DE102013202591A1

DE102013202591A1 - Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102013202591A1
Application number: DE102013202591.2A
Authority: DE
Inventors: Torsten Herzog
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-21
Also published as: CN104918820B; WO2014128096A2; US20160039298A1; CN104918820A; WO2014128096A3; US10173537B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug (EV), das über einen elektrischen Energiespeicher (1) angetrieben werden kann, umfassend einen fahrzeugseitigen ersten Ladeanschluss (2) zur mechanischen Verbindung mit einem zweiten Ladeanschluss (3) einer externen Ladestation (CS), wobei der erste Ladeanschluss (2) zwei Kontaktelemente (201, 202) zum Gleichstrom-Laden des elektrischen Energiespeichers (1) im Elektrofahrzeug (EV) umfasst, welche bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) eine elektrische Verbindung mit der Ladestation (CS) über die Kontaktierung von zwei Kontakten (301, 302) des zweiten Ladeanschlusses (3) herstellen können. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung eine galvanische Verbindung (L) von den Kontaktelementen (201, 202) hin zu dem elektrischen Energiespeicher (1), wobei beim Gleichstrom-Laden über die galvanische Verbindung (L) Gleichstrom, der den Kontaktelementen (201, 202) des ersten Ladeanschlusses (2) über die Kontakte (301, 302) des zweiten Ladeanschlusses (3) zugeführt wird, in den elektrischen Energiespeicher (1) zu dessen Ladung fließt. Darüber hinaus ist eine Steuereinrichtung (4) zum Überwachen des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (1) vorgesehen, welche mit der Ladestation (CS) kommunizieren kann. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Kontaktelement (201, 202) des ersten Ladeanschlusses (2) zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei das zumindest eine Kontaktelement (201, 202) in der ersten Position in dem ersten Ladeanschluss (3) zurückgezogen ist und in der zweiten Position derart angeordnet ist, dass es bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) den korrespondierenden Kontakt (201, 202) des zweiten Ladeanschlusses (3) kontaktiert. Die Steuereinrichtung (4) steuert die Bewegung des zumindest einen Kontaktelements (201, 202) derart, dass es ausschließlich bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (201, 202) in die zweite Position bewegt wird und sich ansonsten in der ersten Position befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug.
Zum Laden des elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs sind verschiedene kabelgebundene Ladetechnologien bekannt. Zum einen gibt es die Technologie des AC- bzw. Wechselstrom-Ladens, bei der sich ein entsprechendes Ladegerät umfassend einen AC/DC-Wandler im Fahrzeug befindet. Darüber hinaus ist das DC- bzw. Gleichstrom-Laden bekannt, bei dem sich das Ladegerät in einer externen Ladestation außerhalb des Fahrzeugs befindet und Gleichstrom von der Ladestation über ein Elektrokabel zum Energiespeicher im Fahrzeug geführt wird. In den meisten Fällen ist die Ladeleistung beim DC-Laden höher als beim AC-Laden.
Die Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation zum AC- bzw. DC-Laden kann über verschiedene Arten von Stecksystemen realisiert werden. Für ein DC-Laden sind dabei am fahrzeugseitigen Ladeanschluss entsprechende Kontaktelemente vorgesehen, welche galvanisch mit dem zu ladenden elektrischen Energiespeicher im Fahrzeug verbunden sind. Dabei ist sicherzustellen, dass bei freigelegtem Ladeanschluss eine Berührung der Kontaktelemente mittels der Finger einer Person zu keinem Stromfluss durch die Person führt. Herkömmlicherweise wird dies durch Öffnen von Schalteinrichtungen, wie z. B. Schützen, in den elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Kontaktelementen und dem elektrischen Energiespeicher erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug zu schaffen, welche auf einfache Weise ein Schutz gegen Berührungen von Gleichstrom-Kontaktelementen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Ladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ist für ein Elektrofahrzeug vorgesehen, d. h. es handelt sich um eine fahrzeugseitige Ladeeinrichtung. Der Begriff des Elektrofahrzeugs ist weit zu verstehen und kann jede Art von Kraftfahrzeug umfassen, welches elektrisch angetrieben werden kann und dessen Energiespeicher elektrisch geladen werden kann. Es kann sich dabei um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug und gegebenenfalls auch um ein Hybrid-Fahrzeug handeln, welches neben einem Elektroantrieb auch einen Verbrennungsmotor umfasst.
Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung dient zum Laden eines für den Antrieb des Elektrofahrzeugs vorgesehenen elektrischen Energiespeichers. Der Begriff des elektrischen Energiespeichers ist dabei weit zu verstehen und kann insbesondere auch eine Mehrzahl von elektrischen Speichereinheiten bzw. Speicherelementen umfassen. In einer bevorzugten Variante ist der elektrische Energiespeicher eine Hochvolt-Batterie.
Die Ladeeinrichtung umfasst einen fahrzeugseitigen ersten Ladeanschluss, d. h. der Ladeanschluss ist zum Einbau in dem Elektrofahrzeug vorgesehen. Der erste Ladeanschluss dient zum mechanischen Verbinden mit einem zweiten Ladeanschluss einer externen, nicht zum Fahrzeug gehörigen Ladestation. Der zweite Ladeanschluss bzw. die Ladestation sind dabei nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung. Der erste Ladeanschluss der Ladeeinrichtung umfasst zwei Kontaktelemente zum Gleichstrom-Laden des elektrischen Energiespeichers im Elektrofahrzeug, welche bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss eine elektrische Verbindung mit der Ladestation über die Kontaktierung von zwei Kontakten des zweiten Ladeanschlusses herstellen können. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung umfasst ferner eine galvanische Verbindung von den Kontaktelementen hin zu dem elektrischen Energiespeicher, wobei beim Gleichstrom-Laden über die galvanische Verbindung Gleichstrom, der den Kontaktelementen des ersten Ladeanschlusses über die Kontakte des zweiten Ladeanschlusses zugeführt wird, in den elektrischen Energiespeicher zu dessen Ladung fließt. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung umfasst darüber hinaus eine Steuereinrichtung zum Überwachen des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers, wobei die Steuereinrichtung mit der Ladestation kommunizieren kann.
Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eines der zwei Kontaktelemente des ersten Ladeanschlusses zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist. Dabei ist das zumindest eine Kontaktelement in der ersten Position in dem ersten Ladeanschluss zurückgezogen und insbesondere eingefahren. Der Begriff „zurückgezogen” ist dabei dahingehend zu verstehen, dass bei freigelegtem erstem Ladeanschluss das entsprechende Kontaktelement von außerhalb des Fahrzeugs für einen Benutzer nicht mittels Berührung zugänglich ist. Demgegenüber ist das zumindest eine Kontaktelement in der zweiten Position derart angeordnet, dass es bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss den korrespondierenden Kontakt des zweiten Ladeanschlusses kontaktiert. Die Steuereinrichtung steuert dabei die Bewegung des zumindest einen Kontaktelements derart, dass dieses Kontaktelement ausschließlich bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss in die zweite Position bewegt wird und sich ansonsten in der ersten Position befindet.
Mit der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung wird ein effizienter Berührschutz durch ein mechanisch bewegbares Kontaktelement erreicht. Dabei sind die Steckkräfte beim Zusammenführen des fahrzeugseitigen ersten Ladeanschlusses und des zweiten Ladeanschlusses der Ladestation reduziert, da die reibbehaftete Kontaktierung zwischen den entsprechenden Kontaktelementen und Kontakten erst nach mechanischer Verbindung der Ladeanschlüsse erfolgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ist die galvanische Verbindung hin zu dem elektrischen Energiespeicher nicht unterbrechbar, d. h. es sind keine Schalter und insbesondere keine Schütze zum Unterbrechen dieser Verbindung vorgesehen. Auf diese Weise können die Kosten der Ladeeinrichtung reduziert werden, da auf entsprechende Schalter bzw. Schütze verzichtet werden kann. Nichtsdestotrotz ist weiterhin ein Berührschutz dadurch gewährleistet, dass die Kontaktelemente bei freigelegtem Ladeanschluss immer in der zurückgezogenen Position sind.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung sind die zwei Kontaktelemente zur Gleichstrom-Ladung Kontaktstifte bzw. Kontaktpins, welche vorzugsweise als Kontakte im zweiten Ladeanschluss korrespondierende Kontakthülsen kontaktieren.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Ladeeinrichtung bei Bedarf auch ein Wechselstrom-Laden durchführen. In diesem Fall umfasst die Ladeeinrichtung ferner weitere Kontaktelemente zum Wechselstrom-Laden, welche an einen AC/DC-Wandler angeschlossen sind, der zur Wandlung von zugeführtem Wechselstrom in Gleichstrom zur Ladung des elektrischen Energiespeichers vorgesehen ist.
Je nach Ausführungsform kann der erste Ladeanschluss der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform basiert der erste Ladeanschluss auf dem Standard IEC 62196-3, in dem Steckverbinder zum gleichzeitigen Gleichstrom- und Wechselstrom-Laden beschrieben sind. Vorzugsweise ist der Ladeanschluss von dem Typ COMBO1 oder COMBO2 oder DC-Type2 des Standards IEC 62196-3. Nichtsdestotrotz kann der erste Ladeanschluss auch anders ausgestaltet sein. Ferner können auch Kontaktelemente, welche sowohl zum Gleichstrom- als auch zum Wechselstrom-Laden genutzt werden, als bewegbare Kontaktelemente gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind beide, zum Gleichstrom-Laden vorgesehene Kontaktelemente als Kontaktelemente mit Berührschutz vorgesehen, die von der ersten in die zweite Position bewegbar sind. Auf diese Weise wird der Berührschutz weiter verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Ladeeinrichtung eine Verriegelungseinheit, um den zweiten Ladeanschluss in dem ersten Ladeanschluss bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss zu verriegeln. Solche Verriegelungseinheiten sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird die Verriegelung vorzugsweise durch die Steuereinrichtung der Ladeeinrichtung bewirkt, wenn eine mechanische Verbindung zwischen erstem und zweitem Ladeanschluss festgestellt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung wird bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss eine Kommunikationsverbindung zwischen der Steuereinrichtung und der externen Ladestation und insbesondere einer entsprechenden Steuereinrichtung der externen Ladestation hergestellt. Die Kommunikationsverbindung wird insbesondere über eine elektrische Kontaktierung bewirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der an sich bekannte Pilot-Anschluss zur Kommunikation genutzt.
In einer besonders bevorzugten Variante läuft über die oben beschriebene Kommunikationsverbindung eine Ladekommunikation zur Einstellung von Parametern in der Ladeeinrichtung mittels der Steuereinrichtung ab, wobei bei einer Freigabe des Gleichstrom-Ladens durch die Steuereinrichtung im Rahmen der Ladekommunikation das zumindest eine Kontaktelement von der ersten in die zweite Position bewegt wird. Das heißt, erst beim tatsächlichen Beginn des Gleichstrom-Ladens wird die elektrische Kontaktierung zum Gleichstrom-Laden durchgeführt. Hierdurch wird die Sicherheit erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Bewegung des zumindest einen Kontaktelements über einen elektrisch angetriebenen Aktuator. Vorzugsweise wird dabei das zumindest eine Kontaktelement über eine Rückstellkraft in der ersten Position gehalten und über den Aktuator entgegen der Rückstellkraft von der ersten in die zweite Position bewegt. Auf diese Weise wird auch bei Ausfall des Aktuators gewährleistet, dass das Kontaktelement in der zurückgezogenen Position ist.
Neben der oben beschriebenen Ladeeinrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Elektrofahrzeug, das zum Antrieb einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei das Elektrofahrzeug die oben beschriebene Ladeeinrichtung bzw. eine oder mehrere bevorzugte Varianten der oben beschriebenen Ladeeinrichtung umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Lade-Architektur zum Gleichstrom-Laden eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer Lade-Architektur zum Gleichstrom-Laden eines Fahrzeugs mittels einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung;
3 ein Beispiel einer fahrzeugseitigen Ladedose, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung verwendet werden kann;
4 bis 6 Schnittansichten, welche das Ausfahren eines Kontaktpins zum Gleichstrom-Laden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verdeutlichen.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Lade-Architektur zum Gleichstrom-Laden eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik. Im rechten Teil von 1 sind dabei Komponenten des Fahrzeugs EV gezeigt. Das Fahrzeug kann dabei ein reines Elektrofahrzeug und gegebenenfalls auch ein Hybrid-Fahrzeug sein, welches mittels eines elektrischen Energiespeichers bzw. einer Batterie 1 in der Form von elektrochemischen Speicherzellen über einen Elektromotor angetrieben werden kann. Die Ladung des elektrischen Energiespeichers 1 erfolgt in dem Szenario der 1 über eine Ladestation CS, die im linken Teil dieser Figur wiedergegeben ist. Dabei ist ein erster Ladeanschluss 2 auf Seiten des Fahrzeugs EV mit einem korrespondierenden zweiten Ladeanschluss 3 auf Seiten der Ladestation CS verbunden. Der Aufbau der Ladeanschlüsse ist aus 1 nicht näher ersichtlich, jedoch an sich aus dem Stand der Technik bekannt. In der weiter unten beschriebenen 3 ist ein Beispiel eines ersten Ladeanschlusses in der Form einer Ladedose auf Seiten des Fahrzeugs gezeigt.
An den Ladeanschluss 3 der Ladestation CS schließt sich ein entsprechendes Kabel mit stromführenden Leitungen L' sowie einer Kommunikationsleitung C an, wobei in dem Szenario der 1 ein Gleichstrom-Laden über die Leitungen L' erfolgt. Hierfür sind die Leitungen L' an entsprechenden Gleichstrom-Anschlüssen DC1 und DC2 angeschlossen, die im Stand der Technik unbewegliche Kontaktstifte bzw. Kontaktpins auf Seiten des Fahrzeugs umfassen. Die Ladeeinrichtung auf Seiten des Fahrzeugs EV kann durch Verbindung mit einer anderen Ladestation gegebenenfalls auch zum einphasigen Wechselstrom-Laden verwendet werden, wobei hierfür ein Phasen-Anschluss L1 und ein Neutral-Anschluss N vorgesehen sind, die in 1 nicht kontaktiert werden. Bei einer Wechselstrom-Ladung wird der Wechselstrom an die entsprechenden Anschlüsse N und L1 angelegt und anschließend durch einen AC/DC-Wandler 5 in entsprechenden Gleichstrom gewandelt, der den Energiespeicher 1 lädt. In der Architektur der 1 sowie auch in der Architektur der 2 ist auch ein 2-phasiger oder 3-phasiger AC-Anschluss möglich, welcher jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. In der Architektur der 1 sowie auch in der Architektur der 2 ist ferner eine galvanische Verbindung von der Ladestation CS hin zur Masse des Fahrzeugs EV vorgesehen, welche jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Der entsprechende Masseanschluss des Ladeanschlusses 2 ist dabei aus 3 ersichtlich (siehe Bezugszeichen PE).
In der Ladeeinrichtung des Fahrzeugs EV ist eine Steuereinrichtung 4 vorgesehen, welche über den an sich bekannten Pilot-Anschluss PI bzw. Proximity-Anschluss PR Informationen zum Ladevorgang ermittelt. Der Proximity-Anschluss PR stellt beim AC-Laden eine Widerstandscodierung im Ladeanschluss dar, über den die Stromtragfähigkeit der angeschlossenen Stecker-Kabel-Kombination und hierdurch der Ladestrom ermittelt werden (siehe SAE J1772). Beim DC-Laden gelten die Werte aus IEC 61851. Über den Pilot-Anschluss PI wird ein PWM-Signal mit einer korrespondierenden Steuereinheit 7 der Ladestation CS ausgetauscht. Beim DC-Laden wird auf dem Pilot-Signal ein Powerline-Communication (PLC) Signal nach DIN 70121 bzw. ISO 15118 übertragen, um hierüber entsprechende Parameter des Ladevorgangs festzulegen. Die Kontaktierung bzw. die Kommunikation über den Proximity- und Pilot-Anschluss sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb nicht weiter im Detail erläutert. Der Energiespeicher 1 ist eine Hochvoltbatterie (z. B. 380 V), welche einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs sowie weitere Hochvolt-Verbraucher im Hochvolt-Zwischenkreis 6 (z. B. elektrische Klimaanlage, 12 V-DC/DC-Wandler und dergleichen) speist. Beim Gleichstrom-Laden wird mittels eines AC/DC-Wandlers 8, dem Wechselstrom aus einem Energienetz über einen Transformator 9 bereitgestellt wird, Gleichstrom generiert, der über die Leitungen L' den Anschlüssen DC1 und DC2 und von dort über die Leitungen L der Batterie 1 zugeführt wird. Dabei sind sowohl auf Seiten des Fahrzeugs EV DC-Schütze S1 und S2 als auch auf Seiten der Ladestation CS DC-Schütze S3 und S4 vorgesehen. Beim Gleichstrom-Laden sind alle Schütze S1 bis S4 geschlossen. Die Schütze S1 und S2 werden über die Steuereinrichtung 4 derart gesteuert, dass sie im Falle, dass keine Verbindung des Ladeanschlusses 2 des Elektrofahrzeugs mit einem Ladeanschluss 3 der Ladestation besteht, die Schütze S1 und S2 geöffnet werden, so dass die entsprechenden Kontaktpins an den Gleichstrom-Anschlüssen DC1 und DC2 stromlos geschaltet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einem versehentlichen Berühren der Kontaktpins keine Spannung anliegt. Die entsprechende Steuerung der Schütze S1 und S2 mittels der Steuereinrichtung 4 ist über eine Kommunikationsleitung C' angedeutet. Bei der Lade-Architektur gemäß 1 erweist es sich als nachteilhaft, dass die Integration entsprechender DC-Schütze in einer Ladeeinrichtung aufwändig ist. Insbesondere wird hierfür eine separate Komponente eingesetzt, was die Ladeeinrichtung verteuert.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Lade-Architektur basierend auf der Erfindung. Dabei wurden zur Bezeichnung der gleichen und entsprechenden Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Lade-Architektur der 2 entspricht zu großen Teilen der Lade-Architektur der 1. Insbesondere kann ein Gleichstrom-Laden über entsprechende Anschlüsse DC1 und DC2 und gegebenenfalls auch ein einphasiges Wechselstrom-Laden über die Anschlüsse L1 und N erreicht werden. Der Ladevorgang sowie die Ladekommunikation über den Pilot-Anschluss PI bzw. Proximity-Anschluss PR läuft auch analog zu 1 ab. Der erfindungswesentliche Unterschied zwischen 1 und 2 besteht darin, dass die Kontaktpins der Gleichstrom-Ladeanschlüsse DC1 und DC2 nunmehr mittels der Steuereinrichtung 4 automatisch in zwei Positionen angeordnet werden können. Die entsprechenden Pins innerhalb des Ladeanschlusses 2 sind dabei mit Bezugszeichen 201 und 202 bezeichnet.
Bei Verbindung des Ladeanschlusses 3 mit dem Ladeanschluss 2 läuft zunächst in herkömmlicherweise eine Ladekommunikation zwischen der Steuereinrichtung 4 des Fahrzeugs und der Steuereinrichtung 7 der Ladestation ab. Nach erfolgreicher Identifikation der Ladestation am Fahrzeug und nach Feststellen einer einwandfreien Ladestation bzw. eines einwandfreien DC-Ladekabels und dem Spannungsangleich zwischen Ladestation und Fahrzeug gibt die Steuereinrichtung 4 schließlich den DC-Ladevorgang frei, woraufhin die Pins 201 bzw. 202 von einer ersten, zurückgezogenen Position in eine zweite Position fahren, in der sie entsprechende Kontakthülsen 301 bzw. 302 des Ladeanschlusses 3 auf Seiten der Ladestation CS kontaktieren, wie aus 2 ersichtlich ist. In der zurückgezogenen bzw. eingefahrenen Position sind die Pins in dem Anschluss 2 derart versenkt, dass sie von außen nicht berührt werden können. Somit kann in der Ausführungsform der 2 an den Pins 201 und 202 auch bei freigelegtem Ladeanschluss 2 eine Spannung anliegen. Demzufolge wird in der Ausführungsform der 2 – im Unterschied zu 1 – auf die Integration entsprechender Schütze S1 und S2 in den galvanischen Leitungen L hin zum elektrischen Energiespeicher 1 bzw. Hochvolt-Zwischenkreis 6 verzichtet. Auf diese Weise können Kosten für die fahrzeugseitige Ladeeinrichtung eingespart werden, da die Lade-Architektur vereinfacht wird. Darüber hinaus wird der Komfort bei der Verbindung des Ladeanschlusses des Fahrzeugs mit dem Ladeanschluss der Ladestation erhöht, da die Steckkräfte vermindert werden, denn die entsprechenden Kontaktstifte und Kontakthülsen werden erst nach Verbindung der beiden Ladeanschlüsse zusammengeführt.
Im Unterschied zu 1 steuert die Steuereinrichtung 4 der 2 nunmehr keine Schütze mehr, sondern einen entsprechenden Aktuator (nicht gezeigt) zum Ausfahren bzw. Einfahren der Kontaktpins, wie wiederum durch eine Kommunikationsleitung C' angedeutet ist. In den Lade-Architekturen der 1 und 2 ist ferner ein Verriegelungsmechanismus vorgesehen, mit dem die fahrzeugseitige Ladeeinrichtung die mechanische Verbindung zwischen den Ladeanschlüssen 2 und 3 verriegelt. Ein solcher Verriegelungsmechanismus ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben. Die Verriegelung erfolgt dabei zum Beispiel bei Feststellung eines gültigen Pilot-Signals am Pilot-Anschluss PI.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen fahrzeugseitigen Ladeanschluss 2 in der Form einer Ladedose (auch als „Vehicle Inlet” bezeichnet) vom an sich bekannten Typ COMBO2, der im Standard IEC 62196-3 definiert ist. Die Ladedose kann mit einem entsprechenden Ladestecker 3 auf Seiten der Ladestation verbunden werden. Da der Aufbau von Ladedose und Ladestecker an sich bekannt sind, ist in 3 zur Verdeutlichung nur die Ladedose wiedergegeben. Im oberen Bereich umfasst die Ladedose den Pilot-Anschluss PI sowie den Proximity-Anschluss PR, die durch entsprechende Kontaktstifte (nicht aus 3 ersichtlich) in zylindrischen Buchsen realisiert sind. Ferner sind neben einer Erdung PE dreiphasige Wechselstrom-Anschlüsse L1, L2, L3 und N vorgesehen, die als Kontaktpins 203, 204, 205 und 206 in entsprechenden zylindrischen Buchsen ausgestaltet sind. Bei der Verwendung der Ladedose gemäß 3 in der Ladeeinrichtung aus 2 werden nur die Anschlüsse L1 und N zum einphasigen Wechselstrom-Laden verwendet. Nichtsdestotrotz können in anderen Architekturen auch Ladeeinrichtungen vorgesehen sein, mit denen neben oder alternativ zu einem einphasigen Wechselstrom-Laden auch ein mehrphasiges Laden über die zusätzlichen Anschlüsse L2 und L3 durchgeführt wird.
Im unteren Teil umfasst die Ladedose der 3 die oben beschriebenen Gleichstrom-Anschlüsse DC1 und DC2, wobei der Anschluss DC1 der Pluspol und der Anschluss DC2 der Minuspol ist. Die Anschlüsse werden durch die oben beschriebenen Pins 201 und 202 realisiert, die wiederum in entsprechenden zylindrischen Buchsen angeordnet sind. Herkömmlicherweise sind die Pins 201 und 202 feststehend, so dass sie bei freigelegtem Ladeanschluss 2 mittels der Schütze S1 und S2 (siehe 1) stromlos geschaltet werden müssen. Erfindungsgemäß können die Kontaktpins 201 und 202 nunmehr eingefahren werden, d. h. in Richtung nach hinten in den entsprechenden Buchsen versenkt werden, so dass sie nicht von außerhalb des Fahrzeugs zugänglich sind. Wie bereits oben erwähnt, ist es dann nicht mehr erforderlich, die Kontaktpins 201 und 202 stromlos zu schalten, so dass auf die Schütze S1 und S2 verzichtet werden kann.
4 bis 6 zeigen in Schnittansicht die Kontaktierung des Gleichstrom-Anschlusses DC1 der Ladedose 2 der 3 mit einem korrespondierenden Anschluss 3 auf Seiten der Ladestation. In 4 besteht noch keine Verbindung zwischen der Ladeeinrichtung des Fahrzeugs und der Ladestation. In diesem Fall ist der entsprechende Kontaktpin 201 in einer zylindrischen Ausnehmung 12 versenkt, welche sich an die zylindrische Buchse 10 anschließt. Der Kontaktpin ist über eine Crimp-Verbindung mit einer entsprechenden Kontaktleitung 10 verbunden, die zu einer der Leitungen L aus 2 führt. Auf Seiten der Ladestation ist der entsprechende Kontakt als eine Kontakthülse 301 ausgebildet, die innerhalb einer zylindrischen Buchse 11 angeordnet ist, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Buchse 10 entspricht. Die Kontakthülse ist wiederum über Crimpen mit einer entsprechenden Kontaktleitung 14 verbunden. In dem Szenario der 4 ist der Kontaktpin 201 aufgrund seiner versenkten Position berührgeschützt und muss deshalb nicht stromlos geschaltet werden.
5 zeigt das Szenario, bei dem der Anschluss 3 der Ladestation in den Anschluss 2 des Fahrzeugs eingeführt wird. Wie man erkennt, liegen nunmehr die beiden Zylinder 10 und 12 aneinander an, und die Kontakthülse 301 liegt benachbart zu der zylindrischen Ausnehmung 12. Der Kontaktpin 201 ist dabei weiterhin in der zurückgezogenen Position. In dieser Stellung wird nunmehr die Ladekommunikation zwischen Ladeeinrichtung des Fahrzeugs und Ladestation gestartet und hierdurch der Ladevorgang initialisiert. Ist die Initialisierung erfolgreich, wird schließlich, ausgelöst durch die Steuereinrichtung 4, der Kontaktstift 201 in die Kontakthülse 301 eingeführt, so dass hierdurch die elektrische Kontaktierung zum Gleichstrom-Laden zwischen fahrzeugseitiger Ladeeinrichtung und Ladestation erfolgt. Der Kontaktpin befindet sich dann in der in 6 gezeigten Position. Die Bewegung des Kontaktpins erfolgt über einen geeigneten Aktuator, der je nach Ausführungsform unterschiedlich ausgestaltet sein kann. In einer Variante ist der Aktuator ein Elektromotor, mit dem der Kontaktpin zwischen der in 4 gezeigten Position und der in 6 gezeigten Position bewegt werden kann. Vorzugsweise wird der Kontaktpin dabei im Falle, dass der Aktuator stromlos geschaltet ist, mittels einer Federkraft in der in 4 gezeigten Position gehalten. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Falle des Ausfalls des Aktuators weiterhin ein Berührschutz gewährleistet ist.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen wurden unter Bezugnahme auf die Steckverbindung vom Typ COMBO2 beschrieben. Nichtsdestotrotz kann die Erfindung auch mit anderen Typen von Steckverbindungen realisiert werden, wie z. B. mit der Steckverbindung COMBO1, die ebenfalls in dem oben genannten Standard IEC 62196-3 beschrieben ist. Darüber hinaus kann die Erfindung gegebenenfalls auch für Ladeanschlüsse verwendet werden, bei denen an sich für das Wechselstrom-Laden vorgesehene Kontakte zum Gleichstrom-Laden genutzt werden. Beispielsweise können die in 3 mit L2 und L3 bezeichneten Ladeanschlüsse gegebenenfalls auch zum Gleichstrom-Laden eingesetzt werden.
Die im Vorangegangenen beschriebene Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird auf einfache Weise ein Berührschutz für Gleichstrom-Anschlüsse in einer fahrzeugseitigen Ladeeinrichtung über bewegliche Kontaktpins ermöglicht. In einer bevorzugten Variante wird dabei auf weitere Schütze in der galvanischen Verbindung zwischen den DC-Kontakten und dem zu ladenden Energiespeicher bzw. dem Hochvolt-Zwischenkreis verzichtet, wodurch die Lade-Architektur vereinfacht wird und Kosten eingespart werden. Darüber hinaus weist die Erfindung den Vorteil auf, dass ein mechanisches Verbinden des fahrzeugseitigen Anschlusses mit dem Ladeanschluss auf Seiten der Ladestation mit geringer Reibkraft ermöglicht wird, da die reibbehaftete Kontaktierung zwischen Kontaktpins und entsprechenden Kontakthülsen erst nach mechanischer Verbindung der Ladeanschlüsse erfolgt.
Bezugszeichenliste

EV: Elektrofahrzeug
CS: Ladestation
L, L': elektrische Leitungen
C, C': Kommunikationsleitungen
L1, L2, L3, N: Wechselstrom-Anschlüsse
DC1, DC2: Gleichstrom-Anschlüsse
PI: Pilot-Anschluss
PR: Proximity-Anschluss
PE: Masse-Anschluss
1: elektrischer Energiespeicher
2: fahrzeugseitiger Ladeanschluss
3: Ladeanschluss auf Seiten der Ladestation
4: Steuereinrichtung
5: AC/DC-Wandler
6: Hochvolt-Zwischenkreis
7: Steuereinrichtung
8: AC/DC-Wandler
S1, S2, S3, S4: Schütze
201, 202, ..., 206: Kontaktpins
301, 302: Kontakthülsen
9: Transformator
10, 11: Buchsen
12: zylindrische Ausnehmung
13, 14: elektrische Leitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEC 62196-3 [0014]
Standards IEC 62196-3 [0014]
SAE J1772 [0029]
IEC 61851 [0029]
DIN 70121 [0029]
ISO 15118 [0029]
Standard IEC 62196-3 [0033]
Standard IEC 62196-3 [0037]

Claims

Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug (EV), das über einen elektrischen Energiespeicher (1) angetrieben werden kann, umfassend: – einen fahrzeugseitigen ersten Ladeanschluss (2) zur mechanischen Verbindung mit einem zweiten Ladeanschluss (3) einer externen Ladestation (CS), wobei der erste Ladeanschluss (2) zwei Kontaktelemente (201, 202) zum Gleichstrom-Laden des elektrischen Energiespeichers (1) im Elektrofahrzeug (EV) umfasst, welche bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) eine elektrische Verbindung mit der Ladestation (CS) über die Kontaktierung von zwei Kontakten (301, 302) des zweiten Ladeanschlusses (3) herstellen können; – eine galvanische Verbindung (L) von den Kontaktelementen (201, 202) hin zu dem elektrischen Energiespeicher (1), wobei beim Gleichstrom-Laden über die galvanische Verbindung (L) Gleichstrom, der den Kontaktelementen (201, 202) des ersten Ladeanschlusses (2) über die Kontakte (301, 302) des zweiten Ladeanschlusses (3) zugeführt wird, in den elektrischen Energiespeicher (1) zu dessen Ladung fließt; – eine Steuereinrichtung (4) zum Überwachen des Ladevorgangs des elektrische Energiespeichers (1), welche mit der Ladestation (CS) kommunizieren kann; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktelement (201, 202) des ersten Ladeanschlusses (2) zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei das zumindest eine Kontaktelement (201, 202) in der ersten Position in dem ersten Ladeanschluss (3) zurückgezogen ist und in der zweiten Position derart angeordnet ist, dass es bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) den korrespondierenden Kontakt (201, 202) des zweiten Ladeanschlusses (3) kontaktiert, wobei die Steuereinrichtung (4) die Bewegung des zumindest einen Kontaktelements (201, 202) derart steuert, dass es ausschließlich bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (201, 202) in die zweite Position bewegt wird und sich ansonsten in der ersten Position befindet.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Verbindung (L) hin zu dem elektrischen Energiespeicher (1) nicht unterbrechbar ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kontaktelemente zur Gleichstrom-Ladung Kontaktstifte (201, 202) sind, welche vorzugsweise als Kontakte im zweiten Ladeanschluss (3) korrespondierende Kontakthülsen (301, 302) kontaktieren.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung ferner weitere Kontaktelemente (203, 204, 205, 206) zum Wechselstrom-Laden umfasst, welche an einen AC/DC-Wandler (5) angeschlossen sind, der zur Wandlung von zugeführtem Wechselstrom in Gleichstrom zur Ladung des elektrischen Energiespeichers (1) vorgesehen ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ladeanschluss (2) auf dem Standard IEC 62196-3 basiert und insbesondere vom Typ Combo1 oder Combo2 oder DC-Type2 ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kontaktelemente (201, 202) zum Gleichstrom-Laden bewegbar sind.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung eine Verriegelungseinheit umfasst, um den zweiten Ladeanschluss (3) in dem ersten Ladeanschluss (2) bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) zu verriegeln.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mechanischer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss (2, 3) eine Kommunikationsverbindung zwischen der Steuereinrichtung (4) und der externen Ladestation (CS), insbesondere über eine elektrische Kontaktierung, hergestellt wird.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kommunikationsverbindung eine Ladekommunikation zur Einstellung von Parametern der Ladeeinrichtung mittels der Steuereinrichtung (4) abläuft, wobei bei einer Freigabe des Gleichstrom-Ladens durch die Steuereinrichtung (4) im Rahmen der Ladekommunikation das zumindest eine Kontaktelement (201, 202) von der ersten in die zweite Position bewegt wird.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des zumindest einen Kontaktelements (201, 202) über einen elektrisch angetriebenen Aktuator erfolgt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kontaktelement (201, 202) über eine Rückstellkraft in der ersten Position gehalten wird und über den Aktuator entgegen der Rückstellkraft von der ersten in die zweite Position bewegt wird.
Elektrofahrzeug, das zum Antrieb einen elektrischen Energiespeicher (1) aufweist, umfassend eine Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.