DE102009043306A1 - A monitoring system and method for monitoring energy transfer between a first energy unit and a second energy unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem und Verfahren zum Überwachen einer Energieübertragung zwischen einer ersten Energieeinheit und einer zweiten Energieeinheit. Um die Abrechnung von übertragener Energie zu erleichtern, weist das erfindungsgemäße Überwachungssystem auf: eine RFID-Identifikationseinheit zum Bereithalten einer RFID-Identifikationsinformation der ersten Energieeinheit, eine RFID-Identifikationsempfangseinheit zum Empfangen der RFID-Identifikationsinformation an der zweiten Energieeinheit, und eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Energiemengeninformation, die die übertragene Energiemenge zwischen der ersten Energieeinheit und der zweiten Energieeinheit repräsentiert, und zum Senden der Energiemengeninformation und der RFID-Identifikationsinformation an eine Energiekommunikationseinheit eines Energienetzes.The invention relates to a monitoring system and method for monitoring an energy transfer between a first energy unit and a second energy unit. To facilitate the billing of transmitted energy, the monitoring system according to the invention comprises: an RFID identification unit for holding RFID identification information of the first energy unit, an RFID identification receiving unit for receiving the RFID identification information on the second energy unit, and a control unit for determining a Power amount information representing the transmitted power amount between the first power unit and the second power unit, and transmitting the power amount information and the RFID identification information to an energy communication unit of a power network.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Überwachungssystem und ein Verfahren zum Überwachen einer Energieübertragung zwischen einer ersten Energieeinheit und einer zweiten Energieeinheit.The present invention relates to a monitoring system and method for monitoring energy transfer between a first power unit and a second power unit.
Findet eine Energieübertragung zwischen z. B. einem Elektrofahrzeug und einem Energienetz statt, wird eine Verrechnung von elektrischer Energie ausgeführt, die aus dem Verbundnetz (Energienetz) in Batterien bzw. Akkueinheiten von Elektrofahrzeugen geladen wird bzw. aus diesen entnommen und wieder zurück in das elektrische Netz (Energienetz) gespeist wird. Die Elektrofahrzeuge und das Energienetz (bzw. dessen Netzbetreiber) können so ein Virtuelles Kraftwerk bilden.Finds an energy transfer between z. B. an electric vehicle and a power grid instead, a billing of electrical energy is performed, which is loaded from the grid (energy) in batteries or battery units of electric vehicles or taken from these and fed back into the electrical network (power grid) , The electric vehicles and the energy network (or its network operator) can thus form a virtual power plant.
Ein Haushalt besitzt zur Abrechnung des bezogenen Stromes einen Zähler (ausgeführt als Ferraris-Zähler oder Smart Meter). Wird zur Ladung der Batterien eines Elektrofahrzeugs dieses an eine Steckdose des Haushalts angeschlossen, wird die dafür benötigte Energie über den Haushaltszähler erfasst. Ist der Halter des zu ladenden Elektrofahrzeugs nicht gleichzeitig der Haushaltsstromkunde, dem die bezogene elektrische Energie nach Ablesung des Haushaltszählers vom Energieversorgungsunternehmen in Rechnung gestellt wird, so muss ein aufwendiger Verrechnungsprozess zwischen dem Fahrzeughalter und dem Haushaltsstromkunden stattfinden. Das Problem tritt in ähnlicher Form auch bei der Ladung über öffentlich zugängliche Steckdosen z. B. eines Parkplatzes oder Parkhauses oder bei Ladetankstellen für Elektrofahrzeuge auf.A household has a meter for charging the electricity purchased (designed as a Ferrari meter or smart meter). If, for charging the batteries of an electric vehicle, this is connected to a socket of the household, the energy required for this purpose is recorded via the household meter. If the owner of the electric vehicle to be charged is not at the same time the household electricity customer, who is charged for the electrical energy consumed after reading the household meter from the power company, so has a complex billing process between the vehicle owner and household electricity customers. The problem occurs in a similar form even when charging via publicly available sockets z. As a parking lot or parking garage or at charging stations for electric vehicles.
Es ist Aufgabe der Erfindung diese und weitere Nachteile zu überwinden.It is an object of the invention to overcome these and other disadvantages.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Überwachungssystem zum Überwachen einer Energieübertragung zwischen einer ersten Energieeinheit und einer zweiten Energieeinheit gelöst, wobei das Überwachungssystem aufweist: eine RFID-Identifikationseinheit zum Bereithalten einer RFID-Identifikationsinformation der ersten Energieeinheit, eine RFID-Identifikationsempfangseinheit zum Empfangen der RFID-Identifikationsinformation an der zweiten Energieeinheit, und eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Energiemengeninformation, die die übertragene Energiemenge zwischen der ersten Energieeinheit und der zweiten Energieeinheit repräsentiert, und zum Senden der Energiemengeninformation und der RFID-Identifikationsinformation an eine Energiekommunikationseinheit eines Energienetzes.According to the invention, the object is achieved by a monitoring system for monitoring an energy transmission between a first energy unit and a second energy unit, the monitoring system comprising: an RFID identification unit for holding RFID identification information of the first energy unit, an RFID identification receiving unit for receiving the RFID identification information at the second power unit, and a control unit for determining power amount information representing the transmitted power amount between the first power unit and the second power unit, and transmitting the power amount information and the RFID identification information to an energy communication unit of a power grid.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass Steckdosen (oder auch Stromtankstellen) – d. h. erste Energieeinheiten – durch das Aufkleben von RFID-Tags, die die Steckdose bevorzugt durch einen Schriftzug als Stromtankstelle kennzeichnen, einem Haushaltszähler zugeordnet sind, wobei der Haushalt Energie aus dem Energienetz bezieht. Wird nun z. B. ein Elektrofahrzeug – d. h. die zweite Energieeinheit – mit einem Stecker, der ein RFID-Lesegerät enthält, an die Steckdose angeschlossen, so liest das Lesegerät die Kennung der Steckdose aus. Nach abgeschlossener Ladung übermittelt eine Kommunikationseinheit bzw. Steuereinheit im E-Fahrzeug z. B. via Power Line Communication oder Mobilfunknetz die Kennung der Steckdose sowie die im Fahrzeug ermittelte geladene Strommenge an das Energieversorgungsunternehmen, wo die Kennung der Steckdose dem Haushaltszähler zugeordnet wird. Die Ermittlung der geladenen Strommenge erfolgt dabei bevorzugt in einem Stromzähler in dem E-Mobil (d. h. dem Elektrofahrzeug) und/oder in dem Haushaltszähler. Bei der nächsten Auslesung des (z. B. Ferraris-)Haushaltszählers wird die ins E-Mobil geladene elektrische Energie mit dem Haushaltszählerstand verrechnet. Die Abrechnung erfolgt bevorzugt in einer Abrechnungseinheit des Energienetzbetreibers. Wird ein Smart Meter als Haushaltszähler eingesetzt, so kann die Verrechnung unmittelbar und automatisch erfolgen, d. h. bevorzugt weist der Haushalt eine Abrechnungseinheit auf. An öffentlich zugänglichen Steckdosen identifiziert sich das Elektrofahrzeug bevorzugt mittels einer Identifikationsinformation zunächst als solches, bevor die Ladung von der Steckdose freigegeben wird. So kann erfindungsgemäß ein Stromklau verhindert werden.The invention is based on the idea that sockets (or charging stations) - d. H. first energy units - by attaching RFID tags that identify the socket preferably by a lettering as a charging station, are associated with a household meter, the household draws energy from the power grid. Will now z. B. an electric vehicle - d. H. the second power unit - with a plug containing an RFID reader, connected to the socket, the reader reads the identifier of the socket. After completion of the charge transmits a communication unit or control unit in the e-vehicle z. Example, via power line communication or mobile network, the identifier of the socket and the determined in the vehicle charged amount of electricity to the power company, where the identifier of the socket is assigned to the household meter. The determination of the charged amount of current is preferably carried out in an electric meter in the electric vehicle (ie the electric vehicle) and / or in the household meter. At the next readout of the (eg Ferraris) household meter, the electric energy charged into the electric vehicle is charged to the household meter reading. The billing is preferably carried out in a billing unit of the energy grid operator. If a smart meter is used as a household meter, billing can be immediate and automatic; H. Preferably, the household has a settlement unit. At public outlets, the electric vehicle identifies preferably by means of an identification information, first as such, before the charge is released from the socket. Thus, according to the invention, a Stromklau be prevented.
Die Erfindung bewirkt eine einfache Übertragung und Überwachung von elektrischer Energie, die von Elektrofahrzeugen aus dem elektrischen Netz in die Fahrzeugbatterie geladen wurde (oder umgekehrt). Dabei wird mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem insbesondere das Problem der Doppelabrechnung bei Ladung der Batterie an einer konventionellen Steckdose als Stromtankstelle behoben.The invention provides a simple transmission and monitoring of electrical energy that has been loaded by electric vehicles from the electrical network in the vehicle battery (or vice versa). In this case, the problem of double billing when charging the battery in a conventional socket as charging station fixed in particular with the monitoring system according to the invention.
Die Einrichtung der Stromtankstelleninfrastruktur kann mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem sehr einfach realisiert werden. Erfindungsgemäß wird eine flächendeckende Implementierung von Stromtankstellen für Elektrofahrzeuge durch einen Rückgriff auf bereits vorhandene Infrastruktur einfach gestaltet. Dabei erfolgt die Abrechnung der geladenen elektrischen Energie erfindungsgemäß weitgehend automatisiert, wodurch eine Doppelabrechnung vermieden wird.The establishment of the charging station infrastructure can be realized very easily with the monitoring system according to the invention. According to the invention, a nationwide implementation of electric charging stations for electric vehicles is made simple by resorting to existing infrastructure. The billing of the charged electrical energy according to the invention is largely automated, whereby a double billing is avoided.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Reduzierung des Normungsbedarfs auf ein Minimum durch Nutzung bekannter und genormter Schnittstellen. Im Elektrofahrzeug kann z. B. auf einen CAN Bus zurückgegriffen werden, um die vom Nutzer eingegebenen Daten (Ladezeitraum und minimal benötigte Energiemenge für die nächste Fahrt berechnet aus der nächsten geplanten Wegstrecke) sowie die vom Batteriemanagementsystem bereitgestellten Daten (Batterieladezustand, Batteriegröße und Bedarf an Batteriepflege) an die Kommunikationseinheit im Fahrzeug zu übermitteln. Zum Anschluss des Fahrzeugs an das elektrische Verbundnetz kann auf Standardstecker und Standardsteckdosen abgestellt werden, wobei auch eine Automatisierung des Einsteckens der Stecker in die Steckdose mit demselben Ansatz möglich ist. Die fahrzeuginterne Kommunikationseinheit kommuniziert bevorzugt mit der Zentrale eines Virtuellen Kraftwerks über die Smart Metering Infrastruktur. Dies erfolgt bevorzugt über die Powerline Communication bzw. die Kommunikation über das Mobilfunknetz.Another advantage is the reduction of the standardization requirements to a minimum by using known and standardized interfaces. In the electric vehicle can z. B. be resorted to a CAN bus to those of the user entered data (charging period and minimum amount of energy required for the next trip calculated from the next planned route) and the data provided by the battery management system (battery state of charge, battery size and need for battery maintenance) to the communication unit in the vehicle to transmit. To connect the vehicle to the electrical grid can be placed on standard plugs and standard sockets, with an automation of plugging the plug into the socket with the same approach is possible. The in-vehicle communication unit preferably communicates with the headquarters of a virtual power plant via the smart metering infrastructure. This is preferably done via the power line communication or the communication via the mobile network.
Das erfindungsgemäße Überwachungssystem kann vorteilhaft einen Stromklau an öffentlich zugänglichen Steckdosen dadurch verhindern, dass sich das Elektrofahrzeug als solches an der Steckdose identifiziert und die Steckdose den Stromfluss erst nach erfolgreicher Identifikation frei gibt.The monitoring system according to the invention can advantageously prevent a Stromklau publicly accessible sockets, characterized in that the electric vehicle identified as such at the socket and the socket releases the current flow only after successful identification.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass jedes Automobil an jeder Steckdose, die mit einem RFID-Tag bestückt ist, Strom „tanken” kann. Dies kann nach Abstimmung zwischen den Netzbetreibern bevorzugt nach dem Vorbild der Roaming Verträge aus dem Mobilfunkbereich auch für Netze „fremder” Netzbetreiber gelten.Another advantage is that every car can "fill up" electricity at every socket equipped with an RFID tag. This can apply after coordination between the network operators preferably after the model of the roaming contracts from the portable radio range also for nets of "foreign" network operators.
Das erfindungsgemäße Überwachungssystem ist weitestgehend manipulationssicher, da man sich durch das Stehlen eines RFID-Tags und das Aufkleben auf eine eigene Steckdose nicht bereichern kann, sondern damit selbst schadet: Man selbst würde den getankten Strom doppelt bezahlen; derjenige, dem der RFID-Tag zugeordnet ist, erhält für ihn vorteilhaft einen Zuschuss zu seiner Stromrechnung vom RFID-Tag Dieb. Andererseits ist es durch die Datenspeicherung in der Zentrale des Virtuellen Kraftwerks leicht nachvollziehbar, wenn jemand seine Stromrechnung durch das Aufkleben eines eigenen RFID-Tags auf eine fremde Steckdose reduzieren möchte.The monitoring system according to the invention is largely tamper-proof, since you can not enrich yourself by stealing an RFID tag and sticking on its own outlet, but it harms itself: You yourself would pay twice for the stream; the one to whom the RFID tag is assigned receives for him advantageously a subsidy to his electricity bill from the RFID tag thief. On the other hand, data storage in the Virtual Power Station headquarters makes it easy to understand if someone wants to reduce their electricity bills by sticking their own RFID tags on a foreign power outlet.
Das erfindungsgemäße Überwachungssystem ist bevorzugt mit anderen Systemen und Verfahren aus dem Vehicle to Grid Bereich verbindbar. So können dem Elektromobilfahrer z. B. günstigere Stromtarife angeboten werden, wenn er mit seinem Fahrzeug lange Zeit am Netz bleibt. Eine „Online-Aushandlung” des Stromtarifs ist denkbar. Unidirektionale (nur Laden) und bidirektionale (mit Rückspeisung in das Netz) Ankopplung von Elektrofahrzeugen an das Verbundnetz sind erfindungsgemäß möglich.The monitoring system according to the invention is preferably connectable to other systems and methods from the vehicle to grid area. So the electric motorcyclist z. B. cheaper electricity rates are offered if he stays on the network with his vehicle for a long time. An "online negotiation" of the electricity tariff is conceivable. Unidirectional (charging only) and bidirectional (with feedback into the grid) coupling of electric vehicles to the grid are possible according to the invention.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die zweite Energieeinheit zum Empfangen einer Freigabe zur Energieübertragung zwischen der ersten Energieeinheit und der zweiten Energieeinheit von der Energiekommunikationseinheit des Energienetzes ausgestaltet ist. So sendet die Energiekommunikationseinheit des Energienetzes z. B. nach einer Authentifizierung ein Freigabesignal an das E-Mobil, welches daraufhin den Aufladeprozess beginnt.Furthermore, it is preferred that the second energy unit for receiving a release for energy transmission between the first energy unit and the second energy unit is configured by the energy communication unit of the energy network. Thus, the energy communication unit of the power network sends z. B. after authentication, a release signal to the E-mobile, which then begins the charging process.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Energiekommunikationseinheit des Energienetzes zum Steuern der Energieübertragung in Abhängigkeit von der Energieübertragungszeit, insbesondere während der Energieübertragung, ausgestaltet. Vorteilhaft wird erreicht, dass die Energiekommunikationseinheit in Abhängigkeit von Zeiten, zu denen im Netz besonders viel oder wenig Energie zur Verfügung steht (bzw. diese Energie entsprechend teuer oder günstig ist), diese entsprechend an das E-Mobil frei gibt.In a further preferred embodiment, the energy communication unit of the energy network is designed to control the energy transmission as a function of the energy transmission time, in particular during the energy transmission. Advantageously, it is achieved that the energy communication unit depending on times at which in the network particularly much or little energy is available (or this energy is correspondingly expensive or cheap), this corresponding to the E-mobile free.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Überwachen einer Energieübertragung zwischen einer ersten Energieeinheit und einer zweiten Energieeinheit.In another aspect, the invention relates to methods for monitoring energy transfer between a first energy unit and a second energy unit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobeiThe invention will be explained below with reference to exemplary embodiments, wherein
Mit V2G („Vehicle to Grid”, übersetzt ins Deutsche etwa: „Fahrzeug ans Netz”) wird ein Konzept zur Kopplung von Elektro- und Hybridfahrzeugen mit Batteriespeichern an das elektrische Verbundnetz bezeichnet. Die Kopplung erfolgt so, dass durch die Nutzung der Batteriespeicher in den E-Mobilen Netzdienstleistungen wie Regelleistung sowie Blindleistungskompensation bereitgestellt werden können oder Lastglättung erfolgen kann. Das V2G Konzept sieht vor, dass E-Mobile Strom aus dem Netz entnehmen und in Zeiten großer Netzlast auch wieder einspeisen. Kommunikationstechnologien dienen der dynamischen Einbindung von Elektrofahrzeugen in die bestehenden Stromversorgungsnetze, die es erlauben, von einer Zentrale aus in einer diversen Infrastruktur dezentrale, räumlich verteilte Verbraucher einheitlich technisch zu adressieren. Ein „Dezentrales Energiemanagementsystem” (DEMS) als Zentrale eines Virtuellen Kraftwerks ist für die jeweilige Region bevorzugt, um diese Technologien einführen zu können. Das DEMS übernimmt die Optimierung der Ladung (und beim bidirektionalen V2G auch der Entladung) der dezentral verteilten Batteriespeicher von E-Mobilen. Dabei wird neben der räumlichen Verteilung der Speicher über das Netzgebiet die Speicherdichteverschiebung über den Tagesverlauf prognostiziert und in die Netzberechnungen integriert. So kann im unidirektionalen V2G trotz der wegen der E-Mobile größeren zu liefernden Energiemenge ein stabiler Betrieb kritischer Leitungstrassen gewährleistet werden.V2G ("Vehicle to Grid", translated into German as "vehicle to the grid") is a concept for coupling electric and hybrid vehicles with battery storage devices to the electrical grid. The coupling takes place in such a way that network services such as control power and reactive power compensation can be provided or load smoothing can be provided by the use of the battery storage in the electric vehicles. The V2G concept envisages taking e-mails out of the grid and feeding them back in times of high network load. Communication technologies serve the dynamic integration of electric vehicles into the existing power grids, which allow uniformly technically addressing decentralized, spatially distributed consumers from a central location in a diverse infrastructure. A "decentralized energy management system" (DEMS) as the headquarters of a virtual power plant is preferred for the respective region in order to be able to introduce these technologies. The DEMS takes over the optimization of the charge (and in the bidirectional V2G also the discharge) of the decentralized distributed battery storage of Electric vehicles. In addition to the spatial distribution of the memory over the network area, the storage density shift over the course of the day is predicted and integrated into the network calculations. Thus, in the unidirectional V2G, a stable operation of critical line routes can be ensured despite the larger amount of energy to be delivered due to the E-Mobile.
Durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) werden zum Einen Prognosen über dezentrale, stochastische Einspeisung verbessert, zum anderen wird das Netzmanagement durch eine verbesserte Kraftwerkseinsatzplanung optimiert. Die Informations- und Kommunikationstechnik IKT im Elektrizitätsbereich ist im Folgenden erläutert.The use of information and communication technology (ICT) will on the one hand improve forecasts of decentralized, stochastic feed-in. On the other hand, network management will be optimized through improved power plant deployment planning. The information and communication technology ICT in the electricity sector is explained below.
Leistungselektronische Elemente zur Netzregelung (z. B. V2G) werden gesteuert, um ihre Funktion der Netzregelung sinnvoll ausführen zu können. Netze, in denen die dezentralen Erzeuger und Verbraucher intelligent gesteuert werden, um eine hohe Versorgungssicherheit und Versorgungsqualität zu gewährleisten, werden Smart Grids genannt. Hierbei unterscheidet man die zentrale und die dezentrale Steuerung. Bei der zentralen Steuerung werden jegliche Informationen der dezentralen Erzeuger inklusive des Netzzustandes an ein zentrales Trustcenter geschickt, das die Informationen bündelt, auswertet und Befehle für geeignete Maßnahmen an die dezentralen Energieeinspeiser zurück gibt. Zu dieser zentralen Steuerung gehören das virtuelle Kraftwerk oder das Dezentrale Energiemanagementsystem (DEMS).Power electronic elements for network control (eg V2G) are controlled in order to be able to meaningfully carry out their function of network control. Networks, where decentralized producers and consumers are intelligently controlled to ensure a high level of security of supply and quality of supply, are called smart grids. Here, a distinction is made between central and decentralized control. In the central control, all information of the decentralized producers, including the network status, is sent to a central trust center, which bundles the information, evaluates it and returns commands for suitable measures to the decentralized energy feeders. This centralized control includes the Virtual Power Plant or the Decentralized Energy Management System (DEMS).
Dem gegenüber steht die dezentrale Steuerung, bei der jeder dezentrale Energieeinspeiser nach zuvor festgelegten Regeln entscheidet, welche Reaktion für die aktuelle Situation geeignet wäre.This contrasts with decentralized control, in which every decentralized energy feeder decides according to previously defined rules which reaction would be suitable for the current situation.
Beide Strömungen werden durch den zunehmenden Einsatz des Smart Meters befördert, eines digitalen Energiezählers, der neben Datenlogger-Funktionen in einigen Fällen auch fernausgelesen werden und ggf. Schalthandlungen vornehmen kann. Der Einsatz des Smart Meters wird z. B. von der Europäischen Kommission unterstützt, um dem Stromkunden mehr Transparenz in seiner Stromrechnung in kürzeren zeitlichen Abständen zu gewähren. Ziel ist es, den Stromnutzer durch zeitlich kurzfristige Rückmeldung auf sein Energie-Nutzungsverhalten zum effizienten Umgang mit elektrischer Energie anzuhalten. Die Basis des Smart Meters bietet eine Grundlage, auf der eine Kommunikationsstruktur für ein Smart Grid aufgebaut werden kann.Both currents are promoted by the increasing use of the smart meter, a digital energy meter that can be remotely read in addition to data logger functions in some cases and possibly make switching operations. The use of the smart meter is z. This is supported, for example, by the European Commission in order to give the electricity customer more transparency in his electricity bill at shorter intervals. The goal is to stop the user of the power supply by means of short-term feedback on his energy usage behavior for the efficient use of electrical energy. The basis of the smart meter provides a basis on which a communication structure for a smart grid can be built.
Eine Ausführungsform eines unidirektionalen Vehicle to Grid
- – DEMS
11 : Das Dezentrale Energie Management System ist die Zentrale des Virtuellen Kraftwerks. Von hier aus werden Befehle an die Mikrokraftwerke geschickt, so dass das Ladegerät „weiß” wann es wie stark laden soll. - – Die Stationäre Ladestation
12 steht für ein physisches Gerät, das außerhalb des E-Mobiles an einem festen Ort steht und die Aufgabe hat, die Batterien zu laden. Dies kann durch eine Batteriewechselstation oder eine Stromtankstelle realisiert werden. Die stationäre Ladestation kann eine Smart Metering Einheit und eine Ladefreigabeeinheit13 aufweisen. - – SMet-E
51 : Die Smart Metering Einheit misst die elektrische Leistung, berechnet die übertragene Energie und stellt sie als digitalen Wert zur Verfügung. - – Leistungselektronik
52 : Der Umrichter dient der Gleichrichtung zur Batterieladung. Zusätzlich kann die Leistungselektronik das Steuermanagement und die Bordelektronik aufweisen. - – Energie-Speicher Akku
53 : Es gibt verschiedene Ausführungsformen der Anordnung des Akkus: im E-Mobil zur Ladung über einen Netzstecker; wird die stationäre Ladestation zur Batterietauschstation, kann der Akku dem E-Mobil entnommen, in die Batterietauschstation mechanisch eingefügt und dort geladen werden. - – Embedded System, Kommunikation, IP
51 : Dies ist die Kommunikationseinheit im Fahrzeug, die die Verbindung zwischen der Nutzerschnittstelle, der Ladestation und dem Energiemanagement übernimmt. - – MSR-Technik
54 : die Mess-, Steuer- und Regeltechnik stellt Messwerte aus dem Fahrzeug zur Verfügung und übernimmt Steuer- und Regelungsaufgaben im Fahrzeug. - – Nutzerschnittstelle
55 (Design, Funktionen): Die Nutzerschnittstelle dient der Kommunikation zwischen Technik im Fahrzeug und Nutzer. Sie kommuniziert Zustände im Fahrzeug und im elektrischen Netz mit den Fahrer (aktuell verfügbare Reichweite, Preis pro kWh bei bestimmten Laderandbedingungen, etc.). Zudem dient sie als Eingabetool für den Nutzer, um optional mit den Netzbetreiber zu kommunizieren. - – Energiemanagement
56 : Das hier adressierte Energiemanagement sorgt für geordnete Energie- und Leistungsflüsse zwischen den Komponenten im E-Mobile. Diese können sein: Super-CAPS, Akku, E-Antrieb, Ladegerät (230 V)59 etc. - – Super-CAPS
57 : Super-CAPS sind Kondensatoren, die große Leistungen schnell und mit gutem Wirkungsgrad aufnehmen können. Batterien sind besser geeignet, um vergleichsweise geringe Leistungen, aber große Energiemengen aufzunehmen. - - E-Antrieb
58 : Antrieb, der das E-Mobil elektrisch in Bewegung versetzt.
- - DEMS
11 : The Decentralized Energy Management System is the headquarters of the Virtual Power Plant. From here commands are sent to the micro-power stations, so that the charger "knows" when it should charge as much. - - The stationary charging station
12 stands for a physical device that is located outside the electric vehicle in a fixed location and has the task of charging the batteries. This can be realized by a battery changing station or a charging station. The stationary charging station may be a smart metering unit and a charge release unit13 exhibit. - - SMet-E
51 : The smart metering unit measures the electrical power, calculates the transmitted energy and provides it as a digital value. - - Power electronics
52 : The inverter rectifies the battery charge. In addition, the power electronics can have the control management and the on-board electronics. - - Energy storage battery
53 : There are various embodiments of the arrangement of the battery: in the electric vehicle for charging via a power plug; If the stationary charging station becomes a battery replacement station, the battery can be removed from the E-mobile, mechanically inserted into the battery replacement station and charged there. - - Embedded system, communication, IP
51 : This is the communication unit in the vehicle, which takes over the connection between the user interface, the charging station and the energy management. - - MCR technology
54 : The measuring and control technology provides measured values from the vehicle and takes over control and regulation tasks in the vehicle. - - User interface
55 (Design, Functions): The user interface is used to communicate between technology in the vehicle and users. It communicates conditions in the vehicle and in the electrical network with the driver (currently available range, price per kWh for certain charging conditions, etc.). In addition, it serves as an input tool for the user to optionally communicate with the network operator. - - Energy management
56 : The energy management addressed here ensures orderly energy and power flows between the components in the e-mobile. These can be: Super CAPS, battery, electric drive, charger (230 V)59 Etc. - - Super CAPS
57 : Super CAPS are capacitors that can absorb high power quickly and with good efficiency. batteries are better suited to absorb comparatively low power but large amounts of energy. - - Electric drive
58 : Drive that electrically sets the electric vehicle in motion.
Zu den Komponenten sind in
- 1. Kommunikation zwischen dem DEMS und der Smart Metering Einheit. Dieser kann z. B. über Powerline Communication oder das Mobilfunknetz realisiert sein.
- 2. Kommunikation zwischen der Smart Metering Einheit in der Ladestation und dem Embedded System im Fahrzeug. Diese kann je nach Komplexität der übertragenen Daten durch Powerline Communication oder eine spezielle Datenleitung realisiert werden.
- 3. Kommunikation zwischen der Nutzerschnittstelle und dem Embedded System. Diese kann z. B. über den CAN Bus des Fahrzeugs realisiert werden.
- 4. Kommunikation zwischen dem Embedded System und dem Energiemanagement. Dies kann ebenfalls z. B. über den CAN Bus Realisiert werden.
- 1. Communication between the DEMS and the smart metering unit. This can z. B. be realized via Powerline Communication or the mobile network.
- 2. Communication between the smart metering unit in the charging station and the embedded system in the vehicle. Depending on the complexity of the transmitted data, this can be realized by Powerline Communication or a special data line.
- 3. Communication between the user interface and the embedded system. This can, for. B. be realized via the CAN bus of the vehicle.
- 4. Communication between the embedded system and the energy management. This can also z. B. be realized via the CAN bus.
Zudem sind in
- I. Ladung der Batterie über ein 230 V einphasiges Ladegerät
59 am Netz. - II. Leistungsaustausch zwischen stationärer Ladestation
12 (z. B. an – 400 V Stromnetz) und Leistungselektronik im Fahrzeug. - III. Fahrzeuginterner Leistungsfluss zu und von den Batterien und ggf. den Super-Caps und
dem aktiven Gleichrichter 60 . - IV. Leistungsfluss von den Batterien/den Super Caps zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs. Bei der Fahrzeugbremsung wird die Bremsenergie zurück in die Batterien/die Super-Caps gespeist (Rekuperation, angedeutet in
1 durch Pfeil A).
- I. Charging the battery via a 230 V single-
phase charger 59 on the net. - II. Power exchange between stationary charging station
12 (eg to - 400 V power grid) and power electronics in the vehicle. - III. In-vehicle power flow to and from the batteries and possibly the super-caps and the
active rectifier 60 , - IV. Power flow from the batteries / super caps to the electric drive of the vehicle. During vehicle braking, the braking energy is fed back into the batteries / super-caps (recuperation, indicated in
1 by arrow A).
Das Fahrzeug der
In
Die technische Einheit zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Netz kann erfindungsgemäß im Fahrzeug oder an der externen Stromtankstelle angeordnet sein. Die Anordnung im Fahrzeug weist den Vorteil auf, dass das Stromtankstellennetz kostengünstig ausgebaut werden kann. Die Anordnung an der externen Stromtankstelle weist den Vorteil auf, dass Abrechnung und Kommunikation über proprietäre Kanäle des jeweils zuständigen Netzbetreibers erfolgen kann; ferner treten Doppelabrechnungen nicht auf.The technical unit for communication between the vehicle and the network can be arranged according to the invention in the vehicle or at the external charging station. The arrangement in the vehicle has the advantage that the charging station network can be inexpensively removed. The arrangement at the external charging station has the advantage that billing and communication via proprietary channels of the respective network operator can take place; furthermore, double settlements do not occur.
Aufgabe der Kommunikationseinheit ist es, den Datenaustausch zwischen Fahrzeug/Batterie und Verbundnetz/Netzbetreiber durchzuführen, Konflikte mit bestehender Infrastruktur zur Stromversorgung und -abrechnung zu umgehen, sowie nach Vorgaben Schalthandlungen vorzunehmen, zu denen sie Befehle vom Batteriemanagement oder vom Netzbetreiber erhalten hat, sowie Schalthandlungen vorzunehmen, über die dezentral entschieden werden kann.The task of the communication unit is to carry out the data exchange between the vehicle / battery and the interconnected network / grid operator, to avoid conflicts with existing infrastructure for power supply and billing, and to perform switching operations according to specifications, to which it has received commands from the battery management or the grid operator, as well as switching operations decentralized decisions.
Die fahrzeuginterne Kommunikationseinheit zwischen Netz und Fahrzeug bzw. fahrzeuginterne Leistungselektronik weist bei der unidirektionalen Netzankopplung (mit aktivem oder passivem Gleichrichter) den Vorteil auf, dass sie in kleinen Stückzahlen technisch sinnvoll einsetzbar ist, da sie überall nutzbar sind, wo ein Signal des Netzbetreibers verfügbar ist. Ferner besteht ein geringerer Aufwand für die Hardwareentwicklung und ein mittlerer Normungsbedarf bei Zusammenarbeit mit mehreren E-Mobile-Herstellern. Auch ist das System nachrüstbar und in großen Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar.The in-vehicle communication unit between network and vehicle or in-vehicle power electronics has in the unidirectional network coupling (with active or passive rectifier) the advantage that it can be used in small quantities technically useful, since they can be used anywhere where a signal from the network operator is available , Furthermore, there is less effort for hardware development and a medium standardization requirement in cooperation with several e-mobile manufacturers. The system can also be retrofitted and used economically in large quantities.
Die Verwendung einer externen Kommunikationseinheit zwischen Netz und Fahrzeug bzw. fahrzeugexterne Leistungselektronik (Stromtankstelle) weist in dem System der unidirektionalen Netzankopplung (mit aktivem oder passivem Gleichrichter) den Vorteil auf, dass ein besonders geringer Aufwand für die Hardwareentwicklung erforderlich ist. Je nach Ausführung besteht ein geringer bis sehr geringer Normungsbedarf bei Zusammenarbeit mit mehreren E-Mobil-Herstellern. Auch ist das System einfach nachrüstbar und in großen Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar.The use of an external communication unit between the network and the vehicle or vehicle-external power electronics (charging station) has in the system of unidirectional network coupling (with active or passive rectifier) the advantage that a particularly low cost of hardware development is required. Depending on the design, there is a low to very low standardization requirement in cooperation with several e-mobile manufacturers. Also, the system is easy to retrofit and economical in large quantities.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, mit der ein unidirektionales Vehicle to Grid im Netzgebiet eines Netzbetreibers, z. B. EWE, effizient und technisch vorteilhaft umgesetzt werden kann. Insbesondere wird ein technischer Lösungsvorschlag zur Kommunikationsstellenimplementierung bereitgestellt.An embodiment is described below with which a unidirectional vehicle to grid in the network area of a network operator, for. B. EWE, can be implemented efficiently and technically advantageous. In particular, a technical solution proposal for communication site implementation is provided.
Um eine Regelung (und auch Abrechnung) der Batterieladung eines E-Mobils durchführen zu können, erhält der Netzbetreiber in seiner Zentrale folgende Informationen:
vom Fahrzeug: IP Adresse des Fahrzeugs, um den getankten Strom dem Fahrzeugbesitzer oder Fahrer in Rechnung stellen zu können. Ein Soll-Ladelastgang mit Toleranzbändern, die für die Regelleistungsbereitstellung genutzt werden können. Alternativ: Batteriespeicherkapazität, minimale und maximale Ladeleistung, aktuelle Batteriewartungsanforderungen, aktueller Batterieladezustand, geplanter Zeitpunkt der nächsten Fahrt, und/oder mindestens zu ladende Energiemenge (jeweils bezogen auf die Energie oder Leistung, die über den Netzstecker übertragen werden muss).
vom Haus: Identifikation des Stromkunden, über dessen Zähler der Strom für die Fahrzeugladung bezogen wird, um ggf. eine Verrechnung vorzunehmen, falls dem Stromkunden das zu ladende Fahrzeug nicht gehört; Identifikation ggf. über IP Adresse.
vom Smart Meter (Platzierung des Smart Meters ist nicht festgelegt): die bezogene Energiemenge.
vom Fahrer: Die Annahme des angebotenen Strompreises sofern dieser flexibel ist, um einen Vertragsschluss zwischen Fahrer und Netzbetreiber herbeizuführen.In order to be able to carry out a regulation (and billing) of the battery charge of an e-mobile, the network operator receives the following information in its central office:
From the vehicle: IP address of the vehicle to allow the vehicle owner or driver to charge the fueled power. A nominal load cycle with tolerance bands that can be used for control power provision. Alternative: Battery storage capacity, minimum and maximum charge power, current battery maintenance requirements, current battery state of charge, scheduled time of next trip, and / or minimum amount of energy to charge (based on the power or power that needs to be transferred through the power plug).
from the house: Identification of the electricity customer, whose counter is used to obtain the electricity for the vehicle's charge, in order to charge it if the electricity customer does not own the vehicle to be charged; Identification via IP address if necessary.
from the smart meter (placement of the smart meter is not specified): the amount of energy consumed.
From the driver: The acceptance of the offered electricity price if this is flexible, to bring about a contract between the driver and the network operator.
Weitere Randbedingungen:Further boundary conditions:
- – Es sollen E-Mobile von beliebigen Nutzern an beliebigen Steckdosen geladen werden können.- E-Mobile should be able to be loaded by any user at any power outlets.
- – Es sollen mehrere individuell abzurechnende Fahrzeuge an das Netz eines Stromkunden angeschlossen werden können, wie zum Beispiel in einem Parkhaus (→ Smart Meter entweder an der Steckdose oder im Fahrzeug).- Several individually billable vehicles can be connected to the grid of a power customer, such as in a parking garage (→ Smart Meter either at the socket or in the vehicle).
- – Wenn das Abrechnungssystem, d. h. Kopplungssystem, (zunächst) nur im Netzgebiet der EWE installiert wird, soll ein Fahrzeug auch ungeregelt und ohne automatische Abrechnung außerhalb des EWE Gebietes geladen werden können.If the billing system, i. H. Coupling system, (initially) is installed only in the network area of EWE, a vehicle should also be unregulated and can be loaded without automatic billing outside the EWE area.
- – Sollte das Abrechnungssystem von mehreren Netzbetreibern übernommen werden, so sollte eine automatische Abrechnung auch in einem „fremden” Netzgebiet stattfinden können. Die Verrechnung zwischen den Netzbetreibern sollte automatisch erfolgen, so dass der Fahrer nur eine Rechnung von einem Netzbetreiber erhält (ähnlich dem Roaming aus dem Mobilfunkbereich).- If the billing system is taken over by several network operators, automatic billing should also be possible in a "foreign" network area. The billing between the network operators should be automatic, so that the driver receives only one bill from a network operator (similar to roaming from the mobile sector).
- – Das System funktioniert bevorzugt sowohl für E-Mobile im Besitz von EWE als Leasinggesellschaft als auch für E-Mobile im Besitz anderer natürlicher oder juristischer Personen. - The system works preferably both for E-Mobile owned by EWE as a leasing company and for E-Mobile owned by other natural or legal persons.
- – Die Zuordnung von Automobilen zu Netzen von Stromkunden, an denen sie gerade geladen werden, muss eindeutig sein, selbst wenn zwei Steckdosen, die zu verschiedenen Stromkundennetzen gehören direkt nebeneinander hängen.- The assignment of automobiles to networks of electricity customers, where they are currently loaded, must be unique, even if two sockets, which belong to different power customer networks hang directly next to each other.
- – Sicherheits- und Datenschutzbestimmungen für den digitalen Zahlungsverkehr müssen eingehalten werden.- Security and privacy policies for digital payments must be respected.
Die folgende Konstellation ist ein Vorschlag zur Umsetzung der oben genannten Anforderungen:
Jedes E-Mobil im Netzbereich der EWE, dessen Besitzer seine elektrische Energie zur Batterieladung bei der EWE einkaufen möchte, erhält eine kalibrierte und versiegelte „EWE-E-Mobil-Box”, die in seinem Fahrzeug installiert wird. Diese übernimmt die folgenden Funktionen: Sie misst die elektrische Ladeleistung und berechnet die geladene Energie zur Abrechnung mit dem Netzbetreiber, kommuniziert mit der Bordelektronik und sammelt die vom Fahrzeug und vom Fahrer benötigten Informationen leitungsgebunden über den CAN Bus des Fahrzeugs. Über einen RFID-Tag, der auf die Steckdose aufgeklebt ist, erhält die E-Mobil-Box die Zuordnung der Steckdose zu einem Haushalt/Haushaltszähler. Der RFID-Tag ist bevorzugt so gestaltet, dass er bei dem Versuch, ihn gewaltsam von der Steckdose zu entfernen, sich selbst zerstört. Zudem kann der RFID-Tag die Aufschrift „Stromtankstelle” tragen. Die Informationen des Fahrers werden nach der nachfolgend beschriebenen Methode ermittelt.The following constellation is a suggestion to implement the above requirements:
Each E-car in the network area of EWE, whose owner wants to buy his electrical energy for battery charging at EWE, receives a calibrated and sealed "EWE-E-Mobil-Box", which is installed in his vehicle. It performs the following functions: It measures the electrical charging power and calculates the charged energy for billing with the network operator, communicates with the on-board electronics and collects the information required by the vehicle and the driver via the CAN bus of the vehicle. About an RFID tag, which is glued to the socket, the e-mobile box receives the assignment of the socket to a household / household meter. The RFID tag is preferably designed to destroy itself in an attempt to forcibly remove it from the socket. In addition, the RFID tag can carry the inscription "charging station". The information of the driver is determined according to the method described below.
Sobald alle benötigten Informationen zur Verfügung stehen, schickt die EWE-E-Mobil-Box diese über Power-Line Communication zum zentralen Gateway im Niederspannungsnetzabschnitt, das mit dem DEMS kommuniziert und ggf. einen Befehl zur Freigabe der Ladung zu einem bestimmten Stromtarif zurück gibt. Der Stromtarif ist abhängig von den vom Fahrer eingeräumten Freiräumen zur zeitlichen Ladungsverschiebung durch den Netzbetreiber.As soon as all the required information is available, the EWE E-Mobile Box sends it via Power-Line Communication to the central gateway in the low-voltage network section, which communicates with the DEMS and, if necessary, returns a command to release the load at a specific electricity tariff. The electricity tariff depends on the clearances granted by the driver for the time shift by the network operator.
Der Netzbetreiber gibt eine gewünschte aktuelle Ladeleistung für das zu ladende E-Mobil über das zentrale Gateway an die Stromtankstelle zurück, die dem E-Mobil den Befehl gibt, diese Ladeleistung zu beziehen. Das E-Mobil setzt diesen Befehl um.The network operator returns a desired current charging power for the electric vehicle to be charged via the central gateway to the charging station, which gives the electric vehicle the command to obtain this charging power. The E-Mobile implements this command.
Durch die erfindungsgemäße Identifikation der Steckdose als „Stromtankstelle”, die zu einem bestimmten Haushaltszähler gehört, können Doppelabrechnungen durch Verrechnung vermieden werden.Due to the inventive identification of the socket as a "charging station", which belongs to a specific household meter, double billing can be avoided by billing.
Neben den einfachen gekennzeichneten Steckdosen gibt es öffentliche Steckdosen, die nur dann Spannung (elektrische Energie) bereitstellen, wenn sich ein E-Mobil erfolgreich als solches identifiziert hat. Auf diese Weise wird Stromklau mit anderen Verbrauchern vermieden.In addition to the simple marked outlets, there are public outlets that only provide voltage (electrical energy) when an e-mobile has successfully identified itself as such. In this way, Stromklau is avoided with other consumers.
Ein solcher Prozess ist in
Die Kommunikation zwischen Netz und Fahrer unter Berücksichtigung flexibler Stromtarife findet in einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt statt:
Der Einkaufspreis des Stromes wird z. B. aufgrund von Erfolg oder Misserfolg bei der Regelleistungsausschreibung aber auch anderer Marktmechanismen variieren. Das Risiko des Energiehandels kann der Netzbetreiber an den Endkunden durchreichen und einen flexiblen Strompreis anbieten. Einerseits kann dies den E-Fahrzeug-Nutzer dazu anregen, intensiver am V2G teilzunehmen und dem Netzbetreiber mehr Flexibilität bei der Nutzung des Batteriespeichers im Fahrzeug zuzugestehen. Andererseits schränkt ein flexibler Strompreis die finanzielle Planungssicherheit des Fahrzeugbesitzers/Fahrers ein. Ein Kompromiss könnte darin bestehen, dass dem Fahrer garantiert wird, dass der flexible Strompreis immer unterhalb des fixen Haushaltstarifs liegt.The communication between network and driver taking into account flexible electricity tariffs takes place in a preferred embodiment as follows:
The purchase price of the electricity is z. B. due to success or failure in the standard power tender but also other market mechanisms vary. The network operator can pass on the risk of energy trading to the end customer and offer a flexible electricity price. On the one hand, this may encourage the e-vehicle user to participate more intensively in the V2G and to allow the network operator more flexibility in the use of the battery storage in the vehicle. On the other hand, a flexible electricity price limits the financial planning security of the vehicle owner / driver. A compromise could be that the driver is guaranteed that the flexible electricity price is always below the fixed household tariff.
Die Ermittlung möglicher Lastgänge und des Strompreises kann in drei Phasen erfolgen:The determination of possible load profiles and the electricity price can take place in three phases:
Schritt 1: Dateneingabe durch den Fahrer: Der Fahrer gibt der Kommunikationseinheit an, wann er nach der nächsten Fahrt an welchem Ort ankommen möchte. Das Navigationsgerät des Fahrzeugs berechnet die Strecke und gibt den Abfahrtszeitpunkt zurück. Dem Fahrer sollen Schnellwahloptionen zur Verfügung gestellt werden, wie z. B.: „Morgen früh zur gewohnten Zeit zur Arbeit fahren”.Step 1: Data input by the driver: The driver indicates to the communication unit when he would like to arrive at which location after the next trip. The navigation device of the vehicle calculates the route and returns the departure time. The driver should be provided with speed dial options, such. For example: "Drive to work tomorrow at the usual time".
Schritt 2: Berechnung möglicher Lastgänge durch das Batteriemanagementsystem: Die E-Mobil-Box/Kommunikationseinheit ermittelt aus den eingegebenen Daten und den Batteriedaten (Batterieladezustand, Batteriealterungszustand, Batterieladecharakteristik) die Kurve des Leistungsbedarfs über der Zeit mit akzeptierten Toleranzbändern und übermittelt diese an den Netzbetreiber.Step 2: Calculation of possible load cycles by the battery management system: The E-mobile box / communication unit determines from the entered data and the battery data (battery charge state, battery aging state, battery charge characteristics) the curve of the power demand over time with accepted tolerance bands and transmits these to the network operator.
Schritt 3: Berechnung des Stromtarifs für die Ladung: Auf Grundlage des Leistungsbedarfs und dessen Toleranzbändern sowie auf Grundlage der bereits zur Verfügung stehenden und dem Übertragungsnetzbetreiber verkauften Regelbandes berechnet der Netzbetreiber automatisiert den aktuellen Stromtarif.Step 3: Calculation of the electricity tariff for the load: On the basis of the power requirement and its tolerance bands, as well as on the basis of the already available control band sold to the transmission system operator, the network operator automatically calculates the current electricity tariff.
Schritt 4: Bestätigung des Stromtarifs oder Änderung der Randbedingungen: Ist der Fahrer mit dem angebotenen Preis einverstanden, bestätigt er diesen und die Batterieladung kann beginnen. Ist er nicht einverstanden, kann er die Randbedingungen ändern, Schritt 1 wiederholen und den Kreislauf von neuem starten.Step 4: Confirmation of the electricity tariff or change of the boundary conditions: If the driver agrees with the offered price, he confirms this and the battery charge can begin. If he does not agree, he can change the boundary conditions, repeat step 1 and start the cycle again.
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