DE102020121726A1

DE102020121726A1 - Elektrofahrzeug-Ladesäule

Info

Publication number: DE102020121726A1
Application number: DE102020121726.9A
Authority: DE
Inventors: Raoul Heyne; Timo Massierer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) zum Aufladen einer Traktionsbatterie (60) eines Elektrofahrzeugs (16) über eine fahrzeugseitige Ladebuchse (50), das einen elektrischen Traktionsmotor (62) aufweist. Der Ladesäule (12) ist ein Ladestecker (14) zum Zusammenstecken mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse (50) zugeordnet, der mehrere Ladestrom-Steckerkontakte (44,45) und mindestens einen Pilotsignal-Steckerkontakt (41,42) aufweist, der mit einem korrespondierenden Pilotsignal-Buchsenkontakt (51,52) korrespondiert und dessen Niederspannungs-Pegel (UCP, UPP) von dem Konnektierungs-Zustand von Ladestecker (14) und Ladebuchse (50) abhängig ist, wobei die Ladesäule (12) eine Abrechnungseinheit (20) aufweist, die mit einer Ladeleistungs-Erfassung (26) einerseits und einer Abrechnungs-Schnittstelle (32) andererseits verbunden ist, und Ladeinformationen der Abrechnungseinheit (20) an die Abrechnungs-Schnittstelle (32) sendet.Die Abrechnungseinheit (20) weist ein Konnektierungs-Detektionsmodul (21) auf, das elektrisch mit mindestens einem Pilotsignal-Steckerkontakt (41,42) verbunden ist und das den betreffenden Niederspannungs-Pegel (UCP, UPP) im Hinblick auf den Stecker-Konnektierungs-Zustand auswertet, hieraus einen Konnektierungs-Zeitwert (TC) ermittelt, und den Konnektierungs- Zeitwert (TC) an die Abrechnungs-Schnittstelle (32) sendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrofahrzeug-Ladesäule zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über eine fahrzeugseitige Ladebuchse.
Unter einer Ladesäule ist vorliegend jede Form einer elektrischen Ladeeinrichtung zu verstehen, mit der die Traktionsbatterie eines über ein Ladekabel angeschlossenen Elektrofahrzeugs aufgeladen werden kann. Die Ladesäule muss daher nicht notwendigerweise eine säulenförmige Form aufweisen, sondern kann grundsätzlich jede beliebige Form einnehmen. Die Ladesäule kann Teil eines Ladeparks mit einer zentralen elektrischen Energieversorgung sein, kann jedoch auch selbst alle erforderlichen elektrischen Komponenten aufweisen.
Zwar werden für Ladesäulen immer höhere Ladeleistungen angestrebt und realisiert, um möglichst kurze Ladezyklen zu ermöglichen, die wiederum hohe Umsätze der Ladesäulen möglich machen. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass die hohen möglichen elektrischen Ladeleistungen häufig nicht abgerufen werden, um den Ladesäulen-Parkplatz viel länger nutzen zu können als eine Schnellladung mit hoher Ladeleistung dauern würde. Dies geht teilweise sogar so weit, dass zwar der Ladesäulen-seitige Ladestecker in die fahrzeugseitige Ladebuchse eingesteckt wird, um den Anschein einer Ladeaktivität zu erwecken, jedoch überhaupt keine Ladeleistung abgerufen wird. Auf die Kosten für den Fahrzeugführer des Elektrofahrzeugs wirkt sich dieses Verhalten in der Regel nicht aus, da lediglich die elektrische Ladeenergie-Menge mit dem Fahrzeugführer abgerechnet wird. Es wird gelegentlich auch die Parkdauer in die Abrechnung mit einbezogen. Allerdings ergibt sich diese bei den Ladesäulen nach dem Stand der Technik aus den Eingaben des Fahrzeugführers in die Ladesäule. Meldet der Fahrzeugführer also den Ladevorgang erst lange nach der Konnektierung des Ladesteckers mit der Ladebuchse an bzw. lange vor der Dekonnektierung wieder ab, wird die Ladesäule über gegebenenfalls relativ lange Zeiträume nicht nur nicht zum Aufladen genutzt und blockiert, sondern es wird andererseits die nicht zum Aufladen genutzte reine Parkzeit nicht abgerechnet.
Aufgabe der Erfindung vor diesem Hintergrund ist es, die Manipulationsmöglichkeiten an einer Elektrofahrzeug-Ladesäule in Bezug auf unproduktive Blockadezeiten zu verringern.
Der erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug-Ladesäule ist ein Ladestecker zum Zusammenstecken mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse zugeordnet, der mehrere Ladestrom-Steckerkontakte und mindestens einen Pilotsignal-Steckerkontakt aufweist, der mit einem korrespondierenden Pilotsignal-Buchsenkontakt der fahrzeugseitigen Ladebuchse physisch und elektrisch korrespondiert. Der Niederspannungs-Pegel des Ladestrom-Steckerkontakts hängt von dem Konnektierungs-Zustand des Ladesteckers und der Ladebuchse ab. Im positiven elektrischen Konnektierungs-Zustand des Ladesteckers und der Ladebuchse ist der Niederspannungs-Pegel an dem Pilotsignal-Steckerkontakt ein anderer als im Nicht-Konnektierungs-Zustand.
Unter einem „Stecker“ bzw. einer „Buchse“ ist vorliegend nicht notwendigerweise ein männliches bzw. weibliches Bauteil zu verstehen, sondern soll zum Ausdruck gebracht werden, dass es sich hierbei um zueinander komplementäre Bauteile handelt. Der Ladesäulen-seitige Ladestecker kann also auch buchsenartig und die fahrzeugseitige Ladebuchse steckerartig ausgebildet sein.
Die Ladesäule weist eine Abrechnungseinheit auf, die mit einer Ladeleistungs-Erfassung einerseits und mit einer Abrechnungs-Schnittstelle andererseits über Datenverbindungen verbunden ist. Die Abrechnungseinheit sendet elektrische Ladeinformationen der Ladeleistungs-Erfassung an die Abrechnungs-Schnittstelle, die vom Betreiber der Ladesäule zur Erfassung von abrechnungsrelevanten Informationen genutzt wird. Die Abrechnungs-Schnittstelle kann eine Hardware-Schnittstelle sein, kann jedoch auch eine drahtlose Schnittstelle sein. Die Ladeinformationen geben im Wesentlichen die Energiemenge an, die von der Ladesäule an das Elektrofahrzeug bzw. seine Traktionsbatterie geliefert wurde.
Die Abrechnungseinheit weist ferner ein Konnektierungs-Detektionsmodul auf, das elektrisch mit mindestens einem Pilotsignal-Steckerkontakt verbunden ist, und das den betreffenden Niederspannungs-Pegel in Hinblick auf den Stecker-Konnektierungs-Zustand auswertet. Das Ergebnis dieser Auswertung ist ein Konnektierungs-Zeitwert, der durch das Konnektierungs-Detektionsmodul bzw. durch die Abrechnungseinheit an die Abrechnungs-Schnittstelle gesendet wird. Auf diese Weise wird der Betreiber der Elektrofahrzeug-Ladesäule in die Lage versetzt, die tatsächliche Konnektierungs-Zeitspanne, in der der Ladestecker mit der Ladebuchse mechanisch verbunden ist bzw. war, automatisch und mit rechtlich ausreichender Genauigkeit und Sicherheit zu detektieren. Auf diese Weise kann der Betreiber der Ladesäule neben der übertragenen Energiemenge auch die Konnektierungs-Zeitspanne in die Abrechnung mit dem Fahrzeugführer einfließen zu lassen. Der Betreiber kann auf diese Weise die Parkdauer in die Abrechnung mit dem Fahrzeugführer mit einfließen lassen, und kann beispielsweise zum Laden ungenutzte reine Parkzeiten an der betreffenden Ladesäule verhältnismäßig teuer in Rechnung stellen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der von dem Konnektierungs-Detektionsmodul überwachte Pilotsignal-Steckerkontakt einer Datenübertragungsleitung zugeordnet ist, deren Niederspannungs-Pegel den Stecker-Konnektierungs-Zustand indiziert. Hierbei kann es sich um den sogenannten „Control Pilot“-Steckerkontakt bzw. die betreffende Datenübertragungsleitung handeln. Auf dem Control-Pilot-Steckerkontakt liegt bei Nicht-Konnektierung ein Niederspannungs-Pegel von 12 Van. Bei einer elektrischen bzw. mechanischen Konnektierung des Ladesteckers mit der Ladebuchse fällt der Niederspannungs-Pegel auf 9 V, 6 V oder 3 V. Durch die Auswertung des Niederspannungs-Pegels des Pilotsignal-Steckerkontakts bzw. der Datenübertragungsleitung kann also auf einfache Weise die elektrische bzw. mechanische Konnektierung des Ladesteckers mit der Ladebuchse detektiert werden.
Alternativ oder ergänzend kann der von dem Konnektierungs-Detektionsmodul überwachte Pilotsignal-Steckerkontakt einer widerstandskodierten Statusmeldeleitung zugeordnet sein, deren Niederspannungs-Pegel den Steckerkonnektierungs-Zustand indiziert. Hierbei kann es sich um den sogenannten „Proximity Pilot“-Steckerkontakt bzw. die hiermit verbundene Statusmeldeleitung handeln, die über einen definierten elektrischen Widerstand gegenüber der elektrischen Masse die maximal zulässige Ladeleistung indiziert. Im Nicht-Konnektierungs-Zustand ist der Niederspannungs-Pegel an dem betreffenden Pilotsignal-Steckerkontakt 0 V, wohingegen der Niederspannungs-Pegel im Konnektierungs-Zustand von Ladebuchse und Ladestecker ca. 5 V beträgt.
Sowohl bei der Überwachung der Datenübertragungsleitung als auch bei der Überwachung der Statusmeldeleitung reicht also eine einfache und relativ grobe Spannungsmessung aus, den Ladestecker-Konnektierungs-Zustand mit hoher Zuverlässigkeit festzustellen.
Vorzugsweise ist das Konnektierungs-Detektionsmodul sowohl mit der Datenübertragungsleitung als auch mit der Statusmeldeleitung verbunden. Ein Konnektierungs-Zeitwert wird nur für die Zeiträume festgestellt und gemeldet, in denen der Spannungs-Pegel sowohl der Datenübertragungsleitung als auch der Statusmeldeleitung eine Stecker-Konnektierung positiv indiziert. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit und Redundanz der Detektion der Stecker-Konnektierung erheblich verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Ladesäule eine Konnektierungs-Anzeige auf, die die Stecker-Konnektierung optisch anzeigt. Auf diese Weise kann durch Ordnungskräfte ohne einen weiteren Eingriff und auf einfache Weise festgestellt werden, wenn die Ladebuchse und der Ladestecker nur scheinbar zusammengesteckt sind, jedoch überhaupt keinen elektrischen Kontakt miteinander haben.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt schematisch eine Ladeanordnung bestehend aus einer Elektrofahrzeug-Ladesäule und einem Elektrofahrzeug, das eine Traktionsbatterie und einen elektrischen Traktionsmotor aufweist.
In der Figur ist schematisch eine Ladeanordnung 10 dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Elektrofahrzeug- Ladesäule 12 und einem Elektrofahrzeug 16 gebildet ist.
Das Elektrofahrzeug 16 weist eine elektrische Traktionsbatterie 60 und einen elektrischen Traktionsmotor 62 auf, der von der Traktionsbatterie 60 mit elektrischer Energie gespeist wird. Ferner weist das Elektrofahrzeug 16 eine elektronische Fahrzeugsteuerung 68 auf, die mit der Traktionsbatterie 60, dem Traktionsmotor 62, einem Datenübertragungs-Modul 64 sowie einem Statusmelde-Modul 66 jeweils über eine Datenverbindung, beispielsweise über entsprechende Leitungen oder drahtlos verbunden ist. Schließlich weist das Elektrofahrzeug 16 eine von außen zugängliche Ladebuchse 50 auf, die zwei Ladestrom-Buchsenkontakte 54,55, und zwei elektrisch voneinander verschiedene Pilotsignal-Buchsenkontakte 51,52 aufweist. Der eine Pilotsignal-Buchsenkontakt 51 ist elektrisch mit dem Datenübertragungs-Modul 64 und der andere Pilotsignal-Buchsenkontakt 52 ist elektrisch mit dem Statusmelde-Modul 66 des Elektrofahrzeugs 16 verbunden.
Die Ladesäule 12 weist eine Ladekontrolleinheit 22 auf, die den gesamten Ladevorgang überwacht, während dessen über zwei Ladestrom-Leitungen L1, L2 elektrische Ladeenergie zu beziehungsweise von zwei Ladestrom-Steckerkontakten 44,45 eines Ladesäulen-seitigen Ladesteckers 14 geleitet wird. Wenn der Ladestecker 14 mit der Ladebuchse 50 mechanisch und elektrisch konnektiert ist und ein Ladevorgang initiiert wurde, fließt der Ladestrom über die Ladestrom-Buchsenkontakte 54,55 zu der Traktionsbatterie 60 beziehungsweise zurück.
Der Ladestecker 14 weist zwei Pilotsignal-Steckerkontakte 41,42 auf, die mit den Pilotsignal-Buchsenkontakten 51,52 mechanisch korrespondieren, also komplementär zueinander ausgebildet sind. Die beiden Pilotsignal-Steckerkontakte 41,42 sind über eine Datenübertragungsleitung CP bzw. eine widerstandscodierte Statusmeldeleitung PP mit einem Datenübertragungs-Modul 28 sowie einem Statusmelde-Modul 30 verbunden, wobei die beiden letztgenannten Module 28,30 innerhalb des Gehäuses der Ladesäule 12 angeordnet sind. Die Datenübertragungsleitung CP und die Statusmeldeleitung PP sind jeweils Niederspannungs-Leitungen, auf denen jeweils ein Niederspannungs-Pegel UCP bzw. UPP eingestellt ist, um über den konkreten Spannungspegel Informationen zwischen der Ladesäule 12 und dem Elektrofahrzeug 16 auszutauschen.
Der Niederspannungs-Pegel UCP auf der Datenübertragungsleitung CP bzw. auf dem korrespondierenden Pilotsignal-Steckerkontakt 41 beträgt im Nicht-Konnektierungs-Zustand des Ladesteckers 14 ca. 12 V, und beträgt im Konnektierungs-Zustand des Ladesteckers 14, in dem der Ladestecker 14 elektrisch und mechanisch mit der Ladebuchse 50 konnektiert ist, ca. 9 V, 6 V oder 3 V. Der Niederspannungs-Pegel UPP an dem Pilotsignal-Steckerkontakt bzw. der Statusmeldeleitung PP beträgt im Nicht-Konnektierungs-Zustand 0 V und beträgt im Konnektierungs-Zustand ca. 5 V.
Im Verlauf der beiden Ladestrom-Leitungen L1, L2 innerhalb des Gehäuses der Ladesäule 12 ist eine elektrische Ladeleistungs-Erfassung 26 angeordnet, die über einen elektrischen Shunt-Widerstand und einen Spannungsabgriff zwischen den beiden Ladestrom-Leitungen L1, L2 ständig elektrische Spannungswerte und elektrische Stromwerte bestimmt und entsprechende Signale an eine Abrechnungseinheit 20 sendet. Die Abrechnungseinheit 20 ist mit einer Abrechnungs-Schnittstelle 32 der Ladesäule 12 verbunden. Über die Abrechnungs-Schnittstelle 32 kann der Betreiber der Ladesäule 12 Verbrauchsdaten auslesen, um mit dem Fahrzeugführer bzw. Fahrzeughalter des Elektrofahrzeugs 16 die Ladeenergie-Menge und die Parkzeit des Elektrofahrzeugs an der Ladesäule 12 abrechnen zu können.
Die Abrechnungseinheit 20 weist ein Konnektierungs-Detektionsmodul 21 auf, das über entsprechende elektrische Abgreif-Leitungen den Niederspannungs-Pegel UPC, UPP der Datenübertragungsleitung CP bzw. des dieser elektrisch zugeordneten Pilotsignal-Steckerkontakts 41 und der Statusmeldeleitung PP bzw. des dieser elektrisch zugeordneten Pilotsignal-Steckerkontakts 42 detektiert. Falls die beiden detektierten Niederspannungs-Pegel UCP und UPP gleichzeitig einen Konnektierungs-Zustand des Ladesteckers 14 signalisieren, wird der Konnektierungs-Zustand zeitlich registriert und erfasst. Sobald der Ladestecker 14 nach einer Konnektierung nicht mehr konnektiert ist, wird ein akkumulierter Konnektierungs-Zeitwert TC errechnet und an die Abrechnungs-Schnittstelle 32 ausgegeben.
Diese Methode kann alternativ auch mit einer einzigen Datenübertragungsleitung, zum Beispiel CP durchgeführt werden, zumal die Statusmeldeleitung PP nicht bei allen Ladestandards eingesetzt wird. Der Pilotsignal-Steckerkontakt steht dabei stellvertretend für einen Daten-Steckerkontakt, der in anderen Ladestandards andere Namen haben kann.
Die Ladesäule 12 weist eine optische Konnektierungs-Anzeige 24 auf, die stets in Echtzeit den Status der Stecker-Konnektierung optisch anzeigt.

Claims

Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) zum Aufladen einer Traktionsbatterie (60) eines Elektrofahrzeugs (16) über eine fahrzeugseitige Ladebuchse (50), wobei der Ladesäule (12) ein Ladestecker (14) zum Zusammenstecken mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse (50) zugeordnet ist, der mehrere Ladestrom-Steckerkontakte (44,45) und mindestens einen Pilotsignal-Steckerkontakt (41,42) aufweist, der mit einem korrespondierenden Pilotsignal-Buchsenkontakt (51,52) der Ladebuchse (50) korrespondiert und dessen Niederspannungs-Pegel (UCP, UPP) von dem Konnektierungs-Zustand von Ladestecker (14) und Ladebuchse (50) abhängig ist, wobei die Ladesäule (12) eine Abrechnungseinheit (20) aufweist, die mit einer Ladeleistungs-Erfassung (26) einerseits und einer Abrechnungs-Schnittstelle (32) andererseits verbunden ist und Ladeinformationen der Abrechnungseinheit (20) an die Abrechnungs-Schnittstelle (32) sendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrechnungseinheit (20) ein Konnektierungs-Detektionsmodul (21) aufweist, das elektrisch mit mindestens einem Pilotsignal-Steckerkontakt (41,42) verbunden ist und das den betreffenden Niederspannungs-Pegel (UCP, UPP) im Hinblick auf den Stecker-Konnektierungs-Zustand auswertet, hieraus einen Konnektierungs-Zeitwert (TC) ermittelt, und den Konnektierungs- Zeitwert (TC) an die Abrechnungs-Schnittstelle (32) sendet.
Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) nach Anspruch 1, wobei der von dem Konnektierungs-Detektionsmodul (21) überwachte Pilotsignal-Steckerkontakt (41) einer Datenübertragungsleitung (CP) zugeordnet ist, deren Niederspannungs-Pegel (UCP) den Stecker-Konnektierungs-Zustand indiziert.
Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) nach Anspruch 1, wobei der von dem Konnektierungs-Detektionsmodul (21) überwachte Pilotsignal-Steckerkontakt (42) einer widerstandskodierten Statusmeldeleitung (PP) zugeordnet ist, deren Niederspannungs-Pegel (UPP) den Steckerkonnektierungs-Zustand indiziert.
Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) nach Anspruch 2 und 3, wobei das Konnektierungs-Detektionsmodul (21) sowohl mit der Datenübertragungsleitung (CP) als auch mit der Statusmeldeleitung (PP) verbunden ist, und ein Konnektierungs-Zeitwert (TC) nur für die Zeiträume ermittelt, in denen der Niederspannungs-Pegel (UCP, UPP) sowohl der Datenübertragungsleitung (CP) als auch der Statusmeldeleitung (PP) eine Stecker-Konnektierung indiziert.
Elektrofahrzeug-Ladesäule (12) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Konnektierungs-Anzeige (24) vorgesehen ist, die die Stecker-Konnektierung optisch anzeigt.