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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein On-Board-Fahrzeugladesystem elektrisch betriebener Fahrzeuge und ein Verfahren zum Aktivieren eines On-Board-Fahrzeugladesystems, insbesondere zum Starten eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers an Bord eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV) und Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) werden ganz oder teilweise durch elektrische Energiespeichereinrichtungen, wie beispielsweise Traktionsbatterien betrieben, welche mithilfe einer externen Stromversorgung aufgeladen werden müssen. Dazu sind Ladegeräte notwendig, welche die externe Stromversorgung mit der Energiespeichereinrichtungen koppeln und die nötige Spannungswandlung von einer Wechselspannung aus dem Stromnetz in eine Gleichspannung des Hochvoltnetzes des Fahrzeugs vornehmen können.
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On-Board-Ladegeräte, das heißt, Ladegeräte, die in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verbaut sind und mit diesem mitgeführt werden, haben zudem die Aufgabe, die Schnittstellen zur fahrzeugseitigen Ladesteckdose und verschiedenen Steuersystemen im Fahrzeug zu bedienen. Außerdem können sie optional zum Laden einer Niedervoltbatterie einer Bordnetzspannungsversorgung im Fahrzeug dienen und die Steuerung einer externen Gleichstromtankstelle zum schnellen Laden, dem sogenannten Level-3-Laden (nach SAE J1772) bzw. Klasse-4-Laden (nach IEC 61851-1). Der automatisierten und zuverlässigen Steuerung des Fahrzeugladesystems durch On-Board-Ladegeräte kommt erhebliche Bedeutung zu, da ein Laden hauptsächlich unbeaufsichtigt, wie beispielsweise nachts erfolgt.
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Für Ladegeräte und deren Schnittstellen sind die Normen SAE J1772 und IEC 61851-1 einschlägig, in denen die Funktionen und Signale der Ladeschnittstellen beschrieben sind. Wichtige Elemente der Normen sind dabei die beiden Steuerleitungen "control pilot" und "proximity", die für die Steckererkennung, die Stromtragfähigkeitserkennung des Stromnetzes bzw. der Verbindungskabel sowie die Verhinderung des Trennens der Verbindungskabel unter Last zuständig sind. Die Steuersignale auf den jeweiligen Steuerleitungen, beispielsweise das Pilotsignal auf der Steuerleitung "control pilot", werden dabei durch eine Stromnetzkopplungseinrichtung generiert und in das Fahrzeugladesystem eingespeist. Erst wenn vordefinierte Signalbedingungen auf beiden Niedervoltverbindungen erfüllt sind, wird die Wechselspannung aus dem externen Stromnetz zum Fahrzeugladesystem durchgeschaltet. Hierzu ist es notwendig, aus dem Fahrzeugladesystem eine Rückmeldung zu erzeugen, welche die Stromnetzkopplungseinrichtung darüber in Kenntnis setzt, dass die Voraussetzungen im Fahrzeugladesystem für das Durchschalten der Netzspannung erfüllt sind.
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Die Druckschrift
US 2010/0299008 A1 offenbart ein Fahrzeugladesystem, welches nach Verbinden mit einem externen Ladegerät ein Pilotsignal empfängt. Das externe Ladegerät erzeugt das Pilotsignal mit einem kontinuierlich hohen Spannungspegel, bis das Fahrzeugladesystem aktiviert ist. Das Fahrzeugladesystem senkt daraufhin den Spannungspegel des Pilotsignals, was wiederum das externe Ladegerät dazu veranlasst, das Pilotsignal in einem pulsbreitenmodulierten Modus zu erzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Steuervorrichtung zum Ansteuern eines Fahrzeugladesystems, mit einem Pilotsignalanschluss, welcher dazu ausgelegt ist, ein pulsbreitenmoduliertes Pilotsignal von einer Stromnetzkopplungseinrichtung zu empfangen, einem Bordnetzanschluss, welcher an eine Bordnetzspannungsversorgung des Fahrzeugladesystems gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine Bordnetzversorgungsspannung zu empfangen, einem Steuergerät, welches mit dem Pilotsignalanschluss gekoppelt ist, und welches dazu ausgelegt ist, die Pulsbreiten des Pilotsignals zu ermitteln und in Abhängigkeit von den ermittelten Pulsbreiten und von einem Aktivierungssignal das Fahrzeugladesystem anzusteuern, und einem Spitzenwertgleichrichter, welcher mit dem Pilotsignalanschluss, dem Bordnetzanschluss und dem Steuergerät gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, Spannungspulse des Pilotsignals zu einer Aktivierungsspannung zu akkumulieren, die Aktivierungsspannung mit einem Aktivierungsspannungsschwellwert zu vergleichen, und in Abhängigkeit des Vergleichs das Aktivierungssignal für das Steuergerät aus der Bordnetzversorgungsspannung zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugladesystem, mit einer Vielzahl von Stromnetzanschlüssen, welche dazu ausgelegt sind, mit einer Stromnetzkopplungseinrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung aus einem Stromnetz verbunden zu werden, einem Spannungswandler, welche mit den Stromnetzanschlüssen gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, eine Spannung, welche aus einem Stromnetz an den Stromnetzanschlüssen bereitgestellt wird, zum Laden mindestens einer Energiespeichereinrichtung zu wandeln, einer Rückkoppelschalteinrichtung, welche mit einem Pilotsignalanschluss der Stromnetzkopplungseinrichtung gekoppelt ist, und deren Betätigung der Stromnetzkopplungseinrichtung signalisiert, dass das Fahrzeugladesystem bereit zur Energieaufnahme ist, und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den Spannungswandler und die Rückkoppelschalteinrichtung anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aktivieren eines Fahrzeugladesystems, mit den Schritten des Empfangens eines pulsbreitenmodulierten Pilotsignals von einer Stromnetzkopplungseinrichtung, des Akkumulierens von Spannungspulsen des Pilotsignals zu einer Aktivierungsspannung, des Vergleichens der Aktivierungsspannung mit einem Aktivierungsspannungsschwellwert, des Erzeugens eines Aktivierungssignals für ein Steuergerät aus einer Bordnetzversorgungsspannung des Fahrzeugladesystems in Abhängigkeit von dem Vergleich, und des Ansteuerns des Fahrzeugladesystems durch das Steuergerät in Abhängigkeit von dem Aktivierungssignal.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pilotsignal, welches von einer Stromnetzkopplungseinrichtung beispielsweise nach einem Ankoppeln des Fahrzeugladesystems an ein Stromnetz erzeugt wird, sicher und rasch zu erkennen, und ein stabiles Wecksignal für die Ansteuerung des Fahrzeugladesystems unter Zuhilfenahme der Bordnetzspannungsversorgung zu generieren. Dabei wird das Pilotsignal nicht belastet, so dass dessen Auswertung durch das Steuergerät problemlos möglich bleibt. Mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung können Spannungspulse des pulsweitenmodulierten Pilotsignals dazu genutzt werden, schrittweise Ladung zu akkumulieren, die nach einem oder mehreren Akkumulationsschritten zur Bereitstellung einer Spannung dienen kann, um ein kontinuierliches und stabiles Wecksignal für das Fahrzeugladesystem zu erzeugen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass unabhängig vom Erzeugungszeitpunkt des Pilotsignals in der Stromnetzkopplungseinrichtung die Steuervorrichtung und insbesondere das Steuergerät des Fahrzeugladesystems zeitnah und zuverlässig aktiviert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Spitzenwertgleichrichter eine erste Schalteinrichtung, welche im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals schaltbar ist, und einen Kondensator aufweisen, welcher über die erste Schalteinrichtung mit dem Bordnetzanschluss gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, mit der Bordnetzversorgungsspannung im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals schaltbar verbunden zu werden. Dies ermöglicht die Entkopplung des Pilotsignals von der Wecksignalerzeugung, so dass das Pilotsignal nicht verzerrt oder gestört wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Spitzenwertgleichrichter weiterhin eine zweite Schalteinrichtung aufweisen, welche den Bordnetzanschluss schaltbar mit dem Steuergerät koppelt, und welche dazu ausgelegt ist, das Aktivierungssignal in Abhängigkeit von der auf dem Kondensator anliegenden Spannung zu erzeugen. Dadurch kann die Bordnetzspannungsversorgung in vorteilhafter Weise genutzt werden, um die nötige Energie für das Aktivierungs- bzw. Wecksignal bereitzustellen. Das Pilotsignal wird damit nicht unnötig belastet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Steuergerät dazu ausgelegt sein, nach Empfang des Aktivierungssignals ein Betätigungssignal für eine Rückkoppelschalteinrichtung des Fahrzeugladesystems zu erzeugen, deren Betätigung der Stromnetzkopplungseinrichtung signalisiert, dass das Fahrzeugladesystem bereit zur Energieaufnahme ist. Durch die zeitnahe Erzeugung des Aktivierungssignals stellt dies eine ebenso zeitnahe Rückmeldung an die Stromnetzkopplungseinrichtung sicher, so dass eine rasche Freigabe der Stromnetzleitungen für das Fahrzeugladesystem ermöglicht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuervorrichtung weiterhin eine Hilfsaktivierungseinrichtung umfassen, welche mit dem Pilotsignalanschluss, dem Bordnetzanschluss und dem Steuergerät gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Bordnetzversorgungsspannung mit einem Bordnetzversorgungsspannungsschwellwert zu vergleichen, und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Hilfsbetätigungssignal für die Rückkoppelschalteinrichtung des Fahrzeugladesystems zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, auch bei (zu) niedriger Bordnetzversorgungsspannung eine Freigabe der Stromnetzleitungen für das Fahrzeugladesystem sicherstellen zu können. Besonders vorteilhaft ist diese Hilfsaktivierungseinrichtung im Falle einer Entladung der Bordnetzspannungsversorgung, beispielsweise nach langer Standzeit des Fahrzeugs oder bei einem Defekt der Bordnetzspannungsversorgung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Hilfsaktivierungseinrichtung eine Vergleicherschaltung, welche mit dem Bordnetzanschluss gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Bordnetzversorgungsspannung mit einem Bordnetzversorgungsspannungsschwellwert zu vergleichen und ein Vergleichssignal zu erzeugen, und eine Ladungspumpe mit einem Ladungspumpenkondensator aufweisen, welche mit der Vergleicherschaltung und dem Pilotsignalanschluss gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Vergleichssignal im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals Ladung auf dem Ladungspumpenkondensator zu akkumulieren, und das Hilfsbetätigungssignal zu erzeugen. Damit kann in vorteilhafterweise das Pilotsignal als Hilfsenergiequelle genutzt werden, um die Freigabe der Stromnetzleitungen sicherzustellen. Gleichzeitig sorgt die Vergleicherschaltung dafür, dass die Ladungspumpe nur hilfsweise zur Betätigung der Rückkoppelschalteinrichtung genutzt wird, nämlich genau dann, wenn die Bordnetzversorgungsspannung nicht ausreicht, um das eigentliche Betätigungssignal zuverlässig zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Fahrzeugladesystem weiterhin einen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher mit dem Spannungswandler gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, das Steuergerät mit Energie zu versorgen. Der Gleichspannungswandler kann vorteilhafterweise als Hilfsenergiequelle für die Versorgung der Steuervorrichtung dienen. Wenn die Bordnetzspannungsversorgung wieder aufgeladen und die Steuervorrichtung entsprechend aktiviert worden ist, kann die Steuervorrichtung in einer Ausführungsform den Gleichspannungswandler deaktivieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugladesystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für ein Fahrzeugladesystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung der Steuervorrichtung in 2 in höherem Detail gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugladesystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für ein Fahrzeugladesystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung der Steuervorrichtung in 5 in höherem Detail gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Aktivieren eines Fahrzeugladesystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugladesystems 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeugladesystem 1 umfasst dabei einen Spannungswandler 6, welcher mit Stromnetzanschlüssen 1a, 1b, beispielsweise L1, L2 und N, gekoppelt ist. Über die Stromnetzanschlüsse 1a, 1b kann eine Netzspannung durch eine (nicht gezeigte) Stromnetzkopplungseinrichtung freigeschaltet werden, so dass der Spannungswandler 6 die Netzspannung gemäß entsprechender Ansteuerung in eine Ladespannung für eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen des Fahrzeugs an den Ladeanschlüssen 6a, 6b wandeln kann. Beispielsweise kann der Spannungswandler 6 eine Wechselspannung des Stromnetzes, welche an den Stromnetzanschlüssen 1a, 1b anliegt, in eine Hochvoltgleichspannung wandeln und an den Ladeanschlüssen 6a, 6b bereitstellen. Beispielhaft sind in 1 zwei Stromnetzanschlüsse 6a, 6b gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl von Stromnetzanschlüssen ebenso möglich ist.
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Der Spannungswandler 6 wird dabei durch Ansteuersignale 2b durch eine Steuervorrichtung 2 angesteuert. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 2 dabei je nach Netzspannung und Ladestromstärke Einstellungen an dem Spannungswandler 6 vornehmen, die eine sichere und effiziente Energiewandlung zum Versorgen des Fahrzeugs mit Energie ermöglichen. Die Steuervorrichtung 2 kann dabei von einer Bordnetzspannungsversorgung 7 mit Energie versorgt werden. Die Bordnetzspannungsversorgung 7 kann dazu über einem oder mehrere Bordnetzanschlüsse 7a, 7b, 7c mit der Steuervorrichtung 2 gekoppelt sein, und über die Bordnetzanschlüsse 7a, 7b, 7c eine Bordnetzversorgungsspannung, beispielsweise 12 Volt, bereitstellen. Die Bordnetzversorgungsspannung kann beispielsweise eine Niedervoltspannung sein. Beispielhaft sind in 1 zwei Bordnetzanschlüsse 7a, 7c gezeigt, wobei jede andere Anzahl jedoch ebenso möglich ist. Es kann dabei auch vorgesehen sein, einen einzigen Bordnetzanschluss vorzusehen und die Bordnetzversorgungsspannung in der Steuervorrichtung 2 intern zu verteilen.
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Das Fahrzeugladesystem 1 verfügt an der Schnittstelle zu dem externen Stromnetz bzw. einer Stromnetzkopplungseinrichtung über einen Masseanschluss 1c sowie einen Pilotsignalanschluss 1d. Ein Stromnetznäheanschluss ("proximity"-Steuerleitung) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt. Der Pilotsignalanschluss 1d und der Masseanschluss 1c können beispielsweise über eine Suppressordiode 9a verbunden und dadurch gegen Überspannungen geschützt sein. Über den Pilotsignalanschluss 1d wird ein durch die Stromnetzkopplungseinrichtung erzeugtes Pilotsignal 8 in das Fahrzeugladesystem 1 eingespeist. Das Pilotsignal 8 kann dabei mit einer vorbestimmten Betriebsspannung, beispielsweise mit 12 Volt erzeugt werden.
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Bei getrennter Schnittstelle, das heißt, wenn keine Verbindung zwischen dem Stromnetz und dem Fahrzeugladesystem 1 besteht, misst die Stromnetzkopplungseinrichtung die vorbestimmte Betriebsspannung des Pilotsignals 8 und erkennt dadurch, dass keine Verbindung zu einem Fahrzeugladesystem besteht. Die Steuervorrichtung 2 im Fahrzeugladesystem 1 kann dabei zunächst deaktiviert sein oder sich in einem Ruhezustand befinden, da keine Ansteuerung des Spannungswandlers 6 benötigt wird.
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Wenn die Stromnetzkopplungseinrichtung mit dem Fahrzeugladesystem 1 verbunden wird, wird das Pilotsignal 8 im Fahrzeugladesystem 1 zunächst durch eine Diode 9b gleichgerichtet. In einer Spannungsteilereinrichtung 5 des Fahrzeugladesystems 1 befindet sich ein erster Spannungsteilerwiderstand 5b, welcher als Spannungsteiler für das Pilotsignal 8 dient und die Spannung des Pilotsignals 8 von der vorbestimmten Betriebsspannung auf eine niedrigere Spannung herunter zieht. Die Spannungsteilereinrichtung 5 weist zudem einen parallel zu dem ersten Spannungsteilerwiderstand 5b geschalteten zweiten Spannungsteilerwiderstand 5c auf, welcher durch eine Rückkoppelschalteinrichtung 5a selektiv zu- oder abgeschaltet werden kann. Zunächst ist die Rückkoppelschalteinrichtung 5a geschlossen, so dass kein Strom durch den zweiten Spannungsteilerwiderstand 5c fließen kann.
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Nachdem die Stromnetzkopplungseinrichtung ein Absinken der vorbestimmten Betriebsspannung des Pilotsignals 8 erkannt hat, beispielsweise auf einen ersten Zwischenwert von 9 Volt, wird nach einer unbestimmten Zeit ein pulsweitenmoduliertes Pilotsignal 8 durch einen Pulgenerator der Stromnetzkopplungseinrichtung erzeugt. Dabei wird das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Pilotsignals 8 derart eingestellt, dass das Tastverhältnis gemäß einer vordefinierten Abhängigkeit eine auf der Stromnetzseite verfügbare Stromstärke codiert. Beispielsweise kann das Tastverhältnis proportional zu der verfügbaren Stromstärke sein. Es kann dabei auch vorgesehen sein, in verschiedenen Bereichen des Tastverhältnisses die Stromstärke mit verschiedenen Proportionalitätsfaktoren zu codieren.
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Die Steuervorrichtung 2 muss nun erkennen, dass sich das Pilotsignal 8 von einem kontinuierlichen Signal zu einem pulsweitenmodulierten Signal geändert hat. Typische Energien der Spannungspulse des Pilotsignals 8 bei einer Niedervoltspannung und niedrigen Tastverhältnissen können dabei unter Umständen nicht ausreichen, um die Steuervorrichtung 2 sicher, zeitnah und zuverlässig wecken zu können.
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Daher weist die Steuervorrichtung 2 ein Steuergerät 3 zum Ansteuern des Fahrzeugladesystems 1 und einen Spitzenwertgleichrichter 4 auf, welcher an einem Pilotsignalanschluss 2a das Pilotsignal 8 entgegennimmt. Der Spitzenwertgleichrichter 4 ist dazu ausgelegt, Spannungspulse des pulsweitenmodulierten Pilotsignals 8 zu einer Aktivierungsspannung zu akkumulieren, die Aktivierungsspannung mit einem Aktivierungsspannungsschwellwert zu vergleichen, und in Abhängigkeit des Vergleichs ein Aktivierungssignal 4a für das Steuergerät 3 aus der Bordnetzversorgungsspannung zu erzeugen. Der Spitzenwertgleichrichter 4 dient mit anderen Worten dazu, eine Änderung des kontinuierlichen Pilotsignals 8 hin zu einem pulsweitenmodulierten Pilotsignal 8 zeitnah zu erkennen und aus der Bordnetzversorgungsspannung automatisch ein stabiles Wecksignal bzw. Aktivierungssignal 4a für das Steuergerät zu erzeugen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für ein Fahrzeugladesystem, insbesondere der Steuervorrichtung 2 für das in 1 dargestellte Fahrzeugladesystem 1. Die Steuervorrichtung 2 umfasst dabei das Steuergerät 3, welches Ansteuersignale 2b für den Spannungswandler 6 und ein Betätigungssignal 3a für die Rückkoppelschalteinrichtung 5a erzeugen kann. Das Steuergerät 3 wird dabei durch die Bordnetzversorgungsspannung über einen Bordnetzanschluss 7a mit Energie aus dem Bordnetz versorgt. Die Steuervorrichtung 2 umfasst weiterhin den Spitzenwertgleichrichter 4, welcher über einen Bordnetzanschluss 7c mit der Bordnetzversorgungsspannung versorgt wird, und welcher das Pilotsignal 8 empfängt.
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Der Spitzenwertgleichrichter 4 kann eine erste Schalteinrichtung 11 aufweisen, welche im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals 8 schaltbar ist. Die erste Schalteinrichtung 11 koppelt dabei den Bordnetzanschluss 7c schaltbar mit einer Ladungssammeleinrichtung 12, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der ersten Schalteinrichtung 11 Ladung von Ladungspulsen zu sammeln. Die Ladungssammeleinrichtung 12 kann dabei mit einer zweiten Schalteinrichtung 13 gekoppelt sein. Die zweite Schalteinrichtung 13 kann in Abhängigkeit von der in der Ladungssammeleinrichtung 12 gesammelten Ladung geschaltet werden, so dass der Bordnetzanschluss 7c selektiv mit dem Steuergerät 3 verbunden werden kann.
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Wenn das Pilotsignal 8 ein kontinuierliches Signal logisch hohen Spannungspegels ist, ist die erste Schalteinrichtung 11 kontinuierlich geschlossen. Dadurch ist der Bordnetzanschluss 7c kontinuierlich mit der Ladungssammeleinrichtung 12 verbunden, so dass auf der Ladungssammeleinrichtung 12 keine Ladungspulse gesammelt werden können. Damit wird das Steuergerät 3 mit einem gleichgerichteten Pilotsignal 4b aus der Bordnetzspannungsversorgung gespeist, welches dem Pilotsignal 8 entspricht.
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Wenn das Pilotsignal 8 jedoch in ein pulsweitenmoduliertes Signal übergeht, wird die erste Schalteinrichtung 11 im Takt des Pilotsignals 8 geschlossen. Dadurch können Spannungspulse des Pilotsignals 8 in Ladungspulse aus der Bordnetzspannungsversorgung umgesetzt werden, die in der Ladungssammeleinrichtung 12 akkumuliert werden. Eine Aktivierungsspannung der Ladungssammeleinrichtung 12 steigt dadurch schrittweise an, bis diese einen Aktivierungsspannungsschwellwert erreicht hat, welcher ausreicht, um die zweite Schalteinrichtung 13 zu schließen. Damit wird ein Aktivierungssignal 4a aus der Bordnetzversorgungsspannung erzeugt, welches dazu dient, das Steuergerät 3 zu aktivieren.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Steuervorrichtung 2 in 2 in höherem Detail. Der Spitzenwergleichrichter 4 weist dabei erste und zweite Transistorschalter 11 und 13 auf. Der erste Transistorschalter 11 kann über einen als Integrierer fungierendes RC-Glied aus einem Widerstand 12c sowie einem Kondensator 12a mit dem Steuergerät 3 verbunden sein. Der Kondensator 12a kann dazu ausgelegt sein, mit der Bordnetzversorgungsspannung im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals 8 schaltbar verbunden zu werden. Der zweite Transistorschalter 13, welche den Bordnetzanschluss 7c schaltbar mit dem Steuergerät 3 koppelt, schaltet dabei die Bordnetzversorgungsspannung als Aktivierungssignal 4a in Abhängigkeit von der auf dem Kondensator 12a anliegenden Spannung durch. Der Kondensator 12a kann dabei über einen Widerstand 12b bei einem Ausbleiben von Ladungspulsen wieder entladen werden. Der Kondensator 12d kann beispielsweise zur Glättung des gleichgerichteten Pilotsignals 8 dienen.
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Wenn das Steuergerät 3 das Aktivierungssignal 4a empfängt, kann es die entsprechende Ansteuerung des Spannungswandlers 6 vornehmen und zugleich ein Betätigungssignal 3a für die Betätigung der Rückkoppelschalteinrichtung 5a erzeugen. Mit Bezug auf 1 kann die Rückkoppelschalteinrichtung 5a durch das Betätigungssignal 3a geschlossen werden, wodurch der zweite Spannungsteilerwiderstand 5c parallel zu dem ersten Spannungsteilerwiderstand 5b parallel zwischen Pilotsignalanschluss 1c und Masseanschluss 1d des Fahrzeugladesystems 1 geschaltet wird. Damit sinkt die Betriebsspannung des Pilotsignals 8 von dem ersten Zwischenwert von beispielsweise 9 Volt nochmals auf einen zweiten Zwischenwert von beispielsweise 6 Volt. Dieses Absinken kann durch die Stromnetzkoppeleinrichtung als Signal für die Bereitschaft des Fahrzeugladesystems 1 zur Energieaufnahme erkannt werden. Daraufhin kann die Stromnetzkoppeleinrichtung die Stromnetzanschlüsse 1a, 1b freigeben, so dass ein Ladevorgang einer Energiespeichereinrichtung über das Fahrzeugladesystem 1 beginnen kann.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugladesystems 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeugladesystem 1 in 4 unterscheidet sich von dem Fahrzeugladesystem 1 in 1 im Wesentlichen dadurch, dass zusätzliche Komponenten vorgesehen sind, die eine Aktivierung des Steuergeräts 3 der Steuervorrichtung 2 sicherstellen, wenn die Bordnetzversorgungsspannung zu niedrig ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine Niedervoltbatterie der Bordnetzspannungsversorgung 7 beispielsweise durch Defekt oder lange Standzeit entladen ist. In diesem Fall kann die notwendige Energie zum Erzeugen des Aktivierungssignals 4a nicht aus der Bordnetzspannungsversorgung 7 bezogen werden. Deshalb kann auf das pulsweitenmodulierte Pilotsignal als Energiequelle zurückgegriffen werden.
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Auch wenn das Aktivieren des Steuergeräts 3 aufgrund des geringen Energiegehalts des Pilotsignals 8 länger dauern kann, kann mithilfe des Pilotsignals 8 die Rückkoppelschalteinrichtung 5a betätigt werden, so dass die Stromnetzkoppeleinrichtung die Stromnetzanschlüsse 1a, 1b freischaltet. Das Fahrzeugladesystem 1 kann einen zusätzlichen Gleichspannungswandler 22 aufweisen, welcher über den Spannungswandler 6 gespeist wird und seinerseits eine hilfsweise bzw. überbrückende Energieversorgung über einen Energieversorgungsanschluss 22a für die Steuervorrichtung 2 bereitstellen kann. Mit anderen Worten kann über die Energie aus dem pulsweitenmodulierten Pilotsignal 8 eine Rückmeldung an die Stromnetzkoppeleinrichtung erzeugt werden, dass das Fahrzeugladesystem 1 zur Energieaufnahme bereit ist, obwohl die Steuervorrichtung 2 selbst noch keine Energie aus dem Bordnetz zur Verfügung gestellt bekommt. Die Stromnetzkoppeleinrichtung schaltet daraufhin die Netzspannung an den Spannungswandler 6 durch, der zunächst nur die Hilfsenergieversorgung durch den Gleichspannungswandler 22 speist. Wenn die Bordnetzspannungsversorgung wieder über genügend Energie verfügt, erfolgt die im Zusammenhang mit 1 bis 3 beschriebene reguläre Aktivierung des Steuergeräts 3, welches dann den Gleichspannungswandler 22 deaktivieren kann.
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Die Steuervorrichtung 2 kann dazu über eine Hilfsaktivierungseinrichtung 21 verfügen, welche mit dem Pilotsignalanschluss 2a, dem Bordnetzanschluss 7b und dem Steuergerät 3 gekoppelt ist. Die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 kann dazu ausgelegt sein, die Bordnetzversorgungsspannung mit einem Bordnetzversorgungsspannungsschwellwert zu vergleichen. Wenn die Bordnetzversorgungsspannung zu niedrig ist, beispielsweise wenn die Niedervoltbatterie der Bordnetzspannungsversorgung zu stark entladen ist, kann die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 dazu ausgelegt sein, ein Hilfsbetätigungssignal 21a für die Rückkoppelschalteinrichtung 5a des Fahrzeugladesystems 1 zu erzeugen. Wenn die Bordnetzversorgungsspannung jedoch ausreichend ist, kann die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 das durch das Steuergerät 2 regulär erzeugte Betätigungssignal 3a an die Rückkoppelschalteinrichtung 5a weiterleiten. In diesem Fall kann auf die Erzeugung des Hilfsbetätigungssignals 21a verzichtet werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für ein Fahrzeugladesystem, insbesondere der Steuervorrichtung 2 des in 4 dargestellten Fahrzeugladesystems 1. Die Steuervorrichtung 2 kann ein Steuergerät 3, einen Spitzenwertgleichrichter 4 sowie eine Hilfsaktivierungseinrichtung 21 aufweisen. Das Steuergerät 3 und der Spitzenwertgleichrichter 4 können dabei den in 2 und 3 dargestellten Komponenten entsprechen und werden im Folgenden nicht genauer beschrieben.
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Die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 kann eine Vergleicherschaltung 24 aufweisen, welche mit dem Bordnetzanschluss 7b gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Bordnetzversorgungsspannung mit einem Bordnetzversorgungsspannungsschwellwert zu vergleichen und ein Vergleichssignal zu erzeugen. Das Vergleichssignal kann an eine Ladungspumpe 23 abgegeben werden, welche mit der Vergleicherschaltung 24 und dem Pilotsignalanschluss 2a gekoppelt ist. Die Ladungspumpe 23 kann durch das Vergleichssignal aktiviert oder deaktiviert werden, je nach Höhe der Bordnetzversorgungsspannung. Mit der Ladungspumpe 23 kann Energie aus den Spannungspulsen des Pilotsignals 8 akkumuliert werden, bis die akkumulierte Ladung ausreicht, um ein Hilfsbetätigungssignal 21a für die Betätigung der Rückkoppelschalteinrichtung 5a des Fahrzeugladesystems 1 zu erzeugen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung der Steuervorrichtung 2 in 5 in höherem Detail. Die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 weist eine erste Diode 24a auf, die in Sperrrichtung mit dem Bordnetzanschluss 7b gekoppelt ist. Wenn die Bordnetzversorgungsspannung oberhalb eines Bordnetzversorgungsspannungsschwellwerts liegt, welcher mit der Durchbruchspannung der ersten Diode 24a skalieren kann, ist die erste Diode 24a leitend. Dadurch wird der Transistorschalter 24b geschlossen und der Knoten 26 auf Masse gezogen. Der Ladungspumpenkondensator 23b bleibt also vollständig entladen und das Betätigungssignal 3a des Steuergeräts 3 wird über den Widerstand 27 an die Rückkoppelschalteinrichtung 5a durchgestellt.
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Wenn die Bordnetzversorgungsspannung jedoch unterhalb eines Bordnetzversorgungsspannungsschwellwerts liegt, ist die erste Diode 24a nicht leitend. Damit ist der Transistorschalter 24b geöffnet. Im Takt der Spannungspulse des Pilotsignals 8, welches an einer Seite eines Übertragungskondensators 23a anliegen, kann Ladung über die zweiten und dritten Dioden 23c und 23d auf dem Ladungspumpenkondensator 23b akkumuliert werden. Da die Bordnetzversorgungsspannung in diesem Fall zu gering für die Aktivierung des Steuergeräts 3 ist, wird durch das Steuergerät 3 auch kein Betätigungssignal 3a erzeugt. Stattdessen erzeugt die Hilfsaktivierungseinrichtung 21 ein Hilfsbetätigungssignal 21a durch auf die auf dem Ladungspumpenkondensator 23b gesammelte Ladung, welche über den Widerstand 28 an die Rückkoppelschalteinrichtung 5a weitergeleitet wird.
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Mit der Betätigung der Rückkoppelschalteinrichtung 5a durch das Hilfsbetätigungssignal 21a erkennt die Stromnetzkoppeleinrichtung die Bereitschaft des Fahrzeugladesystems 1 zur Energieaufnahme und stellt die Netzspannung an den Stromnetzanschlüssen 1a, 1b durch. Das Steuergerät 3 kann nun über den Gleichspannungswandler 22 an dem Energieversorgungsanschluss 22a mit Energie versorgt und aktiviert werden. Das Steuergerät 3 kann erkennen, dass es über den Energieversorgungsanschluss 22a aktiviert worden ist, und kann das Fahrzeugladesystem 1 derart ansteuern, dass zunächst nur die Niedervoltbatterie der Bordnetzspannungsversorgung geladen wird. Wenn die Niedervoltbatterie ausreichend geladen ist bzw. die Bordnetzversorgungsspannung der Bordnetzspannungsversorgung wieder den Bordnetzversorgungsspannungsschwellwert überschreitet, kann der Spitzenwertgleichrichter 4 das Aktivierungssignal 4a ordnungsgemäß erzeugen. Wenn das Steuergerät 3 das Aktivierungssignal 4a empfangen hat, kann das Steuergerät 3 den Gleichspannungswandler 22 deaktivieren und über die Ansteuersignale 2b den Spannungswandler 6 zum eigentlichen Laden der Energiespeichereinrichtung des Hochvoltnetzes des Fahrzeugs ansteuern.
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Die in den Figuren dargestellten Schalteinrichtungen 11, 13 und 24b können dabei jeweils Halbleiterschalter, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter jeweils selbstsperrende n-MOSFETs (n-leitende Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, Anreicherungstyp) dargestellt, es ist jedoch ebenso möglich, andere Halbleiterschalter in entsprechender Form vorzusehen, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als p-MOSFETs (p-leitende Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors).
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7 zeigt ein Verfahren 30 zum Aktivieren eines Fahrzeugladesystems, insbesondere des in den 1 bis 6 beschriebenen Fahrzeugladesystems 1. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Empfangen eines pulsbreitenmodulierten Pilotsignals 8 von einer Stromnetzkopplungseinrichtung. In einem zweiten Schritt 32 erfolgt ein Akkumulieren von Spannungspulsen des Pilotsignals 8 zu einer Aktivierungsspannung. In einem dritten Schritt 33 erfolgt ein Vergleichen der Aktivierungsspannung mit einem Aktivierungsspannungsschwellwert. In einem vierten Schritt 34 erfolgt ein Erzeugen eines Aktivierungssignals 4a für ein Steuergerät 3 aus einer Bordnetzversorgungsspannung des Fahrzeugladesystems 1 in Abhängigkeit von dem Vergleich. In einem fünften Schritt 35 erfolgt ein Ansteuern des Fahrzeugladesystems 1 durch das Steuergerät 3 in Abhängigkeit von dem Aktivierungssignal 4a.
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Mithilfe des Fahrzeugladesystems 1 und des Verfahrens 30 zum Aktivieren des Fahrzeugladesystems 1 kann aus einem pulsbreitenmodulierten Pilotsignal 8 zuverlässig und zeitnah ein stabiles Wecksignal für eine Steuervorrichtung des Fahrzeugladesystems erzeugt werden, ohne das Pilotsignal zu belasten. Weiterhin kann auch bei schwacher Niedervoltbatterie des Bordnetzes zuverlässig eine Rückmeldung an eine Stromnetzkoppeleinrichtung zurückgegeben werden, woraufhin zunächst ein Laden der Niedervoltbatterie aus dem Stromnetz möglich wird, bis die Bordnetzspannung wieder stabilisiert ist. Danach kann ein regulärer Ladebetrieb des Hochvoltnetzes des Fahrzeugs durch das Fahrzeugladesystem beginnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0299008 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- SAE J1772 [0003]
- IEC 61851-1 [0003]
- SAE J1772 [0004]
- IEC 61851-1 [0004]
