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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden mindestens eines Elektrofahrzeugs, wobei die Ladevorrichtung mehrere elektrische Leistungseinheiten zum Bereitstellen von elektrischer Leistung zum Laden des Elektrofahrzeugs; mindestens eine Ladepunkteinheit zum Verbinden der Ladevorrichtung mit dem Elektrofahrzeug; und eine Koppelanordnung mit Schaltelementen aufweist; wobei die Schaltelemente derart ansteuerbar sind, um die Ladepunkteinheit wahlweise mit mindestens einer Leistungseinheit derart zu verbinden, dass elektrische Leistung von der mindestens einen Leistungseinheit zu der Ladepunkteinheit zum Laden des Elektrofahrzeugs übertragbar ist.
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Beim Schnelladen von Elektrofahrzeugen mit Gleichstrom muss eine relativ hohe elektrische Leistung übertragen werden. Dies macht eine entsprechende Auslegung der Schaltelemente erforderlich, was bei bekannten Ladevorrichtungen zu hohen Kosten führt. Darüber hinaus muss mit Blick auf die relativ hohen Spannungen und Ströme, die zum Schnellladen von Elektrofahrzeugen erforderlich sind, auf die Betriebssicherheit der Ladevorrichtung geachtet werden.
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Die Aufgabe besteht somit darin, die Ladevorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die erforderliche Betriebssicherheit auf kostengünstige Art und Weise realisiert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird Ladevorrichtung zum Laden mindestens eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, die Folgendes aufweist: mehrere elektrische Leistungseinheiten zum Bereitstellen von elektrischer Leistung zum Laden des Elektrofahrzeugs; mindestens eine Ladepunkteinheit zum Verbinden der Ladevorrichtung mit dem Elektrofahrzeug; und eine Koppelanordnung mit Schaltelementen, die ansteuerbar sind, um die Ladepunkteinheit wahlweise mit mindestens einer Leistungseinheit derart zu verbinden, dass elektrische Leistung von der mindestens einen Leistungseinheit zu der Ladepunkteinheit zum Laden des Elektrofahrzeugs übertragbar ist; wobei die Ladevorrichtung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltelemente aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Ansteuern zum Umschalten der einzelnen Schaltelemente zu verhindern, während durch die entsprechenden Schaltelemente ein Mindeststrom fließt. Dadurch, dass ein Betätigen der Schaltelemente bei einem Strom oberhalb des Mindeststroms verhindert wird, können kostengünstige Schaltelemente, die für einen geringen Schaltstrom ausgelegt sind, verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, Schaltelemente, die zum Schalten von Wechselstrom vorgesehen sind, einzusetzen, obwohl Gleichspannungen zu schalten sind. Darüber hinaus ergibt sich eine hohe Betriebssicherheit bei geringem Verschleiß der Schaltelemente.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer Leistungseinheit ein Stromsensor zugeordnet ist, der zum Erfassen eines von der Leistungseinheit an die Koppelanordnung abgegebenen Stroms eingerichtet ist und die Steuereinrichtung zum Verhindern des Umschaltens in Abhängigkeit von dem mittels des Stromsensors erfassten Stroms eingerichtet ist. Die Funktion des Verhinderns der Betätigung der Schaltelemente kann hierdurch einfach durch Erfassen des Stroms durch die einzelnen Schaltelemente mittels des Stromsensors ohne Rückgriff auf andere Steuer- und/oder Regelfunktionen der Ladevorrichtung realisiert werden. Hierdurch kann die Eigensicherheit der Ladevorrichtung zuverlässig gewährleistet und einfach verifiziert werden.
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Die Ladevorrichtung kann eine Nachrichtenübermittlungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Nachrichten von der Ladepunkteinheit zu denjenigen Leistungseinheiten weiterzuleiten, die mit der Ladepunkteinheit zum übertragen der elektrischen Leistung verbunden sind. Auf diese Weise können Informationen über den Ladevorgang effektiv an die betreffenden Leistungseinheiten weitergeleitet werden. Außerdem können Funktionen der Steuereinrichtung hierdurch auf Steuergeräte einzelner Komponenten, wie beispielsweise die Ladepunkteinheit, die Leistungseinheit oder Komponenten der Koppelanordnung der Ladevorrichtung verteilt werden.
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Die Nachrichten können Statusmeldungen jedweder Art aufweisen. Vorzugsweise weist die Nachricht eine Statusmeldung auf, die einen erforderlichen Abbruch der Leistungsübertragung zu dem Fahrzeug anzeigt, wobei die Leistungseinheiten dazu eingerichtet sind, die Leistungsübertragung bei Empfang einer solchen Statusmeldung abzubrechen. Hierdurch wird die Eigensicherheit der Ladevorrichtung weiter verbessert.
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Insbesondere standardisierte Ladeschnittstellen, wie beispielsweise das Combined Charging System (CCS), beinhalten eine Kommunikationsschnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Ladevorrichtung. Demgemäß kann die Ladepunkteinheit zum Weiterleiten der vom Elektrofahrzeug empfangenen Nachricht oder zum Erzeugen der Nachricht infolge des Empfangs einer Nachricht vom Fahrzeug eingerichtet sein. Bei dem Erzeugen der Nachricht infolge des Empfangs einer Nachricht vom Fahrzeug kann es sich um eine Protokollübersetzung handeln. Die vom Fahrzeug empfangene Nachricht kann eine Not-Stopp-Meldung aufweisen, die vom Fahrzeug abgesetzt wird, wenn dort ein Fehler auftritt, der einen Abbruch des Ladevorgangs erforderlich macht.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Koppelanordnung zum Abtrennen einer auswählbaren Leistungseinheit von sämtlichen Ladepunkteinheiten ausgebildet ist. Die Schaltelemente können also so angesteuert werden, dass eine bestimmte Leistungseinheit mit keiner Ladepunkteinheit verbunden ist. Ein derartiges Abtrennen einer Leistungseinheit kann beispielsweise dann erfolgen, wenn ein Fehler an dieser Leistungseinheit erkannt wurde. Die Ladevorrichtung kann dann ohne Verwendung dieser fehlerhaften Leistungseinheit weiterbetrieben werden. Hierdurch ergibt sich eine hohe Gesamtverfügbarkeit der Ladevorrichtung.
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Hierbei kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die abzutrennende Leistungseinheit anhand eines von dem Steuergerät empfangenen Befehls auszuwählen und die Koppelanordnung zum Abtrennen der ausgewählten Leistungseinheit anzusteuern. Hierdurch ist es möglich, eine bestimmte Leistungseinheit im laufenden Betrieb der Ladevorrichtung auszutauschen.
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Ein maximal zulässiger Schaltstrom der Schaltelemente sollte betragsmäßig mindestens so groß sein wie der Mindeststrom. Vorzugsweise wird ein möglichst geringer Mindeststrom gewählt. Der Mindeststrom kann so gering sein, dass er gerade noch mittels des Stromsensors erfasst werden kann. Der Mindeststrom kann zumindest im Wesentlichen Null betragen.
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Die Koppelanordnung kann eine Koppelmatrix aufweisen, wobei Zeilen der Koppelmatrix jeweils einer Leistungseinheit und Spalten der Koppelmatrix jeweils einer Ladepunkteinheit zugeordnet sind.
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Um einen kompakten Aufbau der Ladevorrichtung zu erzielen und eine gute Wartbarkeit der Ladevorrichtung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Koppelanordnung mindestens einen Gestellrahmen (Rack) aufweist, der zur Aufnahme mehrerer Schaltungsträger der Koppelanordnung ausgebildet ist, wobei auf jeweils einem dieser Schaltungsträger Schaltelemente einer Zeile der Koppelmatrix angeordnet sind. Die Schaltelemente und ggf. weitere Bauteile, die einer Zeile der Koppelmatrix zugeordnet sind, werden im Weiteren auch als Schaltbaugruppe bezeichnet. Bei dem Schaltungsträger kann es sich z. B. um eine Leiterplatte handeln. Der Aufbau der Koppelanordnung als ein Gestellrahmen mit den Schaltungsträgern ist kompakt und kostengünstig.
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Des Weiteren ist die so aufgebaute Koppelanordnung hinsichtlich der Anzahl der Ladepunkteinheiten einfach durch Kaskadierung der Schaltungsträger skalierbar. So kann beispielsweise die Koppelanordnung mehrere Gestellrahmen aufweisen, die unterschiedlichen Spalten der Koppelmatrix zugeordnet sind, wobei die Schaltungsträger jeweils einen Teil der Schaltungselemente dieser Zeile der Koppelmatrix aufweisen.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Gestellrahmen zur Aufnahme mehrere Schaltungsträger, auf der ein oder mehrere Schaltelemente derselben Zeile der Koppelmatrix angeordnet sind, ausgebildet ist. In beiden Fällen umfasst eine einzige Schaltbaugruppe mehrere kaskadierte Schaltungsträger. Die Schaltungsträger können als Standardbauteile hergestellt werden, die in jeder Ladevorrichtung unabhängig von deren Anzahl der Ladepunkeinheiten eingesetzt werden können.
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Um einen Austausch einzelner Schaltungsträger, insbesondere im laufenden Betrieb der Ladevorrichtung, zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Schaltungsträger mittels eines Steckverbinders lösbar mit dem Gestellrahmen verbindbar ist.
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Als weitere Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ladevorrichtung zum Laden mindestens eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von elektrischer Leistung zum Laden des Elektrofahrzeugs mittels mehrerer elektrischer Leistungseinheiten; Verbinden der Ladevorrichtung mit dem Elektrofahrzeug mittels mindestens einer Ladepunkteinheit; Ansteuern von Schaltelementen einer Koppelanordnung der Ladevorrichtung, um die Ladepunkteinheit wahlweise mit mindestens einer Leistungseinheit derart zu verbinden, dass elektrische Leistung von der mindestens einen Leistungseinheit zu der Ladepunkteinheit zum Laden des Elektrofahrzeugs übertragen wird; und Verhindern des Umschaltens der einzelnen Schaltelemente, während durch die entsprechenden Schaltelemente ein Mindeststrom fließt. Mit diesem Verfahren können die hier im Zusammenhang mit der Schaltvorrichtung beschriebenen Vorteile verwirklicht werden. Insbesondere kann gemäß dem Verfahren eine hier beschriebene Ladevorrichtung betrieben werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den nachfolgend anhand einzelner Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm einer Ladevorrichtung zum Laden eines Elektrofahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung einer Koppelanordnung der Ladevorrichtung aus 1;
- 3 einen Schaltungsträger der Koppelanordnung aus 2;
- 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Ladevorrichtung; und
- 5 bis 7 verschiedene Schaltzustände einzelner Schaltelemente der Koppelanordnung aus 2.
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1 zeigt eine Ladevorrichtung 11 zum Laden mehrerer Elektrofahrzeuge. Die Ladevorrichtung 11 weist eine zentrale Leistungselektronik 13 sowie mehrere an die zentrale Leistungselektronik 13 angeschlossene Ladepunkteinheiten 15 auf. Wie in 1 für eine Ladepunkteinheit 15 gestrichelt dargestellt, können an die einzelnen Ladepunkteinheiten 15 mittels eines Ladekabels 17, das geeignete Ladesteckverbinder 19 aufweist, mit einem Elektrofahrzeug 21 elektrisch verbunden werden. Das Ladekabel 17 und die Ladesteckverbindung 19 können gemäß eines Standards zum Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere zum Laden von Elektrofahrzeugen mit Gleichstrom, ausgeführt sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um das Combined Charging System (CCS) handeln. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Ende des Ladekabels 17 fest (d.h. ohne Steckverbinder) mit der Ladepunkteinheit 15 verbunden ist. In diesem Fall ist der Ladesteckverbinder 19 lediglich an einem fahrzeugseitigen Ende des Ladekabels 17 angebracht.
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Da die Ladevorrichtung 11 mehrere Ladepunkteinheiten 15 aufweist, eignet sie sich besonders zum Aufbau von Ladeparks für Elektrofahrzeuge 21, wo mehrere Parkplätze für diese Fahrzeuge 21 vorhanden sind. Hierbei sind die einzelnen Ladepunkteinheiten 15 an den einzelnen Parkplätzen räumlich abgesetzt von der zentralen Leistungselektronik 13 angeordnet. Die zentrale Leistungselektronik 13 lässt sich dann z. B. in einem Container oder Gebäude unterbringen.
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Die Ladevorrichtung 11 weist außerdem eine Netzanschlusseinrichtung 23 auf, die zum Anschluss der zentralen Leistungselektronik 13 an ein Energieversorgungsnetz 25 eingerichtet ist. Da im hier beschriebenen Szenario mehrere Fahrzeuge 21 mit relativ hohen Leistungen schnell geladen werden sollen, handelt es sich bei dem Energieversorgungsnetz 25 um ein Mittelspannungsnetz. Dementsprechend weist die Netzanschlusseinrichtung 23 einen Mittelspannungstransformator auf, der die dem Mittelspannungsnetz 25 entnommene Spannung AC (Drehspannung oder Wechselspannung) in eine Niederspannung umwandelt. Dem Mittelspannungstransformator ist eine Niederspannungshauptverteilung (NSHV) nachgeschaltet, die einzelne Komponenten der zentralen Leistungselektronik 13, insbesondere Leistungseinheiten 27 der zentralen Leistungselektronik 13, mit einer Sekundärseite des Mittelspannungstransformators verbindet. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Netzanschlusseinrichtung 23 mehrere Mittelspannungstransformatoren auf, wobei jede Leistungseinheit 27 über die entsprechend ausgelegte NSHV mit der Sekundärseite genau einer dieser Mittelspannungstransformatoren verbunden ist. Abweichend von dem gezeigten Beispiel kann eine andere Netzanschlusseinrichtung 23 vorgesehen sein, die zum Anschluss der zentralen Leistungselektronik 13 an ein Niederspannungsnetz eingerichtet ist und somit keinen Mittelspannungstransformator aufweist.
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Die Leistungseinheiten 27 sind dazu eingerichtet, die ihnen über die Niederspannungshauptverteilung zugeführte Niederspannung (z. B. 400 Volt oder 460 Volt bei drei Phasen) in eine Gleichspannung DC umzuwandeln. Insbesondere bei Verwendungen des CCS-Standards sind die Leistungseinheiten 27 so ausgelegt, dass sie eine im Bereich von beispielsweise 200 Volt bis 1000 Volt einstellbare Gleichspannung erzeugen können. Die einzelnen Leistungseinheiten 27 weisen jeweils eine Sicherungsschaltung 38 auf, die zum Abschalten der Gleichspannung DC am Ausgang der jeweiligen Leistungseinheit 27 aktivierbar ist. Die Sicherungsschaltung 38 kann infolge eines Fehlers innerhalb der jeweiligen Leistungseinheit 27 oder bei Empfang einer Steuernachricht aktiviert werden.
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Die einzelnen Leistungseinheiten 27 sind über eine Koppelanordnung 29 der zentralen Leistungselektronik 13 mit den einzelnen Ladepunkteinheiten 15 verbunden. Die Koppelanordnung 29 weist mehrere elektrisch steuerbare Schaltelemente 31 auf. Die Schaltelemente 31 sind so ansteuerbar, dass eine bestimmte Ladepunkteinheit 15 mit einer während des Betriebs der Ladevorrichtung 11 ausgewählten Leistungseinheit 27 oder mehreren Leistungseinheiten 27 derart verbunden wird, dass elektrische Leistung von der entsprechenden Leistungseinheit 27 bzw. den entsprechenden Leistungseinheiten 27 zu der Ladepunkteinheit 15 zum Laden des Elektrofahrzeugs 21 übertragen wird. Es ist also möglich, wahlweise einer Ladepunkteinheit 15 nur eine einzige Leistungseinheit 27 zuzuordnen oder durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente 31 einer einzelnen Ladepunkteinheit 15 mehrere Leistungseinheiten 27 zuzuordnen, wobei deren Gleichspannungsausgänge dann parallel geschaltet sind. Die Zuordnung mehrerer Leistungseinheiten 27 zu einer einzigen Ladepunkteinheit 15 kann in Fällen erfolgen, wo die elektrische Ausgangsleistung einer einzigen Leistungseinheit 27 geringer ist als die für das Laden des Fahrzeugs 21 benötigte oder gewünschte elektrische Leistung.
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Die Koppelanordnung 29 weist Stromsensoren 33 auf, wobei ein einzelner Stromsensor 33 einer bestimmten Leistungseinheit 27 zugeordnet ist und zum Erfassen eines aus dieser Leistungseinheit 27 oder in diese Leistungseinheit 27 rückgespeisten Stroms eingerichtet ist. Im gezeigten Beispiel entspricht die Anzahl der Stromsensoren 33 der Anzahl der Leistungseinheiten 27.
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Die Ladevorrichtung 11 weist eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, ein Ansteuern der Schaltelemente 31 zum Umschalten der einzelnen Schaltelemente 31 zu verhindern, während durch diese Schaltelemente ein Mindeststrom fließt. Dieser durch die Schaltelemente 31 fließende Strom kann über die Stromsensoren 33 erfasst werden. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei den Schaltelementen 31 um mechanische Schalter wie beispielsweise Relais oder Schütze. Beim Betrieb derartiger Schaltelemente 31 ist ein durch die Konstruktion dieser Schaltelemente 31 vorgegebener maximal zulässiger Schaltstrom zu beachten. Sollte das Schaltelement 31 betätigt werden, während der durch dieses Schaltelement 31 fließende Strom den maximal zulässigen Schaltstrom überschreitet, ist ein sicheres und verschleißarmes Schalten nicht gewährleistet. Insbesondere beim Schalten von Gleichströmen kann es zu einer unerwünschten Lichtbogenbildung kommen. Das Verhindern des Schaltens bei Erreichen oder Überschreiten des Mindeststroms stellt also eine Funktionalität zur Gewährleistung der eigenen Sicherheit der Ladevorrichtung 11, insbesondere der Koppelanordnung 29, dar. Für den Mindeststrom kann ein geeigneter Wert gewählt werden, der den maximal zulässigen Schaltstrom nicht überschreitet. Es kann z.B. ein Wert gewählt werden, der im Wesentlichen einem Strom von Null oder nahezu Null entspricht. Beispielsweise kann ein Mindeststrom gewählt werden, der so gering ist, dass er von den verwendeten Stromsensoren 33 nicht mehr erfasst werden kann. Durch das Verhindern des Umschaltens der Schaltelemente 31 bei einem Strom, der mindestens so groß ist wie der Mindeststrom, ist es möglich, relativ kompakte und kostengünstige Schaltelemente 31 einzusetzen, die für einen geringen Schaltstrom bei einer zu schaltenden Gleichspannung ausgelegt sind. Insbesondere brauchen relativ teure Gleichspannungsschütze nicht verwendet zu werden, die jeweils eine Einrichtung zum Löschen eines durch das Schalten unter Strom entstehenden Lichtbogens verfügen. Bei den Schaltelementen 31 kann es sich also um Schütze oder Relais, die zum Schalten von Wechselströmen ausgelegt sind, handeln.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung verteilt, das heißt, zu der Steuereinrichtung gehören neben einem zentralen Steuergerät 34 auch in die Koppelanordnung 29 integrierte weitere Steuergeräte. Ferner können auch die Ladepunkteinheiten 15 Steuergeräte aufweisen, die als Ladepunktsteuergeräte 35 bezeichnet werden sollen. Entsprechend können die Leistungseinheiten 27 Leistungseinheitssteuergeräte 37 aufweisen. Die einzelnen Steuergeräte 34, 35, 37 der Steuereinrichtung sind mittels geeigneter Kommunikationseinrichtungen wie beispielsweise Busse oder Kommunikationsnetze miteinander verbunden (in 1 nicht dargestellt). Die Steuergeräte 34, 35, 37 können mittels einer geeigneten Kombination von Hardware und Software implementiert sein. Beispielsweise können die Steuergeräte 34, 35, 37 einen programmierbaren Rechner, der Teil eines Mikrocontrollers sein kann, aufweisen. Einzelne Funktionen der Steuergeräte 34, 35, 37 können auch mittels digitaler Logik realisiert sein, wie beispielsweise durch FPGAs oder ASICs. Es ist mindestens ein Computerprogramm vorgesehen, das die hier beschriebenen Funktionen, insbesondere Schritte des hier beschriebenen Verfahrens, ausführt, wenn das Programm auf einem programmierbaren Rechner zumindest eines der Steuergeräte 34, 35, 37 zum Ablauf gebracht wird.
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Die Koppelanordnung 29 kann eine Koppelmatrix 39 aufweisen oder von einer solchen gebildet sein. Die Koppelmatrix 39 weist mehrere Zeilen mit Leitern oder Schienen auf, die jeweils mit dem Ausgang einer Leistungseinheit 27 verbunden ist. Somit entspricht die Anzahl der Zeilen der Anzahl der Leistungseinheiten 27. Ferner sind spaltenweise angeordnete Leiter oder Schienen vorgesehen, die mit Gleichspannungseingängen jeweils einer Ladepunkteinheit 15 verbunden sind. Dementsprechend entspricht die Anzahl der Spalten der Anzahl der Ladepunkteinheiten 15. An den Schnittpunkten der Zeilen und Spalten sind die einzelnen Schaltelemente 31 angeordnet. Um die Matrix-Topologie der Koppelanordnung 29 zu illustrieren, wurden die Schaltelemente in 1 der Einfachheit halber als einpolige Schalter dargestellt. Da die Koppelanordnung 29, insbesondere deren Koppelmatrix 39, zum Verbinden eines Gleichspannungseingangs einer Ladepunkteinheit 15 mit dem Gleichspannungsausgang mindestens einer Leistungseinheit 27 eingerichtet ist, sind die einzelnen Schaltelemente 31 als zweipolige Schalter ausgebildet. Wie oben beschrieben, kann es sich hierbei beispielsweise um Relais oder Schütze handeln.
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Mit Zeilen bzw. Spalten werden hier lediglich die beiden Dimensionen der insgesamt zweidimensionalen Matrixstruktur 39 bezeichnet. Genauso ließen sich die mit den Eingängen der Ladepunkteinheit 15 verbundenen Leiter bzw. Schienen als Zeilen bezeichnen und die mit den Ausgängen der einzelnen Leistungseinheiten 27 verbundenen Leiter oder Schienen als Spalten bezeichnen.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Schaltelemente 31, die zu der als „Zeile“ bezeichneten Dimension der Matrix 39, die einer bestimmten Leistungseinheit 27 zugeordnet sind, zu einer Schaltbaugruppe 41 zusammengefasst. Eine solche Schaltbaugruppe 41 umfasst also die Bauteile zumindest eines Teils einer Zeile der Koppelmatrix 39.
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2 zeigt den mechanischen Aufbau der Koppelmatrix 39. Hierbei weist jede Schaltbaugruppe 41 mindestens einen Schaltungsträger 43 auf, auf dem die Bauteile mindestens eines Teils einer Zeile der Koppelmatrix 39 angeordnet sind, wobei diese Bauteile einer bestimmten Leistungseinheit 27 zugeordnet sind. Bei dem Schaltungsträger 43 kann es sich z.B. um Leiterplatten handeln. Die einzelnen Schaltungsträger 43 sind mit jeweils einer ihnen zugeordneten Leistungseinheit 27 verbunden.
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Die einzelnen Schaltungsträger 43 sind in einem auch als „Rack“ bezeichneten Gestellrahmen 45 angeordnet. Der Gestellrahmen 45 weist mehrere den einzelnen Spalten der Koppelmatrix 39 zugeordnete zweipolige Gleichstromleitungen 47 auf. Die Schaltbaugruppe 41 bzw. deren Schaltungsträger 43 sind über Steckverbinder 49 mit den einzelnen Gleichstromleitungen 47 so lösbar verbunden, dass die einzelnen Schaltbaugruppen 41, insbesondere zu Wartungszwecken, aus dem Gestellrahmen 45 der Schaltmatrix 39 entnommen und in diesen wieder eingesetzt werden können.
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In 3 ist eine Draufsicht auf einen in 2 gezeigten Schaltungsträger 43 gezeigt. Man erkennt die einzelnen einer bestimmten Zeile der Koppelmatrix 39 zugeordnete Schaltelemente 31, von denen der Übersichtlichkeit halber zwei gezeigt sind. Zusätzlich zum Stromsensor 33 zum Erfassen des aus der jeweiligen Leistungseinheit entnommenen bzw. in diese rückgespeisten Stroms weist die Schaltbaugruppe 41 auch Spannungssensoren 51 auf. Die Spannungssensoren sind zum Messen der an den einzelnen Gleichstromleitungen 47 anliegenden Gleichspannung eingerichtet. Die Spannungssensoren 51 sind zum Durchführen eines Selbsttests der einzelnen Schaltelemente 31 (sog. Klebetest) verwendbar. Schließlich weist der Schaltungsträger 43 ein Schaltbaugruppensteuergerät 53 auf, das zu der verteilten Steuereinrichtung der Ladevorrichtung gehört. Das Schaltbaugruppensteuergerät 53 kann einen programmierbaren Rechner mit Programmspeicher aufweisen, der einen Teil eines Mikrocontrollers bilden kann oder ein FPGA beinhalten kann.
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Wie in 3 gestrichelt dargestellt, lassen sich mehrere Schaltungsträger 43 kaskadieren, um Schaltbaugruppen 41 aufzubauen, die eine größere Anzahl an Ausgängen (den einzelnen Ladepunkteinheiten 15 zugeordneten Spalten) aufweisen als auf einem Schaltungsträger 43 sinnvoll angeordnet werden können. Eine Schaltbaugruppe 41 kann also mehrere Schaltungsträger 41 umfassen. Solche größere durch Kaskadierung mehrerer Schaltungsträger 43 gebildete Schaltbaugruppen 41 können beispielsweise in mehreren Gestellrahmen 45 angeordnet sein, die beispielsweise nebeneinander platziert sind. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass eine Zeile eines einzelnen Gestellrahmens 45 zur Aufnahme mehrerer Schaltungsträger 43, die unterschiedlichen Spalten zugeordnet sind, eingerichtet ist.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 45 zum Betreiben der Ladevorrichtung 11. Nach einem Start 57 des Verfahrens wird ein Schritt 59 ausgeführt, der einen Selbsttest der Ladevorrichtung 11 umfasst. Zu diesem Selbsttest gehört ein sog. „Klebetest“ zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der einzelnen Schaltelemente 31. Bei diesem Klebetest steuert die Steuereinrichtung, beispielsweise das Schaltbaugruppensteuergerät 53, die Schaltelemente 31 einer Zeile der Koppelmatrix an, nachdem die Steuereinrichtung die entsprechende Leistungseinheit 27 so angesteuert hat, dass an sie an ihrem Ausgang eine Gleichspannung DC anlegt, die hinreichend groß ist, um mittels der Spannungssensoren 51 erfasst werden zu können. Bei dem Klebetest wird jedes Schaltelement 31 der entsprechenden Zeile bzw. Schaltbaugruppe 41 so angesteuert, dass es für eine bestimmte Dauer geschlossen ist und für eine bestimmte Dauer geöffnet ist. Währenddessen wird überprüft, ob die Spannungen an beiden Seiten der einzelnen Schaltelemente 31 sich voneinander unterscheiden, wenn die jeweiligen Schaltelemente 31 geöffnet sind. Hierbei kann beispielsweise überprüft werden, ob die mittels der jeweiligen Spannungssensoren 51 erfasste Spannung im Falle des jeweiligen geschlossenen Schaltelements 31 sich von Null zumindest im Wesentlichen unterscheidet. Sollte dies der Fall sein, wird das entsprechende Schaltelement 31 als funktionsfähig betrachtet. Sollte dies nicht der Fall sein, wird ein Fehler in dem jeweiligen Schaltelement 31 erkannt.
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Darüber hinaus kann auch überprüft werden, ob die Spannungen an den beiden Seiten der einzelnen Schaltelemente 31 zumindest im Wesentlichen gleich sind, wenn die jeweiligen Schaltelemente 31 geschlossen sind. Hierbei kann beispielsweise überprüft werden, ob die mittels des jeweiligen Spannungssensors 51 erfasst Spannung zumindest im Wesentlichen der eingestellten Spannung am Ausgang der entsprechenden Leistungseinheit 27 entspricht. Sollte dies der Fall sein, wird das entsprechende Schaltelement 31 als funktionsfähig betrachtet. Andernfalls wird ein Fehler in dem jeweiligen Schaltelement 31 erkannt.
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Der Fehler kann protokolliert und zum Zwecke der Fernwartung weitergemeldet werden. Es kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen eines Fehlers die Ladevorrichtung 11 außer Betrieb gesetzt wird.
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In einem auf den Schritt 59 folgenden Schritt 61 wird überprüft, welche Leistungseinheiten 27 einer bestimmten Ladepunkteinheit 15 zugeordnet werden sollen. Diese Überprüfung kann in Abhängigkeit von über das Ladekabel 17 vom entsprechenden Elektrofahrzeug 21 übertragenen Informationen erfolgen. Diese Informationen können eine vom jeweiligen Fahrzeug 21 benötigte Ladespannung, einen vom Fahrzeug 21 gewünschten Ladestrom und/oder eine vom Fahrzeug 21 angeforderte Ladeleistung umfassen. Es kann vorgehen sein, dass der gewünschte Ladestrom bzw. die angeforderte Ladeleistung in Abhängigkeit von auf einen Kunden (Nutzer des Fahrzeugs 21) bezogenen Tarifinformationen begrenzt werden. Im Einzelnen kann im Schritt 61 festgestellt werden, dass eine einzige Leistungseinheit 27 ausreicht, um einen gewünschten Strom bzw. eine gewünschte Leistung für das jeweilige Fahrzeug 21 bereitzustellen. Sollte festgestellt werden, dass eine einzige Leistungseinheit 27 ausreicht, dann wird genau eine Leistungseinheit identifiziert, die der Ladepunkteinheit 15 zugeordnet werden soll. Sollte aber die Leistung bzw. der Strom einer einzelnen Leistungseinheit 27 zum Laden eines bestimmten Fahrzeugs 21 nicht ausreichen, dann werden im Schritt 61 mehrere Leistungseinheiten 27 identifiziert, die einer einzigen Ladepunkteinheit 15 zugeordnet werden. Es kann vorgehen sein, dass - beispielsweise bei der Planung der Ladevorrichtung 11 - eine maximal Anzahl der an eine einzige Ladepunkteinheit 15 anzuschließenden Leistungseinheiten 27 vorgegeben und in der Steueranordnung gespeichert wird. Der Schritt 61 umfasst dann ein Begrenzen der Anzahl der einer einzigen Ladepunkteinheit 15 zugeordneten Leistungseinheiten 27 auf die vorgegebene und gespeicherte maximale Anzahl.
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Anschließend werden in einem Schritt 63 Stellbefehle für die einzelnen Schaltelemente 31 anhand des Ergebnisses des Schritts 61 ermittelt. Diesen Stellbefehlen entsprechende Zustände (offen oder geschlossen) der Schaltelemente 31 sind in den 5 bis 7 dargestellt, wobei ein Punkt ein geschlossenes Schaltelement 31 darstellt. Die Steuereinrichtung steuert die Schaltelemente 31 gemäß den Stellbefehlen an, sodass diese entweder geöffnet oder geschlossen sind. In einem Teilschritt 64 des Schritts 63 erfasst die Steuereinrichtung mittels der Stromsensoren 33 die Ströme an den Ausgängen der Leistungseinheiten 27. In Abhängigkeit von den erfassten Strömen verhindert der Teilschritt 64 ein Umschalten, d.h. ein Betätigen, der einzelnen Schaltelemente 31, während bzw. solange durch die jeweiligen Schaltelemente 31 betragsmäßig ein vorgegebener Mindeststrom fließt. Dazu kann jeder erfasste Strom mit einem Schwellwert verglichen werden, der den Mindeststrom charakterisiert. Der Schwellwert kann einem geringen Strom entsprechen. Der Schwellwert kann beispielsweise Null betragen; dann entspricht der Mindeststrom dem kleinsten gerade noch von den Stromsensoren 33 erfassbaren Strom. Alternativ dazu kann ein höherer Mindeststrom bzw. ein Schwellwert gewählt werden, der einem Strom entspricht, der einen zulässigen Schaltstrom der Schaltelemente 31 nicht übersteigt. Der Schritt 63 und/oder dessen Teilschritt 64 kann vom Schaltbaugruppensteuergerät 53 ausgeführt werden.
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In 5 wird ein Beispiel einer Ladevorrichtung 11 gezeigt, deren Koppelmatrix 39 sechs Zeilen und sechs Spalten aufweist und somit sechs Leistungseinheiten 27 und sechs Ladepunkteinheiten 15 vorhanden sind. Im Allgemeinen entspricht die Anzahl der Zeilen der Koppelmatrix 39 der Anzahl der Leistungseinheiten 27 der Ladevorrichtung 11 und die Anzahl der Spalten der Koppelmatrix 39 der Anzahl der Ladepunkteinheiten 15 der Ladevorrichtung 11. Die Anzahlen der Leistungseinheiten 15 und der Ladepunkteinheiten 27 können beliebig gewählt werden. Insbesondere muss die Anzahl der Leistungseinheiten nicht der Anzahl der Ladepunkteinheiten entsprechen. Die geschlossenen Schaltelemente 31 sind als Punkte in der schematisch mit gestrichelten Linien dargestellten Koppelmatrix 39 dargestellt. In dem in 5 gezeigten Szenario ist an jeder Ladepunkteinheit 15 jeweils ein Elektrofahrzeug 21 angeschlossen, das eine relativ geringe Ladeleistung benötigt. Dementsprechend sind nur die auf einer Diagonalen der Matrix 39 liegende Schaltelemente 31 geschlossen, so dass jede Ladepunkteinheit 15 mit genau einer Leistungseinheit 27 verbunden ist.
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In 6 ist ein Szenario illustriert, bei dem an den Ladepunkteinheiten 15, die mit LP1 und LP6 bezeichnet sind, jeweils ein Fahrzeug angeschlossen ist, das eine vergleichsweise große Leistung zum Laden benötigt. An den Ladepunkteinheiten LP2 und LP4 sind Fahrzeuge 21 angeschlossen, die eine vergleichsweise geringe Ladeleistung benötigen. Die Ladepunkteinheiten LP3 und LP5 sind frei, d.h. nicht an ein Fahrzeug angeschlossen. Um an die an die Ladepunkteinheiten LP1 und LP6 angeschlossenen Fahrzeuge eine vergleichsweise große elektrische Leistung liefern zu können, werden in den entsprechenden Spalten jeweils zwei Schaltelemente 31 geschlossen. Die Ladepunkteinheit LP1 ist somit mit den beiden Leistungseinheiten LE1 und LE2 und die Ladepunkteinheit LP6 ist mit den beiden Leistungseinheiten LE5 und LE6 verbunden. Nimmt man an, dass alle Leistungseinheiten 27 dieselbe Leistung aufweisen, ergibt sich somit eine verdoppelte elektrische Leistung für die Fahrzeuge, die an die Ladepunkteinheiten LP1 und LP6 angeschlossen sind. Dahingegen können die Fahrzeuge, die an die Ladepunkteinheiten LP2 und LP4 angeschlossen sind, lediglich die einfache Ladeleistung, die von einer einzelnen Leistungseinheit 27 bereitgestellt werden kann, beziehen. Abweichend von dem in 6 gezeigten Szenario können auch mehr als zwei Schaltelemente 31 einer Spalte der Koppelmatrix 39 gleichzeitig geschlossen werden, um mehr als zwei Leistungseinheiten 27 mit einer einzigen Ladepunkteinheit 15 zu verbinden, sodass das an diese Ladepunkteinheit 27 angeschlossenes Fahrzeug 21 mit einem noch höheren Strom geladen werden kann.
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In einem Schritt 65 führt die Ladevorrichtung 11 Ladevorgänge zum Laden der Akkus der einzelnen Fahrzeuge 21 durch. Hierbei werden die einzelnen Leistungseinheiten 27 so eingestellt, dass sie die für die jeweiligen Fahrzeuge 21 passende Spannung liefern, sodass elektrische Leistung zum Laden des jeweiligen Fahrzeugs 21 von den jeweiligen Leistungseinheiten 27 bereitgestellt wird. Des Weiteren unterhalten die Ladepunkteinheiten 15, gesteuert durch deren Ladepunktsteuergeräte 35, eine Kommunikationsverbindung in den jeweiligen Fahrzeugen 21, um den Status des jeweiligen Ladevorgangs zu überwachen. Hierbei können die Ladepunkteinheiten 15 Nachrichten vom jeweiligen Fahrzeug 21 empfangen und innerhalb der Steuereinrichtung weiterleiten. Solche Nachrichten können beispielsweise vom Fahrzeug 21 erzeugte Statusmeldungen umfassen, beispielsweise einen Not-Stopp-Befehl. Die Steuereinrichtung kann dazu programmiert sein, den Ladevorgang für ein bestimmtes Fahrzeug abzubrechen, wenn eine solche Statusmeldung empfangen wird. Soll der Ladevorgang abgebrochen werden, dann wird die Sicherungsschaltung 38 der betroffenen Leistungseinheiten 27 aktiviert (beispielsweise indem ein Schaltbaugruppensteuergerät 53 eine Steuernachricht an die betroffen Leistungseinheit 27 schickt), um die Gleichspannung DC von den Ausgängen dieser Leistungseinheiten 27 wegzunehmen.
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Das Verfahren umfasst außerdem einen Schritt 67 zum Ausschließen einzelner Leistungseinheiten 27 aus dem Wirkbetrieb der Ladevorrichtung 11. Ein solches Ausschließen ermöglicht beispielsweise Wartungsarbeit an der entsprechenden Leistungseinheit 27 bzw. der entsprechenden Schaltbaugruppe 41. Das Ausschließen, auch als Abtrennen bezeichnet, kann durch eine innerhalb der Ladevorrichtung 11 erzeugte Fehlermeldung und/oder eines von der Steuereinrichtung empfangenen Befehls ausgelöst werden. Beispielsweise kann der Befehl über ein Bedienterminal des zentralen Steuergeräts 34 oder durch eine Kommunikationsschnittstelle des zentralen Steuergeräts 34 empfangen werden. Auf der Grundlage der Fehlermeldung bzw. des Befehls wird die abzutrennende Leistungseinheit 27 identifiziert und alle Schaltelemente 31, die zu der dieser Leistungseinheit 27 zugeordneten Zeile der Matrix 39 gehören, geöffnet. Alle weiteren Leistungseinheiten 27 sowie sämtliche Ladepunkteinheiten 15 können weiter betrieben werden. Schritt 67 ermöglicht somit den Betrieb der Ladevorrichtung 11 bei einer oder mehreren abgetrennten Leistungseinheiten 27 bzw. Schaltungsbaugruppen 41.
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In 7 ist ein Beispiel gezeigt, wo die schraffiert dargestellte Leistungseinheit LE1 abgetrennt, d.h. vom Wirkbetrieb der Ladevorrichtung 11 ausgeschlossen ist. Die Ladepunkteinheit LP1 wird durch die Leistungseinheit LE4 versorgt. Die Leistungseinheit LE5 ist an die Ladepunkteinheit LP3 und die Leistungseinheit LE6 an die Ladepunkteinheit LP6 angeschlossen. An der Ladepunkteinheit LP2 wurde eine höhere Ladeleistung angefordert. Deshalb sind die beiden Leistungseinheiten LE2 und LE3 an die Ladepunkteinheit LP2 angeschlossen, d.h. parallel geschaltet. Sollte nun zusätzlich durch ein weiteres Fahrzeug 21 Leistung an der Ladepunkteinheit LP5 angefordert werden, kann vorgesehen werden, dass die Bereitstellung in der Leistung an LP5 eine gewisse Zeit verzögert wird und/oder die Parallelschaltung der Leistungseinheiten LE2 und LE3 aufgehoben werden, so dass beispielsweise die Leistungseinheit LE3 an die Ladepunkteinheit LE5 angeschlossen werden kann.
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Das Verfahren 55 wird regelmäßig, zum Beispiel periodisch und/oder nach Auftreten eines vorgegebenen Ereignisses beim Betrieb der Ladevorrichtung 11 ausgeführt. Ein solches vorgegebenes Ereignis kann das Anschließen und/oder Abtrennen eines Fahrzeugs an bzw. von der Ladevorrichtung 11 durch einen Benutzer und/oder das Erreichen eines bestimmten Ladestands (z. B. teilweise oder vollständige Ladung) des Akkus eines Fahrzeugs umfassen. Durch das regelmäßige Ausführen des Verfahrens kann die Koppelmatrix während des laufenden Ladebetriebs umkonfiguriert werden, d. h. einzelne Schaltelemente 31 können umgeschaltet werden. Auf diese Weise kann etwa bei Vorliegen eines neuen Ladewunsches nach Anschließen eines weiteren Fahrzeugs 21 an die Ladevorrichtung 11 eine Leistungseinheit 27 von einem Fahrzeug 21 abgetrennt und dem weiteren Fahrzeug zugeteilt werden.
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Zusammengefasst weist die hier beschriebene Ladevorrichtung eine kostengünstig realisierbare Koppelanordnung 29 auf, deren Schaltelemente 31 für einen sehr geringen Schaltstrom ausgelegt sein können. Darüber hinaus ist ein Betrieb der Ladevorrichtung 11 bei Ausfall einer Leistungseinheit 27 und/oder der Schaltbaugruppe 41 möglich. Einzelne Leistungseinheiten 27 und/oder Schaltbaugruppen 41 können im laufenden Betrieb der Ladevorrichtung 11 abgetrennt werden, so dass ein Austausch oder eine Wartung dieser Bauteile 27, 41 möglich ist, ohne die Verfügbarkeit der Ladevorrichtung 11 zu beeinträchtigen. Die Spannungsüberwachung, insbesondere der Klebetest, und die Abschaltung der Leistungseinheiten 27 durch Ansteuerung der Sicherungsschaltung 38 im Falle eines Fehlers tragen zu einer hohen Betriebssicherheit der Ladevorrichtung 11 bei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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