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Die Erfindung betrifft die Powerline-Kommunikation über Ladekabel von Elektrofahrzeugen (EV) mit Ladestationen (EVSE), insbesondere eine Schaltung zum Einkoppeln und Auskoppeln von digital modulierte Hochfrequenzsignalen für die Kommunikation von Ladestation und Elektrofahrzeug auf ein Adernpaar des Ladekabels oder Anschlussstifte eines Ladekabelanschlusses.
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Elektrofahrzeuge besitzen in der Regel mindestens einen elektrischen Speicher in Form einer Batterie, in der elektrische Energie für das Antreiben einer elektrischen Antriebsmaschine des Elektrofahrzeug gespeichert wird. Um diesen Speicher aufzufüllen, wird das Elektrofahrzeug mittels eines Ladekabels mit der Ladestation verbunden. Das Ladekabel wird hierbei zumindest auf der Seite des Elektrofahrzeugs in der Regel mit einem Ladekabelstecker ausgebildet, der in einen Ladekabelanschluss gesteckt wird, der auch als Ladekabelbuchse bezeichnet wird. Neben der oder den Leitungen, die für ein Übertragen des Ladestroms vorgesehen sind, sind in der Regel auch ein oder mehr Leitungen, beispielsweise ein Adernpaar, vorgesehen, um hierüber mittels elektrischer Signale eine Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation auszubilden.
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US 2020/0298722 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Systeme für ein Onboard-Ladesystem eines Elektrofahrzeugs. Das Ladesystem umfasst ein Steuergerät für ein Elektrofahrzeug, das eine erste Gleichstrom-Energiespeichervorrichtung mit einer Gerätespannung, eine Ladeschnittstelle zum Verbinden mit einer externen Gleichstromquelle mit einer externen Gleichspannung, eine elektrische Maschine mit einer oder mehreren induktiven Wicklungen, einen Wandler, der mindestens zwei oder mehr Treiberschaltungen umfasst, die in einem ersten und in einem zweiten Zustand arbeiten, einen ersten Gleichstromeingang und einen zweiten Gleichstromeingang für den Wandler und einen Schaltmechanismus zum selektiven Betrieb in einem ersten Zustand und in einem zweiten Zustand, der von dem Steuergerät betrieben wird, umfasst, wobei der Wandler im ersten Zustand darauf anspricht, einen Antriebsstrom von der ersten Gleichstrom-Energiespeichereinrichtung zu ziehen und Strom an mindestens eine der einen oder mehreren induktiven Wicklungen anzulegen, um das Fahrzeug zu bewegen, und der Wandler im zweiten Zustand darauf anspricht, einen Laststrom von der Ladeschnittstelle zu ziehen und einen Erregerstrom an mindestens eine der einen oder mehreren induktiven Wicklungen anzulegen, um mindestens eine geregelte Ladespannung für die Gleichstrom-Energiespeichereinrichtung zu erzeugen.
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Es ist bekannt, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation mit einem Rechteckspannungssignal auszuführen, um eine maximale Ladestromstärke, mit der der elektrische Speicher des Elektrofahrzeugs geladen werden kann, zu signalisieren.
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Bei Ladekabeln mit Steckern vom sogenannten TYP2 werden hierfür beispielsweise die Leitungen mit den Bezeichnungen Steuerpilot (CP - control pilot) und Schutzleiter (PEprotective earth) verwendet. Es können auch Ladekabel mit anderen Steckern verwendet werden. Auch die Art der Leitungen, die im Ladekabel für die Kommunikation verwendet werden, können beliebig gewählt sein. So können die Signalleitungen im Ladekabel parallel geführt sein oder verdrillt sein.
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Um auch andere Daten und insbesondere mehr Daten austauschen zu können, beispielsweise eine Abrechnung des Ladestroms automatisiert ausführen zu können, wird auf demselben Adernpaar auch eine Powerline-Kommunikation mit einem Hochfrequenzsignal ausgeführt. Das Hochfrequenzsignal wird beispielsweise mit einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM - orthogonal frequency division multiplexing) moduliert.
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Gemäß dem Stand der Technik weist eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung, die eine Powerline-Kommunikation (PLC) ausführen kann, zwei Sendesignalanschlüsse auf, an denen ein moduliertes Sendesignal bereitgestellt wird, und zwei Empfangssignalanschlüsse zum Einspeisen eines Empfangssignals auf. Als Kernelement einer Endstufenschaltung ist im Stand der Technik ein 1:1:1-Transformator für das induktive Koppeln von Sendesignal und Empfangssignal mit dem Ladekabel vorgesehen.
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Um Reflexionen des Hochfrequenzsignals in der Ladestation und im Elektrofahrzeug zu vermeiden, müssen Impedanzen dieser Endstufenschaltungen und des Ladekabels aneinander angepasst sein. Es hat sich gezeigt, dass diese Anpassung, d.h. das Einhalten eines vorgegebenen Impedanzwertes im relevanten Frequenzbereich des Hochfrequenzsignals nicht immer erfüllt ist. Diese Fehlanpassungen können zu Reflexionen und hierüber zu Auslöschungen einzelner oder aller Frequenzkomponenten des gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens modulierten Hochfrequenzsignals führen. Stellen das Elektrofahrzeug und/oder die Ladestation fest, dass nicht alle Frequenzkanäle des OFDM-modulierten Signals übertragen werden, so wird die Sendeleistung erhöht. Dieses kann zu einem Übersprechen auf benachbarte Elektrofahrzeuge und/oder Ladestationen führen und deren Kommunikation beeinträchtigen.
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Aus der
CN 210478437 ist es bekannt in einer Ladeeinrichtung eines Elektrofahrzeugs, eine Gleichtaktdrossel (common mode choke) zusammen mit einer CAN-Bus-Anbindung in einer Schaltung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD - electro static discharge) zu nutzen. Die Verwendung einer Gleichtaktdrossel zur Vermeidung oder Verminderung von elektromagnetischen Störungen, auch insbesondere in einem Hochsetzer, ist beispielsweise aus der
US 2022/0200303 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Endstufenschaltung für Powerline-Kommunikationseinrichtungen in Elektrofahrzeugen und/oder Ladestationen anzugeben, die die bekannten Nachteile vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Endstufenschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde die Einhaltung der Vorgaben hinsichtlich des Abschlusswiderstands von Elektrofahrzeugen und/oder Ladestationen insbesondere für die Powerline-Kommunikation mittels digital modulierter Hochfrequenzsignal dadurch zu verbessern, dass der im Stand der Technik in der Endstufenschaltung eingesetzte Transformator zur induktiven Kopplung durch eine Gleichtaktdrossel ersetzt wird. Hierbei werden ein Sendesignalleitungszweig zum Einkoppeln des Sendesignals und ein Empfangssignalleitungszweig für das Zuführen des ausgekoppelten Empfangssignal zu den Empfangssignalanschlüssen gemeinsam über die Gleichtaktdrossel mit den Adern des Ladekabels oder den Anschlussstiften des Ladekabelanschlusses verbunden. Über die Gleichtaktdrossel (englisch: common mode choke - CMC) wird somit eine optimale Anpassung einer Ausgangsimpedanz eines Ladekabelanschlusses sichergestellt. Als Resultat werden Reflexionen bei der Powerline-Kommunikation vermieden, so dass eine Datenübertragung zuverlässig gewährleistet ist. Dieses gilt unabhängig von der Art der Leitungen, die für die Kommunikation verwendet werden, ob diese im Ladekabel beispielsweise parallel oder verdrillt geführt sind. Über den gesamten Frequenzbereich, der für die hochfrequente Powerline-Kommunikation verwendet wird, liegt eine Ausgangsimpedanzanpassung für die mit dieser Endstufenschaltung ausgebildeten Einheit oder Einheiten vor, also das Elektrofahrzeug und/oder die Ladestation.
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Ein Sendesignalleitungszweig und ein Empfangssignalleitungszweig sind jeweils in einer Endstufe ausgebildet. Die Begriffsbestandteile „Sende-“ und „Empfangs-“ beziehen sich jeweils auf das Senden und Empfangen aus Sicht der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung, mit der die Endstufe unmittelbar gekoppelt ist. Der Sendesignalleitungszweig ist somit mit den Sendesignalausgängen, die meist mit Tx oder Tx+ und Tx- bezeichnet sind, der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung verbunden. Der Empfangssignalzweig ist entsprechend mit den Empfangssignaleingängen, meist mit Rx oder Rx+ und Rx- bezeichnet, verbunden.
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Insbesondere wird somit eine Endstufenschaltung für die Ein- und Auskopplung von digitaler hochfrequenter Powerline-Kommunikation auf ein Adernpaar eines Ladekabel oder Anschlussstifte eines Ladekabelanschlusses für Elektrofahrzeuge und/oder Ladestationen geschaffen, wobei eine Signaleinkopplung von einem Sendesignal über einen Sendesignalleitungszweig und eine Auskopplung eines Empfangssignals über einen Empfangssignalleitungszweig erfolgt, die gemeinsam über eine Gleichtaktdrossel (Common Mode Choke) mit dem Adernpaar des Ladekabels oder den Anschlussstiften des Ladekabelanschlusses verbunden sind.
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Ein Hochfrequenzkoppler in Form eines Transformators, wie er mit Stand der Technik verwendet wird, wird nicht mehr benötigt und ist in der Schaltung der Endstufe nicht mehr vorhanden.
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Die Funktion des Hochfrequenzkopplers übernimmt die Gelichtaktdrossel. Die den Transformator aus den Schaltungen gemäß dem Stand der Technik ersetzt. Das Einkoppeln und Auskoppeln des Hochfrequenzsignals der Powerline-Kommunikation erfolgt direkt, ohne Verwendung oder Zwischenschaltung eines Transformators auf die Leitungen des Ladekabels bzw. die Ladekabelanschlüsse. Die Funktionsweise der Gelichtaktdrossel in der hier vorgeschlagenen Lösung unterscheidet sich grundlegend von der Funktionsweise in Ausführungsformen aus dem Stand der Technik, wo zusätzlich zum Transformator eine Gelichtaktdrossel zu Unterdrückung von Störsignalen eingesetzt wird. Die Gelichtaktdrossel wird in der hier vorgeschlagenen Lösung als Hochfrequenzkoppler eingesetzt. Eine einzige Gleitaktdrossel dient in der Endstufenschaltung als Hochfrequenzkoppler für das Sendesignal aus auch für das Empfangssignal.
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Mit dieser Endstufenschaltung lässt sich für den gesamten Frequenzbereich, in dem Frequenzkanäle des digital modulierten Hochfrequenzsignals liegen, d.h. über die Bandbreite des Hochfrequenzsignals, die Impedanz gemäß den Vorgaben einhalten. Gemäß den zum Zeitpunkt der Anmeldung gültige aktuellen Normen der Normenfamilien ISO15118 wird eine Ausgangsimpedanz von 60 bis 110 Ohm im Frequenzbereich von 1,8 MHz bis 30 MHz gefordert. Während auf dem Markt kaum geeignete 1:1:1-Transformatoren finden lassen, die über den gesamten Frequenzbereich eine angepasste Ausgangsimpedanz ermöglichen, ist es möglich eine geeignete Gleichtaktdrossel zu finden oder auszubilden, die der Endstufenschaltung die geforderte Ausgangsimpedanz für den gesamten Frequenzbereich verleiht.
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Hierdurch wird erreicht, dass es nicht zu Fehlern in der Powerline-Kommunikation kommt, d.h. keine oder nur sehr wenige der Frequenzkanäle des digital modulierten Hochfrequenzsignals aufgrund von Reflexionen gestört sind.
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Hierbei ist weder im Sendesignalleitungszweig noch im Empfangssignalleitungszweig eine induktive galvanische Trennung ausgebildet. Als Sendesignalleitungszweig und als Empfangssignalleitungszweig werden die Zweige der Endstufenschaltung bezeichnet, die die Gleichtaktdrossel mit den Sendesignalanschlüssen oder entsprechend den Empfangssignalanschlüssen einer integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung (PLC-Chips) verbinden, die das Sendesignal bereitstellt und das Empfangssignal weiterverarbeitet (hierbei steht PLC für power line communication als Abkürzung für Powerline-Kommunikation).
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Die hier beschriebene Endstufenschaltung kann sowohl im Elektrofahrzeug als auch in einer Ladestation eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird die hier beschriebene Endstufenschaltung, die als Hochfrequenzkoppler eine Gleichtaktdrossel nutzt, sowohl in den Elektrofahrzeugen als auch in den Ladestationen eingesetzt. Es ergibt sich jedoch für den Fachmann, dass die hier beschriebenen neuartigen Endstufenschaltungen auch mit Endstufenschaltungen nach dem Stand der Technik kompatibel sind, die einen 1:1:1-Transformator als Hochfrequenzkoppler einsetzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungen des Sendesignalleitungszweigs und des Empfangssignalleitungszweigs symmetrisch ausgeführt. Hierdurch werden Störungen vermieden, die die Ausgangsimpedanz der gesamten Endstufenschaltung verändern können.
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Darüber hinaus werden der Sendesignalleitungszweig und der Empfangssignalzweig auch hinsichtlich der Impedanzen so ausgebildet, dass eine Impedanz gebildet aus Sendesignalleitungszweig und Sendesignalausgang einer Impedanz entspricht, die durch den Empfangssignalleitungszweig gemeinsam mit dem Empfangssignaleingang gebildet ist.
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Eine Impedanz des Sendesignalausgangs ist in der Regel durch einen Digital-Analog-Wandlerausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung bestimmt. Eine Impedanz des Empfangssignaleingangs ist in der Regel durch eine Impedanz eines Analog-Digital-Wandlers der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung bestimmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das Sendesignal und das Empfangssignal gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren moduliert. Dieses bietet eine hohe Übertragungssicherheit gegenüber insbesondere kurzzeitigen Störungen und ermöglicht es zugleich einzelne Frequenzkanäle aus einem Frequenzbereich auszusparen und dennoch einen großen Frequenzbereich für die Übertragung zu nutzen.
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Um sicherzustellen, dass von den auf das Ladekabel eingekoppelten Frequenzen nur die Frequenzen, die mit den Frequenzvorgaben für die entsprechende Powerline-Kommunikation übereinstimmen, insbesondere keine Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz zu dem Empfangssignaleingang gelangen, ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass in dem Empfangssignalleitungszweig zwischen der Gleichtaktdrossel und einem Empfangssignaleingang des PLC-Chips oder der integrierten PLC-Schaltung ein Bandpassfilter ausgebildet ist. Ist das bei der Powerline-Kommunikation verwendete Hochfrequenzsignal als OFDM-Signal moduliert, so bedeutet dieses, dass keiner der auftretenden Frequenzkanäle durch den Bandpassfilter deutlich abgeschwächt wird. Frequenzen, die höher als die des höchstfrequenten Frequenzkanals des OFDM-modulierten Signals sind, werden gedämpft. Ebenso werden Frequenzen, die niedriger als die des niederfrequentesten Frequenzkanal des OFDM-modulierten Signals sind, gedämpft.
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Um einen Gleichtaktanteil zu blockieren, ist bei einer Ausführungsform die Gleichtaktdrossel über zwei Koppelkondensatoren mit den Adern des Adernpaares des Ladekabels oder Ladekabelanschlusses verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel (CMC) so gewählt, dass deren Impedanz im Frequenzbereich der zu übertragenden Hochfrequenz in Summe mit der Impedanz, die einerseits durch den Sendesignalleitungszweig mit dem Sendesignalausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung und andererseits durch den Empfangssignalleitungszweig mit dem Empfangssignaleingang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung festgelegt ist, unter Berücksichtigung der Koppelkondensatoren eine Impedanz ergibt, die einer Sollimpedanz des Ladekabelabschlusses oder Ladekabelanschlusses entspricht.
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Die Impedanz des Empfangssignalleitungszweigs ist im Wesentlichen durch die Eingangsimpedanz des Empfangssignaleingangs und die Impedanz des in dem Empfangssignalleitungszweigs ausgebildeten Bandpassfilters festgelegt. Dessen Impedanz sollte möglichst kleiner 30 Ohm gewählt werden, um eine ausreichende Wahlmöglichkeit für die Gleichtaktdrossel zu bieten. Hierbei wird angenommen, dass die Ladekabel eine Impedanz von etwa 100 Ohm für die Wellenleitung im relevanten Hochfrequenzbereich aufweisen.
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Die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs, wird so angepasst, das diese gemeinsam mit der Impedanz des Sendesignalausgangs der Impedanz entspricht, die der Empfangssignalleitungszweig mit dem Bandpassfilter und der Empfangssignaleingang gemeinsam bilden. Hierbei wird die Impedanzanpassung im Sendesignalleitungszweigs vorzugsweise durch eine Ausgestattung der Leitungen, insbesondere die Ausgestaltung von deren Breite und von deren Querschnitt, vorgenommen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Impedanz der Gleichtaktdrossel im Frequenzbereich der zu übertragenden Hochfrequenz so gewählt ist, dass diese in Summe mit einer Impedanz einer Parallelschaltung von zwei Strängen der Endstufenschaltung die Sollabschlussimpedanz des Ladekabels oder des Ladekabelanschlusses im Rahmen der vorgegeben Toleranz ergibt, wobei einer der Stränge aus dem Sendesignalleitungszweig und dem Sendesignalausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung besteht und der andere der Stränge aus dem Empfangssignalleitungszweig und dem Empfangssignaleingang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung besteht, wobei eine Impedanz des Empfangssignalleitungszweigs durch eine Impedanz eines in dem Empfangssignalleitungszweig ausgebildeten Bandpassfilters festgelegt ist, und die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs zur Vermeidung eines Impedanzunterschieds der Stränge der Parallelschaltung angepasst ist.
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Als Strang wird hier jeweils die Zusammenschaltung aus einem Leitungszweig und dem zugehörigen Anschluss der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung aufgefasst.
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Während im Stand der Technik für Tiefpässe im Empfangssignalleitungszweig, die mit einem Transformator als Hochfrequenzkoppler eingesetzt werden, häufig Schaltungen höherer Ordnung, beispielsweise fünfter Ordnung, und mit fünfter sehr kleinen Kapazitäten verwendet werden müssen, kann durch den Einsatz der Gleichtaktdrossel die benötigte Ordnung des Filters verringert werden.
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Zusätzlich können in der Regel Kondensatoren mit höheren Kapazitäten genutzt werden. Dieses vereinfacht den Schaltungsaufbau des Bandpassfilters. Ferner können passive Bauteile eingespart werden. Dennoch ist es wichtig, die Schaltung möglichst kompakt auszuführen, um den Einfluss von Leitungskapazitäten möglichst gering zu halten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bandpassfilter mit einer Impedanz von weniger als 30 Ohm in dem relevanten Frequenzbereich ausgebildet, der für die Powerline-Kommunikation verwendet wird. Hierdurch wird eine optimale Anpassung der Gesamtimpedanz mit der Gleichtaktdrossel ermöglicht.
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Um zu verhindern, dass eine ebenfalls über dasselbe Adernpaar übertragene niederfrequente Kommunikation, wie beispielsweis die aus dem Stand der Technik bekannte Kommunikation mittels Pulsweitenmodulation, nicht gestört wird und ihrerseits die Powerline-Kommunikation nicht beeinträchtigt, ist vorgesehen, dass die Koppelkondensatoren gemeinsam mit der Gleichtaktdrossel und dem Sendesignalleitungszweig und dem Empfangssignalleitungszweig sowie dem Powerline-Kommunikations-Chip einen Hochpass mit einer vorgegebenen Grenzfrequenz bilden, die unterhalb der Frequenz des niedrigsten im Hochfrequenzsignal enthaltenen Frequenzkanals liegt. Beispielsweise wird die Grenzfrequenz im Bereich von 500 Kilohertz (kHz) festgelegt, wenn die Powerline-Kommunikation im Frequenzbereich von 1,8 Megahertz bis 30 Megahertz ausgeführt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer typischen Ladesituation eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation, wobei nur die für die Kommunikation verwendeten Leitungen und Schaltungskomponenten für eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik gezeigt sind; und
- 2 eine schematische Darstellung der für die Kommunikation relevanten Komponenten mit einer Ausführungsform einer Endstufenschaltung für die Powerline-Kommunikation unter Verwendung einer Gleichtaktdrossel für das Ein- und Auskoppeln des Hochfrequenzsignals.
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In 1 ist schematisch das Laden eines Elektrofahrzeugs (EV) 100 an einer Ladestation (EVSE) 200 mit einer Kommunikationsschaltung nach dem Stand der Technik dargestellt. Gezeigt sind nur die für die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug 100 und der Ladestation 200 wichtigen Bestandteile.
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Die Ladestation 200 ist mit dem Elektrofahrzeug 100 über ein Ladekabel 300 verbunden. Hiervon sind nur zwei Adern gezeigt, von denen eine als Steuerpilot-(CP - charge pilot)-Leitung 310 und die andere als Schutzleiter-(PE - protective earth)-Leitung 320 bezeichnet wird.
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Die Ladestation 200 weist einen gesteuerten Oszillator 230 auf, der ein Pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal erzeugt. Über eine Pulsbreite wird ein von der Ladestation angebotener maximaler Ladestrom signalisiert. Ein Schalter S1 240 ist in einer Stellung dargestellt, in der das Pulsbreitenmodulierte Signal auf die Steuerpilotleitung 310 gegeben wird.
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In eine zweite Stellung (nicht darstellt) wird der Schalters S1 240 gebracht, wenn an der Ladestation 200 kein Elektrofahrzeug angeschlossen ist. Zwischen dem einem Anschlussstift 251 der Steuerpilotleitung CP und der Anschlussstift 252 der Schutzleiter-Leitung 320 liegt in diesem Fall dann eine Konstantspannung von +12V.
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Wird das Ladekabel 300 ein einem Ende 301 mit dem Ladekabelanschluss 250 der Ladestation 200 und mit einem andern Ende 302 mit einem Ladekabelanschluss 150 des Elektrofahrzeugs 100 verbunden, so sinkt die Spannung auf der CP Leitung auf etwa +9 V, da der Widerstand R1 220 der Ladestation 200 gemeinsam mit der Diode D1 128 und dem Widerstand R3 125 des Elektrofahrzeugs 100 einen Spannungsteiler bildet.
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Stellt die Ladestation diesen Spannungsabfall fest, so wird der Schalter S1 240 in die in der 1 gezeigte Stellung geschaltet und das Pulsweitenmodulierte Rechtecksignal auf die CP-Leitung 310 geschaltet. Die Spannung des Rechtecksignals wechselt zwischen +9V und -12V. Ist das Elektrofahrzeug 100 bereit zum Laden, so wir ein Schalter S2 141 in eine geschlossene Stellung (nicht dargestellt) verbracht und ein Widerstand R2 126 mit dem Widerstand R3 parallel geschaltet. Die Rechteckspannung wechselt dann auf der CP-Leitung 310 gegenüber der Schutzleiter-Leitung 320 zwischen +3v und -12V.
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Für eine Kommunikation mit höherer Datenrate ist zusätzlich eine Powerline-Kommunikation auf dem Adernpaar 330 Steuerpilot-Schutzleiter des Ladekabels 300 vorgesehen.
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Die Ladestation 200 weist für die Powerline-Kommunikation eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 auf. Das Elektrofahrzeug 100 weist eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung (PLC-Schaltung) 160 auf. Die integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 werden auch als Powerline-Kommunikations-Chips bezeichnet. Die integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 sind von der funktionsweise identisch ausgebildet.
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Jede der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 ist in der Lage ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen und mit einem digitalen Modulationsverfahren gemäß einer bereitgestellten zu übertragenden Information 111 bzw. 211 zu modulieren. Die Information wird in der Regel in Form von digitalen Daten bereitgestellt. Als Modulationsverfahren wird vorzugsweise ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) verwendet. Hierbei können einzelne Frequenzkanäle, falls gewünscht, ungenutzt bleiben. Vorzugsweise werden Frequenzkanäle im Frequenzbereich von 1,8 Megahertz bis 30 Megahertz verwendet. Das zu sendende Hochfrequenzsignal wird an Sendesignalausgängen 161, 162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100, die auch als Tx+ 161 und Tx- 162 bezeichnet werden, und entsprechend an Sendesignalausgängen 261, 262 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 260 der Ladestation 200, die auch als Tx+ 261 und Tx- 262 bezeichnet werden, bereitgestellt.
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Entsprechend weist die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100 zwei Empfangssignaleingänge 163, 164, die auch als Rx+ 163 und Rx-164 bezeichnet werden, auf, an denen ein Empfangssignal in die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100 eingespeist werden kann, um empfangene Hochfrequenzsignal entsprechend zu demodulieren und die von der Ladestation 200 übertragene Information 211' bereitzustellen.
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Analog weist die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 des Ladestation 200 zwei Empfangssignaleingänge 263, 264, die auch als Rx+ 263 und Rx- 264 bezeichnet werden auf, an denen ein Empfangssignal in die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 der Ladestation 200 eingespeist werden kann, um das empfangene Hochfrequenzsignal entsprechend zu demodulieren und die vom Elektrofahrzeug übertragene Information 111' bereitzustellen.
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Im Stand der Technik sind Endstufenschaltungen 170, 270 ausgebildet, die jeweils einen 1:1:1-Transformator 180, 280 vorsehen, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten und eine induktive Einkopplung des Sendesignals auf das Adernpaar 330, bestehend aus der Steuerpilot-Leitung 310 und der Schutzleiter-Leitung 320, zu realisieren
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Im Elektrofahrzeug sind Anschlüsse 181, 182 einer ersten Wicklung 187 des Transformators 180 über einen Sendesignalleitungszweig 175 mit den Sendesignalausgängen Tx+ 161, Tx-162 verbunden. Anschlüsse 183, 184 einer zweiten Wicklung 188 des Transformators 180 sind über einen Empfangssignalleitungszweig 176 mit den Empfangssignaleingängen Rx+ 163, Rx-164 verbunden. Die Ankopplung der dritten Wicklung 189 des Transformators 180 erfolgt, indem die Anschlüsse 185, 186 dieser dritten Wicklung 189 über Koppelkondensatoren 178, 179 mit der Steuerpilot-Leitung 310 und der Schutzleiter-Leitung 320 bzw. mit den Anschlussstiften (Steuerpilot(CP)-Leitung) 151 (Schutzleiter(PE)-Leitung) 152 verbunden sind.
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Analog ist die Endstufenschaltung 270 der Ladestation 200 ausgebildet, wobei die erste Ziffer der Bezugszeichen jeweils eine „2“ statt einer „1“ ist. Die technischen Funktionen der einzelnen so analog bezeichneten Merkmale der Endstufenschaltung 270 der Ladestation 200 sind identisch zu denen der entsprechenden Merkmale der Endstufenschaltung 170 des Elektrofahrzeugs 100.
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Es hat sich gezeigt dass die Endstufenschaltungen 170, 270 gemäß dem Stand der Technik häufig nicht oder zumindest nicht über den gesamten geforderten Frequenzbereich die Ausgangsimpedanzanforderungen erfüllen.
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In 2 ist dieselbe Ladesituation wie in 1 für eine Elektrofahrzeug 100 an einer Ladestation 200 dargestellt, wobei jedoch die Endstufenschaltungen 1700 und 2700 für das Einkoppeln der Sendesignale und Auskoppeln der Empfangssignale in der Ladestation 200 und dem Elektrofahrzeug 100 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt sind.
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Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren identisch bezeichnet und nicht erneut erläutert.
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Die Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs 100 und die Endstufenschaltung 2700 der Ladestation 200 sind analog zueinander ausgebildet. Die erste Ziffer „1“ des Bezugszeichens gibt die Zuordnung zu der Endstufenschaltung 1170 des Elektrofahrzeugs 100 an, die erste Ziffer „2“ gibt die Zuordnung zu der Endstufenschaltung 2700 der Ladestation 200 an.
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Im Folgenden wir die Endstufenschaltung des Elektrofahrzeugs erläutert.
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Die Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs 100 weist als einen Kernbestandteil, der sich von der Endstufenschaltung 170 nach dem Stand der Technik unterscheidet, eine Gleichtaktdrossel 1790 statt des Transformators 180 auf, um das Sendesignal auf das Adernpaar 330 des Ladekabels 300 einzukoppeln und das Empfangssignal auszukoppeln.
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Die Endstufenschaltung 1700 weist einen Sendesignalzweig 1710 und einen Empfangssignalzweig 1720 auf. Der Sendesignalzweig 1710 ist einerseits mit den Sendesignalausgängen Tx+ 161 und TX- 162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 und andererseits mit der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden.
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Der Empfangssignalzweig 1720 ist einerseits mit den Empfangssignaleingängen Rx+ 163 und Rx- 164 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 und andererseits ebenfalls mit der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Bevorzugterweise sind die Sendesignalzweig-Leitungen 1711, 1712 des Sendesignalzweigs 1710 mit den Empfangssignalzweig-Leitungen 1721, 1722 des Empfangssignalzweigs 1720 erst unmittelbar an den Anschlüssen 1791, 1793 der Gleichtaktdrossel 1790 miteinander kontaktiert.
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Hierbei sind die Leitung 1711 des Sendesignalleitungszweigs 1710 und eine Leitung 1721 des Empfangssignalleitungszweigs 1720 mit dem Anschluss 1791 der einen Wicklung 1795 der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Entsprechend ist eine andere Leitung 1712 des Sendesignalleitungszweigs 1710 und eine andere Leitung 1722 des Empfangssignalleitungszweigs 1720 mit dem Anschluss1793 der anderen Wicklung 1796 der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse 1792 der ersten Wicklung 1795 und 1793 der zweiten Wicklung 1796 sind jeweils über einen Koppelkondensator 1781, 1782 mit der Steuerpilot-Leitung 310 bzw. Schutzleiter-Leitung 320 oder den entsprechenden Anschlussstiften 151,152 des Ladekabelanschlusses 150 verbunden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist in dem Empfangssignalleitungszweig ein Bandpassfilter 1730 ausgebildet, der aus passiven Bauelementen gebildet ist. Der Bandpassfilter 1730 bewirkt, dass hochfrequente Anteile aus dem Empfangssignal gefiltert werden, d. h. stark gedämpft werden, sodass die Hochfrequenzanteile, die auf das Ladekabel 300 eingekoppelt sind, im Empfangssignal frequenzbegrenzt sind. Hochfrequenzanteile deutlich oberhalb der Frequenz des höchsten Frequenzkanals des vorzugsweise gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren modulierten Sendesignals gelangen im Empfangssignal nicht zu den Empfangssignaleingängen 163, 164. Der Bandpassfilter 1730 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Bandpassfilterimpedanz kleiner 30 Ohm ist.
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Eine Ausgangsimpedanz dieser Endstufenschaltung 1700 ist im Wesentlichen durch eine Sendesignalausgangsimpedanz an den Sendesignalausgängen 161,162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160, eine Impedanz des Sendesignalleitungszweigs 1710 sowie eine Empfangssingaleingangsimpedanz der Empfangssignaleingänge 163, 164 und des Empfangssignalleitungszweigs 1720, dessen Impedanz im Wesentlichen durch die Filterimpedanz des Bandpassfilters 1730 bestimmt ist, und eine Impedanz der Gleichtaktdrossel 1790 bestimmt, wobei die Koppelkondensatoren 1781, 1782 die Impedanz auch mit beeinflussen.
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Die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs 1710 wird unter Berücksichtigung der Sendesignalausgangsimpedanz im Wesentlichen an die Impedanz des Bandpassfilters 1730 bei weiterer Berücksichtigung der Empfangssignaleingangsimpedanz angepasst. Hierzu werden die Leitungsbahnen hinsichtlich Material und Leitungsquerschnitt entsprechend ausgeführt.
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Die beiden Komponenten mit dem größten Einfluss auf die Gesamtimpedanz, die in der Endstufenschaltung 1700 angepasst werden können, sind der Bandpassfilter 1730 und die Gelichtaktdrossel 1790.
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Bei der Ausbildung des Bandpassfilters 1730 und der Auswahl der Gleichtaktdrossel 1790 wird ferner darauf geachtet, dass sich gemeinsam mit den Koppelkondensatoren 1781, 1782 ein Hochpassfilter bildet, dessen Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz des niedrigsten Frequenzkanals des zur Kommunikation verwendeten Hochfrequenzsignals liegt, jedoch die niederfrequenten Anteile aufgrund des pulsweitenmodulierten Signals zum Signalisieren des maximal möglichen Ladestroms gefiltert werden.
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Die Impedanz an den Sendesignalausgängen Tx+ 161, Tx- 162 ist im Wesentlichen durch die Impedanz des Digitalanalogwandlers (nicht dargestellt) der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 bestimmt.
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Die Impedanz an den Empfangssignaleingängen Rx+ 163, Rx- 164 ist im Wesentlichen durch die Impedanz des Analog-Digital-Wandlers (nicht dargestellt) der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 bestimmt.
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Um eine Einkopplung von Störungen sowie das Auftreten von Reflexionen zu vermeiden und im Sendesignalleitungszweig 1710 und im Empfangssignalleitungszweig 1720 gleiche Laufzeiten von Signalen zu erhalten sind diese vorzugsweise symmetrisch zueinander ausgebildet.
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Die Leitungen 1711,1712, 1721,1722 werden vorzugsweise parallel und vorzugsweise mit denselben Leitungsdurchmessern oder -querschnitten ausgeführt, sofern und soweit nicht eine verschiedenartige Ausführung zur Anpassung der Impedanz im Sendesignalleistungszweig an die Impedanz des Bandpassfilters im Empfangssignalleitungszweig notwendig ist.
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Die Leitungszweiglängen sind vorzugsweise ebenfalls identisch ausgeführt.
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Auch wenn hier in 2 eine optimale Kommunikationssituation gezeigt ist, bei der sowohl die Ladestation 200 als auch das Elektrofahrzeug 100 eine Endstufenschaltung 2700 bzw. 1700 mit einer Gleichtaktdrossel 2790 bzw. 1790 als Hochfrequenzkoppler aufweisen, ist die Endstufenschaltungen 2700 der Ladesäule 200 nach 2 auch in der Lage mit einem Elektrofahrzeug 100 mit einer Endstufenschaltungen 170 nach dem Stand der Technik (vergl. 1) eine Kommunikation aufzubauen. Ebenso ist eine Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs nach 2 auch in der Lage eine Kommunikation mit einer Endstufenschaltung 270 nach dem Stand der Technik eines Elektrofahrzeugs 100 (vergl. 1) aufzubauen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrofahrzeug
- 111
- vom Elektrofahrzeug zur Ladestation zu übertragende Information
- 111'
- vom Elektrofahrzeug übertragene (an der Ladestation empfangene) Information
- 125
- Widerstand R3
- 126
- Widerstand R2
- 128
- Diode D1
- 141
- Schalter S2
- 150
- Ladekabelanschluss
- 151
- Anschlussstift (Steuerpilot-(CP)-Leitung)
- 152
- Anschlussstift (Schutzleiter-(PE)-Leitung)
- 160
- integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung
- 161, Tx+
- Sendesignalausgang (+)
- 162, Tx-
- Sendesignalausgang (-)
- 163, Rx+
- Empfangssignaleingang (+)
- 164, Rx-
- Empfangssignaleingang (-)
- 170
- Endstufenschaltung
- 178,179
- Koppelkondensatoren
- 180
- 1:1:1-Transformator
- 181,182
- Anschlüsse der ersten Wicklung
- 183,184
- Anschlüsse der zweiten Wicklung
- 185,186
- Anschlüsse der dritten Wicklung
- 187
- erste Wicklung
- 188
- zweite Wicklung
- 189
- dritte Wicklung
- 200
- Ladestation
- 211
- von der Ladestation zum Elektrofahrzeug zu übertragende Information
- 211'
- von der Ladestation übertragene (am Elektrofahrzeug empfangene) Information
- 220
- Widerstand R1
- 230
- Oszillator
- 240
- Schalter S1
- 250
- Ladekabelanschluss
- 251
- Anschlussstift (Steuerpilotleitung CP)
- 252
- Schutzleiter (PE)
- 261, Tx+
- Sendesignalausgang (+)
- 262, Tx-
- Sendesignalausgang (-)
- 262, Rx+
- Empfangssignaleingang (+)
- 264, Rx-
- Empfangssignaleingang (-)
- 270
- Endstufenschaltung
- 278,179
- Koppelkondensatoren
- 280
- 1:1:1-Transformator
- 281,182
- Anschlüsse der ersten Wicklung
- 283,184
- Anschlüsse der zweiten Wicklung
- 285,186
- Anschlüsse der dritten Wicklung
- 287
- erste Wicklung
- 288
- zweite Wicklung
- 289
- dritte Wicklung
- 300
- Ladekabel
- 301
- Ende
- 302
- anderes Ende
- 310
- Steuerpilot-Leitung
- 320
- Schutzleiter-Leitung
- 1700
- Endstufenschaltung
- 1710
- Sendesignalzweig
- 1711, 1712
- Sendesignalzweig-Leitungen
- 1720
- Empfangssignalzweig
- 1721, 1722
- Empfangssignalzweig-Leitungen
- 1730
- Bandpassfilter
- 1781, 1782
- Koppelkondensatoren
- 1790
- Gleichtaktdrossel (common mode choke - CMC)
- 1791, 1792
- Anschlüsse der einen Wicklung
- 1793, 1794
- Anschlüsse der anderen Wicklung
- 1795
- eine Wicklung
- 1796
- andere Wicklung
- 2700
- Endstufenschaltung
- 2710
- Sendesignalzweig
- 2711, 1712
- Sendesignalzweig-Leitungen
- 2720
- Empfangssignalzweig
- 2721, 1722
- Empfangssignalzweig-Leitungen
- 2730
- Bandpassfilter
- 2781, 1782
- Koppelkondensatoren
- 2790
- Gleichtaktdrossel (common mode choke - CMC)
- 2791, 1792
- Anschlüsse der einen Wicklung
- 2793, 1794
- Anschlüsse der anderen Wicklung
- 2795
- eine Wicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20200298722 A1 [0003]
- CN 210478437 [0009]
- US 20220200303 A1 [0009]