DE102023200270A1

DE102023200270A1 - Power amplifier circuit for powerline communication between electric vehicle and charging station

Info

Publication number: DE102023200270A1
Application number: DE102023200270.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Menssen; Bernd Baranski; Nicolas Jäckle
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2023-01-13
Filing date: 2023-01-13
Publication date: 2024-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Endstufenschaltung (1700, 2700) für die Ein- und Auskoppeln von digitaler, hochfrequenter Powerline-Kommunikation auf ein Adernpaar (330) eines Ladekabel (300) oder Anschlussstifte (151, 152; 251,252) eines Ladekabelanschlusses (150; 250) für Elektrofahrzeuge (100) und/oder Ladestationen (200), wobei eine Signaleinkopplung von einem Sendesignal über einen Sendesignalleitungszweig (1710) und eine Auskopplung eines Empfangssignals über einen Empfangssignalleitungszweig (1720) erfolgt, die gemeinsam über eine Gleichtaktdrossel (1790) (Common Mode Choke) mit dem Adernpaar (330) des Ladekabels (300) oder den Anschlussstiften (151, 152; 251, 252) des Ladekabelanschlusses (150; 250) verbunden sind. Es wird kein Transformator als Kopplungselement benötigt. Durch die Ausgestaltung ist es möglich, die Anforderungen an den Abschlusswiderstand zur Vermeidung von Reflexionen über den gesamten relevanten Frequenzbereich besser einhalten zu können.The invention relates to an output stage circuit (1700, 2700) for coupling and decoupling digital, high-frequency powerline communication to a wire pair (330) of a charging cable (300) or connection pins (151, 152; 251,252) of a charging cable connection (150; 250) for electric vehicles (100) and/or charging stations (200), wherein a signal coupling of a transmission signal takes place via a transmission signal line branch (1710) and a decoupling of a reception signal takes place via a reception signal line branch (1720), which are jointly connected via a common mode choke (1790) to the wire pair (330) of the charging cable (300) or the connection pins (151, 152; 251, 252) of the charging cable connection (150; 250) No transformer is required as a coupling element. This design makes it possible to better meet the requirements for the terminating resistor to avoid reflections across the entire relevant frequency range.

Description

Die Erfindung betrifft die Powerline-Kommunikation über Ladekabel von Elektrofahrzeugen (EV) mit Ladestationen (EVSE), insbesondere eine Schaltung zum Einkoppeln und Auskoppeln von digital modulierte Hochfrequenzsignalen für die Kommunikation von Ladestation und Elektrofahrzeug auf ein Adernpaar des Ladekabels oder Anschlussstifte eines Ladekabelanschlusses.The invention relates to powerline communication via charging cables of electric vehicles (EV) with charging stations (EVSE), in particular a circuit for coupling and decoupling digitally modulated high-frequency signals for communication between charging station and electric vehicle to a pair of wires of the charging cable or connection pins of a charging cable connection.

Elektrofahrzeuge besitzen in der Regel mindestens einen elektrischen Speicher in Form einer Batterie, in der elektrische Energie für das Antreiben einer elektrischen Antriebsmaschine des Elektrofahrzeug gespeichert wird. Um diesen Speicher aufzufüllen, wird das Elektrofahrzeug mittels eines Ladekabels mit der Ladestation verbunden. Das Ladekabel wird hierbei zumindest auf der Seite des Elektrofahrzeugs in der Regel mit einem Ladekabelstecker ausgebildet, der in einen Ladekabelanschluss gesteckt wird, der auch als Ladekabelbuchse bezeichnet wird. Neben der oder den Leitungen, die für ein Übertragen des Ladestroms vorgesehen sind, sind in der Regel auch ein oder mehr Leitungen, beispielsweise ein Adernpaar, vorgesehen, um hierüber mittels elektrischer Signale eine Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation auszubilden.Electric vehicles usually have at least one electrical storage device in the form of a battery in which electrical energy is stored to drive an electric drive motor of the electric vehicle. To fill this storage device, the electric vehicle is connected to the charging station using a charging cable. The charging cable is usually designed with a charging cable plug, at least on the side of the electric vehicle, which is plugged into a charging cable connection, also known as a charging cable socket. In addition to the line or lines provided for transmitting the charging current, one or more lines, for example a pair of wires, are usually provided to establish communication between the electric vehicle and the charging station using electrical signals.

US 2020/0298722 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Systeme für ein Onboard-Ladesystem eines Elektrofahrzeugs. Das Ladesystem umfasst ein Steuergerät für ein Elektrofahrzeug, das eine erste Gleichstrom-Energiespeichervorrichtung mit einer Gerätespannung, eine Ladeschnittstelle zum Verbinden mit einer externen Gleichstromquelle mit einer externen Gleichspannung, eine elektrische Maschine mit einer oder mehreren induktiven Wicklungen, einen Wandler, der mindestens zwei oder mehr Treiberschaltungen umfasst, die in einem ersten und in einem zweiten Zustand arbeiten, einen ersten Gleichstromeingang und einen zweiten Gleichstromeingang für den Wandler und einen Schaltmechanismus zum selektiven Betrieb in einem ersten Zustand und in einem zweiten Zustand, der von dem Steuergerät betrieben wird, umfasst, wobei der Wandler im ersten Zustand darauf anspricht, einen Antriebsstrom von der ersten Gleichstrom-Energiespeichereinrichtung zu ziehen und Strom an mindestens eine der einen oder mehreren induktiven Wicklungen anzulegen, um das Fahrzeug zu bewegen, und der Wandler im zweiten Zustand darauf anspricht, einen Laststrom von der Ladeschnittstelle zu ziehen und einen Erregerstrom an mindestens eine der einen oder mehreren induktiven Wicklungen anzulegen, um mindestens eine geregelte Ladespannung für die Gleichstrom-Energiespeichereinrichtung zu erzeugen. US 2020/0298722 A1 describes a method and a system for an onboard charging system of an electric vehicle. The charging system includes a controller for an electric vehicle including a first direct current energy storage device having a device voltage, a charging interface for connecting to an external direct current source having an external direct current voltage, an electric machine having one or more inductive windings, a converter including at least two or more driver circuits operating in a first and a second state, a first direct current input and a second direct current input for the converter, and a switching mechanism for selectively operating in a first state and a second state operated by the controller, wherein the converter in the first state is responsive to draw a drive current from the first direct current energy storage device and apply current to at least one of the one or more inductive windings to move the vehicle, and the converter in the second state is responsive to draw a load current from the charging interface and apply an excitation current to at least one of the one or more inductive windings to produce at least one regulated charging voltage for the direct current energy storage device.

Es ist bekannt, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation mit einem Rechteckspannungssignal auszuführen, um eine maximale Ladestromstärke, mit der der elektrische Speicher des Elektrofahrzeugs geladen werden kann, zu signalisieren.It is known, for example, to carry out pulse width modulation with a square-wave voltage signal in order to signal a maximum charging current with which the electrical storage device of the electric vehicle can be charged.

Bei Ladekabeln mit Steckern vom sogenannten TYP2 werden hierfür beispielsweise die Leitungen mit den Bezeichnungen Steuerpilot (CP - control pilot) und Schutzleiter (PEprotective earth) verwendet. Es können auch Ladekabel mit anderen Steckern verwendet werden. Auch die Art der Leitungen, die im Ladekabel für die Kommunikation verwendet werden, können beliebig gewählt sein. So können die Signalleitungen im Ladekabel parallel geführt sein oder verdrillt sein.For charging cables with so-called TYPE 2 plugs, for example, the cables with the designations control pilot (CP) and protective earth (PE) are used. Charging cables with other plugs can also be used. The type of cables used in the charging cable for communication can also be chosen arbitrarily. The signal cables in the charging cable can be laid parallel or twisted.

Um auch andere Daten und insbesondere mehr Daten austauschen zu können, beispielsweise eine Abrechnung des Ladestroms automatisiert ausführen zu können, wird auf demselben Adernpaar auch eine Powerline-Kommunikation mit einem Hochfrequenzsignal ausgeführt. Das Hochfrequenzsignal wird beispielsweise mit einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM - orthogonal frequency division multiplexing) moduliert.In order to be able to exchange other data and in particular more data, for example to be able to automatically bill the charging current, powerline communication with a high-frequency signal is also carried out on the same wire pair. The high-frequency signal is modulated, for example, using an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).

Gemäß dem Stand der Technik weist eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung, die eine Powerline-Kommunikation (PLC) ausführen kann, zwei Sendesignalanschlüsse auf, an denen ein moduliertes Sendesignal bereitgestellt wird, und zwei Empfangssignalanschlüsse zum Einspeisen eines Empfangssignals auf. Als Kernelement einer Endstufenschaltung ist im Stand der Technik ein 1:1:1-Transformator für das induktive Koppeln von Sendesignal und Empfangssignal mit dem Ladekabel vorgesehen.According to the prior art, an integrated powerline communication circuit that can carry out powerline communication (PLC) has two transmit signal connections to which a modulated transmit signal is provided and two receive signal connections for feeding in a receive signal. As a core element of an output stage circuit, a 1:1:1 transformer for the inductive coupling of the transmit signal and the receive signal with the charging cable is provided in the prior art.

Um Reflexionen des Hochfrequenzsignals in der Ladestation und im Elektrofahrzeug zu vermeiden, müssen Impedanzen dieser Endstufenschaltungen und des Ladekabels aneinander angepasst sein. Es hat sich gezeigt, dass diese Anpassung, d.h. das Einhalten eines vorgegebenen Impedanzwertes im relevanten Frequenzbereich des Hochfrequenzsignals nicht immer erfüllt ist. Diese Fehlanpassungen können zu Reflexionen und hierüber zu Auslöschungen einzelner oder aller Frequenzkomponenten des gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens modulierten Hochfrequenzsignals führen. Stellen das Elektrofahrzeug und/oder die Ladestation fest, dass nicht alle Frequenzkanäle des OFDM-modulierten Signals übertragen werden, so wird die Sendeleistung erhöht. Dieses kann zu einem Übersprechen auf benachbarte Elektrofahrzeuge und/oder Ladestationen führen und deren Kommunikation beeinträchtigen.In order to avoid reflections of the high-frequency signal in the charging station and in the electric vehicle, the impedances of these output stage circuits and the charging cable must be matched to one another. It has been shown that this matching, i.e. maintaining a specified impedance value in the relevant frequency range of the high-frequency signal, is not always achieved. These mismatches can lead to reflections and thus to the cancellation of individual or all frequency components of the high-frequency signal modulated according to an orthogonal frequency multiplexing method. If the electric vehicle and/or the charging station determine that not all frequency channels of the OFDM-modulated signal are being transmitted, the transmission power is increased. This can lead to crosstalk to neighboring electric vehicles and/or charging stations and impair their communication.

Aus der CN 210478437 ist es bekannt in einer Ladeeinrichtung eines Elektrofahrzeugs, eine Gleichtaktdrossel (common mode choke) zusammen mit einer CAN-Bus-Anbindung in einer Schaltung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD - electro static discharge) zu nutzen. Die Verwendung einer Gleichtaktdrossel zur Vermeidung oder Verminderung von elektromagnetischen Störungen, auch insbesondere in einem Hochsetzer, ist beispielsweise aus der US 2022/0200303 A1 bekannt.From the CN210478437 It is known to use a common mode choke together with a CAN bus connection in a charging device of an electric vehicle in a circuit to protect against electrostatic discharge (ESD). The use of a common mode choke to avoid or reduce electromagnetic interference, especially in a boost converter, is known, for example, from US 2022/0200303 A1 known.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Endstufenschaltung für Powerline-Kommunikationseinrichtungen in Elektrofahrzeugen und/oder Ladestationen anzugeben, die die bekannten Nachteile vermeidet.The invention is based on the object of specifying an output stage circuit for powerline communication devices in electric vehicles and/or charging stations, which avoids the known disadvantages.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Endstufenschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by an output stage circuit having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde die Einhaltung der Vorgaben hinsichtlich des Abschlusswiderstands von Elektrofahrzeugen und/oder Ladestationen insbesondere für die Powerline-Kommunikation mittels digital modulierter Hochfrequenzsignal dadurch zu verbessern, dass der im Stand der Technik in der Endstufenschaltung eingesetzte Transformator zur induktiven Kopplung durch eine Gleichtaktdrossel ersetzt wird. Hierbei werden ein Sendesignalleitungszweig zum Einkoppeln des Sendesignals und ein Empfangssignalleitungszweig für das Zuführen des ausgekoppelten Empfangssignal zu den Empfangssignalanschlüssen gemeinsam über die Gleichtaktdrossel mit den Adern des Ladekabels oder den Anschlussstiften des Ladekabelanschlusses verbunden. Über die Gleichtaktdrossel (englisch: common mode choke - CMC) wird somit eine optimale Anpassung einer Ausgangsimpedanz eines Ladekabelanschlusses sichergestellt. Als Resultat werden Reflexionen bei der Powerline-Kommunikation vermieden, so dass eine Datenübertragung zuverlässig gewährleistet ist. Dieses gilt unabhängig von der Art der Leitungen, die für die Kommunikation verwendet werden, ob diese im Ladekabel beispielsweise parallel oder verdrillt geführt sind. Über den gesamten Frequenzbereich, der für die hochfrequente Powerline-Kommunikation verwendet wird, liegt eine Ausgangsimpedanzanpassung für die mit dieser Endstufenschaltung ausgebildeten Einheit oder Einheiten vor, also das Elektrofahrzeug und/oder die Ladestation.The invention is based on the idea of improving compliance with the specifications regarding the terminating resistance of electric vehicles and/or charging stations, in particular for powerline communication using digitally modulated high-frequency signals, by replacing the transformer used in the output stage circuit in the prior art for inductive coupling with a common-mode choke. In this case, a transmit signal line branch for coupling in the transmit signal and a receive signal line branch for feeding the decoupled receive signal to the receive signal connections are connected together via the common-mode choke to the wires of the charging cable or the connection pins of the charging cable connection. The common-mode choke (CMC) thus ensures optimal adaptation of the output impedance of a charging cable connection. As a result, reflections are avoided during powerline communication, so that data transmission is reliably guaranteed. This applies regardless of the type of cables used for communication, for example whether they are laid out in parallel or twisted in the charging cable. Over the entire frequency range used for high-frequency powerline communication, there is an output impedance match for the unit or units formed with this power amplifier circuit, i.e. the electric vehicle and/or the charging station.

Ein Sendesignalleitungszweig und ein Empfangssignalleitungszweig sind jeweils in einer Endstufe ausgebildet. Die Begriffsbestandteile „Sende-“ und „Empfangs-“ beziehen sich jeweils auf das Senden und Empfangen aus Sicht der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung, mit der die Endstufe unmittelbar gekoppelt ist. Der Sendesignalleitungszweig ist somit mit den Sendesignalausgängen, die meist mit Tx oder Tx+ und Tx- bezeichnet sind, der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung verbunden. Der Empfangssignalzweig ist entsprechend mit den Empfangssignaleingängen, meist mit Rx oder Rx+ und Rx- bezeichnet, verbunden.A transmit signal line branch and a receive signal line branch are each formed in an output stage. The terms "transmit" and "receive" refer to sending and receiving from the perspective of the integrated powerline communication circuit to which the output stage is directly coupled. The transmit signal line branch is thus connected to the transmit signal outputs, which are usually labeled Tx or Tx+ and Tx-, of the integrated powerline communication circuit. The receive signal branch is correspondingly connected to the receive signal inputs, usually labeled Rx or Rx+ and Rx-.

Insbesondere wird somit eine Endstufenschaltung für die Ein- und Auskopplung von digitaler hochfrequenter Powerline-Kommunikation auf ein Adernpaar eines Ladekabel oder Anschlussstifte eines Ladekabelanschlusses für Elektrofahrzeuge und/oder Ladestationen geschaffen, wobei eine Signaleinkopplung von einem Sendesignal über einen Sendesignalleitungszweig und eine Auskopplung eines Empfangssignals über einen Empfangssignalleitungszweig erfolgt, die gemeinsam über eine Gleichtaktdrossel (Common Mode Choke) mit dem Adernpaar des Ladekabels oder den Anschlussstiften des Ladekabelanschlusses verbunden sind.In particular, an output stage circuit is thus created for the coupling and decoupling of digital high-frequency powerline communication to a wire pair of a charging cable or connection pins of a charging cable connection for electric vehicles and/or charging stations, wherein a signal coupling of a transmit signal takes place via a transmit signal line branch and a receive signal is decoupled via a receive signal line branch, which are jointly connected via a common mode choke to the wire pair of the charging cable or the connection pins of the charging cable connection.

Ein Hochfrequenzkoppler in Form eines Transformators, wie er mit Stand der Technik verwendet wird, wird nicht mehr benötigt und ist in der Schaltung der Endstufe nicht mehr vorhanden.A high-frequency coupler in the form of a transformer, as used in the state of the art, is no longer required and is no longer present in the circuit of the power amplifier.

Die Funktion des Hochfrequenzkopplers übernimmt die Gelichtaktdrossel. Die den Transformator aus den Schaltungen gemäß dem Stand der Technik ersetzt. Das Einkoppeln und Auskoppeln des Hochfrequenzsignals der Powerline-Kommunikation erfolgt direkt, ohne Verwendung oder Zwischenschaltung eines Transformators auf die Leitungen des Ladekabels bzw. die Ladekabelanschlüsse. Die Funktionsweise der Gelichtaktdrossel in der hier vorgeschlagenen Lösung unterscheidet sich grundlegend von der Funktionsweise in Ausführungsformen aus dem Stand der Technik, wo zusätzlich zum Transformator eine Gelichtaktdrossel zu Unterdrückung von Störsignalen eingesetzt wird. Die Gelichtaktdrossel wird in der hier vorgeschlagenen Lösung als Hochfrequenzkoppler eingesetzt. Eine einzige Gleitaktdrossel dient in der Endstufenschaltung als Hochfrequenzkoppler für das Sendesignal aus auch für das Empfangssignal.The function of the high-frequency coupler is taken over by the common-mode choke. This replaces the transformer in the circuits according to the state of the art. The coupling and decoupling of the high-frequency signal of the powerline communication takes place directly, without using or interposing a transformer, on the lines of the charging cable or the charging cable connections. The functionality of the common-mode choke in the solution proposed here differs fundamentally from the functionality in embodiments from the state of the art, where a common-mode choke is used in addition to the transformer to suppress interference signals. The common-mode choke is used as a high-frequency coupler in the solution proposed here. A single sliding-mode choke serves in the output stage circuit as a high-frequency coupler for the transmission signal and for the reception signal.

Mit dieser Endstufenschaltung lässt sich für den gesamten Frequenzbereich, in dem Frequenzkanäle des digital modulierten Hochfrequenzsignals liegen, d.h. über die Bandbreite des Hochfrequenzsignals, die Impedanz gemäß den Vorgaben einhalten. Gemäß den zum Zeitpunkt der Anmeldung gültige aktuellen Normen der Normenfamilien ISO15118 wird eine Ausgangsimpedanz von 60 bis 110 Ohm im Frequenzbereich von 1,8 MHz bis 30 MHz gefordert. Während auf dem Markt kaum geeignete 1:1:1-Transformatoren finden lassen, die über den gesamten Frequenzbereich eine angepasste Ausgangsimpedanz ermöglichen, ist es möglich eine geeignete Gleichtaktdrossel zu finden oder auszubilden, die der Endstufenschaltung die geforderte Ausgangsimpedanz für den gesamten Frequenzbereich verleiht.With this output stage circuit, the impedance can be maintained in accordance with the specifications for the entire frequency range in which the frequency channels of the digitally modulated high-frequency signal lie, i.e. across the bandwidth of the high-frequency signal. According to the current standards of the ISO15118 family valid at the time of registration, an output impedance of 60 to 110 ohms is required in the frequency range from 1.8 MHz to 30 MHz. While there are hardly any suitable 1:1:1 transformers on the market that provide an adapted output impedance over the entire frequency range, pedance, it is possible to find or design a suitable common mode choke that gives the power amplifier circuit the required output impedance for the entire frequency range.

Hierdurch wird erreicht, dass es nicht zu Fehlern in der Powerline-Kommunikation kommt, d.h. keine oder nur sehr wenige der Frequenzkanäle des digital modulierten Hochfrequenzsignals aufgrund von Reflexionen gestört sind.This ensures that there are no errors in the powerline communication, i.e. none or only very few of the frequency channels of the digitally modulated high-frequency signal are disturbed due to reflections.

Hierbei ist weder im Sendesignalleitungszweig noch im Empfangssignalleitungszweig eine induktive galvanische Trennung ausgebildet. Als Sendesignalleitungszweig und als Empfangssignalleitungszweig werden die Zweige der Endstufenschaltung bezeichnet, die die Gleichtaktdrossel mit den Sendesignalanschlüssen oder entsprechend den Empfangssignalanschlüssen einer integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung (PLC-Chips) verbinden, die das Sendesignal bereitstellt und das Empfangssignal weiterverarbeitet (hierbei steht PLC für power line communication als Abkürzung für Powerline-Kommunikation).In this case, there is no inductive galvanic isolation in either the transmit signal line branch or the receive signal line branch. The branches of the output stage circuit that connect the common mode choke to the transmit signal connections or, accordingly, the receive signal connections of an integrated power line communication circuit (PLC chip), which provides the transmit signal and further processes the receive signal (PLC stands for power line communication).

Die hier beschriebene Endstufenschaltung kann sowohl im Elektrofahrzeug als auch in einer Ladestation eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird die hier beschriebene Endstufenschaltung, die als Hochfrequenzkoppler eine Gleichtaktdrossel nutzt, sowohl in den Elektrofahrzeugen als auch in den Ladestationen eingesetzt. Es ergibt sich jedoch für den Fachmann, dass die hier beschriebenen neuartigen Endstufenschaltungen auch mit Endstufenschaltungen nach dem Stand der Technik kompatibel sind, die einen 1:1:1-Transformator als Hochfrequenzkoppler einsetzen.The output stage circuit described here can be used both in electric vehicles and in charging stations. The output stage circuit described here, which uses a common mode choke as a high frequency coupler, is particularly preferably used in electric vehicles and in charging stations. However, it is clear to those skilled in the art that the novel output stage circuits described here are also compatible with output stage circuits according to the state of the art that use a 1:1:1 transformer as a high frequency coupler.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungen des Sendesignalleitungszweigs und des Empfangssignalleitungszweigs symmetrisch ausgeführt. Hierdurch werden Störungen vermieden, die die Ausgangsimpedanz der gesamten Endstufenschaltung verändern können. In a preferred embodiment, the lines of the transmit signal line branch and the receive signal line branch are symmetrical. This avoids interference that can change the output impedance of the entire output stage circuit.

Darüber hinaus werden der Sendesignalleitungszweig und der Empfangssignalzweig auch hinsichtlich der Impedanzen so ausgebildet, dass eine Impedanz gebildet aus Sendesignalleitungszweig und Sendesignalausgang einer Impedanz entspricht, die durch den Empfangssignalleitungszweig gemeinsam mit dem Empfangssignaleingang gebildet ist.In addition, the transmit signal line branch and the receive signal branch are also designed with regard to the impedances such that an impedance formed from the transmit signal line branch and the transmit signal output corresponds to an impedance formed by the receive signal line branch together with the receive signal input.

Eine Impedanz des Sendesignalausgangs ist in der Regel durch einen Digital-Analog-Wandlerausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung bestimmt. Eine Impedanz des Empfangssignaleingangs ist in der Regel durch eine Impedanz eines Analog-Digital-Wandlers der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung bestimmt.An impedance of the transmit signal output is usually determined by a digital-to-analog converter output of the integrated powerline communication circuit. An impedance of the receive signal input is usually determined by an impedance of an analog-to-digital converter of the integrated powerline communication circuit.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das Sendesignal und das Empfangssignal gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren moduliert. Dieses bietet eine hohe Übertragungssicherheit gegenüber insbesondere kurzzeitigen Störungen und ermöglicht es zugleich einzelne Frequenzkanäle aus einem Frequenzbereich auszusparen und dennoch einen großen Frequenzbereich für die Übertragung zu nutzen.In a preferred embodiment, the transmit signal and the receive signal are modulated according to an orthogonal frequency multiplexing method. This offers a high level of transmission reliability, particularly against short-term interference, and at the same time makes it possible to exclude individual frequency channels from a frequency range and still use a large frequency range for transmission.

Um sicherzustellen, dass von den auf das Ladekabel eingekoppelten Frequenzen nur die Frequenzen, die mit den Frequenzvorgaben für die entsprechende Powerline-Kommunikation übereinstimmen, insbesondere keine Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz zu dem Empfangssignaleingang gelangen, ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass in dem Empfangssignalleitungszweig zwischen der Gleichtaktdrossel und einem Empfangssignaleingang des PLC-Chips oder der integrierten PLC-Schaltung ein Bandpassfilter ausgebildet ist. Ist das bei der Powerline-Kommunikation verwendete Hochfrequenzsignal als OFDM-Signal moduliert, so bedeutet dieses, dass keiner der auftretenden Frequenzkanäle durch den Bandpassfilter deutlich abgeschwächt wird. Frequenzen, die höher als die des höchstfrequenten Frequenzkanals des OFDM-modulierten Signals sind, werden gedämpft. Ebenso werden Frequenzen, die niedriger als die des niederfrequentesten Frequenzkanal des OFDM-modulierten Signals sind, gedämpft.In order to ensure that, of the frequencies coupled into the charging cable, only the frequencies that match the frequency specifications for the corresponding powerline communication, and in particular no frequencies above a cutoff frequency, reach the receive signal input, some embodiments provide for a bandpass filter to be formed in the receive signal line branch between the common mode choke and a receive signal input of the PLC chip or the integrated PLC circuit. If the high-frequency signal used in powerline communication is modulated as an OFDM signal, this means that none of the frequency channels that occur are significantly attenuated by the bandpass filter. Frequencies that are higher than the highest frequency channel of the OFDM-modulated signal are attenuated. Frequencies that are lower than the lowest frequency channel of the OFDM-modulated signal are also attenuated.

Um einen Gleichtaktanteil zu blockieren, ist bei einer Ausführungsform die Gleichtaktdrossel über zwei Koppelkondensatoren mit den Adern des Adernpaares des Ladekabels oder Ladekabelanschlusses verbunden.In order to block a common-mode component, in one embodiment the common-mode choke is connected to the wires of the wire pair of the charging cable or charging cable connection via two coupling capacitors.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel (CMC) so gewählt, dass deren Impedanz im Frequenzbereich der zu übertragenden Hochfrequenz in Summe mit der Impedanz, die einerseits durch den Sendesignalleitungszweig mit dem Sendesignalausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung und andererseits durch den Empfangssignalleitungszweig mit dem Empfangssignaleingang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung festgelegt ist, unter Berücksichtigung der Koppelkondensatoren eine Impedanz ergibt, die einer Sollimpedanz des Ladekabelabschlusses oder Ladekabelanschlusses entspricht.In a preferred embodiment, the common mode choke (CMC) is selected such that its impedance in the frequency range of the high frequency to be transmitted, in sum with the impedance determined on the one hand by the transmit signal line branch with the transmit signal output of the integrated powerline communication circuit and on the other hand by the receive signal line branch with the receive signal input of the integrated powerline communication circuit, results in an impedance, taking into account the coupling capacitors, which corresponds to a target impedance of the charging cable termination or charging cable connection.

Die Impedanz des Empfangssignalleitungszweigs ist im Wesentlichen durch die Eingangsimpedanz des Empfangssignaleingangs und die Impedanz des in dem Empfangssignalleitungszweigs ausgebildeten Bandpassfilters festgelegt. Dessen Impedanz sollte möglichst kleiner 30 Ohm gewählt werden, um eine ausreichende Wahlmöglichkeit für die Gleichtaktdrossel zu bieten. Hierbei wird angenommen, dass die Ladekabel eine Impedanz von etwa 100 Ohm für die Wellenleitung im relevanten Hochfrequenzbereich aufweisen.The impedance of the receive signal line branch is essentially determined by the input impedance of the receive signal input and the impedance of the bandpass filter formed in the receive signal line branch. Its impedance should be chosen to be less than 30 ohms in order to provide sufficient choice for the common mode choke. It is assumed that the charging cables have an impedance of about 100 ohms for the waveguide in the relevant high frequency range.

Die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs, wird so angepasst, das diese gemeinsam mit der Impedanz des Sendesignalausgangs der Impedanz entspricht, die der Empfangssignalleitungszweig mit dem Bandpassfilter und der Empfangssignaleingang gemeinsam bilden. Hierbei wird die Impedanzanpassung im Sendesignalleitungszweigs vorzugsweise durch eine Ausgestattung der Leitungen, insbesondere die Ausgestaltung von deren Breite und von deren Querschnitt, vorgenommen.The impedance of the transmit signal line branch is adjusted so that it, together with the impedance of the transmit signal output, corresponds to the impedance that the receive signal line branch with the bandpass filter and the receive signal input together form. The impedance adjustment in the transmit signal line branch is preferably carried out by equipping the lines, in particular the design of their width and their cross-section.

Gemäß einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Impedanz der Gleichtaktdrossel im Frequenzbereich der zu übertragenden Hochfrequenz so gewählt ist, dass diese in Summe mit einer Impedanz einer Parallelschaltung von zwei Strängen der Endstufenschaltung die Sollabschlussimpedanz des Ladekabels oder des Ladekabelanschlusses im Rahmen der vorgegeben Toleranz ergibt, wobei einer der Stränge aus dem Sendesignalleitungszweig und dem Sendesignalausgang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung besteht und der andere der Stränge aus dem Empfangssignalleitungszweig und dem Empfangssignaleingang der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung besteht, wobei eine Impedanz des Empfangssignalleitungszweigs durch eine Impedanz eines in dem Empfangssignalleitungszweig ausgebildeten Bandpassfilters festgelegt ist, und die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs zur Vermeidung eines Impedanzunterschieds der Stränge der Parallelschaltung angepasst ist.According to one embodiment, it is therefore provided that an impedance of the common-mode choke in the frequency range of the high frequency to be transmitted is selected such that this, in sum with an impedance of a parallel connection of two strands of the output stage circuit, results in the target termination impedance of the charging cable or the charging cable connection within the specified tolerance, wherein one of the strands consists of the transmit signal line branch and the transmit signal output of the integrated powerline communication circuit and the other of the strands consists of the receive signal line branch and the receive signal input of the integrated powerline communication circuit, wherein an impedance of the receive signal line branch is determined by an impedance of a bandpass filter formed in the receive signal line branch, and the impedance of the transmit signal line branch is adapted to avoid an impedance difference between the strands of the parallel connection.

Als Strang wird hier jeweils die Zusammenschaltung aus einem Leitungszweig und dem zugehörigen Anschluss der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung aufgefasst. A strand is understood here as the interconnection of a line branch and the associated connection of the integrated powerline communication circuit.

Während im Stand der Technik für Tiefpässe im Empfangssignalleitungszweig, die mit einem Transformator als Hochfrequenzkoppler eingesetzt werden, häufig Schaltungen höherer Ordnung, beispielsweise fünfter Ordnung, und mit fünfter sehr kleinen Kapazitäten verwendet werden müssen, kann durch den Einsatz der Gleichtaktdrossel die benötigte Ordnung des Filters verringert werden.While in the state of the art for low-pass filters in the receive signal line branch, which are used with a transformer as a high-frequency coupler, often higher order circuits, for example fifth order, and with fifth very small capacitances must be used, the required order of the filter can be reduced by using the common mode choke.

Zusätzlich können in der Regel Kondensatoren mit höheren Kapazitäten genutzt werden. Dieses vereinfacht den Schaltungsaufbau des Bandpassfilters. Ferner können passive Bauteile eingespart werden. Dennoch ist es wichtig, die Schaltung möglichst kompakt auszuführen, um den Einfluss von Leitungskapazitäten möglichst gering zu halten.In addition, capacitors with higher capacitances can usually be used. This simplifies the circuit design of the bandpass filter. Passive components can also be saved. Nevertheless, it is important to make the circuit as compact as possible in order to keep the influence of line capacitances as low as possible.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bandpassfilter mit einer Impedanz von weniger als 30 Ohm in dem relevanten Frequenzbereich ausgebildet, der für die Powerline-Kommunikation verwendet wird. Hierdurch wird eine optimale Anpassung der Gesamtimpedanz mit der Gleichtaktdrossel ermöglicht.In a preferred embodiment, the bandpass filter is designed with an impedance of less than 30 ohms in the relevant frequency range used for powerline communication. This enables optimal matching of the overall impedance with the common mode choke.

Um zu verhindern, dass eine ebenfalls über dasselbe Adernpaar übertragene niederfrequente Kommunikation, wie beispielsweis die aus dem Stand der Technik bekannte Kommunikation mittels Pulsweitenmodulation, nicht gestört wird und ihrerseits die Powerline-Kommunikation nicht beeinträchtigt, ist vorgesehen, dass die Koppelkondensatoren gemeinsam mit der Gleichtaktdrossel und dem Sendesignalleitungszweig und dem Empfangssignalleitungszweig sowie dem Powerline-Kommunikations-Chip einen Hochpass mit einer vorgegebenen Grenzfrequenz bilden, die unterhalb der Frequenz des niedrigsten im Hochfrequenzsignal enthaltenen Frequenzkanals liegt. Beispielsweise wird die Grenzfrequenz im Bereich von 500 Kilohertz (kHz) festgelegt, wenn die Powerline-Kommunikation im Frequenzbereich von 1,8 Megahertz bis 30 Megahertz ausgeführt wird.In order to prevent low-frequency communication that is also transmitted via the same wire pair, such as the communication known from the prior art using pulse width modulation, from being disturbed and in turn not affecting the powerline communication, it is provided that the coupling capacitors together with the common-mode choke and the transmit signal line branch and the receive signal line branch as well as the powerline communication chip form a high-pass filter with a predetermined cutoff frequency that is below the frequency of the lowest frequency channel contained in the high-frequency signal. For example, the cutoff frequency is set in the range of 500 kilohertz (kHz) if the powerline communication is carried out in the frequency range from 1.8 megahertz to 30 megahertz.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer typischen Ladesituation eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation, wobei nur die für die Kommunikation verwendeten Leitungen und Schaltungskomponenten für eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik gezeigt sind; und
2 eine schematische Darstellung der für die Kommunikation relevanten Komponenten mit einer Ausführungsform einer Endstufenschaltung für die Powerline-Kommunikation unter Verwendung einer Gleichtaktdrossel für das Ein- und Auskoppeln des Hochfrequenzsignals.

The invention is explained in more detail below with reference to a drawing.

1 a schematic view of a typical charging situation of an electric vehicle at a charging station, wherein only the lines and circuit components used for communication are shown for an embodiment according to the prior art; and
2 a schematic representation of the components relevant for communication with an embodiment of an output stage circuit for powerline communication using a common mode choke for coupling and decoupling the high frequency signal.

In 1 ist schematisch das Laden eines Elektrofahrzeugs (EV) 100 an einer Ladestation (EVSE) 200 mit einer Kommunikationsschaltung nach dem Stand der Technik dargestellt. Gezeigt sind nur die für die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug 100 und der Ladestation 200 wichtigen Bestandteile.In 1 The charging of an electric vehicle (EV) 100 at a charging station (EVSE) 200 with a communication circuit according to the state of the art is shown schematically. Only the components important for the communication between the electric vehicle 100 and the charging station 200 are shown.

Die Ladestation 200 ist mit dem Elektrofahrzeug 100 über ein Ladekabel 300 verbunden. Hiervon sind nur zwei Adern gezeigt, von denen eine als Steuerpilot-(CP - charge pilot)-Leitung 310 und die andere als Schutzleiter-(PE - protective earth)-Leitung 320 bezeichnet wird.The charging station 200 is connected to the electric vehicle 100 via a charging cable 300. Only two wires are shown, one of which is referred to as the charge pilot (CP) line 310 and the other as the protective earth (PE) line 320.

Die Ladestation 200 weist einen gesteuerten Oszillator 230 auf, der ein Pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal erzeugt. Über eine Pulsbreite wird ein von der Ladestation angebotener maximaler Ladestrom signalisiert. Ein Schalter S1 240 ist in einer Stellung dargestellt, in der das Pulsbreitenmodulierte Signal auf die Steuerpilotleitung 310 gegeben wird.The charging station 200 has a controlled oscillator 230 that generates a pulse width modulated square wave signal. A maximum charging current offered by the charging station is signaled via a pulse width. A switch S1 240 is shown in a position in which the pulse width modulated signal is sent to the control pilot line 310.

In eine zweite Stellung (nicht darstellt) wird der Schalters S1 240 gebracht, wenn an der Ladestation 200 kein Elektrofahrzeug angeschlossen ist. Zwischen dem einem Anschlussstift 251 der Steuerpilotleitung CP und der Anschlussstift 252 der Schutzleiter-Leitung 320 liegt in diesem Fall dann eine Konstantspannung von +12V.The switch S1 240 is placed in a second position (not shown) when no electric vehicle is connected to the charging station 200. In this case, there is a constant voltage of +12V between the connection pin 251 of the control pilot line CP and the connection pin 252 of the protective conductor line 320.

Wird das Ladekabel 300 ein einem Ende 301 mit dem Ladekabelanschluss 250 der Ladestation 200 und mit einem andern Ende 302 mit einem Ladekabelanschluss 150 des Elektrofahrzeugs 100 verbunden, so sinkt die Spannung auf der CP Leitung auf etwa +9 V, da der Widerstand R1 220 der Ladestation 200 gemeinsam mit der Diode D1 128 und dem Widerstand R3 125 des Elektrofahrzeugs 100 einen Spannungsteiler bildet.If the charging cable 300 is connected at one end 301 to the charging cable connection 250 of the charging station 200 and at another end 302 to a charging cable connection 150 of the electric vehicle 100, the voltage on the CP line drops to approximately +9 V, since the resistor R1 220 of the charging station 200 together with the diode D1 128 and the resistor R3 125 of the electric vehicle 100 forms a voltage divider.

Stellt die Ladestation diesen Spannungsabfall fest, so wird der Schalter S1 240 in die in der 1 gezeigte Stellung geschaltet und das Pulsweitenmodulierte Rechtecksignal auf die CP-Leitung 310 geschaltet. Die Spannung des Rechtecksignals wechselt zwischen +9V und -12V. Ist das Elektrofahrzeug 100 bereit zum Laden, so wir ein Schalter S2 141 in eine geschlossene Stellung (nicht dargestellt) verbracht und ein Widerstand R2 126 mit dem Widerstand R3 parallel geschaltet. Die Rechteckspannung wechselt dann auf der CP-Leitung 310 gegenüber der Schutzleiter-Leitung 320 zwischen +3v und -12V.If the charging station detects this voltage drop, the switch S1 240 is set to the 1 shown position and the pulse width modulated square wave signal is switched to the CP line 310. The voltage of the square wave signal changes between +9V and -12V. If the electric vehicle 100 is ready to charge, a switch S2 141 is moved to a closed position (not shown) and a resistor R2 126 is connected in parallel with the resistor R3. The square wave voltage then changes between +3V and -12V on the CP line 310 opposite the protective conductor line 320.

Für eine Kommunikation mit höherer Datenrate ist zusätzlich eine Powerline-Kommunikation auf dem Adernpaar 330 Steuerpilot-Schutzleiter des Ladekabels 300 vorgesehen.For communication with a higher data rate, powerline communication is also provided on the wire pair 330 control pilot-protective conductor of the charging cable 300.

Die Ladestation 200 weist für die Powerline-Kommunikation eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 auf. Das Elektrofahrzeug 100 weist eine integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung (PLC-Schaltung) 160 auf. Die integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 werden auch als Powerline-Kommunikations-Chips bezeichnet. Die integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 sind von der funktionsweise identisch ausgebildet.The charging station 200 has an integrated powerline communication circuit 260 for powerline communication. The electric vehicle 100 has an integrated powerline communication circuit (PLC circuit) 160. The integrated powerline communication circuits 160, 260 are also referred to as powerline communication chips. The integrated powerline communication circuits 160, 260 are designed to be identical in terms of their functionality.

Jede der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltungen 160, 260 ist in der Lage ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen und mit einem digitalen Modulationsverfahren gemäß einer bereitgestellten zu übertragenden Information 111 bzw. 211 zu modulieren. Die Information wird in der Regel in Form von digitalen Daten bereitgestellt. Als Modulationsverfahren wird vorzugsweise ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) verwendet. Hierbei können einzelne Frequenzkanäle, falls gewünscht, ungenutzt bleiben. Vorzugsweise werden Frequenzkanäle im Frequenzbereich von 1,8 Megahertz bis 30 Megahertz verwendet. Das zu sendende Hochfrequenzsignal wird an Sendesignalausgängen 161, 162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100, die auch als Tx+ 161 und Tx- 162 bezeichnet werden, und entsprechend an Sendesignalausgängen 261, 262 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 260 der Ladestation 200, die auch als Tx+ 261 und Tx- 262 bezeichnet werden, bereitgestellt.Each of the integrated powerline communication circuits 160, 260 is able to generate a high-frequency signal and to modulate it with a digital modulation method according to a provided information 111 or 211 to be transmitted. The information is usually provided in the form of digital data. An orthogonal frequency division multiplexing method (OFDM) is preferably used as the modulation method. Individual frequency channels can remain unused if desired. Frequency channels in the frequency range from 1.8 megahertz to 30 megahertz are preferably used. The high frequency signal to be transmitted is provided at transmit signal outputs 161, 162 of the integrated powerline communication circuit 160 of the electric vehicle 100, which are also referred to as Tx+ 161 and Tx- 162, and correspondingly at transmit signal outputs 261, 262 of the integrated powerline communication circuit 260 of the charging station 200, which are also referred to as Tx+ 261 and Tx- 262.

Entsprechend weist die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100 zwei Empfangssignaleingänge 163, 164, die auch als Rx+ 163 und Rx-164 bezeichnet werden, auf, an denen ein Empfangssignal in die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 160 des Elektrofahrzeugs 100 eingespeist werden kann, um empfangene Hochfrequenzsignal entsprechend zu demodulieren und die von der Ladestation 200 übertragene Information 211' bereitzustellen.Accordingly, the integrated powerline communication circuit 160 of the electric vehicle 100 has two receive signal inputs 163, 164, also referred to as Rx+ 163 and Rx-164, at which a receive signal can be fed into the integrated powerline communication circuit 160 of the electric vehicle 100 in order to demodulate received high-frequency signals accordingly and to provide the information 211' transmitted by the charging station 200.

Analog weist die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 des Ladestation 200 zwei Empfangssignaleingänge 263, 264, die auch als Rx+ 263 und Rx- 264 bezeichnet werden auf, an denen ein Empfangssignal in die integrierte Powerline-Kommunikationsschaltung 260 der Ladestation 200 eingespeist werden kann, um das empfangene Hochfrequenzsignal entsprechend zu demodulieren und die vom Elektrofahrzeug übertragene Information 111' bereitzustellen.Analogously, the integrated powerline communication circuit 260 of the charging station 200 has two receive signal inputs 263, 264, also referred to as Rx+ 263 and Rx- 264, at which a receive signal can be fed into the integrated powerline communication circuit 260 of the charging station 200 in order to demodulate the received high-frequency signal accordingly and to provide the information 111' transmitted by the electric vehicle.

Im Stand der Technik sind Endstufenschaltungen 170, 270 ausgebildet, die jeweils einen 1:1:1-Transformator 180, 280 vorsehen, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten und eine induktive Einkopplung des Sendesignals auf das Adernpaar 330, bestehend aus der Steuerpilot-Leitung 310 und der Schutzleiter-Leitung 320, zu realisierenIn the prior art, output stage circuits 170, 270 are designed, each of which provides a 1:1:1 transformer 180, 280 to ensure galvanic isolation and to realize an inductive coupling of the transmission signal to the wire pair 330, consisting of the control pilot line 310 and the protective conductor line 320.

Im Elektrofahrzeug sind Anschlüsse 181, 182 einer ersten Wicklung 187 des Transformators 180 über einen Sendesignalleitungszweig 175 mit den Sendesignalausgängen Tx+ 161, Tx-162 verbunden. Anschlüsse 183, 184 einer zweiten Wicklung 188 des Transformators 180 sind über einen Empfangssignalleitungszweig 176 mit den Empfangssignaleingängen Rx+ 163, Rx-164 verbunden. Die Ankopplung der dritten Wicklung 189 des Transformators 180 erfolgt, indem die Anschlüsse 185, 186 dieser dritten Wicklung 189 über Koppelkondensatoren 178, 179 mit der Steuerpilot-Leitung 310 und der Schutzleiter-Leitung 320 bzw. mit den Anschlussstiften (Steuerpilot(CP)-Leitung) 151 (Schutzleiter(PE)-Leitung) 152 verbunden sind.In the electric vehicle, connections 181, 182 of a first winding 187 of the transformer 180 are connected to the transmit signal outputs Tx+ 161, Tx-162 via a transmit signal line branch 175. Connections 183, 184 of a second winding 188 of the transformer 180 are connected to the receive signal inputs Rx+ 163, Rx-164 via a receive signal line branch 176. The third winding 189 of the transformer 180 is coupled by connecting the connections 185, 186 of this third winding 189 to the control pilot line 310 and the Protective conductor line 320 or with the connection pins (control pilot (CP) line) 151 (protective conductor (PE) line) 152.

Analog ist die Endstufenschaltung 270 der Ladestation 200 ausgebildet, wobei die erste Ziffer der Bezugszeichen jeweils eine „2“ statt einer „1“ ist. Die technischen Funktionen der einzelnen so analog bezeichneten Merkmale der Endstufenschaltung 270 der Ladestation 200 sind identisch zu denen der entsprechenden Merkmale der Endstufenschaltung 170 des Elektrofahrzeugs 100.The output stage circuit 270 of the charging station 200 is designed in an analogous manner, with the first digit of the reference numerals being a "2" instead of a "1". The technical functions of the individual features of the output stage circuit 270 of the charging station 200 referred to in this way are identical to those of the corresponding features of the output stage circuit 170 of the electric vehicle 100.

Es hat sich gezeigt dass die Endstufenschaltungen 170, 270 gemäß dem Stand der Technik häufig nicht oder zumindest nicht über den gesamten geforderten Frequenzbereich die Ausgangsimpedanzanforderungen erfüllen.It has been shown that the output stage circuits 170, 270 according to the state of the art often do not meet the output impedance requirements or at least not over the entire required frequency range.

In 2 ist dieselbe Ladesituation wie in 1 für eine Elektrofahrzeug 100 an einer Ladestation 200 dargestellt, wobei jedoch die Endstufenschaltungen 1700 und 2700 für das Einkoppeln der Sendesignale und Auskoppeln der Empfangssignale in der Ladestation 200 und dem Elektrofahrzeug 100 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt sind.In 2 is the same charging situation as in 1 for an electric vehicle 100 at a charging station 200, but the output stage circuits 1700 and 2700 for coupling the transmission signals and coupling the reception signals in the charging station 200 and the electric vehicle 100 are shown according to an embodiment of the invention.

Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren identisch bezeichnet und nicht erneut erläutert.Identical technical features are identified identically in all figures and are not explained again.

Die Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs 100 und die Endstufenschaltung 2700 der Ladestation 200 sind analog zueinander ausgebildet. Die erste Ziffer „1“ des Bezugszeichens gibt die Zuordnung zu der Endstufenschaltung 1170 des Elektrofahrzeugs 100 an, die erste Ziffer „2“ gibt die Zuordnung zu der Endstufenschaltung 2700 der Ladestation 200 an.The output stage circuit 1700 of the electric vehicle 100 and the output stage circuit 2700 of the charging station 200 are designed analogously to one another. The first digit "1" of the reference number indicates the assignment to the output stage circuit 1170 of the electric vehicle 100, the first digit "2" indicates the assignment to the output stage circuit 2700 of the charging station 200.

Im Folgenden wir die Endstufenschaltung des Elektrofahrzeugs erläutert.The final stage circuit of the electric vehicle is explained below.

Die Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs 100 weist als einen Kernbestandteil, der sich von der Endstufenschaltung 170 nach dem Stand der Technik unterscheidet, eine Gleichtaktdrossel 1790 statt des Transformators 180 auf, um das Sendesignal auf das Adernpaar 330 des Ladekabels 300 einzukoppeln und das Empfangssignal auszukoppeln.The output stage circuit 1700 of the electric vehicle 100 has, as a core component that differs from the output stage circuit 170 according to the prior art, a common mode choke 1790 instead of the transformer 180 in order to couple the transmission signal to the wire pair 330 of the charging cable 300 and to couple out the reception signal.

Die Endstufenschaltung 1700 weist einen Sendesignalzweig 1710 und einen Empfangssignalzweig 1720 auf. Der Sendesignalzweig 1710 ist einerseits mit den Sendesignalausgängen Tx+ 161 und TX- 162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 und andererseits mit der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden.The output stage circuit 1700 has a transmit signal branch 1710 and a receive signal branch 1720. The transmit signal branch 1710 is connected on the one hand to the transmit signal outputs Tx+ 161 and TX- 162 of the integrated powerline communication circuit 160 and on the other hand to the common mode choke 1790.

Der Empfangssignalzweig 1720 ist einerseits mit den Empfangssignaleingängen Rx+ 163 und Rx- 164 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 und andererseits ebenfalls mit der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Bevorzugterweise sind die Sendesignalzweig-Leitungen 1711, 1712 des Sendesignalzweigs 1710 mit den Empfangssignalzweig-Leitungen 1721, 1722 des Empfangssignalzweigs 1720 erst unmittelbar an den Anschlüssen 1791, 1793 der Gleichtaktdrossel 1790 miteinander kontaktiert.The receive signal branch 1720 is connected on the one hand to the receive signal inputs Rx+ 163 and Rx- 164 of the integrated powerline communication circuit 160 and on the other hand also to the common mode choke 1790. Preferably, the transmit signal branch lines 1711, 1712 of the transmit signal branch 1710 are only contacted with the receive signal branch lines 1721, 1722 of the receive signal branch 1720 directly at the terminals 1791, 1793 of the common mode choke 1790.

Hierbei sind die Leitung 1711 des Sendesignalleitungszweigs 1710 und eine Leitung 1721 des Empfangssignalleitungszweigs 1720 mit dem Anschluss 1791 der einen Wicklung 1795 der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Entsprechend ist eine andere Leitung 1712 des Sendesignalleitungszweigs 1710 und eine andere Leitung 1722 des Empfangssignalleitungszweigs 1720 mit dem Anschluss1793 der anderen Wicklung 1796 der Gleichtaktdrossel 1790 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse 1792 der ersten Wicklung 1795 und 1793 der zweiten Wicklung 1796 sind jeweils über einen Koppelkondensator 1781, 1782 mit der Steuerpilot-Leitung 310 bzw. Schutzleiter-Leitung 320 oder den entsprechenden Anschlussstiften 151,152 des Ladekabelanschlusses 150 verbunden.Here, the line 1711 of the transmit signal line branch 1710 and a line 1721 of the receive signal line branch 1720 are connected to the terminal 1791 of one winding 1795 of the common mode choke 1790. Accordingly, another line 1712 of the transmit signal line branch 1710 and another line 1722 of the receive signal line branch 1720 are connected to the terminal 1793 of the other winding 1796 of the common mode choke 1790. The other terminals 1792 of the first winding 1795 and 1793 of the second winding 1796 are each connected via a coupling capacitor 1781, 1782 to the control pilot line 310 or protective conductor line 320 or the corresponding connection pins 151, 152 of the charging cable connection 150.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist in dem Empfangssignalleitungszweig ein Bandpassfilter 1730 ausgebildet, der aus passiven Bauelementen gebildet ist. Der Bandpassfilter 1730 bewirkt, dass hochfrequente Anteile aus dem Empfangssignal gefiltert werden, d. h. stark gedämpft werden, sodass die Hochfrequenzanteile, die auf das Ladekabel 300 eingekoppelt sind, im Empfangssignal frequenzbegrenzt sind. Hochfrequenzanteile deutlich oberhalb der Frequenz des höchsten Frequenzkanals des vorzugsweise gemäß einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren modulierten Sendesignals gelangen im Empfangssignal nicht zu den Empfangssignaleingängen 163, 164. Der Bandpassfilter 1730 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Bandpassfilterimpedanz kleiner 30 Ohm ist.In the embodiment shown, a bandpass filter 1730 is formed in the received signal line branch, which is made up of passive components. The bandpass filter 1730 causes high-frequency components to be filtered out of the received signal, i.e., to be strongly attenuated, so that the high-frequency components coupled into the charging cable 300 are frequency-limited in the received signal. High-frequency components significantly above the frequency of the highest frequency channel of the transmission signal, which is preferably modulated according to an orthogonal frequency multiplexing method, do not reach the received signal inputs 163, 164 in the received signal. The bandpass filter 1730 is preferably designed such that a bandpass filter impedance is less than 30 ohms.

Eine Ausgangsimpedanz dieser Endstufenschaltung 1700 ist im Wesentlichen durch eine Sendesignalausgangsimpedanz an den Sendesignalausgängen 161,162 der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160, eine Impedanz des Sendesignalleitungszweigs 1710 sowie eine Empfangssingaleingangsimpedanz der Empfangssignaleingänge 163, 164 und des Empfangssignalleitungszweigs 1720, dessen Impedanz im Wesentlichen durch die Filterimpedanz des Bandpassfilters 1730 bestimmt ist, und eine Impedanz der Gleichtaktdrossel 1790 bestimmt, wobei die Koppelkondensatoren 1781, 1782 die Impedanz auch mit beeinflussen.An output impedance of this output stage circuit 1700 is essentially determined by a transmit signal output impedance at the transmit signal outputs 161, 162 of the integrated powerline communication circuit 160, an impedance of the transmit signal line branch 1710 and a receive signal input impedance of the receive signal inputs 163, 164 and the receive signal line branch 1720, whose impedance is essentially determined by the filter impedance of the bandpass filter 1730, and an impedance of the common mode choke 1790, wherein the coupling capacitors 1781, 1782 also influence the impedance.

Die Impedanz des Sendesignalleitungszweigs 1710 wird unter Berücksichtigung der Sendesignalausgangsimpedanz im Wesentlichen an die Impedanz des Bandpassfilters 1730 bei weiterer Berücksichtigung der Empfangssignaleingangsimpedanz angepasst. Hierzu werden die Leitungsbahnen hinsichtlich Material und Leitungsquerschnitt entsprechend ausgeführt.The impedance of the transmit signal line branch 1710 is essentially adapted to the impedance of the bandpass filter 1730, taking into account the transmit signal output impedance and also taking into account the receive signal input impedance. For this purpose, the conductor tracks are designed accordingly in terms of material and conductor cross-section.

Die beiden Komponenten mit dem größten Einfluss auf die Gesamtimpedanz, die in der Endstufenschaltung 1700 angepasst werden können, sind der Bandpassfilter 1730 und die Gelichtaktdrossel 1790.The two components with the greatest influence on the overall impedance that can be adjusted in the power amplifier circuit 1700 are the bandpass filter 1730 and the common mode choke 1790.

Bei der Ausbildung des Bandpassfilters 1730 und der Auswahl der Gleichtaktdrossel 1790 wird ferner darauf geachtet, dass sich gemeinsam mit den Koppelkondensatoren 1781, 1782 ein Hochpassfilter bildet, dessen Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz des niedrigsten Frequenzkanals des zur Kommunikation verwendeten Hochfrequenzsignals liegt, jedoch die niederfrequenten Anteile aufgrund des pulsweitenmodulierten Signals zum Signalisieren des maximal möglichen Ladestroms gefiltert werden.When designing the bandpass filter 1730 and selecting the common mode choke 1790, care is also taken to ensure that, together with the coupling capacitors 1781, 1782, a high-pass filter is formed whose cutoff frequency is below the frequency of the lowest frequency channel of the high-frequency signal used for communication, but the low-frequency components are filtered due to the pulse-width modulated signal for signaling the maximum possible charging current.

Die Impedanz an den Sendesignalausgängen Tx+ 161, Tx- 162 ist im Wesentlichen durch die Impedanz des Digitalanalogwandlers (nicht dargestellt) der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 bestimmt.The impedance at the transmit signal outputs Tx+ 161, Tx- 162 is essentially determined by the impedance of the digital-analog converter (not shown) of the integrated powerline communication circuit 160.

Die Impedanz an den Empfangssignaleingängen Rx+ 163, Rx- 164 ist im Wesentlichen durch die Impedanz des Analog-Digital-Wandlers (nicht dargestellt) der integrierten Powerline-Kommunikationsschaltung 160 bestimmt.The impedance at the receive signal inputs Rx+ 163, Rx- 164 is essentially determined by the impedance of the analog-to-digital converter (not shown) of the integrated powerline communication circuit 160.

Um eine Einkopplung von Störungen sowie das Auftreten von Reflexionen zu vermeiden und im Sendesignalleitungszweig 1710 und im Empfangssignalleitungszweig 1720 gleiche Laufzeiten von Signalen zu erhalten sind diese vorzugsweise symmetrisch zueinander ausgebildet.In order to avoid coupling in of interference and the occurrence of reflections and to obtain equal propagation times of signals in the transmit signal line branch 1710 and in the receive signal line branch 1720, these are preferably designed symmetrically to each other.

Die Leitungen 1711,1712, 1721,1722 werden vorzugsweise parallel und vorzugsweise mit denselben Leitungsdurchmessern oder -querschnitten ausgeführt, sofern und soweit nicht eine verschiedenartige Ausführung zur Anpassung der Impedanz im Sendesignalleistungszweig an die Impedanz des Bandpassfilters im Empfangssignalleitungszweig notwendig ist.The lines 1711,1712, 1721,1722 are preferably designed in parallel and preferably with the same line diameters or cross-sections, unless and to the extent that a different design is necessary to adapt the impedance in the transmit signal power branch to the impedance of the bandpass filter in the receive signal line branch.

Die Leitungszweiglängen sind vorzugsweise ebenfalls identisch ausgeführt.The line branch lengths are preferably also identical.

Auch wenn hier in 2 eine optimale Kommunikationssituation gezeigt ist, bei der sowohl die Ladestation 200 als auch das Elektrofahrzeug 100 eine Endstufenschaltung 2700 bzw. 1700 mit einer Gleichtaktdrossel 2790 bzw. 1790 als Hochfrequenzkoppler aufweisen, ist die Endstufenschaltungen 2700 der Ladesäule 200 nach 2 auch in der Lage mit einem Elektrofahrzeug 100 mit einer Endstufenschaltungen 170 nach dem Stand der Technik (vergl. 1) eine Kommunikation aufzubauen. Ebenso ist eine Endstufenschaltung 1700 des Elektrofahrzeugs nach 2 auch in der Lage eine Kommunikation mit einer Endstufenschaltung 270 nach dem Stand der Technik eines Elektrofahrzeugs 100 (vergl. 1) aufzubauen.Even if here in 2 an optimal communication situation is shown in which both the charging station 200 and the electric vehicle 100 have an output stage circuit 2700 or 1700 with a common mode choke 2790 or 1790 as a high frequency coupler, the output stage circuits 2700 of the charging station 200 according to 2 also capable of using an electric vehicle 100 with an output stage circuit 170 according to the state of the art (cf. 1 ) to establish communication. Likewise, an output stage circuit 1700 of the electric vehicle is 2 also capable of communicating with a state-of-the-art power amplifier circuit 270 of an electric vehicle 100 (cf. 1 ).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100: ElektrofahrzeugElectric vehicle
111111: vom Elektrofahrzeug zur Ladestation zu übertragende InformationInformation to be transmitted from the electric vehicle to the charging station
111'111': vom Elektrofahrzeug übertragene (an der Ladestation empfangene) InformationInformation transmitted by the electric vehicle (received at the charging station)
125125: Widerstand R3Resistor R3
126126: Widerstand R2Resistor R2
128128: Diode D1Diode D1
141141: Schalter S2Switch S2
150150: LadekabelanschlussCharging cable connection
151151: Anschlussstift (Steuerpilot-(CP)-Leitung)Connector pin (control pilot (CP) line)
152152: Anschlussstift (Schutzleiter-(PE)-Leitung)Connection pin (protective conductor (PE) line)
160160: integrierte Powerline-Kommunikationsschaltungintegrated powerline communication circuit
161, Tx+161, Tx+: Sendesignalausgang (+)Transmit signal output (+)
162, Tx-162, Tx-: Sendesignalausgang (-)Transmit signal output (-)
163, Rx+163, Rx+: Empfangssignaleingang (+)Receive signal input (+)
164, Rx-164, Rx-: Empfangssignaleingang (-)Receive signal input (-)
170170: EndstufenschaltungPower amplifier circuit
178,179178,179: KoppelkondensatorenCoupling capacitors
180180: 1:1:1-Transformator1:1:1 transformer
181,182181,182: Anschlüsse der ersten WicklungConnections of the first winding
183,184183,184: Anschlüsse der zweiten WicklungConnections of the second winding
185,186185,186: Anschlüsse der dritten WicklungConnections of the third winding
187187: erste Wicklungfirst winding
188188: zweite Wicklungsecond winding
189189: dritte Wicklungthird winding
200200: LadestationCharging station
211211: von der Ladestation zum Elektrofahrzeug zu übertragende InformationInformation to be transmitted from the charging station to the electric vehicle
211'211': von der Ladestation übertragene (am Elektrofahrzeug empfangene) InformationInformation transmitted by the charging station (received by the electric vehicle)
220220: Widerstand R1Resistor R1
230230: Oszillatoroscillator
240240: Schalter S1Switch S1
250250: LadekabelanschlussCharging cable connection
251251: Anschlussstift (Steuerpilotleitung CP)Connection pin (control pilot line CP)
252252: Schutzleiter (PE)Protective conductor (PE)
261, Tx+261, Tx+: Sendesignalausgang (+)Transmit signal output (+)
262, Tx-262, Tx-: Sendesignalausgang (-)Transmit signal output (-)
262, Rx+262, Rx+: Empfangssignaleingang (+)Receive signal input (+)
264, Rx-264, Rx-: Empfangssignaleingang (-)Receive signal input (-)
270270: EndstufenschaltungPower amplifier circuit
278,179278,179: KoppelkondensatorenCoupling capacitors
280280: 1:1:1-Transformator1:1:1 transformer
281,182281,182: Anschlüsse der ersten WicklungConnections of the first winding
283,184283,184: Anschlüsse der zweiten WicklungConnections of the second winding
285,186285,186: Anschlüsse der dritten WicklungConnections of the third winding
287287: erste Wicklungfirst winding
288288: zweite Wicklungsecond winding
289289: dritte Wicklungthird winding
300300: LadekabelCharging cable
301301: EndeEnd
302302: anderes Endeother end
310310: Steuerpilot-LeitungPilot line
320320: Schutzleiter-LeitungProtective conductor cable
17001700: EndstufenschaltungPower amplifier circuit
17101710: SendesignalzweigTransmission signal branch
1711, 17121711, 1712: Sendesignalzweig-LeitungenTransmit signal branch lines
17201720: EmpfangssignalzweigReceive signal branch
1721, 17221721, 1722: Empfangssignalzweig-LeitungenReceive signal branch lines
17301730: BandpassfilterBandpass filter
1781, 17821781, 1782: KoppelkondensatorenCoupling capacitors
17901790: Gleichtaktdrossel (common mode choke - CMC)Common mode choke (CMC)
1791, 17921791, 1792: Anschlüsse der einen WicklungConnections of one winding
1793, 17941793, 1794: Anschlüsse der anderen WicklungConnections of the other winding
17951795: eine Wicklungone winding
17961796: andere Wicklungother winding
27002700: EndstufenschaltungPower amplifier circuit
27102710: SendesignalzweigTransmission signal branch
2711, 17122711, 1712: Sendesignalzweig-LeitungenTransmit signal branch lines
27202720: EmpfangssignalzweigReceive signal branch
2721, 17222721, 1722: Empfangssignalzweig-LeitungenReceive signal branch lines
27302730: BandpassfilterBandpass filter
2781, 17822781, 1782: KoppelkondensatorenCoupling capacitors
27902790: Gleichtaktdrossel (common mode choke - CMC)Common mode choke (CMC)
2791, 17922791, 1792: Anschlüsse der einen WicklungConnections of one winding
2793, 17942793, 1794: Anschlüsse der anderen WicklungConnections of the other winding
27952795: eine Wicklungone winding

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20200298722 A1 [0003]
CN210478437 [0009]
US 20220200303 A1 [0009]

Claims

Output stage circuit (1700, 2700) for coupling and decoupling high-frequency powerline communication to a wire pair (330) of a charging cable (300) or connection pins (151, 152; 251,252) of a charging cable connection (150; 250) for electric vehicles (100) and/or charging stations (200), characterized in that a signal coupling of a transmission signal takes place via a transmission signal line branch (1710) and a coupling out of a reception signal takes place via a reception signal line branch (1720), which are jointly connected via a common mode choke (1790) to the wire pair (330) or the connection pins (151, 152; 251, 252) of the charging cable connection (150; 250).

Power amplifier circuit (1700, 2700) according to Claim 1 , characterized in that no inductive galvanic isolation is formed in either the transmit signal line branch (1710) or the receive signal line branch (1720).

Power amplifier circuit (1700, 2700) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the lines (1711, 1712) of the transmit signal line branch (1710) and are formed symmetrically to the lines (1721, 1722) of the receive signal line branch (1720).

Output stage circuit (1700, 2700) according to one of the preceding claims, characterized in that a bandpass filter (1730) is formed in the receive signal line branch (1720) between the common mode choke (1790) and the receive signal inputs (163, 164) of the integrated powerline communication circuit (160).

Power amplifier circuit (1700, 2700) according to Claim 4 , characterized in that an impedance of the common mode choke (1790) in the frequency range of the high frequency to be transmitted is selected such that this, in sum with an impedance of a parallel connection of two strands of the output stage circuit (1700, 2700), results in the target termination impedance of the charging cable (300) or the charging cable connection (150; 250) within the framework of the predetermined tolerance, wherein one of the strands consists of the transmission signal line branch (1710, 2710) and the transmission signal output (161, 162, 261, 262) of the integrated powerline communication circuit (160, 260) and the other of the strands consists of the reception signal line branch (1720, 2720) and the reception signal input (163, 164, 263, 264) of the integrated powerline communication circuit (160, 260), wherein an impedance of the receive signal line branch (1720, 2720) is determined by an impedance of a bandpass filter (1730, 2730) formed in the receive signal line branch (1720, 2720), and the impedance of the transmit signal line branch (1710, 2710) is adapted to avoid an impedance difference of the strands of the parallel connection.

Output stage circuit (1700, 2700) according to one of the preceding claims, characterized in that the common mode choke (1790) is connected via two coupling capacitors (1781, 1782) to the wires (310, 320) of the wire pair (330) of the charging cable (300) or charging cable connection (150; 250).

Power amplifier circuit (1700, 2700) according to Claim 6 , characterized in that the coupling capacitors (1781, 1782) together with the common mode choke (1790) and the transmit signal line branch (1710) and the receive signal line branch (1720) as well as the integrated power line communication circuit form a high pass with a predetermined cutoff frequency which is below the frequency of the lowest frequency channel in the high frequency signal.

Power amplifier circuit (1700, 2700) according to one of the Claims 4 until 7 , characterized in that the bandpass circuit (1730) has an impedance of less than 30 ohms.

Output stage circuit (1700, 2700) according to one of the preceding claims, characterized in that the integrated powerline communication circuit (160) is designed to modulate the transmission signal according to an orthogonal frequency division multiplexing method and to demodulate the reception signal according to the orthogonal frequency division multiplexing method.