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Die Erfindung betrifft einen Stromzähler zum Anschluss an das Ladekabel eines Elektrofahrzeugs.
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Elektrofahrzeuge der hier betrachteten Art sind sowohl rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge als auch sog. „Plug-in-Hybridfahrzeuge“, bei denen neben dem elektrischen Antrieb auch noch ein Verbrennungsmotor verbaut ist. Beide Arten von Elektrofahrzeugen haben einen Energiespeicher für die elektrische Energie in Form von Akkumulatoren. Während bei rein elektrisch angetriebene Fahrzeugen das Laden der Akkumulatoren immer über den Anschluss an ein Stromnetz erfolgt, kann das Laden bei Plug-in-Hybridfahrzeugen sowohl über den Verbrennungsmotor als auch über den Anschluss an ein Stromnetz erfolgen.
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Das Laden der Akkumulatoren kann entweder mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom erfolgen. Die Batterie der Elektrofahrzeuge speichert immer Gleichstrom; nahezu jedes Elektrofahrzeug kann aber auch mit Wechselstrom geladen werden. In diesem Fall ist für das Laden eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom notwendig. Die Umwandlung erfolgt entweder durch ein On-Board-Ladegerät im Fahrzeug oder ein Gleichrichter in der Ladestation wandelt den Strom direkt um.
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Das Laden erfolgt an Ladestationen, die oftmals auch als Stromtankstellen bezeichnet werden. Verbreitet sind hier insbesondere Gleichstrom-Schnellladesysteme (high performance charging, HPC) wie das in Europa verbreitete sogenannte kombinierte Ladesystem (combined charging system, CCS). Beim Gleichstromladen wird Gleichstrom aus der Ladestation direkt in das Fahrzeug eingespeist und hierzu durch einen leistungsstarken Gleichrichter vom Stromnetz bereitgestellt. Im Fahrzeug befindet sich ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladestation kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei Erreichung einer Kapazitätsgrenze den Ladevorgang zu beenden. Die Leistungselektronik befindet sich in der Regel in der Ladestation. Da die Gleichstromanschlüsse der Ladestation direkt mit entsprechenden Anschlüssen der Akkumulatoren verbunden werden, lassen sich verlustarm hohe Ladeströme übertragen, was kurze Ladezeiten ermöglicht, aber auch eine beträchtliche Abwärme erzeugt. Die meisten Ladestationen, sog. Wallboxen, arbeiten jedoch mit Wechselstrom, so dass das Elektromobil mit Wechselstrom geladen wird.
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Überwiegend werden Elektrofahrzeuge auf dem privaten Gelände des Nutzers oder - bei Firmenfahrzeugen - auf dem Firmengelände an dort fest verbauten Ladestationen geladen. Im privaten Bereich finden dabei die Wallboxen Verwendung, die platzsparend an der Wand bspw. einer Garage montierbar sind. Da die öffentliche Ladeinfrastruktur zur Zeit noch lückenhaft ist, wird hauptsächlich mit Wallboxen geladen, die in Unternehmen und auch immer mehr privaten Gebäuden installiert sind. Fehlen diese Wallboxen, wird oft auf andere Netzanschlusspunkte, z.B. Haushaltssteckdosen oder Drehstrom-/Starkstrom-Steckdosen 16A/400V und 32A/400V sowie 16A/230V Steckdosen, wie sie aus dem Bereich des Campings bekannt sind, zurückgegriffen, um ein Elektrofahrzeug abseits der öffentlichen Ladestationen zu laden. Zum Verbinden des Elektrofahrzeugs mit solchen anderen Netzanschlusspunkten ist ein mobiles Ladekabel mit integriertem Steuergerät erforderlich, welches üblicherweise vom Hersteller des Elektrofahrzeugs mitgeliefert wird, um überall ein Laden des Fahrzeugs zu ermöglichen. Das ist insbesondere bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen zwingend erforderlich, um nicht abseits von öffentlichen Ladestationen mit entleertem Akkumulator „zu stranden“.
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Die mobilen Ladekabel werden entweder zwischen Wallbox und Fahrzeug eingesetzt. Mobile Ladekabel mit integriertem Steuergerät werden zwischen Wechselstromsteckdose und Fahrzeug eingesetzt. Sie verfügen über einen netzseitigen Anschluss und einen verbraucherseitigen bzw. fahrzeugseitigen Anschluss. Der netzseitige Anschluss kann dabei von einem Stecker zum Verbinden mit einer Haushaltssteckdose, in der Regel einer Schutzkontaktsteckdose, ausgebildet sein oder mit einer Typ 2 Kupplung zum Anschluss an eine Typ 2-Steckdose einer Wallbox oder öffentlichen Ladesäule. Der fahrzeugseitige Anschluss ist üblicherweise von einer Kupplung vom Typ IEC (International Electrotechnical Commission) Typ 2 gebildet. Eine solche Kupplung verfügt über zwei Fallen, die eine elektromechanische Verriegelung hervorrufen und ein ungewolltes Abziehen der Kupplung oder eine mögliche Manipulation durch Vandalismus verhindern. Um bei einem dauerhaften Ladevorgang an einer Schutzkontaktsteckdose ein Überhitzen zu vermeiden, sind die mobilen Ladekabel in ihrem netzseitigen Anschluss mit Temperatursensoren versehen, welche bei einem starken Anstieg der Temperatur am Stecker ein Signal an das Batteriemanagementsystem senden, welches den Ladestrom während des Ladevorgangs herunter regelt. So ist gewährleistet, dass immer der optimale Ladestrom fließen kann.
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Private Wallboxen und andere nicht öffentliche Ladestationen verfügen über keine Abrechnungsfunktion. Folglich kann die Menge an geladenem Strom nicht ermittelt werden. Da beim Laden eines Elektrofahrzeugs nicht unerhebliche Stromkosten anfallen, ist die Bereitschaft, dem Nutzer eines Elektrofahrzeugs zu gestatten, das Fahrzeug aus dem Stromnetz eines Dritten aufzuladen, recht gering. Und auch bei der Nutzung von Dienstfahrzeugen besteht beim Laden an nicht öffentlichen Ladestationen ohne Abrechnungsfunktion keine Möglichkeit der Ermittlung des geladenen Stroms und damit der Erstattung durch den Dienstherrn. Zwar besteht grundsätzlich die Möglichkeit, einen Stromzähler zwischen den netzseitigen Anschluss und den netzseitigen Stecker zu stecken; dieses Vorgehen ist jedoch nicht zulässig, weil es dann bspw. an der oben beschriebenen Temperaturüberwachung an der Haushaltssteckdose fehlt, so dass ein großes Risiko in Bezug auf eine Überhitzung und damit im schlimmsten Fall eines Feuers besteht.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stromzähler zum Anschluss an das Ladekabel eines Elektrofahrzeugs zu schaffen, der mobil einsetzbar ist und den Anforderungen an die Sicherheit beim Laden von Elektrofahrzeugen genügt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Mit der Erfindung ist ein Stromzähler geschaffen, der mobil einsetzbar ist und den Anforderungen an die Sicherheit beim Laden von Elektrofahrzeugen genügt. Dies ist dadurch bewirkt, dass der Stromzähler mit einem zum Anschluss an das Elektrofahrzeug identischen Anschluss versehen ist. Daher sind an dem Anschluss des Stromzählers alle technischen Merkmale verwirklicht, die auch an dem Anschluss am Elektrofahrzeug verwirklicht sind. In Folge dessen sind auch die Einsteckplätze für die Kontaktstifte im Anschluss vorgesehen, die die Kommunikation zum Elektrofahrzeug herstellen. Darüber hinaus ist der Stromzähler aufgrund des zu dem am Ladekabel vorgesehenen Anschlussstecker identischen Steckers auch in der Lage, fahrzeugseitig alle technischen Anforderungen zu erfüllen, einschließlich der Verriegelung, der Temperaturüberwachung sowie der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation.
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Vorteilhaft ist der fahrzeugseitige Anschluss an dem dem Gehäuse abgewandten Ende eines Kabels angeordnet. Durch diese Ausgestaltung ist ein bequemer Anschluss des Stromzählers an das Elektrofahrzeug möglich, mit dem eine Beschädigung des Fahrzeugs durch Kontakt mit dem Gehäuse des Stromzählers vermieden ist.
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Bevorzugt ist der netzseitige Anschluss in das Gehäuse 2 integriert. Neben einem stabilen und zuverlässigen Anschluss bietet diese Ausbildung den Vorteil, dass die Steckverbindung zwischen dem Ladekabel der Ladestation und dem Stromzähler stabil auf dem Boden aufstehend während des Ladevorgangs platziert werden kann.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse mit einer Anzeige versehen. Auf der Anzeige kann die Menge an geladenem Strom in einfacher Weise abgelesen werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen. Die Kommunikationsschnittstelle ermöglicht eine übergeordnete Kommunikation, insbesondere eine Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug. Folglich gewährleistet der erfindungsgemäße Stromzähler, dass der Nutzer auch bei der Nutzung des Stromzählers auf alle Annehmlichkeiten der vorhandenen ortsfesten Ladestationen automatisch Zugriff hat.
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In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Gehäuse eine Datenschnittstelle angeordnet. Die Datenschnittstelle ermöglicht eine Fernauslesung des Stromzählers oder eine Direktauslesung der gespeicherten Daten, bspw. mittels TCP/IP-Protokoll und einem Standard-Netzwerkstecker.
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Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
- 1 die dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromzählers;
- 2 den in 1 dargestellten Stromzähler in an ein Elektrofahrzeug und eine stationäre Einheit angeschlossenem Zustand.
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Der als Ausführungsbeispiel gewählte Stromzähler 1 dient zum Anschluss an das Ladekabel eines Elektrofahrzeugs, nämlich eines rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs oder eines sog. „Plug-in-Hybridfahrzeugs. Der Stromzähler 1 umfasst ein Gehäuse 2 sowie einen fahrzeugseitigen Anschluss 3 und einen netzseitigen Anschluss 4.
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Der fahrzeugseitige Anschluss 3 ist von einer Kupplung gebildet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sog. Typ 2 Kupplung. Alternativ kann es sich auch um eine Typ 1 Kupplung oder eine andere Bauart handeln. Die sog. Typ 2 Kupplung weist sieben runde Kontaktstifte - zwei Kontaktstifte für die Kommunikation zum Elektrofahrzeug, das in der Zeichnung mit „5“ gekennzeichnet ist, und fünf weitere für die Energieübertragung. Die Typ 2 Kupplung ist so aufgebaut, dass die Verbindung mit dem Schutzkontakt zuerst erfolgt und die der Signalkontakte zur Leistungsfreigabe zuletzt. Sie hat zwei Fallen, die eine elektromechanische Verriegelung bewirken und ein Abziehen ohne vorherige Freigabe verhindern.
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Der netzseitige Anschluss 4 ist als Einbaustecker identisch zu der Fahrzeug-Einbau-Ladesteckdose ausgebildet, welche das funktionsfähige Einstecken einer oben beschriebenen Typ 2 Kupplung ermöglicht, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Ist der fahrzeugseitige Anschluss 3 von einer Typ 1 Kupplung gebildet, so ist auch der netzseitige Anschluss 4 zum Einstecken einer Typ 1 Kupplung ausgebildet. Die in den netzseitigen Anschluss 4 eingesteckte Kupplung 6 bildet das Ende eines Ladekabels 7, welches entweder mit einer stationären Einheit 8 fest mit dem Stromnetz verdrahtet ist oder über eine Stecker/Steckdosenverbindung an das Stromnetz angeschlossen ist. Die stationäre Einheit 8 ist im Ausführungsbeispiel von einer Wallbox gebildet.
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In dem Gehäuse 2 sind Mittel zur Erfassung des Stromflusses angeordnet. Es handelt sich im Ausführungsbeispiel um einen elektronischen Zähler. Dabei werden von einer elektronischen Schaltung Impulse erzeugt, die von einer digitalen Schaltung erfasst und verarbeitet werden. Der Stromfluss kann auf verschiedene Weise erfasst werden, bspw. mittels Stromwandlern, Strommesssystemen mit Rogowski-Spulen oder Nebenschlusswiderständen. Zur Weiterverarbeitung der Messwerte ist eine elektronische Schaltung vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen sog. „intelligenten“ Stromzähler, der in ein Kommunikationsnetz eingebunden werden kann, über welches der Stromzähler Daten empfangen und senden kann. Im Ausführungsbeispiel ist der Stromzähler mit einer Datenschnittstelle versehen, die eine Fernauslesung ermöglicht. Dies kann bspw. durch ein Smartphone erfolgen. Die Datenschnittstelle ist im Gehäuse 2 angeordnet. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann das Ergebnis auch in einer Anzeige, bspw. einer Flüssigkristallanzeige oder einem Liquid Crystal Display (LCD) dargestellt werden.
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Der erfindungsgemäße Stromzähler verfügt im Ausführungsbeispiel außerdem über eine Kommunikationsschnittstelle, die eine übergeordnete Kommunikation ermöglicht, insbesondere eine Kommunikation zwischen der stationären Einheit 8 und dem Elektrofahrzeug 5 gemäß DIN EN ISO 15118-1. Der Stromzähler unterstützt somit die vorhandene benutzerfreundliche und sichere Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation.
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Im Ausführungsbeispiel ist der fahrzeugseitige Anschluss 3 an dem dem Gehäuse 2 abgewandten Ende eines Kabels 9 angeordnet. Der netzseitige Anschluss 4 ist im Ausführungsbeispiel in das Gehäuse 2 integriert. Er ist im Ausführungsbeispiel mit einem selbst schließenden Schutzklappdeckel 41 versehen. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann der netzseitige Anschluss 4 auch an dem dem Gehäuse 2 abgewandten Ende eines Kabels angeordnet sein.
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Der erfindungsgemäße Stromzähler kann als eigenständige Einheit im Elektrofahrzeug mitgeführt werden. Er ist daher an jeder Ladestation einsetzbar. Da der Stromzähler sowohl fahrzeugseitig als auch netzseitig über die zum Laden von Elektrofahrzeugen vorgesehenen, genormten Stecker und Steckdosen verfügt, ist er problemlos zwischen dem Ladekabel der jeweiligen Ladestation und dem zu ladenden Elektrofahrzeug einsetzbar. Er stellt dabei alle im stationären Ladesystem vorgesehenen Verbindungen sowohl zur Kommunikation zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug als auch zur Energieübertragung bereit. Folglich ist der Anschluss an das Ladesystem sowie das Laden selbst ebenso bedienungsfreundlich und zuverlässig wie bei einem unmittelbaren Anschluss des Ladekabels an das Fahrzeug. Gleichzeitig bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Menge des geladenen Stroms zu messen und an eine Empfangsstation zu übermitteln oder in einer Anzeige zur Ablesung anzuzeigen. Folglich bietet die Erfindung die Möglichkeit, den geladenen Strom auch an Ladestationen zu ermitteln, die über keine Messeinrichtung verfügen.
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Zudem kann der erfindungsgemäße Stromzähler auch als Verlängerungskabel genutzt werden, um größere Entfernungen zwischen Fahrzeug und Ladestation zu überbrücken, und zwar unabhängig von der Notwendigkeit des Messens der Menge an geladenem Strom. Ein solches verlängern des Ladekabels kann unter anderem notwendig sein, wenn der für Elektrofahrzeuge reservierte Ladeparkplatz belegt ist, ohne dass die zugehörige Ladestation genutzt wird. In diesem Fall kann die zusätzliche Entfernung zur Ladestation mit dem erfindungsgemäßen Stromzähler überbrückt werden. Für die Möglichkeit der Verlängerung ist insbesondere ein Ausführungsbeispiel geeignet, bei dem sowohl der fahrzeugseitige Anschluss an dem dem Gehäuse abgewandten Ende eines Kabels als auch der netzseitige Anschluss an dem dem Gehäuse abgewandten Ende eines Kabels angeordnet ist.
