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Die Erfindung betrifft eine Ladestation für Elektromobile mit mindestens einer daran anschließbaren Netzleitung.
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Ladestationen für Elektromobile stellen die elektrische Verbindung zwischen einem Stromnetz, z. B.: eines Haushalts, mit dem Ladestecker eines Elektromobils her. Die geschieht derzeit unter der internationalen Norm IEC 62196, welche eine Reihe der Steckertypen und Lademodi für Elektrofahrzeuge definiert. Alle Steckertypen der IEC 62196-2 verwenden die darin definierten Signalkontakte, insbesondere den Pilotkontakt CP (Control Pilot), welcher zu den normalen Stromkontakten (Außenleiter L1-L3, Neutralleiter N, Schutzleiter PE) hinzu kommt. Die Funktion der Signalkontakte wird in IEC 61851 beschrieben. Das Protokoll ist geeignet, auf Digitalelektronik zu verzichten und basiert auf der Übermittlung unterschiedlicher Widerstandwerte seitens des Elektromobils. Beispielsweise beschickt eine öffentliche Ladestation den Pilotkontakt CP mit einer 1-kHz-Rechteckschwingung mit ±12 V, die auf der Seite des Elektrofahrzeugs über einen Widerstand und eine Diode auf den Schutzleiter PE zurückgeführt wird. Öffentliche Ladestationen sind bei offenem Stromkreis grundsätzlich spannungsfrei, auch wenn der Standard eine Leistungsabgabe nach Mode 1 (maximal 16 Ampere) erlaubt. Das Elektrofahrzeug kann über den Widerstand eine Ladefreigabe anfordern. Beispielsweise wird mit 2.700 Ohm ein Mode-3-kompatibles Fahrzeug gemeldet („vehicle detected“), das noch keine Ladung abfordert. Bei 880 Ohm ist das Fahrzeug bereit für einen Ladestrom („ready“). Die Ladestation meldet an das Fahrzeug über eine Pulsweitenmodulation der Rechteckschwingung die maximale Leistungsabgabe, die beispielsweise durch die Stromsicherung am Stromnetz begrenzt wird. Der zum Elektromobil führende Ausgang wird erst dann mit Spannung beaufschlagt, wenn alle Bedingungen für ein sicheres Laden erfüllt und bekannt sind.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Elektromobile-Ladestation für unterschiedliche Stromnetze und Netzstecker verfügt über eine 32 A-Netzleitung mit 32 A-Drehstromnetzstecker und darauf passende länder- bzw. stromnetzspezifische Steckeradapter, z. B.: 32A-auf-Schuko oder 32A-auf-16A. Ferner ist ein Elektromobil-Steckverbinder zum elektrischen Verbinden mit einem Ladekabel zur elektrischen Aufladung eines Akkus eines Elektromobils oder ein dauerhaft mit der Ladestation verbundenes Ladekabel vorgesehen. Ferner verfügt die Ladestation über Mittel zur Ladesteuerung, welche die elektrische Ladung des Akkus eines über ein Ladekabel angeschlossenen Elektromobils steuern kann. Diese Mittel zur Ladesteuerung umfassen einen Control-Pilot-Controller zum Kommunizieren mittels eines Ladekabels mit einem über das Ladekabel an der Ladestation angeschlossenen Elektromobil, wobei der Controller ein Pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen und an das Elektromobil übertragen kann, welches dem Elektromobil den maximal erlaubten Ladestrom mitteilt. Das Elektromobil wird dann keinen höheren Ladestrom anfordern. Es ist an der Ladestation manuell von Nutzer bedienbarer Schalter vorgesehen, über welchen der Benutzer am Controller den zum jeweiligen Steckeradapter passenden maximalen Ladestrom, z. B.: 32A oder 16A einstellen kann und der Controller erzeugt dann ein entsprechendes Pulsweitenmoduliertes Signal. Es liegt in der Verantwortung des Nutzers, den maximal zulässigen Ladestrom des gerade benutzen länder- bzw. stromnetzspezifischen Netzsteckers zu kennen und richtig einzustellen. Fehleinstellungen führen dazu, dass Sicherungen ansprechen und an fremder Infrastruktur, z. B. auf Campingplätzen, nicht ohne weiteres wieder zurückgesetzt werden können. Da die Netzleitung auf die maximal mögliche Stromstärke von 32A angepasst ist, ist diese schwer und steif, obwohl der Nutzer evtl. niemals von dieser Stromstärke Gebrauch machen wird.
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Die Firma Tesla verwendet für Ihre Fahrzeuge eine eigene Ladestation mit einem In-Cable-Controller mit der Funktion einer Ladestation. Dabei ist die Netzleitung und auch das Ladekabel fest mit der im Kabel integrierten Ladestation verbunden. Das stromnetzseitige Ende der Netzleitung weist einen Spezialstecker auf, welcher den Anschluss einer Vielzahl von Adaptern erlaubt, z. B.: Drehstrom 16A, Stecker-Typen A, B, C, D, E, F, etc.. Diese Adapter haben jeweils eine Kodierung, d. h. ein bestimmtes Merkmal, z. B. einen eingebauten und kontaktierbaren elektrischen Widerstand, welches vom Spezialstecker ausgelesen wird und über die Netzleitung an die Mittel zur Ladesteuerung weitergegeben wird. Der Control-Pilot-Controller erzeugt in Abhängigkeit vom erkannten Merkmal ein Pulsweitenmoduliertes Signal, welches dem maximalen Ladestrom der Netzleitung entspricht und überträgt dies an das Elektromobil. Fehleinstellungen durch den Nutzer sind somit unmöglich. Nachteilhafterweise muss die Stromtragfähigkeit, d. h. der Querschnitt der Netzleitung, so ausgelegt sein, dass sie ausreichend für den Adapter mit dem größten Ladestrom ist, auch wenn der Nutzer diesen maximalen Ladestrom nicht nutzen möchte. Er hantiert daher alltäglich mit einem unnötig steifen und schweren Netzersorgungskabel und gegebenenfalls Ladekabel. Der In-Cable-Controller von Tesla ist so ausgelegt, dass Fahrzeuge anderer Hersteller nicht geladen werden können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik weiter entwickelte Ladestation für Elektromobile mit mindestens einer daran anschließbaren Netzleitung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ladestation für Elektromobile mit mindestens einer daran anschließbaren Netzleitung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Ladestation weist zunächst ein Gehäuse auf mit mindestens einer daran anschließbaren Netzleitung, welche daher nicht fest mit dem Gehäuse verbunden ist und ausgewechselt werden kann. Es können daher verschiedene Arten von Netzleitungen, z. B.: mit unterschiedlichem Querschnitt, Länge und/oder Netzsteckertyp, angeschlossen werden. Dabei weist eine Netzleitung jeweils ein Merkmal auf, welches der Art der Netzleitung zugeordnet ist. Bei dem Merkmal handelt es sich um eine Art Kodierung, die seitens der Ladestation dekodiert werden kann. Die Kodierung kann z. B. an der Netzleitung befestigte RFID, Steckerbelegungen, Stifte zum Abtasten oder Widerstände sein. Netzleitungen verbinden die Ladestation mit dem Stromnetz.
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Die Ladestation umfasst ferner am Gehäuse einen Netzleitungs-Steckverbinder zum elektrischen Verbinden mit der Netzleitung. Es handelt sich also um eine mehrpolige Kupplung für elektrische Leitungen. Dazu gehört ein passender Gegenstecker an der Netzleitung. Dabei weist der Netzleitungs-Steckverbinder Mittel zum Erkennen des oben beschriebene Merkmals bzw. der Kodierung der Netzleitung auf, also z. B.: einen RFID-Empfänger, abfragbare Steckerkontakte, Taster zum Abtasten der Stifte oder Steckerkontakte zum Auslesen eines Widerstandswertes. Dadurch kann die Ladestation automatisch erkennen, welche Netzleitung mit welchem jeweiligen Netzsteckertypen und/oder Stromtragfähigkeit angeschlossen ist und dem an die Ladestation angeschlossenen Elektromobil den entsprechenden maximal möglichen Ladestrom kommunizieren.
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Wenn dabei der Netzleitungs-Steckverbinder unmittelbar am Gehäuse befestigt ist, sind die auf den maximal denkbar höchsten Ladestrom (derzeit 32A) ausgelegten Kabelwege nicht unnötig lang aus der Ladestation heraus geführt. Die jeweilige vom Nutzer mitgeführte Netzleitung kann daher leicht und flexibel sein, wenn diese dazu bestimmt ist nur an Stromnetze mit geringen Stromstärken, z. B.: über eine Schuko-Steckdose, angeschlossen zu werden.
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Ferner kann ausgangsseitig an der Ladestation ein Elektromobil-Steckverbinder zum elektrischen Verbinden mit einem Ladekabel vorgesehen sein. Das Ladekabel verbindet die Ladestation mit dem Elektromobil zur elektrischen Aufladung seines Akkus. Daher können vorteilhafterweise unterschiedliche Ladekabel eingesetzt werden, da diese nicht für alle Elektromobile einheitlich ausgelegt sind. Alternativ kann dauerhaft mit der Ladestation das Ladekabel verbunden sein, wodurch Fehlbedienungen und Kontaktwiederstände reduziert werden.
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Ferner verfügt die Ladestation im Gehäuse über die üblichen Mittel zur Ladesteuerung, welche die elektrische Ladung des Akkus eines über ein Ladekabel angeschlossenen Elektromobils steuern kann, wobei insbesondere auf die oben beschriebene Funktion der Signalkontakte gem. IEC 61851 verwiesen wird.
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Vorzugsweise ist bei der Ladestation der Netzleitungs-Steckverbinder starr am Gehäuse befestigt, also auch mechanisch unbeweglich gegen das Gehäuse. Das erleichtert das Einstecken des Gegenstücks der Netzleitung, insbesondere wenn das Gehäuse als Wall-Box an der Wand befestigt ist.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse Befestigungsmittel zum dauerhaften oder vorübergehenden Befestigen an einer Wand oder Pfosten auf. Bevorzugt ist ein Schnelladaptersystem mit einem mit der Wand befestigbaren Element und einem damit lösbar verbindbaren Gegenelement am Gehäuse, welches mit wenigen Handgriffen ein Befestigen und Lösen ermöglicht. Die Ladestation ist somit einerseits mobil, z. B.: für Fernfahrten ins Ausland und gleichzeitig fest und somit leichter bedienbar.
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Wenn der Netzleitungs-Steckverbinder ein Standard-Steckverbinder ist, kann auf geprüfte, zertifizierte, massenhaft hergestellte und somit preiswerte Bauteile zurückgegriffen werden. Insbesondere Industriestecker sind in großer Anzahl, Robustheit und Festigkeit erhältlich und bieten Möglichkeiten, das oben beschriebene Merkmal, z. B.: als Steckkodierungen oder mit eingebauten Widerständen, zu realisieren. Der Netzleitungs-Steckverbinder kann z. B. einen Steckerkontakt zur Abfrage eines Widerstandswertes eines im Gegenstecker dazu verbauten Widerstandes aufweisen.
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So weist beispielsweise das eine Ende der Netzleitung einen Gegenstecker zum Netzleitungs-Steckverbinder der Ladestation auf. Dabei weist das Gegenstück das Merkmal auf, welches der Art der Netzleitung zugeordnet ist. Am anderen Ende befindet sich ein der Art der Netzleitung zugeordneter Netzsteckertyp zum Anschluss an ein Stromnetz, beispielsweise Wechselspannungsstromnetz im Ausland.
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Die Stromtragfähigkeit der Netzleitung entspricht der durch den jeweiligen Netzsteckertypen zugeordneten maximal zulässigen Stromstärke. Der Leitungsquerschnitt ist also an die durch den Netzsteckertypen definierte Stromversorgung angepasst und wird durch das zugeordnete Merkmal an die Ladestation weitergegeben.
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Damit diese Anpassung des Ladestroms an die verwendete Netzleitung automatisch erfolgen kann, umfassen die Mittel zur Ladesteuerung einen Control-Pilot-Controller zum Kommunizieren mittels eines Ladekabels mit einem über das Ladekabel an der Ladestation angeschlossenen Elektromobil, wobei insbesondere auf die oben beschriebene Funktion der Signalkontakte gem. IEC 61851 verwiesen wird. Dabei ist der Controller mit den Mitteln zum Erkennen des Merkmals verbunden, also z. B.: mit einem Steckkontakt am Netzleitungs-Steckverbinder, welcher einen im Gegenstecker der Netzleitung eingebauten Widerstand ausliest. Der Controller kann in Abhängigkeit vom erkannten Merkmal ein Pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen und an das Elektromobil übertragen, welches dem maximalen Ladestrom der Netzleitung entspricht.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist ein Relais zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Netzleitungs-Steckverbinder mit dem Elektromobil-Steckverbinder bzw. dem festverbundenen Ladekabel vorgesehen, wobei das Relais durch den Control-Pilot Controller angesteuert werden kann.
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Wenn bei der Ladestation ein Fehlerstrom-Schutzschalter (Fi) in der elektrischen Verbindung zwischen dem Netzleitungs-Steckverbinder und dem Elektromobil-Steckverbinder bzw. Ladekabel vorgesehen ist, kann diese auch sicher an nicht-Fi-abgesicherten Stromnetzen betrieben werden.
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Vorzugsweise ist an der Ladestation ein Photovoltaik-Steckverbinder zum Verbinden mit einer Photovoltaikanlage vorgesehen. Dieser enthält Verbindungen zum permanenten Einlesen eines Stromwertes, welcher einem von der Photovoltaikanlage momentan erzeugten Strom oder dem Überschussstrom entspricht. Dabei ist der Photovoltaik-Steckverbinder mit dem Control-Pilot-Controller so verbunden, dass dieser in Abhängigkeit vom eingelesenen Stromwert ein Pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen und an das Elektromobil übertragen kann, welches dem momentan von der Photovoltaikanlage bereitgestellten Strom entspricht. Sinngemäß wird permanent dem Elektromobil mitgeteilt, wieviel Strom/Überschussstrom aus PV zur Verfügung steht und das Elektromobil hält den Ladestrom in der Größe des PV-erzeugten Stroms. Vorzugsweise wird Ladestrom/das Pulsweitenmodulierte Signal stufenlos variiert, im Gegensatz zu den durch die unterschiedlichen Stromnetze/Netzkabel/Netzstecker vorgegebenen diskreten Werten.
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Schließlich wird beansprucht ein Set mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Ladestation mit einer Vielzahl von Netzleitungen mit unterschiedlichen Merkmalen, welche den jeweiligen Netzsteckertypen und/oder Stromtragfähigkeiten der Netzleitungen entsprechen. Z. B. kann der Nutzer die erfindungsgemäße Ladestation mit einer ersten Netzleitung mit deutschem Schuko-Stecker und einer zweiten Netzleitung für einen Schweizer Stecker für sein Ferienhaus in der Schweiz mitführen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Ebenso können die vorstehend genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsbeispiele sind nicht abschließend zu verstehen und haben beispielhaften Charakter.
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1 zeigt eine Ladestation 1 für Elektromobile 2, mit einem Gehäuse 3 mit drei daran anschließbaren unterschiedlichen Netzleitungen 4, 4a, 4b mit jeweils einem Merkmal 41, 41a, 41b, welches der Art der Netzleitung zugeordnet ist. Die Art kann z. B. sein von links nach rechts: Schweizer Netzstecker 43a, Deutscher Drehstromnetzstecker 43b, Deutscher Schuko-Stecker 43. Das Merkmal ist in 1 nur abstrakt und nicht zwingend praktisch umsetzbar als geometrische Figur Dreieck 41a, Kreis 41b und Quadrat 41 dargestellt. Das Merkmal ist am jeweiligen Gegenstecker 42 angebracht. Die Netzleitungen sollen an ein Stromnetz über eine Steckdose 6 angeschlossen werden.
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Unmittelbar am Gehäuse 3 ist ein Netzleitungs-Steckverbinder 11 zum elektrischen Verbinden mit der Netzleitung 4, 4a, 4b mit den jeweiligen Merkmalen 41, 41a, 41b befestigt, in welchen die Gegenstecker 42 eingesteckt werden können. Dabei weist der Netzleitungs-Steckverbinder 11 Mittel zum Erkennen des Merkmals 12 auf, hier abstrakt dargestellt als Blackbox. Diese vermag die Merkmale 41, 41a, 41b zu unterscheiden. Der Netzleitungs-Steckverbinder ist vorliegend ein Industrie-Steckverbinder.
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Ladeseitig ist ein Elektromobil-Steckverbinder 15 zum elektrischen Verbinden mit einem Ladekabel 21 am Gehäuse vorgesehen. Das Ladekabel führt zum Elektromobil 2 und dient der elektrischen Aufladung eines Akkus eines Elektromobils, aber auch zur Komunikation mit demselben zur Durchführung des Ladeprotokolls.
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Im Gehäuse sind Mittel zur Ladesteuerung 51, 52 welche die elektrische Ladung des Akkus eines über ein Ladekabel angeschlossenen Elektromobils über das oben beschriebene Protokoll steuern kann. Diese umfassen einen Control-Pilot-Controller 51 zum Kommunizieren mittels des Ladekabels 21 mit einem über das Ladekabel an der Ladestation angeschlossenen Elektromobil 2, wobei der Controller 51 mit den Mitteln 12 zum Erkennen des Merkmals 41, 41a, 41b verbunden ist und in Abhängigkeit vom erkannten Merkmal ein Pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen und an das Elektromobil 2 übertragen kann, welches dem maximalen Ladestrom der Netzleitung 4, 4a, 4b entspricht.
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Ferner ist ein Relais 52 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung 53 des Netzleitungs-Steckverbinders 11 mit dem Elektromobil-Steckverbinder 15 vorgesehen, wobei das Relais 52 durch den Control-Pilot Controller 51 angesteuert werden kann. Das Ladekabel wird somit erst nach Durchführung des Protokolls mit dem Stromnetz 6 verbunden.
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In dem Strompfad ist ferner ein Fehlerstrom-Schutzschalter 55 eingebaut.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 62196 [0002]
- IEC 62196-2 [0002]
- IEC 61851 [0002]
- IEC 61851 [0011]
- IEC 61851 [0017]
