WO2020057929A1

WO2020057929A1 - Ladestecker und messsystem

Info

Publication number: WO2020057929A1
Application number: PCT/EP2019/073059
Authority: WO
Inventors: Sebastian Bode; Klaus-Peter Linzmaier
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2020-03-26
Also published as: EP3837742A1; DE102018216087A1

Abstract

Der erfindungsgemäße Ladestecker ist von der Überlegung getragen, eine eichrechtskonforme Bestimmung einer übergebenen elektrischen Energie zu gewährleisten, indem zumindest eine elektrische Größe am Übergabepunkt der elektrischen Leistung gemessen wird, deren jeweiliger Wert an die Ladeinfrastruktur übermittelt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird lediglich eine der beiden zur Bestimmung der elektrischen Energie zu messenden elektrischen Größen im Ladestecker gemessen, während die andere elektrische Größe beispielsweise am Anschlusspunkt der Ladekabels in der Ladeinfrastruktureinrichtung gemessen wird. Die erfindungsgemäße eröffnete örtliche Verteilung bei der Messung zweier elektrischer Größen in Kombination mit einer Übertragung des am Übergabepunkt ermittelten Werts der einen elektrischen Größe gewährleistet eine eichrechtskonforme Bestimmung der von einer Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie.

Description

Beschreibung

Ladestecker und Messsystem

Die Erfindung betrifft einen Ladestecker zum lösbaren Verbin den mit einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel und ein Messsystem zur Bestimmung einer von einer Ladeinfrastruk tureinrichtung übergebenen elektrischen Energie.

Elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel, insbesondere zu mindest teilweise mit elektrischer Energie antreibbare Fahr zeuge bzw. Elektrofahrzeuge weisen mindestens einen Akkumula tor auf, welcher in einem laufenden Betrieb des Elektro fahrzeugs regelmäßig zu laden ist. Ein Laden eines Elektro fahrzeugs erfolgt üblicherweise an einer Ladeinfrastruktur - in der Fachwelt auch als Electric Vehicle Supply Equipment oder abkürzend EVSE bekannt - welche über ein Ladekabel mit dem Fortbewegungsmittel verbunden wird.

Eine in einer Ladeinfrastruktureinrichtung vorgesehene oder dieser zugeordnete Messvorrichtung dient einer Erfassung der von der Ladeinfrastruktureinrichtung an das Fortbewegungsmit tel übergebenen elektrischen Energie. Die übergebene elektri sche Energie wird dem Halter des Elektrofahrzeugs üblicher weise in Rechnung gestellt.

Eichrechtlichen Vorgaben gemäß ist die übergebene elektrische Energie am Übergabepunkt zu messen, d.h. an dem Ort, an dem die elektrische Energie in das Elektrofahrzeug oder das elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel eingespeist wird. Der Übergabepunkt entspräche einer Verbindung zwischen dem Ladekabel und dem zu ladenden Fortbewegungsmittel. Derzeit erfolgt eine Energiemessung allerdings überwiegend in einer Messvorrichtung der Ladeinfrastruktur. Die dort gemessene Energie beinhaltet jedoch einen Energieanteil, welche in ei nem ohmschen Widerstand des Ladekabels in thermische Energie umgesetzt wird und somit am Übergabepunkt nicht als elektri sche Energie übergeben wird. Bei heute angestrebten Schnell- ladevorgängen mit hohen Ladeleistungen - in der Fachwelt auch als High Power Charging bekannt - kann der in thermische Energie umgesetzte Energieanteil durchaus zwei Prozent der von der Ladeinfrastruktureinrichtung gelieferten Energie überschreiten .

Eine pauschale Berücksichtigung der thermischen Blindenergie bei der Verrechnung der elektrischen Energie, etwa durch Ab zug eines prozentualen Anteils, ist eichrechtlich nicht zu lässig, da dieser Abzug auf einem bloßen Schätzwert beruhen würde, welche aufgrund von technischen Gegebenheiten Schwan kungen unterliegen kann. Eine eichrechtskonforme Verrechnung erfordert insbesondere einen nachweisbaren und nicht be streitbaren Beleg der an einem Übergabepunkt übergebenen elektrischen Energie.

Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel für eine eichrechtskon forme Bestimmung der von einer Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie anzugeben.

Die Aufgabe wird durch einen Ladestecker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Ladestecker ist bestimmungsgemäß zum Verbinden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels bzw. Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel mit einer Ladeinfra struktureinrichtung vorgesehen und umfasst hierzu ein Steck feld mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte.

Erfindungsgemäß umfasst der Ladestecker eine erste Messein heit zur Messung zumindest einer elektrischen Größe an min destens zwei elektrischen Kontakten sowie eine Übermittlungs einheit zur Übermittlung der zumindest einen gemessenen elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung.

Der Begriff »umfasst« bedeutet insbesondere, dass die Mess einheit und/oder die Übermittlungseinheit im Gehäuse des La desteckers integriert sind. Alternativ können die Messeinheit und/oder die Übermittlungseinheit auch in einem separaten Ge häuse anordenbar sein und lösbar, insbesondere steckbar, oder auch unlösbar mit dem Gehäuse eines konventionellen Ladeste ckers verbunden sein.

Im Fall eines alternierenden einphasigen Ladestroms oder im Fall eines Gleichstroms erfolgt die Messung der ersten elektrischen Größe an zwei elektrischen Kontakten, im Fall eines mehrphasigen Ladestroms an mindestens drei elektrischen Kontakten des Ladesteckers.

Der erfindungsgemäße Ladestecker ist von der Überlegung ge tragen, eine eichrechtskonforme Bestimmung einer übergebenen elektrischen Energie zu gewährleisten, indem zumindest eine elektrische Größe am Übergabepunkt der elektrischen Leistung gemessen wird, deren jeweiliger Wert an die Ladeinfrastruktur übermittelt wird. Der Übergabepunkt einer Ladeinfrastruktur ist am fahrzeugseitigen Ende des Ladekabels bzw. des dort an geordneten Ladesteckers zu verorten, dem Ort der erfindungs gemäßen Messung zumindest einer elektrischen Größe.

Zur Bestimmung der übergebenen elektrischen Energie sind be kanntermaßen Augenblickswerte von Spannung und Stromstärke zu messen und während der Entnahmedauer, also der Ladezeit, zeitlich zu integrieren. Die Bestimmung der übergebenen elektrischen Energie erfordert demnach eine Messung zumindest zweier elektrischer Größen.

Eine komplette Messeinrichtung zur Messung der übergebenen elektrischen Leistung im Ladestecker vorzusehen ist aufgrund von Größen- und Gewichtseinschränkungen des Ladesteckers der zeit noch nicht vollständig praktikabel.

Erfindungsgemäß umfasst ist daher insbesondere eine bevorzug te Ausführungsform, gemäß der lediglich eine der beiden zur Bestimmung der elektrischen Energie zu messenden elektrischen Größen im Übergabepunkt - also im Ladestecker - gemessen wird, während die andere elektrische Größe beispielsweise am Anschlusspunkt der Ladekabels in der Ladeinfrastrukturein richtung gemessen wird.

Bevorzugt erfolgt am Übergabepunkt, also am Ladestecker, eine Spannungsmessung, während eine Strommessung in der Ladeinfra struktureinrichtung erfolgt. Diese örtliche Verteilung beider Messungen hat zwei Vorteile:

Einerseits erfordert eine Strommessung üblicherweise eine größer dimensionierte Messeinheit, welche aufgrund der an gesprochenen Größen- und Gewichtseinschränkungen des Lade steckers günstiger in der Ladeinfrastruktureinrichtung zu positionieren ist. Demgegenüber ist eine Messeinheit zur Spannungsmessung wesentlich kleiner zu dimensionieren. Zu dem ist die Spannungsmessung im Vergleich zur Strommessung mit einer geringeren thermischen Verlustleistung und damit weniger Abwärme beaufschlagt. Beide Faktoren sprechen für eine Lokalisierung der Spannungsmessung im Ladestecker.

Andererseits, und noch wichtiger, ergibt sich der Vorteil einer Bevorzugung der Spannungsmessung am Übergabepunkt bei der verteilten Messung der elektrischen Größen

dadurch, dass genau diese Verteilung den eichrechtlichen Vorgaben genügt, gemäß der die übergebene elektrische Energie am Übergabepunkt zu messen ist. Während die elekt rische Stromstärke aufgrund eines durch die Kirchhoffsehen Regeln ableitbaren Erhaltungssatzes innerhalb des nicht verzweigten Ladestromkreises örtlich konstant ist, ist die elektrische Spannung im Ladestromkreis je nach Ort der Messung unterschiedlich. Zur eichrechtlich gebotenen Be stimmung einer übergebenen elektrischen Leistung am Über gabepunkt ist also insbesondere die Spannungsmessung am Übergabepunkt durchzuführen, während die Strommessung an einem beliebigen Ort im Ladestromkreis durchgeführt werden kann .

Die gewünschte Bestimmung der Ladeenergie aus der übergebenen elektrischen Leistung erfolgt durch Integration diskreter Leistungswerte aus dem Produkt aus Spannungs- und Stromstär kemesswerten in der Ladeinfrastruktureinrichtung anhand des übermittelten Werts der ersten elektrischen Größe

- vorzugsweise der Spannung - und der lokal gemessenen zwei ten elektrischen Größe, vorzugsweise der Stromstärke.

Die erfindungsgemäße eröffnete örtliche Verteilung bei der Messung zweier elektrischer Größen in Kombination mit einer Übertragung des am Übergabepunkt ermittelten Werts der einen elektrischen Größe gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung erfüllt damit die Aufgabe, Mittel für eine eichrechtskonforme Bestimmung der von einer Ladeinfrastruktureinrichtung überge benen elektrischen Energie anzugeben.

Erfindungsgemäß umfasst ist im Übrigen auch eine alternative Ausführungsform, bei der beide elektrische Größen im Überga bepunkt - also im Ladestecker - gemessen werden. Auch für diese Ausführungsform ergeben sich die erfindungsgemäßen Vor teile einer örtlich verteilten Messung und einer örtlich ver lagerten Bestimmung der elektrischen Energie aufgrund der Übermittlung der Werte der gemessenen elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung, mithin dem Ort der Bestim mung der elektrischen Energie aus den übertragenen Werten.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt die Messung der übergebenen elektrischen Energie direkt im Lade stecker, wobei die gemessene, zumindest eine elektrische Grö ße als elektrische Energie zu verstehen ist. Die elektrische Energie kann entweder direkt gemessen werden - wobei die ers te Messeinheit als Energiezähler ausgeführt ist - oder auch indirekt gemessen werden durch zeitliche Integration aus dem Produkt direkter Messungen aus Spannungs- und Stromstärke messwerten an den elektrischen Kontakten des Ladesteckers, welche gleichzeitig oder alternierend von in der ersten Mess einheit integrierten Teilmesseinheiten bestimmt werden. Die so gemessene elektrische Energie wird über die Übermittlungs einheit an die Ladeinfrastruktureinrichtung übermittelt. Die Steuerung der einzelnen Messungen und die mathematische Be- Stimmung der Energie werden dabei durch einen Mikrocontroller im Ladestecker gesteuert und überwacht.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Messsystem mit den Merk malen eines nebengeordneten unabhängigen Patentanspruchs ge löst. Erfindungsgemäß wird ein Messsystem zur Bestimmung ei ner von einer Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie vorgeschlagen, bei dem der Ladeinfra struktureinrichtung zumindest zeitweise ein Ladekabel zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen einem An schlusspunkt des Ladekabels an der Ladeinfrastruktureinrich tung und einem Ladestecker an einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel zuordenbar ist. Das Messsystem umfasst: eine im Ladestecker angeordnete erste Messeinheit zur Mes sung zumindest einer ersten elektrischen Größe an mindes tens zwei elektrischen Kontakten des Ladesteckers;

eine im Ladestecker angeordnete Übermittlungseinheit zur Übermittlung eines Werts der zumindest einen ersten elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung; eine zweite Messeinheit zur Messung zumindest einer zwei ten elektrischen Größe am Anschlusspunkt des Ladekabels; und;

eine Bestimmungseinheit zur Bestimmung der von der Ladein frastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie anhand des übermittelten Werts der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe.

Das erfindungsgemäße Messsystem verwirklicht die vorbeschrie bene örtliche Verteilung bei der Messung zweier elektrischer Größen in Kombination mit einer Übertragung des am Übergabe punkt ermittelten Werts der einen elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung, wo eine Bestimmungseinheit an hand des übermittelten Werts der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe eine Bestimmung der von der Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie durchführt. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merk malen eines nebengeordneten unabhängigen Patentanspruchs ge löst. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer von einer Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektri schen Energie vorgeschlagen, dessen Verfahrensschritte im We sentlichen der obigen Beschreibung entsprechen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ab hängigen Patentansprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Übermittlung der elektrischen Größe in Form eines digita len Werts. Die Übermittelungseinheit umfasst dementsprechend einen Konverter zur Bestimmung eines digitalen Werts aus dem gemessenen Wert der elektrischen Größe. Ein üblicher Analog- Digital-Konverter muss nicht notwendigerweise als separate Komponente vorgesehen sein. Alternativ können Funktionen ei nes Analog-Digital-Konverters beispielsweise auch Bestandteil eines auf einem Mikrocontroller zum Ablauf gebrachten Maschi nencode sein oder in einer Hardware eines flankierenden FPGAs (Field Programmable Gate Array) oder ASICs (Application- Specific Integrated Circuit) implementiert sein. Der im Lade stecker angeordnete Mikrocontroller übernimmt vorzugsweise auch die Funktionen der kompletten Übermittlungseinheit, also insbesondere ein Netzwerkschnittstelle zur Implementierung eines ladeinfrastrukturseitigen Kommunikationsprotokolls. Ein entsprechend ausgestalteter und erweiterter Mikrocontroller kann darüber hinaus noch weitere Funktionen übernehmen. Ins besondere können auf dem Substrat eines dementsprechend er weiterten Mikrocontrollers flüchtige und nichtflüchtige Spei cherzellen, Synchronisationsfunktionen und mikromechanische Sensoren - beispielsweise Beschleunigungssensoren in Verbin dung mit Auswertungslogik - zusätzlich bereitgestellt werden. Auf einen in solcher Weise erweiterten Mikrocontroller wird in der Fachwelt auch mit dem Begriff System-on-Silicon bzw. SoS Bezug genommen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Übermittlung des oder der digitalen Werte der mindestens einen elektrischen Größe zusammen mit einem jeweiligen Zeit stempel, welche einen absoluten oder relativen Messzeitpunkt der Ermittlung des oder der digitalen Werte der mindestens einen elektrischen Größe entspricht. Hierzu wird ein Daten feld, bestehend aus digitalen Werten der mindestens einen elektrischen Größe zusammen mit dem jeweiligen Zeitstempel übertragen. Da es eine Übermittlung des Werts an die Infra struktureinrichtung zu unweigerlichen Verzögerungen kommt, schafft der Zeitstempel die Möglichkeit einer rechnerischen Synchronisation der örtlich - und damit auch zeitlich - aus einanderfallenden Werte. Zur Bestimmung der übergebenen elektrischen Energie sind die zeitlich zusammenfallenden Au genblickswerte von Spannung und Stromstärke zu messen und während der Entnahmedauer, also der Ladezeit, zeitlich zu in tegrieren .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Übermittlung des digitalen Werts der elektrischen Größe oder des Datenfelds gemäß dem oben erläuterten ladeinfra strukturseitigen Kommunikationsprotokoll .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine kryptographisch gesicherte Übermittlung des digitalen Werts an die Ladeinfrastruktureinrichtung. Dabei werden der oder die zwischen dem Ladestecker und der Ladeinfrastruktur einrichtung zu übertragenden digitalen Werte beispielsweise kryptographisch signiert. Seitens des Ladesteckers erfolgt diese Signatur beispielsweise durch eine Funktion des im La destecker verbauten Mikrocontrollers. Durch eine kryptogra phisch Signatur des zu übertragenden digitalen Werts wird si chergestellt, dass dieser im Sinne eines Manipulationsschut zes nicht mehr bearbeitet oder verändert werden kann. Bei spielsweise kann eine Signatur mittels eines Schlüsselpaares erfolgen. In Anwendung eines vom Mikrocontroller verwalteten privaten Schlüssels wird eine Signatur des Werts errechnet. Ein öffentlicher Schlüssel des zugehörigen Schlüsselpaars liegt dem Empfänger des Werts innerhalb der Ladeinfrastruk tureinrichtung vor und wird zur Prüfung des privaten Schlüs sels bzw. zur Prüfung der mit dem privaten Schlüssel erstell ten Signatur angewandt. Ein solcher kryptographischer Daten austausch kann selbstverständlich auch bidirektional erfol gen. Der kryptographischer Datenaustausch gemäß dieser Ausge staltung trägt unter anderem zur Erreichung einer eichrecht lichen Unbestreitbarkeit bei.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgen eine Über mittlung des Werts sowie eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Ladestecker oder dem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel einerseits sowie der Ladeinfrastruktur einrichtung andererseits auf galvanische Übertragungsweise, also über das Ladekabel. Bei entsprechender Ausgestaltung der Ladeinfrastruktureinrichtung mit einer drahtlosen Schnitt stelle kann eine solche bidirektionale Kommunikation mit dem Ladestecker jedoch alternativ oder zusätzlich auch über eine drahtlose Luftschnittstelle erfolgen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ladekabel, bestehend aus einer Leitergarnitur zur Übertragung elektri scher Ladeleistung und/oder zur Übertragung von Daten sowie ein Ladestecker vorgeschlagen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Messsystem vorgeschlagen, bei dem mindestens die zweite infrastruktur seitige Messeinheit - d.h. die zweite Messeinheit alleine o- der die zweite Messeinheit und eine infrastrukturseitige dritte Messeinheit - eingerichtet ist zur Messung einer An schlussspannung und eines Ladestroms am Anschlusspunkt des Ladekabels und bei der die infrastrukturseitige Bestimmungs einheit zusätzlich eingerichtet ist zur Bestimmung der elektrischen Energie anhand der gemessenen Anschlussspannung und des gemessenen Ladestroms. Diese Messungen entsprechen einer konventionellen, eichrechtlich zunächst zu beanstanden den Bestimmung der elektrischen Energie am Anschlusspunkt.

Die Bestimmungseinheit ist zusätzlich eingerichtet zur Kor- rektur der konventionell bestimmten Werte durch eine Korrek tur mit einem am Übergabepunkt, also am Ladestecker, gemesse nen Wert mindestens einen ersten elektrischen Größe. Ein Kor rekturwert besteht z.B. aus dem Verhältnis von der am Lade stecker gemessenen Spannung und der am Anschlusspunkt gemes senen Anschlussspannung. Eine solche Kombination aus herkömm liche Energiebestimmung und Korrekturwertermittlung aufgrund einer dezentralen Messung ist insbesondere bei einem Ausfall einer Funktionseinheit - beispielsweise der ersten Messein heit oder der Übermittlungseinheit - im Ladestecker vorteil haft, da bis zu einer Wartung des Ladesteckers zumindest eine ungenauere Energie im Anschlusspunkt erhoben werden kann.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Messsystem vorgeschlagen, bei dem die Bestimmungseinheit außerhalb der Ladeinfrastruktureinrichtung lokalisiert ist, beispielsweise in einem dezentralen Server oder in einer Bestimmungseinheit einer Abrechnungsstelle. Hierzu ist in der Ladeinfrastruktur einrichtung eine infrastrukturseitige zweite Übermittlungs einheit zur Übermittlung zumindest einer elektrischen Größe an die außerhalb der Ladeinfrastruktureinrichtung lokalisier te Bestimmungseinheit vorgesehen ist. Alternativ kann auch eine verteilte Bestimmung mit einer innerhalb der Ladeinfra struktureinrichtung vorgesehenen Bestimmungseinheit und einer außerhalb der Ladeinfrastruktureinrichtung Bestimmungseinheit vorgesehen sein.

Im Weiteren werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladesteckers und des erfindungsgemäßen Messsystems anhand der Zeichnung näher erläutert. Identische Bezugszeichen in ver schiedenen Figuren repräsentieren hierbei identische Funkti onseinheiten. Es zeigen:

Fig. 1 ein Strukturbild zur Darstellung einer Ausfüh

rungsform eines erfindungsgemäßen Ladesteckers; Fig . 2 ein Strukturbild zur Darstellung einer Ladeinfra struktur in Zusammenwirkung mit erfindungsgemäßen Funktionseinheiten; und;

Fig . 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung von Komponen ten gemäß einer Ausführungsform des erfindungsge mäßen Ladesteckers.

Die Figuren sind zugunsten einer anschaulichen Darstellungs weise nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet, ins besondere entsprechen die Größenverhältnisse der dargestell ten Figurenelemente - sowohl für sich als auch im Verhältnis zueinander - nicht notwendigerweise der Realität

FIG. 1 zeigt ein Strukturbild zur Darstellung einer Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Ladesteckers PLG. Der Lade stecker weist ein fachübliches Steckfeld CP mit einer Mehr zahl elektrischer Kontakte L1,L2,L3 auf.

Anzahl, Verwendung und Anordnung der elektrischen Kontakte innerhalb des Steckfelds CP sind hinreichend genormt, unter anderem existieren Steckfelder CP gemäß einer auch als Lade stecker Typ 1 bezeichneten Norm gemäß SAE J1772-2009, Lade stecker Typ 2 gemäß EN 62196-2 (VDE-AR-E 2623-2-2) und Lade stecker Typ 3 gemäß einem Vorschlag eines Konsortiums »EV Plug Alliance«.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist in nerhalb des Ladesteckergehäuses eine erste Messeinheit Ml zur Messung zumindest einer elektrischen Größe an mindestens zwei elektrischen Kontakten L1,L2 vorgesehen. Weiterhin ist eine - nicht dargestellte - Übermittlungseinheit zur Übermittlung der zumindest einen gemessenen elektrischen Größe an die Lad einfrastruktureinrichtung EVSE vorgesehen. Die - nicht darge stellte - Übermittlungseinheit ist in FIG. 1 in einem Mikro controller CTR hardwaremäßig und/oder softwaremäßig implemen tiert . Die erste Messeinheit misst eine zwischen den elektrischen Kontakten L1,L2 anliegende elektrische Spannung, deren Wert in einem - nicht dargestellten - Konverter des Mikrocontrol ler CTR digitalisiert, anschließend von einer - nicht darge stellten - Verschlüsselungseinheit kryptographisch gesichert und an die Übermittlungseinheit zur Übermittlung über eine oder mehrere - nicht dargestellte - Datenleitungen im Ladeka bel CC an eine Ladeinfrastruktureinrichtung am anderen Ende des Datenkabels CC übermittelt wird. Eine Übermittlung des kryptographisch gesicherten Übermittlung des digitalen Werts über das Ladekabel CC erfolgt gemäß einem ladeinfrastruktur seitigen Kommunikationsprotokoll .

Optional ist eine - nicht dargestellte - Zeitbasis innerhalb des Mikrocontroller CTR, welche den Wert der elektrischen Spannung zusätzlich mit einem Zeitstempel versieht. Der Wert der elektrischen Spannung sowie der Zeitstempel werden bei spielsweise in einem Datenfeld abgelegt, welches dann krypto graphisch gesichert und an die Übermittlungseinheit zur Über mittlung an die Ladeinfrastruktureinrichtung übermittelt wird. Der Zeitstempel beinhaltet beispielsweise einen zeitli chen Wert des Messzeitpunkts.

Dieser Zeitstempel wird vorzugsweise in einem seitens der La deinfrastruktureinrichtung verwalteten Datensatz zusammen mit jeweiligen Messwerten zumindest mittelfristig gespeichert, sodass eine nachträgliche Prüfung des von der ersten Messein heit Ml im Stecker gemessenen Werts für den Zweck einer Eich prüfung ermöglicht wird.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung von elektri schen Komponenten innerhalb des Ladesteckers. Die zwischen dem ersten Kontakt LI und dem zweiten Kontakt L2 anliegende elektrische Spannung wird über zwei Schutzimpedanzen an die erste Messeinheit Ml zugeführt. Der Messwert der Spannung wird einem Analog-Digital-Konverter AD, an dessen rechtssei tigen Ausgang ein digitaler Wert vorliegt. Dieser wird über die Übermittlungseinheit TU in Richtung des Ladekabels über- mittelt. Wie oben angesprochen, können die elektrischen Kom ponenten Ml, AD, TU beliebig innerhalb eines Mikrocontrollers CTR implementiert werden.

FIG. 2 zeigt eine Ladeinfrastruktur mit einem zu ladendenden elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel bzw. Elektrofahr zeug EV sowie einer Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE.

Die Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE enthält eine Energie versorgungseinrichtung PSU zur fachüblichen Bereitstellung, Aufbereitung und Steuerung eines elektrischen Ladestroms, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Der Ladestrom fließt nach Stecken des Ladesteckers PLG in eine fahrzeugseitige Buchse SC - die Zeichnung zeigt einen noch nicht gesteckten Zustand - sowie einer entsprechenden Autorisierung und Frei gabe seitens der Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE von der Energieversorgungseinrichtung PSU über einen Anschlusspunkt CON und über das mit der Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE fest oder steckbar verbundene Ladekabel CC .

Ein übliches Ladekabel CC umfasst eine Kabelgarnitur, beste hend aus mehreren Leitungen zur jeweiligen Ladestromführung - beispielsweise Außenleiter bzw. Phasenleiter, Neutrallei ter, Schutzleiter etc. - sowie mindestens eine Signalleitung. Ein Schutzleiter in der Kabelgarnitur bildet dabei aus Si cherheitsgründen eine Rückleitung für die Signalleitung. Die Durchgängigkeit der Geräteerde zwischen der Signalleitung und dem Elektrofahrzeugs EV wird seitens der Energieversorgungs einrichtung PSU durch Messung des Stromflusses (des sog. »Pi lotsignals«) in der Signalleitung überprüft. Ein Stromfluss in die Kabelgarnitur darf nur erfolgen, wenn der Signallei tungsstromkreis ordnungsgemäß geschlossen ist. Mehrere Sig nalleitungen können zur Gewährleistung einer breitbandigen Datenübertragung als paarweise verdrillte Adernpaare mit op tionaler einzelner Schirmung der Adernpaare ausgeführt sein. Das Ladekabel CC dient also neben einem Transport des

elektrischen Ladestroms üblicherweise auch einem Austausch von Daten und Steuersignalen im Zusammenhang mit dem Ladevor- gang. Ein Austausch der Daten und Steuersignale über das La dekabel CC erfolgt gemäß einem ladeinfrastrukturseitigen Kom munikationsprotokoll .

An einem von der der Energieversorgungseinrichtung PSU in Richtung des Anschlusspunkts CON führenden Ladestromstrang ist ladeinfrastrukturseitig eine zweite Messeinheit M2 zur Messung des Ladestroms vorgesehen.

Die Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE enthält des Weiteren eine Bestimmungseinheit DU. Die Bestimmungseinheit DU ist eingerichtet zur Entgegennahme und kryptographischen Ent schlüsselung eines Datenfelds, welches von der im Ladestecker PLG eingerichteten Übermittlungseinheit über das Datenkabel CC gesendet wird. Diesem Datenfeld wird seitens der Bestim mungseinheit DU zumindest ein Wert der zumindest einen gemes senen elektrischen Größe entnommen, im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ein an mindestens zwei elektrischen Kontakten L1,L2 am Steckfeld CP des Ladesteckers PLG gemessene elektri sche Spannung. Dem Datenfeld wird weiterhin ein zeitliches Datum bzw. Zeitstempel entnommen und als Zeitpunkt der Mes sung bei der Bestimmung bzw. Berechnung der elektrischen Energie berücksichtigt.

Die von der Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE übergebene elektrischen Energie wird durch die Bestimmungseinheit DU be stimmt aus dem vom Ladestecker PLG übermittelten Wert der zwischen den elektrischen Kontakten L1,L2 anliegende elektri sche Spannung sowie den von der zweiten Messeinheit M2 lokal gemessenen Wert des Ladestroms. Zur Bestimmung der übergebe nen elektrischen Energie werden anhand ihres Zeitstempels zeitlich übereinstimmende Augenblickswerte der Spannung und der Stromstärke zugeordnet - also systematisch bzw. rechne risch synchronisiert - und während der Ladezeit zeitlich in tegriert .

Sofern erforderlich werden die beteiligten Messeinheiten M1,M2 unter Anwendung bekannter Synchronisationsprotokolle, wie beispielsweise NTP, Network Time Protocol, über die Da tenverbindung des Ladekabels CC zusätzlich miteinander syn chronisiert. Alternativ erfolgt eine Synchronisation unter Anwendung schneller Signalformänderungen der elektrischen Spannung, also Signaländerungen mit hoher Flankensteilheit, welche durch die beiden Messeinheiten M1,M2 jeweils zeit gleich erfasst werden. Durch eine Kombination beider Synchro nisationsverfahren kann eine Synchronisation mittels NTP wei ter verfeinert werden. Weiterhin kann von beiden Messeinhei ten M1,M2 ein Wert einer absoluten Zeit über das Synchronisa tionsprotokoll NTP bezogen werden. Eine zeitliche Abweichung, welche sich z.B. durch eine eine Latenz - »Powerlinelatenz« - bei der Übertragung bzw. Weiterleitung ergibt, kann durch ei ne Flanke des Pilotsignals bzw. Control Pilot Signal korri giert werden.

Statt einer einzelnen Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE kann eine erweiterte - nicht dargestellte - Ladeinfrastruktur vor gesehen sein, welche z.B. eine modulare Schaltschrankeinrich- tungen umfasst, insbesondere um Tiefgaragen mit mehreren La deplätzen auszustatten. Dabei können mehrere Ladesteuerungen, vorgesehen sein welche Gruppen von Ladeplätzen zur Verfügung stehen. Auch kann eine - nicht dargestellte - übergeordnete Ladesteuerung in einem infrastrukturseitigen Kommunikations system mit mehreren Ladekabeln kommunizieren.

Der Übergabepunkt ist definiert als der Ort, an dem die elektrische Energie in die Energiesenke - hier das elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel bzw. Elektrofahrzeug EV - eingespeist wird. Dieser Übergabepunkt entspricht in der Zeichnung dem Ladestecker PLG am fahrzeugseitigen Ende des Ladekabels CC . Demgegenüber ist der Anschlusspunkt CON defi niert als der Ort, an die elektrische Energie zum Betrieb bzw. zum Laden der Energiesenke - Elektrofahrzeug EV - ent nommen wird. Dieser Anschlusspunkt CN entspricht in der

Zeichnung dem Anschluss des Verbindungskabels CC an der Lad einfrastruktureinrichtung EVSE. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein - nicht dar gestelltes - Messsystem vorgeschlagen, bei der mindestens die zweite infrastrukturseitige Messeinheit M2 eingerichtet ist zur Messung einer Anschlussspannung und eines Ladestroms am Anschlusspunkt CON des Ladekabels CC und bei der die infra strukturseitige Bestimmungseinheit DU zusätzlich eingerichtet ist zur Bestimmung der elektrischen Energie anhand der gemes senen Anschlussspannung und des gemessenen Ladestroms.

»Mindestens die zweite infrastrukturseitige Messeinheit M2« ist dabei so zu verstehen, dass die die zweite Messeinheit alleine beide Messungen der Anschlussspannung und des Lade stroms übernimmt, oder, alternativ, dass die zweite Messein heit M2 und eine weitere infrastrukturseitige - nicht darge stellte - dritte Messeinheit - jeweils eine der beiden Mes sungen vornimmt.

Gemäß einer - nicht dargestellten - Ausgestaltung ist diese Bestimmungseinheit außerhalb der Ladeinfrastruktureinrichtung lokalisiert, beispielsweise in einem dezentralen Server oder in einer Bestimmungseinheit einer Abrechnungsstelle. Hierzu ist in der Ladeinfrastruktureinrichtung EVSE eine - nicht dargestellte - infrastrukturseitige zweite Übermittlungsein heit zur Übermittlung zumindest einer elektrischen Größe an die außerhalb der Ladeinfrastruktureinrichtung lokalisierte Bestimmungseinheit vorgesehen.

Diese Messungen am Anschlusspunkt CON entsprechen einer kon ventionellen, eichrechtlich zunächst zu beanstandenden Be stimmung der elektrischen Energie. Die Bestimmungseinheit DU ist allerdings darüber hinaus eingerichtet zur Korrektur der konventionell bestimmten Werte durch eine Korrektur mit einem am Übergabepunkt, also am Ladestecker PLG, gemessenen Wert mindestens einen ersten elektrischen Größe. Ein Korrekturwert besteht z.B. aus dem Verhältnis von der am Ladestecker gemes senen Spannung und der am Anschlusspunkt gemessenen An schlussspannung. Eine solche Kombination aus herkömmlicher Energiebestimmung und Korrekturwertermittlung aufgrund einer dezentralen Messung ist insbesondere bei einem Ausfall einer Funktionseinheit - beispielsweise der ersten Messeinheit Ml oder der Übermittlungseinheit TU - im Ladestecker PLG vor teilhaft, da bis zu einer Wartung des Ladesteckers PLG zumin dest eine ungenauere Energie im Anschlusspunkt erhoben werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel verwirklicht architektureil gesprochen eine Kombination aus einer konventionellen, nicht verteilten Messung in Zusammenwirkung mit einer dezentralen Korrekturwertermittlung .

Zusammenfassend ist der erfindungsgemäße Ladestecker von der Überlegung getragen, eine eichrechtskonforme Bestimmung einer übergebenen elektrischen Energie zu gewährleisten, indem zu mindest eine elektrische Größe am Übergabepunkt der elektri schen Leistung gemessen wird, deren jeweiliger Wert an die Ladeinfrastruktur übermittelt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird lediglich eine der beiden zur Bestimmung der elektrischen Energie zu messenden elektrischen Größen im Ladestecker gemessen, während die andere elektrische Größe beispielsweise am Anschlusspunkt der Ladekabels in der Lad einfrastruktureinrichtung gemessen wird. Die erfindungsgemäße eröffnete örtliche Verteilung bei der Messung zweier elektri scher Größen in Kombination mit einer Übertragung des am Übergabepunkt ermittelten Werts der einen elektrischen Größe gewährleistet eine eichrechtskonforme Bestimmung der von ei ner Ladeinfrastruktureinrichtung übergebenen elektrischen Energie .

Claims

Patentansprüche

1. Ladestecker zum Verbinden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels (EV) über ein Ladekabel (CC) mit einer Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) , der Ladestecker (PLG) umfassend :

ein Steckfeld (CP) mit einer Mehrzahl elektrischer Kontak te (LI, L2, L3) ;

eine erste Messeinheit (Ml) zur Messung zumindest einer elektrischen Größe an mindestens zwei elektrischen Kontak ten (LI , L2 ) ; und;

eine Übermittlungseinheit (TU) zur Übermittlung zumindest eines Werts der zumindest einen gemessenen elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) .

2. Ladestecker gemäß Patentanspruch 1, wobei die Übermitt lungseinheit (TU) einen Konverter (AD) zur digitalen Über mittlung des Werts der elektrischen Größe umfasst.

3. Ladestecker gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche, wobei die Übermittlungseinheit (TU) einen Konverter (AD) zur digitalen Übermittlung des Werts der elektrischen Größe um fasst .

4. Ladestecker gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche, wobei die Übermittlungseinheit (TU) eine Zeitbasis zur Über mittlung eines Zeitstempels mit dem Wert der elektrischen Größe umfasst.

5. gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche, wobei die Übermittlungseinheit (TU) zur Übermittlung gemäß einem lad einfrastrukturseitigen Kommunikationsprotokoll eingerichtet ist .

6. Ladestecker gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche, wobei die Übermittlungseinheit für eine kryptographisch gesi cherte Übermittlung eingerichtet ist.

7. Ladestecker gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche, wobei die Übermittlungseinheit zur galvanischen Übermittlung über das Ladekabel (CC) eingerichtet ist.

8. Ladekabel, umfassend,

eine Leitergarnitur zur Übertragung elektrischer Ladeleis tung und/oder zur Übertragung von Daten; und;

einen Ladestecker (PLG) nach einem der vorgenannten Pa tentansprüche .

9. Messsystem zur Bestimmung einer von einer Ladeinfrastruk tureinrichtung (EVSE) übergebenen elektrischen Energie, wobei der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) zumindest zeitweise ein Ladekabel (CC) zur Ausbildung einer elektrischen Verbin dung zwischen einem Anschlusspunkt des Ladekabels (CC) an der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) und einem Ladestecker (PLG) an einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel (EV) zuordenbar ist, das Messsystem umfassend:

eine im Ladestecker (PLG) angeordnete erste Messeinheit (Ml) zur Messung zumindest einer ersten elektrischen Größe an mindestens zwei elektrischen Kontakten (L1,L2) des La desteckers (PLG) ;

eine im Ladestecker (PLG) angeordneten Übermittlungsein heit (TU) zur Übermittlung eines Werts der zumindest einen ersten elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrich tung (EVSE) ;

eine zweite Messeinheit (M2) zur Messung zumindest einer zweiten elektrischen Größe am Anschlusspunkt (CON) des La dekabels (CC) ; und;

eine Bestimmungseinheit (DU) zur Bestimmung der von der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) übergebenen elektri schen Energie anhand des übermittelten Werts der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe.

10. Messsystem gemäß Patentanspruch 9, wobei

mindestens die zweite Messeinheit (M2) eingerichtet ist zur Messung einer Anschlussspannung und eines Ladestroms am Anschlusspunkt (CON) des Ladekabels (CC) ; die Bestimmungseinheit (DU) zusätzlich eingerichtet ist zur Bestimmung der elektrischen Energie anhand der gemes senen Anschlussspannung und des gemessenen Ladestroms; die Bestimmungseinheit (DU) zusätzlich zur Bestimmung der von der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) übergebenen elektrischen Energie anhand der aus dem gemessenen An schlussspannung und dem gemessenen Ladestroms bestimmten elektrischen Energie eingerichtet ist.

11. Messsystem gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet,

dass die Bestimmungseinheit (DU) außerhalb der Ladeinfra struktureinrichtung (EVSE) lokalisiert ist;

dass in der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) eine inf rastrukturseitige zweite Übermittlungseinheit zur Über mittlung zumindest einer elektrischen Größe an die außer halb der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) lokalisierte Bestimmungseinheit (DU) vorgesehen ist.

12. Verfahren zur Bestimmung einer von einer Ladeinfrastruk tureinrichtung (EVSE) übergebenen elektrischen Energie, wobei der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) zumindest zeitweise ein Ladekabel (CC) zur Ausbildung einer elektrischen Verbin dung zwischen einem Anschlusspunkt des Ladekabels (CC) an der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) und einem Ladestecker (PLG) an einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel (EV) zuordenbar ist, das Verfahren umfassend:

Messung zumindest einer ersten elektrischen Größe an min destens zwei elektrischen Kontakten (L1,L2) des Ladeste ckers (PLG) ;

Übermittlung eines Werts der zumindest einen ersten elektrischen Größe an die Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) ;

Messung zumindest einer zweiten elektrischen Größe am An schlusspunkt des Ladekabels (CC) ; und;

Bestimmung der von der Ladeinfrastruktureinrichtung (EVSE) übergebenen elektrischen Energie anhand des übermittelten Werts der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe.

13. Verfahren gemäß Patentanspruch 12, umfassend Verfahrens schritte zum Betrieb eines Messsystems gemäß einem der vorge nannten Ansprüche 9 bis 11.