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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladegerät mit integrierter Ladekabelfunktionalität für ein Elektrofahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Elektrofahrzeug sowie ein Verfahren zum Laden eines solchen Elektrofahrzeugs.
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Gemäß der Norm DIN EN 61851-1 vom April 2013, die sich mit der elektrischen Ausrüstung von Elektrofahrzeugen beschäftigt und die konduktiven Ladesysteme für Elektrofahrzeuge normiert, sind unterschiedliche Ladebetriebsarten definiert, die unterschiedliche Voraussetzungen haben und unterschiedliche Ladeleistungen ermöglichen.
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Bei der Ladebetriebsart 1 kann der Ladevorgang an einer haushaltsüblichen Steckdose durchgeführt werden, an die das Elektrofahrzeug über ein normales Stromkabel angeschlossen werden kann - hierbei ist also kein besonderes Ladekabel mit Schutzleiterprüfung etc. erforderlich. Diese Ladebetriebsart kommt in der Praxis nicht vor und ist beispielsweise in den USA verboten. Der maximale zulässige Ladestromstrom ist bei dieser Ladebetriebsart auf 16 A begrenzt.
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Bei der Ladebetriebsart 2 ist eine Steuer- und Schutzeinrichtung vorgeschrieben, die in die Ladeleitung (System aus Ladekabel und Fahrzeug) integriert ist, wobei hier die Ladeleitung des Systems gemeint ist, welches das Ladekabel und das Elektrofahrzeug umfasst. Ein solches Ladekabel wird als ICCB (In-Cable Control Box - In-Kabel-Kontrollbox) bzw. IC-CPD (In-Cable Control and Protection Device - In-Kabel-Steuerungs- und Schutzgerät) bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine im Ladekabel zwischengeschaltete Vorrichtung, welche Sicherheits- und Kommunikationsaufgaben beim Laden eines Elektrofahrzeugs an einem nicht speziell dafür eingerichteten Anschluss übernimmt, z.B. an einer Haushaltssteckdose. Der maximal zulässige Strom bei der Ladebetriebsart 2 ist auf 32 A begrenzt. In der Praxis stellt diese Ladebetriebsart den Mindeststandard dar.
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Obgleich das Verwenden eins Ladekabels mit ICCB bzw. IC-CPD den klaren Vorteil bietet, dass damit das Elektrofahrzeug auch in häuslicher Umgebung sicher geladen werden kann, so ist das entsprechende Ladekabel zum einen mit nicht unerheblichen Kosten verbunden und zum anderen aufgrund der darin verorteten Elektronik relativ schwer.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs mittels des dafür eingerichteten Ladekabels weiter zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird ein Ladegerät für eine Ladeinfrastruktur in einem Elektrofahrzeug bereitgestellt, welches zwischen einer Ladeschnittstelle und einem Gleichrichter der Ladeinfrastruktur verschaltet ist, wobei das Ladegerät eingerichtet ist, während eines stattfindenden Ladevorgangs diesen zu steuern.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät kann es sich insbesondere um eines handeln, das für einen integrierten Einbau in eine Ladeinfrastruktur eines Elektrofahrzeugs eingerichtet ist. Folglich kann sich das erfindungsgemäße Ladegerät von einem klassischen kabelbasierten Ladegerät, welches während des Ladevorgangs einem Benutzer Informationen anzeigt, in diesem Punkt von einem solchen unterscheiden und weder eine informative Benutzerschnittstelle aufweisen noch für eine Interaktion mit dem Benutzer ausgelegt sein.
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Die Fahrzeugladeinfrastruktur, in welche das erfindungsgemäße Ladegerät integriert werden kann, kann einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeinfrastruktur entsprechen und insbesondere zusätzlich einen Gleichspannungswandler und eine Traktionsbatterie aufweisen sowie weitere für einen ordnungsgemäßen Betrieb einer gattungsgemäßen Ladeinfrastruktur erforderlichen Komponenten.
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Mittels des erfindungsgemäßen Ladegerätes werden Steuer- und Schutzfunktionen, welche üblicherweise in einem Ladekabel innerhalb der ICCB- bzw. IC-CPD-Einheit implementiert sind, in das Elektrofahrzeug verlegt. Dadurch kann das Ladekabel als einfaches Stromkabel ausgeführt werden, welches in eine gewöhnliche Steckdose eingesteckt werden kann und keine Kommunikationsleitung aufweist, welche fahrzeugseitig zusammen mit den für die reine Stromübertragung und -sicherung erforderlichen Leitern in die Ladesteckdose eingekoppelt wird. Da jedoch die für die Ladebetriebsart 2 erforderlichen Voraussetzungen durch das erfindungsgemäße Ladegerät erfüllt werden, kann trotzdem der Ladevorgang gemäß Ladebetriebsart 2 stattfinden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegerätes kann dieses ferner eine Vorrichtung zum Detektieren eines Fehlerstroms aufweisen. Ein Fehlerstrom kann beispielsweise durch einen Isolationsdefekt in der Ladeinfrastruktur auftreten. Die Vorrichtung kann eine Differenzstrom- Messgerät (RCM, Residual Current Monitor) aufweisen. Die Vorrichtung kann zugleich als Fehlerstrom-Schutzeinrichtung eingerichtet sein, so dass sie bei Detektion eines Fehlerstroms geeignete Schutzmaßnahmen einleiten kann, indem sie beispielsweise den Ladevorgang durch Auftrennen eines Schutzschalters unterbricht, welcher in der Ladespannung führenden Leitung verschaltet ist. Hierzu kann das erfindungsgemäße Ladegerät beispielsweise eine ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit geschaltetem Schutzleiter (SPE-PRCD, Switched Protective Earth - Portable Residual Current Device), die eine Schutzleitererkennung bzw. Schutzleiterüberwachung bietet. Ferner kann die Vorrichtung zum Detektieren eines Fehlerstroms zum Detektieren eines Ableitstroms und zum Kompensieren des detektierten Ableitstroms durch Einspeisen eines geeigneten Kompensationsstromes in die ladestromführende Leitung eingerichtet sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegerätes kann dieses eine Vorrichtung zum Messen einer Schleifenimpedanz aufweisen. Damit kann das Ladegerät die Schleifenimpedanz während des Ladevorgangs messen und so eine Schutzleiter-Erkennung (PE-Erkennung) bereitstellen. Bei Detektion eines über der Norm liegenden Schleifenimpedanzwertes kann das Ladegerät eingerichtet sein, den Ladevorgang zu unterbrechen durch Auftrennen des oben erwähnten Schutzschalters, welcher in der Ladespannung führenden Leitung angeordnet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegerätes kann dieses ein Kommunikationsmodul aufweisen, welches eingerichtet ist, eine Information bezüglich einer während des Ladevorgangs verfügbaren Ladeleistung bereitzustellen. Die Information kann innerhalb des Ladegerätes und damit insbesondere fahrzeugintern ermittelt werden und anschließend der Ladeinfrastruktur bereitgestellt werden. Ferner kann die Information mehrere den Ladevorgang beschreibenden Parameter umfassen, unter anderem die zur Verfügung stehende Ladeleistung. Die vom Kommunikationsmodul übermittelte Information kann zur Einstellung der Ladeleistung während des Ladevorgangs dienen. Das Kommunikationsmodul kann beispielsweise eingerichtet sein, die Information mittels PWM (Pulsweitenmodulation) in der Ladeinfrastruktur zu kommunizieren.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegerätes kann das Ladegerät einen Funktionsumfang gemäß DIN EN 62752 aufweisen. Anders ausgedrückt kann das Ladegerät den Funktionsumfang eines ICCB bzw. eines IC-CPD aufweisen, welche üblicherweise in einem Ladekabel verortet sind. Im Unterschied dazu entspricht das erfindungsgemäße Ladegerät einem fest in das Elektrofahrzeug integriertem Ladegerät, das den Funktionsumfang eines ICCB bzw. IC-CPD bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, welches eine Ladeinfrastruktur aufweist, die mindestens eine Ladeschnittstelle und einen Gleichspannungswandler umfasst, wobei die Ladeinfrastruktur ferner ein Ladegerät gemäß der verschiedenen Ausführungsformen aufweist. Wie bereits beschrieben, kann das Ladegerät zwischen der Ladeschnittstelle und dem Gleichrichter angeordnet bzw. verschaltet sein. Das Ladegerät kann eingerichtet, den stattfindenden Ladevorgang zu steuern bzw. zu regeln. So kann es unter anderem eingerichtet sein, die Schutzleiterverbindung zu überwachen, eine Fehlerstrommessung durchzuführen und die Ladestrom-Obergrenze an die Ladeinfrastruktur zu kommunizieren. Diese Funktionen werden innerhalb des Ladegerätes, und damit insbesondere innerhalb des Elektrofahrzeugs durchgeführt und bedürfen keiner Kommunikation durch das an das Elektrofahrzeug im Ladefall angeschlossene Ladekabel.
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Da die zum Konfigurieren bzw. Einstellen eines Ladevorgangs erforderliche Kommunikation innerhalb des Elektrofahrzugs stattfindet, ist keine Daten- bzw. Kommunikationsleitung in dem zum Laden des Elektrofahrzeugs verwendeten Ladekabel erforderlich, um die Ladebetriebsart 2 zu ermöglichen. Es kann für ein dreiphasiges Laden des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs ein Ladekabel mit fünf Leitungen (L1, L2, L3, N, PE) und für ein einphasiges Laden ein Ladekabel mit drei Leitungen (L1, N, PE) genutzt werden. Das zum Laden des Elektrofahrzeugs verwendete Ladekabel kann an beiden Enden die gleiche Anzahl von Kontakten aufweisen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs kann dieses mit einer Schaltvorrichtung gekoppelt sein, welche bei Aktivierung eingerichtet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Ladegerät und dem Gleichrichter zu trennen. Die Schaltvorrichtung kann einem Schutzschalter entsprechen und ein Schütz aufweisen, welches bei Detektion einer Funktionsanomalie (Fehlerstrom, Kurzschluss) durch das Ladegerät in einen nichtleitenden Zustand versetzt wird, um die sozusagen dahinerliegende Ladeinfrastruktur spannungsfrei zu schalten. Folglich kann das Ladegerät eingerichtet sein, bei Detektion eines Fehlerfalls den Ladevorgang durch Auftrennen der Ladeleitung zu unterbrechen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs kann das Ladegerät einen Quellpunkt für die Kommunikation von Einstellparametern des Ladevorgangs an die Ladeinfrastruktur darstellen. Die Einstellparameter können beispielsweise den maximalen Ladestrom und/oder eine Bestätigung, dass eine ordnungsgemäße funktionierende Schutzleiterverbindung besteht, aufweisen. Die Einstellparameter können in der Information enthalten sein, welche mittels des Kommunikationsmoduls übermittelt werden. Jedenfalls kann das Ladegerät dem Ort der Erzeugung dieser Informationen auf Basis von Messungen entsprechen, so dass diese Informationen im Ladefall insbesondere nicht über eine Kommunikationsleitung in dem an die Ladeschnittstelle angeschlossene Ladekabel von außen empfangen werden.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt, wobei das Elektrofahrzeug mittels eines kommunikationsleitungsfreien Ladekabels an eine Ladesteckdose gekoppelt wird. Das Ladeverfahren kann gemäß dem in der Norm DIN EN 61851-1 definierten Ladebetriebsmodus 2 stattfinden.
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Das hier beschriebene erfindungsgemäße Ladegerät kann für Ladevorgänge mit Gleichstrom und mit Wechselstrom verwendet werden.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- In 1 ist eine schematische Ansicht einer stark vereinfachten Ladeinfrastruktur eines Elektrofahrzeugs dargestellt, in welcher das erfindungsgemäße Ladegerät 4 integriert ist, wobei das Elektrofahrzeug hier nicht explizit dargestellt ist. Die Ladeinfrastruktur 1 weist eine Ladeschnittstelle 3 und einen Wechselrichter 5 auf, wobei das Ladegerät 4 dazwischen angeordnet ist. Mit Bezugszeichen 6 sind gesammelt die restlichen Bestandteile der fahrzeuginternen Ladeinfrastruktur 1 bezeichnet, beispielsweise ein Gleichspannungswandler und die daran gekoppelte Traktionsbatterie. Die Energiebereitstellung erfolgt über die Ladeschnittstelle 3 der Ladeinfrastruktur 1, welche eine Ladesteckdose aufweisen kann. Zum Laden des Elektrofahrzeugs wird die Ladesteckdose 3 mittels eines Ladekabels 2 mit einer Energiequelle gekoppelt, etwa einer Haushaltssteckdose. Das Ladekabel 2 weist entsprechend einen steckdosenseiteigen Stecker 21 und einen fahrzeugseitigen Stecker 22 auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Ladekabel 3 als einfaches Stromkabel ausgeführt, welches keine aktiven Bauteile im Sinne einer ICCB- oder IC-CPD-Einheit aufweist. Insbesondere kann das Ladekabel 2 ohne Kommunikationsleitung auskommen, da die aus dem Stand der Technik bekannte ICCB- bzw. IC-CPD-Einheit im Ladegerät 4 implementiert ist. Somit kann das Ladekabel 3 als reiner Stromüberträger fungieren; eine Funktion als Kommunikationsüberträger ist hingegen nicht erforderlich.
