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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug aufweist. Die Messeinrichtung umfasst eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt zum Messen eines Ladestroms durch die Verbindungseinrichtung, und eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Ladespannung an der Verbindungseinrichtung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug und eine obige Messeinrichtung aufweist, und die Messeinrichtung zum Messen eines Ladestroms durch die Verbindungseinrichtung und einer Ladespannung an der Verbindungseinrichtung angeordnet ist.
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Beim Laden und insbesondere beim Schnellladen von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben mit hohen Gleichspannungen und Gleichströmen ist es erforderlich, große elektrische Leistungen bereitzustellen. Ladespannungen von bis zu tausend Volt und/oder Ladeströme von mehreren hundert Ampere können bei solchen Schnellladevorgängen aktuell auftreten. Für zukünftige Anwendungen sind auch Spannungen von über tausend Volt und Ströme von über tausend Ampere möglich.
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Zur Ladeinfrastruktur gehören typischerweise eine Ladeeinrichtung, meist nach der Art einer Ladesäule, eine Kühlungseinheit und eine Leistungselektronik. Dabei werden häufig mehrere Ladesäulen gemeinsam aufgestellt. Ein optionales Backend kann jede Ladesäule oder bei gemeinsamer Aufstellung jeden Ladepark mit einer Zentrale verbinden.
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Wichtig beim Laden von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben ist eine korrekte Abrechnung von übertragener elektrischer Energie. Dazu ist es prinzipiell erforderlich, die großen Gleichspannungen und Gleichströme zuverlässig zu messen. Dadurch kann die an das jeweilige Fahrzeug beim Laden übertragene Energie abgerechnet werden, damit sich der Betrieb von solchen (Gleichstrom-)Ladeeinrichtungen lohnt. Dies ist jedoch in der Praxis schwierig durchzuführen. Heutige Ladesäulen messen meist eine eingangsseitig an die Ladesäule übertragene AC-Eingangsenergie, weil diese zertifiziert bestimmt werden kann. Diese gegenüber einem Kunden abzurechnen würde jedoch bedeuten, dass in der Ladesäule anfallende Verluste dem Kunden mit in Rechnung gestellt werden. Daher wird die Energie teilweise verschenkt oder über Pauschalen oder Parkplatzmiete vor den Ladesäulen abgerechnet. Dies ist meist sowohl für den Betreiber einer Ladeeinrichtung wie auch für den Kunden unerwünscht.
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Um die an das Fahrzeug übertragene Energie zu bestimmen, ist es erforderlich, sowohl Spannung als auch Strom während des Ladevorgangs ausgangsseitig an der Ladeeinrichtung zu bestimmen. Zur genauen Strommessung werden in Ladesäulen bisher Stromwandler eingesetzt, die auf dem Hall-Effekt, also der Messung eines einen Leiter umgebenden Magnetfeldes, beruhen. Die Verwendung von Stromwandlern ist aber ausgehend von verschiedenen, möglichen Kombinationen aus Strom und Spannung problematisch. Um einen entsprechenden Messbereich abdecken zu können, kann die Messgenauigkeit bei kleineren Werten von Strom und Spannung zu gering sein. Dies ist zusätzlich problematisch, da die Fahrzeuge verschiedene Ladecharakteristika aufweisen und beispielsweise abhängig von einem aktuellen Ladestand beliebige Spannungen und Ströme abrufen können. Ladestrom und Ladespannung hängen somit nicht nur vom Fahrzeug als solchem ab, sondern können sich während des Ladevorgangs kontinuierlich ändern. Ladestrom und Ladespannung müssen daher während des Ladevorgangs kontinuierlich überwacht werden.
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Im Stand der Technik ist allgemein bekannt, Gleichstrommesser mit einem Shunt zu verwenden, um einen Gleichstrom zu bestimmen. Dazu wird eine Spannung über dem Shunt gemessen und daraus der durch den Shunt fließende Strom ermittelt. In Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben werden bereits teilweise Shunts eingesetzt, um den Ladestrom während des Ladevorgangs zu messen. Dadurch kann der Ladevorgang einer Batterie des Fahrzeugs überwacht werden.
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Der Gleichstrom und die Gleichspannung bei großen DC-Leistungen müssen an den Ladesäulen präzise gemessen werden, um die übertragene Energie zu bestimmen und diese abrechnen zu können. Durch häufige Benutzung der Ladeeinrichtung, insbesondere durch eine Bewegung der Verbindungseinrichtung, kann es zu mechanischen Schäden kommen. Insbesondere kann die Messeinrichtung durch eine Bewegung von Stromleitern der Verbindungseinrichtung oder durch daraus resultierende Erschütterungen beschädigt werden, oder Ihre Verbindung mit den Stromleitern wird beschädigt. Dies kann dazu führen, dass die Messeinrichtung ausfällt und die Ladeeinrichtung insgesamt nicht weiter nutzbar ist. Deshalb wird die Messeinrichtung im Stand der Technik beispielsweise nicht direkt an der Verbindungseinrichtung, sondern an einem Ort in der Ladesäule platziert, wo die Bewegungen der Stromleiter bereits abgefangen sind. Dies kann auch Steckverbindungen betreffen, welche einzelne Komponenten der Messeinrichtung untereinander oder die Messeinrichtung insgesamt mit der Ladeeinrichtung verbinden. Die Messeinrichtung kann beispielsweise mit einem Shunt ausgeführt sein, der vorzugsweise direkt in eine Auswerteplatine eingebunden ist. Dadurch kann eine Anzahl erforderlicher Steckverbindungen, die im Betrieb Fehler erzeugen können, reduziert werden, um eine korrekte Funktion der Ladeeinrichtung auch über einen längeren Zeitraum gewährleisten und Aufwand für Wartung und Reparatur gering halten zu können.
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Dabei soll außerdem eine kostengünstige Implementierung erfolgen, um Elektrofahrzeuge und ihre Infrastruktur für einen Massenbetrieb verfügbar zu machen.
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Dabei kommt es in der Praxis vor, dass bei einer Spannungsmessung, die bei der Strommessung über einen Shunt integriert ist, Rauschen auftreten kann, so dass beispielsweise Anforderungen der Norm EN 61000-3-6, beispielsweise in der Fassung vom Februar 2008, nicht eingehalten werden können. Die Norm betrifft EMV-Anforderungen.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 20 2010 014 316 U1 eine Ladestation zum elektrischen Laden von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit einer Steuereinheit und zumindest zwei Ladeeinheiten bekannt, wobei die Steuereinheit mit den zumindest zwei Ladeeinheiten verbunden ist und wobei von den zumindest zwei Ladeeinheiten zumindest eine mit dem zu ladenden Fahrzeug verbindbar ist. Zumindest eine Ladeeinheit ist eine Wechselstrom-Ladeeinheit und zumindest eine andere Ladeeinheit ist eine Gleichstrom-Ladeeinheit. Das Fahrzeug ist durch die Wechselstrom-Ladeeinheit oder die Gleichstromladeeinheit ladbar und/oder entladbar.
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Aus der
US 2016/134140 A1 ist eine Ladestation bekannt mit einem Gehäuse, das einen inneren Teil und mindestens eine bewegliche Platte zum Einschließen des inneren Teils aufweist. Die bewegliche Platte bzw. die beweglichen Platten umfassen eine Energie aufnehmende Komponente und sind zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar. In der ersten Position ist die Energie aufnehmende Komponente einer externen Energiequelle ausgesetzt. In der zweiten Position ist die Energie aufnehmende Komponente in dem inneren Abschnitt des Gehäuses eingeschlossen.
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Die
US 2004/169489 A1 betrifft stationäre und an Bord befindliche Batterieladegeräte, Verfahren zum Laden von Batterien, Ladegeräte für elektrische Fahrzeuge und Fahrzeuge mit Ladegeräten, einschließlich Elektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge. Ladegeräte können automatisch die korrekte Batteriespannung für verschiedene Batterietypen bereitstellen. Ladegeräte haben variable AC-Netzteile, die von digitalen Controllern, Trenntransformatoren und Gleichrichtern gesteuert werden. Transformatoren können folienartig sein und eine Kupferfolie aufweisen. Stromversorgungen können frequenzvariable Generatoren sein und die Steuerungen können die Frequenz steuern. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge können Kartenleser haben, und Fahrzeuge können Batterien und ein Ladegerät haben. Ladeverfahren umfassen das Identifizieren des Batterietyps und das allmähliche Erhöhen des Stroms mit verschiedenen Erhöhungsraten, während die Ladespannung, der Ladestrom oder beide überwacht werden, bis ein aktueller Maximalwert erreicht ist. Das Laden kann bei konstantem Strom und dann bei konstanter Spannung erfolgen.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom sowie eine Ladeeinrichtung mit einer solchen Messeinrichtung, jeweils der oben genannten Art, anzugeben, die eine einfache und effiziente Bestimmung von Ladestrom und Ladespannung an der Verbindungseinrichtung ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Messeinrichtung für eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom angegeben, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug aufweist. Die Messeinrichtung umfasst eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt zum Messen eines Ladestroms durch die Verbindungseinrichtung, und eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Ladespannung an der Verbindungseinrichtung, wobei die Messeinrichtung im Bereich der Strommesseinrichtung, insbesondere eines internen DC/DC-Wandlers, eine elektromagnetische Schirmeinrichtung aufweist.
Erfindungsgemäß ist außerdem eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb mit Gleichstrom angegeben, wobei die Ladeeinrichtung eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug und eine obige Messeinrichtung aufweist, und die Messeinrichtung zum Messen eines Ladestroms durch die Verbindungseinrichtung und einer Ladespannung an der Verbindungseinrichtung angeordnet ist.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Bestimmung von durch die Verbindungseinrichtung übertragene Energie dadurch zu vereinfachen und zuverlässig zu gestalten, dass eine Schirmung der Strommesseinrichtung erfolgt, um EMV-Anforderungen zu erfüllen. Wie sich durch Tests, beispielsweise einen Abschirmtest mit einer Metallfolie, herausgestellt hat, erzeugt die Strommesseinrichtung, insbesondere deren interner DC/DC-Wandler, einen relevanten Teil elektromagnetischer Abstrahlung, auf der Störungen der Messeinrichtung insgesamt basieren. Deshalb kann die Zuverlässigkeit der Messeinrichtung durch die Schirmung im Bereich der Strommesseinrichtung, insbesondere des internen DC/DC-Wandlers, verbessert werden. Eine Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung wird also bereits am Ort ihrer Entstehung verhindert. Die Schirmeinrichtung kann dabei flächig ausgeführt sein, um den Bereich der Strommesseinrichtung abzudecken und die Schirmung zu bewirken. Dabei kann die Schirmeinrichtung netzartig oder mit Löchern ausgeführt sein, um die Schirmeinrichtung mit möglichst wenig Material bereitstellen zu können.
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Die Ladeeinrichtung ist beispielsweise eine Ladesäule zum Laden des Fahrzeugs. Das Fahrzeug kann dabei ausschließlich einen elektrischen Antrieb aufweisen, oder als sogenanntes Hybridfahrzeug einen zusätzlichen Antrieb aufweisen. Die Ladeeinrichtung umfasst typischerweise zwei Stromleiter zur Übertragung des Gleichstroms. In einem Stromleiter ist der Shunt angeordnet, so dass der Ladestrom dadurch fließt, und die Ladespannung liegt zwischen den beiden Leitern an.
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Die Messeinrichtung umfasst die Strommesseinrichtung und die Spannungsmesseinrichtung, so dass darauf basierend eine über die Verbindungseinrichtung übertragene Energiemenge einfach bestimmt werden kann. Durch die Anbringung an bzw. in der Verbindungseinrichtung wird sichergestellt, dass eine zum Laden an das jeweilige Fahrzeug abgegebene Energiemenge korrekt bestimmt werden kann.
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Die Messeinrichtung kann für den Betrieb der Strommesseinrichtung wie auch der Spannungsmesseinrichtung eine Energieversorgungseinrichtung umfassen. Die Energieversorgungseinrichtung stellt dazu typischerweise ausgangsseitig einen konstanten Gleichspannungspegel zur Verfügung. Eingangsseitig kann die Energieversorgungseinrichtung von den Stromleitern gespeist werden. Alternativ kann die Energieversorgungseinrichtung durch eine externe Energiequelle gespeist werden. Die Energieversorgungsvorrichtung ist vorzugsweise Teil der Strommesseinrichtung. Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen DC/DC-Wandler zur Wandlung einer Versorgungsgleichspannung in eine interne Betriebsgleichspannung.
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Die Messeinrichtung kann eine Datenschnittstelle aufweisen, über die bei der Strom- und Spannungsmessung ermittelte Werte übertragen werden können. Die Datenschnittstelle kann beispielsweise zur Verbindung mit einem CAN-Bus ausgeführt sein. Aus den von der Messeinrichtung gelieferten Werten für Strom und Spannung kann eine beim Laden an das Fahrzeug über die Verbindungseinrichtung übertragene Energiemenge ermittelt werden.
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Der Shunt wird in den ersten Stromleiter montiert und so in diesen eingebracht und kann darüber hinaus durch das Einbringen in den ersten Stromleiter daran gehalten werden. Die Strommesseinrichtung umfasst den Shunt als Messwiderstand, der einen sehr kleinen Widerstandswert von typischerweise weniger als einem Ohm aufweist. Eine genaue Kenntnis des Widerstandswerts des Shunts ermöglicht eine exakte Bestimmung eines Stroms durch den Shunt. Der Ladestrom kann bestimmt werden, indem die Spannung über dem Shunt gemessen wird, wobei die Spannung prinzipiell proportional zu dem Ladestrom ist. Beispielsweise können Ströme in einem Bereich von +/-500 A mit einem Fehler von 0,4% über den Shunt sehr genau bestimmt werden. Durch die Strommessung mit dem Shunt ist die Messung gut gegen externe elektromagnetische Felder geschützt.
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Die Strommessung mit dem Shunt bietet damit Vorteile gegenüber Messungen von Magnetfeldern mit Hall-Sensoren in z.B. LEM-Wandlern. Diese sind meist groß und müssen den Stromleiter umgreifen. Die Messeinrichtung kann somit auch ohne bewegliche Teile bereitgestellt werden, wodurch sie vor Verschleiß geschützt ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung aus einem Metall mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit hergestellt, insbesondere aus Kupfer, Zink oder Aluminium. Auch Messing weist eine geeignete Leitfähigkeit auf. Entsprechende Metalle bzw. Legierungen sind kostengünstig verfügbar und darüber hinaus gut und einfach formbar, um die elektromagnetische Schirmeinrichtung an eine gewünschte Form anzupassen und eine zuverlässige Schirmung im Bereich der Strommesseinrichtung zu bewirken.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung als Metallfolie ausgeführt. Die Metallfolie ermöglicht eine einfache Anpassung an eine gewünschte Form. Die Metallfolie kann eine sehr geringe Dicke aufweisen und ist einfach formbar, um die elektromagnetische Schirmeinrichtung an eine gewünschte Form anzupassen und eine zuverlässige Schirmung im Bereich der Strommesseinrichtung zu bewirken.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung mit einer Masse der Messeinrichtung verbunden. Durch die Verbindung mit der Masse kann die Schirmwirkung der elektromagnetischen Schirmeinrichtung verbessert werden. Elektromagnetische Strahlung kann effizient absorbiert werden, und daraus resultierende Ladungsverschiebungen können über die Verbindung mit der Masse problemlos erfolgen. Die Messeinrichtung kann einen Kontakt des Shunts als Massepotential verwenden. Insbesondere wird eine negative Seite des Shunts als Massepotential verwendet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die elektromagnetische Schirmeinrichtung eine Röhrenform auf, und die Schirmeinrichtung umschließt die Strommesseinrichtung, insbesondere den internen DC/DC-Wandler, zumindest teilweise. Die elektromagnetische Schirmeinrichtung kann dabei prinzipiell beliebige Querschnitte aufweisen, um die Strommesseinrichtung zu umschließen. Dabei ist die Röhrenform vorzugsweise so gewählt, dass die elektromagnetische Schirmeinrichtung einen möglichst geringen Abstand zu der Strommesseinrichtung aufweist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Strommesseinrichtung, insbesondere der interne DC/DC-Wandler, auf einer Leiterplatte angeordnet ist, und die elektromagnetische Schirmeinrichtung ist als Abdeckung auf der Leiterplatte ausgeführt und mit dieser verbunden, insbesondere über Masse. Die Leiterplatte kann dabei zusätzlich als Schirmung wirken, so dass eine Schirmung in allen Richtungen erfolgt. Vorzugsweise ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung als Abdeckung der Strommesseinrichtung bzw. eines Teils davon, insbesondere ihres DC/DC-Wandlers, ausgeführt, um diese zuverlässig zu schirmen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die elektromagnetische Schirmeinrichtung ein Plattenelement oder mehrere elektrisch verbundene Plattenelemente auf. Plattenelemente können einfach hergestellt werden. Plattenelemente sind beispielsweise Bleche aus einem elektrisch leitfähigen Material. Ein Plattenelement kann beispielsweise beabstandet zu der Strommesseinrichtung gehalten sein, um diese zu überdecken. Eine Mehrzahl elektrisch verbundener Plattenelemente kann kombiniert werden, um die Messeinrichtung im Bereich der Strommesseinrichtung teilweise oder vollständig zu umgeben.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umschließt bzw. überdeckt die elektromagnetische Schirmeinrichtung einen internen DC/DC-Wandler der Strommesseinrichtung vollständig. Dies bewirkt eine zuverlässige Abschirmung des DC/DC-Wandlers der Strommesseinrichtung. Insbesondere ein Spannungsmesser zum Messen der Spannung über dem Shunt umfasst eine erforderliche Beschaltung, um den Spannungsmesser zu betreiben und Messwerte auszulesen und auszugeben. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, ist der Spannungsmesser besonders anfällig in Bezug auf elektromagnetische Strahlung. Durch die elektromagnetische Schirmeinrichtung kann somit von dem internen DC/DC-Wandler der Strommesseinrichtung erzeugte elektromagnetische Strahlung zuverlässig geschirmt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Messeinrichtung ein Gehäuse auf, in dem die Strommesseinrichtung, insbesondere mit einem internen DC/DC Wandler, und die Spannungsmesseinrichtung angeordnet sind, und die elektromagnetische Schirmeinrichtung umgibt das Gehäuse im Bereich der Strommesseinrichtung, insbesondere im Bereich des DC/DC-Wandlers, zumindest teilweise. Die Schirmung im Bereich der Strommesseinrichtung, insbesondere des internen DC/DC-Wandlers, erfolgt also außenliegend. Eingriffe innerhalb des Gehäuses sind nicht erforderlich. Somit kann die elektromagnetische Schirmeinrichtung beispielsweise einfach bei bestehenden Messeinrichtungen nachgerüstet werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ladeeinrichtung eine Auswerteeinheit auf, die über einen Datenbus mit der Messeinrichtung verbunden ist, und die Auswerteeinheit ist ausgeführt, basierend auf mit der Messeinrichtung gemessenen Strömen und Spannungen eine übertragene Energiemenge zu ermitteln. Die Auswerteeinheit ist zur Schraubbefestigung an der Ladeeinrichtung ausgeführt. Dadurch kann auch die Auswerteeinheit einfach montiert werden. Die Auswerteeinheit kann die übertragene Energiemenge zu Abrechnungszwecken bestimmen. Zusätzlich kann die übertragene Energiemenge beispielsweise über eine Anzeigevorrichtung angezeigt oder auf andere Weise an der Ladeeinrichtung ausgegeben werden. Der Datenbus kann beispielsweise als an sich bekannter CAN-Bus ausgeführt sein. Die Auswerteeinheit kann zusätzlich eine Anzeigevorrichtung beispielsweise zur Anzeige einer übertragenen Energiemenge aufweisen.
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Alternativ kann die Auswerteeinheit integral mit der Messeinrichtung ausgeführt sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Verbindungseinrichtung zum kabellosen Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug ausgeführt. Dies ist sehr komfortabel für die Handhabung, da das Fahrzeug nicht mechanisch mit der Ladeeinrichtung verbunden werden muss, so dass auch kurze Stillstände, beispielsweise an einer roten Ampel, zum Laden des Fahrzeugs verwendet werden können. Allerdings können Energieverluste bei der Übertragung der Energie von der Verbindungseinrichtung zu dem elektrischen Fahrzeug auftreten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung ein Ladekabel zum Verbinden mit dem elektrischen Fahrzeug. Das Ladekabel ermöglicht eine effiziente Übertragung auch von großen Energien, d.h. eine Verwendung von großen Ladeströmen und/oder großen Ladespannungen. Standardisierte Ladestecker zur Verbindung der Ladekabel mit den Fahrzeugen sind als solche bekannt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Schnellladesäule zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
- 2: eine Darstellung einer Messeinrichtung zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform zusammen mit einer Auswerteeinheit in einer Draufsicht,
- 3: eine funktionale Darstellung eines Innenbereichs der Messeinrichtung aus 2 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
- 4: eine Innenansicht der Messeinrichtung aus 2 mit Strommesseinrichtung und Spannungsmesseinrichtung, die auf einer Leiterplatte gemeinsam angeordnet sind, in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
- 5: eine Außenansicht der Messeinrichtung aus 2 mit Strommesseinrichtung und Spannungsmesseinrichtung sowie einer elektromagnetischen Schirmvorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
- 6: eine Kurve eines elektrischen Feldstärkepegels mit einer Messeinrichtung aus dem Stand der Technik mit verschiedenen Frequenzbestandteilen,
- 7: eine Kurve eines elektrischen Feldstärkepegels mit der Messeinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels mit verschiedenen Frequenzbestandteilen mit elektromagnetischer Schirmvorrichtung,
- 8: eine Kurve eines elektrischen Feldstärkepegels mit verschiedenen Frequenzbestandteilen gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 9: eine Innenansicht einer Messeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von einer ersten Längsseite,
- 10: eine Innenansicht der Messeinrichtung der zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von Ihrer zweiten Längsseite, und
- 11: eine perspektivische Ansicht einer Schirmeinrichtung der Messeinrichtung der zweiten Ausführungsform.
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Die 1 bis 5 betreffen eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 10 zum Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform. Die Ladeeinrichtung 10 ist hier als Ladesäule 10 ausgeführt.
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Die Ladesäule 10 umfasst einen Grundkörper 11 und eine Verbindungseinrichtung 12 zum Verbinden mit einer Batterie eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb. Die Verbindungseinrichtung 12 umfasst ein Ladekabel 14, das in diesem Ausführungsbeispiel an seinem freien Ende mit einem Ladestecker 16 nach dem Standard Combined Charging System (CCS) Combo Typ 2 ausgeführt ist. Der Ladestecker 16 ist bei Nichtbenutzung in einem Halter 18 der Ladesäule 10 gehalten. Bei Benutzung wird das Ladekabel 14 mit dem Ladestecker 16 elektrisch mit dem zu ladenden Fahrzeug verbunden.
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Die Ladesäule 10 umfasst weiterhin eine in 2 dargestellte Messeinrichtung 20 zur Messung eines Ladestroms und einer Ladespannung an dem Ladekabel 14. In 2 sind zwei Stromleiter 22, 24 dargestellt, die mit dem Ladekabel 14 auf nicht dargestellte Weise verbunden sind.
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Die Messeinrichtung 20 weist weiter ein umschließendes Gehäuse 28 auf. Das Gehäuse 28 ist vorliegend aus einem nicht elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, ausgeführt.
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Die Messeinrichtung 20 weist eine Datenschnittstelle 30 auf, über die bei der Strom- und Spannungsmessung ermittelte Werte übertragen werden. Die Datenschnittstelle 30 ist zur Verbindung mit einem Datenbus 32 ausgeführt. Der Datenbus 32 ist hier als CAN-Bus 32 ausgeführt.
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In dem Gehäuse 28 der Messeinrichtung 20 sind eine Strommesseinrichtung 34, eine Spannungsmesseinrichtung 36 und eine hier nicht dargestellte Energieversorgungseinrichtung aufgenommen. Die Energieversorgungseinrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel integral mit der Strommesseinrichtung 34 ausgeführt und umfasst insbesondere einen nicht dargestellten DC/DC-Wandler. Die Spannungsmesseinrichtung 36 dient zum Messen einer Ladespannung zwischen den Stromleitern 22, 24. Die Energieversorgungseinrichtung versorgt die Strommesseinrichtung 34 wie auch die Spannungsmesseinrichtung 36. Die Energieversorgungseinrichtung stellt dazu typischerweise ausgangsseitig einen konstanten Gleichspannungspegel zur Verfügung. Eingangsseitig wird die Energieversorgungseinrichtung von den Stromleitern 22, 24 gespeist.
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Die Strommesseinrichtung 34 umfasst im Detail einen Shunt 38 und einen Spannungsmesser 40 zum Messen einer Spannung an dem Shunt 38. Der Shunt 38 ist in einen ersten Stromleiter 22 eingebracht, so dass der Ladestrom der Verbindungseinrichtung 12 durch den Shunt 38 fließt. Der Shunt 38 dient in der Strommesseinrichtung 34 als Messwiderstand, der einen sehr kleinen Widerstandswert von typischerweise weniger als einem Ohm aufweist. Basierend auf dem Widerstandswert des Shunts 38 und der über dem Shunt 38 mit dem Spannungsmesser 40 gemessen Spannung kann in der Strommesseinrichtung 34 der Ladestrom durch den ersten Stromleiter 22 exakt bestimmt werden. Die Spannung an dem Shunt 38 ist dabei prinzipiell proportional zu dem Ladestrom.
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Die Messeinrichtung 20 ist mit einer internen Masse ausgeführt, die mit einem negativen Potential des Shunts 38 verbunden ist.
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An dem Shunt 38 sind Kontaktelemente 42 zur Verbindung des Shunts 38 mit einem ersten Stromleiter 22 ausgebildet. Die Kontaktelemente 42 sind hier als Metallstreifen mit Durchgangslöchern 44 ausgeführt und aus dem Gehäuse 28 geführt, wie in 2 dargestellt ist. Die Verbindung der Kontaktelemente 42 mit dem ersten Stromleiter 22 erfolgt jeweils mit einer Schraubverbindung 48. Dazu wird eine Schraube 50 durch die jeweiligen Durchgangslöcher 44 der Kontaktelemente 42 geführt und mit dem ersten Stromleiter 22 verschraubt. Dazu sind in dem ersten Stromleiter 22 Durchgangsöffnungen ausgebildet, die in den Figuren nicht dargestellt sind, durch welches die Schrauben 50 geführt und mit einer ebenfalls nicht dargestellten Mutter gesichert sind.
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Wie in 4 dargestellt ist, sind die Strommesseinrichtung 34 und die Spannungsmesseinrichtung 36 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 52 angeordnet. Der Shunt 38 ist außerdem in der Leiterpatte 52 eingebettet. Die Kontaktelemente 42 sind auf nicht explizit dargestellte Weise mit dem Shunt 38 elektrisch verbunden.
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An einem Rand der Leiterplatte 52 sind mehrere elektrische Steckverbinderaufnahmen 54 angeordnet. Die Spannungsmesseinrichtung 36 ist ausgeführt, die Ladespannung an der Verbindungseinrichtung 12 zwischen der jeweiligen Steckverbinderaufnahme 54 und einem Potential an dem Shunt 38 zu messen.
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Die Messeinrichtung 20 umfasst ebenfalls ein elektrisch leitendes Verbindungselement 46 zur elektrischen Verbindung der Spannungsmesseinrichtung 36 mit einem zweiten Stromleiter 24. Das Verbindungselement 46 ist als metallisches Blechelement 46 ausgeführt.
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Das elektrische Verbindungselement 46 geht in diesem Ausführungsbeispiel in ein Kabel 70 über, an dessen Ende ein Steckverbinder 72 zur steckenden Verbindung mit einer der Steckverbinderaufnahmen 54 auf der Leiterplatte 52 angeordnet ist, wie in 5 dargestellt ist.
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Das elektrische Verbindungselement 46 weist an seinem freien Ende ein Durchgangsloch zum Herstellen einer Schraubverbindung 56 mit dem zweiten Stromleiter 24 auf. Die Schraubverbindung 56 wird hergestellt, wie oben entsprechend für die Anbringung des Shunts 38 an dem ersten Stromleiter 22 beschrieben wurde.
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Die Ladeeinrichtung 10 weist außerdem eine Auswerteeinheit 58 auf, die über den Datenbus 32 mit der Messeinrichtung 20 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 58 ist ausgeführt, mit der Messeinrichtung 20 gemessene Ströme und Spannungen zu empfangen und darauf basierend eine übertragene Energiemenge zu ermitteln. Die Auswerteeinheit 58 umfasst eine Anzeigevorrichtung 60, mit der die übertragene Energiemenge angezeigt wird. Die Auswerteeinheit 58 umfasst ein Gehäuse 62, in dem eine Funktionselektronik und die Anzeigevorrichtung 60 angeordnet sind. Die Auswerteeinheit 58 ist auf nicht dargestellte Weise zur Schraubbefestigung an der Ladeeinrichtung 10 ausgeführt.
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Die Strommesseinrichtung 34 und die Spannungsmesseinrichtung 36 sind in einem internen Gehäuse 64 der Messeinrichtung 20 angeordnet, wie in 5 dargestellt ist. Um das interne Gehäuse 64 ist im Bereich der Strommesseinrichtung 34 eine elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 angeordnet. Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 weist eine Röhrenform auf und umgibt das interne Gehäuse 64 im Bereich der Strommesseinrichtung 34 und umschließt diese. Dadurch wird der Spannungsmesser 40 der Strommesseinrichtung 34 vollständig von der elektromagnetischen Schirmeinrichtung 66 umgeben.
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Die Röhrenform der elektromagnetischen Schirmeinrichtung 66 ist so gewählt, dass die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 einen möglichst geringen Abstand zu der Strommesseinrichtung 34 bzw. dem internen Gehäuse 64 aufweist. Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Metall oder einer Legierung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise aus Kupfer, Zink, Messing oder Aluminium. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 aus Messing gefertigt.
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Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 weist einen Masseanschluss 68 zur Verbindung mit der Masse der Messeinrichtung 20 auf und ist auf nicht dargestellte Weise damit verbunden.
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Die 6 und 7 zeigen jeweils Kurven eines elektrischen Feldstärkepegels einer EMV-Abstrahlung in der Messeinrichtung 20. Die Kurve aus 6 betrifft eine Messeinrichtung 20 aus dem Stand der Technik, während 7 die Messeinrichtung 20 des ersten Ausführungsbeispiels mit Schirmvorrichtung 66 betrifft. In einem relevanten Bereich 74 zeigt sich ein um etwa 10 dB verbesserter elektrischer Feldstärkepegel.
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8 zeigt eine entsprechende Kurve für eine Messeinrichtung 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform, die abhängig von der Ausgestaltung der Schirmvorrichtung 66 erzielt werden kann. Es ergibt sich ein weiter verbesserter Verlauf des elektrischen Feldstärkepegels. Vorgaben der Norm EN 61000-3-6, beispielsweise in der Fassung vom Februar 2008, können somit eingehalten werden.
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Die 9 bis 11 betreffen eine Messeinrichtung 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Messeinrichtung 20 der zweiten Ausführungsform entspricht weitgehend der Messeinrichtung 20 der ersten Ausführungsform, so dass nachstehend im Wesentlichen Unterschiede zu der Messeinrichtung 20 der ersten Ausführungsform beschrieben werden. Details der Messeinrichtung 20 der zweiten Ausführungsform, die nicht beschrieben sind, entsprechen im Zweifel denjenigen der ersten Ausführungsform.
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Die Messeinrichtung 20 der zweiten Ausführungsform ist prinzipiell austauschbar mit der Messeinrichtung 20 der ersten Ausführungsform in der Ladeeinrichtung 10 der ersten Ausführungsform verwendbar.
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Wie in den 9 und 10 dargestellt ist, weist die Messeinrichtung 20 der zweiten Ausführungsform ein umschließendes Gehäuse 28 auf. Das Gehäuse 28 ist vorliegend aus einem nicht elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, ausgeführt.
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In dem Gehäuse 28 der Messeinrichtung 20 sind eine Strommesseinrichtung 34, eine Spannungsmesseinrichtung 36 und eine Energieversorgungseinrichtung aufgenommen. Die Energieversorgungseinrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel integral mit der Strommesseinrichtung 34 ausgeführt und umfasst insbesondere einen nicht dargestellten DC/DC-Wandler. Die Messeinrichtung 20 weist außerdem eine Datenschnittstelle 30 auf, über die bei der Strom- und Spannungsmessung ermittelte Werte übertragen werden. Die diesbezüglichen Details der Messeinrichtung 20 entsprechen denen der Messeinrichtung 20 der ersten Ausführungsform.
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Die Strommesseinrichtung 34 und die Spannungsmesseinrichtung 36 der zweiten Ausführungsform sind ebenfalls in einem internen Gehäuse 64 der Messeinrichtung 20 angeordnet, wie in den 9 und 10 dargestellt ist. Um das interne Gehäuse 64 ist im Bereich der Strommesseinrichtung 34, insbesondere des DC/DC-Wandlers, eine elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 angeordnet. Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 weist eine Röhrenform auf und umgibt das interne Gehäuse 64 im Bereich der Strommesseinrichtung 34, insbesondere des DC/DC-Wandlers, und umschließt diese. Die Schirmeinrichtung 66 ist alleine in 11 gezeigt.
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Die Röhrenform der elektromagnetischen Schirmeinrichtung 66 ist so gewählt, dass die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 einen möglichst geringen Abstand zu der Strommesseinrichtung 34, insbesondere dem DC/DC-Wandler, bzw. dem internen Gehäuse 64 aufweist. Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Metall oder einer Legierung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise aus Kupfer, Zink, Messing oder Aluminium. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 aus Messing gefertigt.
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Die elektromagnetische Schirmeinrichtung 66 weist einen Masseanschluss 68 zur Verbindung mit der Masse der Messeinrichtung 20 auf und ist entsprechend mit einem Massekabel oder Masseband 76, welches durch einen Ferritkern geht, mit der Masse der Leiterplatte verbunden. Dazu ist das Massekabel oder Masseband 76 z.B. über einen Kabelschuh mit einer Befestigungsschraube 78 an dem Masseanschluss 68 angebracht. Die Befestigungsschraube 78 ist durch ein Befestigungsloch 80 in dem Masseanschluss 68 geführt und mit einer Befestigungsmutter 82 so fixiert, dass ein ausreichender Kontakt zu Stande kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010014316 U1 [0011]
- US 2016134140 A1 [0012]
- US 2004169489 A1 [0013]
