DE102013226444A1

DE102013226444A1 - Standby-Schaltung für Wallboxen

Info

Publication number: DE102013226444A1
Application number: DE102013226444.5A
Authority: DE
Inventors: Andre Lajtkep; Eric Piotrowski
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft das drahtgebundene Laden eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Reduzierung des Stromverbrauchs einer Ladestation zum drahtgebundenen Laden von Fahrzeugen mit Elektroantrieb. Es wird eine Steuereinheit (122) für eine Ladestation (110) zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs (100) über ein Ladekabel (130) beschrieben. Die Steuereinheit (122) ist eingerichtet, eine Spannung an eine Signalleitung (135) des Ladekabels (130) zu legen; einen Pegel eines Pilotsignals (201) auf der Signalleitung (135) zu erfassen; und, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel, die Spannung von der Signalleitung (135) des Ladekabels (130) zu trennen.

Description

Die Erfindung betrifft das drahtgebundene Laden eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Reduzierung des Stromverbrauchs einer Ladestation zum drahtgebundenen Laden von Fahrzeugen mit Elektroantrieb.
Elektrofahrzeuge und Plug-In-Fahrzeuge können über ein Ladekabel (z. B. ein Mode-2 oder Mode-3 Ladekabel) an einer sogenannten Wallbox und/oder Ladestation (z. B. gemäß IEC 61851-1) geladen werden. Ein Nutzer kann das Fahrzeug über das Ladekabel zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der Wallbox verbinden. Zu einem späteren Zeitpunkt (z. B. zu einem Zeitpunkt wenn mit günstigen Stromtarifen geladen werden kann) kann vom Fahrzeug und/oder von der Wallbox der Ladevorgang eingeleitet werden. Nach Beendigung des Ladevorgangs kann das Fahrzeug weiterhin für einen längeren Zeitraum mit der Wallbox verbunden sein, ohne dass das Fahrzeug (d. h. eine Batterie des Fahrzeugs) geladen wird. Eine derartige Situation liegt z. B. vor, wenn der Nutzer eines Fahrzeugs sein Fahrzeug abends mit der Wallbox verbindet, und erst am folgenden Morgen wieder von der Wallbox trennt.
Messungen haben ergeben, dass die Wallbox einen Standby-Verbrauch aufweist, wenn die Wallbox im Bereitschaftsmodus ist. Mit anderen Worten, auch wenn kein Fahrzeug mit der Wallbox verbunden ist oder auch wenn kein Ladevorgang stattfindet, weist die Wallbox einen Energieverbrauch auf. Durch diesen Energieverbrauch werden Kosten verursacht. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der Aufgabe den Energieverbrauch einer Ladestation und/oder Wallbox im Bereitschaftsmodus zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für eine Ladestation zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs über ein Ladekabel beschrieben. Die Steuereinheit kann Teil der Ladestation sein. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit Teil einer Weckvorrichtung für die Ladestation sein. Bei der Ladestation kann es sich um eine sogenannte Wallbox handeln. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Fahrzeug mit Elektroantrieb handeln, wobei der Elektroantrieb aus der zu ladenden Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Fahrzeug kann ein einspuriges oder ein zweispuriges Fahrzeug sein, z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen und/oder ein Motorrad. Die Ladestation kann eingerichtet sein, die Batterie des Fahrzeugs gemäß der Spezifikation IEC 61851 zu laden. Insbesondere kann die Ladestation eingerichtet sein, mit dem Fahrzeug gemäß der Spezifikation IEC 61851 zu kommunizieren, um Informationen bzgl. der Status der Ladestation und/oder des Fahrzeugs auszutauschen (z. B. bzgl. der Status: Fahrzeug nicht angeschlossen, Fahrzeug angeschlossen, Fahrzeug ladebereit, und/oder Ladevorgang läuft). Alternativ oder ergänzend kann die Ladestation eingerichtet sein, mit dem Fahrzeug gemäß der Spezifikation ISO 15118 zu kommunizieren. Die Spezifikation ISO 15118 ermöglicht es, anhand von Power Line Communication (PLC) detaillierte Informationen zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation auszutauschen.
Die Steuereinheit ist eingerichtet, zu veranlassen, dass eine Spannung an eine Signalleitung des Ladekabels gelegt wird. Typischerweise umfasst das Ladekabel ein oder mehrere Signalleitungen, zum Austausch von Informationen bzgl. der Status der Ladestation und/oder des Fahrzeugs. Desweiteren umfasst das Ladekabel typischerweise ein oder mehrere Ladeleitungen zum Transfer von elektrischer Energie von der Ladestation zu der Batterie des Fahrzeugs. Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet sein, zu veranlassen, dass eine Spannung mit einem ersten Pegel (z. B. 12 V) an die Signalleitung des Ladekabels gelegt wird. Mit anderen Worten, es kann veranlasst werden, dass eine Spannung angelegt wird, die einem ersten Pegel entspricht, z. B. die einen ersten Spannungs-Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, einen Pegel eines Pilotsignals auf der Signalleitung zu erfassen. Die Signalleitung kann ein oder mehrere Widerstände umfassen, die derart angeordnet sind, dass sie sich zwischen der Stelle, an der die Spannung angelegt wird, und einem Übergang (z. B. einem Stecker oder einer Buchse) zum Fahrzeug befinden. Die ein oder mehreren Widerstände der Signalleitung können dann mit ein oder mehreren Widerständen im Fahrzeug einen Spannungsteiler bilden. Der Pegel des Pilotsignals kann einem Spannungsniveau an einem Mittelpunkt des Spannungsteilers (zwischen den ein oder mehreren Widerständen der Signalleitung und den ein oder mehreren Widerständen des Fahrzeugs) entsprechen. Insbesondere kann der Pegel des Pilotsignals an dem Übergang zum Fahrzeug ermittelt werden. Durch die ein oder mehreren Widerstände des Fahrzeugs kann somit der Pegel des Pilotsignals verändert werden. Insbesondere kann bei einem nicht-angeschlossenen Fahrzeug (d. h. bei einem unendlichen Widerstand) der Pegel des Pilotsignals der angelegten Spannung entsprechen. Andererseits kann bei einem angeschlossenen Fahrzeug, das Fahrzeug den Pegel des Pilotsignals durch Veränderung der ein oder mehreren Widerstände im Fahrzeug verändern.
Die Steuereinheit ist eingerichtet, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel, zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird. Durch Trennung der Spannung von der Signalleitung kann erreicht werden, dass der Energieverbrauch für die Erkennung des Status des Fahrzeugs reduziert wird. Insbesondere kann durch die Trennung der Spannung eine Reduzierung des Energieverbrauchs der Ladestation im Bereitschaftsmodus (wenn kein Fahrzeug angeschlossen ist und/oder wenn das Fahrzeug nicht ladebereit ist) bewirkt werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals dem ersten Pegel entspricht (wenn eine Spannung mit dem ersten Pegel an die Signalleitung angelegt wurde). Wie bereits oben dargelegt, kann aus einem Pilotsignal mit dem ersten Pegel (z. B. 12 V) geschlossen werden, dass kein Fahrzeug an die Ladestation angeschlossen ist. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals dem ersten Pegel entspricht (wenn also erkannt wird, dass kein Fahrzeug an die Ladestation angeschlossen ist, und somit die Ladestation nicht für einen Ladevorgang benötigt wird).
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals einem zweiten Pegel (z. B. 9 V) entspricht, der kleiner als der erste Pegel ist. Dazu kann der erfasst Pegel mit einem zweiten Spannungs-Schwellwert verglichen werden. Wie oben dargelegt, deutet eine Reduzierung des Pegels des Pilotsignals gegenüber der angelegten Spannung an, dass die Ladestation mit einem Fahrzeug verbunden ist, und es somit zu einem Ladevorgang kommen kann. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Ladestation aktiviert wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals dem zweiten Pegel entspricht. Insbesondere kann die Ladestation mit einer Versorgungsspannung versorgt werden, um die Ladestation „hochzufahren”. Zuvor kann die Ladestation von der Versorgungsspannung abgekoppelt sein, um sicherzustellen, dass die Ladestation keine elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz bezieht. Desweiteren kann geprüft werden, ob das Fahrzeug während eines vordefinierten Zeitraum nach Aktivierung der Ladestation in den Status „ladebereit” wechselt, um den Ladevorgang zu initiieren. Sollte dies nicht der Fall sein, kann nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums die Ladestation wieder deaktiviert werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren.
Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals einem dritten Pegel (z. B. 6 V) entspricht, der kleiner als der zweite Pegel ist. Dazu kann der erfasst Pegel mit einem dritten Spannungs-Schwellwert verglichen werden. Wie oben dargelegt, deutet eine weitere Reduzierung des Pegels des Pilotsignals gegenüber der angelegten Spannung an, dass das Fahrzeug ladebereit ist, und somit direkt mit einem Ladevorgang begonnen werden kann. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Ladestation aktiviert wird und ein Ladevorgang zum Laden der Batterie des Fahrzeugs eingeleitet wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals dem dritten Pegel entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Erkennen der Ladebereitschaft des Fahrzeugs schnell mit dem Ladevorgang begonnen werden kann.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Spannung (nur) für einen vordefinierten Prüfzeitraum an die Signalleitung des Ladekabels gelegt wird. In Abhängigkeit von dem erfassten Pegel und nach Ablauf des vordefinierten Prüfzeitraums kann dann veranlasst werden, dass die Spannung von der Signalleitung des Ladekabels getrennt wird. Durch zeitliche Limitierung des Messintervalls zur Erfassung des Pegels des Pilotsignals wird sichergestellt, dass für die Erfassung des Pegels des Pilotsignals nur während eines begrenzten Zeitraums elektrische Energie verbraucht wird. Durch Reduzierung des Prüfzeitraums kann somit der Energieverbrauch der Ladestation im Bereitschaftsmodus reduziert werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in periodischer Weise Prüfzyklen von vordefinierter Dauer (z. B. dem o. g. Prüfzeitraum) durchzuführen, bei denen eine Spannung an die Signalleitung des Ladekabels gelegt und der Pegel des Pilotsignals auf der Signalleitung erfasst wird. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu veranlassen, dass in dem Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen die Spannung an der Signalleitung unterbrochen wird. Durch die periodische Wiederholung von Prüfzyklen kann sichergestellt werden, dass auch bei reduziertem Energieverbrauch im Bereitschaftsmodus, der Anschluss eines Fahrzeugs an die Ladestation und/oder die Ladebereitschaft des Fahrzeugs zeitnah erkannt werden kann.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu ermitteln, ob sich der Pegel des Pilotsignals auf der Signalleitung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen verändert hat. Eine Veränderung des Pegels des Pilotsignals kann darauf hindeuten, dass von einem Fahrzeug ein Ladevorgang angefordert wird. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Aktivieren der Ladestation zu veranlassen, wenn sich der Pegel des Pilotsignals verändert hat. So kann in zeitnaher Weise ein Ladevorgang eingeleitet werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Trennung der Ladestation von der Stromversorgung zu veranlassen (z. B. durch einen Schalter zwischen der Stromversorgung oder einem Versorgungsnetz und der Ladestation). Eine Trennung der Ladestation von der Stromversorgung kann insbesondere dann erfolgen, wenn der Pegel des Pilotsignals dem ersten Pegel entspricht. Andererseits kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel des Pilotsignals, zu veranlassen, dass die Ladestation mit der Stromversorgung verbunden wird, z. B. wenn erkannt wird, dass sich der Pegel des Pilotsignals verändert hat und/oder wenn der Pegel des Pilotsignals dem zweiten und/oder dem dritten Pegel entspricht.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Ladestation eingerichtet sein, einen Ladevorgang gemäß der Spezifikation IEC 61851 durchzuführen. In analoger Weise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu veranlassen, dass eine Spannung gemäß der Spezifikation IEC 61851 angelegt wird, und/oder eingerichtet sein, einen Pegel des Pilotsignals gemäß der Spezifikation IEC 61851 zu erfassen. Somit kann die Steuereinheit in Zusammenhang mit standardkonformen Ladestationen verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer Ladestation beschrieben. Insbesondere soll der Energieverbrauch reduziert werden, wenn die Ladestation keinen Ladevorgang durchführt. Die Ladestation ist eingerichtet, eine Batterie eines Fahrzeugs über ein Ladekabel zu laden. Das Verfahren umfasst, das Anlegen einer Spannung an eine Signalleitung des Ladekabels. Das Verfahren umfasst weiter das Erfassen eines Pegels eines Pilotsignals auf der Signalleitung. Außerdem umfasst das Verfahren das Trennen der Spannung von der Signalleitung des Ladekabels, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm (z. B. für die o. g. Steuereinheit und/oder für eine Ladestation) beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladestation (z. B. eine Wallbox) mit der in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit beschrieben.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
1 ein Blockdiagram einer beispielhaften Vorrichtung zur Reduzierung des Standby-Verbrauchs einer Ladestation;
2 einen beispielhaften Signalverlauf eines Pilotsignals auf einer Signalleitung eines Ladekabels; und
3 ein Flussdiagram eines beispielhaften Verfahrens zur Reduzierung des Standby-Verbrauchs einer Ladestation.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Reduzierung des Standby-Verbrauchs einer Ladestation, z. B. einer Wallbox. 1 zeigt ein Blockdiagram einer Ladestation 110, die über ein Ladekabel 130 mit einem Fahrzeug 100 verbunden ist. Das Ladekabel 130 umfasst eine Signalleitung 135 auf die die Ladestation 110 und/oder das Fahrzeug 100 ein Pilotsignal legen können, um Informationen bzgl. des Ladevorgangs auszutauschen. Insbesondere kann ein Pegel des Pilotsignals auf der Signalleitung 135 verändert werden, um Informationen auszutauschen. Die Ladestation 130 kann eine Pegelerzeugungseinheit 111 umfassen, die eingerichtet ist, ein Pilotsignal zu generieren. Insbesondere kann die Pegelerzeugungseinheit 111 eingerichtet sein, eine Spannung mit einem vordefinierten Maximal-Pegel (z. B. 12 V) zu erzeugen und auf die Signalleitung 135 zu legen. Aus der angelegten Spannung kann sich dann das Pilotsignal ergeben oder kann das Pilotsignal erzeugt werden.
Das Ladekabel 130 (und insbesondere die Signalleitung 135) kann über Stecker 133, 134 mit entsprechenden Buchsen 103, 104 des Fahrzeugs 100 verbunden werden. Das Ladekabel 130 kann einen ersten Widerstand 131 umfassen und das Fahrzeug kann einen zweiten Widerstand 101 umfassen. Gemäß des Spezifikation IEC 61851-1 kann der erste Widerstand 131 1 k Ohm sein und der zweite Widerstand 101 kann 2,74 k Ohm sein. Der erste und zweite Widerstand 131, 101 bilden einen Spannungsteiler, der dazu führt, dass der Pegel des Pilotsignals auf der Signalleitung 135 zwischen den Widerständen 131, 101 sinkt, sobald das Ladekabel 130 mit dem Fahrzeug 100 verbunden ist (beispielsweise von 12 V auf 9 V). Der Pegel des Pilotsignals wird typischerweise an den Steckern 133, 134 durch einen geeigneten Spannungsmesser 132 erfasst.
Das Fahrzeug kann einen dritten Widerstand 102 umfassen. Gemäß der Spezifikation IEC 61851-1 kann der dritte Widerstand 102 Werte von 1,3 k Ohm oder 270 Ohm annehmen. Der dritte Widerstand 102 kann durch einen Schalter 105 mit dem zweiten Widerstand 101 parallel geschaltet werden. Dadurch kann der Gesamtwiderstand auf der Signalleitung 135 im Fahrzeug 110 reduziert, und damit der Pegel des Pilotsignals reduziert werden (z. B. von 9 V auf 6 V). Somit kann das Fahrzeug 100 durch Schließen des Schalters 105 den Pegel des Pilotsignals verändern, und dadurch z. B. signalisieren, dass das Fahrzeug 100 ladebereit ist, d. h. dass das Fahrzeug bereit zur Aufnahme von elektrischer Energie ist.
Der Pegel des Pilotsignals kann von dem Spannungsmesser 132 erfasst, und der Ladestation 110 mitgeteilt werden. Beispielsweise kann ein Pegel von 12 V anzeigen, dass kein Fahrzeug 100 an das Ladekabel 130 angeschlossen werden. Ein Pegel von 9 V kann anzeigen, dass ein Fahrzeug 100 an das Ladekabel 130 angeschlossen ist, aber das Fahrzeug 100 nicht ladebereit ist. Ein Pegel von 6 V kann anzeigen, dass das Fahrzeug 100 ladebereit ist. Die Ladestation 110 kann daraufhin mit den Ladevorgang beginnen.
Die Pegelerzeugungseinheit 111 der Ladestation 110 kann eingerichtet sein, ein Puls-Weiten-Moduliertes (PWM) Pilotsignal zu erzeugen. Beispielsweise kann ein PWM Pilotsignal erzeugt werden, dass zwischen dem Maximal-Pegel und einem negativen Pegel (z. B. –12 V) mit einer Frequenz von 1 kHz oszilliert. Ein solches PWM Pilotsignal kann anzeigen, dass der Ladevorgang läuft. Insbesondere kann das PWM Pilotsignal dem Fahrzeug 100 anzeigen, dass die Ladestation 110 mit dem Ladevorgang begonnen hat. Andererseits zeigt eine Unterbrechung des PWM Pilotsignals dem Fahrzeug 100 an, dass der Ladevorgang unterbrochen wurde.
2 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines Pilotsignals 201. In einem ersten Zeitabschnitt 211 oszilliert das Pilotsignal 201 zwischen den Pegeln +6 V und –12 V. In diesem Zeitraum 211 wird das Fahrzeug geladen. Zum Zeitpunkt 212 wird das Pilotsignal 201 unterbrochen und dadurch dem Fahrzeug 100 signalisiert, dass der Ladevorgang unterbrochen werden soll. Das Pilotsignal 201 kann z. B. dazu auf einen konstanten Wert eingestellt werden, so dass sich ein Pegel von 6 V ergibt. Auf Basis der ausgeschalteten Puls-Weiten-Modulation (PWM) des Pilotsignals 201 kann der Abschaltwunsch der Ladestation 110 von dem Fahrzeug 100 erkannt werden (Übergang von Status C2 auf Status C1 in der Edition 3 der Spezifikation IEC 61851-1). Die Puls-Weiten-Modulation kann auch dazu verwendet werden, einen PLC Kommunikationsprozess gemäß ISO 15118 einzuleiten (z. B. durch einen Duty Cycle von 5%).
Daraufhin kann (zum Zeitpunkt 213) der AC (Alternating Current) Ladestrom 204 (in einem Ladestromkreis des Ladekabels 130) unterbrochen werden. Dadurch wird der Ladestrom-Fluss (auf einer Ladeleitung) durch das Ladekabel 130 unterbrochen. Desweiteren kann das Fahrzeug 100 (z. B. eine Steuereinheit des Fahrzeugs 100) eingerichtet sein (zum Zeitpunkt 214), den Schalter 105 (z. B. Schalter S2 gemäß Spezifikation IEC 61851-1) im Fahrzeug 100 zu schalten (insbesondere zu öffnen), und damit über das Ladekabel signalisieren, dass das Fahrzeug 100 seine Ladestromaufnahme auf Null reduziert hat und nicht mehr ladebereit ist (Signalbild 203). Durch die Betätigung des Schalters 105 zum Zeitpunkt 214 wird insbesondere der Pegel des Pilotsignals 201 verändert (z. B. von 6 V auf 9 V), und damit der Ladestation 110 angezeigt, dass das Fahrzeug 100 in den Zustand „nicht ladebereit” übergegangen ist (Status B1 gemäß Spezifikation IEC 61851-1).
Wie oben dargelegt, überprüft die Ladestation 110, während das Fahrzeug 100 mit der Ladestation 110 verbunden ist, kontinuierlich das Pilotsignal 201 auf der Signalleitung 135 (definiert gemäß IEC 61851-1). Das Pilotsignal 201 ermöglicht es der Ladestation 110 und dem Fahrzeug 100 Informationen auszutauschen. Insbesondere kann das Fahrzeug 100 der Ladestation 110 anhand des Pegels des Pilotsignals 201 mitteilen, ob das Fahrzeug 100 ladebereit ist oder nicht. Somit kann durch das Pilotsignal 201 ein Ladevorgang eingeleitet und/oder unterbrochen werden.
Die kontinuierliche Erzeugung und/oder Überprüfung des Pilotsignals 201 führt jedoch zu einem Energieverbrauch in der Ladestation 110, auch wenn das Fahrzeug 100 nicht geladen wird. Abschätzungen haben Werte von 4,2 Watt Energieverbrauch im Bereitschaftsmodus der Ladestation 110 ergeben. Durch diesen Energieverbrauch werden Kosten verursacht, die vermieden werden sollten. Desweiteren kann der Standby-Verbrauch in bestimmten Ländern zu Konflikten mit Verordnungen bzgl. des Standby-Verbrauchs von elektronischen Geräten führen.
1 zeigt eine Vorrichtung 120 die es ermöglicht, den Energieverbrauch der Ladestation 100 im Bereitschaftsmodus, d. h. zu Zeitpunkten an denen kein Fahrzeug 100 geladen wird, zu reduzieren. Die Vorrichtung 120 umfasst einen Schalter 125, der eingerichtet ist, die Energieversorgung der Ladestation 110 durch ein Versorgungsnetz 140 zu unterbrechen. Das Versorgungsnetz 140 kann einen einphasigen oder einen dreiphasigen Wechselstrom bereitstellen. Durch Öffnen des Schalters 125 kann die Energieversorgung der Ladestation 110 unterbrochen werden, so dass die Ladestation 110 nicht mehr (ggf. direkt) mit Strom versorgt wird, und damit auch der Energieverbrauch der Ladestation 110 unterbunden wird. Der Schalter 125 kann ggf. das Versorgungsnetz 140 mit einer Steuereinheit 122 der Vorrichtung 120 verbinden (wie in 1 dargestellt).
Die Vorrichtung 120 umfasst eine Versorgungseinheit 121, die eingerichtet ist, die Vorrichtung 120 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz 140 zu versorgen. Insbesondere kann die Versorgungseinheit 121 eingerichtet sein, eine Versorgungsspannung (z. B. 12 V) für die Steuereinheit 122 (z. B. für einen Prozessor) bereitzustellen. Desweiteren kann die Versorgungseinheit 121 eingerichtet sein, eine Spannung mit dem Maximal-Pegel des Pilotsignals 201 bereitzustellen (z. B. 12 V). Dadurch kann die Versorgungseinheit 121 befähigt werden, das Pilotsignal 201 anstelle von oder für die Ladeeinheit 110 zu erzeugen.
Die Steuereinheit 122 kann eingerichtet sein, das Pilotsignal 201 mit Maximal-Pegel zu erzeugen und über die Ausgabeeinheit 124 auf die Signalleitung 135 des Ladekabels 130 zu legen. Insbesondere kann das Pilotsignal 201 anstelle der Piloterzeugungseinheit 111 der Ladestation 110 generiert werden. Desweiteren kann die Steuereinheit 122 eingerichtet sein, den von dem Spannungsmesser 132 erfassten Pegel des Pilotsignals 201 über eine Eingabeeinheit 123 der Vorrichtung 120 zu ermitteln.
Die Steuereinheit 122 kann weiter eingerichtet sein, zu erkennen, dass die Ladestation 110 im Bereitschaftsmodus ist. Dies kann insbesondere dadurch erkannt werden, dass der von dem Spannungsmesser 132 erfasste Pegel des Pilotsignals 201 bei dem Maximal-Pegel (z. B. bei 12 V) liegt. Insbesondere kann ermittelt werden, dass der Pegel des Pilotsignals 201 für mindestens einen vordefinierten Mindestzeitraum bei dem Maximal-Pegel liegt (d. h. bei oder über einem vordefinierten ersten Spannungs-Schwellwert liegt). Wenn die o. g. Bedingung bzgl. des Pegels des Pilotsignals 201 und ggf. bzgl. des vordefinierten Mindestzeitraums vorliegt, so kann die Steuereinheit 122 eingerichtet sein, den Schalter 125 zu betätigen, und dadurch die Ladestation 110 von dem Versorgungsnetz 140 zu trennen. Als Folge davon, nimmt die Ladestation 110 keine elektrische Energie mehr auf.
Wie in 1 dargestellt, nimmt die Steuereinheit 122 über die Versorgungseinheit 121 elektrische Energie von dem Versorgungsnetz 140 auf. Diese Energie liegt jedoch substantiell unter der von der Ladestation 110 aufgenommenen Energie (wenn kein Pilotsignal 201 generiert wird).
Die Steuereinheit 122 kann eingerichtet sein, einen periodischen Prüfzyklus durchzuführen. In einer Periode des Prüfzyklus kann punktuell der Pegel des Pilotsignals 201 überprüft werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob der Pegel des Pilotsignals 201 bei einem ersten Pegel (z. B. 12 V) liegt, ob der Pegel des Pilotsignals 201 bei einem zweiten Pegel (z. B. 9 V) liegt, und/oder ob der Pegel des Pilotsignals 201 bei einem dritten Pegel (z. B. 6 V) liegt. Der erste Pegel zeigt an, dass kein Fahrzeug 100 mit dem Ladekabel 130 verbunden ist, der zweite Pegel zeigt an, dass zwar ein Fahrzeug 100 mit dem Ladekabel 130 verbunden ist, das Fahrzeug 100 jedoch nicht ladebereit ist, und der dritte Pegel zeigt an, dass das angeschlossene Fahrzeug 100 ladebereit ist.
Zwischen den Perioden des Prüfzyklus kann auf die Erzeugung eines Pilotsignals 201 verzichtet werden. Dadurch kann der Energieverbrauch der Ladestation 110 (inklusive der Vorrichtung 120) reduziert werden, da nur noch für einen Bruchteil der Zeit Energie zur Erzeugung des Pilotsignals 201 benötigt wird.
In einem Prüfzyklus wird an die Signalleitung 135 des Ladekabels 130 kurzzeitig (für einen vordefinierten Prüfzeitraum von z. B. 5 ms) eine Spannung angelegt. Dies kann über die Ausgabeeinheit 124 erfolgen (wie in 1 dargestellt). Mit anderen Worten, es wird für den Prüfzeitraum ein Pilotsignal 201 erzeugt. Durch den Spannungsmesser 132 kann über die Eingabeeinheit 123 ein Pegel des Pilotsignals 201 (zwischen dem ersten Widerstand 131 und dem zweiten Widerstand 101) erfasst werden. Liegt der erfasste Pegel bei dem ersten Pegel (z. B. 12 V), so kann daraus geschlossen werden, dass kein Fahrzeug 100 an das Ladekabel 130 angeschlossen ist. Die Ladestation kann weiterhin im Standby-Betrieb verbleiben. Der Schalter 125 kann weiterhin geöffnet bleiben, so dass die Ladestation 110 weiterhin von dem Versorgungsnetz getrennt ist.
Liegt der erfasste Pegel bei dem zweiten Pegel (z. B. 9 V), so kann daraus geschlossen werden, dass ein Fahrzeug 100 angeschlossen ist. Desweiteren kann aufgrund des Pegels geschlossen werden, dass das Fahrzeug 100 nicht ladebereit ist. Auch in diesem Fall kann ggf. der Schalter 125 weiterhin geöffnet bleiben, so dass die Ladestation 110 weiterhin von dem Versorgungsnetz getrennt ist. Andererseits könnte die Detektion des zweiten Pegels zu einem (zumindest vorübergehenden) Start der Ladestation 110 führen. Dazu kann der Schalter 125 betätigt werden, um die Ladestation 110 mit dem Versorgungsnetz 140 zu verbinden. Das Pilotsignal 201 kann dann von der Pilotsignalerzeugungseinheit 111 generiert werden (d. h. die Spannung kann dann von der Pilotsignalerzeugungseinheit 111 an die Signalleitung 135 gelegt werden), und es kann für einen vordefinierten Aktivierungszeitraum geprüft werden, ob das Fahrzeug 100 den Pegel des Pilotsignals 201 auf den dritten Pegel (z. B. 6 V) ändert, um anzuzeigen, dass das Fahrzeug 100 ladebereit ist. Erfolgt nach Ablauf des vordefinierten Aktivierungszeitraums keine Änderung des Pegels auf den dritten Pegel, so kann die Ladestation 110 anhand des Schalters 125 wieder von dem Versorgungsnetz 140 getrennt werden, und die Ladestation somit wieder in den Standby- und/oder Schlaf-Betrieb versetzt werden.
Liegt der erfasste Pegel bei dem dritten Pegel (z. B. 6 V), so kann daraus geschlossen werden, dass das angeschlossene Fahrzeug 100 ladebereit ist. In diesem Fall kann durch Betätigung des Schalters 125 die Ladestation 110 mit dem Versorgungsnetz 140 verbunden werden, um die Ladestation 110 zu aktivieren und um den Ladevorgang zu starten.
Der Prüfzyklus kann mit einer bestimmten Frequenz wiederholt werden. Beispielsweise kann der Prüfzyklus alle 150 ms wiederholt werden. Ein substantieller Energieverbrauch erfolgt nur während der Durchführung des Prüfzyklus. Zwischen den Prüfzyklen verbraucht nur die Steuereinheit 122 der Vorrichtung 120 elektrische Energie, die jedoch im Vergleich zu der elektrischen Energie, die benötigt wird, um das Pilotsignal 201 zu erzeugen, typischerweise vernachlässigbar ist. Bei einer Dauer eines Prüfzyklus von 5 ms und einer Wiederholung des Prüfzyklus alle 150 ms kann so der Energieverbrauch der Ladestation 110 im Bereitschaftsmodus um ca. 97% gesenkt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 122 eingerichtet, in periodischer Weise eine 12 V Spannung an der Signalleitung 135 (z. B. am Ladestations-seitigen Ende der Signalleitung 135) anzulegen (so dass der erste Widerstand 131 zwischen der angelegten Spannung und dem Stecker 133 liegt). Die Steuereinheit 122 kann anhand des Spannungsmessers 132 den Pegel auf der Signalleitung 135 zwischen den Steckern/Buchsen 133, 134 erfassen. Liegt der erfasste Pegel bei 12 V, so ist kein Fahrzeug 100 angeschlossen, und die Ladestation kann weiterhin im Standby-Betrieb verbleiben. Liegt der erfasste Pegel bei 9 V, so ist ein Fahrzeug 100 angeschlossen und die Ladestation 110 kann durch Betätigung des Schalters 125 gestartet werden und in Ladebereitschaft gebracht werden. Insbesondere kann die Ladestation 110 mit einer Abfolge von Pegeln auf der Signalleitung 135 von 9 V–6 V–9 V (wobei der Pegel mindestens 200 ms bis max. 3 sec bei 6 V verbleibt) durch das Fahrzeug 100 aufgeweckt werden.
Das Fahrzeug 100 kann eingerichtet sein, durch einen Pegelwechsel von 9 V–6 V– 9 V der Ladestation 110 zu signalisieren, dass die Ladestation 110 „aufwachen” soll. Das Fahrzeug 100 kann z. B. einen Ladevorgang, ein Vorkonditionieren und/oder eine Verbindung zu einem Backend (z. B. für Ladepläne oder andere Informationen) einleiten wollen. Die Ladestation 110 kann eingerichtet sein, das Vorliegen eines derartigen Pegelwechsels zu überwachen. Eine derartige Überwachung kann ggf. durch die Steuereinheit 122 durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestation 110 dauerhaft eingeschaltet bleiben, um einen derartigen Pegelwechsel zu detektieren.
Liegt der durch die Steuereinheit 122 erfasste Pegel bei 6 V, so ist ein Fahrzeug 100 angeschlossen und ladebereit. Die Ladestation 110 kann dann durch Betätigung des Schalters 125 gestartet werden und in Ladebereitschaft gebracht werden.
Die Steuereinheit 122 kann eingerichtet sein, nach Erkennung eines Pilotwechsels, d. h. nach Erkennung eines Wechsels des Pegels der Pilotsignals 201 (z. B. eines Wechsels der von einem Prüfzyklus auf den nächsten Prüfzyklus stattfindet) sofort die Netzversorgung einzuschalten. Insbesondere kann die Steuereinheit 122 eingerichtet sein, zu prüfen, ob von dem letzten Prüfzyklus zum aktuellen Prüfzyklus ein Wechsel des erfassten Pegels stattgefunden hat (insbesondere ein Wechsel von dem ersten Pegel auf den zweiten Pegel). Die Ladestation 110 kann dann durch Betätigung des Schalters 125 gestartet werden und in Ladebereitschaft gebracht werden. Andererseits kann die Ladestation 110 ggf. weiterhin im Standby-Betrieb belassen bleiben, wenn erkannt wird, dass der erfasste Pegel in dem letzten und dem aktuellen Prüfzyklus dem zweiten Pegel entspricht. Bei einem Wechsel von dem ersten auf den zweiten Pegel, kann die Ladestation 110 jedoch gestartet werden, um zu prüfen, ob das Fahrzeug 110 den Ladevorgang einleiten möchte.
Das Starten der Ladestation 110 aus dem Standby- oder Schlaf-Betrieb kann in ca. 1 Sekunde erfolgen. Die Überprüfung des Pilotsignals 201 durch die Steuereinheit 122 kann in ca. 5 ms erfolgen und kann alle 150 ms erfolgen. Somit wird der Ladevorgang im schlechtesten Fall um 150 ms (Wartezeit) + 1 sec (Startzeit) verzögert. Andererseits kann durch die in diesem Dokument beschriebene Weckvorrichtung 120 der Energieverbrauch der Ladestation 110 im Bereitschaftsmodus signifikant reduziert werden.
Die Vorrichtung 120 kann in die Ladestation 110 integriert werden. Insbesondere kann die Ladestation 110 eine Steuereinheit 122 umfassen, die das in diesem Dokument beschrieben periodische Prüfverfahren ausführt.
3 zeigt ein Flussdiagram eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer Ladestation 110 (z. B. einer Wallbox). Die Ladestation 110 ist eingerichtet, eine Batterie eines Fahrzeugs 100 über ein Ladekabel 130 zu laden. Das Verfahren 300 umfasst, das Anlegen 301 einer Spannung an eine Signalleitung 135 des Ladekabels 130. Die Spannung kann insbesondere durch die Ausgabeeinheit 124 der oben beschriebenen Vorrichtung 120 angelegt werden. Das Verfahren 300 umfasst weiter das Erfassen 302 eines Pegels eines Pilotsignals 201 auf der Signalleitung 135. Der Pegel des Pilotsignals 201 kam anhand des Spannungsmessers 132 über die Eingabeeinheit 123 der Vorrichtung 120 erfasst werden. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Trennen 303 der Spannung von der Signalleitung 135 des Ladekabels 130, in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel. Insbesondere kann die Spannung von der Signalleitung 135 getrennt werden, wenn ermittelt wurde, dass sich keine Veränderung des Pegels des Pilotsignals 201 ergeben hat, und/oder wenn der Pegel des Pilotsignals 201 dem ersten Pegel (z. B. 12 V) entspricht. Durch die Trennung der Spannung von der Signalleitung 135 kann der Energieverbrauch einer Ladestation 110 im Bereitschaftsmodus reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61851-1 [0002]
IEC 61851 [0005]
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ISO 15118 [0005]
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IEC 61851 [0016]
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IEC 61851-1 [0027]
IEC 61851-1 [0028]
IEC 61851-1 [0031]
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IEC 61851-1 [0032]
IEC 61851-1 [0032]
IEC 61851-1 [0033]

Claims

Steuereinheit (122) für eine Ladestation (110) zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs (100) über ein Ladekabel (130), wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu veranlassen, dass eine Spannung an eine Signalleitung (135) des Ladekabels (130) gelegt wird; – einen Pegel eines Pilotsignals (201) auf der Signalleitung (135) zu erfassen; und – in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel, zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung (135) des Ladekabels (130) getrennt wird.
Steuereinheit (122) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu veranlassen, dass eine Spannung mit einem ersten Pegel an die Signalleitung (135) des Ladekabels (130) gelegt wird; – zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) dem ersten Pegel entspricht; und – zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung (135) des Ladekabels (130) getrennt wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) dem ersten Pegel entspricht.
Steuereinheit (122) gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) einem zweiten Pegel entspricht, der kleiner als der erste Pegel ist; und – zu veranlassen, dass die Ladestation (110) aktiviert wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) dem zweiten Pegel entspricht.
Steuereinheit (122) gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu überprüfen, ob der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) einem dritten Pegel entspricht, der kleiner als der zweite Pegel ist; und – zu veranlassen, dass die Ladestation (110) aktiviert wird und ein Ladevorgang zum Laden der Batterie des Fahrzeugs (100) eingeleitet wird, wenn der erfasste Pegel des Pilotsignals (201) dem dritten Pegel entspricht.
Steuereinheit (122) gemäß einen vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu veranlassen, dass die Spannung für einen vordefinierten Prüfzeitraum an die Signalleitung (135) des Ladekabels (130) gelegt wird; und – in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel und nach Ablauf des vordefinierten Prüfzeitraums zu veranlassen, dass die Spannung von der Signalleitung (135) des Ladekabels (130) getrennt wird.
Steuereinheit (122) gemäß einen vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – in periodischer Weise Prüfzyklen von vordefinierter Dauer durchzuführen, bei denen eine Spannung an die Signalleitung (135) des Ladekabels (130) gelegt und der Pegel des Pilotsignals (201) auf der Signalleitung (135) erfasst wird; und – zu veranlassen, dass in einem Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen die Spannung an der Signalleitung (135) unterbrochen wird.
Steuereinheit (122) gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – zu ermitteln, ob sich der Pegel des Pilotsignals (201) auf der Signalleitung (135) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen verändert hat; und – das Aktivieren der Ladestation (110) zu veranlassen, wenn sich der Pegel des Pilotsignals (201) verändert hat.
Steuereinheit (122) gemäß einen vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, – eine Trennung der Ladestation (110) von der Stromversorgung (140) zu veranlassen; und – in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel des Pilotsignals (201), zu veranlassen, dass die Ladestation (110) mit der Stromversorgung (140) verbunden wird.
Steuereinheit (122) gemäß einen vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (122) eingerichtet ist, zu veranlassen, dass eine Spannung gemäß der Spezifikation IEC 61851 angelegt wird, und/oder einen Pegel des Pilotsignals (201) gemäß der Spezifikation IEC 61851 zu erfassen.
Ein Verfahren (300) zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer Ladestation (110), wobei die Ladestation (110) eingerichtet ist, eine Batterie eines Fahrzeugs (100) über ein Ladekabel (130) zu laden, wobei das Verfahren (300) umfasst, – Anlegen (301) einer Spannung an eine Signalleitung (135) des Ladekabels (130); – Erfassen (302) eines Pegels eines Pilotsignals (201) auf der Signalleitung (135); und – Trennen (303) der Spannung von der Signalleitung (135) des Ladekabels (130), in Abhängigkeit von dem erfassten Pegel.