EP4402010A1 - Ladestation für elektrofahrzeuge und verfahren zum betrieb einer solchen ladestation - Google Patents

Ladestation für elektrofahrzeuge und verfahren zum betrieb einer solchen ladestation

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Publication number
EP4402010A1
EP4402010A1 EP23712160.3A EP23712160A EP4402010A1 EP 4402010 A1 EP4402010 A1 EP 4402010A1 EP 23712160 A EP23712160 A EP 23712160A EP 4402010 A1 EP4402010 A1 EP 4402010A1
Authority
EP
European Patent Office
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charging
charging station
module
charging module
central control
Prior art date
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Pending
Application number
EP23712160.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen GREIPL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technagon GmbH
Original Assignee
Technagon GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022122450.3A external-priority patent/DE102022122450A1/de
Application filed by Technagon GmbH filed Critical Technagon GmbH
Publication of EP4402010A1 publication Critical patent/EP4402010A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/31—Charging columns specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/305—Communication interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/60—Monitoring or controlling charging stations
    • B60L53/66—Data transfer between charging stations and vehicles
    • B60L53/665—Methods related to measuring, billing or payment
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from AC mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/40—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the exchange of charge or discharge related data
    • H02J7/44—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the exchange of charge or discharge related data between battery management systems and power sources
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/70—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to a charging station for mobile electrical consumers such as electric vehicles and a method for operating such a charging station.
  • Mobile electrical consumers such as electric vehicles with an exclusively electrical energy supply or vehicles with so-called hybrid drives usually have accumulators to supply electric drive motors with electrical energy. Since the electrical energy stored in the accumulators is used up while driving, the vehicles must be constantly supplied with new electrical energy to recharge the exhausted accumulators.
  • Such a charging station or charging column normally has a standardized connection, which can be designed, for example, as a charging cable with a connecting plug arranged at the end or as a charging socket or as a socket with defined connection dimensions.
  • a further aim of the invention can be seen as proposing an improved and simplified method for carrying out service and/or maintenance work on such an improved charging station, with this improved and simplified method also focusing on largely avoiding difficulties caused by calibration law.
  • the present invention proposes a charging station for mobile electrical consumers with the features of independent claim 1, wherein this charging station according to the invention can be used in particular for charging battery-operated electric vehicles, which have an electrical coupling point and an electrical connection connected to it Connecting line can be coupled to the charging station.
  • the term charging station used here can mean almost any type of spatially localized connection and transfer point that can fulfill the intended purpose of the controllable transmission of electrical charging energy to mobile units such as vehicles or the like, the charging station being particularly free-standing or a charging station assigned to a building can be implemented.
  • the charging station comprises at least one charging module, which is located between an electrical energy supply, in particular between a publicly accessible energy supply network or a separate long-distance line network, and the coupling point that can be coupled to the electrical consumer.
  • the at least one charging module has at least the individual components listed below and suitably interconnected.
  • the at least one charging module comprises a counting device for detecting a charging current flowing when an electrical consumer is connected. This counting device is necessary in order to record the amount of energy transmitted and to be able to provide a database for billing and cost allocation of the transmitted packets of electrical energy to the connected consumer.
  • the at least one charging module comprises a controllable output interface that is in electrically conductive connection to the coupling point.
  • This output interface can already form the connection socket into which a cable can be plugged in to begin the respective charging process.
  • controllable output interface can also mean an internal transfer point to an external electrical coupling point.
  • the at least one charging module includes a switchable separation unit located between the counting device and the output interface, which, for example, enables a remote-controlled release or interruption of a charging process, the term remote control used here meaning both control via one of the Input terminal assigned to the charging station as well as a radio transmission-based or other wirelessly transmitted control input can mean.
  • the charging module comprises a central control module, which is in control and/or data processing communication connection with the counting device, with the controllable output interface and with the switchable separation unit, the central control module having at least one spatially assigned to the charging station and/or one spatially from the
  • the charging station has an input and/or display terminal that is separate from the charging station and is in communication with the central control module via a remote data connection.
  • the term input and/or display terminal used here includes in particular any conceivable or sensible variant of user interface, for which the term human-machine interface (abbreviated: MMS or HMI for Human Machine Interface) has also become established.
  • the special feature of the charging module which forms a central and important part of the charging station according to the invention, is that the charging module, together with its components described above and possibly other components, are spatially and functionally combined within the charging station and separated from other components within the charging station. In this way, it is possible to view the charging module as a structural unit and to handle it as a unit from a calibration perspective.
  • the charging module is structurally and functionally encapsulated within the charging station and protected against interference and manipulation. This also includes, and it follows from this, that the charging module can be inserted into the charging station as a whole and removed from it as a whole, while maintaining protection against interference and manipulation, without the charging station otherwise having to be impaired or influenced in any way.
  • the input and/or display terminal which is in communication connection with the central control module and forms a user interface (HMI), can in particular be a component of the charging module and be structurally integrated there.
  • HMI user interface
  • the input module that is in communication connection with the central control module and/or display terminal is or forms a component that is spatially distant from the charging module and is not an integral part of the charging module.
  • At least two separate and individually usable input and/or display terminals are provided at the charging station, each of which has a communication connection with the central control module of the charging module.
  • a further equipment option in the charging station according to the invention can be formed in that the central control module of the charging module is assigned an input or reading device, in particular an RFID reader for processing authentication data of a user of the charging station, the input or reading device in particular being an integral part of the charging module and structurally there is integrated.
  • legal regulations may make it necessary to connect the input or reading device or the RFID reader and the input and/or display terminal (also referred to as HMI) to the charging module, in particular by Formation of an inseparable unit with the loading module.
  • the calibration regulations make it necessary to provide such a unit. This means that in order to be able to implement a design of the charging module that complies with calibration law, it is currently necessary to design both the input module and the display module as inseparable components of the charging module.
  • the above-mentioned central control module of the charging module can optionally have a data interface for data communication with a remote communication partner, wherein the data interface can be assigned a device for authentication and/or for signing the exchanged data. It makes sense for data communication to be implemented via a stand-alone communication unit.
  • the control module of the charging module has a uniform interface for communication with the communication module, which is to be understood as optional.
  • a further advantageous option can be that the charging module together with its integrated components can be located in a closed plug-in housing, this plug-in housing being preferably in a corresponding receptacle of the charging station when the charging station and the charging module are ready for operation, while the plug-in housing is in the service position. , repair and/or maintenance status of the charging station as a whole can be removed from the receptacle and replaced by a similar charging module.
  • the insert housing of the charging module can preferably be sealed and/or sealed to prevent tampering and tampering, which ensures that the entire charging module conforms to calibration law as a replaceable component of the charging station.
  • the present invention essentially aims to use the practical experience of recent years in the operation, maintenance and repair of charging stations or charging columns and to improve and optimize the structure and construction of the individual charging stations or charging columns to the extent that any Service work can be made easier and recommissioning can be made easier after service, maintenance or repair work has been successfully carried out. It has turned out that the calibration requirements and regulations in particular can lead to difficulties and in many cases, even after minor service work, a new calibration is necessary, which would not be necessary in all cases for technical reasons. However, as soon as the structure of the calibrated components is intervened and, for example, a housing section is opened and/or an individual component is replaced, a new calibration must be carried out, since the intervention often no longer guarantees that there will be no manipulation.
  • the charging station according to the invention with the at least one charging module designed according to the above combination of features eliminates the identified disadvantages and helps to reduce downtimes and can overall ensure a significant reduction in the identified disadvantages and risks in that the charging module essentially combines the entire charging line and therefore also as an independent one and self-contained modular unit is suitable for handling, placing on the market and exchanging for similar charging modules.
  • the charging train and the charging control makes sense to combine at least all of the above-mentioned components of the charging train and the charging control in a common module housing, which makes it possible, as an essential step, to seal this common module housing of the charging module and thus secure it by calibration, which ensures closure and security against interference, manipulation or changes by third parties.
  • the construction of the charging module is therefore designed and designed in such a way that external manipulation of the energy output or the billing-relevant data can be detected or prevented in advance. In this way, it is possible to exchange the charging module for other, tested and calibrated charging modules by suitable and trained service personnel at the installation locations of the respective charging stations, thus minimizing downtime for consumers and operators.
  • the charging module is designed in such a way that it is independently able to charge a vehicle in accordance with the standard, i.e. in particular in accordance with the corresponding European standard EN-61851.
  • the standard i.e. in particular in accordance with the corresponding European standard EN-61851.
  • a slide-in housing with a sufficient protection class should have at least protection class IP20, in which protection class IP20 ensures contact protection against solid foreign bodies with a size of over 12 mm, so that live components cannot be touched with a finger and no current is drawn in relation to calibration law can.
  • the charging module combines the charging connection for the mobile consumer, especially for an electric vehicle to be charged (e.g. Type2 socket or fixed cable), the necessary fuses, a disconnecting relay, if necessary an RFID reader, and the entire charging control in accordance with EN-61851 Human-machine interface (HMI) and the meter that complies with calibration law.
  • an electric vehicle to be charged e.g. Type2 socket or fixed cable
  • the necessary fuses e.g. Type2 socket or fixed cable
  • a disconnecting relay if necessary an RFID reader
  • the entire charging control in accordance with EN-61851 Human-machine interface (HMI) and the meter that complies with calibration law.
  • HMI Human-machine interface
  • this signed data is made available by the charging module for external use, e.g. a so-called backend system or a control and data management center located remotely from the charging station.
  • a so-called backend system or a control and data management center located remotely from the charging station.
  • the operator of the charging stations does not want to or cannot rely on the cooperation or “goodwill” of the backend operators, which are becoming more and more confusing, it makes sense to provide and use a tailor-made software solution it makes it possible to communicate directly with the charging module and to download the relevant data from it if necessary. In this way, the calibration regulations can be adhered to at any time and the charging modules can be easily replaced and put back into circulation again and again.
  • Communication with third-party systems can, for example, take place in such a way that a communication system is integrated into the charging station.
  • This communication system preferably converts the transaction data provided by the loading module into the operator's respective target format and forwards this data to the operator's system via the selected interface.
  • the communication module can be connected either to just one charging module or, if necessary, to several charging modules. If no communication module is used, the transaction data must be downloaded from the loading module using the software provided.
  • a so-called backend can be dispensed with, i.e. one charging module or several charging modules can be operated without a backend.
  • the authorized RFID cards are trained directly on the charging module or stored there using the software supplied.
  • the billing-relevant data with the assigned RFID token is saved as a signed data record on the removable memory card (e.g. SD card) of the charging module. These must then be downloaded there by the operator for possible billing.
  • the signed data package must then be made available to the customer via electronic data transfer so that it can be checked using the transparent software.
  • PLCs Programmable logic controllers
  • the communication module would have a module bus Deploy servers. This is used to authenticate the RFID token and provide the signed billing data (including authentication information).
  • the third use case or the third usage scenario can be viewed as a “classic” case of a connection to a backend that communicates according to the OCPP protocol (OCPP: Open Charge Point Protocol; roughly corresponds to: Free charging point communication standard).
  • OCPP Open Charge Point Protocol
  • billing data including authentication information
  • signed data can be provided as route data (so-called “meter values”).
  • Another important component is a meter that is assigned to or integrated into the charging module and is compliant with calibration law. These meters are intended to determine the respective consumption data, i.e. to record the energy packets transmitted to the connected electrical energy consumer.
  • the recorded consumption data is supplemented by the authentication information, after which the thus enriched or authenticated consumption data is signed, which can be done using a signing function of the meter. All of these data processing steps sensibly take place within the loading module, so that the signed data packets can be provided by the loading module unchanged and in the format provided by the counter.
  • the charging module is equipped with a communication module or a communication module is connected there, the signed data packet can be forwarded in unchanged form to the operator system used. At this point it could be added that the operator of the charging stations no longer has any influence on the further use of the data by a higher-level operator or in the backend system, but this is due to the logging option for the data packets that leave the charging station and the charging modules. does not have to mean any disadvantages.
  • the meter reading and the so-called public key of the meter can be visualized for the respective user of the charging station, for example through a suitable meter window in the charging module, which can make the meter reading or the display of the meter visible to the user or consumer .
  • the present invention also proposes, in addition to the charging station explained in various embodiment variants, a method for operating, handling and/or maintaining such a charging station according to one of the previously described embodiment variants.
  • This method makes it possible, in particular, to charge at least one electrical consumer in a regular use and operating mode by using the electrical coupling point and, if necessary, using the input and/or display terminal of the charging station (ie the user interface or the HMI) with electrical charging energy of accumulators located in the electrical consumer, the method providing for the complete, spatial, structurally and functionally encapsulated charging module within the charging station to be removed from the charging station while maintaining its protection against interventions and manipulation and to use an identical replacement charging module for this purpose.
  • the charging module which is arranged together with its integrated components in a closed insert housing, is in the operational state of the charging station and the charging module in a corresponding receptacle of the charging station, while the insert housing is in the service, repair and / or maintenance state of the charging station.
  • the whole thing can be removed from the receptacle and replaced with a similar charging module, which restores the operational readiness of the charging station.
  • the present invention discloses an exchangeable charging module, which can be inserted in particular into a receptacle of a charging station according to one of the embodiment and equipment variants described above or can be removed from the receptacle and/or replaced by a similar charging module, the charging module being located in the receptacle of the Charging station state is in particular in an electrically conductive connection between an electrical energy supply, in particular between a publicly accessible energy supply network or a separate long-distance line network and the coupling point that can be coupled to the electrical consumer.
  • the charging module has at least the following individual components connected to one another.
  • the charging module includes a counting device for detecting a charging current flowing when it is connected electrical consumer, a controllable output interface for delivering charging current, a switchable separation unit located between the counting device and the output interface and a central control module, which is in control communication connection with the counting device, with the controllable output interface and the switchable separation unit.
  • the central control module has at least one input and/or display terminal (so-called user interface or HMI) that is spatially assigned to the charging module and/or is in communication with the central control module via a remote data connection.
  • HMI user interface
  • the mentioned and possibly other components of the charging module are structurally and functionally combined and spatially separated from other components of the charging station.
  • the charging module is structurally and functionally encapsulated in a housing and protected against interference and manipulation.
  • the charging module in particular together with its integrated components, can be located in a closed insert housing, this insert housing fitting into a corresponding receptacle of the charging station.
  • the insert housing can be removed as a whole from the receptacle and replaced by a similar charging module.
  • the charging module can be inserted as a whole into the charging station and removed from it while maintaining protection against interference and manipulation.
  • the exchangeable charging module placed under additional protection can in particular be part of the charging station according to the invention and/or can be used in the method according to the invention for operating, handling and/or maintaining such a charging station, so that the same as above applies here too: all aspects mentioned in connection with the charging station or the method should apply equally to the replaceable charging module and vice versa.
  • Fig. 1 shows a first embodiment variant of a charging station in a schematic representation.
  • Fig. 2 shows a second embodiment variant of the charging station according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 3 shows a perspective view of an example of a concrete structure of a charging module, which can be an interchangeable part of a charging station according to Fig. 2.
  • FIG. 1 shows a first embodiment variant of a charging station, as has been frequently used in practice to date.
  • the illustration shows that the previously used and known design usually includes two charging lines with an integrated PC 1 as a central control unit.
  • the information from the various components comes together and becomes stored, among other things, on an SD card 2, in particular a sealed SD card.
  • the PC 1 reads the data from an RFID reader 3 or RFID reader, with the help of which users of the charging station can identify themselves and start a charging process.
  • an HMI 4 ie a user interface, can be seen with which a user can enter data and/or read information.
  • an external interface 5 can be provided in the form of a mobile radio modem or an Ethernet adapter, with which data can be exchanged to and with a so-called backend.
  • the PC 1 also controls the two charging controllers 6, 7, in particular the charging controller on the left 6 and the charging controller on the right 7, which in turn are each connected to the coupling points 8, 9, in particular Type 2 on the left 8 and Type 2 on the right 9, i.e. the supply sockets or supply cables in Connect and control them.
  • the actual supply current for charging the electric vehicles or other mobile electrical consumers connected to the coupling points 8, 9 is marked by the two arrows running vertically from below into the lower box, which is each via the residual current circuit breakers 10, 11, in particular Fl left 10 and Fl right 11, and the isolating switches 12, 13 that can be controlled by means of PC 1, in particular contactor on the left 12 and contactor on the right 13, as well as via the respective counters 14, 15, in particular counter on the left, sealed 14 and counter on the right, sealed 15, to the coupling points 8 , 9, in particular Type 2 left 8 and Type 2 right 9, is directed.
  • the two counters 14, 15 are also each in data connection with the central control unit or the PC 1.
  • the interface within the charging station with the removable memory card SD card 2, which is coupled to the PC 1 and/or the user interface HMI 4, must also be sealed and secured against interference and manipulation. It is obvious that in the event of service, a new seal is required at the charging station itself by appropriately qualified and authorized persons is unavoidable, and this already after opening the cover (in Fig. 1 below) or after removing the SD card 2, even if it is only checked and reinserted.
  • FIG. 2 therefore shows a second embodiment variant of the charging station according to the invention in its structure and its essential components, with a single charging line being shown.
  • This charging line is combined by a sealed charging module 17.
  • the central control unit i.e. the charging controller 18, is equipped with a reader for recording data, in particular an RFID reader 20, with the help of which users of the charging station can identify themselves and start a charging process.
  • a reader for recording data in particular an RFID reader 20
  • an HMI 21 i.e. a user interface, can be seen with which a user can enter data and/or read information.
  • the residual current circuit breaker 25 is first connected to the counter 22, which in turn is connected to the relay 23 and this to the coupling point 24 (Type 2).
  • an external interface 26 can be provided, in particular a mobile radio modem or an Ethernet adapter, with which data can be exchanged to and with a communication module 27 and/or to a so-called backend.
  • This external interface 26, which is basically optional but usefully present, is connected to the central control unit (charging controller 18), but is not part of the actual charging module 17.
  • the residual current circuit breaker 25 also does not need to be sealed since it is not subject to the calibration regulations for the present application; Therefore, the residual current circuit breaker 25 is not part of the sealed charging module 17 and is located outside the installation space of the charging module 17.
  • the charging module 17 With a closed housing, all components of the charging module 17 can be protected from unauthorized access using just one seal or a single seal. Communication with a third-party system can be achieved through an independent communication module 27, in particular a mobile radio modem or Ethernet adapter, which can basically be coupled to a plurality or multiplicity of such charging modules and have a data connection.
  • an independent communication module 27 in particular a mobile radio modem or Ethernet adapter, which can basically be coupled to a plurality or multiplicity of such charging modules and have a data connection.
  • the particular advantage of the exchangeable charging module 17, which can be integrated into a sealed housing, can already be seen by comparing FIGS. 1 and 2, because the integrated charging module 17 according to FIG. 2 does not require any calibration sealing to be carried out there for replacement and after it has been inserted into the charging station, but can be sealed and calibrated at a central service point and can then be made available to various service technicians at different locations, if necessary also in stock.
  • a maintenance procedure, a routine service or even a repair of a charging station on site can be carried out much more quickly and without long downtimes, since essentially only the ready and fully sealed charging module 17 is used after a possibly defective or routinely serviced charging module 17 has previously been used was removed from the charging station.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a specific structure of a charging module 17, which can be an interchangeable part of a charging station according to FIG. 2.
  • a charging module 17 which can be an interchangeable part of a charging station according to FIG. 2.
  • the charging module 17 is located between an electrical energy supply, in particular between a publicly accessible energy supply network or a separate long-distance line network, and the coupling point that can be coupled to the electrical consumer.
  • the at least one charging module 17 has at least the individual components described in connection with Figures 1 and 2 and suitably interconnected. It makes sense to combine all components of the charging line and the charging control structurally and functionally. Preferably, these components are also spatially separated from other components of the charging station.
  • the components of the charging module 17 are structurally and functionally encapsulated in a slide-in housing 40 and protected against interference and manipulation.
  • the charging module 17 can include at least one closed insert housing 40, which combines the integrated components of the charging module 17 in a closed space.
  • the insert housing 40 preferably has a sufficient protection class, for example at least protection class IP20, in which contact protection against solid foreign bodies with a size of over 12 mm is ensured, so that live components cannot be touched with a finger.
  • the insert housing 40 can consist of a first housing part 40-1 and a second housing part 40-2, which first housing part 40-1 and second housing part 40-2 are connected to one another in the finished charging module 17. All integrated components of the charging module 17 are contained within the two housing parts 40-1, 40-2.
  • the charging module 17 When the charging station is ready for operation, the charging module 17 is located in a receptacle of the charging station (not shown), which receptacle is designed accordingly to accommodate the insert housing 40 of the charging module 17. In order to repair the charging module 17 or carry out a service or similar, the charging module 17 is removed as a whole from the receptacle when the charging station is in a service, repair and/or maintenance state and replaced by a similar charging module 17.
  • the insert housing 40 of the charging module 17 can preferably be sealed and/or sealed to prevent tampering and tampering, which ensures that the entire charging module 17 conforms to calibration law as a replaceable component of the charging station.
  • the resulting closure provides security against interference, manipulation or changes by third parties.
  • the construction of the charging module 17 is therefore designed and designed in such a way that external manipulation of the energy output or the billing-relevant data can be detected or prevented in advance. In this way it is possible to charge the charging module 17 by suitable and trained service personnel at the installation sites Replace the respective charging stations with other, tested and calibrated charging modules 17 and thus minimize downtime for consumers and operators.
  • the charging module 17 can thus be inserted as a whole into the charging station and removed from it while maintaining protection against interference and manipulation.
  • the charging module 17 is designed in such a way that it is independently able to charge a vehicle in accordance with the standard, i.e. in particular in accordance with the corresponding European standard EN-61851.
  • the electronic components of the charging module 17 must be installed in a slide-in housing 40 with a sufficient protection class, for example protection class IP20, and the charging module 17 must be connected to a 3-phase power supply (three-phase current) with a suitably dimensioned residual current circuit breaker (Fl) (see reference numeral 25 in Figure 2) required.
  • the charging module 17 is equipped with an interface 30 to the outside, which interface 30 includes a 24V supply from a power supply, also establishes a connection to a communication unit (compare reference numeral 27 in Figure 2) via USB and an RS485 Provides interface for future applications and output for the status LEDs in the topper.
  • interface 30 includes a 24V supply from a power supply, also establishes a connection to a communication unit (compare reference numeral 27 in Figure 2) via USB and an RS485 Provides interface for future applications and output for the status LEDs in the topper.
  • the interface 30 represents in particular a controllable output interface 41, which is in electrically conductive connection with a coupling point, via which electrical coupling point a battery-operated electric vehicle can be coupled to the charging station with the charging module 17 by means of an electrical connecting line.
  • This output interface 41 can already form the connection socket into which a cable can be inserted in order to be able to begin the respective charging process.
  • the term controllable output interface 41 can also mean an internal transfer point to an external electrical coupling point.
  • the controllable output interface 41 of the charging module can optionally have a data interface for data communication with a remote communication partner.
  • a power board 32 can be seen, which power board includes a counting device for detecting a charging current flowing when an electrical consumer is connected. Such a counting device has already been described in connection with FIGS. 1 and 2, the description of which is hereby referred to. Furthermore, the power board 32 can include a switchable separation unit, also described above in connection with FIGS. 1 and 2, which, for example, enables a remote-controlled release or interruption of a charging process.
  • the charging module 17 includes a central control module, which is in control and/or data processing communication connection with the counting device, with the controllable output interface 41 and with the switchable separation unit.
  • the central control module is formed by a charging controller board 34, which charging controller board 34 additionally includes a display, an RFID reader and an SD card.
  • the charging socket 37 of the charging module 17 is in particular a connection socket into which a cable can be inserted in order to be able to begin the respective charging process.
  • This is preferably a standardized connection socket into which a charging cable with a connecting plug arranged at the end can be inserted or which is designed as a charging socket or as a socket with defined connection dimensions.
  • the at least one charging module comprises a controllable output interface that is in electrically conductive connection to the coupling point.
  • This output interface can already form the connection socket or charging socket 37.
  • the term controllable output interface can also mean an internal transfer point to an external electrical coupling point.
  • the internal transfer point is provided, for example, by a PCB outlet to the charging socket 31 and the coupling point is formed in the example shown in FIG. 3 by a PCB feed from the meter output 36.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladestation, ein Verfahren zu deren Betrieb sowie ein Lademodul, das Teil einer solchen Ladestation sein kann. Die Ladestation kann dem Laden von Elektrofahrzeugen dienen. Die Ladestation umfasst wenigstens ein Lademodul, das eine Verbindung zu einem elektrischen Energieversorgungsnetz herstellt. Das Lademodul weist zumindest eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischem Verbraucher, eine steuerbare Ausgangsschnittstelle, eine zwischen der Zähleinrichtung und der Ausgangsschnittstelle befindliche schaltbare Trenneinheit sowie ein zentrales Steuermodul auf, welches mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder Kommunikationsverbindung steht. Das Lademodul ist mitsamt seinen Komponenten innerhalb der Ladestation räumlich und funktional zusammengefasst und gegenüber weiteren Komponenten innerhalb der Ladestation abgetrennt, so dass das Lademodul innerhalb der Ladestation baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt ist. Somit kann das Lademodul unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation eingesetzt und aus dieser entnommen werden.

Description

Ladestation für Elektrofahrzeuge und Verfahren zum Betrieb einer solchen Ladestation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation für mobile elektrische Verbraucher wie Elektrofahrzeuge sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ladestation.
Mobile elektrische Verbraucher wie Elektrofahrzeuge mit ausschließlich elektrischer Energieversorgung oder Fahrzeuge mit sog. hybriden Antrieben verfügen normalerweise über Akkumulatoren zur Versorgung elektrischer Antriebsmotoren mit elektrischer Energie. Da die in den Akkumulatoren gespeicherte elektrische Energie beim Fahren verbraucht wird, müssen die Fahrzeuge immer wieder mit neuer elektrischer Energie versorgt werden, mit der die erschöpften Akkumulatoren erneut geladen werden.
Sofern dieser Ladevorgang im Falle von Hybridfahrzeugen nicht durch den im Fahrzeug befindlichen verbrennungsmotorischen Antrieb erfolgen kann und falls der Ladevorgang bei reinen Elektrofahrzeugen nicht am eigenen Haus, sondern entfernt davon oder unterwegs durchgeführt werden soll, wird hierfür meist eine öffentlich zugängliche Ladestation angefahren, die häufig als Ladesäule ausgestaltet ist und die eine Übergabestelle oder Schnittstelle zu einem Stromverteilungsnetz oder einem öffentlichen elektrischen Energieversorgungsnetz bildet. Während Elektrofahrzeuge grundsätzlich an herkömmlichen Haushaltssteckdosen geladen werden können, erfordert ein schnelles Laden eine Übertragung großer Ströme in kurzer Zeit, was mit Haushaltssteckdosen nicht zu bewältigen ist.
Aus diesem Grund sind Ladestationen, die für das Laden von Elektrofahrzeugen vorgesehen und ausgestattet sind, hinsichtlich der mit ihnen übertragbaren elektrischen Energiepakete entsprechend zu dimensionieren. Eine solche Ladestation oder Ladesäule verfügt normalerweise über einen genormten Anschluss, der bspw. als Ladekabel mit endseitig daran angeordnetem Anschlussstecker oder als Ladebuchse bzw. als Steckdose mit definierten Anschlussmaßen ausgestaltet sein kann.
Wenn in diesem Zusammenhang von einem genormten Anschluss gesprochen wird, meint dies eine Vielzahl unterschiedlicher Systemnormen, welche die historisch entstandene Vielfalt an meist nicht kompatiblen Stecker- und Anschlussvarianten abbilden, was jedoch nichts daran ändert, dass sich die Ladestationen ihrem Grundaufbau und ihrer Funktionsweise nach stark ähneln oder gleichen.
Da es für Ladevorgänge an öffentlich zugänglichen Ladestationen oder Ladesäulen erforderlich ist, die übertragenen elektrischen Energiepakete präzise zu erfassen und dem jeweiligen Nutzer zuordnen zu können, nicht zuletzt, um die übertragenen Energiepakete auch abrechnen zu können, ist es erforderlich, die Erfassungsgüte sicherstellen und jederzeit überprüfen zu können. Diese Anforderungen zielen in erster Linie auf die präzise Erfassung über längere Betriebszeiträume, auf die Konstanz dieser Erfassung und generell auf die konstant aufrechtzuerhaltende Erfassungsgüte ab, da diese Parameter die Betriebsqualität stark beeinflussen.
Ebenso, wie herkömmliche Zapfanlagen für flüssige Brennstoffe, die zum Antrieb von Verbrennungsmotoren im Kraftverkehr eingesetzt werden, der Eichpflicht unterliegen, gilt dies auch für Stromtankstellen, d.h. für öffentlich zugängliche Ladestationen oder Ladesäulen. D.h. auch jede dieser Ladesäulen muss vor ihrer Inbetriebnahme eichrechtlich überprüft, zertifiziert und freigegeben werden.
Da diese eichrechtlichen Vorgaben in vielen Fällen auch bereits nach kleineren service- oder wartungsbedingten Eingriffen in die jeweiligen Ladestationen greifen, kann es als vorrangiges Ziel der Erfindung betrachtet werden, die hierdurch als nachteilig erkannten Erschwernisse abzubauen und eine verbesserte Ladestation zur Verfügung zu stellen, bei welcher die eichrechtlichen Vorgaben einerseits leichter erfüllt werden können und bei welcher viele der als nachteilig empfundenen Folgen durch service- oder wartungsbedingte Eingriffe, die sich aus den bestehenden eichrechtlichen Bestimmungen ergeben, erst gar nicht ausgelöst werden.
Als weiteres Ziel der Erfindung kann es angesehen werden, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Durchführung von Service- und/oder Wartungsarbeiten bei einer solchen verbesserten Ladestation vorzuschlagen, wobei auch bei diesem verbesserten und vereinfachten Verfahren die weitgehende Vermeidung von eichrechtlich bedingten Erschwernissen im Vordergrund steht.
Die Ziele werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung lassen sich u.a. den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Zur Erreichung zumindest eines Teils der genannten Ziele schlägt die vorliegende Erfindung eine Ladestation für mobile elektrische Verbraucher mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vor, wobei diese erfindungsgemäße Ladestation insbesondere zum Aufladen von akkumulatorbetriebenen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann, welche über eine elektrische Koppelstelle und daran angeschlossener elektrischer Verbindungsleitung an die Ladestation ankoppelbar sind. Mit dem hier verwendeten Begriff der Ladestation kann nahezu jede Art von räumlich lokalisierten Anschluss- und Übergabestellen gemeint sein, die den vorgesehenen Zweck der steuerbaren Übertragung von elektrischer Ladeenergie an mobile Einheiten wie Fahrzeugen o. dgl. erfüllen können, wobei die Ladestation insbesondere durch eine freistehende oder einem Gebäude zugeordnete Ladesäule realisiert sein kann.
Die erfindungsgemäße Ladestation umfasst wenigstens ein Lademodul, das sich zwischengeschaltet zwischen einer elektrischen Energieversorgung, insbesondere zwischen einem öffentlich zugänglichen Energieversorgungsnetz oder einem separaten Fernleitungsnetz und der mit dem elektrischen Verbraucher koppelbaren Koppelstelle befindet. Zudem sieht die Erfindung vor, dass das wenigstens eine Lademodul zumindest die nachfolgend aufgelisteten und in geeigneter Weise miteinander verschalteten Einzelkomponenten aufweist.
So umfasst das wenigstens eine Lademodul eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischem Verbraucher. Diese Zähleinrichtung ist notwendig, um die übertragene Energiemenge zu erfassen und eine Datenbasis zur Abrechnung und kostenmäßigen Zuordnung der übertragenen Pakete an elektrischer Energie zum jeweils angeschlossenen Verbraucher liefern zu können.
Weiterhin umfasst das wenigstens eine Lademodul eine steuerbare Ausgangsschnittstelle, die in elektrisch leitender Verbindung mit der Koppelstelle steht. Diese Ausgangsschnittstelle kann bereits die Anschlusssteckdose bilden, in die ein Kabel eingesteckt werden kann, um den jeweiligen Ladevorgang beginnen zu können. Mit dem Begriff der steuerbaren Ausgangsschnittstelle kann jedoch auch ein interner Übergabepunkt zu einer nach außen geführten elektrischen Koppelstelle gemeint sein.
Außerdem umfasst das wenigstens eine Lademodul eine zwischen der Zähleinrichtung und der Ausgangsschnittstelle befindliche schaltbare Trenneinheit, die bspw. eine ferngesteuerte Freigabe oder Unterbrechung eines Ladevorganges ermöglicht, wobei der hier verwendete Begriff der Fernsteuerung sowohl eine Steuerung über ein der Ladestation zugeordnetes Eingabeterminal als auch eine funkübertragungsbasierte oder auf sonstige Weise drahtlos übertragene Steuerungseingabe meinen kann.
Darüber hinaus umfasst das Lademodul ein zentrales Steuermodul, das mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder und/oder datenverarbeitender Kommunikationsverbindung steht, wobei das zentrale Steuermodul über mindestens ein räumlich der Ladestation zugeordnetes und/oder ein räumlich von der Ladestation getrenntes und über Datenfernverbindung mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehendes Eingabe- und/oder Anzeigeterminal verfügt. Der hier verwendete Begriff des Eingabe- und/oder Anzeigeterminal umfasst insbesondere jegliche denkbare oder sinnvolle Variante von Benutzerschnittstellen, wofür sich auch der Begriff der Mensch-Maschine-Schnittstelle (abgekürzt: MMS oder engl. HMI für Human Machine Interface) eingebürgert hat.
Die Besonderheit des Lademoduls, das einen zentralen und wichtigen Bestandteil der erfindungsgemäßen Ladestation bildet liegt darin, dass das Lademodul mitsamt seinen oben beschriebenen und ggf. weiteren Komponenten innerhalb der Ladestation räumlich und funktional zusammengefasst und gegenüber weiteren Komponenten innerhalb der Ladestation abgetrennt ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Lademodul als bauliche Einheit zu betrachten und in eichrechtlicher Hinsicht als Einheit handzuhaben.
Dazu gehört, dass das Lademodul innerhalb der Ladestation baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt ist. Dazu gehört außerdem und daraus folgt, dass das Lademodul unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation eingesetzt und als Ganzes aus dieser entnommen werden kann, ohne dass die Ladestation im Übrigen in irgendeiner Weise beeinträchtigt oder beeinflusst werden muss.
Bei der erfindungsgemäßen Ladestation kann das mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehende Eingabe- und/oder Anzeigeterminal, das eine Benutzerschnittstelle (HMI) bildet, insbesondere ein Bestandteil des Lademoduls und dort baulich integriert sein.
Alternativ kann bei einer Variante der Ladestation auch vorgesehen sein, dass das mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehende Eingabe- und/oder Anzeigeterminal eine vom Lademodul räumlich entfernte Komponente ist oder bildet, die kein integraler Bestandteil des Lademoduls ist.
Außerdem kann ggf. vorgesehen sein, dass bei der Ladestation mindestens zwei separate und jeweils für sich nutzbare Eingabe- und/oder Anzeigeterminals vorgesehen sind, die jeweils in einer Kommunikationsverbindung mit dem zentralen Steuermodul des Lademoduls stehen.
Eine weitere Ausstattungsoption bei der erfindungsgemäßen Ladestation kann dadurch gebildet sein, dass dem zentralen Steuermodul des Lademoduls ein Eingabeoder Lesegerät, insbesondere ein RFID-Leser zur Verarbeitung von Authentifizierungsdaten eines Nutzers der Ladestation zugeordnet ist, wobei das Eingabeoder Lesegerät insbesondere integraler Bestandteil des Lademoduls und dort baulich integriert ist. In diesem Zusammenhang ist allerdings darauf hinweisen, dass es gesetzliche Bestimmungen notwendig machen können, das Eingabe- oder Lesegerät bzw. den RFID-Leser und das Eingabe- und/oder Anzeigeterminal (auch als HMI bezeichnet) mit dem Lademodul zu verbinden sind, insbesondere durch Ausbildung einer untrennbaren Einheit mit dem Lademodul. So machen es bspw. die eichrechtlichen Vorschriften erforderlich, eine solche Einheit vorzusehen. D.h., um eine eichrechtskonforme Bauweise des Lademoduls realisieren zu können, ist es aktuell erforderlich, sowohl das Eingabemodul als auch das Anzeigemodul als untrennbare Bestandteile des Lademoduls auszubilden.
Das oben erwähnte zentrale Steuermodul des Lademoduls kann wahlweise über eine Datenschnittstelle zur Datenkommunikation mit einem entfernten Kommunikationspartner verfügen, wobei die Datenschnittstelle eine Einrichtung zur Authentifizierung und/oder zur Signierung der ausgetauschten Daten zugeordnet sein kann. Sinnvollerweise wird hierbei die Datenkommunikation über eine eingeständige Kommunikationseinheit realisiert. So kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Steuermodul des Lademoduls über eine einheitliche Schnittstelle für die Kommunikation mit dem optional zu verstehenden Kommunikationsmodul verfügt.
Eine weitere vorteilhafte Option kann darin bestehen, dass sich das Lademodul mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen Einschubgehäuse befinden kann, wobei sich dieses Einschubgehäuse im betriebsfertigen Zustand der Ladestation und des Lademoduls vorzugsweise in einer korrespondierenden Aufnahme der Ladestation befindet, während das Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnehmbar und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzbar sein kann.
Das Einschubgehäuse des Lademoduls kann vorzugsweise manipulations- und eingriffssicher versiegelt und/oder verplombt sein, wodurch die Eichrechtskonformität des gesamten Lademoduls als austauschbarer Bestandteil der Ladestation gegeben ist.
Die vorliegende Erfindung zielt im Wesentlichen darauf ab, die Erfahrungen aus der Praxis der letzten Jahre beim Betrieb, der Wartung und Instandhaltung von Ladestationen oder Ladesäulen zu nutzen und die Struktur sowie den Aufbau der einzelnen Ladestationen oder Ladesäulen insoweit zu verbessern und zu optimieren, dass allfällige Servicearbeiten erleichtert und die Wiederinbetriebnahme nach erfolgreich durchgeführten Service-, Wartungs- oder Reparaturarbeiten erleichtert werden können. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die eichrechtlichen Vorgaben und Vorschriften zu Erschwernissen führen können und in vielen Fällen, selbst nach kleineren Servicearbeiten, eine erneute Eichung notwendig ist, die nicht in allen Fällen aus technischen Gründen geboten wäre. Sobald allerdings in die Struktur der geeichten Komponenten eingegriffen und bspw. ein Gehäuseabschnitt geöffnet und/oder ein einzelnes Bauteil ausgetauscht wird, eine erneute Eichung vorgenommen werden muss, da durch den Eingriff die Gewähr für eine Nicht-Manipulation oftmals nicht mehr gegeben ist.
Da jede zwingend durchzuführende erneute Eichung nach erfolgreich durchgeführten Service-, Wartungs- oder Reparaturarbeiten grundsätzlich die Gefahr von Zeitverlusten, Verzögerungen und Mehraufwand, insbesondere in personeller Hinsicht, aber auch im Hinblick auf die hierfür einzusetzende Eich- und Prüftechnik birgt, steigt demzufolge auch das Risiko von Ausfallzeiten, denn jede Form einer eichrechtlichen Prüfung macht den Einsatz speziell zertifizierten Personals unumgänglich. Solche Ausfallzeiten reduzieren zwangsläufig die Verfügbarkeit der möglicherweise in technischer Hinsicht problemlos einsetzbaren Ladeinfrastruktur zum Nachteil von Verbrauchern und Betreibern.
Die erfindungsgemäße Ladestation mit dem mindestens einen gemäß obiger Merkmalskombination ausgebildeten Lademodul behebt die erkannten Nachteile und trägt dazu bei, die Ausfallzeiten zu reduzieren und kann insgesamt für eine deutliche Reduzierung der erkannten Nachteile und Risiken sorgen, indem das Lademodul im Wesentlichen den gesamten Ladestrang in sich vereint und damit auch als eigenständige und in sich abgeschlossene modulare Einheit zur Handhabung, zur Inverkehrbringung und zum Austausch gegen gleichartige Lademodule geeignet ist.
Um dies zu erreichen, ist es sinnvoll, zumindest alle oben genannten Komponenten des Ladestrangs und der Ladesteuerung in einem gemeinsamen Modulgehäuse zusammenzufassen, wodurch es als wesentlicher Schritt ermöglicht wird, dieses gemeinsame Modulgehäuse des Lademoduls zu verplomben und damit eichrechtlich abzusichern, was eine Abgeschlossenheit und Sicherheit gegen Eingriffe, Manipulationen oder Veränderungen durch Dritte bedeutet. Die Konstruktion des Lademoduls ist somit in einer Weise angelegt und ausgebildet, dass damit eine externe Manipulation der Energieabgabe oder der abrechnungsrelevanten Daten festgestellt bzw. von vorherein unterbunden werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Lademodul durch geeignetes und hierfür ausgebildetes Servicepersonal an den Aufstellungsorten der jeweiligen Ladestationen gegen andere, geprüfte und geeichte Lademodule auszutauschen und somit die Ausfallzeiten für Verbraucher und Betreiber zu minimieren.
Um dies zu ermöglichen und zu erreichen, ist das Lademodul in einer Weise ausgebildet, dass es eigenständig in die Lage versetzt ist, ein Fahrzeug normgemäß, d.h. insbesondere gemäß der entsprechenden Europäischen Norm EN-61851 zu laden. Für den Feldeinsatz, d.h. für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Ladestation ist der Einbau des Lademoduls in ein Gehäuse mit ausreichender Schutzklasse und der Anschluss des Lademoduls an eine 3-phasige Stromversorgung (Drehstrom) mit hierfür passend dimensioniertem Fehlerstrom-Schutzschalter (Fl) erforderlich.
Ein Einschubgehäuse mit ausreichender Schutzklasse sollte mindestens Schutzklasse IP20 aufweisen, bei welcher Schutzklasse IP20 ein Berührungsschutz vor festen Fremdkörpern mit einer Größe über 12 mm sichergestellt ist, so dass spannungsführende Bauteile nicht mit dem Finger berührt werden können und in Bezug auf das Eichrecht kein Strom entnommen werden kann.
Dabei ist es weiterhin sinnvoll bzw. notwendig, das Lademodul innerhalb der Ladestation mit einer separaten Stromversorgung auszustatten, so dass eine sinnvolle Ausgestaltung vorsehen kann, das Lademodul durch eine externe 24V-Stromversorgung zu versorgen. Eine solche separate Stromversorgung ist normalerweise unverzichtbar, denn aus eichrechtlichen Gründen ist eine getrennte Abrechnung des Eigenverbrauchs der Ladesäule und der von der Ladesäule abgegebenen und als Ladestrom zur Verfügung gestellten Ladeenergie erforderlich. Eine Vermischung dieser Verbrauche lässt das derzeit geltende Eichrecht nicht zu.
Das Lademodul vereint den Ladeanschluss für den mobilen Verbraucher, insbesondere für ein zu ladendes Elektrofahrzeug (z.B. Type2-Dose oder festes Kabel), die notwendigen Sicherungen, ein Trenn-Relais, ggf. einen RFID-Leser, die gesamte Ladesteuerung gemäß EN-61851 samt Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und den eichrechtskonformen Zähler.
Um eventuelle Manipulationen erkennen zu können, ist es weiterhin sinnvoll, anfallende Verbrauchsdaten sowie auch erfasste Authentifizierungsdaten innerhalb des verplombten Lademoduls zu messen, zu signieren und zwischenzuspeichern bzw. zu persistieren. Zusätzlich werden diese signierten Daten vom Lademodul für eine externe Verwendung, z.B. ein sog. Backend-System oder eine entfernt von der Ladestation befindliche Steuerungs- und Datenverwaltungszentrale, bereitgestellt. Da jedoch eine Anbindung bzw. Verbindung zu einem solchen Backend-System bzw. einer Steuerungsund Datenverwaltungszentrale nicht unter allen Umständen und zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden kann, sollte durch die Zwischenspeicherung oder die sog. persistente Speicherung im Lademodul sichergestellt werden können, dass der Ladevorgang mit Hilfe geeigneter Datenhaltung, bspw. durch Nutzung einer sog. Transparentsoftware (z.B. der S.A.F.E. -Initiative) nachvollzogen und überprüft werden kann.
Es hat sich in diesem Zusammenhang gezeigt, dass sich auf der Datenstrecke zwischen der Ladestation oder der Ladesäule und den jeweils genutzten Backendsystemen zahlreiche technische Systeme befinden, auf die der Betreiber der Ladestationen wenig oder keinen Einfluss hat. Allerdings verlang das Eichrecht, dass die Datenkonsistenz und die Eichrechtskonformität auch dann sichergestellt sein muss, wenn eines dieser - meist für den Betreiber unbeeinflussbaren - Systeme eine Störung zeigt oder ausfällt, was bspw. aufgrund eines Abbruchs der Mobilfunkverbindung, wegen einer Fehlkonfiguration von Netzwerkparametern etwa eines sog. virtuellen privaten Netzwerkes (VPN - Virtual Private Network), wegen eines Ausfalls des Betreiber- Routings, wegen eines Ausfalls des Backendsystems etc. der Fall sein kann. In solchen Fällen werden mit Hilfe der Zwischenspeicherung die Daten nachgeliefert bzw. können nachträglich abgeholt werden, was die Eichrechtskonformität wieder herstellen bzw. aufrechterhalten kann. Sofern der Betreiber der Ladestationen kein eigenes Backendsystem betreiben und/oder sich bei der Prüfung nicht auf die Kooperation oder den „Goodwill“ der zunehmend mehr und unübersichtlicher werdenden Backendbetreibern verlassen will oder kann, ist es sinnvoll, eine maßgeschneiderte Softwarelösung bereitzustellen und zu nutzen, die es ermöglicht, direkt mit dem Lademodul zu kommunizieren und die relevanten Daten bedarfsweise von diesem herunterzuladen. Auf diese Weise können die eichrechtlichen Bestimmungen jederzeit eingehalten und die Lademodule problemlos ausgetauscht und immer wieder erneut in den Verkehr gebracht werden.
Die Kommunikation mit Drittsystemen kann bspw. in einer Weise erfolgen, dass hierfür ein Kommunikationssystem in der Ladestation integriert wird. Dieses Kommunikationssystem konvertiert vorzugsweise die vom Lademodul bereitgestellten Transaktionsdaten in das jeweilige Zielformat des Betreibers und leitet diese Daten über die gewählte Schnittstelle zum System des Betreibers weiter. Das Kommunikationsmodul kann wahlweise mit nur einem Lademodul oder ggf. auch mit mehreren Lademodulen verbunden werden. Wird kein Kommunikationsmodul eingesetzt, dann müssen die Transaktionsdaten mit Hilfe der mitgelieferten Software vom Lademodul heruntergeladen werden.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Systems können unterschiedliche Einsatzfälle oder Nutzungsszenarien unterschieden werden. So kann etwa beim ersten Einsatzfall oder beim ersten Szenario auf ein sog. Backend verzichtet werden, d.h. es kann ein Lademodul öder es können mehrere Lademodule ohne Backend betrieben werden. Dazu werden die jeweils berechtigten RFID-Karten direkt am Lademodul angelernt bzw. dort mittels einer mitgelieferten Software hinterlegt. Die abrechnungsrelevanten Daten mit dem zugeordneten RFID-Token werden als signierter Datensatz auf der entnehmbaren Speicherkarte (z.B. SD-Karte) des Lademoduls gespeichert. Für eine eventuelle Abrechnung müssen diese dann dort durch den Betreiber heruntergeladen werden. Das signierte Datenpaket muss dann per elektronischem Datenverkehr dem Kunden bereitgestellt werden, damit es mit Hilfe der Transparentsoftware geprüft werden kann.
Beim zweiten Einsatzfall oder zweiten Nutzungsszenario kann vorgesehen sein, dem zunehmenden Einsatz von Ladestationen im Rahmen eines lokalen Energiemanagements Rechnung zu tragen. Hierbei können speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zum Einsatz kommen, über welche die Ladevorgänge jeweils gesteuert werden. Das Kommunikationsmodul würde für diesen Fall einen Modulbus- Server bereitstellen. Darüber wird die Authentifizierung des RFID-Tokens vorgenommen und die signierten Abrechnungsdaten (inkl. Authentifizierungsinformation) bereitgestellt.
Der dritte Einsatzfall oder das dritte Nutzungsszenario kann als „klassischer“ Fall eines Anschlusses an ein Backend betrachtet werden, welches gemäß dem OCPP- Protokoll (OCPP: Open Charge Point Protocol; entspricht in etwa: Freier Ladepunkt Kommunikationsstandard) kommuniziert. Damit ist ein universelles Anwendungsprotokoll gemeint, das die Kommunikation zwischen den eingesetzten Ladestationen und dem Backend bzw. einem zentralen Managementsystem standardisiert, ähnlich oder vergleichbar einem in Mobilfunknetzen eingesetzten Kommunikationsprotokoll. Auf diese Weise können Abrechnungsdaten (inkl. Authentifizierungsinformationen) und signierte Daten als Streckendaten (sog. „Meter-Values“) bereitgestellt werden.
Ein weiteres wichtiges Bauteil ist ein dem Lademodul zugeordneter bzw. dort integrierter eichrechtskonformer Zähler. Diese Zähler sind dafür vorgesehen, die jeweils anfallenden Verbrauchsdaten zu ermitteln, d.h. die an den angeschlossenen Verbraucher der elektrischen Energie übermittelten Energiepakete zu erfassen. Die erfassten Verbrauchsdaten werden um die Authentifizierungsinformationen ergänzt, wonach die solchermaßen angereicherten bzw. authentifizierten Verbrauchsdaten signiert werden, was durch eine Signierfunktion des Zählers erfolgen kann. Alle diese Datenverarbeitungsschritte erfolgen sinnvollerweise innerhalb des Lademoduls, so dass die signierten Datenpakete unverändert und in dem durch den Zähler bereitgestellten Format durch das Lademodul bereitgestellt werden können.
Sofern das Lademodul mit einem Kommunikationsmodul ausgestattet oder dort ein Kommunikationsmodul angeschlossen ist, kann das signierte Datenpaket in unveränderter Gestalt an das jeweils eingesetzte Betreibersystem weitergeleitet werden. An dieser Stelle könnte ergänzt werden, dass der Betreiber der Ladestationen auf die weitere Verwendung der Daten bei einem übergeordneten Betreiber oder im Backend- System keinen weiteren Einfluss mehr hat, was aber aufgrund der Protokollierungsmöglichkeit für die Datenpakete, welche die Ladestation und die Lademodule verlassen, keine Nachteile bedeuten muss.
Wahlweise kann vorgesehen sein, dass der Zählerstand und der sog. Public Key des Zählers für den jeweiligen Benutzer der Ladestation visualisiert werden kann, etwa durch ein geeignetes Zählerfenster im Lademodul, das den Zählerstand oder die Anzeige des Zählers für den Benutzer oder Verbraucher sichtbar machen kann. Zur Erreichung zumindest eines Teils der genannten Ziele schlägt die vorliegende Erfindung neben der in verschiedenen Ausführungsvarianten erläuterten Ladestation weiterhin ein Verfahren zum Betrieb, zur Handhabung und/oder zur Wartung einer solchen Ladestation gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten vor. Dieses Verfahren ermöglicht es insbesondere, in einem regulären Gebrauchs- und Betriebsmodus wenigstens einen elektrischer Verbraucher durch Nutzung der elektrischen Koppelstelle und ggf. unter Nutzung des Eingabe- und/oder Anzeigeterminals der Ladestation (d.h. der Benutzerschnittstelle bzw. des HMI) mit elektrischer Ladeenergie zum Aufladen von im elektrischen Verbraucher befindlichen Akkumulatoren zu versorgen, wobei das Verfahren vorsieht, in einem Service-, Reparatur- und/oder Wartungsmodus und/oder innerhalb regelmäßiger Wartungszyklen, bei dem/denen der reguläre Gebrauchs- und Betriebsmodus unterbrochen ist, das komplette, räumlich, baulich und funktional innerhalb der Ladestation gekapselte Lademodul unter Aufrechterhaltung seines Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen aus der Ladestation zu entnehmen und hierfür ein baugleiches Austausch-Lademoduls einzusetzen.
Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens befindet sich das mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen Einschubgehäuse angeordnete Lademodul im betriebsfertigen Zustand der Ladestation und des Lademoduls in einer korrespondierenden Aufnahme der Ladestation, während das Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnommen und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzt werden kann, wodurch die Betriebsbereitschaft der Ladestation wieder hergestellt wird.
Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung ein austauschbares Lademodul, das insbesondere in eine Aufnahme einer Ladestation gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungs- und Ausstattungsvarianten einsetzbar oder aus der Aufnahme entnehmbar und/oder gegen ein gleichartiges Lademodul ersetzbar ist, wobei sich das Lademodul im in der Aufnahme der Ladestation befindlichen Zustand sich insbesondere in elektrisch leitender Verbindung zwischen einer elektrischen Energieversorgung, insbesondere zwischen einem öffentlich zugänglichen Energieversorgungsnetz oder einem separaten Fernleitungsnetz und der mit dem elektrischen Verbraucher koppelbaren Koppelstelle befindet.
Es ist vorgesehen, dass das Lademodul zumindest die nachfolgenden miteinander verschalteten Einzelkomponenten aufweist. So umfasst das Lademodul eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischen Verbraucher, eine steuerbare Ausgangsschnittstelle zur Abgabe von Ladestrom, eine zwischen der Zähleinrichtung und der Ausgangsschnittstelle befindliche schaltbare Trenneinheit sowie ein zentrales Steuermodul, das mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder Kommunikationsverbindung steht. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zentrale Steuermodul über mindestens ein räumlich dem Lademodul zugeordnetes und/oder über Datenfernverbindung mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehendes Eingabe- und/oder Anzeigeterminal (sog. Benutzerschnittstelle oder HMI) verfügt.
Außerdem ist vorgesehen, dass die erwähnten und ggf. weitere Komponenten des Lademoduls baulich und funktional zusammengefasst und gegenüber weiteren Komponenten der Ladestation räumlich abgetrennt sind. Zudem ist das Lademodul in einem Gehäuse baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt.
Das Lademodul kann sich insbesondere mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen Einschubgehäuse befinden, wobei dieses Einschubgehäuse in eine korrespondierende Aufnahme der Ladestation passt. Somit kann das Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnommen und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzt werden.
Das Lademodul ist hierbei unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation einsetzbar und aus dieser entnehmbar.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass alle Aspekte und Ausführungsvarianten, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ladestation erläutert wurden, gleichermaßen Teilaspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb, zur Handhabung und/oder zur Wartung einer solchen Ladestation betreffen oder bilden können. Wenn daher an einer Stelle bei der Beschreibung oder auch bei den Anspruchsdefinitionen zur erfindungsgemäßen Ladestation von bestimmten Aspekten und/oder Zusammenhängen und/oder Wirkungen die Rede ist, so gilt dies gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren. In umgekehrter Weise gilt dasselbe, so dass auch alle Aspekte und Ausführungsvarianten, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb, zur Handhabung und/oder zur Wartung der Ladestation erläutert wurden, gleichermaßen Teilaspekte der erfindungsgemäßen Ladestation selbst betreffen oder sein können. Wenn daher an einer Stelle bei der Beschreibung oder auch bei den Anspruchsdefinitionen zum erfindungsgemäßen Verfahren von bestimmten Aspekten und/oder Zusammenhängen und/oder Wirkungen die Rede ist, so gilt dies gleichermaßen für die erfindungsgemäße Ladestation.
Außerdem sei betont, dass ergänzend unter Schutz gestellte austauschbare Lademodul insbesondere Teil der erfindungsgemäßen Ladestation sein kann und/oder beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb, zur Handhabung und/oder zur Wartung einer solchen Ladestation eingesetzt werden kann, so dass auch hier dasselbe wie oben gilt: alle Aspekte, die im Zusammenhang mit der Ladestation oder dem Verfahren erwähnt wurden, sollen gleichermaßen für das austauschbare Lademodul gelten und umgekehrt.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Ladestation in schematischer Darstellung.
Fig. 2 zeigt eine zweite und erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Ladestation in schematischer Darstellung.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für einen konkreten Aufbau eines Lademoduls, das austauschbarer Bestandteil einer Ladestation gemäß Fig. 2 sein kann.
Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die Erfindung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar. Auch sind die nachfolgend beschriebenen Merkmale jeweils nicht in engem Zusammenhang mit weiteren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels zu verstehen, sondern können jeweils im allgemeinen Zusammenhang vorgesehen sein bzw. hierfür Verwendung finden.
Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Ladestation, wie sie bisher häufig in der Praxis eingesetzt werden. Die Darstellung lässt erkennen, dass das bisher eingesetzte und bekannte Design üblicherweise zwei Ladestränge mit einem integrierten PC 1 als zentrale Steuereinheit umfasst. Bei diesem PC 1 laufen die Informationen der verschiedenen Bestandteile zusammen und werden u.a. auf einer SD-Karte 2 hinterlegt, insbesondere einer verplombten SD Karte. Der PC 1 liest die Daten eines RFID-Lesers 3 bzw. RFID-Readers, mit dessen Hilfe sich Benutzer der Ladestation identifizieren und einen Ladevorgang starten können. Außerdem ist ein HMI 4, d.h. eine Benutzerschnittstelle erkennbar, mit dem ein Benutzer Daten eingeben und/oder Informationen ablesen kann. Zudem kann eine externe Schnittstelle 5 in Form eines Mobilfunkmodems oder eines Ethernet-Adapters vorgesehen sein, mit der ein Datenaustausch zu und mit einem sog. Backend erfolgen kann.
Der PC 1 steuert zudem die beiden Ladecontroller 6, 7, insbesondere den Ladecontroller links 6 und den Ladecontroller rechts 7, die wiederum jeweils mit den Koppelstellen 8, 9, insbesondere Type 2 links 8 und Type 2 rechts 9, d.h. den Versorgungssteckdosen oder Versorgungskabeln in Verbindung stehen und diese steuern. Der eigentliche Versorgungsstrom zum Laden der an den Koppelstellen 8, 9 angeschlossenen Elektrofahrzeuge oder anderen mobilen elektrischen Verbrauchern ist über die von unten senkrecht in den unteren Kasten laufenden beiden Pfeile gekennzeichnet, der jeweils über die Fehlerstrom-Schutzschalter 10, 11, insbesondere Fl links 10 und Fl rechts 11 , und die mittels PC 1 ansteuerbaren Trennschalter 12, 13, insbesondere Schütz links 12 und Schütz rechts 13, sowie über die jeweiligen Zähler 14, 15, insbesondere Zähler links, verplombt 14 und Zähler rechts, verplombt 15, zu den Koppelstellen 8, 9, insbesondere Type 2 links 8 und Type 2 rechts 9, geleitet wird.
Auch die beiden Zähler 14, 15 stehen jeweils in Datenverbindung mit der zentralen Steuereinheit bzw. dem PC 1.
Die Darstellung der Fig. 1 lässt deutlich erkennen, dass mehrere räumlich voneinander getrennte Komponenten der Ladestation jeweils verplombt sein müssen, sollen die eichrechtlichen Vorschriften eingehalten werden und sollen unerwünschte Manipulationen erkannt werden können. So ist zumindest eine Verplombung der Abdeckung 16 über den beiden parallelen Koppelstellen 8, 9 (Type 2 links 8, Type 2 rechts 9), den Zählern 14, 15 (links 14, rechts 15), Trennschaltern 12, 13 (Schütz links 12, Schütz rechts 13) sowie den Fehlerstrom-Schutzschaltern 10, 11 (Fl links 10, Fl rechts 11) notwendig, wobei die beiden Zähler 14, 15 jeweils separat verplombt sein müssen.
Außerdem ist innerhalb der Ladestation auch die Schnittstelle mit der entnehmbaren Speicherkarte = SD-Karte 2, die mit dem PC 1 und/oder der Benutzerschnittstelle HMI 4 gekoppelt ist, zu verplomben und gegen Eingriffe und Manipulationen zu sichern. Es leuchtet ein, dass im Servicefall eine erneute Verplombung an der Ladestation selbst durch entsprechend befähigte und autorisierte Personen unumgänglich ist, und dies bereits nach einem Öffnen der Abdeckung (in Fig. 1 unten) oder nach einer Entnahme der SD-Karte 2, selbst wenn diese nur überprüft und wieder eingefügt wird.
Die schematische Darstellung der Fig. 2 zeigt daher eine zweite und erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Ladestation in ihrem Aufbau und ihren wesentlichen Komponenten, wobei ein einzelner Ladestrang gezeigt ist. Dieser Ladestrang ist durch ein verplombtes Lademodul 17 zusammengefasst. Das Lademodul 17 verfügt über eine eigenständige Steuerung = Ladecontroller 18 und über eine eigenständige Persistierung aller relevanten Daten über ein geeignetes Speicherelement, insbesondere eine SD-Karte 19.
Weiterhin ist die zentrale Steuereinheit, d.h., der Ladecontroller 18, mit einem Leser zur Erfassung von Daten, insbesondere einem RFID-Reader 20 ausgestattet, mit dessen Hilfe sich Benutzer der Ladestation identifizieren und einen Ladevorgang starten können. Außerdem ist ein HMI 21, d.h. eine Benutzerschnittstelle erkennbar, mit dem ein Benutzer Daten eingeben und/oder Informationen ablesen kann.
Die zentrale Steuereinheit, d.h., der Ladecontroller 18, kommuniziert mit einem Zähler 22, mit einem steuerbaren T rennschalter = Relais 23, sowie mit einer Koppelstelle 24 von Type 2, die eine Ausgangsschnittstelle zum Laden eines externen mobilen Verbrauchers, z.B. eines zu landenden Elektrofahrzeuges bildet.
Der Zähler 22, der steuerbare Trennschalter = Relais 23, sowie die damit elektrisch leitend gekoppelte Koppelstelle 24 (Type 2) wird gespeist von einer externen Stromversorgung, bspw. über ein öffentliches Stromversorgungsnetz, das über einen Fehlerstrom-Schutzschalter 25 mit dem Lademodul 17 verbunden ist. Der Fehlerstrom- Schutzschalter25 ist zunächst mit dem Zähler 22 verbunden, dieser wiederum mit dem Relais 23 und dieses mit der Koppelstelle 24 (Type 2).
Zudem kann eine externe Schnittstelle 26 vorgesehen sein, insbesondere ein Mobilfunkmodem oder ein Ethernet-Adapter, mit der ein Datenaustausch zu und mit einem Kommunikationsmodul 27 und/oder zu einem sog. Backend erfolgen kann. Diese grundsätzlich optional zu verstehende, aber sinnvollerweise vorhandene externe Schnittstelle 26 ist mit der zentralen Steuereinheit (Ladecontroller 18) verbunden, ist jedoch nicht Bestandteil des eigentlichen Lademoduls 17. Auch der Fehlerstrom-Schutzschalter 25 muss nicht verplombt werden, da er nicht den eichrechtlichen Bestimmungen für den vorliegenden Anwendungsfall unterliegt; deshalb ist der Fehlerstrom-Schutzschalter 25 nicht Bestandteil des verplombten Lademoduls 17 und befindet sich außerhalb des Bauraums des Lademoduls 17.
Durch ein geschlossenes Gehäuse können alle Komponenten des Lademoduls 17 mit Hilfe nur einer Plombe oder einer einzigen Versiegelung vor unberechtigtem Zugriff geschützt werden. Die Kommunikation mit Drittsystem kann durch ein eigenständiges Kommunikationsmodul 27, insbesondere Mobilfunkmodem oder Ethernet-Adapter, welches grundsätzlich mit einer Mehrzahl oder Vielzahl derartiger Lademodule gekoppelt und in Datenverbindung stehen kann.
Der besondere Vorteil des austauschbaren und in einem versiegelten Gehäuse integrierbaren Lademoduls 17 ist bereits durch den Vergleich der Figuren 1 und 2 erkennbar, denn das integrierte Lademodul 17 gemäß Fig. 2 bedarf zum Austausch und nach seinem Einsetzen in die Ladestation keiner dort durchzuführenden eichrechtlichen Verplombung, sondern kann an einer zentralen Servicestelle verplombt und eichrechtlich abgenommen werden und kann anschließend verschiedenen Servicetechnikern an unterschiedlichen Orten zur Verfügung gestellt werden, ggf. auch auf Vorrat. Ein Wartungsvorgang, ein routinemäßiger Service oder auch eine Reparatur einer Ladestation vor Ort können dadurch wesentlich schneller und ohne längere Ausfallzeiten durchgeführt werden, da im Wesentlichen nur das bereitstehende und fertig verplombte Lademodul 17 eingesetzt wird, nachdem ein möglicherweise defektes oder routinemäßig zu wartendes Lademodul 17 zuvor aus der Ladestation entnommen wurde.
Die perspektivische Ansicht der Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen konkreten Aufbau eines Lademoduls 17, das austauschbarer Bestandteil einer Ladestation gemäß Fig. 2 sein kann. Hinsichtlich der Anordnung der Komponenten und ihrer Funktionsweise sei auf die Beschriftung der Fig. 3 verwiesen.
Das Lademodul 17 befindet sich zwischengeschaltet zwischen einer elektrischen Energieversorgung, insbesondere zwischen einem öffentlich zugänglichen Energieversorgungsnetz oder einem separaten Fernleitungsnetz, und der mit dem elektrischen Verbraucher koppelbaren Koppelstelle. Das wenigstens eine Lademodul 17 weist zumindest die im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen und in geeigneter Weise miteinander verschalteten Einzelkomponenten auf. Hierbei ist es sinnvoll, alle Komponenten des Ladestrangs und der Ladesteuerung baulich und funktional zusammenzufassen. Vorzugsweise sind diese Komponenten zudem gegenüber weiteren Komponenten der Ladestation räumlich abgetrennt. Vorzugsweise sind die Komponenten des Lademoduls 17 in einem Einschubgehäuse 40 baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt.
Das Lademodul 17 kann zumindest ein abgeschlossenes Einschubgehäuse 40 umfassen, welches die integrierten Komponenten des Lademoduls 17 in einem abgeschlossenen Raum zusammenfasst. Das Einschubgehäuse 40 weist vorzugsweise eine ausreichende Schutzklasse auf, beispielsweise mindestens Schutzklasse IP20, bei welcher ein Berührungsschutz vor festen Fremdkörpern mit einer Größe über 12 mm sichergestellt ist, so dass spannungsführende Bauteile nicht mit dem Finger berührt werden können.
Beispielsweise kann das Einschubgehäuse 40 aus einem ersten Gehäuseteil 40-1 und einem zweiten Gehäuseteil 40-2 bestehen, welcher erste Gehäuseteil 40-1 und zweite Gehäuseteil 40-2 im fertigen Lademodul 17 miteinander verbunden sind. Innerhalb der beiden Gehäuseteile 40-1, 40-2 sind alle integrierten Komponenten des Lademoduls 17 enthalten.
Im betriebsfertigen Zustand der Ladestation befindet sich das Lademodul 17 in einer Aufnahme der Ladestation (nicht dargestellt), welche Aufnahme entsprechend ausgebildet ist, um das Einschubgehäuse 40 des Lademoduls 17 aufzunehmen. Um das Lademodul 17 zu Reparieren oder einen Service durchzuführen o.ä., wird in einem Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation das Lademodul 17 als Ganzes aus der Aufnahme entnommen und durch ein gleichartiges Lademodul 17 ersetzt.
Das Einschubgehäuse 40 des Lademoduls 17 kann vorzugsweise manipulations- und eingriffssicher versiegelt und/oder verplombt sein, wodurch die Eichrechtskonformität des gesamten Lademoduls 17 als austauschbarer Bestandteil der Ladestation gegeben ist. Die dadurch erzielte Abgeschlossenheit bietet Sicherheit gegen Eingriffe, Manipulationen oder Veränderungen durch Dritte. Die Konstruktion des Lademoduls 17 ist somit in einer Weise angelegt und ausgebildet, dass damit eine externe Manipulation der Energieabgabe oder der abrechnungsrelevanten Daten festgestellt bzw. von vorherein unterbunden werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Lademodul 17 durch geeignetes und hierfür ausgebildetes Servicepersonal an den Aufstellungsorten der jeweiligen Ladestationen gegen andere, geprüfte und geeichte Lademodule 17 auszutauschen und somit die Ausfallzeiten für Verbraucher und Betreiber zu minimieren.
Das Lademodul 17 ist somit unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation einsetzbar und aus dieser entnehmbar.
Das Lademodul 17 ist in einer Weise ausgebildet, dass es eigenständig in die Lage versetzt ist, ein Fahrzeug normgemäß, d.h. insbesondere gemäß der entsprechenden Europäischen Norm EN-61851 zu laden. Für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Ladestation ist der Einbau der elektronischen Komponenten des Lademoduls 17 in ein Einschubgehäuse 40 mit ausreichender Schutzklasse, beispielsweise Schutzklasse IP20, und der Anschluss des Lademoduls 17 an eine 3- phasige Stromversorgung (Drehstrom) mit hierfür passend dimensioniertem Fehlerstrom- Schutzschalter (Fl) (vergleiche Bezugszeichen 25 in Figur 2) erforderlich.
Dabei ist es weiterhin sinnvoll bzw. notwendig, das Lademodul 17 innerhalb der Ladestation mit einer separaten Stromversorgung auszustatten, so dass eine sinnvolle Ausgestaltung vorsehen kann, das Lademodul 17 durch eine externe 24V- Stromversorgung zu versorgen. Eine solche separate Stromversorgung ist normalerweise unverzichtbar, denn aus eichrechtlichen Gründen ist eine getrennte Abrechnung des Eigenverbrauchs der Ladesäule und der von der Ladesäule abgegebenen und als Ladestrom zur Verfügung gestellten Ladeenergie erforderlich. Eine Vermischung dieser Verbräuche lässt das derzeit geltende Eichrecht nicht zu.
Um dies zu ermöglichen, ist das Lademodul 17 mit einer Schnittstelle 30 nach außen ausgestattet, welche Schnittstelle 30 eine 24V- Versorgung durch ein Netzteil umfasst, weiterhin eine Verbindung zu einer Kommunikationseinheit (vergleiche Bezugszeichen 27 in Figur 2) über USB herstellt und eine RS485- Schnittstelle für zukünftige Anwendungen und Ausgang für die Status- LEDs im Topper bereitstellt.
Die Schnittstelle 30 stellt insbesondere eine steuerbare Ausgangsschnittstelle 41 dar, die in elektrisch leitender Verbindung mit einer Koppelstelle steht, über welche elektrische Koppelstelle ein akkumulatorbetriebenes Elektrofahrzeug mittels einer elektrischen Verbindungsleitung an die Ladestation mit dem Lademodul 17 ankoppelbar ist. Diese Ausgangsschnittstelle 41 kann bereits die Anschlusssteckdose bilden, in die ein Kabel eingesteckt werden kann, um den jeweiligen Ladevorgang beginnen zu können. Mit dem Begriff der steuerbaren Ausgangsschnittstelle 41 kann jedoch auch ein interner Übergabepunkt zu einer nach außen geführten elektrischen Koppelstelle gemeint sein. Die steuerbare Ausgangsschnittstelle 41 des Lademoduls kann wahlweise über eine Datenschnittstelle zur Datenkommunikation mit einem entfernten Kommunikationspartner verfügen.
Weiterhin ist eine Leistungsplatine 32 erkennbar, welche Leistungsplatine eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischem Verbraucher umfasst. Eine solche Zähleinrichtung wurde bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Weiterhin kann die Leistungsplatine 32 eine ebenfalls im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 vorbeschriebene schaltbare Trenneinheit umfassen, die bspw. eine ferngesteuerte Freigabe oder Unterbrechung eines Ladevorganges ermöglicht.
Darüber hinaus umfasst das Lademodul 17 ein zentrales Steuermodul, das mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle 41 sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder und/oder datenverarbeitender Kommunikationsverbindung steht. In Figur 3 wird das zentrale Steuermodul durch eine Ladecontrollerplatine 34 gebildet, welche Ladecontrollerplatine 34 zusätzlich einen Display, einen RFID Reader und eine SD- Karte umfasst.
Die Ladedose 37 des Lademoduls 17 ist insbesondere eine Anschlusssteckdose in die ein Kabel eingesteckt werden kann, um den jeweiligen Ladevorgang beginnen zu können. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine genormte Anschlusssteckdose, in welche ein Ladekabel mit endseitig daran angeordnetem Anschlussstecker eingesteckt werden kann oder welche als Ladebuchse bzw. als Steckdose mit definierten Anschlussmaßen ausgestaltet ist.
Weiterhin umfasst das wenigstens eine Lademodul eine steuerbare Ausgangsschnittstelle, die in elektrisch leitender Verbindung mit der Koppelstelle steht. Diese Ausgangsschnittstelle kann bereits die Anschlusssteckdose bzw. Ladedose 37 bilden. Mit dem Begriff der steuerbaren Ausgangsschnittstelle kann jedoch auch ein interner Übergabepunkt zu einer nach außen geführten elektrischen Koppelstelle gemeint sein. Der interne Übergabepunkt wird beispielsweise durch einen Abgang PCB zur Ladedose 31 bereitgestellt und die Koppelstelle wird bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel durch eine Einspeisung PCB vom Zählerausgang 36 gebildet.
Weiterhin sind in Figur 3 noch eine 6mA DC Fehlerstromerkennung 33, eine 3x 32A Sicherung 35 und die Einspeisung 38 in die Ladebucht zu erkennen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 PC
2 SD- Karte
3 RFID-Leser
4 HMI
5 Externe Schnittstelle
6 Ladecontroller links
7 Ladecontroller rechts
8 Koppelstelle Type 2 links
9 Koppelstelle Type 2 rechts
10 Fl links
11 Fl rechts
12 Trennschalter Schütz links
13 T rennschalter Schütz rechts
14 Zähler links, verplombt
15 Zähler rechts, verplombt
16 Abdeckung, verplombt
17 verplombtes Lademodul
18 Ladecontroller
19 SD- Karte
20 RFID-Reader
21 HMI
22 Zähler
23 Relais
24 Koppelstelle (Type 2)
25 Fehlerstrom-Schutzschalter
26 externe Schnittstelle
27 Kommunikationsmodul 0 Schnittstelle nach außen 1 Abgang PCB zu Ladedose 2 Leistungsplatine 3 6mA DC Fehlerstromerkennung 4 Ladecontrollerplatine mit Display, RFID Reader, SD- Karte 5 3x 32 A Sicherung 6 Einspeisung PCB von Zählerausgang 7 Ladedose 8 Einspeisung Ladebucht 0 Einschubgehäuse -1 erster Gehäuseteil -2 zweiter Gehäuseteil 1 Ausgangsschnittstelle

Claims

Ansprüche Ladestation für mobile elektrische Verbraucher, insbesondere für akkumulatorbetriebene Elektrofahrzeuge, die über eine elektrische Koppelstelle und daran angeschlossener elektrischer Verbindungsleitung an die Ladestation ankoppelbar sind, wobei die Ladestation wenigstens ein Lademodul umfasst, das sich zwischengeschaltet zwischen einer elektrischen Energieversorgung, insbesondere zwischen einem öffentlich zugänglichen Energieversorgungsnetz oder einem separaten Fernleitungsnetz und der mit dem elektrischen Verbraucher koppelbaren Koppelstelle befindet, welches Lademodul zumindest folgende miteinander verschaltete Einzelkomponenten aufweist:
- eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischen Verbraucher,
- eine steuerbare Ausgangsschnittstelle, die in elektrisch leitender Verbindung mit der Koppelstelle steht,
- eine zwischen der Zähleinrichtung und der Ausgangsschnittstelle befindliche schaltbare Trenneinheit sowie
- ein zentrales Steuermodul, das mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder Kommunikationsverbindung steht, wobei das zentrale Steuermodul über mindestens ein räumlich dem Lademodul und/oder der Ladestation zugeordnetes und/oder ein räumlich von der Ladestation getrenntes und über Datenfernverbindung mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehendes Eingabe- und/oder Anzeigeterminal verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademodul mitsamt seinen Komponenten innerhalb der Ladestation räumlich und funktional zusammengefasst und gegenüber weiteren Komponenten innerhalb der Ladestation abgetrennt ist, dass das Lademodul innerhalb der Ladestation baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt ist, und dass das Lademodul unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation einsetzbar und aus dieser entnehmbar ist.
2. Ladestation nach Anspruch 1 , bei welcher das mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehende Eingabe- und/oder Anzeigeterminal Bestandteil des Lademoduls und dort baulich integriert ist.
3. Ladestation nach Anspruch 1 , bei welcher das mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehende Eingabe- und/oder Anzeigeterminal eine vom Lademodul räumlich entfernte Komponente ist, die kein integraler Bestandteil des Lademoduls ist.
4. Ladestation nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher mindestens zwei separate und jeweils für sich nutzbare Eingabe- und/oder Anzeigeterminals vorgesehen sind, die jeweils in einer Kommunikationsverbindung mit dem zentralen Steuermodul des Lademoduls stehen.
5. Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher dem zentralen Steuermodul des Lademoduls ein Eingabe- oder Lesegerät, insbesondere ein RFID- Leser zur Verarbeitung von Authentifizierungsdaten eines Nutzers der Ladestation zugeordnet ist, wobei das Eingabe- oder Lesegerät integraler Bestandteil des Lademoduls und dort baulich integriert ist.
6. Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das zentrale Steuermodul des Lademoduls über eine Datenschnittstelle zur Datenkommunikation mit einem entfernten Kommunikationspartner verfügt, wobei die Datenschnittstelle eine Einrichtung zur Authentifizierung und/oder zur Signierung der ausgetauschten Daten zugeordnet ist.
7. Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher sich das Lademodul mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen, insbesondere zumindest staubdicht abgeschlossenen Einschubgehäuse befindet, welches Einschubgehäuse sich im betriebsfertigen Zustand der Ladestation und des Lademoduls in einer korrespondierenden Aufnahme der Ladestation befindet, und welches Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnehmbar und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzbar ist.
8. Ladestation nach Anspruch 7, bei welchem das Einschubgehäuse des Lademoduls manipulations- und eingriffssicher versiegelt und/oder verplombt ist. Verfahren zum Betrieb, zur Handhabung und/oder zur Wartung einer Ladestation gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, welches Verfahren es ermöglicht, in einem regulären Gebrauchs- und Betriebsmodus wenigstens einen elektrischer Verbraucher durch Nutzung der elektrischen Koppelstelle und ggf. unter Nutzung des Eingabe- und/oder Anzeigeterminals der Ladestation mit elektrischer Ladeenergie zum Aufladen von im elektrischen Verbraucher befindlichen Akkumulatoren zu versorgen, und wobei das Verfahren vorsieht, in einem Service-, Reparatur- und/oder Wartungsmodus und/oder innerhalb regelmäßiger Wartungszyklen, bei dem/denen der reguläre Gebrauchs- und Betriebsmodus unterbrochen ist, das komplette, räumlich, baulich und funktional innerhalb der Ladestation gekapselte Lademodul unter Aufrechterhaltung seines Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen aus der Ladestation zu entnehmen und hierfür ein baugleiches Austausch-Lademoduls einzusetzen. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen, insbesondere zumindest staubdicht abgeschlossenen Einschubgehäuse angeordnete Lademodul sich im betriebsfertigen Zustand der Ladestation und des Lademoduls in einer korrespondierenden Aufnahme der Ladestation befindet, wobei das Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnommen und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzt werden kann, wodurch die Betriebsbereitschaft der Ladestation wieder hergestellt wird. Austauschbares Lademodul, das insbesondere in eine Aufnahme einer Ladestation gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 einsetzbar oder aus der Aufnahme entnehmbar und/oder gegen ein gleichartiges Lademodul ersetzbar ist, wobei sich das Lademodul im in der Aufnahme der Ladestation befindlichen Zustand sich insbesondere in elektrisch leitender Verbindung zwischen einer elektrischen Energieversorgung, insbesondere zwischen einem öffentlich zugänglichen Energieversorgungsnetz oder einem separaten Fernleitungsnetz und der mit dem elektrischen Verbraucher koppelbaren Koppelstelle befindet, und wobei das Lademodul zumindest folgende miteinander verschaltete Einzelkomponenten aufweist:
- eine Zähleinrichtung zur Erfassung eines jeweils fließenden Ladestroms bei angekoppeltem elektrischen Verbraucher,
- eine steuerbare Ausgangsschnittstelle zur Abgabe von Ladestrom,
- eine zwischen der Zähleinrichtung und der Ausgangsschnittstelle befindliche schaltbare Trenneinheit sowie - ein zentrales Steuermodul, das mit der Zähleinrichtung, mit der steuerbaren Ausgangsschnittstelle sowie der schaltbaren Trenneinheit jeweils in steuernder Kommunikationsverbindung steht, wobei das zentrale Steuermodul über mindestens ein räumlich dem Lademodul zugeordnetes und/oder über Datenfernverbindung mit dem zentralen Steuermodul in Kommunikationsverbindung stehendes Eingabe- und/oder Anzeigeterminal verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Lademoduls baulich und funktional zusammengefasst und gegenüber weiteren Komponenten der Ladestation räumlich abgetrennt ist, wobei das Lademodul in einem Gehäuse baulich und funktional gekapselt und gegen Eingriffe und Manipulationen geschützt ist. Lademodul nach Anspruch 11, welches mitsamt seinen integrierten Komponenten in einem abgeschlossenen, insbesondere zumindest staubdicht abgeschlossenen Einschubgehäuse befindet, welches Einschubgehäuse in eine korrespondierende Aufnahme der Ladestation passt, und welches Einschubgehäuse im Service-, Reparatur- und/oder Wartungszustand der Ladestation als Ganzes aus der Aufnahme entnehmbar und durch ein gleichartiges Lademodul ersetzbar ist. Lademodul nach Anspruch 11 oder 12, welches unter Beibehaltung des Schutzes gegen Eingriffe und Manipulationen als Ganzes in die Ladestation einsetzbar und aus dieser entnehmbar ist.
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