DE102021111481A1

DE102021111481A1 - Bodenkontakteinheit

Info

Publication number: DE102021111481A1
Application number: DE102021111481.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Hofer; Martin Zaversky; Andreas Sulzenbacher
Original assignee: Ease Link GmbH
Current assignee: Ease Link GmbH
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-10
Also published as: KR20240004545A; WO2022233881A1; US20240217355A1; EP4334158A1; CN117460640A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bodenkontakteinheit (10) für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung mit einer Fahrzeugkontakteinheit. Die Bodenkontakteinheit (10) weist einen plattenförmigen Grundkörper (12), wenigstens eine Potenziallage (18) sowie mehrere Kontaktbereiche (16) auf, die auf einer freiliegenden Ladefläche (14) des Grundkörpers (12), an der die Fahrzeugkontakteinheit zur Anlage kommen kann, angeordnet und der wenigstens einen Potenziallage (18) zugeordnet sind. Zumindest eine Schutzbaugruppe (20) ist den Kontaktbereichen (16) der wenigstens einen Potenziallage (18) zugeordnet. Die zumindest eine Schutzbaugruppe (20) weist eine im Strompfad (26) vorgesehene Strommesseinheit (22) zur Strommessung und einen im Strompfad (26) angeordneten Schalter (24) auf, der unter anderem in Abhängigkeit des Ergebnisses der Strommesseinheit (22) gesteuert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung einer Fahrzeugkontakteinheit.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen und reinen Elektrofahrzeugen, müssen die Batterien der Fahrzeuge regelmäßig aufgeladen werden, bevorzugt nach jeder Fahrt. Hierzu wird das Fahrzeug mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden, wobei üblicherweise ein Stecker verwendet wird, beispielsweise ein sogenannter Typ-2-Stecker, der von einer Person manuell in eine entsprechende Buchse am Fahrzeug eingesteckt werden muss.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der WO 2019/052962 A1 , sind zudem Bodenkontakteinheiten für Fahrzeugbatterieladesysteme bekannt, die am Boden vorgesehen sind. Die Bodenkontakteinheiten können mit einer entsprechenden Fahrzeugkontakteinheit, die am zu ladenden Fahrzeug vorgesehen ist, automatisch eine konduktive Verbindung herstellen, um das Fahrzeug zu laden. Die Fahrzeugkontakteinheit kann dabei am Unterboden des Fahrzeugs vorgesehen sein, wobei sie sich nach unten bewegt, um die elektrische Kontaktierung mit der Bodenkontakteinheit herzustellen.
Beispielsweise ist die Bodenkontakteinheit als ein sogenanntes Matrix-Charging-Pad ausgebildet, wie dies in der WO 2019/052962 A1 gezeigt ist. Die Bodenkontakteinheit umfasst hierzu eine Vielzahl von Kontaktbereichen, die matrixartig angeordnet sind, wobei die Kontaktbereiche mittels der Fahrzeugkontakteinheit kontaktiert werden können, um eine elektrische Verbindung zwischen der Bodenkontakteinheit und der Fahrzeugkontakteinheit herzustellen. Je nach Aufsetzpunkt des Konnektors der Fahrzeugkontakteinheit werden die entsprechend belegten Kontaktbereiche der Bodenkontakteinheit zugeschaltet, um die elektrische Verbindung über diese Kontaktbereiche herzustellen.
Typischerweise erfolgt das Zuschalten der belegten Kontaktbereiche mittels separater Relais, die jedem Kontaktbereich der Bodenkontakteinheit zugeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein sogenanntes Matrixrelais, welches die sicherheitsrelevanten Anforderungen bezüglich der Isolationsstrecke unter anderem sicherstellt. Die entsprechend hohe Anzahl an Relais sowie deren Verschaltung führen jedoch zu entsprechend hohen Kosten, insbesondere unter der Voraussetzung, dass die verwendeten Relais zusätzlich im Falle eines auftretenden Kurzschlusses zuverlässig schalten sollen, um den Stromkreis zu unterbrechen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Bodenkontakteinheit, die möglichst kostengünstig die geforderten Voraussetzungen hinsichtlich der Betriebssicherheit erfüllt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung mit einer Fahrzeugkontakteinheit. Die Bodenkontakteinheit weist einen plattenförmigen Grundkörper, wenigstens eine Potenziallage sowie mehrere Kontaktbereiche auf, die auf einer freiliegenden Ladefläche des Grundkörpers, an der die Fahrzeugkontakteinheit zur Anlage kommen kann, angeordnet und der wenigstens einen Potenziallage zugeordnet sind. Zudem ist zumindest eine Schutzbaugruppe den Kontaktbereichen der wenigstens einen Potenziallage zugeordnet, wobei die zumindest eine Schutzbaugruppe eine im Strompfad vorgesehene Strommesseinheit zur Strommessung und einen im Strompfad angeordneten Schalter aufweist, der unter anderem in Abhängigkeit des Ergebnisses der Strommesseinheit gesteuert ist.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die Bodenkontakteinheit zumindest eine Schutzbaugruppe aufweist, die im Strompfad angeordnet ist. Die Schutzbaugruppe umfasst die Strommesseinheit sowie den Schalter, die beide im Strompfad angeordnet sind, sodass der Strom im Strompfad gemessen und in Abhängigkeit des gemessenen Stroms der Schalter geschaltet werden kann, um den Stromkreis gegebenenfalls zu unterbrechen.
Unter einer Potenziallage ist erfindungsgemäß das Potenzial eines Außenleiters, also einer Phase, bzw. das Potenzial eines Neutralleiters gemeint.
Demnach kann die zumindest eine Schutzbaugruppe zumindest einer Phase oder dem Neutralleiter zugeordnet sein.
Neben dem Neutralleiter und dem Außenleiter, also der jeweiligen Phase, kann zudem eine „Erdung“ vorgesehen sein, also ein Schutzleiter.
Insbesondere kann die Bodenkontakteinheit also auch für ein elektrisches Laden mittels Gleichstrom ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann jede Phase, also jeder Außenleiter, sowie der Neutralleiter jeweils eine eigene Schutzbaugruppe aufweisen, also einen entsprechenden in dem jeweiligen Strompfad vorgesehenen Schalter, sowie eine im jeweiligen Strompfad vorgesehene Strommesseinheit, die miteinander zusammenwirken, um eventuell den Strompfad zu unterbrechen.
In einem Dreiphasen-Wechselstromsystem können also die Kontaktbereiche drei als Phasen dienenden Potenziallagen zugeordnet sein, wobei zudem drei oder vier Schutzbaugruppen vorgesehen sind, nämlich für die jeweiligen Außenleiter, also die Phasen, sowie (optional) für den Neutralleiter.
Grundsätzlich kann die Bodenkontakteinheit aber auch für andere Stromsysteme eingesetzt werden, beispielsweise Stromsysteme mit zwei Phasen oder vier Phasen oder eben Gleichstromsystemen.
Typischerweise sind für die Kontaktbereiche, die den Außenleitern, also den Phasen, sowie dem Neutralleiter zugeordnet sind, entsprechende Relais vorgesehen, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten, wenn dies nötig ist. Diese Relais können über die separat ausgebildete Schutzbaugruppe entsprechend vor hohen Stromstärken geschützt werden, da die zugehörigen Ströme rechtzeitig unterbrochen werden.
Die Schutzbaugruppe umfasst die zur Strommessung vorgesehene Strommesseinheit sowie den Schalter. Sobald die Strommesseinheit bei der Strommessung einen Strom detektiert, der auf einen Fehler hindeutet, wird der Stromkreis über den Schalter entsprechend unterbrochen. Mit anderen Worten liegt dann ein Auslösefall der Schutzbaugruppe vor, bei dem die Schutzbaugruppe auslöst. Somit sind die Kontaktbereiche und etwaige Relais geschützt, die den Kontaktbereichen zugeordnet sind, sodass diese beispielsweise einen Kurzschlussstrom bzw. einen Überstrom nicht führen müssen.
Grundsätzlich kann die Bodenkontakteinheit beispielsweise 168 Kontaktbereiche aufweisen, die in einer Matrix angeordnet sind, sodass jeder der Kontaktbereiche einen Matrixkontakt darstellt. In einer Ausführungsform sind 156 schaltbare Kontaktbereiche sowie 122 nicht schaltbare Kontaktbereiche, also PE-Kontaktbereiche, vorgesehen. Grundsätzlich ist die Anzahl flexibel, sodass es beispielsweise auch 120 oder 80 Kontaktbereiche sein können. Die den Kontaktbereichen typischerweise zugeordneten Relais stellen sicher, dass ein inaktiver Kontaktbereich berührt werden kann, da dieser galvanisch von der zugehörigen Potenziallage getrennt ist.
Ein Aspekt sieht vor, dass die mehreren Kontaktbereiche genau einer Potenziallage zugeordnet sind, wobei die der genau einen Potenziallage zugeordneten Kontaktbereiche nur einer Schutzbaugruppe zugeordnet sind. Insofern können mehrere Kontaktbereiche der Bodenkontakteinheit einem Außenleiter, also einer Phase, oder dem Neutralleiter zugeordnet sein. Die jeweiligen Kontaktbereiche, die zu der gleichen Phase oder dem Neutralleiter gehören, sind gleichzeitig genau einer Schutzbaugruppe zugeordnet, sofern mehrere Schutzbaugruppen vorgesehen sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass pro Potenziallage nur eine Schutzbaugruppe notwendig ist. Die Kosten für die Bodenkontakteinheit können dementsprechend reduziert werden, da sämtliche Kontaktbereiche einer Potenziallage nur durch eine Schutzbaugruppe zusätzlich abgesichert sind.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Schutzbaugruppe eingerichtet ist, einen Kurzschluss, einen bevorstehenden Überstrom und/oder einen Überstrom zu erkennen, wobei die Schutzbaugruppe eingerichtet ist, den Schalter in seine Offenstellung zu steuern, wenn ein Kurzschluss, ein bevorstehender Überstrom und/oder ein Überstrom detektiert worden ist. Der Schutzbaugruppe kann eine Steuereinheit zugeordnet sein, die beispielsweise eine übergeordnete Steuereinheit ist. Die übergeordnete Steuereinheit kann gleichzeitig mehrere Schutzbaugruppen ansteuern.
Insbesondere handelt es sich bei der Steuereinheit um einen Teil einer Steuer- und Auswerteeinheit. Insofern kann die Strommesseinheit der jeweiligen Schutzbaugruppe den gemessenen Strom im Strompfad an die Steuer- und Auswerteeinheit weiterleiten, die die Auswertung vornimmt, um dann in Abhängigkeit des Auswertungsergebnisses den Schalter entsprechend anzusteuern, sofern ein Auslösefall detektiert worden ist.
Die Schutzbaugruppe kann eingerichtet sein, eine Stromkurve zu erfassen und Charakteristika der erfassten Stromkurve zu ermitteln. Bei den Charakteristika der Stromkurve kann es sich um die Form der Stromkurve handeln, also der zeitliche Verlauf der gemessenen Stromstärke. Anhand des Verlaufs kann auf ein bestimmtes Verhalten geschlossen werden, das mit einem Fehlerfall zusammenhängt. Alternativ oder ergänzend kann ein Maximalwert, insbesondere ein globales Maximum oder ein lokales Maximum, oder ein gleitender Durchschnitt über einen definierten Zeitraum als Charakteristika ermittelt und für die Auswertung herangezogen werden. Grundsätzlich kann das zeitliche Verhalten der gemessenen Stromstärke herangezogen werden, um einen Auslösefall der Schutzbaugruppe festzustellen, bei dem der im Strompfad angeordnete Schalter auslöst, um den Strom zu unterbrechen.
Beispielsweise ist die Schutzbaugruppe eingerichtet, eine Auswertung der Flanken und/oder des Pegels der erfassten Stromkurve durchzuführen und/oder einen auftretenden Lichtbogen zu erkennen. Der Lichtbogen kann dann entstehen, wenn der Konnektor der Fahrzeugkontakteinheit sich relativ zur Bodenkontakteinheit verschiebt oder ein Spalt zwischen den jeweiligen Kontakten entsteht. Auch kann ein Lichtbogen durch eine Verschmutzung der Kontakte, eine zu geringe Anpresskraft der Fahrzeugkontakteinheit oder durch Vibrationen entstehen. Der Lichtbogen führt zu einer charakteristischen Veränderung der Stromkurve, was entsprechend von der Schutzbaugruppe erfasst werden kann, insbesondere der Strommesseinheit. Es entstehen aufgrund des Lichtbogens hochfrequente Stromanteile, die von der Schutzbaugruppe detektiert werden können, insbesondere der Strommesseinheit bzw. der Steuer- und/oder Auswerteeinheit. Infolgedessen kann der Schalter geschaltet werden, um beispielsweise einen auftretenden Lichtbogen zu verhindern, insbesondere bevor dieser entsteht, bzw. den schädlichen Einfluss eines Lichtbogens zu reduzieren.
Grundsätzlich kann die Lichtbogenerkennung auch in der Fahrzeugkontakteinheit integriert sein.
Bei der Flankenerkennung kann erkannt werden, ob eine Flanke in der Stromkurve vorliegt und welche Art von Flanke, sodass in Abhängigkeit hiervon festgestellt werden kann, ob ein Auslösefall vorliegt. Ebenso kann die Pegelerkennung so ausgebildet sein, dass der Mittelwert über einen definierten Zeitraum oder der Mittelwert zwei aufeinanderfolgender Messungen oder ein anderes statistisches Maß für die Stromstärke herangezogen wird, um eventuelle Messfehler ausschließen zu können, also kurzfristige Peaks bzw. Ausreißer der Messung.
Bei der Pegelerkennung kann der gemessene Stromwert mit einem Schwellenwert abgeglichen werden, der als Bezugsgröße verwendet wird, sodass ein möglicherweise Auslösefall nur dann vorliegt, wenn der Schwellenwert überschritten worden ist. Um einen Fehlalarm wirkungsvoll auszuschließen, kann zusätzlich auf das Flankenverhalten der gemessenen Stromkurve abgestellt werden, sodass zusätzlich zur Pegelerkennung noch eine Flankenerkennung vorgesehen ist.
Die Flankenerkennung und/oder die Pegelerkennung kann in der Steuer- und/oder Auswerteeinheit implementiert sein. Alternativ kann die Flanken- und/oder Pegelerkennung auch in der Strommesseinheit selbst implementiert sein, sodass die Strommesseinheit direkt den Schalter ansteuert.
Allgemein lassen sich zwei Kriterien miteinander kombinieren, die erfüllt sein müssen, damit die Schutzbaugruppe auslöst. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein Messfehler nicht zum Auslösen der Schutzbaugruppe führt, da eine redundante Auswertung vorliegt, nämlich aufgrund der zwei unterschiedlichen Kriterien, die erfüllt sein müssen. Die beiden Kriterien können auf unterschiedliche Charakteristika der Stromkurve abstellen, insbesondere auf voneinander unabhängige Charakteristika.
Die Schutzbaugruppe kann eine Operationsverstärkerschaltung und/oder einen Komparator sowie einen Shunt-Widerstand und/oder einen Hall-Sensor umfassen. Hierbei lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise der Stromwert im Strompfad messen. Grundsätzlich kann die Flanken- bzw.
Pegelerkennung mittels des Shunt-Widerstands und dem Komparator realisieren. Auch kann anstelle des Komparators eine Operationsverstärkerschaltung vorgesehen sein. Anstelle des Shunt-Widerstands kann auch ein Hall-Sensor vorgesehen sein, der im Strompfad direkt eingebunden ist.
Ferner kann der Schalter ein Leistungshalbleiter sein, insbesondere ein MOSFET, ein Triac oder ein IGBT. Mit den Leistungshalbleitern lassen sich entsprechend hohe Schaltgeschwindigkeiten realisieren, insbesondere unter einer Mikrosekunde. Insofern kann im Auslösefall, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, der Stromkreis innerhalb einiger Mikrosekunden unterbrochen werden, sodass die entsprechenden Kontaktbereiche stromlos geschaltet sind. Insofern kann der Energieeintrag in die Kontaktbereiche sehr gering gehalten werden, wodurch ein entsprechender Schutz gegeben ist, insbesondere ein Verschleißschutz. Etwaige Relais der Bodenkontakteinheit müssen den Kurzschlussstrom nicht (lang) führen, da der Stromkreis entsprechend schnell unterbrochen worden ist.
Die zumindest eine Schutzbaugruppe kann eingerichtet sein, einen Differenzstrom zu ermitteln. Der Differenzstrom kann zwischen zwei Potenziallagen, beispielsweise zwischen zwei Außenleitern, also zwei Phasen, oder zwischen einer Phase und dem Neutralleiter oder zwischen dem Schutzleiter und einer Phase bzw. dem Neutralleiter gemessen werden. Der Differenzstrom wird grundsätzlich auch als Fehlerstrom bezeichnet, der einen Körperstrom darstellt.
Grundsätzlich wird beim Auftreten eines Fehlers, beispielsweise eines Fehlerstroms, dieser Fehler von der Strommesseinheit registriert und der Schalter derart angesteuert, dass er den Stromkreis innerhalb weniger Nanosekunden unterbricht, insbesondere innerhalb weniger 100 Nanosekunden. Das Schalten des Relais würde in dem Fall deutlich länger dauern, sodass die Gefahr bestünde, dass der Relais abbrennt bzw. in seiner geschlossenen Stellung „kleben“ bleibt, was so vermieden werden kann. Ebenso wird der hohe Energieeintrag in die Kontaktbereiche und/oder das Relais verhindert. Das Relais kann nach dem Auslösen der Schutzbaugruppe, also dem Öffnen des Schalters, nahezu lastfrei schalten, wodurch eine galvanische Trennung, also eine galvanische Isolierung, normgerecht hergestellt worden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Bodenkontakteinheit zumindest eine zusätzliche Schalteinheit auf, insbesondere ein Relais. Die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit ist derart mit wenigstens einem der Kontaktbereiche gekoppelt, dass die zusätzliche Schalteinheit den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich mit der dem Kontaktbereich zugeordneten wenigstens einen Potenziallage elektrisch verbinden und unterbrechen kann, sodass im unterbrochenen Zustand eine galvanische Trennung vorliegt. Hierdurch erfolgt die normgerechte galvanische Isolierung des entsprechenden Kontaktbereichs von der zugeordneten Potenziallage, sodass im Fehlerfall sichergestellt ist, dass kein Strom fließt. Der Berührungsschutz ist entsprechend sichergestellt, was über den als Leistungshalbleiter ausgebildeten Schalter nicht möglich ist.
Wie zuvor erläutert, kann die zusätzliche Schalteinheit lastfrei geschaltet werden, nachdem zuvor der Schalter angesteuert worden ist, den Stromkreis zu unterbrechen.
Die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit ist beispielsweise in Stromflussrichtung nach der Schutzbaugruppe vorgesehen, insbesondere wobei die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit zwischen der Schutzbaugruppe und den Kontaktbereichen vorgesehen ist. Der Strom fließt über die Schutzbaugruppe zu den jeweiligen Kontaktbereichen, sodass die zusätzliche Schalteinheit zwischen der Schutzbaugruppe und den Kontaktbereichen vorgesehen ist, insbesondere nach dem Schalter der Schutzbaugruppe. Sofern die Schutzbaugruppe auslöst, also der Schalter den Stromkreis unterbricht, ist sichergestellt, dass die zusätzliche Schalteinheit nur kurz der hohen Stromstärke ausgesetzt war.
Grundsätzlich ist die Position des Relais frei wählbar.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass nur eine zusätzliche Schalteinheit pro Potenziallage vorgesehen ist. Die entsprechende zusätzliche Schalteinheit kann direkt hinter dem Schalter, also stromabwärts des Schalters, vorgesehen sein, sodass alle der Potenziallage zugeordneten Kontaktbereiche der einen zusätzlichen Schalteinheit zugeordnet sind. Sofern also die eine zusätzliche Schalteinheit öffnet, sind gleichzeitig alle Kontaktbereiche von der zugeordneten Potenziallage galvanisch getrennt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die zumindest eine Schutzbaugruppe mehreren zusätzlichen Schalteinheiten zugeordnet, wobei jedem Kontaktbereich eine eigene zusätzliche Schalteinheit zugeordnet ist. Hierdurch lassen sich die einzelnen Kontaktbereiche individuell galvanisch trennen, da jedem Kontaktbereich einer gemeinsamen Potenziallage eine eigene zusätzliche Schalteinheit zugeordnet ist, die entsprechend angesteuert werden kann.
Zur Ansteuerung der wenigstens einen zusätzlichen Schalteinheit kann eine Triggerschaltung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit anzusteuern. Die Triggerschaltung kann mit der übergeordneten Steuereinheit gekoppelt sein, insbesondere der übergeordneten Steuer- und/oder Auswerteeinheit, sodass im Falle einer erfassten Auslösesituation der Schutzbaugruppe bereits die Triggerschaltung ein entsprechendes Auslösesignal an die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit ausgibt, um sicherzustellen, dass die zusätzliche Schalteinheit möglichst zeitnah auslöst, also die galvanische Trennung herstellt.
Aufgrund der Schutzbaugruppe, deren Schalter entsprechend schneller schaltet als die zusätzliche Schalteinheit, ist sichergestellt, dass die zusätzliche Schalteinheit lastfrei schalten kann. Da der Schalter und die zusätzliche Schalteinheit dennoch gleichzeitig angesteuert werden, ist zudem gewährleistet, dass die galvanische Trennung so früh wie möglich gegeben ist, da die zusätzliche Schalteinheit im Auslösefall ebenfalls über die Triggerschaltung angesteuert wird.
Es ist somit sichergestellt, dass die den Kontaktbereichen zugeordneten Schalteinheiten im abgeschalteten Zustand Basisschutz und Fehlerschutz mit einer verstärkten Isolierung gegenüber dem Versorgungspotenzial gewährleisten, also der entsprechenden Potenziallage.
Zudem können die Schalteinheiten derart ausgebildet sein, dass im abgeschalteten Zustand ein Basisschutz durch Isolation gegenüber einem Versorgungspotenzial gewährleistet ist, wobei die den Schalteinheiten zugeordneten Kontaktflächen vorzusätzlich geerdet sind
Insbesondere umfasst die Schutzbaugruppe mehr als einen Schalter, sodass ein mehrere Schalter umfassendes Schaltmodul vorgesehen ist. Die mehreren Schalter können parallel oder antiseriell angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die nachfolgend Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bodenkontakteinheit,
- 2 ein Schaltdiagramm der erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung des Schaltbilds der erfindungsgemäßen Bodenkontakteinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 4 ein Diagramm, das den Verlauf des gemessenen Stroms über die Zeit darstellt.

In 1 ist eine Bodenkontakteinheit 10 für ein Fahrzeugbatterieladesystem gezeigt, welches zur automatischen, konduktiven Verbindung mit einer hier nicht dargestellten Fahrzeugkontakteinheit dient.
Die Bodenkontakteinheit 10 weist einen plattenförmigen Grundkörper 12 auf, der eine freiliegende Ladefläche 14 hat, an der mehrere Kontaktbereiche 16 angeordnet sind.
Aus der 1 wird deutlich, dass die mehreren Kontaktbereiche 16 matrixartig angeordnet sind, wobei an den jeweiligen Kontaktbereichen 16 die Fahrzeugkontakteinheit über ihren Konnektor zur Anlage kommen kann, um die elektrische Verbindung mit der Bodenkontakteinheit 10 herzustellen.
Die mehreren Kontaktbereiche 16 sind wenigstens einer Potenziallage 18 zugeordnet, wobei es sich in der gezeigten Ausführungsform um ein Drei-Phasen-Netzsystem handelt, sodass drei Potenziallagen, die den Phasen L1, L2 und L3 entsprechen, sowie eine Potenziallage vorgesehen sind, die dem Neutralleiter entspricht. Zudem kann noch ein Schutzleiter vorgesehen sein, der zur Erdung der Bodenkontakteinheit 10 dient.
Die mehreren Kontaktbereiche 16 sind dabei den mehreren Potenziallagen 18 zugeordnet, sodass sich unterschiedliche Anschlusssituationen für die Fahrzeugkontakteinheit ergeben können, insbesondere in Abhängigkeit der jeweiligen Orientierung des Konnektors an der Bodenkontakteinheit 10.
Zudem sind die mehreren Kontaktbereiche 16, insbesondere die den Kontaktbereichen 16 zugeordneten Potenziallegen 18, elektrisch abgesichert, wobei hierzu eine Schutzbaugruppe 20 vorgesehen ist, die den Kontaktbereichen 16 der wenigstens einen Potenziallage 18 zugeordnet ist.
Die Schutzbaugruppe 20 ist in 2 gemäß einer ersten Ausführungsform für eine der Potenziallagen detaillierter gezeigt, worauf nachfolgend Bezug genommen wird.
Die Schutzbaugruppe 20 umfasst eine Strommesseinheit 22 sowie einen Schalter 24, die beide in einem Strompfad 26 der jeweiligen Potenziallage 18 angeordnet sind.
Insofern umfasst die Bodenkontakteinheit 10 pro Potenziallage 18 eine Schutzbaugruppe 20.
Die Schutzbaugruppe 20 ist generell eingerichtet, einen Kurzschluss, einen bevorstehenden Überstrom, einen Überstrom und/oder einen Fehlerstrom zu erkennen, wobei die Schutzbaugruppe 20 eingerichtet ist, den entsprechenden Schalter 24 in seiner Offenstellung zu steuern, sofern ein Kurzschluss, ein (bevorstehender) Überstrom und/oder ein Fehlerstrom detektiert worden ist.
Insofern kann die zumindest eine Schutzbaugruppe 20 eingerichtet sein, einen Differenzstrom zu ermitteln. Der Differenzstrom kann zwischen zwei Potenziallagen 18 gemessen werden, beispielsweise zwischen zwei Außenleitern, also zwei Phasen, oder zwischen einer Phase und dem Neutralleiter oder zwischen dem Schutzleiter und einer Phase bzw. dem Neutralleiter.
Zur Ansteuerung des Schalters 24 der Schutzbaugruppe 20 ist in der gezeigten Ausführungsform eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 vorgesehen, die zwischen der Strommesseinheit 22 und dem entsprechenden Schalter 24 angeordnet ist.
Bei der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 kann es sich um eine übergeordnete Steuer- und/oder Auswerteeinheit handeln, die mit sämtlichen Schutzbaugruppen 20 der Bodenkontakteinheit 10 zusammenwirkt, also denjenigen der anderen Potenziallagen 18. Insofern kann die eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 die gemessenen Ströme sämtlicher Strommesseinheiten 22 erhalten, woraufhin die eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 sämtliche Schalter 24, die den jeweiligen Potenziallagen 18 zugeordnet sind, ansteuern kann, sofern dies notwendig ist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Strommesseinheit 22 direkt den zugeordneten Schalter 24 ansteuert, der sich daraufhin in seine Offenstellung begibt, um den Stromkreis zu unterbrechen.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Schutzbaugruppe 20 zudem ein Schaltermodul 30, welches zwei Schalter 24 aufweist, die antiseriell angeordnet sind. Bei den Schaltern 24 handelt es sich um Leistungsschalter, also Halbleiterbauteile, beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder Triacs.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Strommesseinheit 22 einen Shunt-Widerstand 32, der im Strompfad 26 angeordnet ist, sowie einen Komparator 34. Alternativ kann die Schutzbaugruppe 20 auch eine Operationsverstärkerschaltung und einen Hall-Sensor anstelle des Shunt-Widerstands umfassen.
Grundsätzlich ist die Schutzbaugruppe 20 eingerichtet, eine Stromkurve mittels der Strommesseinheit 22 zu erfassen, wobei Charakteristika der erfassten Stromkurve ermittelt werden.
Hierzu kann eine Auswertung der Flanken und/oder des Pegels der erfassten Stromkurve durchgeführt werden, um einen entsprechenden Auslösefall der Schutzbaugruppe 20 zu detektieren. Ebenso kann die Schutzbaugruppe 20 eingerichtet sein, einen auftretenden Lichtbogen zu erkennen, wenn sich die Kontaktierung zwischen der Fahrzeugkontakteinheit und der Bodenkontakteinheit 10 verändert, sodass ein entsprechender Lichtbogen zwischen den jeweiligen Kontakten auftritt.
Die Schutzbaugruppe 20 kann dann den entsprechenden Schalter 24 ansteuern, sodass der Stromkreis unterbrochen wird. Hierdurch werden die jeweiligen Kontaktbereiche 16, die der entsprechenden Potenziallage 18 zugeordnet sind, die der Schutzbaugruppe 20 zugeordnet ist, entsprechend geschützt, da der Stromfluss schnell unterbrochen wird.
Darüber hinaus geht aus 2 hervor, dass die Bodenkontakteinheit 10 zumindest eine zusätzliche Schalteinheit 36 aufweist, insbesondere ein Relais. Die zusätzliche Schalteinheit 36 ist in Stromflussrichtung nach der Schutzbaugruppe 20 vorgesehen, also zwischen der Schutzbaugruppe 20 und den Kontaktbereichen 16 angeordnet.
Mit anderen Worten ist die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit 36 mit wenigstens einem der Kontaktbereiche 16 gekoppelt, sodass die zusätzliche Schalteinheit 36 dementsprechend wenigstens einen Kontaktbereich 16 mit der dem Kontaktbereich 16 zugeordneten wenigstens einen Potenziallage 18 elektrisch verbinden und unterbrechen kann, sodass im unterbrochenen Zustand eine galvanische Trennung vorliegt.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist für sämtliche Kontaktbereiche 16 der entsprechenden Potenziallage 18 lediglich eine zusätzliche Schalteinheit 36 vorgesehen, sodass pro Potenziallage 18 genau eine zusätzliche Schalteinheit 36 vorgesehen ist. Hierdurch werden sämtliche Kontaktbereiche 16 der Potenziallage 18 zusammen galvanisch getrennt, sofern die zusätzliche Schalteinheit 36 auslöst bzw. angesteuert wird.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist dagegen vorgesehen, dass die Schutzbaugruppe 20 mehreren zusätzlichen Schalteinheiten 36 zugeordnet ist, wobei jedem Kontaktbereich 16 eine eigene zusätzliche Schalteinheit 36 zugeordnet ist. Hierdurch lassen sich die einzelnen Kontaktbereiche 16 individuell galvanisch trennen, indem die entsprechend zugeordnete zusätzliche Schalteinheit 36 entsprechend angesteuert wird.
Grundsätzlich kann zur Ansteuerung der zumindest einen zusätzlichen Schalteinheit 36 eine Triggerschaltung 38 vorgesehen sein, die insbesondere mit der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 in Verbindung steht oder Teil davon ist, wie dies in den Ausführungsformen gezeigt ist. Andernfalls steuert die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 die Triggerschaltung 38 entsprechend an.
Insofern kann vorgesehen sein, dass bei einem detektierten Fehler, also bei einem Auslösefall wie bei einem Kurzschluss, einem Fehlerstrom bzw. einem (bevorstehenden) Überstrom, die zusätzlich Schalteinheit 36 (über die Triggerschaltung 38) sowie der wenigstens eine Schalter 24 der Schutzbaugruppe 20 gleichzeitig angesteuert werden.
Der Auslösefall kann, wie zuvor beschrieben, über die Schutzbaugruppe 20, insbesondere die Strommesseinheit 22 und die damit gekoppelte Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28, festgestellt werden, indem Charakteristika der Stromkurve erfasst und ausgewertet werden, beispielsweise eine Auswertung der Flanken und/oder des Pegels der erfassten Stromkurve.
Dies ist beispielsweise in 4 gezeigt, in der ein Auslösefall dadurch erkannt werden kann, dass der erfasste Stromwert über einen Schwellenwert ansteigt und gleichzeitig eine entsprechende Flanke vorliegt. Die entsprechenden Charakteristika, also die für den Auslösefall herangezogenen Kriterien, werden von der Schutzbaugruppe 20 bzw. der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 28 zum Zeitpunkt t_Fehler erkannt.
Daraufhin wird, wie oben beschrieben, der Schalter 24 und die zusätzliche Schalteinheit 36 (gleichzeitig) angesteuert.
Der Schalter 24, der eine deutlich bessere Reaktionszeit als die zusätzliche Schalteinheit 36 hat, reagiert innerhalb einiger Hundert Nanosekunden, sodass der Stromkreis zum Zeitpunkt t_Abschalt unterbrochen wird, insbesondere bevor die Stromstärke weiter angestiegen ist.
Die zusätzliche Schalteinheit 36 würde dagegen erst zum Zeitpunkt t_Relais reagieren, zu dem die Stromstärke schon deutlich angestiegen wäre, wie der gestrichelte Verlauf der Stromkurve verdeutlicht.
Der Schalter 24 reagiert demnach deutlich schneller als die zusätzliche Schalteinheit 36, sodass die zusätzliche Schalteinheit 36 zunächst vor der Belastung des hohen Stroms im Auslösefall geschützt wird. Mit anderen Worten kann die zusätzliche Schalteinheit 36 nahezu lastfrei schalten.
Die gleichzeitige Ansteuerung der zusätzlichen Schalteinheit 36 (über die Triggerschaltung 38) stellt jedoch sicher, dass die zusätzliche Schalteinheit 36 möglichst zeitnah ebenfalls schaltet, um die galvanische Trennung herzustellen, sodass der Berührungsschutz gewährleistet ist.
Grundsätzlich kann auch eine Kombination der 2 und 3 vorgesehen sein, sodass eine zentrale zusätzliche Schalteinheit 36 vorgesehen ist, wie dies in 2 gezeigt ist, sowie die mehreren zusätzlichen Schalteinheiten 36, die den Kontaktbereichen 16 jeweils zugeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/052962 A1 [0003, 0004]

Claims

Bodenkontakteinheit für ein Fahrzeugbatterieladesystem zur automatischen, konduktiven Verbindung mit einer Fahrzeugkontakteinheit, wobei die Bodenkontakteinheit (10) einen plattenförmigen Grundkörper (12), wenigstens eine Potenziallage (18) sowie mehrere Kontaktbereiche (16) aufweist, die auf einer freiliegenden Ladefläche (14) des Grundkörpers (12), an der die Fahrzeugkontakteinheit zur Anlage kommen kann, angeordnet und der wenigstens einen Potenziallage (18) zugeordnet sind, wobei zumindest eine Schutzbaugruppe (20) den Kontaktbereichen (16) der wenigstens einen Potenziallage (18) zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Schutzbaugruppe (20) eine im Strompfad (26) vorgesehene Strommesseinheit (22) zur Strommessung und einen im Strompfad (26) angeordneten Schalter (24) aufweist, der unter anderem in Abhängigkeit des Ergebnisses der Strommesseinheit (22) gesteuert ist.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrere Kontaktbereiche (16) genau einer Potenziallage (18) zugeordnet sind, wobei die der genau einen Potenziallage (18) zugeordneten Kontaktbereiche (16) nur einer Schutzbaugruppe (20) zugeordnet sind.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbaugruppe (20) eingerichtet ist, einen Kurzschluss, einen bevorstehenden Überstrom und/oder einen Überstrom zu erkennen, wobei die Schutzbaugruppe (20) eingerichtet ist, den Schalter (24) in seine Offenstellung zu steuern, wenn ein Kurzschluss, ein bevorstehender Überstrom und/oder ein Überstrom detektiert worden ist.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbaugruppe (20) eingerichtet ist, eine Stromkurve zu erfassen und Charakteristika der erfassten Stromkurve zu ermitteln.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbaugruppe (20) eingerichtet ist, eine Auswertung der Flanken und/oder des Pegels einer erfassten Stromkurve durchzuführen und/oder einen auftretenden Lichtbogen zu erkennen.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbaugruppe (20) eine Operationsverstärkerschaltung und/oder einen Komparator (34) sowie einen Shunt-Widerstand (32) und/oder einen Hall-Sensor umfasst.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (24) ein Leistungshalbleiter ist, insbesondere ein MOSFET, ein Triac oder ein IGBT.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schutzbaugruppe (20) eingerichtet ist, einen Differenzstrom zu ermitteln.
Bodenkontakteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkontakteinheit (10) zumindest eine zusätzliche Schalteinheit (36), insbesondere ein Relais, aufweist, wobei die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit (36) derart mit wenigstens einem der Kontaktbereiche (16) gekoppelt ist, dass die zusätzliche Schalteinheit (36) den entsprechenden wenigstens einen Kontaktbereich (16) mit der dem Kontaktbereich (16) zugeordneten wenigstens einen Potenziallage (18) elektrisch verbinden und unterbrechen kann, sodass im unterbrochenen Zustand eine galvanische Trennung vorliegt.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine zusätzliche Schalteinheit (36) pro Potenziallage (18) vorgesehen ist.
Bodenkontakteinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schutzbaugruppe (20) mehreren zusätzlichen Schalteinheiten (36) zugeordnet ist, wobei jedem Kontaktbereich (16) eine eigene zusätzliche Schalteinheit (36) zugeordnet ist.
Bodenkontakteinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Triggerschaltung (38) vorgesehen ist, die eingerichtet ist die zumindest eine zusätzliche Schalteinheit (36) anzusteuern.