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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungskompensation in einem elektrischen Ladesystem zum elektrischen Laden von Kraftfahrzeugen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein solches Ladesystem.
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Bei zumindest teilelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen ist ein regelmäßiges Laden eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs notwendig. Zu diesem Zweck wird das Kraftfahrzeug üblicherweise an einem Ladeanschluss angeschlossen, welche das Kraftfahrzeug lädt.
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Vorstellbar ist es hierbei, den jeweiligen Ladeanschluss mit einer autarken Infrastruktur zu betreiben.
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Erwünscht ist es, die am jeweiligen Kraftfahrzeug abgegebene elektrische Leistung möglichst genau zu kennen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für ein Verfahren zur Leistungskompensation in einem elektrischen Ladesystem zum Laden von Kraftfahrzeugen sowie für ein solches Ladesystem verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau und/oder verbesserte Genauigkeit auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Ladesystem zum Laden von Kraftfahrzeugen mit zumindest zwei Ladeanschlüssen bereitzustellen, wobei der jeweilige Ladeanschluss von einem Verteiler elektrisch versorgt wird, und wobei der jeweilige Ladeanschluss mittels einer zugehörigen elektrischen Leitung mit dem Verteiler verbunden ist. Im Verteiler erfolgt ferner das Ermitteln einer an einem Eingang der jeweiligen Leitung eingespeisten elektrischen Leistung zum Laden eines am zugehörigen Ladeanschluss angeschlossenen Kraftfahrzeuges. Somit können am jeweiligen Ladeanschluss Komponenten, wie beispielsweise Messeinrichtungen zum Ermitteln der Leistung, entfallen. Dies führt zu einer vereinfachten und kostengünstigen Umsetzung des Ladesystems. Um Leistungsverluste, welche zwischen dem Verteiler und dem Ladeanschluss anfallen, zu berücksichtigen und zu kompensieren, ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Längenbestimmung zumindest einer der Leitungen durchgeführt und anhand der Länge der beim Laden an der Leitung anfallenden Leistungsverlust bestimmt wird. Der Leistungsverlust wird dann zur Kompensation der am Kraftfahrzeug ankommenden Leistung berücksichtigt. Dies führt dazu, dass das Ladesystem weiterhin einfach umgesetzt ist und vereinfacht betrieben werden kann, wobei das Ladesystem zugleich eichkonform ist.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Ladesystem also den Verteiler sowie zumindest zwei Ladeanschlüsse auf. Für den jeweiligen Ladeanschluss ist ferner eine zugehörige elektrische Leitung vorgesehen, welche den Ladeanschluss mit dem Verteiler verbindet. Zu diesem Zweck ist die Leitung mit einem Ende, nachfolgend auch als Eingang bezeichnet, mit dem Verteiler und mit dem anderen Ende, nachfolgend auch als Ausgang bezeichnet, mit dem zugehörigen Ladeanschluss verbunden. Es erfolgt ferner, insbesondere im Verteiler, das Ermitteln, insbesondere Messen, der am jeweiligen Eingang beim elektrischen Laden eines am zugehörigen Ladeanschluss angeschlossenen Kraftfahrzeugs eingespeisten Leistung. Um den entlang der Leitung anfallenden Leistungsverlust zu berücksichtigen, wird dabei für zumindest eine der Leitungen, vorteilhaft für die jeweilige Leitung, am Eingang zu einem Anfangszeitpunkt ein sprunghaft auf eine Anfangsamplitude ansteigendes elektrisches Signal, nachfolgend auch als Sprungsignal bezeichnet, eingespeist und somit angelegt. In der Folge wird das Sprungsignal am Ausgang der Leitung reflektiert, wobei das reflektierte Sprungsignal zum Eingang gelangt. Die Dauer zwischen dem Anfangszeitpunkt und der Ankunft des reflektierten Sprungsignals wird dabei bestimmt, um aus der Dauer die Länge der Leitung zu bestimmen. Aus der Länge der Leitung wird dann die im Betrieb beim Laden eines Kraftfahrzeugs am zugehörigen Ladeanschluss anfallende Verlustleistung bestimmt und bei der Ermittlung der am Ausgang abgegebenen Leistung berücksichtigt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Gedanken ist es möglich, den jeweiligen Ladeanschluss in prinzipiell beliebiger Entfernung zum Verteiler anzuordnen. Vorstellbar ist es dabei, die Ladeanschlüsse in unterschiedlichen Entfernungen zum Verteiler anzuordnen. Die Leitungen können somit unterschiedliche Längen aufweisen. Die Leitungen können jeweils Längen von mehreren 10 Metern aufweisen.
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Bei dem Verteiler handelt es sich insbesondere um eine Ladestation, welche die zugehörigen Ladeanschlüsse und somit daran angeschlossene Kraftfahrzeuge elektrisch versorgt.
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Das Sprungsignal wird vorteilhaft über einen sich am Eingang befindlichen Widerstand auf die Leitung eingespeist. Bevorzugt beträgt der Wert dieses Widerstands dem Wert der Wellenimpedanz des angeschlossenen Leiters. Somit wird das Sprungsignal vereinfacht und definiert erzeugt.
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Zweckmäßig ist die Beschaffenheit der jeweiligen Leitung bekannt oder wird zuvor bestimmt. Insbesondere ist sind ein spezifischer Widerstand sowie ein Querschnitt der jeweiligen Leitung bekannt oder werden zuvor ermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle leitenden Metalle und/oder Legierungen anwendbar. Insbesondere bei hohen Ladeströmen beim Laden mit Gleichstrom und den daraus folgenden Leitungsquerschnitten ist es denkbar, Aluminiumleitungen einzusetzen. Dies führt insbesondere zu reduzierten Kosten.
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Vorteilhaft weist zumindest eine der Leitungen, bevorzugt die jeweilige Leitung, Kupfer auf, ist insbesondere eine Kupferleitung. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Umsetzung des Ladesystems bei zugleich reduzierten Leistungsverlusten.
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Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen für zumindest eine der wenigstens einen Leitungen, vorteilhaft für die jeweilige Leitung, die Bestimmung der Dauer und somit der zugehörigen Länge beim vom zugehörigen Ladeanschluss getrennten Zustand der Leitung erfolgt. Dies führt zu einem verbesserten und/oder definierten Reflektieren des Sprungsignals am Ausgang. Somit kann die Dauer präziser bestimmt und folglich die Länge genau ermittelt werden. Hieraus resultiert also eine verbesserte Bestimmung der Verlustleistung.
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Um die Bestimmung der Länge beim vom zugehörigen Ladeanschluss getrennten Ausgang der Leitung zu erreichen, ist es vorstellbar, die Bestimmung der Länge während der Installation des zugehörigen Ladeanschlusses und/oder vor der Inbetriebnahme des Ladeanschlusses durchzuführen. Ebenso ist es vorstellbar, die Bestimmung der Länge manuell auszulösen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, am Ladeanschluss und/oder am Verteiler eine Schnittstelle vorzusehen, über welche ein Messgerät angeschlossen werden kann, um den Messvorgang für zumindest eine Leitung durchzuführen.
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Vorstellbar ist es, insbesondere bei einem Anschluss des Messgeräts am Verteiler, die Längen von zwei oder mehr Leitungen gleichzeitig zu bestimmen.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen aus der mittels der Dauer bestimmten Länge zumindest einer der Leitungen der elektrische Widerstand, das heißt der ohmsche Widerstand bzw. die Impedanz, der Leitung bestimmt wird. Hierzu werden insbesondere der bereits zuvor ermittelte oder bekannte spezifische Widerstand der Leitung sowie ein Querschnitt der Leitung herangezogen. Die Verlustleistung wird dann beim Laden und somit der Strömung eines elektrischen Stroms durch die Leitung zum Laden eines Kraftfahrzeugs mittels des Widerstands der elektrischen Leitung bestimmt. Hierzu kann insbesondere der quadratische Zusammenhang zwischen der Verlustleistung und dem elektrischen Strom über den Widerstand angenommen werden. Insbesondere kann für die Verlustleistung P im Wesentlichen angenommen werden: P = I2R, wobei I der elektrische Strom und R der Widerstand sind.
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Bevorzugt wird die Ankunft des reflektierten Sprungsignals am Eingang dadurch erkannt, dass die am Eingang anliegenden Amplitude des Signals ausgehend von der Anfangsamplitude sprunghaft, insbesondere im Wesentlichen auf das Doppelte der Anfangsamplitude, ansteigt. Das heißt, dass das Sprungsignal am Eingang überwacht und bei einem sprunghaften Anstieg auf die Ankunft des reflektierten Sprungsignals geschlossen wird. Somit wird eine einfache, kostengünstige sowie zuverlässige Bestimmung der Dauer und somit der Länge und der Verlustleistung erreicht.
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Bei dem Sprungsignal kann es sich prinzipiell um ein elektrisches Signal beliebiger Art handeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Sprungsignal um eine sprunghaft auf die Anfangsamplitude ansteigende Sprungspannung, welche für die Bestimmung der Dauer am Eingang angelegt wird. Dies führt zu einem einfachen, energieeffizienten und zuverlässigen Bestimmen der Dauer und somit der Länge und folglich der Verlustleistung.
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Um aus der Dauer die Länge der Leitung zu bestimmen, wird vorteilhaft die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektrischen Wellen in der Leitung hereingezogen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann hierbei zuvor ermittelt oder hinterlegt sein. Dass die Ausbereitungsgeschwindigkeit typischerweise mehrere cm pro ns (Nanosekunde) beträgt, erfolgt somit eine sehr präzise Bestimmung der Länge der Leitung.
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Die Leistungskompensation ist vorteilhaft derart umgesetzt, dass die am Kraftfahrzeug ankommende elektrische Leistung als die am Eingang der Leitung eingespeiste Leistung abzüglich der Verlustleistung angenommen wird.
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Vorteilhaft kommt die Leistungskompensation zu Abrechnungszwecken zum Einsatz, um trotz der im Verteiler erfolgten Messung der am Eingang eingespeisten elektrischen Leistung die am jeweiligen Kraftfahrzeug abgegebene Leistung möglichst genau zu ermitteln.
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Es versteht, dass neben dem Verfahren auch ein derart betriebenes Ladesystem zum Umfang dieser Erfindung gehört. Das Ladesystem umfasst hierbei den Verteiler sowie die zumindest zwei Ladeanschlüsse, welche jeweils mittels einer zugehörigen Leitung mit dem Ladeanschluss verbunden sind.
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Bevorzugt ist im Verteiler eine Leistungsmesseinrichtung vorgesehen, welche im Betrieb die am jeweiligen Eingang eingespeiste elektrische Leistung ermittelt. Das Ladesystem, insbesondere der Verteiler, weist ferner eine Steuereinrichtung auf, welche derart ausgestaltet ist, dass sie für zumindest eine der Leitungen eine entsprechende Leistungskompensation durchführt.
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Die Steuereinrichtung weist vorteilhaft einen Timer auf, welchen sie beim Anlegen des Sprungsignals startet und beim Eintreffen des reflektierten Sprungsignals am Eingang stoppt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung ein anderes elektrisches Zeitmessgerät aufweisen, welches die Zeit zwischen zwei angelegten Flanken bestimmen kann. Ein Beispiel hierfür ist ein digitaler Zeitbaustein oder ein sogenannter „Time-to-Digital Converter“.
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Vorteilhaft ist der jeweilige Ladeanschluss Bestandteil eines Ladepunkts des Ladesystems. Das Ladesystem weist also vorteilhaft zumindest einen Ladepunkt mit wenigstens einem Ladeanschluss auf. Bevorzugt weist das Ladesystem zwei oder mehr Ladepunkte mit jeweils zumindest einem Ladeanschluss auf, wobei der jeweilige Ladeanschluss über eine zugehörige Leitung mit dem Verteiler verbunden ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Ladesystems zum Laden von Kraftfahrzeugen,
- 2 ein Diagramm zur Ermittlung einer Länge einer Leitung des Ladesystems.
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Ein Ladesystem 1, wie es in 1 stark vereinfacht und schaltplanartig dargestellt ist, dient dem elektrischen Laden von Kraftfahrzeugen 2. Das Ladesystem 1 weist zu diesem Zweck zumindest zwei Ladeanschlüsse 8 auf. Am jeweiligen Ladeanschluss 8 kann ein Kraftfahrzeug 2 angeschlossen und somit geladen werden. Das Ladesystem 1 umfasst ferner einen Verteiler 4, welcher die Ladeanschlüsse 8 zentral elektrisch versorgt. Beim Verteiler 4 handelt es sich also insbesondere um eine Ladestation 4. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Ladeanschluss 8 in einem Ladepunkt 3 des Ladesystems 1 vorgesehen, welcher zum Verteiler 4 beanstandet angeordnet ist. Das Ladesystem 1 weist also zumindest einen Ladepunkt 3 auf. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der jeweilige Ladepunkt 3 rein beispielhaft einen einzigen Ladeanschluss 8 auf.
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Zur elektrischen Versorgung des jeweiligen Ladeanschlusses 8 und somit zum Laden des jeweiligen Kraftfahrzeugs 2 ist der jeweilige Ladeanschluss 8 mittels einer zugehörigen elektrischen Leitung 5 elektrisch mit dem Verteiler 4 verbunden. Der Verteiler 4 ist zweckmäßig mit einem nicht gezeigten Netzanschluss elektrisch verbunden. Die jeweilige Leitung 5 ist an einem Ende 6, nachfolgend auch als Eingang 6 bezeichnet, mit dem Verteiler 4 und am anderen Ende 7, nachfolgend auch als Ausgang 7 bezeichnet, mit der zugehörigen Ladeanschluss 8 verbunden und verbindet somit die zugehörige Ladeanschluss 8 mit dem Verteiler 4. Die jeweilige Leitung 5 weist hierbei typischerweise Längen von mehreren 10 m auf. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind dabei rein beispielhaft zwei Ladeanschlüsse 8 zu sehen. Gewöhnlich weist das Ladesystem 1 drei oder mehr Ladeanschlüsse 8 auf, welche jeweils über eine zugehörige Leitung 5 mit dem Verteiler 4 verbunden sind. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft hierbei die jeweilige Leitung 5 vom Verteiler 4 bis zum zugehörigen Ladeanschluss 8, an den ein Kraftfahrzeug 2 zum Laden angeschlossen wird. Insbesondere wird zu diesem Zweck ein in 1 gestrichelt angedeutetes Ladekabel 9 am Ladeanschluss 8 und am Kraftfahrzeug 2 angeschlossen. Der Verteiler 4 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ferner eine Einrichtung 10, welche die am jeweiligen Eingang 6 eingespeiste elektrische Leistung zum Laden eines am zugehörigen Ladeanschluss 8 angeschlossenen Kraftfahrzeugs 2 ermittelt. Die Einrichtung 10 wird nachfolgend auch als Leistungsmesseinrichtung 10 bezeichnet.
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Um die am Kraftfahrzeug 2 beim Laden ankommende elektrische Leistung möglichst genau zu kennen, wird dabei die entlang der zugehörigen Leitung 5 anfallende elektrische Verlustleistung berücksichtigt und kompensiert. Hierbei kann als die am Kraftfahrzeug 2 ankommende elektrische Leistung die mittels der Leistungsmesseinrichtung 10 ermittelte eingespeiste elektrische Leistung abzüglich der Verlustleistung der zugehörigen Leitung 5 angenommen werden.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft angenommen, dass die jeweilige Leitung 5 aus Kupfer ist, das heißt, dass es sich bei der jeweiligen Leitung 5 um eine Kupferleitung 5a handelt. Ebenso vorstellbar sind Leitungen 5 aus beispielsweise Aluminiumlegierungen.
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Zum Bestimmen der Verlustleistung an zumindest einer der Leitungen 5, insbesondere der jeweiligen Leitung 5, wird dabei die Länge der Leitung 5, wie nachfolgend beschrieben, bestimmt.
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Entsprechend der 2 wird dabei zu einem Anfangszeitpunkt t1 ein sprunghaft auf eine Anfangsamplitude A1 ansteigendes Signal am Eingang 6 angelegt, welches nachfolgend auch als Sprungsignal bezeichnet wird. Hierbei ist in 2 entlang der Abszissenachse 11 die Zeit t und entlang der Ordinatenachse 12 die am Eingang 6 ermittelte Amplitude A des Sprungsignals gezeigt, wobei das Sprungsignal 13 in 2 mit einer durchgezogenen Linie gezeigt ist. Beim Sprungsignal 13 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine elektrische Spannung und somit um eine Sprungspannung 14. Das am Eingang 6 mit der Anfangsamplitude A1 angelegte Sprungsignal 13 breitet sich durch die Leitung 5 aus und wird am Ausgang 7 der Leitung 5 reflektiert. Das reflektierte Sprungsignal 13 gelangt anschließend wieder zum Eingang 5, sodass die am Eingang 5 ermittelte Amplitude A bei der Ankunft des reflektierten Sprungsignals 13 am Eingang 6 sprunghaft ansteigt. Dieser Anstieg erfolgt zu einem Ankunftszeitpunkt t2 des reflektierten Sprungsignals 13 am Eingang 6. Eine Dauer 17 zwischen dem Anfangszeitpunkt t1 und dem Ankunftszeitpunkt t2 kann somit, beispielsweise mittels eines Timers 15 (siehe 1), bestimmt werden. Mit der ermittelten Dauer 17 kann nun die Länge der Leitung 5 mit Hilfe der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Wellen durch die Leitung 5 bestimmt werden. Bei der hier angenommenen Kupferleitung 5a beträgt die Aufbereitungsgeschwindigkeit gewöhnlich zwischen 20 cm pro ns (Nanosekunden) und 25 cm pro ns, sodass die Länge der Leitung 5 sehr präzise bestimmt werden kann.
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Vorteilhaft erfolgt die beschriebene Bestimmung der Länge der Leitung 5 anhand der Dauer 17 in einem am Verteiler 4 angeschlossenen Zustand des Eingangs 6 und einem von der Ladeanschluss 8, insbesondere der Schnittstelle 8, getrennten Zustand des Ausgangs 7. Somit erfolgt eine definierte und präzise Reflexion des Sprungsignals 13 am Ausgang 7 und folglich eine erhöhte Präzision der Bestimmung der Länge der Leitung 5.
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Wie 2 entnommen werden kann, ist für den Ankunftszeitpunkt t2 der sprunghafte Anstieg der am Eingang 6 anliegenden Amplitude A auf eine Amplitude A2 angenommen, welche im Wesentlichen dem Doppelten der Anfangsamplitude A1 entspricht.
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Ist die Länge der Leitung 5 bestimmt, so wird anhand des spezifischen Widerstands der Leitung und des Querschnitts der Leitung 5 der elektrische Widerstand der Leitung 5, insbesondere der ohmsche Widerstand der Leitung 5, bestimmt. Hierbei ist der Querschnitt der Leitung 5 bekannt oder zuvor ermittelt. Da das Material der jeweiligen Leitung 5 ebenfalls bekannt ist, vorliegend also Kupferleitungen 5a, ist auch der spezifische Widerstand bekannt, sodass der ohmsche Widerstand der Leitung 5 bestimmt werden kann.
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Ist der ohmsche Widerstand der Leitung 5 bekannt, kann im Betrieb beim Laden eines Kraftfahrzeugs 2 der Leistungsverlust an der Leitung 5 dadurch ermittelt werden, dass der durch die Leitung strömende elektrische Strom berücksichtigt wird.
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Zum Bestimmen der Länge der jeweiligen Leitung 5 sowie zur Leistungskompensation kann das Ladesystem 1 eine Steuereinrichtung 16 aufweisen, welche entsprechend ausgestaltet ist. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 16 im Verteiler 4 vorgesehen und umfasst ferner den Timer 15.
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Die Bestimmung der Dauer 17 und somit der Länge der Leitungen 5 erfolgt vorteilhaft, wenn die Leitung 5 erstmals mit dem Eingang 6 am Verteiler 4 angeschlossen wird. Die somit ermittelte Länge bzw. der somit ermittelte Widerstand kann dann im Verteiler 4 und/oder in der Steuereinrichtung 16 hinterlegt und bei der Leistungskompensation berücksichtigt werden.
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Das erfindungsgemäße Ladesystem 1 erlaubt eine einfache Umsetzung des Ladesystems 1 zum Laden mehrerer Kraftfahrzeuge 2 bei einer kostengünstigen Umsetzung sowie einer erhöhten Präzision der am jeweiligen Kraftfahrzeug 2 ankommenden elektrischen Leistung.
