WO2024089200A1 - Steckbares energiemessmodul - Google Patents

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WO2024089200A1
WO2024089200A1 PCT/EP2023/079980 EP2023079980W WO2024089200A1 WO 2024089200 A1 WO2024089200 A1 WO 2024089200A1 EP 2023079980 W EP2023079980 W EP 2023079980W WO 2024089200 A1 WO2024089200 A1 WO 2024089200A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
plug contacts
slots
circuit carrier
plug
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/079980
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Jankowski
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg filed Critical Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2024089200A1 publication Critical patent/WO2024089200A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R11/00—Electromechanical arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. of consumption
    • G01R11/02—Constructional details
    • G01R11/04—Housings; Supporting racks; Arrangements of terminals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R22/00—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/061—Details of electronic electricity meters
    • G01R22/065—Details of electronic electricity meters related to mechanical aspects

Definitions

  • the invention relates to a plug-in energy measuring module for recording, displaying and controlling at least one integrated energy quantity and a currently recorded power.
  • the invention relates in particular to an energy measuring module for installation in an electrical charging unit, where it can record various electrical parameters and make them available for display and further processing. Simplified assembly of the energy measuring module facilitates the construction and maintenance of the electrical charging unit.
  • Energy measurement modules are designed to record at least parts of the current, voltage, active power and energy that are typically used as a basis for billing electrical energy. They can be designed as a module of an electrical device in order to record and forward the electrical values distributed or consumed there. They can also be specially protected against misuse, so that the values they provide are particularly trustworthy. There are certifications for this that attest to such special trustworthiness, for example the certificate in accordance with Directive 2004/22/EC of 31 March 2004 on measuring instruments, also known in technical terms as the "Measuring Instruments Directive” (MID).
  • MID Measuring Instruments Directive
  • the associated electrical device can be designed as an electrical charging unit, for example for charging accumulators for a fee. It can also be designed as a control cabinet for distributing electrical energy. By using certified energy measuring modules, the rest of the electrical device's circuitry can remain uncertified without affecting the reliability of the measured values.
  • the electrical device and the energy measuring module are usually manufactured separately, often by different manufacturers.
  • the energy measuring module is usually mounted in top-hat rail or front-mounted housings, with the wiring to the electrical device being done via cable. The energy measuring module is often only installed during assembly, configuration or maintenance of the electrical device.
  • the installation of the energy measurement module requires considerable wiring work.
  • Various conductors must be inserted into the power paths of the electrical devices. This often requires cables with large cross-sections, which are correspondingly difficult to handle.
  • the energy measurement module is typically installed on a construction site, the effort is increased even further by the specific circumstances on site. A significant amount of assembly work is also required when installing the module during production.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a technology which reduces the assembly effort when installing the energy measuring module in the electrical device.
  • a first aspect relates to a module for measuring electrical energy.
  • the module comprises a housing and a circuit carrier (for example a circuit board) with electronic components arranged in the housing.
  • Slots with plug contacts are arranged on the circuit carrier.
  • the slots with plug contacts can be designed as spring contacts, as tongue contacts, as lamellar contacts or as press contacts.
  • the plug contacts are designed to be able to accommodate counterparts to the plug contacts.
  • These counterparts to the plug contacts can be designed as connection lugs.
  • the counterparts to the plug contacts can be arranged on an external circuit carrier (for example an external circuit board) in order to be able to make an electrical contact when inserted into the plug contacts (i.e. when receiving them) and to be able to make a mechanical connection when inserted into the plug contacts (i.e. when receiving them).
  • the slots with plug contacts can be arranged on the circuit carrier in a number and arrangement such that a reliable mechanical connection (i.e. fastening) of the module is provided by the insertable or inserted counterparts to the plug contacts.
  • slots with plug contacts can also be arranged on the external circuit carrier, whereby the corresponding Counterparts to the plug contacts can be arranged on the circuit carrier of the module.
  • the circuit carrier may comprise one or more circuit boards, whereby reference is made below to one circuit board for reasons of conciseness and not limitation.
  • the secure mechanical fastening is the result of the holding force of all spring contact terminal lug connections and the arrangement of the spring contact terminal lug connections on the circuit board, i.e. the connector face.
  • the number of spring contact terminal lug connections is not limited to the number of necessary lines between the module and the (relative to the module) external circuit board of the electrical device.
  • the current-carrying lines can each be divided into a plurality of spring contact terminal lug connections.
  • this also results in an improvement in the mechanical holding forces by increasing the number of spring contact terminal lug connections.
  • the distribution of the spring contact terminal lug connection can also improve the mechanical connection. This can be done in particular by arranging at least some spring contact terminal lug connections along or near the outer edge of the module circuit board. This advantageously means that additional fastening means for the module to the electrical device can be dispensed with.
  • the counterparts to the plug contacts of the external circuit board are also known as tongue contacts.
  • the plug contacts can be arranged inside the housing of the module.
  • the corresponding recesses in the housing of the module allow the counterparts to the plug contacts of the external circuit board to be inserted (i.e. the receptacle) to contact the plug contacts.
  • These recesses on the side of the module can essentially correspond to a cross-section of the counterparts to the plug contacts and/or be smaller than recesses for accommodating plug contacts, which advantageously reduces susceptibility to contamination inside the module. Another advantage is that damage to the particularly mechanically sensitive plug contacts can be prevented. of the module can be avoided by arranging the plug contacts within the module housing, especially during storage, assembly or the like.
  • the slots with plug contacts in the module can be designed to accommodate rectangular, square and/or round counterparts to the plug contacts.
  • the slots with plug contacts of different sizes can form a plug face.
  • the counterparts to the plug contacts for example connection lugs, can be accommodated with recesses, with counterparts of the plug contacts penetrating into the recesses when the module is installed.
  • the selection and arrangement of the plug contacts with rectangular, square and/or round counterparts to the plug contacts can be carried out according to structural and/or electrical parameters, the space available, the required holding forces, the shielding properties against electromagnetic radiation, the plug forces for establishing or releasing the plug connections of the plugs of the plug face. Differently designed counterparts to the plug contacts in the plug face can also be used. This makes it possible to take into account the various electrical and mechanical requirements.
  • the connector face can be determined by the number, the arrangement, different contact sizes and/or by different structural designs of the contacts.
  • Structural designs of the contacts can include plug contacts (tongue contacts), cutouts (recesses) or depressions.
  • the associated connection lugs include corresponding locking knobs that engage in the cutout or depressions when joined together.
  • the module can arrange the slots with plug contacts on both long sides of the circuit board.
  • each long side comprises at least 6 slots with plug contacts.
  • 5 slots with plug contacts can be arranged on each long side.
  • slots with plug contacts can be arranged on each long side.
  • 6 slots on each long side can ensure a sufficient electrical connection as well as sufficient mechanical holding force.
  • the at least 6 slots with plug contacts on both long sides of the circuit board or the housing of the module can be arranged centrally on at least one long side.
  • the circuit board can only be partially brought up to the long side of the module.
  • the plug contacts can be arranged laterally at one end of the long side, whereby optionally different distances can be formed between the plug contacts. Furthermore, if the contacts are arranged at one end of the long side, more than 6 slots with plug contacts of a smaller size can be arranged at the other end of the corresponding long side on at least one of the long sides.
  • the holding force or the release force can thus be distributed at least approximately equally along the long side of the module, even with different embodiments of the plug contacts, which makes it easier to plug in or unplug the module.
  • the mechanical attachment of the module may be limited to the slots with plug contacts.
  • the electrical device into which the module for measuring electrical energy can be installed can be stationary.
  • it can be designed as a permanently installed charger in a charging station.
  • no or only minimal vibrations occur on a base surface, for example in the form of a sidewalk, a wall, a parking lot or the like, on which the Charging station is permanently installed.
  • a sealing device can be arranged on the module for measuring electrical energy for sealing the module to the external circuit board.
  • the sealing can be carried out as a mechanical seal, which is produced, for example, by connecting it to a sealed sealing wire.
  • the sealing can be carried out as a digital seal. This can include an exchange of identifiers when the module is initially plugged onto the external circuit board.
  • mechanical sealing can also include mechanically securing the module on the external circuit board.
  • snap mechanisms or locks can be used. Such locks can be advantageous for improving the mechanical fastening of the module on the external circuit board.
  • the module and/or the electrical device can each have an identifier (for example a number or an alphanumeric character sequence) that can be used to identify the individual module or the individual electrical device.
  • the exchanged identifiers can serve as a basis for signatures or encryption of signals emitted by the module or the electrical device. This is advantageous for detecting a replacement of the module or the electrical device, which can make misuse of consumption recording more difficult.
  • An identifier of the module can be stored in the sealing device of the module.
  • the exchange of identifiers can include a transmission of the identifier of the module from the sealing device by means of the electrical contact to an external sealing device of the external circuit carrier.
  • an identifier of the external circuit carrier can be stored in the external sealing device of the external circuit carrier.
  • the exchange of identifiers can include a transmission of the identifier of the external circuit carrier from the sealing device of the external circuit carrier by means of the electrical contact to the sealing device of the module.
  • the exchange of identifiers can involve encrypted communication.
  • the sealing device of the module can include a pair of public key and private key, transmit the public key to the external sealing device, receive the identifier from the external sealing device encrypted using the public key, and decrypt the encrypted identifier using the private key.
  • it is not the identifier itself that is transmitted, but rather proof that the sealing device of the module or the external sealing device has its respective identifier without a doubt, for example by means of challenge-response authentication.
  • the arrangement of the slots with plug contacts in the plug face can include information about the design (for example a coding) of the module.
  • the arrangement of the slots with plug contacts in the plug face can prevent the module from being offset or twisted when installed on the counterparts to the plug contacts of the external circuit board.
  • the information about the design of the module can identify the type and/or function of the module, which can be taken into account in the signaling between the external circuit board of the electrical device and the module. For the corresponding coding of the module identity, various counterparts to the plug contacts of the external circuit board cannot find corresponding slots with plug contacts of the module.
  • the coded design of the Modules can include the allocation of the slots with signals, the protocols used for signal exchange, instructions for operating the electrical device, etc.
  • the operating modes of the module and the external circuit board or the electrical device can be automatically coordinated with one another.
  • the connector face which prevents the module from being misaligned or twisted when installed on the counterparts to the plug contacts of the external circuit board, is an advantageous way of preventing assembly errors. These can include misplacing the module on the external circuit board or using unsuitable modules.
  • the module for measuring electrical energy can comprise, in addition to the slots with plug contacts, electrical lines that are coupled or can be coupled to the external circuit board.
  • the coupled or coupleable lines can be electrically connected or connectable to the module.
  • cables that may need to be sealed are installed between the external circuit board and the module. This arrangement does make it more difficult to replace the module.
  • this cable routing is limited to a few cables (lines), for example 3 lines, which simplifies assembly or replacement compared to complete wiring and sealing.
  • the module for measuring electrical energy may include couplers for measuring current in the electrical lines without electrical contact with the lines.
  • lines with measuring currents can be detected by measuring transformers in the module for galvanically isolated measurement of the measuring currents. This advantageously avoids the insertion of further resistors in the measuring currents without significantly affecting the measurement accuracy.
  • the module for measuring electrical energy can use further electrical lines of the module as signaling and/or Control lines. These can optionally be used to control a display (or indicator) that is not arranged on the circuit board and/or for the electrical connection of at least one control element that is not arranged on the circuit board. The display and/or the control element are visible or operable when the housing of the electrical device is closed.
  • These signaling and/or control lines can be at least partially connected to the external circuit board, for example in the case that the display and/or the control element is electrically connected to the circuit board of the module via the external circuit board and the display and/or the control element can be read or operated outside the electrical device.
  • These signaling and/or control lines can also be connected to the external circuit board via plug contacts (for example at the slots). This advantageously allows information to be output from the module to an operator via the electrical device. Another advantageous feature is that the operator can operate the module via the electrical device.
  • the module for measuring electrical energy may have at least one slot with plug contacts (for example one of the slots) for operating serial interfaces, which are optionally designed as Ethernet and/or RS485 and/or for operation as digital inputs and outputs.
  • serial interfaces can be used to control the module.
  • the module can be put into predefined operating states, which can include, for example, enabling or disabling the module, exchanging identifiers or the like. Alternatively or additionally, they can be used to output signals from the module in the form of digital inputs and outputs. These output signals can include measured values recorded by the module.
  • the serial interface also advantageously saves slots. In embodiments, at least one slot with plug contacts in the module for measuring electrical energy can be designed to transmit the current and/or the voltage to be measured.
  • the module for measuring electrical energy can be compliant with the MID ("Measuring Instruments Directive").
  • the module can also be compliant with one or more other certificates for trustworthy billing.
  • it can contain or control a pulse LED that emits pulses proportional to the power output.
  • the Measuring Instruments Directive 2014/32/EU, MID is a European Union directive that attempts to harmonize many aspects of legal metrology in all EU member states. Among other things, it stipulates that at least an integrated energy quantity (kWh via the display) and the current power (kW according to the pulse LED) can be checked from the outside. The MID test of the module is carried out regardless of its subsequent use. MID conformity also certifies that the module has increased protection against misuse. Accordingly, many operators of corresponding electrical devices, for example an electrical device in a vehicle charging station, require such a certificate. This can advantageously provide increased protection against misuse.
  • a charging device for a vehicle can comprise the module for measuring electrical energy and the external circuit board.
  • the external circuit board additionally comprises a charging controller and (for example all) power components for charging the vehicle.
  • the charger for charging the vehicle can be provided as a complete module that is suitable for a wide range of uses in end products and accordingly includes all relevant charging functions.
  • An end product such as a charging station or wall box can advantageously integrate a charging function for charging a vehicle without additionally providing its own related functionality.
  • the charger can be an embodiment of the electrical device.
  • the module can be designed to transmit signals in a signed manner if the operating or user display is electrically connected indirectly to the module or if the operating or user display is not arranged on the circuit carrier of the module.
  • the module can be designed to transmit the electrical signals between the module and the built-in operating or user display in an unsigned manner if the operating or user display is electrically connected directly to the module or if the operating or user display is arranged on the circuit carrier of the module.
  • a charging station for electrically charging a vehicle can comprise the charger.
  • the charging station has a built-in operating or user display, wherein the operating or user display is optionally designed to be touch-sensitive.
  • the operating or user display can include the functionality of the MID.
  • the user display can show the integrated energy quantity (kWh) and the current power (kW according to the pulse LED).
  • the user display can also include the control element of the module.
  • the charging station can therefore advantageously contribute to MID conformity.
  • the charging station will transmit electrical signals between the module and the built-in operating or user display in a signed manner if the operating or user display built into the charging station is indirectly electrically connected to the module.
  • the signing is based on at least one of the exchanged identifiers.
  • electrical signals transmitted unsigned between the module and the built-in operating or user display if the operating or user display is electrically connected directly to the module.
  • the indirect electrical connection between the module and the built-in operating or user display can, for example, be routed via the external circuit board of the electrical device. In addition, it can be transmitted from the electrical device to the charging station. Alternatively, the operating or user display contained in the charging station can also be built into the electrical device, which is arranged in the charging station so that it can be operated by an operator. In these cases, a signature can be added to the signals to be transmitted. In addition or alternatively, the signals to be transmitted can be encrypted. The encryption can optionally be based on the exchanged identifiers of the module and electrical device. This can advantageously make it more difficult to falsify the signals or to intercept them without permission.
  • charging with the charging station can be prevented after changing at least one of the identifiers of the module and the external circuit board.
  • a renewed exchange of identifiers is only possible after entering a key in order to digitally seal the module and the external circuit board again.
  • the operator of the charging station can initiate the change of at least one of the identifiers of the module and the external circuit board.
  • Special security mechanisms can be used, which can include mutual authentication and, in addition to the identifier, also use secret keys that are different from the key mentioned.
  • the operator can initiate the entry of the key for a new identifier exchange, again using the special security mechanisms.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of the module for measuring electrical energy according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of the module with a connector face according to a second embodiment
  • Fig. 3 is a schematic block diagram of the module with a seal according to a third embodiment
  • Fig. 4 is a schematic block diagram of the module with electrical lines according to a fourth embodiment
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of the circuit board of the module with electrical couplers according to a fifth embodiment
  • Fig. 6 is a schematic block diagram of the module with signaling and/or control lines according to a sixth embodiment
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of a charger according to a seventh embodiment
  • Fig. 8 is a schematic block diagram of a charging station according to an eighth embodiment.
  • Figs. 9a and 9b show a perspective view of the module and the external circuit board with some design features according to a ninth embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of the module 10 for measuring electrical energy.
  • the module comprises a housing 20 and a circuit board 30 with electronic components arranged in the housing. Slots 40 with plug contacts are arranged on the circuit board and are located inside the housing 20. The reference number 40 of the slot is also used for the respective plug contact.
  • the slots 40 with plug contacts are designed to accommodate counterparts to the plug contacts 50, which are arranged on an external circuit board 60, with which an electrical contact is made when inserted into the plug contacts, and with which a mechanical connection is made when inserted into the plug contacts.
  • recesses are arranged in the housing 20 so that the counterparts to the plug contacts 50 can contact the plug contacts 40.
  • the slots with plug contacts are arranged on the circuit board in such a number and arrangement (not shown) that a secure mechanical fastening of the module is provided by the insertable counterparts to the plug contacts.
  • the external circuit board 60 with the counterparts to the plug contacts 50 is shown in the non-contacted state in relation to the module 10.
  • Fig. 2 shows a schematic block diagram of the circuit board 30 with a connector face 110, wherein the connector face is formed by the plug contacts 40.
  • the slots with plug contacts 40 on the circuit board 30 are designed to accommodate rectangular, square and/or round counterparts to the plug contacts (not shown).
  • the slots with plug contacts 40 of different sizes can form the connector face 110, wherein slots with large plug contacts 40a and slots with small plug contacts 40b are shown.
  • the counterparts to the plug contacts can be accommodated in recesses in the housing 20 (not shown), wherein counterparts of the plug contacts penetrate into the recesses when the module is installed.
  • the module also shows the arrangement of the slots with plug contacts 40a, 40b on both long sides 30a, 30b of the circuit board 30.
  • Each long side 30a and 30b comprises 6 slots with large plug contacts 40a.
  • the slots with plug contacts comprise those the size of the slots with plug contacts 40a on the lower long side 30a and additionally slots with plug contacts of a smaller size 40b.
  • the larger plug contacts 40a at the left end of the long side 30b are arranged at equal distances from one another, with the exception that after the two outer slots there is a larger gap to the next slot.
  • the smaller plug contacts 40b are again arranged at equal distances from one another, with the distances being smaller than for the larger plug contacts 40a.
  • the 6 slots with large plug contacts 40a are arranged centrally at equal distances from each other.
  • the arrangement of the plug contacts 40a, 40b on the long sides 30a, 30b of the housing underside allows installation space to be used for alternative or additional fastening elements between the plug contacts, for example for designing a receptacle for a top hat rail connection, a front panel connection or the like.
  • the mechanical fastening of the module is limited to the slots with the plug contacts. Due to the arrangement and design of the plug contacts shown here, sufficient holding force for the module is generated by the large plug contacts 40a alone, at least when the electrical device is firmly mounted with the external circuit board.
  • the arrangement of the slots with the plug contacts 40a, 40b in the connector face includes information about the design of the module.
  • the installation of an incompatible module is difficult or even impossible. It is also possible to code the module by leaving the counterparts to the plug contacts 50 of the external circuit board 60 free (not shown). In addition, the arrangement of the slots with plug contacts in the connector face prevents the module from being offset or twisted when installed on the counterparts to the plug contacts of the external circuit board.
  • Fig. 3 shows a schematic block diagram of the module 10 with a mechanical seal 70, 80.
  • the housing 20 comprises a separate sealing web 70, which is flanged to a side wall.
  • This sealing web 70 comprises a hole for the sealing wire.
  • the sealing is carried out as a digital sealing.
  • information on the digital sealing is stored in a memory 90 in the module.
  • Corresponding information is stored in a memory 100 of the external circuit board.
  • the sealing can be based on an exchange of an identifier of the module and an identifier of the external circuit board. If the received identifier does not match the expected identifier, the Operation of the module can be set. These identifiers can be specially protected against changes, for example by means of upstream authentication.
  • the module's own identifier can be stored in memory 90.
  • the external circuit board's own identifier can be stored in memory 100.
  • Fig. 4 shows the module 10 for measuring electrical energy with at least three electrical lines 120 in addition to the slots with plug contacts 40, which are opposite the counterparts to the plug contacts 50 of the external circuit board 60.
  • Each of the at least three lines 120 is guided through a current sensor 35 arranged on the circuit board 30 of the module 10.
  • the current sensors 35 are galvanically separated from the lines 120 (contactless) and determine the respective current strength based on the magnetic flux density triggered by electrical currents.
  • These three lines 120 lead to the external circuit board and are electrically connected to it. They carry the current to be measured, each offset by 120°, in accordance with the three-phase current phases.
  • the module 10 comprises on its circuit board 30 at least one slot with plug contacts for the operation of serial interfaces 150, which are designed as Ethernet and/or RS485 and/or for operation as digital inputs and outputs. These can include data for parameterization as well as measurement results.
  • serial interfaces 150 which are designed as Ethernet and/or RS485 and/or for operation as digital inputs and outputs. These can include data for parameterization as well as measurement results.
  • the serial interface advantageously saves slots.
  • the measurement results can be transmitted via the serial interface 150 to a higher-level controller and/or controller arranged outside a charging station of the module 10.
  • the higher-level controller can, for example, be a controller for a large number of neighboring charging parking spaces.
  • At least one slot with plug contacts 160 is designed to transmit the current to be measured and/or the voltage to be measured.
  • the lines 120 can also be omitted (not shown) and current and voltage can be transmitted via a plurality of plug contacts 160.
  • Fig. 5 shows the module 10 for measuring electrical energy, which comprises a coupler 130 for measuring current in the electrical lines without electrical contact with the lines.
  • the couplers 130 are designed as (for example inductive) measuring transducers.
  • the couplers 130 are arranged on the circuit board 30. Alternatively, the couplers can also be arranged elsewhere in the module, for example on an auxiliary circuit board (not shown) or mounted on the housing 20 (not shown).
  • Fig. 6 shows a schematic block diagram of the module 10.
  • the module 10 for measuring electrical energy comprises signaling and/or control lines 140. These are attached to the circuit board 30 in an electrically conductive manner. Optionally, they can also be attached in another electrically conductive manner, for example to an auxiliary circuit board (not shown). They are used to control a display 143 not arranged on the circuit board 30 and to electrically connect at least one control element 145 not arranged on the circuit board.
  • the display 143 and the control element 145 are visible or operable when the housing 20 of the module 10 is closed. Alternatively, only the display 143 or only the control element 145 can be present (not shown).
  • the display 143 and the control element 145 can also be visible or operable when the housing of the electrical device is closed (not shown). Additionally alternatively, the signaling and/or control lines 140 may be routed via the external circuit board 60 of the electrical device (not shown).
  • the module 10 is MID (Measuring Instruments Directive) compliant. Accordingly, at least an integrated energy quantity (kWh) is displayed on the display 143 and the current power (kW) is displayed on a pulse LED 170, which outputs pulses proportional to the power output.
  • the pulse LED 170 and the display 143 can be checked from the outside by an operator of the electrical device.
  • the display 143, the control element 145 and the pulse LED 170 are components of the module. Alternatively, they can also be controlled as separate components by the module (not shown).
  • Fig. 7 shows a schematic block diagram of a charger 180 for a
  • Vehicle This includes the module 10 for measuring electrical energy and the external circuit board 60, whose plug contacts or counterparts to the plug contacts are also shown.
  • the external circuit board 60 additionally includes a charging controller 190 and all power components 200 for charging a vehicle.
  • the charger 180 is intended for installation in a station and includes all necessary mechanical and electrical connections for this (not shown).
  • Fig. 8 shows a schematic block diagram of a charging station 210. This is used to electrically charge a vehicle. It comprises a built-in operating or user display 220 and the charger 180, whereby the operating or user display 220 is optionally designed to be touch-sensitive. Alternatively, user guidance can also be carried out separately via corresponding buttons 154 (not shown). Alternatively, the operating or user display 220 can be provided by the module 10, the charger 180 or the charging station 210 itself. All elements (operating or user display 220, buttons 154 if applicable and pulse LED 170 if applicable) can be recognized or operated by the operator. The requirements for MID conformity are therefore met.
  • electrical signals 230 are transmitted signed between the module 10 and the built-in operating or user display 220 if the operating or user display 220 built into the charging station 210 is indirectly electrically connected to the module 10. This can be the case if the electrical signals 230 are routed via the external circuit board 60.
  • the signature is based on at least one of the exchanged identifiers.
  • electrical signals 230 are transmitted unsigned between the module and the built-in operating or user display if the operating or user display 220 is directly electrically connected to the module 10 and the operating or user display 220 is therefore an element of the module 10.
  • the charging station 210 prevents charging with the charging station 210 after changing at least one of the identifiers of the module 10 and the external circuit board 60.
  • a renewed exchange of identifiers between the module 10 and the external circuit board 60 is only possible after entering a key for renewed digital sealing of the module 10 and the external circuit board 60.
  • Figs. 9a and 9b show the module 10 and the external circuit board 60 with some design features.
  • Fig. 9a shows an assembled state of module 10 and external circuit board 60.
  • Fig. 9b shows a non-assembled state of module 10 and external circuit board 60.
  • the underside of module 10 shows the recesses 115 in the housing 20 of module 10 for inserting the counterparts to the plug contacts of external circuit board 60.
  • the corresponding counterparts to the plug contacts 50 can be seen on external circuit board 60.
  • clamping elements for cabling are shown on external circuit board 60.
  • the invention can be described as follows: Measuring devices in all shapes and sizes are known.
  • the well-known multifunctional energy measuring devices are usually housed in DIN rail or front panel housings. In the applications, the known measuring devices are then used in this way.
  • the measuring devices are connected via cables to the power path that supplies the application with current and voltage. All interfaces are also connected via cables.
  • the wiring effort can be avoided if the measuring device (module 10) can be plugged onto an existing carrier circuit board (external circuit board 60 of the electrical device).
  • the charging controllers are usually housed on circuit boards (external circuit board 60) in a housing.
  • This circuit board with charging controller (external circuit board 60) also contains all power components (power components of the charger 200) for charging the vehicle.
  • an energy measuring device (module 10) can also be plugged on.
  • the measuring device (module 10) can obtain the respective locally required calibration law conformity for itself and can thus be qualified independently of the application.
  • the wiring effort is completely eliminated by simply plugging the measuring device (module 10) onto the existing carrier circuit board (external circuit board 60).
  • the plug contacts (slots with plug contacts 40) contain the power components that are necessary for the complete recording of the measuring functions.
  • the measuring current can be routed not via the circuit board 30, but through measuring transformer 130.
  • the measuring instrument (i.e. module 10) may be a multifunctional measuring instrument that contains some or all of the functions known for measuring instruments, for example current and voltage measurement, power and energy measurement for active, reactive and apparent power and/or energy.
  • the measuring device can in particular be MID-compliant.
  • the measuring device can contain a display 143 and operating elements 145.
  • the measuring device can also contain a pulse LED 170 that emits pulses proportional to the output power.
  • the measuring device can contain interfaces that can also be connected to the carrier circuit board (external circuit board 60) via plug contacts (slots with plug contacts 40).
  • This can include serial interfaces 150 in particular but also digital inputs and outputs 150.
  • the serial interfaces 150 can be Ethernet or RS485, for example.
  • a higher-level charging control can, for example, communicate with the measuring device (i.e. module 10) via these interfaces.
  • billing-relevant data such as the energy used for charging can be transmitted.
  • the measuring device can be secured against unauthorized removal or manipulation by a suitable mechanical arrangement. This can, for example, be a mechanical lock that can be sealed using suitable means.
  • the measuring device (module 10) can be powered by the measuring voltage and/or by an auxiliary voltage, so that the measuring device can also be connected between a switch and a consumer in the power path.
  • a charging controller 190 is integrated on a circuit board 60 in a charging station 210. If the respective energy consumption of the vehicle to be charged is to be recorded, a MID-compliant energy meter (ie module 10) is usually additionally installed in the housing. In the state of the art, this means a additional wiring effort. In contrast, the energy meter according to an embodiment of the invention can be plugged in in the manner described, which significantly reduces the effort.
  • the plug-in assembly (i.e. an embodiment of the module 10) offers the possibility of communicating with the electronics of the charging station 210. This communication can take place, for example, via a serial interface 150.
  • the information on the amount of energy per charging process is relevant. This information can be exchanged in encrypted form between the charging station 210 and the measuring device (i.e. module 10), if necessary.
  • the measuring device can include an additional function that reports the amount of energy for the current charge using signals from the charging station.
  • the connector face of the measuring device i.e. the connector face of module 110
  • the plug connections are arranged in such a way that it is not possible to offset or twist the measuring device.
  • the measuring device (i.e. module 10) and charging station 210 can exchange and save identifiers that allow them to mutually recognize a change in devices.
  • the charging station 210 can access all relevant measurement results from the measuring device in order to assess the status and load of the entire charging line.
  • the display 143 and the pulse LED 170 are visible from the outside.
  • the display 143 and/or the pulse LED 170 are designed as a separate unit.
  • operating elements 145 for the measuring device can also be accessible from the outside.
  • the fault current can be detected when the neutral conductor current is also detected.
  • This can also be implemented as an additional measuring module (i.e. as another embodiment of module 10).
  • Circuit carrier e.g. circuit board, of the module
  • External circuit carrier e.g. printed circuit board, of the electrical device
  • Display e.g. display
  • charging station 220 user display, built into charging station

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Abstract

Ein Aspekt betrifft ein Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie. Das Modul umfasst ein Gehäuse (20) sowie eine in dem Gehäuse angeordnete Leiterplatte (30) mit elektronischen Bauteilen. Auf der Leiterplatte sind Steckplätze (40) mit Steckkontakten angeordnet. Die Steckplätze (40) mit Steckkontakten sind ausgebildet zur Aufnahme von Gegenstücken zu den Steckkontakten (50), die auf einer externen Leiterplatte (60) angeordnet sind, mit denen bei Einführung in die Steckkontakte ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, und mit denen bei Einführung in die Steckkontakte eine mechanische Verbindung hergestellt wird. Die Steckplätze (40) mit Steckkontakten sind in einer Anzahl und Anordnung so auf der Leiterplatte angeordnet, dass eine sichere mechanische Befestigung des Moduls durch die einführbaren Gegenstücke zu den Steckkontakten gegeben ist.

Description

Steckbares Energiemessmodul
Die Erfindung betrifft ein steckbares Energiemessmodul zur Erfassung, Anzeige und Steuerung zumindest einer integrierten Energiemenge und einer aktuell erfassten Leistung. Ohne darauf beschränkt zu sein, betrifft die Erfindung insbesondere ein Energiemessmodul zum Einbau in eine elektrische Ladeeinheit, wo es diverse elektrische Parameter erfassen kann und diese für eine Anzeige und Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen kann. Eine vereinfachte Montage des Energiemessmodules erleichtert den Aufbau und die Wartung der elektrischen Ladeeinheit.
Energiemessmodule sind zur Erfassung von zumindest Teilen von Strom, Spannung, Wirkleistung und Energie ausgelegt, die typischerweise einer Abrechnung der elektrischen Energie zu Grunde gelegt werden. Sie können als Modul eines elektrischen Gerätes ausgeführt sein, um die dortigen verteilten oder verbrauchten elektrischen Werte zu erfassen und weiterzuleiten. Weiter können sie besonders gegen Missbrauch geschützt sein, sodass die von ihnen gelieferten Werte besonders vertrauenswürdig sind. Hierfür gibt es Zertifizierungen, die eine solche besondere Vertrauenswürdigkeit bescheinigen, zum Beispiel das Zertifikat gemäß der Richtlinie 2004/22/EG vom 31 . März 2004 über Messgeräte, fachsprachlich auch als "Measuring Instruments Directive" (MID) bezeichnet.
Das zugehörige elektrische Gerät kann als elektrische Ladeeinheit ausgeführt sein, zum Beispiel zum kostenpflichtigen Laden von Akkumulatoren. Es kann auch als Schaltschrank zur Verteilung von elektrischer Energie ausgeführt sein. Durch die Verwendung von zertifizierten Energiemessmodulen kann die übrige Schaltung des elektrischen Gerätes ohne Zertifizierung bleiben, ohne die Vertrauenswürdigkeit der gemessenen Werte zu beeinträchtigen. Üblicherweise werden das elektrische Gerät und das Energiemessmodul separat hergestellt, häufig durch verschiedene Hersteller. Die Befestigung des Energiemessmoduls erfolgt dabei meist in Hutschienen- oder in Frontaleinbaugehäusen, wobei die Verdrahtung mit dem elektrischen Gerät per Kabel erfolgt. Der Einbau des Energiemessmoduls findet häufig erst bei der Montage, Konfiguration oder auch Wartung des elektrischen Gerätes statt.
Allerdings fällt bei der Montage des Energiemessmoduls jeweils erheblicher Verdrahtungsaufwand an. Diverse Leiter müssen in die Leistungspfade der elektrischen Geräte eingeschleift werden. Das bedingt oft erhebliche Querschnitte der verwendeten Kabel, die entsprechend aufwändig zu handhaben sind. Bei einer typischen Montage des Energiemessmoduls auf Baustellen vergrößert sich der Aufwand noch einmal durch die jeweiligen Umstände vor Ort. Auch bei der Montage während der Fertigung fällt ein wesentlicher Montageaufwand an.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik anzugeben, welche den Montageaufwand beim Einbau des Energiemessmoduls in das elektrische Gerät reduziert.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen jedes der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die wahlweise miteinander kombinierbar sind, sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren offenbart.
Ein erster Aspekt betrifft ein Modul zur Messung von elektrischer Energie. Das Modul umfasst ein Gehäuse sowie einen in dem Gehäuse angeordnete Schaltungsträger (beispielsweise eine Leiterplatte) mit elektronischen Bauteilen. Auf dem Schaltungsträger sind Steckplätze mit Steckkontakten angeordnet. Die Steckplätze mit Steckkontakten können dabei als Federkontakte, als Zungenkontakte, als Lamellenkontakte oder als Presskontakte ausgebildet sein. Die Steckkontakte sind dazu ausgebildet, Gegenstücke zu den Steckkontakten aufnehmen zu können. Diese Gegenstücke zu den Steckkontakten können als Anschlussfahnen ausgebildet sein. Die Gegenstücke zu den Steckkontakten können auf einem externen Schaltungsträger (beispielsweise einer externen Leiterplatte) angeordnet sein, um bei einer Einführung in die Steckkontakte (d.h. bei der Aufnahme) einen elektrischen Kontakt herstellen zu können, und um bei der Einführung in die Steckkontakte (d.h. bei der Aufnahme) eine mechanische Verbindung herstellen zu können.
In einem Ausführungsbeispiel können die Steckplätze mit Steckkontakten in einer Anzahl und Anordnung so auf dem Schaltungsträger angeordnet sein, dass eine betriebssichere mechanische Verbindung (d.h. Befestigung) des Moduls durch die einführbaren oder eingeführten Gegenstücke zu den Steckkontakten gegeben ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen können Steckplätze mit Steckkontakten auch auf dem externen Schaltungsträger angeordnet sein, wobei die entsprechenden Gegenstücke zu den Steckkontakten auf dem Schaltungsträger des Moduls angeordnet sein können.
Der Schaltungsträger kann eine oder mehrere Leiterplatten umfassen, wobei nachstehend aus Gründen der Prägnanz und nicht der Beschränkung auf eine Leiterplatte Bezug genommen wird.
Die sichere mechanische Befestigung ergibt sich aus der Haltekraft aller Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindungen sowie durch die Anordnung der Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindung auf der Leiterplatte, d.h. dem Steckergesicht. Dabei ist die Anzahl der Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindung nicht auf die Anzahl der notwendigen Leitungen zwischen Modul und der (bezogen auf das Modul) externen Leiterplatte des elektrischen Geräts beschränkt.
Stattdessen können zum Beispiel die stromführenden Leitungen jeweils auf eine Mehrzahl von Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindungen aufgeteilt werden. Dies hat neben der Reduzierung der ohmschen Widerstände der Federkontakt- Anschlussfahnen-Verbindung durch Parallelschaltung auch eine Verbesserung der mechanischen Haltekräfte durch Vergrößerung der Anzahl der Federkontakt- Anschlussfahnen-Verbindung zur Folge. Des Weiteren kann auch die Verteilung der Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindung die mechanische Verbindung verbessern. Dies kann insbesondere durch Anordnung von zumindest einiger Federkontakt-Anschlussfahnen-Verbindungen entlang oder in der Nähe des äußeren Rands der Modul-Leiterplatte erfolgen. Vorteilhaft kann so auf weitere Befestigungsmittel für das Modul an dem elektrischen Gerät verzichtet werden.
Die Gegenstücke zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte sind auch als Zungenkontakte bekannt. Die Steckkontakte können dabei innerhalb des Gehäuses des Moduls angeordnet sein. Durch entsprechende Ausnehmungen im Gehäuse des Moduls ist die Einführung der Gegenstücke zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte (d.h. die Aufnahme) möglich zur Kontaktierung der Steckkontakte. Diese Ausnehmungen auf Seiten des Moduls können im Wesentlichen einem Querschnitt der Gegenstücke zu den Steckkontakten entsprechen und/oder kleiner ausfallen als Ausnehmungen zur Aufnahme von Steckkontakten wären, was vorteilhaft eine Anfälligkeit für Verschmutzung im Inneren des Moduls reduziert. Weiter vorteilhaft kann so eine Beschädigung der besonders mechanisch empfindlichen Steckkontakte des Moduls durch die Anordnung der Steckkontakte innerhalb des Gehäuses des Moduls vermieden werden, insbesondere bei Lagerung, Montage oder dergleichen.
In Ausführungsbeispielen können bei dem Modul die Steckplätze mit Steckkontakten ausgebildet sein, rechteckige, quadratische und/oder runde Gegenstücke zu den Steckkontakten aufzunehmen. Ergänzend oder alternativ können die Steckplätze mit Steckkontakten verschiedener Größe ein Steckergesicht bilden. Weiter ergänzend oder alternativ können die Gegenstücke zu den Steckkontakten, zum Beispiel Anschlussfahnen, mit Ausnehmungen aufgenommen werden, wobei in die Ausnehmungen Gegenstücke der Steckkontakte bei einer Installation des Moduls eindringen.
Die Auswahl und Anordnung der Steckkontakte mit rechteckigen, quadratischen und/oder runden Gegenstücken zu den Steckkontakten kann gemäß konstruktiver und/oder elektrischer Parameter, der Platzverhältnisse, der erforderlichen Haltekräfte, der Schirmeigenschaften gegen elektromagnetische Strahlung, der Steckkräfte zum Herstellen beziehungsweise Lösen der Steckverbindungen der Stecker des Steckergesicht erfolgen. Es können auch verschieden ausgeführte Gegenstücke zu den Steckkontakten in dem Steckergesicht zum Einsatz kommen. Vorteilhaft kann so den verschiedenen elektrischen und mechanischen Anforderungen Rechnung getragen werden.
Dabei kann das Steckergesicht durch die Anzahl, die Anordnung, verschiedene Kontaktgrößen und/oder durch verschiedene konstruktive Ausführungen der Kontakte bestimmt sein. So können konstruktive Ausführungen der Kontakte Steckkontakte (Zungenkontakte), Aussparungen (Ausnehmungen) oder Vertiefungen umfassen. Die zugehörigen Anschlussfahnen umfassen entsprechende Rastnoppen, die beim Zusammenfügen in die Aussparung oder Vertiefungen eingreifen.
Vorteilhaft wird so die mechanische Haltekraft der Steckverbindung weiter erhöht.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modul die Steckplätze mit Steckkontakten an beiden Längsseiten der Leiterplatte anordnen. Dabei umfasst zum Beispiel jede Längsseite zumindest 6 Steckplätze mit Steckkontakten. Alternativ können an jeder Längsseite 5 Steckplätze mit Steckkontakten angeordnet sein.
Weiter alternativ können an jeder Längsseite zumindest 3 Steckplätze mit Steckkontakten angeordnet sein. Optional können an einer der Längsseiten Steckplätze mit Steckkontakten in der Größe der Steckplätze mit Steckkontakten der anderen Längsseite umfassen und zusätzlich Steckplätze mit Steckkontakten einer kleineren Größe.
Vorteilhaft kann durch 6 Steckplätze je Längsseite eine ausreichende elektrische Verbindung sowie eine ausreichende mechanische Haltekraft sichergestellt werden.
Durch die Anordnung der Steckplätze an beiden Längsseiten der Leiterplatte kann vorteilhaft Bauraum für alternative oder zusätzliche Befestigungsmöglichkeiten des Gehäuses freigehalten werden, wenn die Leiterplatte bis an die Längsseiten des Gehäuses reicht. Dadurch können auch die Gehäusedurchbrüche für die Steckplätze an beiden Längsseiten des Gehäuses angeordnet werden. Somit bleibt vorteilhaft die Gehäuseunterseite mittig frei, zum Beispiel zur Ausgestaltung einer Aufnahme für eine Hutschienenverbindung, einer Fronttafelverbindung oder dergleichen.
Die zumindest 6 Steckplätze mit Steckkontakten an beiden Längsseiten der Leiterplatte beziehungsweise des Gehäuses des Moduls können mittig an zumindest einer Längsseite angeordnet sein. Vorteilhaft kann so die Leiterplatte nur zu einem Teil bis an die Längsseite des Moduls herangeführt sein.
Alternativ können die Steckkontakte seitlich an einem Ende der Längsseite angeordnet sein, wobei optional zwischen den Steckkontakten verschieden große Abstände ausgebildet sein können. Weiter können an zumindest einer der Längsseiten bei Anordnung der Kontakte an einem Ende der Längsseite zusätzlich mehr als 6 Steckplätze mit Steckkontakten einer kleineren Größe am anderen Ende der entsprechenden Längsseite angeordnet sein. Vorteilhaft kann so die Haltekraft beziehungsweise die Lösekraft entlang der Längsseite des Moduls auch bei verschiedenen Ausführungsformen der Steckkontakte zumindest annähernd gleich verteilt werden, was das Aufstecken beziehungsweise das Abstecken des Moduls erleichtert.
In anderen oder jedem Ausführungsbeispiel kann sich die mechanische Befestigung des Moduls auf die Steckplätze mit Steckkontakten beschränken.
Das elektrische Gerät, in das das Modul zur Messung von elektrischer Energie einbaubar ist, kann stationär sein. So kann es als fest installiertes Ladegerät in einer Ladesäule ausgeführt sein. Bei einem solchen Einsatz treten keine oder nur minimale Erschütterungen einer Grundfläche auf, zum Beispiel in Form eines Bürgersteiges, einer Wand, eines Parkplatzes oder dergleichen, auf der die Ladesäule dauerhaft montiert ist. Entsprechend ist es für die mechanische Befestigung des Moduls im elektrischen Gerät ausreichend, den statischen Kräften, die auf das Modul einwirken, zu widerstehen. Dieses wird beispielsweise mit beiden 6 längsseitigen Steckplätzen erreicht. Vorteilhaft kann so auf zusätzliche Befestigungselemente für das Modul in dem elektrischen Gerät verzichtet werden, was zu Kosten-, Handhabungs- und Bauraumvorteilen führt.
In Ausführungsbeispielen kann am Modul zur Messung von elektrischer Energie eine Verplombungsvorrichtung angeordnet sein zur Verplombung des Moduls mit der externen Leiterplatte. Dabei kann die Verplombung als mechanische Verplombung aufgeführt sein, die zum Beispiel mit einem durch die Verbindung mit einem verplombten Plombendraht hergestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Verplombung als digitale Verplombung ausgeführt sein. Das kann ein Austausch von Kennungen beim initialen Aufstecken des Moduls auf die externe Leiterplatte umfassen.
Die mechanische Verplombung kann neben der Verplombung mit Plombendraht auch eine mechanische Sicherung des Moduls auf der externen Leiterplatte umfassen. Dabei können ergänzend Schnappmechanismen oder Verriegelungen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft können solche Verriegelungen zur Verbesserung der mechanischen Befestigung des Moduls auf der externen Leiterplatte dienen.
Das Modul und/oder das elektrische Gerät können jeweils eine Kennung (beispielsweise eine Zahl oder eine alphanumerische Zeichenfolge) aufweisen, mit deren Hilfe sich das einzelne Modul beziehungsweise das einzelne elektrische Gerät identifizieren lässt. Die ausgetauschten Kennungen können als Basis für Signaturen oder Verschlüsselungen von Modul beziehungsweise vom elektrischen Gerät ausgegebenen Signalen dienen. Vorteilhaft wird so ein Austausch des Moduls oder des elektrischen Gerätes festgestellt, was Missbrauch bei der Verbrauchserfassung erschweren kann.
Weiter kann nach obigem Austausch von Modul beziehungsweise elektrischen Gerät der Betrieb des elektrischen Gerätes unterbunden werden. Darüber hinaus kann der Betrieb erst nach Eingabe eines Schlüssels wiederaufgenommen werden durch die Freigabe des Betriebs des elektrischen Gerätes, zum Beispiel der Ladesäule. Vorteilhaft kann so der Missbrauch bei der Verbrauchserfassung weiter erschwert werden. Eine Kennung des Moduls kann in der Verplombungsvorrichtung des Moduls gespeichert sein. Der Austausch von Kennungen kann eine Übertragung der Kennung des Moduls von der Verplombungsvorrichtung mittels der elektrischen Kontaktierung an eine externe Verplombungsvorrichtung des externen Schaltungsträgers umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine Kennung des externen Schaltungsträgers in der externen Verplombungsvorrichtung des externen Schaltungsträgers gespeichert sein. Der Austausch von Kennungen kann eine Übertragung der Kennung des externen Schaltungsträgers von der Verplombungsvorrichtung des externen Schaltungsträgers mittels der elektrischen Kontaktierung an die Verplombungsvorrichtung des Moduls umfassen.
Der Austausch der Kennungen kann eine verschlüsselte Kommunikation umfassen. Beispielsweise kann die Verplombungsvorrichtung des Moduls ein Paar aus öffentlichem Schlüssel und privatem Schlüssel umfassen, an die externe Verplombungsvorrichtung den öffentlichen Schlüssel übertragen, von der externen Verplombungsvorrichtung deren Kennung verschlüsselt mittels des öffentlichen Schlüssels erhalten, und mittels des privaten Schlüssels die verschlüsselte Kennung entschlüsseln. Alternativ oder ergänzend wird nicht die Kennung selbst übertragen, sondern ein Beweis dafür, dass die Verplombungseinrichtung des Moduls bzw. die externe Verplombungseinrichtung ihre jeweilige Kennung zweifelsfrei besitzt, beispielsweise mittels einer Challenge-Response-Authentifizierung.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann bei dem Modul zur Messung von elektrischer Energie die Anordnung der Steckplätze mit Steckkontakten im Steckergesicht eine Information über die Ausgestaltung (beispielsweise eine Kodierung) des Moduls umfassen. Ergänzend oder alternativ kann die Anordnung der Steckplätze mit Steckkontakten im Steckergesicht einen Versatz oder ein Verdrehen des Moduls bei Installation auf den Gegenstücken zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte ausschließen.
Die Information über die Ausgestaltung des Moduls kann die Bauart und/oder die Funktion des Moduls kennzeichnen, die jeweils bei der Signalisierung zwischen externer Leiterplatte des elektrischen Geräts und dem Modul berücksichtigt werden kann. Zur entsprechenden Kodierung der Modul-Identität können verschiedene Gegenstücke zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte keine entsprechenden Steckplätze mit Steckkontakten des Moduls finden. Die kodierte Ausgestaltung des Moduls kann die Belegung der Steckplätze mit Signalen umfassen, die verwendeten Protokolle zum Signalaustausch, Anweisungen an den Betrieb des elektrischen Geräts oder dergleichen mehr. Vorteilhaft können so automatisch die Betriebsweisen von Modul und externer Leiterplatte beziehungsweise des elektrischen Geräts aufeinander abgestimmt werden.
Durch das Steckergesicht, das einen Versatz oder ein Verdrehen des Moduls bei Installation auf den Gegenstücken zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte ausschließt, lassen sich vorteilhaft Montagefehler verhindern. Diese können die Deplatzierung des Moduls auf der externen Leiterplatte als auch die Verwendung von nicht geeigneten Modulen umfassen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das Modul zur Messung von elektrischer Energie zusätzlich zu den Steckplätzen mit Steckkontakten elektrische Leitungen umfassen, die mit der externen Leiterplatte gekoppelt oder koppelbar sind. Die gekoppelten oder koppelbaren Leitungen können mit dem Modul elektrisch leitend verbunden bzw. verbindbar sein.
So können Messströme nicht über die Steckplätze geführt werden, zum Beispiel zur Vermeidung der dadurch entstehenden Widerstände in der Verbindung.
Entsprechend werden gegebenenfalls zu verplombende Kabel zwischen der externen Leiterplatte und dem Modul installiert. Zwar ist mit dieser Anordnung eine Erschwernis des Austausches des Moduls gegeben. Allerdings beschränkt sich diese Kabelführung auf wenige Kabel (Leitungen), zum Beispiel auf 3 Leitungen, sodass gegenüber einer vollständigen Verdrahtung und Verplombung vorteilhaft eine Vereinfachung bei Montage oder Austausch erreicht wird.
In Ausführungsbeispielen kann das Modul zur Messung von elektrischer Energie Koppler umfassen zur Strommessung in den elektrischen Leitungen ohne elektrischen Kontakt mit den Leitungen.
Stattdessen können Leitungen mit Messströmen durch Messwandler in dem Modul erfasst werden zur galvanisch getrennten Messung der Messströme. Dadurch kann vorteilhaft die Einfügung weiterer Widerstände bei den Messströmen vermieden werden ohne wesentliche Beeinträchtigung der Messgenauigkeit.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modul zur Messung von elektrischer Energie weitere elektrische Leitungen des Moduls als Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen umfassen. Diese können optional zur Ansteuerung eines nicht auf der Leiterplatte angeordneten Displays (oder einer Anzeige) und/oder zur elektrischen Verbindung von zumindest einem nicht auf der Leiterplatte angeordneten Bedienelement dienen. Dabei ist das Display und/oder das Bedienelement bei geschlossenem Gehäuse des elektrischen Gerätes sichtbar beziehungsweise bedienbar.
Diese Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen können zumindest zum Teil mit der externen Leiterplatte verbunden sein, zum Beispiel in dem Fall, dass das Display und/oder das Bedienelement über die externe Leiterplatte mit der Leiterplatte des Moduls elektrisch verbunden ist und das Display und/oder das Bedienelement außerhalb des elektrischen Gerätes ablesbar beziehungsweise bedienbar ist. Diese Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen können ebenfalls über Steckkontakte (beispielsweise an den Steckplätzen) mit der externen Leiterplatte verbunden sein. Vorteilhaft können so Informationen vom Modul über das elektrische Gerät an einen Bediener ausgegeben werden. Weiter vorteilhaft kann der Bediener das Modul über das elektrische Gerät bedienen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann am Modul zur Messung von elektrischer Energie zumindest ein Steckplatz mit Steckkontakten (beispielsweise einer der Steckplätze) für den Betrieb von seriellen Schnittstellen vorhanden sein, die optional als Ethernet und/oder RS485 und/oder für den Betrieb als digitale Ein- und Ausgänge ausgebildet sind.
Diese seriellen Schnittstellen können der Steuerung des Moduls dienen. So kann das Modul in vorgegebene Betriebszustände versetzt werden, die zum Beispiel ein Freigeben oder Sperren des Moduls, den Austausch der Kennungen oder dergleichen umfassen können. Alternativ oder ergänzend können sie der Ausgabe von Signalen des Moduls dienen in Form von digitalen Ein- und Ausgängen. Diese ausgegebenen Signale können durch das Modul erfasste Messwerte umfassen. Durch die Verwendung von standardisierten Schnittstellen kann eine Anpassung der externen Leiterplatte und des elektrischen Gerätes an die Moduleigenschaften beziehungsweise des Moduls an die externe Leiterplatte und des elektrischen Gerätes vorteilhaft vereinfacht werden. Weiter lassen sich vorteilhaft durch die serielle Schnittstelle Steckplätze einsparen. In Ausführungsbeispielen kann bei dem Modul zur Messung von elektrischer Energie zumindest ein Steckplatz mit Steckkontakten dazu ausgebildet sein, den zu messenden Strom und/oder die zu messende Spannung zu übertragen.
Bei höheren Strömen können auch mehrere parallel geschaltete Steckplätze mit Steckkontakten den zu messenden Strom übertragen. Die Anzahl der parallel geschalteten Steckplätze mit Steckkontakten sowie deren elektrische Eigenschaften werden so gewählt, dass eine unerwünschte Beeinträchtigung des zu messenden Stroms und/oder der zu messenden Spannung unterbleibt. Vorteilhaft kann so eine unerwünschte Beeinträchtigung der Messwerte vermieden werden bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der einfacheren Montagemöglichkeit ohne Verdrahtungsaufwand.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modul zur Messung von elektrischer Energie konform mit der Richtlinie MID ("Measuring Instruments Directive") sein. Weiter kann das Modul konform gemäß eines weiteren oder mehrerer weiterer Zertifikate zur vertrauenswürdigen Abrechnung sein. Ergänzend oder alternativ kann es eine Impuls-LED enthalten oder ansteuern, die Impulse proportional zur abgegebenen Leistung ausgibt.
Die Messgeräterichtlinie 2014/32/EU, MID, ist eine Richtlinie der Europäischen Union, die versucht, viele Aspekte des gesetzlichen Messwesens in allen Mitgliedsstaaten der EU zu harmonisieren. Sie schreibt unter anderem vor, dass zumindest eine integrierte Energiemenge (kWh über das Display) sowie die aktuelle Leistung (kW gemäß Impuls-LED) von außen prüfbar sind. Die MID-Prüfung des Moduls erfolgt unabhängig von seiner späteren Verwendung. Mit der MID- Konformität wird dem Modul auch eine erhöhte Missbrauchssicherheit bescheinigt. Entsprechend verlangen viele Betreiber von entsprechenden elektrischen Geräten, zum Beispiel einem elektrischen Gerät in einer KFZ-Ladestation, eine solche Bescheinigung. Vorteilhaft kann somit ein erhöhter Missbrauchsschutz erreicht werden.
In anderen Ausführungsbeispielen oder gemäß einem zweiten Aspekt kann ein Ladegerät für ein Fahrzeug das Modul zur Messung von elektrischer Energie und die externe Leiterplatte umfassen. Dabei umfasst die externe Leiterplatte ergänzend einen Lade-Controller und (beispielsweise alle) Leistungskomponenten zum Laden des Fahrzeugs. Das Ladegerät zum Laden des Fahrzeugs kann als Gesamtmodul bereitgestellt sein, das für vielfältigen Einsatz in Endprodukten geeignet ist und entsprechend alle relevanten Ladefunktionen umfasst. Vorteilhaft kann so ein Endprodukt, zum Beispiel eine Ladesäule oder Wallbox, eine Ladefunktion für eine Ladung eines Fahrzeugs integrieren, ohne eigene diesbezügliche Funktionalität ergänzend bereitzustellen. Das Ladegerät kann eine Ausführungsform des elektrischen Geräts sein.
Nachstehend wird aus Gründen der Prägnanz und nicht der Beschränkung auf eine Ladesäule Bezug genommen wird, wobei des Entsprechende für eine Wallbox gelten kann.
In jedem Aspekt kann das Modul dazu ausgebildet sein, Signale signiert zu übertragen, wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige elektrisch indirekt mit dem Modul verbunden ist oder wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige nicht auf dem Schaltungsträger des Moduls angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann das Modul dazu ausgebildet sein, die elektrischen Signale zwischen dem Modul und der eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige unsigniert zu übertragen, wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige elektrisch direkt mit dem Modul verbunden ist oder wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige auf dem Schaltungsträger des Moduls angeordnet ist.
In Ausführungsbeispielen oder gemäß einem dritten Aspekt kann eine Ladesäule zum elektrischen Laden eines Fahrzeugs das Ladegerät umfassen. Die Ladesäule weist eine eingebaute Bedien- oder Benutzer-Anzeige auf, wobei die Bedien- oder Benutzer-Anzeige optional berührungsempfindlich ausgeführt ist.
Die Bedien- oder Benutzer-Anzeige kann die Funktionalität des MID umfassen. So kann die Benutzer-Anzeige die integrierte Energiemenge (kWh) sowie die aktuelle Leistung (kW gemäß Impuls-LED) anzeigen. Weiter kann die Benutzer-Anzeige das Bedienelement des Moduls umfassen. Vorteilhaft kann somit die Ladesäule zur MID- Konformität beitragen.
In manchen Ausführungsbeispielen wird die Ladesäule elektrische Signale zwischen dem Modul und der eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige signiert übertragen, wenn die in die Ladesäule eingebaute Bedien- oder Benutzer-Anzeige elektrisch indirekt mit dem Modul verbunden ist. Optional basiert die Signierung auf zumindest einer der ausgetauschten Kennungen. Alternativ werden elektrische Signale zwischen dem Modul und der eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige unsigniert übertragen, wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige elektrisch direkt mit dem Modul verbunden ist.
Die indirekte elektrische Verbindung zwischen dem Modul und der eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige kann zum Beispiel über die externe Leiterplatte des elektrischen Gerätes geführt sein. Ergänzend kann sie vom elektrischen Gerät zur Ladesäule übertragen werden. Alternativ kann die in der Ladesäule enthaltene Bedien- oder Benutzer-Anzeige auch in das elektrische Gerät eingebaut sein, das in der Ladesäule so angeordnet ist, dass es von einem Bediener bedient werden kann. In diesen Fällen kann den zu übertragenden Signalen eine Signatur hinzugefügt werden. Ergänzend oder alternativ können die zu übertragenden Signale verschlüsselt werden. Dabei kann optional die Verschlüsselung auf den ausgetauschten Kennungen von Modul und elektrischem Gerät basieren. Vorteilhaft kann so die Verfälschung der Signale beziehungsweise der unerlaubte Abgriff der Signale erschwert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Ladesäule nach Änderung zumindest einer der Kennungen des Moduls und der externen Leiterplatte ein Laden mit der Ladesäule verhindert sein. Optional ist erst nach Eingabe eines Schlüssels ein erneuter Kennungsaustausch möglich zur erneuten digitalen Verplombung von Modul und externer Leiterplatte.
Die Änderung zumindest einer der Kennungen des Moduls und der externen Leiterplatte kann dabei durch den Betreiber der Ladesäule veranlasst sein. Dabei können besondere Sicherungsmechanismen zum Einsatz kommen, die eine gegenseitige Authentifizierung umfassen können und neben der Kennung auch auf geheime Schlüssel zurückgreifen, die sich vom genannten Schlüssel unterscheiden. Ergänzend kann die Eingabe des Schlüssels für einen erneuten Kennungsaustausch durch den Betreiber veranlasst werden, wiederum unter Einsatz der besonderen Sicherungsmechanismen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen, die wahlweise miteinander kombinierbar sind, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung des Moduls zur Messung von elektrischer Energie gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Blockdarstellung des Moduls mit einem Steckergesicht gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine schematische Blockdarstellung des Moduls mit einer Verplombung gemäß einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4 eine schematische Blockdarstellung des Moduls mit elektrischen Leitungen gemäß einer vierten Ausführungsform,
Fig. 5 eine schematische Blockdarstellung der Leiterplatte des Moduls mit elektrischen Kopplern gemäß einer fünften Ausführungsform,
Fig. 6 eine schematische Blockdarstellung des Moduls mit Signalisierungs- und/oder Steuerleitungen gemäß einer sechsten Ausführungsform,
Fig. 7 eine schematische Blockdarstellung eines Ladegerätes gemäß einer siebten Ausführungsform,
Fig. 8 eine schematische Blockdarstellung einer Ladesäule gemäß einer achten Ausführungsform, und
Fign. 9a und 9b eine perspektivische Ansicht des Moduls und der externen Leiterplatte mit einigen konstruktiven Merkmalen gemäß einer neunten Ausführungsform.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung des Moduls 10 zur Messung von elektrischer Energie. Das Modul umfasst ein Gehäuse 20 sowie eine in dem Gehäuse angeordnete Leiterplatte 30 mit elektronischen Bauteilen. Auf der Leiterplatte sind Steckplätze 40 mit Steckkontakten angeordnet, die sich innerhalb des Gehäuses 20 befinden. Das Bezugszeichen 40 des Steckplatzes wird auch für den jeweiligen Steckkontakt verwendet. Die Steckplätze 40 mit Steckkontakten sind ausgebildet zur Aufnahme von Gegenstücken zu den Steckkontakten 50, die auf einer externen Leiterplatte 60 angeordnet sind, mit denen bei Einführung in die Steckkontakte ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, und mit denen bei Einführung in die Steckkontakte eine mechanische Verbindung hergestellt wird. Dazu sind im Gehäuse 20 Ausnehmungen (nicht gezeigt) so angeordnet, dass die Gegenstücke zu den Steckkontakten 50 die Steckkontakte 40 kontaktieren können. Die Steckplätze mit Steckkontakten sind in einer Anzahl und Anordnung so auf der Leiterplatte angeordnet (nicht gezeigt), dass eine sichere mechanische Befestigung des Moduls durch die einführbaren Gegenstücke zu den Steckkontakten gegeben ist. Der Übersichtlichkeit halber ist die externe Leiterplatte 60 mit den Gegenstücken zu den Steckkontakten 50 im nicht kontaktierten Zustand in Bezug auf das Modul 10 dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Blockdarstellung der Leiterplatte 30 mit einem Steckergesicht 110, wobei das Steckergesicht durch die Steckkontakte 40 gebildet wird. Dabei sind die Steckplätze mit Steckkontakten 40 auf der Leiterplatte 30 ausgebildet, rechteckige, quadratische und/oder runde Gegenstücke zu den Steckkontakten aufzunehmen (nicht gezeigt). Ergänzend oder alternativ können die Steckplätze mit Steckkontakten 40 verschiedener Größe das Steckergesicht 110 bilden, wobei Steckplätze mit großen Steckkontakten 40a und Steckplätze mit kleinen Steckkontakten 40b gezeigt sind. Weiter ergänzend oder alternativ können die Gegenstücke zu den Steckkontakten in Ausnehmungen des Gehäuses 20 aufgenommen werden (nicht gezeigt), wobei in die Ausnehmungen Gegenstücke der Steckkontakte bei einer Installation des Moduls eindringen.
Weiter zeigt das Modul die Anordnung der Steckplätze mit Steckkontakten 40a, 40b an beiden Längsseiten 30a, 30b der Leiterplatte 30. Dabei umfasst jede Längsseite 30a und 30b 6 Steckplätze mit großen Steckkontakten 40a. An der oberen Längsseite 30b umfassen die Steckplätze mit Steckkontakten solche in der Größe der Steckplätze mit Steckkontakten 40a der unteren Längsseite 30a und zusätzlich solche Steckplätze mit Steckkontakten einer kleineren Größe 40b. Dabei sind an der oberen Längsseite 30b die größeren Steckkontakte 40a am linken Ende der Längsseite 30b in gleichen Abständen zueinander angeordnet mit der Ausnahme, dass nach den zwei äußeren Steckplätzen eine größere Lücke zum nächsten Steckplatz vorhanden ist. Am rechten Ende der Längsseite 30b sind die kleineren Steckkontakte 40b wiederum in gleichen Abständen zueinander angeordnet, wobei die Abstände kleiner sind als bei den größeren Steckkontakten 40a. An der unteren Längsseite 30a der Leiterplatte 30 sind die 6 Steckplätze mit großen Steckkontakten 40a hingegen mittig in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Im Gehäuse 20 (nicht gezeigt) kann durch die Anordnung der Steckkontakte 40a, 40b an den Längsseiten 30a, 30b der Gehäuseunterseite zwischen den Steckkontakten Bauraum für alternative oder ergänzende Befestigungselemente genutzt werden, zum Beispiel zur Ausgestaltung einer Aufnahme für eine Hutschienenverbindung, einer Fronttafelverbindung oder dergleichen.
Alternativ ist die mechanische Befestigung des Moduls auf die Steckplätze mit den Steckkontakten beschränkt. Durch die hier gezeigte Anordnung und Ausgestaltung der Steckkontakte wird bereits durch die großen Steckkontakte 40a allein eine ausreichende Haltekraft für das Modul erzeugt, zumindest bei einer festen Montage des elektrischen Geräts mit der externen Leiterplatte.
Ergänzend umfasst die Anordnung der Steckplätze mit den Steckkontakten 40a, 40b im Steckergesicht eine Information über die Ausgestaltung des Moduls.
Entsprechend ist die Installation eines nicht kompatiblen Moduls erschwert beziehungsweise nicht möglich. Weiter ist eine Kodierung des Moduls durch Freilassen von Gegenstücken zu den Steckkontakten 50 der externen Leiterplatte 60 möglich (nicht gezeigt). Zusätzlich wird durch die Anordnung der Steckplätze mit Steckkontakten im Steckergesicht ein Versatz oder ein Verdrehen des Modules bei Installation auf den Gegenstücken zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte ausgeschlossen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Blockdarstellung des Moduls 10 mit einer mechanischen Verplombung 70, 80. Dafür umfasst das Gehäuse 20 einen separaten Verplombungssteg 70, der seitlich an eine Seitenwand angeflanscht ist. Dieser Verplombungssteg 70 umfasst ein Loch für den Verplombungsdraht. Entsprechende befindet sich in der externen Leiterplatte 60 zumindest ein Verplombungsloch 80 für Durchführung des Verplombungsdrahts. Der durch die Löcher des Moduls 10 und der externen Leiterplatte 60 geführte Verplombungsdraht wird durch eine Plombe fixiert.
Alternativ oder ergänzend ist die Verplombung als digitale Verplombung ausgeführt. Dazu sind in einem Speicher 90 Informationen zur digitalen Verplombung im Modul hinterlegt. Korrespondierende Information ist in einem Speicher 100 der externen Leiterplatte hinterlegt. Die Verplombung kann auf einem Austausch einer Kennung des Modules und einer Kennung der externen Leiterplatte basieren. Bei Nichtübereinstimmung der erhaltenen Kennung mit der erwarteten Kennung kann der Betrieb des Moduls eingestellt werden. Diese Kennungen können gegen Veränderungen besonders geschützt sein, zum Beispiel durch eine vorgeschaltete Authentifizierung. Die eigene Kennung des Moduls kann im Speicher 90 hinterlegt sein. Die eigene Kennung der externen Leiterplatte kann im Speicher 100 hinterlegt sein.
Fig. 4 zeigt das Modul 10 zur Messung von elektrischer Energie mit zumindest drei elektrischen Leitungen 120 zusätzlich zu den Steckplätzen mit Steckkontakten 40, denen die Gegenstücke zu den Steckkontakten 50 der externen Leiterplatte 60 gegenüberstehen. Jede der zumindest drei Leitungen 120 wird durch jeweils einen auf der Leiterplatte 30 des Moduls 10 angeordneten Stromsensor 35 geführt. Die Stromsensoren 35 sind von den Leitungen 120 galvanisch getrennt (berührungslos) und ermitteln anhand der durch elektrische Ströme ausgelösten magnetischen Flussdichte die jeweilige Stromstärke. Diese drei Leitungen 120 führen zur externen Leiterplatte und sind mit dieser elektrisch leitend verbunden. Sie führen den zu messenden Strom entsprechend der Drehstromphasen jeweils um 120° versetzt.
Das Modul 10 umfasst auf seiner Leiterplatte 30 zumindest einen Steckplatz mit Steckkontakten für den Betrieb von seriellen Schnittstellen 150, die als Ethernet und/oder RS485 und/oder für den Betrieb als digitale Ein- und Ausgänge ausgebildet sind. Diese können Daten zur Parametrierung sowie Messergebnisse umfassen. Vorteilhaft lassen sich durch die serielle Schnittstelle Steckplätze einsparen.
Beispielsweise können die Messergebnisse (teilweise oder vollständig, und/oder periodisch, ereignisgetrieben oder auf Anfrage) über die serielle Schnittstelle 150 an eine übergeordnete und/oder außerhalb einer Ladesäule des Moduls 10 angeordnete Steuerung übertragen werden. Die übergeordnete Steuerung kann beispielsweise eine Steuerung für eine Vielzahl benachbarter Ladeparklätze sein.
Bei dem Modul 10 ist zumindest ein Steckplatz mit Steckkontakten 160 dazu ausgebildet, den zu messenden Strom und/oder die zu messende Spannung zu übertragen. Alternativ kann auch nur die zu messende Spannung über die Steckkontakte 160 übertragen werden in Ergänzung der Stromübertragung durch die Leitungen 120. Weiter alternativ können auch die Leitungen 120 entfallen (nicht gezeigt) und Strom und Spannung über eine Mehrzahl von Steckkontakten 160 übertragen werden. Fig. 5 zeigt das Modul 10 zur Messung von elektrischer Energie, das einen Koppler 130 umfasst zur Strommessung in den elektrischen Leitungen ohne elektrischen Kontakt mit den Leitungen. Die Koppler 130 sind als (beispielsweise induktive) Messwandler ausgeführt. Dabei sind die Koppler 130 auf der Leiterplatte 30 angeordnet. Alternativ können die Koppler auch an anderer Stelle im Modul angeordnet sein, zum Beispiel auf einer Hilfsleiterplatte (nicht gezeigt) oder am Gehäuse 20 montiert (nicht gezeigt).
Fig. 6 zeigt eine schematische Blockdarstellung des Moduls 10. Dabei umfasst das Modul 10 zur Messung von elektrischer Energie Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen 140. Diese sind an der Leiterplatte 30 elektrisch leitend befestigt. Optional können sie auch anderweitig elektrisch leitend befestigt sein, zum Beispiel an einer Hilfsleiterplatte (nicht gezeigt). Sie dienen zur Ansteuerung eines nicht auf der Leiterplatte 30 angeordneten Displays 143 und zur elektrischen Verbindung von zumindest einem nicht auf der Leiterplatte angeordnetem Bedienelement 145. Dabei ist das Display 143 und das Bedienelement 145 bei geschlossenem Gehäuse 20 des Moduls 10 sichtbar beziehungsweise bedienbar. Alternativ kann nur das Display 143 oder nur das Bedienelement 145 vorhanden sein (nicht gezeigt). Weiter alternativ können das Display 143 und das Bedienelement 145 auch bei geschlossenem Gehäuse des elektrischen Geräts sichtbar beziehungsweise bedienbar sein (nicht gezeigt). Zusätzlich alternativ können die Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen 140 über die externe Leiterplatte 60 des elektrischen Geräts geführt sein (nicht gezeigt).
Weiter ist das Modul 10 MID (Measuring Instruments Directive) konform. Entsprechend werden zumindest eine integrierte Energiemenge (kWh) über das Display 143 angezeigt sowie die aktuelle Leistung (kW) über eine Impuls-LED 170, die Impulse proportional zur abgegebenen Leistung ausgibt. Die Impuls-LED 170 wie das Display 143 sind von einem Bediener des elektrischen Gerätes von außen prüfbar. Das Display 143, das Bedienelement 145 und die Impuls-LED 170 sind dabei Bestandteile des Moduls. Alternativ können sie auch als separate Komponenten durch das Modul angesteuert werden (nicht gezeigt).
Fig. 7 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Ladegerätes 180 für ein
Fahrzeug. Dieses umfasst das Modul 10 zur Messung von elektrischer Energie und die externe Leiterplatte 60, deren Steckkontakte beziehungsweise Gegenstücke zu den Steckkontakten ebenfalls dargestellt sind. Dabei umfasst die externe Leiterplatte 60 ergänzend einen Lade-Controller 190 und alle Leistungskomponenten 200 für eine Ladung eines Fahrzeugs. Das Ladegerät 180 ist zum Einbau in eine Station vorgesehen und umfasst alle notwendigen mechanischen und elektrischen Anschlüsse dafür (nicht gezeigt).
Fig. 8 zeigt eine schematische Blockdarstellung einer Ladesäule 210. Diese dient zur elektrischen Ladung eines Fahrzeugs. Sie umfasst eine eingebaute Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 sowie das Ladegerät 180, wobei die Bedien- oder Benutzer- Anzeige 220 optional berührungsempfindlich ausgeführt ist. Alternativ kann eine Benutzerführung auch separat über entsprechende Tasten 154 durchgeführt werden (nicht gezeigt). Weiter alternativ kann die Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 durch das Modul 10, dem Ladegerät 180 oder der Ladesäule 210 selbst bereitgestellt werden. Alle Elemente (Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220, gegebenenfalls Tasten 154 sowie gegebenenfalls Impuls-LED 170) sind vom Bediener zu erkennen beziehungsweise zu bedienen. Somit sind die Voraussetzungen für eine MID- Konformität gegeben.
In der Ladesäule 210 werden elektrische Signale 230 zwischen dem Modul 10 und der eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 signiert übertragen, wenn die in die Ladesäule 210 eingebaute Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 elektrisch indirekt mit dem Modul 10 verbunden ist. Dies kann der Fall sein, wenn die elektrischen Signale 230 über die externe Leiterplatte 60 geführt sind. Die Signierung basiert auf zumindest einer der ausgetauschten Kennungen. Alternativ werden elektrische Signale 230 zwischen dem Modul und der eingebauten Bedien- oder Benutzer- Anzeige unsigniert übertragen, wenn die Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 elektrisch direkt mit dem Modul 10 verbunden ist und somit die Bedien- oder Benutzer-Anzeige 220 ein Element des Moduls 10 ist.
Weiter verhindert die Ladesäule 210 nach Änderung zumindest einer der Kennungen des Moduls 10 und der externen Leiterplatte 60 ein Laden mit der Ladesäule 210. Optional ist erst nach Eingabe eines Schlüssels ein erneuter Kennungsaustausch zwischen dem Modul 10 und der externen Leiterplatte 60 möglich zur erneuten digitalen Verplombung von Modul 10 und externer Leiterplatte 60.
Fign. 9a und 9b zeigen das Modul 10 und die externe Leiterplatte 60 mit einigen konstruktiven Merkmalen. Dabei zeigt Fig. 9a einen zusammengebauten Zustand von Modul 10 und externer Leiterplatte 60. Fig. 9b zeigt einen nicht zusammengebauten Zustand von Modul 10 und externer Leiterplatte 60. Die Unterfläche des Moduls 10 lässt dabei die Ausnehmungen 115 im Gehäuse 20 des Moduls 10 zur Einführung der Gegenstücke zu den Steckkontakten der externen Leiterplatte 60 erkennen. Die zugehörigen Gegenstücke zu den Steckkontakten 50 sind auf der externen Leiterplatte 60 zu erkennen. Ergänzend sind auf der externen Leiterplatte 60 noch Klemmelemente für Verkabelung gezeigt.
Mit anderen Worten lässt sich die Erfindung wie folgt beschreiben: Bekannt sind Messgeräte in allen Formen und Ausführungen. Speziell die bekannten multifunktionalen Energiemessgeräte sind meist in Hutschienen- oder Fronttafeleinbaugehäusen untergebracht. In den Anwendungen werden die bekannten Messgeräte dann auch so eingesetzt. Die Messgeräte werden über Kabel in den Leistungspfad, der die Anwendung mit Strom und Spannung versorgt, angeschlossen. Genauso werden alle Schnittstellen über Kabel angeschlossen.
In erfinderischen Anwendungen kann der Verdrahtungsaufwand vermieden werden, wenn das Messgerät (Modul 10) auf eine vorhandene Träger-Leiterplatte (externen Leiterplatte 60 des elektrischen Geräts) gesteckt werden kann. Dies kann zum Beispiel in der Ladeinfrastruktur bei der Elektro-Mobilität zum Tragen kommen. Hier sind meist die Lade-Controller auf Leiterplatten (externe Leiterplatte 60) in einem Gehäuse untergebracht. Diese Leiterplatte mit Lade-Controller (externe Leiterplatte 60) enthalten auch alle Leistungskomponenten (Leistungskomponenten des Ladegeräts 200) für die Fahrzeugladung. In Ergänzung zur Ladesteuerung kann zusätzlich ein Energiemessgerät (Modul 10) aufgesteckt werden. Insbesondere ist dieses ein für die jeweiligen lokalen Anforderungen eichrechtskonformes Messgerät (Modul 10). Das Messgerät (Modul 10) kann die jeweilige lokal geforderte Eichrechtskonformität für sich erhalten und somit unabhängig von der Anwendung qualifiziert werden.
Der Verdrahtungsaufwand entfällt vollständig durch das einfache Aufstecken des Messgerätes (Modul 10) auf die vorhandene Träger-Leiterplatte (externe Leiterplatte 60). Die Steckkontakte (Steckplätze mit Steckkontakten 40) enthalten die Leistungskomponenten, die zur vollständigen Erfassung der Messfunktionen notwendig sind. Mit anderen Worten, der Ladestrom und die Ladespannung als Komponenten der elektrischen Leistung P=U*I liegen an den Steckkontakten an beziehungsweise fließen über die Steckkontakte zum und vom Modul 10. Dies gilt insbesondere für eine dreiphasige Netzanbindung, sodass die Energieaufnahme eines nachgeschalteten Verbrauchers gemessen werden kann. Alternativ kann der Messstrom nicht über die Leiterplatte 30, sondern durch Messwandler 130 geführt werden.
Das Messgerät (d.h. das Modul 10) kann ein Multifunktionsmessgerät sein, das einzelne oder alle für Messgeräte bekannte Funktionen enthält, zum Beispiel Strom- und Spannungsmessung, Leistungs- und Energiemessung für Wirk-, Blind- und Schein-Leistung und/oder -Energie.
Das Messgerät kann insbesondere MID-konform sein. Das Messgerät kann ein Display 143 und Bedienelemente 145 enthalten. Weiter kann das Messgerät eine Impuls-LED 170 enthalten, die Impulse proportional zur abgegebenen Leistung ausgibt.
Das Messgerät kann Schnittstellen enthalten, die auch über Steckkontakte (Steckplätze mit Steckkontakten 40) auf die Trägerleiterplatte (externe Leiterplatte 60) geführt werden können. Dies kann insbesondere serielle Schnittstellen 150 aber auch digitale Ein- und Ausgänge 150 umfassen. Die seriellen Schnittstellen 150 können zum Beispiel Ethernet oder RS485 sein. Über diese Schnittstellen kann zum Beispiel eine übergeordnete Ladesteuerung mit dem Messgerät (d.h. dem Modul 10) kommunizieren. So können zum Beispiel abrechnungsrelevante Daten, wie die für die Ladung abgegebene Energie übermittelt werden. Dies kann auch in einem sicheren Modus geschehen, in dem die Messdaten zum Beispiel signiert werden. Das Messgerät kann durch eine geeignete mechanische Anordnung gegen ein unautorisiertes Entfernen oder Manipulieren gesichert werden. Dies kann z.B. eine mechanische Verriegelung sein, die mit geeigneten Mitteln verplombt werden kann.
Das Messgerät (Modul 10) kann sich aus der Messspannung speisen und/oder durch eine Hilfsspannung versorgt werden, sodass das Messgerät auch zwischen einem Schalter und einem Verbraucher im Leistungspfad angeschlossen werden kann.
In einer Ladesäule 210 ist eine Ladesteuerung 190 auf einer Leiterplatte 60 integriert. Wenn nun die jeweilige Energieaufnahme des zu ladenden Fahrzeugs aufgenommen werden soll, wird üblicherweise ein MID-konformer Energiezähler (d.h. das Modul 10) zusätzlich im Gehäuse verbaut. Dies bedeutet im Stand der Technik einen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Dagegen kann der Energiezähler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf die beschriebene Weise aufgesteckt werden, wodurch der Aufwand ganz erheblich reduziert ist.
Die aufsteckbare Baugruppe (d.h. eine Ausführungsform des Moduls 10) bietet zusätzlich zur offensichtlichen Funktion die Möglichkeit, mit der Elektronik der Ladesäule 210 zu kommunizieren. Diese Kommunikation kann zum Beispiel über eine serielle Schnittstelle 150 stattfinden.
Für die Anwendung als Ladesäule 210 sind die Informationen der Energiemenge pro Ladevorgang relevant. Diese Informationen können gegebenenfalls verschlüsselt zwischen Ladesäule 210 und Messgerät (d.h. dem Modul 10) ausgetauscht werden. Das Messgerät kann eine zusätzliche Funktion beinhalten, welche die Energiemenge für die aktuelle Ladung durch Signale aus der Ladesäule gekennzeichnet zurückmeldet.
Das Steckergesicht des Messgerätes (d.h. das Steckergesicht des Moduls 110) ist so gestaltet, dass eine versehentlich falsche Installation nicht möglich ist. Dazu sind die Steckverbindungen (Steckplätze mit Steckkontakten 40) so angeordnet, dass ein Versatz oder ein Verdrehen des Messgeräts nicht möglich ist.
Bei der Erstinstallation können Messgerät (d.h. Modul 10) und Ladesäule 210 Kennungen austauschen und abspeichern, die es erlauben, gegenseitig einen Wechsel der Geräte zu erkennen. Die Ladesäule 210 kann auf alle relevanten Messergebnisse des Messgerätes zugreifen, um den Zustand und die Belastung des gesamten Ladestranges zu beurteilen. Um die M ID-Konformität des Messgerätes (d.h. des Moduls 10) in der Ladesäule 210 sicher zu stellen ist es erforderlich, dass das Display 143 und die Impuls-LED 170 von außen sichtbar sind. Dazu wird das Display 143 und/oder die Impuls-LED 170 als abgesetzte Einheit ausgeführt.
Zusätzlich zur Anzeige (Display 143) können auch noch Bedienelemente 145 für das Messgerät von außen zugänglich sein.
Als zusätzliche Funktion kann z.B. der Fehlerstrom erfasst werden, wenn auch der Neutralleiterstrom erfasst wird. Dies kann auch als zusätzliches Messmodul (d.h. als eine weitere Ausführungsform des Moduls 10) ausgeführt werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Messsituation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
10 Modul zur Messung von elektrischer Energie
20 Gehäuse des Moduls
30 Schaltungsträger, beispielsweise Leiterplatte, des Moduls
30a Längsseite des Schaltungsträgers
30b weitere Längsseite des Schaltungsträgers
40 Steckplätze mit Steckkontakten
40a Steckplätze mit großen Steckkontakten
40b Steckplätze mit kleinen Steckkontakten
50 Gegenstücke zu den Steckkontakten des externen Schaltungsträgers
60 Externer Schaltungsträger, beispielsweise Leiterplatte, des elektrischen Geräts
70 Mechanische Verplombungsvorrichtung des Moduls
80 Mechanische Verplombungsvorrichtung der externen Leiterplatte
90 Speicher mit digitaler Verplombung im Modul
100 Speicher mit digitaler Verplombung der externen Leiterplatte
110 Steckergesicht des Moduls
115 Ausnehmungen des Gehäuses zur Aufnahme der Gegenstücke zu den Steckkontakten
120 Elektrische Leitungen von dem Modul zu dem externen Schaltungsträger
130 Koppler zur Strommessung in den elektrischen Leitungen ohne elektrischen Kontakt
140 Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen des Moduls
143 Anzeige, beispielsweise Display
145 Bedienelement
150 Steckplatz mit Federkontakt für den Betrieb von seriellen Schnittstellen
160 Steckplatz mit Federkontakt zur Übertragung des zu messenden Stroms und/oder der zu messenden Spannung
170 Impuls-LED des Moduls
180 Ladegerät für ein Fahrzeug
190 Lade-Steuerung, auch: Lade-Controller, des Ladegeräts
200 Leistungskomponenten des Ladegeräts
210 Ladesäule 220 Benutzer-Anzeige, in Ladesäule eingebaut
230 Signierte beziehungsweise unsignierte elektrische Signale

Claims

Patentansprüche
1 . Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie, umfassend: ein Gehäuse (20), und einen in dem Gehäuse (20) angeordneten Schaltungsträger (30) bestückt mit elektronischen Bauteilen, wobei auf dem Schaltungsträger (30) Steckplätze (40) mit Steckkontakten angeordnet sind, wobei die Steckplätze (40) mit Steckkontakten dazu ausgebildet sind, auf einem externen Schaltungsträger (60) angeordnete Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) aufzunehmen und elektrisch zu kontaktieren, und wobei die Steckkontakte ferner dazu ausgebildet sind, bei der Aufnahme der Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) in den Steckkontakten eine mechanische Verbindung zwischen dem Schaltungsträger (30) des Moduls (10) und dem externen Schaltungsträger (60) herzustellen.
2. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach Anspruch 1 , wobei eine Anzahl und Anordnung der Steckplätze (40) mit Steckkontakten auf dem Schaltungsträger (30) dazu ausgebildet ist, das Modul (10) mit dem externen Schaltungsträger (60) über die aufnehmbaren Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) betriebssicher mechanisch zu verbinden.
3. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steckplätze (40) mit Steckkontakten dazu ausgebildet sind, rechteckige, quadratische und/oder runde Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) aufzunehmen und/oder wobei die Steckplätze (40) mit Steckkontakten verschiedener Größe ein Steckergesicht (110), optional ein asymmetrisches Steckergesicht (110), bilden und/oder wobei die Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) mit Ausnehmungen aufgenommen oder aufnehmbar sind, und wobei in die Ausnehmungen Gegenstücke der Steckkontakte bei der Aufnahme der Gegenstücke zu den Steckkontakten (50) und/oder einer Installation des Moduls eindringen.
4. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steckplätze (40) mit Steckkontakten an beiden Längsseiten (30a, 30b) des Schaltungsträgers (30) angeordnet sind, optional wobei jede Längsseite 3, 5 oder 6 Steckplätze (40) mit Steckkontakten umfasst, und/oder wobei an einer der Längsseiten (30b) die Steckplätze (40) Steckkontakte in der Größe der Steckplätze (40) mit Steckkontakten der anderen Längsseite (30a) umfassen und zusätzlich Steckplätze (40) mit Steckkontakten einer kleineren Größe.
5. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche
1 bis 4, wobei sich die mechanische Verbindung oder eine mechanische Befestigung des Moduls (10) auf die Steckplätze (40) mit Steckkontakten beschränkt, optional wobei die Steckkontakte als Federkontakte, als Lamellenkontakte oder als Presskontakte ausgebildet sind.
6. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine Verplombungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Modul (10) mit dem externen Schaltungsträger (60) zu verplomben, optional wobei die Verplombung als mechanische Verplombung (70, 80) aufgeführt ist und/oder wobei die Verplombung als digital Verplombung (90, 100) ausgeführt ist und einen Austausch von Kennungen beim initialen Aufstecken des Moduls (10) auf den externen Schaltungsträger (60) umfasst.
7. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anordnung der Steckplätze (40) mit Steckkontakten im Steckergesicht (110) eine Information über die Ausgestaltung, Funktion oder Grenzwerte des Moduls (10) umfasst und/oder wobei die Anordnung der Steckplätze (40) mit Steckkontakten im Steckergesicht einen Versatz oder ein Verdrehen des Modules (10) bei der Aufnahme der Gegenstück zu den Steckkontakten (50) und/oder der Installation des Moduls (10) auf den Gegenstücken zu den Steckkontakten (50) des externen Schaltungsträgers ausschließt.
8. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Modul (10) zusätzlich zu den Steckplätzen (40) mit Steckkontakten elektrische Leitungen (120) umfasst, die mit dem externen Schaltungsträger (60) gekoppelt sind oder koppelbar sind, wobei optional die elektronischen Bauteile des Schaltungsträgers (30) des Moduls (10) Koppler (130) umfassen zur Messung eines elektrischen Stroms in den elektrischen Leitungen (120), ohne elektrischen Kontakt mit den Leitungen (120) oder zur galvanisch getrennten Messung des elektrischen Stroms.
9. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei weitere elektrische Leitungen des Moduls (10) Signalisierungs- und/oder Steuerungsleitungen (140) umfassen, die dazu ausgebildet sind, eine nicht auf dem Schaltungsträger (30) angeordnete Anzeige (143; 220) anzusteuern und/oder zumindest ein nicht auf dem Schaltungsträger (30) angeordnetes Bedienelement (145) mit dem Schaltungsträger (30) elektrisch zu verbinden, wobei die Anzeige (143; 220) und/oder das Bedienelement (145) bei geschlossenem Gehäuse des Moduls (10) und/oder eines das Modul (10) aufnehmenden elektrischen Gerätes sichtbar beziehungsweise bedienbar ist.
10. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche
1 bis 9, wobei zumindest ein Steckplatz (150) mit Steckkontakten für den Betrieb von seriellen Schnittstellen, optional als Ethernet und/oder RS485 und/oder für den Betrieb als digitale Ein- und Ausgänge, ausgebildet ist.
11 . Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Steckplatz (160) mit Steckkontakten dazu ausgebildet ist, den zu messenden Strom und/oder die zu messende Spannung vom externen Schaltungsträger (60) an den Schaltungsträger (30) des Moduls (10) zu übertragen.
12. Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Modul MID-konform und/oder konform gemäß einem weiteren Zertifikat zur vertrauenswürdigen Abrechnung ist und/oder eine optische Schnittstelle, optional eine Impuls-LED (170), umfasst oder ansteuert, die dazu ausgebildet ist, Impulse mit einer Rate proportional zur gemessenen Leistung auszugeben.
13. Ladegerät (180) für ein Fahrzeug, umfassend das Modul (10) zur Messung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und den externen Schaltungsträger (60), wobei der externe Schaltungsträger (60) eine Lade-Steuerung (190) und Leistungskomponenten (200) zum Laden des Fahrzeugs umfasst.
14. Ladesäule (210) oder Wallbox zum elektrischen Laden eines Fahrzeugs, umfassend das Ladegerät (180) nach Anspruch 13, wobei die Ladesäule (210) oder die Wallbox eine eingebaute Bedien- oder Benutzer-Anzeige (143; 220) aufweist, optional wobei die Bedien- oder Benutzer-Anzeige (143; 220) berührungsempfindlich ist.
15. Ladesäule (210) oder Wallbox nach Anspruch 14, wobei elektrische Signale zwischen dem Modul (10) und der in die Ladesäule (210) oder der Wallbox eingebauten Bedien- oder Benutzer-Anzeige signiert übertragen werden, optional wobei die Signierung auf zumindest einer der ausgetauschten Kennungen basiert.
16. Ladesäule (210) oder Wallbox nach einem der Ansprüche 14 oder 15, ferner dazu ausgebildet, nach Änderung zumindest einer der Kennungen des Moduls (10) und des externen Schaltungsträgers (60) ein Laden mit der Ladesäule verhindert ist, optional wobei erst nach Eingabe eines Schlüssels ein erneuter Austausch der Kennungen möglich ist zur erneuten digitalen Verplombung von Modul (10) und externem Schaltungsträger (60).
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