Kopplungselement (beispielsweise an der Impedanz-Schaltung) anliegenden Anregungssignals des Signalgenerators 202 zu überwachen und bei Vorliegen der Änderung des Anregungssignals den Kontakt zwischen den Ladeleitern 114 und 116 festzustellen.
Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit 204 dazu ausgebildet sein, eine Änderung des Überwachungssignals zu erfassen.
Optional kann die Steuereinheit 102 neben dem Kopplungselement (beispielsweise der Impedanz-Schaltung) eine weitere Signalüberwachungsschaltung zur Erfassung einer Änderung des Überwachungssignals aufweisen. Diese Signalüberwachungsschaltung kann dazu ausgebildet sein, eine Änderung des Überwachungssignals mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung zu erfassen.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 200 ermöglichen (vorzugsweise noch vor dem Ladevorgang von Elektrofahrzeugen 150) einen möglichen Kurzschluss in den Ladeleitern 114 und 116 zu überwachen, d.h. zu bestimmen, ob ein Kurzschluss besteht (auch: Kurzschlussdetektion). Ein Kurzschluss ist ein elektrischer Kontakt zwischen den Ladeleitern 114 und 116.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 200 können das Bestimmen, ob ein Kurzschluss besteht bereits vor dem Ladevorgang ausführen, vorzugsweise bevor der Ladestecker 112 in die Ladebuchse 154 des Fahrzeugs 150 eingesteckt wird. Die Vorrichtung 200 eignet sich prinzipiell für das DC- als auch AC-Laden und ist unabhängig davon, ob die Energie von der Ladestation 100 zum Fahrzeug 150 fließt oder umgekehrt (d.h., das Fahrzeug 150 speist Energie in ein Netz ein, an das die Ladestation 100 angeschlossen ist).
Der zwischen den Ladeleitern 114 und 116 bestimmte Kurzschluss kann im Ladekabel 110 und/oder im Stecker 112 verursacht sein. Alternativ oder ergänzend kann im zusammengesteckten Zustand des Steckers 112 der Ladestation 100 und der Ladebuchse 154 des EVs 150 der zwischen den Ladeleitern 114 und 116 bestimmte Kurzschluss im EV 150 verursacht sein. Eine Variante jedes hierin offenbarten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 200 kann dazu ausgebildet sein, Kurzschlüsse zu bestimmen, die im EV 150 selbst auftreten können.
Die Vorrichtung 200 kann dazu ausgebildet sein, zwischen einem Kurzschluss im Ladekabel 110 (oder im Ladestecker 112) und einem Kurzschluss im EV 150 zu unterscheiden, beispielsweise aufgrund einer Signallaufzeit einer Reflektion des Prüfsignals nach dem Ausgeben das Prüfsignal und/oder aufgrund der Signalisierung am Signalleiter 103. Optional können zum Bestimmen, ob ein Kurzschluss im EV 150 besteht, weitere Komponenten (beispielsweise Filterelemente) in das EV 150 integriert sein. Alternativ kann die Vorrichtung 200 dazu ausgebildet sein, diese Kurzschlüsse undifferenziert zu bestimmen.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 200 zum Überwachen eines Kontakts 212 zwischen mindestens zwei Ladeleitern 114 und 116 zum Laden eines Elektrofahrzeugs 150. Das zweite Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels realisiert sein. Merkmale, die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen übereinstimmen oder austauschbar sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Vorrichtung 200 umfasst eine Kontaktüberwachungsschaltung 205, nämlich eine (vorzugsweise integrierte) Einheit mit Signalgenerator 202 und Auswerteeinheit 204. Der Signalgenerator 202 kann einen Oszillator umfassen. Die Auswerteeinheit 204 kann ein Detektor des Kontakts (d.h. eines Kurzschlusses) zwischen den Ladeleitern 114 und 116 sein.
In dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200 sind der Signalgenerator 202 und die Auswerteeinheit 204 in der Ladestation 100 angeordnet oder implementiert.
Mittels eines Kopplungselementes 206, das beispielsweise in Form eines Transformators oder Übertragers realisiert sein kann, wird ein am Signaleingang 208 des Kopplungselementes 206 anliegendes Prüfsignal des Signalgenerators 202 über einen Signalausgang 210 des Kopplungselementes 206 auf die Ladeleiter 114 und 116 angelegt. Die Ladeleiter 114 und 116 tragen den Ladestrom (beispielsweise ein DC- oder AC-Ladestrom) für das Elektrofahrzeug 150. Durch eine geeignete Dimensionierung des Kopplungselements 206 können Isolationsanforderungen zwischen der Steuerung 102 bzw. der Kontaktüberwachung 200 und den Ladeleitern 114 und 116 und/oder zwischen den Ladeleitern 114 und 116 untereinander erfüllt sein.
Die Ladeleiter 114 und 116 sind aus der Ladestation 100 über das Ladekabel 110 zum Ladestecker 112 geführt, der in das Elektrofahrzeug 150 eingesteckt oder einsteckbar ist, um die Batterie 156 bzw. die Leistungseinheit 156 im Elektrofahrzeug 150 mit Strom zu versorgen. Der Ladestrom für den Ladevorgang kommt aus der Ladestromquelle (beispielsweise die Ladestromquelle 106, deren Energie über einen Stromanschluss 101 gespeist ist). Die Freigabe des Ladevorgangs kann z.B. über die Laderelais 108 erfolgen.
Wenn nun ein Kurzschluss 212 besteht (insbesondere erstmals auftritt), hier beispielsweise durch einen Kontaktschluss mit einem Nagel dargestellt, bestimmt die Auswerteeinheit 204, dass der Kurzschluss 212 besteht, und kann den Kurzschluss 212 als einen Fehlerzustand signalisieren (vorzugsweise melden), beispielsweise an die Steuereinheit 102.
Die Steuereinheit 102 kann weiteren Konsequenzen der Signalisierung des Kurzschlusses 212 ausführen, steuern oder initiieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit 102 durch den geöffneten Zustand des Laderelais 108 den Ladevorgang nicht freigegeben und/oder einen Fehlerzustand ausgeben, beispielsweise als Signalton.
Vorzugsweise erfüllt das Kopplungselement 206 Isolationsanforderungen. Beispielsweise weist das Kopplungselement 206 eine galvanische Trennung zwischen den Kontakten des Ausgangs 210 der Ladeleiter 114 und 116 auf und/oder weist eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang 208 und dem Ausgang 210 auf.
Vorzugsweise wird das Prüfsignal über das Kopplungselement 206 auf die Ladeleiter 114 und 116 eingeprägt, wenn das Kabel 110 über die Laderelais 108 als Sicherheitsschalter freigeschaltet ist. Wenn das Kabel 110 über den Stecker 112 dann auch nicht ins Fahrzeug 150 gesteckt ist, sollte kein Kontakt gegeben sein und die Prüfung kann erfolgen.
Sollte ein Kurzschluss 212 (d.h. ein Kontakt) auftreten, hier z.B. durch einen Nagel dargestellt, der die Ladeleiter 114 und 116 im Kabel 110 kurzschließt, kann die Kontaktüberwachungsschaltung 205 dies vorab feststellen und der Ladevorgang wird nicht freigegeben.
Je nach Länge des Ladekabel 110 kann es sinnvoll sein, die Frequenz bzw. das Frequenzspektrum des Prüfsignals nicht zu hoch zu wählen, beispielsweise zur Vermeidung von Eigenresonanzen und/oder Abstrahleffekte auf dem Ladekabel 110, die eine robuste Bestimmung erschweren können. Beispielsweise ist die Frequenz bzw. das Frequenzspektrum des Prüfsignals so gewählt, dass die Wellenlänge des Prüfsignals auf den Ladeleitern 114 und 116 größer (vorzugsweise deutlich oder mehrfach größer) ist als die Länge des Ladekabels 110 (beispielsweise als eine tatsächliche oder maximale Länge des Ladekabels 110). Bei einer Länge des Ladekabels 110 von wenigen Metern können sinnvolle Frequenzen im Kilohertz-Bereich oder im einstelligen (maximal zweistelligen) Megahertz-Bereich liegen.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 200 zum Überwachen eines Kontakts 212 zwischen mindestens zwei Ladeleitern 114 und 116 zum Laden eines Elektrofahrzeugs 150. Das dritte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung des ersten und/oder des zweiten Ausführungsbeispiels realisiert sein. Merkmale, die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, können äquivalent sein, austauschbar sein oder übereinstimmen.
In 3 ist ein ähnlicher Grundaufbau wie in 2 dargestellt, wobei die Ladestation 100, das Ladekabel 110, der Ladestecker 112 und/oder das Fahrzeug 150 jeweils ein oder mehrere Merkmale aufweisen können, die im Kontext des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben sind.
Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sind vom zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass die Vorrichtung 200, vorzugsweise der Signalgenerator 202 und die Auswerteeinheit 204 oder die Kontaktüberwachungsschaltung 205, im Ladestecker 112 untergebracht oder implementiert ist, beispielsweise außerhalb der Ladestation 100 im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel.
Aufgrund der im Ladestecker 112 implementierten Technik kann das dritte Ausführungsbeispiel als ein Ladestecker zum Überwachen eines Kurzschlusses oder als intelligenter Ladestecker 112 bezeichnet werden.
Die vorzugsweise im Ladestecker 112 implementierte Steuereinheit 102 (beispielsweise als Teil der Vorrichtung 200) kann zur Signalisierung an die Ladestation 100 oder zur Kommunikation mit der Ladestation 100 ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 102 das Ausgeben des Prüfsignals mittels des Signalgenerators und/oder das Bestimmen, ob ein Kontakt 212 besteht, mittels der der Auswerteeinheit 204 steuern oder initiieren. Optional kann die Steuereinheit 102 das Laden (oder das Entladen) steuern. D.h. das Steuern des Ladens kann in der Ladestation 100 mittels einer eigenen Steuereinheit implementiert sein oder die Steuereinheit 102 im Ladestecker 112 führt auch diese Funktion aus.
Das dritte Ausführungsbeispiel kann vorzugsweise realisiert sein, wenn sich in dem Ladestecker 112 sowieso schon elektronische Komponenten 113 befinden, wie beispielsweise die Steuereinheit 102 (vorzugsweise ein Prozessor, der beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann, mit Speicher oder ein M ikrocontrol ler).
Alternativ oder ergänzend ist die Vorrichtung 200, insbesondere die Steuereinheit 102 in der Vorrichtung 200, über weitere Signalleiter 103 mit Datenschnittstellen und/oder über Versorgungsleiter 103 zur Energieversorgung (beispielsweise mit 12 V oder 24 V) an die Ladestation 100 angebunden.
Dadurch kann im Ladestecker 112 auch der Signalgenerator 204 der Vorrichtung 200 angesteuert werden und das Prüfsignal (d.h. ein Kurzschlussdetektionssignal), das zur Bestimmung (d.h. zur Kurzschlussdetektion) über das Kopplungselement 206 und die Auswerteeinheit 204 der Vorrichtung 200 kommt, kann ausgewertet und an die Ladestation 100 übermittelt werden.
Im Ladestecker 112 können noch weitere Komponenten 113 untergebracht sein. Die weiteren Komponenten 113 können beispielsweise ein Netzteil zur Stromversorgung der Steuerung 102 und/oder des Signalgenerators 202 und/oder der Auswerteeinheit 204 umfassen. Alternativ oder ergänzend können die weiteren Komponenten 113 eine Temperaturüberwachungseinheit zur Überwachung einer Temperatur der Ladeleiter 114 und 116 umfassen.
Um einen Prüfbereich 111 (beispielsweise einen Abschnitt des Ladekabels 110 und/oder des Steckers 112) zu definieren, für den die Bestimmung, ob ein Kontakt besteht (d.h. die Kurzschlussdetektion oder Kurzschlussprüfung) erfolgt, kann mindestens eine der folgenden Maßnahmen implementiert sein. Eine erste Maßnahme ist, nur dann das Prüfsignal auszugeben und/oder die Kurzschlussprüfung auszuführen, wenn der Ladestecker 112 nicht ins Fahrzeug 150 (d.h. in die Ladebuchse 154) gesteckt ist. Die Steuereinheit 102 kann dazu ausgebildet sein, den unverbundenen oder nicht gesteckten Zustand zu erfassen, beispielsweise aufgrund der Signalisierung (vorzugsweise einer Erfassung eines Widerstandswertes) am Signalleiter 103 (beispielsweise am Signalleiter PP des ersten Ausführungsbeispiels). Im Fahrzeug 150 kann ein entsprechender Widerstand vorhanden sein zwischen PP und PE geschaltet sein. Eine zweite Maßnahme ist, die Laderelais 108 zu öffnen (d.h. die Relaiskontakte der Laderelais 108 sind getrennt), so dass der Prüfbereich 111, der auf Kurzschluss überprüft wird, zur Ladestation 100 hin definiert begrenzt ist, da jede der Ladeleiter 114 und 116 galvanisch getrennt ist. Bei einer Kombination der ersten Maßnahme und der zweiten Maßnahme ist der Prüfbereich jedes der Ladeleiter 114 und 116 beidseitig begrenzt durch die jeweilige galvanische Trennung, womit genau dieser Prüfbereich 111 bis zur galvanischen Trennung überwacht ist.
Eine Alternative zum Öffnen des oder der Laderelais 108 ist, den Prüfbereich 111 (beispielsweise zur Ladestation 100 hin) festzulegen bzw. zu begrenzen, indem Filterelemente 109 (beispielsweise ein Tiefpass) ausgangsseitig des oder der Laderelais 108 an jedem der Ladeleiter 114 und 116 geschaltet oder angeordnet sind.
Beispielsweise können die Filterelemente Tiefpass-Filterelemente 109 sein. Die Tiefpass-Filterelemente 109 können Ferrite umfassen. In 3 sind die Filterelemente 109 als Ringkerne oder als Klappferrite ausgeführt, die beispielsweise jeweils um die Ladeleiter 114 und 116 gelegt sind.
Die Tiefpass-Filterelemente 109 können für den Ladestrom (beispielsweise einen DC-Ladestrom oder einen niederfrequenten AC-Ladestrom) sehr niederimpedant sein. Die Frequenz oder die Frequenzen bzw. das Frequenzspektrum des Prüfsignals als Kontaktüberwachungssignal sind so ausgelegt, dass die Tiefpass-Filterelemente 109 hochimpedant sind für das Prüfsignal. Beispielsweise kann dadurch jegliche Beschaltung, die aus Sicht des Ladekabels 110 hinter den Filterelementen 109 (beispielsweise in der Ladestation 100) angeordnet ist, ohne Einfluss auf das Prüfsignal sein.
Mit anderen Worten, wenn in 3 links neben den Filterelementen 109 (beispielsweise Ferriten) ein Kurzschluss besteht, ist dieser beim Bestimmen mittels der Auswerteeinheit 204 ausgeschlossen (ist also von der Kurzschlussdetektion explizit nicht erfasst). Das Bestimmen, ob ein Kontakt besteht, bezieht sich nur auf einen Kontakt im Prüfbereich 111 zwischen den Filterelementen 109 und dem unverbundenen oder nicht gesteckten Ladestecker 112. Genau dieses Verhalten kann gewünscht sein, damit definierte Verhältnisse wirken und nicht eine beliebige Verschaltung innerhalb der Ladestation 100 die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung 200 (d.h. der Kurzschlussüberwachung) beeinträchtigen kann.
Des Weiteren kann es sinnvoll sein, die Kurzschlussüberwachung nur im exponierten Bereich außerhalb der Ladestation 100 durchzuführen. So können die Filterelemente 109 beispielsweise möglichst nah an einen Anschlussbereich des Ladekabels 110 innerhalb der Ladestation 100 platziert sein.
Die Filterelemente 109, die z.B. aus magnetischem Material bestehen können, können je nach Dimensionierung bei großen Ladeströmen in Sättigung gehen und damit temporär ihre Filterwirkung verlieren. Deshalb ist die Steuereinheit 102 vorzugsweise dazu ausgebildet, die Kurzschlussüberwachung mittels Signalgenerator 202 und Auswerteinheit 204 dann durchzuführen oder zu initiieren, wenn kein Ladestrom oder kein großer Ladestrom fließt und die Filterelemente 109 nicht oder nicht stark belastet werden.
Ein während des Ladevorgangs auftretender Kurzschluss kann oder sollte durch andere Vorrichtungen als die Vorrichtung 200 (beispielsweise Sicherungen) möglichst schnell getrennt werden, damit durch den Kurzschluss beim Laden keine verheerenden Auswirkungen erfolgen können. Für diesen Anwendungsfall (d.h. eine Kurzschlussdetektion und Sicherheitsabschaltung während des Ladevorgangs) kann die Vorrichtung 200 optional einsetzbar sein.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 200 zum Überwachen eines Kontakts 212 zwischen mindestens zwei Ladeleitern 114 und 116 zum Laden eines Elektrofahrzeugs 150. Das vierte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung des ersten, zweiten und/oder dritten Ausführungsbeispiels realisiert sein. Merkmale, die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, können äquivalent sein, austauschbar sein oder übereinstimmen.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 200 (d.h. die Überwachungsvorrichtung) in der Ladestation 100 implementiert oder untergebracht (vorzugsweise wie im zweiten Ausführungsbeispiel). Die Vorrichtung 200 umfasst insgesamt vier oder mindestens vier Filterelemente 109. Beispielsweise ist an jedem Ladeleiter 114 und 116 jeweils ein Filterelement 109 zur Begrenzung gegenüber der Ladestation 100 (beispielsweise an dem oder den Laderelais 108) und zur Begrenzung gegenüber dem EV 150 (beispielsweise im Ladestecker 112) angeordnet.
Beim vierten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 200 bestimmen, ob ein Kontakt besteht (d.h. es können definierte Zustände für den zu überwachenden Prüfbereich 111 bestimmbar sein), auch wenn der Ladestecker 112 in das Fahrzeug 150 (d.h. in die Ladebuchse 154) gesteckt ist. Optional können die Filterelemente 109 zur Begrenzung gegenüber dem EV 150, oder weitere Filterelemente 109, im EV 150 angeordnet sein.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Filterelementes 109. Die Ausführungsform des Filterelementes 109 kann in jedem hierin offenbarten Ausführungsbeispiel eingesetzt sein, vorzugsweise als Tiefpass, Hochpass, Bandpass oder Bandsperre.
Das Filterelement 109 umfasst eine Induktivität 502, eine Kapazität 504 und einen Dämpfungswiderstand 506. Das Filterelement 109 kann in die Ladeleiter 114 und/oder 116 geschaltet sein. Für die niedrigen Frequenzen des Ladestroms wirkt die Induktivität niederimpedant, so dass (beispielsweise nahezu) der gesamte Ladestrom durch die Induktivität 502 fließt. Hierbei muss der mögliche Verlustwiderstand der Induktivität so geringgehalten werden, dass sich keine signifikanten Verluste und damit Erwärmungen während des Ladevorgangs ergeben. Entweder kann die Induktivität 502 eine Spule umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine Leitungsinduktivität eines Leitungssegments des Ladeleiters 114 bzw. 116 als Induktivität verwendet werden.
Die Kapazität 504 und der Dämpfungswiderstand 506 können so gewählt sein, dass sich bei der Frequenz des Prüfsignals (d.h. des Kurzschlussüberwachungssignals) eine Bandsperre ergibt, d.h. die Gesamtimpedanz des Filterelements 109 ist für das Prüfsignal groß (beispielsweise im Vergleich zur Impedanz für den Ladestrom). Somit kann die Begrenzung (d.h. eine Sperre) des Prüfsignals und damit ein definierter Prüfbereich 111 (auch: Überwachungsbereich) realisierbar sein.
Das Filterelement kann beispielsweise einen Parallelschwingkreis umfassen, dessen Resonanzfrequenz die Frequenz (auch: Arbeitsfrequenz bzw. Frequenzspektrum) des Prüfsignals ist.
Während Ferrite und/oder Parallelschwingkreise vorteilhafte (beispielsweise kompakte, zuverlässige und/oder präzise abstimmbare) Ausführungsformen der Filterelemente 109 sind, bestehen weitere Möglichkeiten zur Realisierung der Filterelemente 109.
Wie anhand vorstehender exemplarischer Ausführungsbeispiele ersichtlich wurde, können zumindest einzelne Ausführungsbeispiele Sicherheitsüberwachungen realisieren, z.B. das Bestimmen, ob ein Kontakt zwischen Ladeleitern 114 und 116 besteht (d.h. die Detektion eines Kurzschlusses), beispielsweise in dem Ladekabel 110 bevor der Ladevorgang freigegeben wird. So können mögliche Kurzschlüsse (z.B. durch Vandalismus, beispielsweise schiebt jemand einen leitenden Gegenstand wie eine Büroklammer in die Kontakte des Ladesteckers 112) unmittelbar nach dem Auftreten des Kurzschlusses bestimmt werden, und vorzugsweise an die Steuereinheit 102 gemeldet werden.
Die Überwachung erfolgt mit niedrigen Spannungen, die nicht berührgefährlich sind, so dass selbst bei einem bewusst herbeigeführten Kurzschluss keine Gefahr besteht, da die eigentliche Ladespannung an den externen zugänglichen Kontakten noch nicht anliegt. Durch die optionale galvanische Trennung des Kopplungselementes 206 kann weiterhin die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: Ladestation
101: Stromanschluss der Ladestation
102: Steuereinheit
103: Signalleiter, beispielsweise PP oder CP, oder Versorgungsleiter
104: Modem der Steuereinheit
106: Ladestromquelle, vorzugsweise Leistungsumsetzungseinheit
107: Hauptrelais
108: Laderelais
109: Filterelemente
110: Ladekabel
111: Prüfbereich
112: Ladestecker des Ladekabels
113: Weitere Komponenten im Ladestecker
114: Erster Ladeleiter, beispielsweise Pluspol
116: Zweiter Ladeleiter, beispielsweise Minuspol
118: Schutzleiter
150: Elektrofahrzeug (EV)
152: Fahrzeugsteuereinheit des EVs
154: Ladebuchse des EVs
156: Leistungsnetz oder Traktionsenergiespeicher des EVs
158: Fahrzeugmodem des EVs
200: Vorrichtung zur Überwachung eines Kontakts
201: Schnittstelle zur Steuereinheit der Ladestation
202: Signalgenerator
204: Auswerteeinheit
205: Kontaktüberwachungsschaltung
206: Kopplungselement
208: Eingang des Kopplungselements
210: Ausgang des Kopplungselements
212: Kontakt oder Kurzschluss zwischen Ladeleitern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010042750 A1 [0002]
DE 102015107161 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (200) zur Überwachung eines Kontakts zwischen Ladeleitern (114, 116) einer Ladestation (200) zum Laden eines Elektrofahrzeugs (150), umfassend: einen Signalgenerator (202), der dazu ausgebildet ist, ein alternierendes Prüfsignal an den Ladeleitern (114, 116) auszugeben; und eine Auswerteeinheit (204), die dazu ausgebildet ist, auf Grundlage des Prüfsignals zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern (114, 116) ein elektrisch leitender Kontakt besteht.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei das Prüfsignal ein Spannungssignal ist, vorzugsweise eine zwischen den Ladeleitern (114, 116) induzierte elektrische Spannung und/oder eine Spannung größer als 10 mV, 3 V oder 12 V und/oder kleiner als 100 mV, 24 V oder 50 V.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Prüfsignal aperiodisch oder periodisch ist, vorzugsweise wobei eine Frequenz des Prüfsignals kleiner als 100 MHz oder 10 MHz und/oder größer als 1 kHz oder 10 kHz ist, und/oder wobei eine Wellenlänge des Prüfsignals auf den Ladeleitern (114, 116) größer ist als eine Länge der Ladeleiter (114, 116).
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Signalgenerator (202) eine Oszillatorschaltung umfasst.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner ein zwischen dem Signalgenerator (202) und den Ladeleitern (114, 116) geschaltenes Kopplungselement (206) umfassend, das dazu ausgebildet ist, das Prüfsignal des Signalgenerators (202) an den Ladeleitern (114, 116) auszugeben, wobei das Kopplungselement (206) die Ladeleiter (114, 116) voneinander galvanisch trennt und/oder die Ladeleiter (114, 116) vom Signalgenerator (114, 116) galvanisch trennt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 5, wobei das Kopplungselement (206) den Signalgenerator (202) mit den Ladeleitern (114, 116) kapazitiv und/oder induktiv koppelt zum Ausgegeben des Prüfsignals des Signalgenerators (202) an den Ladeleitern (114, 116), und/oder wobei das Kopplungselement (206) eine Impedanz-Schaltung und/oder einen Transformator und/oder Übertragerumfasst.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung (200) eine Steuereinheit (102) oder eine mit der Steuereinheit (102) verbundene oder verbindbare Steuerschnittstelle (201) umfasst, wobei die Auswerteeinheit (204) ferner dazu ausgebildet ist, an die Steuereinheit (102) oder an der Steuerschnittstelle (201) zu signalisieren, ob zwischen den Ladeleitern (114, 116) der elektrisch leitendende Kontakt besteht.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (102) dazu ausgebildet ist, bei Bestehen des Kontakts, einen Fehlerzustand auszugeben und/oder einen Ladestrom durch die Ladeleiter (114, 116) zu unterbrechen und/oder die Ladeleiter (114, 116) spannungsfrei zu schalten.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuereinheit (102) dazu ausgebildet ist, die Ladeleiter (114, 116) von einer Ladestromquelle (106) elektrisch zu trennen vor dem Ausgeben des Prüfsignals und/oder dem Bestimmen, ob ein Kontakt zwischen den Ladeleitern (114, 116) besteht; und/oder die Ladeleiter (114, 116) mit der Ladestromquelle (106) elektrisch zu verbinden, falls kein Kontakt besteht.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 9, wobei die Ladestromquelle (106) eine Leistungsumsetzungseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe der Steuereinheit (102), einen Ladestrom und/oder eine Ladespannung an den Ladeleitern (114, 116) auszugeben, wobei ein Hauptrelais (107) die Ladestromquelle (106) und einen Stromanschluss (101) nach Maßgabe der Steuereinheit (102) wahlweise elektrisch trennt und verbindet in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Hauptrelais (107); und/oder wobei ein Laderelais (108) die Ladestromquelle (106) und jeweils jeden der Ladeleiter (114, 116) nach Maßgabe der Steuereinheit (102) wahlweise elektrisch trennt und verbindet in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Laderelais (108).
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Prüfbereich (111) zur Überwachung des Kontakts (212) zwischen den Ladeleitern (114, 116) mittels elektrischer Trennung, vorzugsweise des geöffneten Zustands des Laderelais (106), und/oder mindesten einem frequenzselektiven Filterelement (109) begrenzt ist.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 11, wobei das mindestens eine frequenzselektive Filterelement (109) jeweils an jedem der Ladeleiter (114, 116) oder gemeinsam an den Ladeleitern (114, 116) ausgangsseitig der Ladestation (100), vorzugweise ausgangsseitig des Laderelais (108), und/oder im Ladestecker (112) angeordnet oder zwischengeschaltet ist.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das mindestens eine frequenzselektive Filterelemente (109) die Ladeleiter (114, 116) jeweils oder gemeinsam mit Ferriten ummantelt und/oder einen Parallelschwingkreis (502, 504) mit Dämpfungswiderstand (506) und/oder frequenzselektive Anordnungen von Induktivitäten und/oder Kapazitäten mit Dämpfungswiderständen umfassen.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Steuereinheit (102) dazu ausgebildet ist, bei Bestehen des Kontakts, einen Fehlerzustand des Ladekabels (110) oder des Ladesteckers (112) auszugeben bevor ein Signalleiter (103) des Ladekabels (110) oder des Ladesteckers (112) eine Verbindung zwischen der Ladestation (100) und dem Elektrofahrzeug (150) signalisiert und/oder einen Fehlerzustand des Elektrofahrzeugs (150) auszugeben nachdem ein Signalleiter (103) des Ladekabels (110) oder des Ladesteckers (112) eine Verbindung zwischen der Ladestation (100) und dem Elektrofahrzeug (150) signalisiert.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Auswerteeinheit (204) dazu ausgebildet ist, eine vom Prüfsignal zwischen den Ladeleitern (114, 116) aufgebaute Spannung und/oder einen vom Prüfsignal in den Ladeleitern (114, 116) getriebenen Strom zu erfassen und aufgrund der Spannung und/oder des Stroms eine Impedanz zwischen den Ladeleitern (114, 116) zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (204) das Bestehen des Kontakts zwischen den Ladeleitern (114, 116) bestimmt, falls die Impedanz, vorzugsweise ein Betrag der Impedanz oder ein Wirkanteil der Impedanz, kleiner oder größer als ein Schwellwert der Impedanz ist.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Auswerteeinheit (204) dazu ausgebildet ist, eine Dämpfung des Prüfsignals zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit (204) das Bestehen des Kontakts zwischen den Ladeleitern (114, 116) bestimmt, falls die Dämpfung größer oder kleiner als ein Schwellwert der Dämpfung ist.
Ladestation (100) zum Laden eines Elektrofahrzeugs (150), umfassend: eine Ladestromquelle (106); ein Laderelais (108), das dazu ausgebildet ist, die Ladestromquelle (106) und Ladeleiter (114, 116) eines Ladekabels (110) zum Laden eines Elektrofahrzeugs (150) wahlweise elektrisch zu trennen und zu verbinden in einem geöffneten beziehungsweise geschlossenen Zustand des Laderelais (108); eine Vorrichtung (200) zur Überwachung eines Kontakts zwischen den Ladeleitern (114, 116) der Ladestation (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16; und eine Steuereinheit (102), die dazu ausgebildet ist, im geöffneten Zustand des Laderelais (108) mittels des Signalgenerators (202) der Vorrichtung (200) das Prüfsignal an den Ladeleitern (114, 116) auszugeben und mittels der Auswerteeinheit (204) auf Grundlage des Prüfsignals zu bestimmen, ob zwischen den Ladeleitern (114, 116) ein elektrisch leitender Kontakt besteht, wobei die Steuereinheit (102) ferner dazu ausgebildet ist, bei Bestehen des Kontakts einen Fehlerzustand auszugeben und/oder bei Bestehen keines Kontakts das Laderelais zum Laden des Elektrofahrzeugs (150) zu schließen.
Ladestecker (112) zum Laden eines Elektrofahrzeugs (150), umfassend: Ladeleiter (114, 116), die über ein Ladekabel (110) mit einer Ladestromquelle (106) einer Ladestation (200) wahlweise elektrisch verbunden sind; und eine Vorrichtung (200) zur Überwachung eines Kontakts zwischen den Ladeleitern (114, 116) der Ladestation (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.