Beschreibung
Ladesystem zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Straßenfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Straßenfahrzeugs, welches zur Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsan lage mit einem Fahrdraht je Kontaktpol einen Stromabnehmer mit mindestens einer anheb- und absenkbaren Schleifleiste zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht dieses Kontaktpols umfasst.
Bei elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenen Straßen fahrzeugen, insbesondere schweren Nutzfahrzeugen, ist es zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift DE 102017 203 046 Al bekannt, den Energiespeicher während der Fahrt über eine Energieeinspeisung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage mittels eines fahrzeugseitigen Stromabnehmers aufzuladen. Der Stromabnehmer umfasst ein pantographenartiges Gestell, wel ches je Kontaktpol eine Wippe mit zwei Schleifleisten trägt. Während der Fahrt stehen die Schleifleisten jedes Kontaktpols mit den dem jeweiligen Kontaktpol zugeordneten Fahrdrähten in Schleifkontakt, so dass elektrische Energie sowohl direkt für den Traktionsantrieb als auch zum Aufladen des Energiespei chers einspeisbar ist, um auch Streckenabschnitte ohne Ober leitungsanlage ebenfalls mit elektrischer Energie zurücklegen zu können. Im Moment der Leistungsaufnahme aus der Oberlei tungsanlage können einige 100 kW an Leistung übertragen wer den.
Zur Vermeidung von gefährlichen Berührungsspannungen am Fahr zeugrahmen ist aus der Patentschrift EP 3036 127 Bl ein Fahrzeug mit einem Schutzsystem bekannt. Es weist eine erste Schutzstufe, die durch eine elektrisch einfach isolierte Mon tage wenigstens des Traktionsantriebs am Fahrzeugrahmen ge bildet ist, und eine zweite Schutzstufe mit höherer Sicher heit, die zusätzlich durch einen zwischen Stromabnehmer und
Traktionsantrieb geschalteten, galvanisch trennenden Gleich spannungswandler gebildet ist. Mittels eines Schaltelements ist das Schutzsystem durch wahlweises Zuschalten oder Über brücken des Gleichspannungswandlers zwischen der ersten und zweiten Schutzstufe umschaltbar. Das Schutzsystem genügt in unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs, die durch unterschiedliche mögliche Wechselwirkungen zwischen Personen und Fahrzeug charakterisiert sind, unterschiedlichen Sicher- heitsanforderungen . Ein erster Betriebszustand - beispiels weise bei niedrigen Geschwindigkeiten oder im Stillstand des Fahrzeugs - erfordert ein hohes Sicherheitsniveau, da es bei einem Isolationsfehler zu gefährlichen Körperströmen durch eine Fahrzeugberührung kommen kann. Der zugeschaltete Gleich spannungswandler trennt das an den Schleifleisten anliegende Fahrdrahtpotenzial vom Massepotenzial des Fahrzeugrahmens. Es wird ein kostengünstiger Gleichspannungswandler mit geringer Leistungsübertragung eingesetzt, da dieser nur im Stillstand und bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs zugeschal tet ist. In einem zweiten Betriebszustand - bei höheren Fahr geschwindigkeit des Fahrzeugs - wird davon ausgegangen, dass Personen mit Massebezug das Fahrzeug nicht mehr berühren. In diesem Fall wird der Gleichspannungswandler überbrückt und das Fahrdrahtpotenzial direkt, gegebenenfalls über einen gal vanisch nicht trennenden Gleichspannungswandler mit höherer Übertragungsleistung, auf die Antriebssteuerung des Fahrzeugs geschaltet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ladesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem hohe La deleistungen zum schnellen Aufladen des Energiespeichers im Stillstand übertragbar sind und welches trotzdem ausreichend Personenschutz vor elektrischen Berührungsspannungen bietet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ladesystem mit den in Pa tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Demnach ist das Lade system geeignet und dazu vorgesehen, einen elektrischen Ener giespeicher eines Straßenfahrzeugs im Stillstand aufzuladen. Das Straßenfahrzeug, beispielsweise ein schweres Nutzfahr-
zeug, umfasst dabei zur Energieeinspeisung aus einer zweipo ligen Oberleitungsanlage, welche je Kontaktpol einen Fahr draht aufweist, einen Stromabnehmer mit mindestens einer an heb- und absenkbaren Schleifleiste zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zum Fahrdraht dieses Kontaktpols. Das Ladesystem umfasst erfindungsgemäß eine Ladestation mit einem Ladekontakt je Kontaktpol, der oberhalb der mindestens einen, diesem Kontaktpol zugeordneten Schleifleiste eines auf einer Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs angeordnet ist.
Die Ladestation hat auch einen Erdungskontakt, der oberhalb und seitlich beabstandet von den Schleifleisten des auf der Ladeposition befindlichen Straßenfahrzeugs angeordnet und über einen Schutzleiter geerdet ist. Ladekontakt und Erdungs kontakt können beispielsweise an einem Lademast der Ladesta tion angeordnet sein. Der Stromabnehmer des Straßenfahrzeugs weist zwei gegen die Schleifleisten und gegen ein elektri sches Massepotenzial des Fahrzeugrahmens isolierte und hochohmig miteinander verbundene Detektionskontakte auf. Die Detektionselemente können beispielsweise als Metallbügel aus gebildet sein, die zwischen den Schleifleisten der beiden Kontaktpole angeordnet sind. Bei Kontaktschluss zwischen den Schleifleisten und den Ladekontakten überbrücken der Erdungs kontakt die Detektionselemente. Die Überbrückung ist mittels einer Messeinrichtung erfassbar. Die Messeinrichtung kann ein Widerstandsnetzwerk mit Auswerteelektronik aufweisen, die ei ne Überbrückung als Veränderung eines Spannungswerts regis triert. Da die Detektionskostakte in Ausnahmefällen auf Fahr drahtpotenzial geraten können, sind diese und die Messein richtung gegenüber dem Massepotenzial isoliert. Dabei ist ei ner der Detektionskontakte durch eine ein Schaltelement auf weisende Masseleitung trennbar mit dem Massepotential verbun den. Die Masseleitung kann als flexibles, ausreichend strom- tragfähiges Kabel ausgeführt sein. Da nur einer der beiden Detektionskontakte mit dem Fahrzeugrahmen verbunden ist, führt dies zu keiner Messwertveränderung im Widerstandsnetz werk und der zugehörigen Auswertelektronik.
Von zentraler Bedeutung für die Erfindung ist die Ladestation mit zwei Ladekontakten und einem Erdungskontakt. Hierdurch werden beim Ladevorgang der Fahrzeugrahmen sowie damit elektrisch leitend verbundene Fahrzeugteile, wie Führerhaus oder andere Fahrzeugaufbauten, über den Erdungskontakt der Ladestation geerdet und diese Erdungsverbindung wird über wacht. Auf den bekannten leistungsschwachen Gleichspannungs wandler mit galvanischer Trennung kann verzichtet werden. Es wird ein Nachladen von elektrischer Energie auch außerhalb von Straßen mit Oberleitungsanlagen möglich, wenn Ladestatio nen an Parkplätzen, in Fahrzeugdepots oder an Umschlagsstel len für Transportgüter installiert sind.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Ladesystems ist die Masseleitung durch ein weiteres Schaltelement trennbar. Das weitere Schaltelement bietet eine Redundanz zum Schaltelement, wobei das Massepotenzial gegen die Detektionskontakte isoliert sind, beide sind gegen Erst fehler gesichert.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems sind das Schaltelement und das weitere Schaltelement im Fährbetrieb an der Oberleitungsanla ge geöffnet sind und nur im Stillstand nach Betätigung einer Feststellbremse des Straßenfahrzeugs schließbar sind. Zum Stillstandsladen muss der Fahrer zuerst die Feststellbremse betätigt haben, anschließend schließt er die redundanten Schalter zum Stillstandsladen, wodurch die Detektionskontakte mit dem Massepotenzial des Fahrzeugrahmens verbunden wird.
Ist die Feststellbremse nicht ordnungsgemäß aktiviert, wird dies als Fehler erkannt.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems sind der Erdungskontakt und die Detektionskontakte derart angeordnet, dass beim Anheben der Schleifleisten erst ein Kontaktschluss zwischen dem Erdungs kontakt und den Detektionskontakten und danach zwischen den Schleifleisten und den Ladekontakten erfolgt. Nach Abstellen
des Straßenfahrzeugs auf die Ladeposition wird der Stromab nehmer aufgestellt, wobei die Ladekontakte der Ladestation noch keine Ladespannung führen. Mit den Schleifleisten werden die Detektionskontakte angehoben, welche zuerst den Erdungs kontakt berühren, bevor die Schleifleisten an den Ladekontak ten anliegen. Wenn beide Detektionskontakte den Erdungskon takt berühren, wird dies über das Widerstandsnetzwerk detek- tiert, der Messspannungswert ändert sich und ein entsprechen des Signal kann übermittelt werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems weist der im Kontaktfall auf Fahrdrahtpotential liegende Strompfad zwischen Stromabnehmer und einer Potenzialtrennstelle eine doppelte Isolation mit zwei Isolationsschichten und isolierter Zwischenmasse auf, wobei das Massepotenzial über eine ein anderes Schaltelement aufweisende Verbindungsleitung trennbar mit einem Zwischenpo tenzial der Zwischenmasse verbunden ist. Um die Zwischenmasse erden zu können, ist sie durch Schließen des anderen Schalt elements über die Verbindungsleitung mit dem Massepotenzial verbunden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems weist das Fahrzeug eine Überwa chungseinheit zur Überwachung eines Isolationsfehlers zwi schen Massepotenzial und Zwischenpotenzial auf. Die Überwa chungseinheit misst den Widerstand zwischen Massepotenzial des Fahrzeugrahmens und dem Zwischenpotenzial der Zwischen masse und leitet im Falle eines Isolationsfehlers das Absen ken des Stromabnehmers ein. Während des Ladevorgangs wird es bei kurzgeschlossenen Masse- und Zwischenpotenzial zur Über prüfung der niederohmigen Verbindung zwischen diesen Potenzi alen verwendet.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems weist das Fahrzeug eine Erfas sungseinrichtung zur Erfassung eines erfolgten Kontaktschlus- ses zwischen den Ladekontakten und den Schleifleisten auf.
Das korrekte Kontaktschluss der Schleifleisten an die beiden Ladekontakte Plus und Minus wird mithilfe einer Sensorik er mittelt, die beispielsweise durch zwei Wegsensoren gebildet sein kann, welche die Auslenkung an den beiden Federlagern einer die Schleifleisten tragenden Wippe messen. Aus den bei den Auslenkungen kann auf die laterale Lage des Kontaktpunk tes geschlossen und damit ermittelt werden, ob und wo die La dekontakte auf den Schleifleisten aufliegen. Wurde das Stra ßenfahrzeug falsch platziert und berührt beispielsweise ein Ladekontakt auch einen der Detektionskontakte, wird dies von der Überwachungseinheit detektiert und daraufhin ein Absenken des Stromabnehmers und eine Fehlermeldung im Fahrzeug ausge löst. Die Position des Straßenfahrzeugs ist dann zu korrigie ren. Um bei hohen Ladeströmen im Stillstand eine Überhitzung der Schleifleisten zu vermeiden, ist auf eine große Kontakt fläche zwischen Ladekontakten und Schleifleisten zu achten. Dies kann beispielweise durch eine Erhöhung der Kontaktstel len oder durch eine flexible Formanpassung der Ladekontakte an die Schleifleistenoberflache erreicht werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Ladesystems sind Ladestation und Fahrzeug über ein drahtloses Kommunikationssystem verbunden, über das ein Freigabesignal an die Ladestation übermittelbar ist, wel ches das Schließen von Schützen zum Anlegen der Ladespannung an die Ladekontakte auslöst. Um einen sicheren Ladevorgang durchführen zu können, wird die Ladespannung seitens der La destation erst an die Ladekontakte angelegt, wenn die La destation ein Freigabesignal vom Straßenfahrzeug erhält. Da mit ist sichergestellt, dass die auf Massepotenzial des Stra ßenfahrzeugs liegenden, berührungsgefährdeten Fahrzeugteile über den Erdungskontakt der Ladestation geerdet sind.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines konkreten Ausführungs beispiels anhand der Zeichnungen, in deren
FIG 1 ein erfindungsgemäßes Ladesystem mit einem in einer
Ladestation positionierten Straßenfahrzeug,
FIG 2 ein Schutzsystem eines Straßenfahrzeugs im Oberlei tungsbetrieb und
FIG 3 das Schutzsystem aus FIG 2 im Ladebetrieb des Stra ßenfahrzeugs schematisch veranschaulicht sind.
Gemäß FIG 1 ist ein Straßenfahrzeug 1 zum Aufladen seines elektrischen Energiespeichers 2 in einer Ladestation 3 des erfindungsgemäßen Ladesystems 4 an einer Ladeposition einer Fahrbahn 5 abgestellt. Das Straßenfahrzeug 1, beispielsweise ein schweres Nutzfahrzeug, umfasst dabei zur Energieeinspei sung aus einer zweipoligen Oberleitungsanlage, welche je Kon taktpol 6P, 6N einen Fahrdraht 7 aufweist, einen Stromabneh mer 8 auf. Die Fahrdrähte 7 der an sich bekannten und nicht näher dargestellten Oberleitungsan lage sind über einer elek-trifizierten Fahrspur der Fahrbahn 5 angeordnet, während die Ladestation 4 auch abseits davon auf einem Parkplatz, in einem Fahrzeugdepot oder an einer Gü terumschlagstelle für das Straßenfahrzeug 1 installiert sein kann. Der Stromabnehmer 8 weist je
Kontaktpol 6P, 6N eine zwei Schleifleisten 9 tragende Wippen 10 auf, die von einem pantographenartigen Gestell 11 getragen werden. Durch Aufstellen und Ablegen des Gestells 11 sind die Schleifleisten 9 anheb- und absenkbar, um elek-trischen Kon takt zu den Fahrdrähten 7 hersteilen und unterbrechen zu kön nen.
Die Ladestation 3 umfasst je Kontaktpol 6P, 6N einen Ladekon takt 12 sowie einen Erdungskontakt 13, der beispielsweise zwischen den Ladekontakten 13 angeordnet sein kann. Die Lade kontakte 12 und der Erdungskontakt 13 sind an einem Lademast 14 derart oberhalb der Fahrbahn 5 angeordnet, dass ein auf Ladeposition befindliches Straßenfahrzeug 1 durch Aufstellen seines Stromabnehmers 8 einen elektri schen Kontaktschluss je Kontaktpol 6P, 6N zwischen Schleif-
leisten 9 und Ladekontakten 12 hersteilen kann. Der Stromab nehmer 8 weist zwei Detektionskontakte
15 auf, die hochohmig miteinander verbunden und gegen die Schleifleisten 9 und gegen ein elektrisches Massepotenzial P16 des Fahrzeugrahmens 16 isoliert ist. Die Detektionskon takte 15 können beispielsweise als Metallbügel ausgebildet sein und zwischen den Schleifleisten 9 der beiden Kontaktpole 6P, 6N angeordnet sein. Der Erdungskontakt 13 ist derart am Lademast 14 angeordnet, dass er beim Aufstellen des Stromab nehmers 8 die beiden Detektionskontak te 15 noch vor Kontaktschluss zwischen Schleifleisten 9 und Ladekontakten 12 kontaktiert und überbrückt. Der Erdungskon takt 13 ist über einen Schutzleiter 17 geerdet. Die Ladekon takte 12 sind über Versorgungsleitungen
18 mit Schützen 19 in einem dem Lade mast 14 zugeordneten Stationsgebäude 20 gekoppelt. In dem Stationsgebäude 20 liegt die Versorgungsspannung des öffent lichen Stromnetzes an den Schützen 19 an, die nachgeschaltet gefiltert, transformiert und gleichgerichtet den Ladekontak ten 12 zuführbar ist.
Im Fährbetrieb gemäß FIG 2 besteht zwischen den Schleifleis ten 9 und den Fahrdrähten 7 elektrischer Schleifkontakt, so dass die Schleifleisten 7 auf Fahrdrahtpotenzial P7 liegen. Der weitere Strompfad von den Schleifleisten 7 bis zu einer Potenzialtrennstelle im Straßenfahrzeug 1 ist mit zwei Isola tionsschichten und isolierter Zwischenmasse 21, die auf einem Zwischenpotenzial P21 liegt, gegen den Fahrzeugrahmen 16 iso liert. Die Detektionskontakte 15 sind gegenüber dem Massepo tenzial P16 isoliert. Eine Überbrückung der Detektionskontak te 15 ist mittels einer Messeinrichtung 22 erfassbar, die ein Widerstandsnetzwerk mit Auswerteelektronik aufweist und eine Überbrückung - etwa durch einen fehlerhaft kontaktierten Fahrdraht 7 - als Veränderung eines Spannungswerts regis triert. Einer der beiden Detektionskontakte 15 ist durch eine ein Schaltelement 23 aufweisende Masseleitung 24 trennbar mit dem Massepotential P16 verbunden. Die Masseleitung 24 kann als flexibles, ausreichend stromtragfähiges Kabel ausgeführt
sein. Die Masseleitung 24 ist vorzugsweise durch ein weiteres Schaltelement 25 trennbar. Das weitere Schaltelement 25 und das Schaltelement 23 sind redundant und gegen Erstfehler ge sichert. Das Massepotenzial P16 ist über eine ein anderes Schaltelement 26 aufweisende Verbindungsleitung 27 trennbar mit der Zwischenmasse 21 verbunden, um die Zwischenmasse 21 erden zu können. Das Schaltelement 23 und das weitere Schalt element 25 sind im Fährbetrieb an der Oberleitungsanlage ge öffnet.
Steht das Straßenfahrzeug 1 still in Ladeposition, so betä tigt der Fahrzeugführer eine Feststellbremse
28 . Anschließend erst können gemäß FIG
3 die Schaltelemente 23, 24, 26 geschlossen werden, wodurch die Detektionskontakte 15 mit dem Massepotenzial P16 des Fahrzeugrahmens 16 verbunden werden. Ist die Feststellbremse 28 nicht ordnungsgemäß aktiviert, wird dies als Fehler erkannt. Nun werden die Schleifleisten 9 und die Detektionskontakte 15 angehoben, bis zunächst ein Kon taktschluss zwischen Erdungskontakt 13 und Detektionskontak ten 15 und dann weiter zwischen den Schleifleisten 9 und den Ladekontakten 12 erfolgt. Die Ladekontakte 12 führen noch keine Ladespannung. Wenn beide Detektionskontakte 15 den Er dungskontakt 13 berühren, wird dies von der Messeinrichtung 22 detektiert und ein entsprechendes Signal kann übermittelt werden. Ebenso wird ein Signal übermittelt, wenn eine Erfas sungseinrichtung 29 einen korrekten Kontaktschluss zwischen den Ladekontakten 12 und den Schleifleisten 9 für beide Kon taktpole 6P, 6N feststellt. Die Erfassungseinrichtung 29 kann beispielsweise durch zwei Wegsensoren gebildet sein, welche die Auslenkung an den beiden Federlagern der Schleifleisten 9 messen. Aus den beiden Auslenkungen kann auf die laterale La ge des Kontaktpunktes geschlossen und damit ermittelt werden, ob und wo die Ladekontakte 12 auf den Schleifleisten 9 auf liegen. Wurde das Straßenfahrzeug 1 falsch platziert und be rührt beispielsweise einer der Ladekontakte 12 auch einen der Detektionskontakte 15, wird dies von der Messeinrichtung 22 detektiert und daraufhin ein Absenken des Stromabnehmers
8 und eine Fehlermeldung im Straßen fahrzeug 1 ausgelöst. Die Position des Straßenfahrzeugs 1 ist dann zu korrigieren. Die Ladestation 3 und das Straßenfahrzeug 1 sind über ein drahtloses Kommunikationssystem 30 verbunden, über das ein Freigabesignal an die Ladestation 3 übermittelbar ist. Der Empfang des Freigabesignals löst das Schließen der Schütze 19 zum Anlegen der Ladespannung an die Ladekontakte 12 aus. Da- mit ist sichergestellt, dass die auf Massepotenzial P16 des
Straßenfahrzeugs 1 liegenden, berührungsgefährdeten Fahrzeug teile über den Erdungskontakt 13 der Ladestation 3 geerdet sind. Das Fahrzeug weist eine Überwachungseinheit 31 zur Überwa chung eines Isolationsfehlers zwischen Massepotenzial P16 und Zwischenpotenzial P21 auf. Sie misst den Widerstand zwischen den Potenzialen P16 und P12 und leitet im Falle eines Isola tionsfehlers das Absenken des Stromabnehmers 8 ein. Während des Ladevorgangs wird es bei kurzgeschlossenen Masse- und Zwischenpotenzial zur Überprüfung der niederohmigen Verbindung zwischen diesen Po tenzialen verwendet.