DE202011004515U1

DE202011004515U1 - Vorrichtung zum sicheren Betrieb einer Ladestation mit Rückspeisung

Info

Publication number: DE202011004515U1
Application number: DE202011004515U
Authority: DE
Original assignee: Dipl-Ing Walther Bender & Co KG GmbH; Walther Bender & Co KG Dipl Ing GmbH
Current assignee: Bender GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-10-07
Anticipated expiration: 2021-03-31

Abstract

Vorrichtung zum sicheren Betrieb einer Ladestation mit Rückspeisung für Elektrofahrzeuge, mit elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtungen als fahrzeugbezogene (36, 38) und ladestationbezogeungen ausgebildet sind und für unterschiedliche Betriebsarten einschließlich der Rückspeisung ausgelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum sicheren Betrieb einer Ladestation mit Rückspeisung für Elektrofahrzeuge, mit elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtungen.
Im Zuge der fortschreitenden Entwicklung zur Elektromobilität rücken auch die Betrachtungen zur elektrischen Sicherheit immer mehr in den Vordergrund. Dies betrifft zum einen das elektrische Gefährdungspotential, das direkt von dem fahrzeugeigenen Energieversorgungsnetz ausgeht. Dieses Energiebordnetz ist bei künftigen Elektrofahrzeugen in der Regel als isoliert aufgebautes Gleichspannungssystem (Hochvoltsystem) ausgelegt, das die Hochvoltverbraucher mit Energie versorgt. Isolationsfehler können zu Anlagenschäden führen und hohe Berührungsspannungen hervorrufen, die Personen gefährden. Da die elektrischen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs regelmäßig aufgeladen werden, sind zum anderen auch die Risiken zu beachten, die während des Ladevorgangs der elektrischen Energiespeicher an einer Ladestation bestehen. Eine Ladestation kann sich dabei im häuslichen Bereich befinden oder es kann sich um öffentlich zugängliche Ladestationen handeln. Demzufolge sind auch die Netzformen der die Ladestation speisenden Stromversorgungsnetze und daraus folgend die Lade-Betriebsarten unterschiedlich. So existieren ausgehend von geerdeten und ungeerdeten Stromversorgungssystemen verschiedene Betriebsarten wie beispielsweise das einphasige und dreiphasige Laden mit Wechsel- oder Gleich-Ladeströmen in unterschiedlicher Stärke. Zudem sind Ladestationen in Planung, die die Möglichkeit der Energierückspeisung von dem mobilen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs in das stationäre Stromversorgungsnetz erlauben.
Aus dem Aufeinandertreffen verschiedener Netzformen des Stromversorgungsnetzes und dem Gleichspannungsnetz im Elektrofahrzeug ergeben sich vielfältige Anforderungen an die elektrische Sicherheit für das Gesamtsystem Ladestation-Fahrzeug. Bisher wurde diesen sicherheitstechnischen Herausforderungen mit Einzelmaßnahmen begegnet, die jeweils getrennt im Elektrofahrzeug und in der Ladestation implementiert werden. So sind für stationäre Stromversorgungsnetze Isolationsüberwachungs- und Fehlerstromschutzeinrichtungen hinreichend bekannt und bewährt. Ebenso sind Isolationsüberwachungsgeräte für Hybrid-Fahrzeuge vorgeschlagen worden, die deren Hochvoltsystem auf das Isolationsniveau hin überwachen.
Nachteilig bei den bekannten Schutzmaßnahmen ist jedoch, dass sie nicht in ihrer Gesamtheit als übergreifendes elektrisches Sicherheitssystem verwirklicht sind und insbesondere nicht das Zusammenwirken von Ladung und Rückspeisung einbeziehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine universell einsetzbare Vorrichtung mit elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtungen zum sicheren Betrieb einer Ladestation mit Rückspeisung für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, die ein umfassendes Schutzkonzept verwirklicht und so möglichst vielen Betriebsarten einschließlich der Rückspeisung gerecht wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die implementierten Schutzeinrichtungen als fahrzeugbezogene und ladestationbezogene elektrische Schutzeinrichtungen ausgebildet sind und für unterschiedliche Betriebsarten einschließlich der Rückspeisung ausgelegt sind.
In vorteilhafter Weise bestehen die Schutzeinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Zusammenführung aus Schutzeinrichtungen, die die elektrische Sicherheit des Fahrzeugs gewährleisten mit Schutzeinrichtungen, die die elektrische Sicherheit der Ladestation garantieren. Durch die Kombination der fahrzeug- und ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen ergibt sich die Möglichkeit, deren Zusammenwirken im Sinne einer verbesserten elektrischen Sicherheit zum Schutz gegen elektrischen Schlag effektiver zu nutzen und auch die Rückspeisung der Energie von dem Elektrofahrzeug in das stationäre Stromversorgungsnetz mit in die Sicherheitsüberlegungen einzubeziehen. Durch die Auslegung der Schutzeinrichtungen für unterschiedliche normativ festgeschriebene Lade-Betriebsarten (Lade-Modi) und für die Rückspeisung ergibt sich eine universelle Einsetzbarkeit der Vorrichtung.
In zweckmäßiger Ausgestaltung weisen die fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen ein Isolationsüberwachungsgerät auf. Das Isolationsüberwachungsgerät prüft den Isolationswiderstand des Fahrzeugs vor dem Aufschalten der Batterie und während des Fahrbetriebs. Bei angedocktem Elektrofahrzeug kann durch den integrierten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Funktion des fahrzeugeigenen Isolationsüberwachungsgerätes von einer gleichartigen ladestationbezogenen Schutzeinrichtung übernommen werden.
Weiterhin weisen die fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen mit Vorteil ein Differenzstromüberwachungsgerät auf. Dieses Differenzstromüberwachungsgerät ist für Fahrzeuge mit Rückspeisefunktion erforderlich und überwacht den Differenzstrom im Rückspeisebetrieb.
Bevorzugt weisen die ladestationbezogenen Schutz- und Überwachungseinrichtungen ein Isolationsüberwachungsgerät auf. Bei einem Ladevorgang kann dieses Isolationsüberwachungsgerät die Funktion des fahrzeugeigenen Isolationsüberwachungsgerätes übernehmen und vor dem Aufschalten des Ladestroms das gesamte angeschlossene System bestehend aus Ladestation, Ladekabel und Elektrofahrzeug auf den Isolationswiderstand hin überprüfen.
Weiterhin umfassen die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen zweckmäßigerweise ein Differenzstromüberwachungsgerät. Diese Differenzstromüberwachungseinrichtung kontrolliert den Differenzstrom ladestationsseitig und veranlasst die Abschaltung der Ladestation, sobald der Differenzstrom einen vorher definierten Ansprechwert überschreitet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf Seiten der Ladestation einen elektronisch gesteuerten wiedereinschaltbaren Schutzschalter auf, der die Verbindung der Ladestation zu dem stationären Stromleitungsnetz auftrennen kann. Der Schutzschalter löst aus bei einer Überlast oder bei Erkennung eines zu hohen, von dem ladestationbezogenen Differenzstrommessgerät erkannten Differenzstrom. Mit Vorteil kann – sofern kein Fehler höherer Priorität vorliegt – eine Wiederzuschaltung nach erfolgreicher Freigabe durch das Isolationsüberwachungsgerät erfolgen. Ein Wiederzuschalten ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn sich das Isolationsniveau des Fahrzeugs im Grenzbereich bewegt und es während eines Ladezyklus zu einer Auslösung kommen kann.
Weiterhin weisen die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen ein Aufschaltrelais auf, das die eigentliche Aufschaltung der Ladestation zum Elektrofahrzeug vornimmt und im Fall der Rückspeisung bei Erkennung einer Abweichung der Einspeisespannung oder Einspeisefrequenz die Verbindung der Ladestation zum Elektrofahrzeug trennt.
Von Vorteil ist, dass die Vorrichtung ein Spannungs- und Frequenzüberwachungsgerät zur Überwachung der in ein stationäres Stromversorgungsnetz zurückzuspeisenden Leistung aufweist. Dieses Gerät kontrolliert die Einhaltung definierter Grenzwerte für die bestimmenden Parameter des rückzuspeisenden Energieflusses. Bei Überschreiten dieser Grenzwerte wird die Rückspeisung unterbrochen und das Fahrzeug von der Ladestation getrennt. Dazu wirkt das Spannungs- und Frequenzüberwachungsgerät mit dem ladestationbezogenen Aufschaltrelais oder, bei Verbauung außerhalb der Ladestation, mit einem externen Schaltrelais zusammen und gewährleistet auf diese Weise eine Überwachung von Amplitude, Frequenz und Phase der Einspeisespannung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Funktionen der fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen und der ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen sowie der Überwachungseinrichtungen in einer Kontrolleinrichtung verbaut, die in eine Leitungsverbindung zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug integriert ist. Die vorgenannten Schutzfunktionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit in wesentlichen Teilen in einer kompakten baulichen Einheit realisiert sein, die von dem Ladekabel aufgenommen werden kann. Dabei ist auch vorgesehen, dass zwei funktionsgleiche Schutzeinrichtungen, z. B. das fahrzeugbezogene und das ladestationbezogene Differenzstromüberwachungsgerät, in einem Gerät zusammengeführt werden. Auch können verschiedenartige Schutz- und Überwachungseinrichtungen wie die Isolationsüberwachung, die Differenzstromüberwachung und die Spannungs-/Frequenzüberwachung in einer Einheit integriert sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Beispielen erläutern. Es zeigen:
1: ein funktionales Blockschaltbild der elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine funktionale Darstellung einer Rückspeisung,
3: eine funktionale Darstellung einer Lade-Betriebsart Mode 1 Ladung,
4: eine funktionale Darstellung der Lade-Betriebsart Mode 2 Ladung,
5a, 5b: eine funktionale Darstellung der Lade-Betriebsart Mode 3 ohne und mit galvanischer Trennung,
6: eine funktionale Darstellung der Lade-Betriebsart DC-Ladung.
1 zeigt ein funktionales Blockschaltbild der fahrzeug- und ladestatonbezogenen Schutz- und Überwachungseinrichtungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2. Eine bidirektionale Ladestation 4 für Elektrofahrzeuge 6 wird über ein geerdetes 3-phasiges Stromversorgungsnetz 8 gespeist, dessen Spannung mit einer Überwachungsschaltung 10 in der Ladestation 4 kontrolliert wird. Ein Differenzstromüberwachungsgerät 12 erfasst im Fehlerfall einen Differenzstrom und bewirkt mittels eines elektronisch gesteuerten wiedereinschaltbaren Schutzschalters 14 eine Trennung der Ladestation 4 von dem Stromversorgungsnetz 8. Ein Isolationsüberwachungsgerät 16 überprüft bei einem an die Ladestation 4 angeschlossenen Elektrofahrzeug 6 vor dem Aufschalten der Ladestation 4 den Isolationswiderstand des gesamten Systems einschließlich des Elektrofahrzeugs 6 und eines Ladekabels 18. Wird ein zulässiger Wert des Isolationswiderstands, von z. B. 1 MOhm, ermittelt, wird die Ladung freigegeben. Nach dem Aufschalten der Ladestation 4 wird das Isolationsüberwachungsgerät 16 abgeschaltet und hochohmig gesetzt (> 1 MOhm nach Erde). Ein Aufschaltrelais 19 nimmt die Aufschaltung der Ladestation 4 vor und trennt die Verbindung im Fall der Rückspeisung bei Erkennung einer Abweichung der Einspeisespannung oder Einspeisefrequenz. Für den Fall der Rückspeisung der Energie von dem Elektrofahrzeug 6 über die Ladestation 4 in das stationäre Stromversorgungsnetz 8 wird die Einhaltung definierter Grenzwerte für die Spannung und Frequenz der rückzuspeisenden Energie durch ein Spannungs- und Frequenzüberwachungsgerät 20 kontrolliert. Damit ist sichergestellt, dass die einzuspeisende Wechselspannung entsprechend den Anforderungen des Stromversorgungsnetzes 8 bereitgestellt wird. Als zusätzliche normative Vorgabe umfasst die Ladestation 4 eine Steuersignaleinrichtung 22 über die den Ladevorgang betreffende Steuer- und Kontrolldaten zwischen Ladestation 4 und Elektrofahrzeug 6 ausgetauscht werden.
Das Elektrofahrzeug 6 weist als wesentliche elektrische Antriebskomponenten einen aufladbaren Energiespeicher 30, einen Elektromotor 34 sowie zu dessen Ansteuerung einen Umrichter 32 auf. Als maßgebliche Schutzeinrichtungen sind ein Isolationsüberwachungsgerät 36 und ein Differenzstromüberwachungsgerät 38 installiert. Das Isolationsüberwachungsgerät 36 ermittelt Isolationsfehler des Energiebordnetzes im Elektrofahrzeug 6 durch Messung des Isolationswiderstands und veranlasst im Fehlerfall einen Eintrag in einen Fehlerspeicher und/oder gibt eine für den Fahrer sichtbare Warnmeldung aus. Bei angedocktem Fahrzeug 6 kann die Funktion des fahrzeugseitigen Isolationsüberwachungsgerätes 36 im Rahmen der Prüfung des Gesamtsystems von dem der Ladestation 4 zugeordneten Isolationsüberwachungsgerät 16 übernommen werden.
Das Blockschaltbild in 1 gibt einen funktionalen Überblick über die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassten Schutzeinrichtungen zum Schutz gegen elektrischen Schlag wieder, die körperliche Anordnung der einzelnen Schutzeinrichtungen kann von der gezeigten funktionalen Darstellung abweichen. So können gemäß der funktionalen Darstellung einer Rückspeisung in 2 die ladestationbezogene und die fahrzeugbezogene Funktion der Differenzstromüberwachung 12, 38 in einem Differenzstromüberwachungsgerät 39 vereint sein, welches in einer Kontrolleinrichtung 40 verbaut ist, die in das Ladekabel 18 integriert ist. Bei Erkennen eines Fehlerstroms bewirkt das Differenzstromüberwachungsgerät 39 über in der Kontrolleinrichtung 40 befindliche Schaltmittel 42 die Trennung der Verbindung. Weiterhin beherbergt die Kontrolleinrichtung 40 die Spannungs- und Frequenzüberwachung 20, die über ein Schaltrelais 43 die Rückspeisung unterbricht, falls die rückzuspeisende Wechselspannung nicht den Anforderungen des Stromversorgungsnetzes 8 entspricht. Zur Kommunikation zwischen Ladestation 4 und Elektrofahrzeug 6 sind Komponenten der Steuersignaleinrichtung 22 in die Kontrolleinrichtung 40 integriert.
Das Elektrofahrzeug 6 weist als Schutzeinrichtung das Isolationsüberwachungsgerät 36 auf. Daneben sind in dem Elektrofahrzeug 6 der Energiespeicher 30 und der Elektromotor 34 sowie in der Ladestation 4 und in dem Elektrofahrzeug 6 weitere Komponenten der Steuersignaleinrichtung 22 dargestellt.
Die 3 bis 6 zeigen funktionale Darstellungen unterschiedlicher Lade-Betriebsarten (Lade-Modi), die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgedeckt werden können. Dabei sind als Untermenge einer vollständigen Implementierung nach 1 nur die für die jeweilige Lade-Betriebsart relevanten Schutzeinrichtungen aufgezeigt.
In allen Modi weist das Elektrofahrzeug 6 zur Isolationsüberwachung des Bordnetzes das Isolationsüberwachungsgerät 36 auf.
3 stellt die Lade-Betriebsart Mode 1 Ladung dar. In diesem Modus kommt in der Ladestation 4 das Differenzstromüberwachungsgerät 12 zum Einsatz, das im Fehlerfall über Schaltmittel 44 das Stromversorgungsnetz 8 abtrennt.
Das Fahrzeug 6 ist im Gegensatz zur Darstellung in 2 ohne Kontrolleinrichtung 40 direkt über das Ladekabel 18 mit der Ladestation 4 verbunden.
4 zeigt eine funktionale Darstellung der Lade-Betriebsart Mode 2 Ladung in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2, bei der das Differenzstromüberwachungsgerät 39 zusammen mit den Schaltmitteln 42 und der Steuersignaleinrichtung 22 in der Kontrolleinrichtung 40 verbaut sind, die in das Ladekabel 18 integriert ist. Die ladestationsseitige Fehlerstromüberwachung wird wie in dem in 3 dargestellten Mode 1 durch das Differenzstromüberwachungsgerät 12 und die dazugehörigen Schaltmittel 44 sichergestellt.
Die 5a und die 5b beziehen sich auf die Lade-Betriebsart Mode 3 Ladung ohne und mit galvanischer Trennung. Im in 5a gezeigten Fall ohne galvanische Trennung des speisenden Stromversorgungsnetzes 8 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ladestationsseitig die Differenzstrom-Überwachungsschaltung 12 auf, um auftretende Fehlerströme festzustellen und im Fehlerfall über Schaltmittel 44 die Ladestation 4 von dem Stromversorgungsnetz 8 zu trennen. Weiterhin kann die Ladestation 4 über ein Schaltrelais 46 von der Stromversorgung 8 abgekoppelt werden.
Dagegen umfasst die Ladestation 4 im Fall der galvanischen Trennung des Stromversorgungsnetzes 8 an Stelle der Differenzstromüberwachung 12 die Isolationsüberwachungseinrichtung 16, um den Isolationswiderstand der Ladestation 4 zu messen und abhängig von dem ermittelten Wert die Ladestation 4 über das Schaltrelais 46 zu schalten. Es ist auch möglich, dass bei angedocktem Elektrofahrzeug 6 die Isolationsüberwachungseinrichtung 16 das gesamte angeschlossene Ladesystem einschließlich Elektrofahrzeug 6 auf den Isolationswiderstand hin überprüft.
Die fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen umfassen sowohl im Fall ohne als auch mit galvanischer Trennung das Isolationsüberwachungsgerät 36 zur Überwachung des Fahrzeug-Bordnetzes. In beiden Fällen kommuniziert die Ladestation 4 mit dem Elektrofahrzeug 6 entsprechend der Norm über die Steuersignaleinrichtung 22.
6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 und deren im Lade-Betriebsfall DC-Ladung genutzten Schutzeinrichtungen. Ein aus dem Stromversorgungsnetz 8 bezogener Wechselstrom wird in der Ladestation 4 gleichgerichtet und als Lade-Gleichstrom dem Elektrofahrzeug 6 zugeführt. Ladestationsseitig findet die Überwachung des Isolationswiderstands 16 in Verbindung mit dem Schaltrelais 46 statt, auf der Fahrzeugseite befindet sich das Isolationsüberwachungsgerät 36. Auch in dieser Lade-Betriebsart findet normgemäß eine Kommunikation beider Seiten über die Steuersignaleinrichtung 22 statt.

Claims

Vorrichtung zum sicheren Betrieb einer Ladestation mit Rückspeisung für Elektrofahrzeuge, mit elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtungen als fahrzeugbezogene (36, 38) und ladestationbezogene (12, 14, 16, 19, 20) elektrische Schutzeinrichtungen ausgebildet sind und für unterschiedliche Betriebsarten einschließlich der Rückspeisung ausgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen ein Isolationsüberwachungsgerät (36) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen ein Differenzstromüberwachungsgerät (38) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen ein Isolationsüberwachungsgerät 16) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen ein Differenzstromüberwachungsgerät (12) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen einen elektronisch gesteuerten wiedereinschaltbaren Schutzschalter (14) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen ein Aufschaltrelais (19) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Spannungs- und Frequenzüberwachungsgerät (20) zur Überwachung der in ein stationäres Stromversorgungsnetz zurückzuspeisenden Leistung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionen der fahrzeugbezogenen Schutzeinrichtungen und der ladestationbezogenen Schutzeinrichtungen sowie der Überwachungseinrichtungen in einer Kontrolleinrichtung (40) verbaut sind, die in eine Leitungsverbindung (18) zwischen Ladestation (4) und Elektrofahrzeug (6) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsüberwachung (16, 36), die Differenzstromüberwachung (12, 38) und die Spannungs-/Frequenzüberwachung (20) in einer Einheit integriert sind.