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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen infrastrukturseitigen Stecker zur Übertragung von Energie zwischen einer elektrischen Infrastruktur (z.B. Haushaltssteckdose) und einem elektrischen Verbraucher, welcher insbesondere für ein Ladekabel zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels verwendbar ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Stecker zum Reduzieren eines Kontaktabbrandes beim Unterbrechen einer Steckverbindung unter elektrischer Last.
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Beim Laden von Elektrofahrzeugen wird beobachtet, dass an einigen der verwendeten infrastrukturseitigen Steckdosen sogenannter "Kontaktabbrand" auftreten kann. Es handelt sich hierbei um eine Beschädigung der Kontaktoberfläche, welche beim Auftrennen der Verbindung "unter Last", d.h., während der Führung eines elektrischen Ladestroms, auftritt. Durch einen Lichtbogen wird dabei die Oberfläche kleinflächig aufgeschmolzen. Die erhöhte Rauigkeit und die in Folge auftretende Oxidation der Kontaktoberfläche führen mittel- bzw. langfristig zu einem höheren Übergangswiderstand, wodurch Beschädigungen des Kontaktes durch Lichtbögen und andere thermische Wirkungen noch weiter begünstigt werden. Weiterhin stellt ein erhöhter Übergangswiderstand, bedingt durch die sich an der Kontaktstelle einstellende hohe Betriebstemperatur, ein Gefahrenpotential hinsichtlich einer unzulässigen Erwärmung dar. Dies ist besonders kritisch zu bewerten, da sich an einer derartig beschädigten Steckdose erst nach einiger Zeit des Betriebs eine thermische Zersetzung einstellen kann (z.B. während der nächtlichen Ladephase des Elektrofahrzeugs). Dieser Effekt kann auch an regelmäßig überprüften Installationen im Einflussbereich der Unfallverhütungsvorschrift für elektrische Anlagen und Betriebsmittel (BGV A3) auftreten.
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Im Bereich der Haushaltsstecker (z.B. CEE7/4- oder CEE7/7-Steckverbinder) sind bisher keine Lösungen zur Verhinderung des Trennens unter Last bekannt. Dies hat seine Ursache unter anderem darin, dass die meisten leistungsstarken Geräte, wie z.B. Waschmaschinen, Wäschetrockner, Radiatoren, etc., ortsfest betrieben und in der Regel selten gesteckt werden. Die Problematik des Auftrennens unter Last besteht hier also nicht.
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Im gewerblichen Umfeld hingegen sind spezielle Systeme zur Verhinderung ungewollten Trennens unter Last bekannt, welche mechanische Maßnahmen (z.B. umzulegende Hebel, Verschraubungen oder andere Verriegelungsmaßnahmen) umfassen. Diese Betätigungsglieder erzwingen ein "manuelles Freischalten" im Vorfeld des Trennens der elektrischen Verbindung.
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Weiterhin sind spezielle Steckverbinder bekannt, welche durch ihre Konstruktion eine erforderliche Mindestöffnungsgeschwindigkeit gewährleisten. Durch die Mindestöffnungsgeschwindigkeit ist die Dauer des Lichtbogens und somit der Kontaktabbrand gering. Hierfür ist eine bestimmte Geometrie mit spezifischem Weg/Zeit-Ablauf erforderlich, welche beispielsweise durch Druckpunkte bzw. Druckschwellen in Form von Rastnasen und Federsystemen realisiert wird. Ebenfalls sind Systeme bekannt, welche durch Integration Energie-abbauender elektrischer Bauelemente oder Strukturen die Ausbildung eines Lichtbogens unterbinden.
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DE 10 2013 200 864 A1 offenbart einen Adapter für Elektrofahrzeug-Ladesysteme, welcher einen als "Näherungssensor" bezeichneten Schalter zum Schließen bzw. Öffnen einer Pilotlinie eines Fahrzeugs umfasst. Wird über den Näherungssensor erkannt, dass der Adapter an einer Fahrzeugeingangssteckdose angeordnet ist, wird ein Ladevorgang freigeschaltet.
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US 2013/0241479 A1 offenbart ein Sicherheitssystem für Ladestationen zum Laden elektrisch antreibbarer Fahrzeuge. Um im Falle eines Kollision mit der Ladestation die elektrische Energieversorgung bzw. -umwandlung zu unterbrechen, ist ein Näherungssensor zur Überwachung einer Präsenz zweier korrespondierender Einheiten vorgesehen. Sendet der Näherungssensor ein außergewöhnliches Signal, veranlasst die Steuerschaltung einen Abbruch des Ladevorgangs.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kontaktabbrand beim Trennen einer elektrischen Verbindung eines infrastrukturseitigen Steckers eines Ladekabels aus einer infrastrukturseitigen Steckdose zu vermindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen infrastrukturseitigen Stecker mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Ladekabel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 sowie ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Der infrastrukturseitige Stecker umfasst hierzu einen Näherungssensor, welcher eingerichtet ist, bei Annäherung einer Hand eines Anwenders ein Steuersignal zum Reduzieren einer übertragenen elektrischen Leistung, einer Ladeleistung bzw. einer Entladeleistung zu generieren. Mit anderen Worten ist der Näherungssensor eingerichtet, das Steuersignal vor einem Öffnen der Steckverbindung zu erzeugen bzw. auszugeben. Der Näherungssensor ist somit eingerichtet, das Steuersignal immer dann zu erzeugen, wenn der Anwender den erfindungsgemäßen infrastrukturseitigen Stecker zum Zwecke des Abziehen des Steckers ergreift bzw. sich zu diesem Zwecke dem Stecker nähert. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Anwender im Falle eines Ladekabels den infrastrukturseitigen Stecker zum Lösen der Verbindung hinreichend fest erfassen kann, bevor die Ladeleistung bzw. Entladeleistung erfindungsgemäß verringert werden konnte. Ein Betätigen des infrastrukturseitigen Steckers ist auf diese Weise nur noch unter reduzierter Ladeleistung bzw. Entladeleistung möglich. Auf diese Weise wird ein unerwünschter und elektrisch nachteiliger Kontaktabbrand der elektrischen Steckkontakte des infrastrukturseitigen Steckers aufgrund von Lichtbogenbildung wirksam verhindert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der infrastrukturseitige Stecker kann kompatibel mit haushaltsüblichen Steckdosen ausgestaltet sein. In vielen Ländern Europas werden solche Steckdosen im Bereich zwischen 220 V und 240 V Wechselspannung eingesetzt. Einschlägige Normen für derartige Stecker sind CEE7/4 und CEE7/7. Je nach Land werden solche Stecker auch als "Stecker-Typ F", "Stecker-Typ E" oder als "Schuko(für "Schutz-Kontakt")-Stecker" bezeichnet. Auf diese Weise wird ein Kontaktabbrand auch bei Verwendung haushaltsüblicher Steckdosen erfindungsgemäß verringert bzw. vermieden.
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Bevorzugt kann der Stecker einen Ausgang für eine Steuerleitung aufweisen. Zumindest ein Anschluss für eine solche Steuerleitung kann in dem infrastrukturseitigen Stecker enthalten sein. Über ein Steuersignal kann auf diese Weise die Ladeleistung bzw. Endladeleistung in einem mit dem Stecker verbundenen Ladegerät ausgesetzt werden. Das andere Ende der Steuerleitung kann beispielsweise in einer Steuerbox (Englisch "in cable control box" oder "in cable control protection device" (ICCPD)) oder innerhalb eines in einem Fortbewegungsmittel angeordneten Steuergeräts angeschlossen sein. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Stecker kompakt gehalten werden, während entfernte Instanzen zur Leistungsreduzierung die mitunter volumenaufwändigen Komponenten bereitstellen können.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch der infrastrukturseitige Stecker erste Schaltmittel umfassen, welche eingerichtet sind, im Ansprechen auf ein Signal des Näherungssensors die Ladeleistung bzw. die Entladeleistung zu reduzieren bzw. den Lade-/Entladevorgang zu beenden. Durch diese Variante kann die Steuerleitung entfallen, wodurch das Ladekabel kostengünstiger und kompakter hergestellt werden kann.
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Das erste Schaltmittel kann bevorzugt eingerichtet sein, die Reduzierung der Ladeleistung bzw. der Entladeleistung rückgängig zu machen, sofern der infrastrukturseitige Stecker nicht innerhalb einer vordefinierten Zeitdauer seit dem Eingang des Steuersignals bzw. seit dem Anliegen des Steuersignal auch tatsächlich von der Infrastruktur (Steckdose) getrennt wird. Auf diese Weise wird beispielsweise durch vorübergehende Annäherung von Anwendern, Fremdpersonen, Haustieren etc. ein Ladevorgang nicht unnötig lange unterbrochen.
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Bevorzugt ist der Näherungssensor eingerichtet, auf eine Nähe menschlichen Gewebes anzusprechen. Weiter bevorzugt ist der Näherungssensor gegen eine Annäherung anderer Materialien immun ausgestaltet. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass beispielsweise eine Abdeckung einer Steckdose, welche während des Ladevorgangs auf dem erfindungsgemäßen infrastrukturseitigen Stecker ruht, den Näherungssensor nicht zur Ausgabe des Steuersignals veranlasst.
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Der Näherungssensor kann beispielsweise kapazitiv und/oder elektrostatisch und/oder elektroresistiv funktionieren. Solche Sensoren sind kostengünstig und kompakt realisierbar, so dass ihre Integration in den erfindungsgemäßen infrastrukturseitigen Stecker dessen Volumen und Preis nicht unnötig erhöht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ladekabel zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels vorgeschlagen, welches einseitig mit einem infrastrukturseitigen Stecker gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt abgeschlossen ist. Zusätzlich weist das Ladekabel einen fahrzeugseitigen Stecker auf, welcher beispielsweise als Typ-2-Stecker (siehe IEC 62196) ausgestaltet sein kann. Der fahrzeugseitige Stecker dient einer temporären Verbindung einer fahrzeugseitigen Steckdose. Eine Energieleitung zwischen dem infrastrukturseitigen Stecker und dem fahrzeugseitigen Stecker dient der Übertragung elektrischer Energie zum Laden einer Traktionsbatterie des Fortbewegungsmittels. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem infrastrukturseitigen Stecker Ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Das Ladekabel kann weiter eine Signalleitung zwischen dem infrastrukturseitigen Stecker und dem fahrzeugseitigen Stecker aufweisen. Die Signalleitung dient der Übertragung des Steuersignals. Ein Ende der Signalleitung ist im infrastrukturseitigen Stecker, ein anderes Ende in einer Steuerbox innerhalb der Energieleitung und/oder innerhalb des fahrzeugseitigen Steckers angeordnet. Je nach Ausgestaltung kann so eine in der Steuerbox bzw. im Fortbewegungsmittel angeordnete Einheit ein Reduzieren der Ladeleistung bzw. der Entladeleistung im Ansprechen auf einen Empfang des Steuersignals veranlassen. Beispielsweise kann ein zweites Schaltmittel angesteuert werden, mittels welchem die elektrische Verbindung zwischen dem infrastrukturseitigen Stecker und der Traktionsbatterie des Fortbewegungsmittels unterbrochen wird. Bevorzugt wird jedoch eine verschleißarme elektronische Reduzierung der Ladeleistung bzw. der Entladeleistung durch das verwendete Ladegerät durchgeführt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches über eine Energieleitung mit einem infrastrukturseitigen Stecker gemäß dem erstgenannten Aspekt der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Üblicherweise wird dies, wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ladekabel ausgeführt, über einen fahrzeugseitigen Stecker erfolgen. Mitunter werden jedoch auch Lösungen bevorzugt, bei welchen sogenannte automatische Aufrollvorrichtungen (wie z.B. bei haushaltsüblichen Staubsaugern bekannt) den infrastrukturseitigen Stecker und die Energieleitung verstauen. Auch in einem solchen Fall kann eine optionale Signalleitung zwischen dem infrastrukturseitigen Stecker und dem Fortbewegungsmittel für die Übertragung des Steuersignals vorgesehen sein. Selbstverständlich kann in Verbindung mit sämtlichen Aspekten auch eine drahtlose Übertragung des Steuersignals technisch realisiert werden, wozu der infrastrukturseitige Stecker anstatt der Steuerleitung eine entsprechende Drahtloskommunikationseinrichtung erhält.
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Die vorliegende Erfindung dient dem sicheren elektrischen Laden von Elektrofahrzeugen an einer z.B. im Haushalt einer beim Kunden vorhandenen elektrischen Hausinstallation ("Hausnetz"). Neben einer Fehlerstromabschaltung (FI-Schaltung) sind verschiedene Überwachungsfunktionen (Spannungsüberwachung, Kurzschlussüberwachung, Schützkleberüberwachung etc.) in die Leistungselektronik solcher Infrastruktureinrichtungen integriert und die Hausinstallation somit grundsätzlich zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs geeignet. Die Erfindung schlägt die Integration eines Näherungssensors in den Infrastrukturstecker des Ladekabels vor. Hierbei können marktübliche Näherungssensoren verwendet werden. Der größte Nutzen bzw. die bestmögliche Empfindlichkeit ergibt sich bei Verwendung eines an die besondere Bauform des Steckergehäuses bzw. die zu erwartende, durch den Benutzer anzugreifende Stelle angepasste Auslegung des Sensors. Technisch geeignet sind zum Beispiel induktive, kapazitive, galvanisch gekoppelte oder auch elektromagnetische Sensoren. Sobald ein Objekt in den Einflussbereich des Sensors gelangt, bewirkt dies zum Beispiel die Verstimmung bzw. Veränderung der Frequenz eines jeweils systemspezifischen Oszillators, was wiederum durch eine Detektorstufe erkannt wird. Abhängig von Auswertungsparametern des Messsignals kann davon ausgegangen werden, dass eine Trennabsicht eines Anwenders vorliegt. Ist dies der Fall, so wird durch die Steuerung eine unmittelbare Reduzierung des Ladestroms veranlasst. Dies kann zum Beispiel über das Kommunikationssignal einer Ladeeinrichtung (gemäß IEC 61851 Pulsweitenmodulation (PWM)) erfolgen. Anstatt den Ladestrom beispielsweise durch ein elektronisches Ladegerät des Elektrofahrzeugs reduzieren zu lassen, könnte auch ein Relais verwendet werden, welches beispielsweise in einer Steuerbox und/oder im Fahrzeug angeordnet ist.
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Sämtliche im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als „Schaltmittel“ bezeichneten Einrichtungen können als verschleißarme elektronische Einrichtungen (z.B. umfassend eine Phasenanschnittsteuerung und/oder eine Frequenzwandlung) zur Reduzierung oder Unterbrechung einer Energieübertragung ausgestaltet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine Darstellung von Komponenten zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Ladevorgangs;
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2 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen infrastrukturseitigen Steckers; und
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fahrzeugs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose 6 als infrastrukturseitige Steckdose, welche zum Laden eines elektrisch antreibbaren Pkw 10 als Fortbewegungsmittel verwendet werden soll. Ein Ladekabel 2 weist hierzu einen infrastrukturseitigen Stecker z.B. in Form eines Schuko-Steckers 1 auf. Der Schuko-Stecker 1 weist einen Ausgang 7 für eine Energieleitung 3 und eine Steuerleitung 8 auf. Die Steuerleitung 8 endet in einer Steuerbox 12, durch welche der Ladevorgang abgesichert und Kenngrößen der elektrischen Energie gewandelt werden können. Ein Schalter 13 ist als zweites Schaltmittel in der Steuerbox 12 vorgesehen, um im Ansprechen auf ein Signal eines (in 1 nicht dargestellten) Näherungssensors 4 die Ladeleistung zu reduzieren. Fahrzeugseitig ist das erfindungsgemäße Ladekabel 2 durch einen Typ-2-Stecker 11 abgeschlossen. Dieser dient der temporären Verbindung mit dem elektrisch antreibbaren Pkw 10.
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2 zeigt die Annäherung einer Hand 5 eines Anwenders an ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schuko-Steckers 1. Ein Näherungssensor 4 detektiert die Nähe der Hand 5 und erkennt darin den Wunsch des Anwenders, die infrastrukturseitige Steckverbindung des Ladekabels zu unterbrechen. Eine Auswerteeinheit in Form eines Mikrocontrollers 15 ist eingerichtet, die Signale des Näherungssensors 4 auszuwerten und im Ansprechen auf ein Erreichen eines vordefinierten Schwellenwertes für das Signal über eine Steuerleitung 8 einen innerhalb des Schuko-Steckers 1 angeordneten Schalter 9 als erstes Schaltmittel zu öffnen. Anschließend erkennt der Mikrocontroller 15 auch ein Unterschreiten eines vordefinierten Schwellenwertes für das Signal des Näherungssensors 4. Im Ansprechen hierauf startet der Mikrocontroller 15 einen Timer, nach dessen Ablauf ohne erneutes Erkennen einer Annäherung der Schalter 9 erneut geschlossen und der Ladevorgang somit wieder aufgenommen wird. Die Auswerteeinheit kann alternativ auch in der in 1 gezeigten Steuerbox 12 oder in einem angeschlossenen Verbraucher angeordnet sein.
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3 zeigt einen Pkw 10, welcher über eine Steuerleitung 8 und eine Energieleitung 3 permanent mit einem erfindungsgemäßen Schutzkontaktstecker 1 verbunden ist. Auch dieser Schutzkontaktstecker 1 weist einen Näherungssensor 4 und einen mit ihm verbundenen Mikrocontroller 15 als Auswerteeinheit auf. Die vom Mikrocontroller 15 ausgegebenen Steuersignale werden über eine Steuerleitung 8 bis in den Pkw 10 geleitet, wo sie ein Ladegerät 14 veranlassen, eine Energiezufuhr zu einer Traktionsbatterie 16 elektronisch zu reduzieren.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schuko-Stecker
- 2
- Ladekabel
- 3
- Energieleitung
- 4
- Näherungssensor
- 5
- Hand des Anwenders
- 6
- Infrastrukturseitige Schuko-Steckdose
- 7
- Ausgang für Steuerleitung und Energieleitung
- 8
- Steuerleitung
- 9
- Schalter
- 10
- Pkw
- 11
- Typ-2-Stecker
- 12
- Steuerbox
- 13
- Schalter
- 14
- Ladegerät
- 15
- Mikrocontroller
- 16
- Traktionsbatterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013200864 A1 [0006]
- US 2013/0241479 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 62196 [0017]
- IEC 61851 [0020]
