DE102009030093A1

DE102009030093A1 - Einrichtung und Verfahren zur Erfassung der Energiemenge in der Ladestation für ein Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102009030093A1
Application number: DE102009030093A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr.-Ing. Gaul; Thomas Wiedemann
Original assignee: RWE AG
Current assignee: CCS Abwicklungs AG
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-05
Also published as: CN102803002B; AR077070A1; US20120123710A1; WO2010149520A2; TW201105985A; EP2445744A2; CN102803002A; WO2010149520A3; TWI464416B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von an ein Elektrofahrzeug gelieferter elektrischer Energie. Hierzu sind folgende Schritte vorgesehen: Verbinden des Elektrofahrzeugs mit einer Ladestation zum Beziehen von auf einem Ladekabel bereitgestellter elektrischer Energie, Einspeisung der gewünschten Energiemenge während einer gewünschten Ladedauer in die Batterie, Detektierung mindestens einer für die Berechnung der Energiemenge durch einen Energiemengenzähler erforderlichen elektrischen Größe und durch Ausgeben der mindestens einen vom Zähler für die Berechnung der Energiemenge erforderlichen elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung der Ladestation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von an ein Elektrofahrzeug gelieferter elektrischer Energie sowie die Verwendung einer Energiemengenmesseinrichtung.
Bekannt sind sogenannte ”Stromzähler” zur Erfassung gelieferter elektrischer Energiemengen bzw. elektrischer Arbeit. Solche Zähler zur Verbrauchsabrechnung in Haushalten erfassen den im Stromnetz bereit gestellten Phasenstrom sowie die anliegende Spannung. Sie ermitteln daraus durch Multiplikation und Integration über die Zeit die genutzte Wirk-Energiemenge in der Einheit Kilowattstunden.
Am meisten verbreitet sind sogenannte ”Ferraris-Zähler”, welche nach dem Induktionsprinzip arbeiten. Hierbei wird durch den Ein- oder Mehrphasenwechselstrom sowie die Netzspannung in einer Aluminiumscheibe ein magnetisches Drehfeld induziert, welches in dieser durch Wirbelströme ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment ist proportional zum Vektor-Produkt aus Strom und Spannung. Die Aluminiumscheibe läuft in einer aus einem Dauermagnet bestehenden Wirbelstrombremse, die ein geschwindigkeitsproportionales Bremsmoment erzeugt. Die Aluminiumscheibe, deren Kante als Ausschnitt durch ein Fenster von außen sichtbar ist, hat dadurch eine Drehgeschwindigkeit, welche zur elektrischen Wirkleistung proportional ist. Mit der Aluminiumscheibe ist ein Rollenzählwerk verbunden, so dass der Energiedurchsatz als Zahlenwert in Kilowattstunden (kWh) abgelesen werden kann.
Bei Tarifkunden, zum Beispiel in privaten Haushalten, werden solche elektro-mechanischen Energiezähler mit zwei und mehr Zählwerken eingesetzt, um zeitbezogen unterschiedliche Tarife abrechnen zu können. Zwischen diesen Zählwerken wird beispielsweise durch eingebaute oder externe Rundsteuerempfänger, die durch zentrale Rundsteueranlagen im Energieversorgungsunternehmen gesteuert werden, umgeschaltet. So kann der Energieverbrauch in Zeiten schwacher Netzbelastung, beispielsweise nachts, für den Verbraucher günstiger abgerechnet werden.
Bereits bekannt sind auch digitale elektronische Energiezähler (sogenannte ”Smart Meter”), die keine mechanisch bewegten Elemente enthalten. Der Strom wird durch Stromwandler, beispielsweise mit einem weichmagnetischen Ringkern oder einem Strommesssystemen mit Rogowskispulen mittels Nebenschlusswiderstand (Shunt) oder durch Hallelemente erfasst. Die Berechnung der Energie erfolgt über eine elektronische Schaltung. Das Ergebnis wird einer alphanumerischen Anzeige, z. B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD), zugeführt. Solche digitalen elektronischen Energiezähler weisen den besonderen Vorteil der Fernablesbarkeit auf und machen daher die bislang übliche jährliche Ablesung überflüssig, da die Zählerdaten elektronisch, beispielsweise über das Internet, an den Stromanbieter übermittelt werden.
Als Datenschnittstellen sind verschiedene Varianten gebräuchlich, z. B. Infrarot, S0-Schnittstelle, M-Bus, Potentialfreier Kontakt, EIB/KNX, oder Power Line Carrier (PLC).
Solche elektronischen Energiemengenzähler werden als separat gestaltete Geräte auch in Ladestationen für Elektrofahrzeuge eingesetzt, um die in die Batterie des Fahrzeugs eingespeiste Energiemenge zu erfassen und abzurechnen. Darüber hinaus verfügt eine Ladestation über eine Überwachungseinrichtung, um deren ordnungsgemäßen Betrieb sicher zu stellen sowie um gegebenenfalls bei einer Überlastung der Ladestation entsprechende Schutzmaßnahmen einzuleiten. Um die Überwachungseinrichtung mit entsprechenden Signalen zu versorgen, sind innerhalb der Ladestation an den geeigneten Stellen üblicherweise weitere Sensoren zur Strom oder Leistungserfassung vorgesehen. Insbesondere bei Systemen bestehend aus einer Vielzahl von Ladestationen ist hierzu ein vergleichsweise hoher messtechnischer Aufwand erforderlich.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass eine kostengünstigere Überwachung der Betriebssicherheit der Ladestation gegeben ist.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung der gelieferten Energiemenge beim Laden von Elektrofahrzeugen durch folgende Merkmale gelöst: Verbinden des Elektrofahrzeugs mit einer Ladestation zum Beziehen von auf einem Ladekabel bereit gestellter elektrischer Energie, Einspeisung der gewünschten Energiemenge während einer gewünschten Ladedauer in die Batterie, Detektierung mindestens einer für die Berechnung der Energiemenge durch einen Energiemengenzähler erforderlichen elektrischen Größe, Ausgeben der berechneten Energiemenge, und darüber hinaus Ausgeben mindestens einer der vom Zähler für die Berechnung der Energiemenge erforderlichen elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung der Ladestation.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der gelieferten elektrischen Energiemenge beim Laden von Elektrofahrzeugen in einer Ladestation gelöst mit folgenden Merkmalen: mit Erfassungsmitteln zur Erfassung der im Ladekreis eines Energieversorgungsnetzes anliegenden elektrischen Größen, insbesondere der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes, mit Rechenmitteln zur Berechnung der Energiemenge aus mindestens einer der erfassten elektrischen Größen, mit ersten Ausgabemitteln für die berechnete Energiemenge, und mit einer weiteren Ausgabeeinheit zur Ausgabe der mindestens einen weiteren elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung für die Ladestation.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Zähler für die in die Batterie des Elektrofahrzeugs eingespeiste Energiemenge zusätzlich zu der Ausgabe der Energiemenge, beispielsweise an eine Anzeigevorrichtung oder eine zentrale Abrechnungsabteilung eines Energieversorgers, die mindestens eine weitere elektrische Größe als Eingangssignal für die Überwachungseinrichtung der Ladestation zur Verfügung stellen kann. Da diese elektrische Größe ohnehin für die Berechnung der Energiemenge herangezogen wird und somit in der Energiemengenerfassungseinrichtung vorhanden ist, lässt sich der messtechnische Aufwand für eine Verbesserung des Schutzkonzeptes der Ladestation erheblich reduzieren, da auf zusätzliche Komponenten, wie Stromwandler oder Messelektronik verzichtet werden kann.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ausgabe der mindestens einen für die Berechnung der Energiemenge erforderlichen elektrischen Größe an die Überwachungseinrichtung zur Betriebsüberwachung der Ladestation erfolgt, wobei die Überwachungseinrichtung weiter bevorzugt eine Schutzeinrichtung zur Absicherung des Phasenstroms in der Ladestation enthält. Hierdurch lässt sich das Schutzkonzept der Ladestation oder für eine Gruppe von Ladestationen weiter vereinfachen.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine für die Berechnung der Energiemenge erforderliche elektrische Größe der Phasenstrom und/oder die Phasenspannung und/oder die der jeweiligen Phase zugeordnete Wirkleistung ist.
Die für die Überwachungseinrichtung erforderliche elektrische Größe (Phasenstrom, Phasenspannung, Phasen-Wirkleistung) wird bevorzugt über eine Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt, wobei diese Schnittstelle entweder als getrennte Schnittstelle oder gemeinsam mit der Schnittstelle für die Ausgabe der berechneten Energiemenge ausgeführt ist.
Schließlich besteht ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung auch in der Verwendung einer an sich bekannten Energiemengenmesseinrichtung zur Überwachung der Betriebssicherheit einer Ladestation für Elektrofahrzeuge.
Hierzu ist die als „Stromzähler” bekannte Einrichtung lediglich dahingehend zu modifizieren, dass sie eine gewünschte weitere elektrische Ausgangsgröße für die Weiterverarbeitung in der Überwachungseinrichtung zur Verfügung stellt.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 den schematischen Aufbau gemäß Ausführungsbeispiel;
2 ein Detail zu dem Energiemengenzähler entsprechend dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel;
1 zeigt ein Fahrzeug 2, welches ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein kann. Das Fahrzeug 2 weist eine Batterie 4 sowie ein Ladesteuergerät 6 auf. Darüber hinaus weist das Fahrzeug 2 einen geeichten Zähler 8 auf. Die Batterie 4 ist über das Ladesteuergerät 6 und den Zähler 8 mittels eines Kabels 10 mit einer Ladestation 12 verbunden. Die Ladestation 12 weist eine Steckdose 14 sowie einen Zähler 16 auf. Der Zähler 16 ist mit einem Energieversorgungsnetz 22 verbunden.
Die 1 zeigt ferner, dass an dem Zähler 16 zusätzliche Verbraucher 24 angeschlossen sein können, welche ebenfalls über den Zähler 16 Strom von dem Energieversorgungsnetz 22 beziehen.
Während des Ladens des Fahrzeugs 2 bzw. der Batterie 4 des Fahrzeugs 2 über das Kabel 10 fließt Strom von dem Energieversorgungsnetz 22 über den Zähler 16 und die Steckdose 14 sowie das Kabel 10, den Zähler 8 und das Ladegerät 6 in die Batterie 4.
Der Zähler 16 zählt die in die Batterie 4 fließende Energiemenge, sowie die von den Verbrauchern 24 bezogene Energiemenge.
Wie aus 2 hervorgeht, enthält der Zähler 16 eingangsseitig, d. h. an seinem dem Energieversorgungsnetz 22 zugewandten Anschluss, einen ersten Detektor 31 für die an diesem Messpunkt anliegende Phasenspannung sowie einen zweiten Detektor 32 für den in den Zähler 16 fließenden Phasenstrom. Die Detektoren 31, 32 sind als übliche Detektoren für die entsprechenden elektrischen Größen, also z. B. als Ringkern-Stromwandler, Hallsensoren etc. ausgebildet. Aus den Ausgangssignalen der Detektoren 31, 32 wird die über einen bestimmten Zeitraum gelieferte Energiemenge berechnet und diese kann auf einer Anzeigevorrichtung 33 des Zählers 16 zur Anzeige gebracht werden.
Der Zähler 16 ist ein fernauslesbarer Zähler, welcher über ein Kommunikationsnetz 18 mit einer Abrechnungszentrale 20 verbunden ist. Das Kommunikationsnetz 18 kann Teil des Energieversorgungsnetzes 22 sein, so dass beispielsweise eine Kommunikation mittels Power-Line-Communication über das Energieversorgungsnetz 22 erfolgen kann. Auch kann das Kommunikationsnetz 18 ein drahtgebundenes oder drahtloses Kommunikationsnetz sein. Zur Kommunikation kann beispielsweise ein IP-Protokoll verwendet werden.
Der Zähler 16 weist ausgangsseitig nicht nur eine Anzeigeeinrichtung 34 für die berechnete Energiemenge sondern auch eine weitere Ausgabeeinheit 35 für den Phasenstrom auf, welcher über den Detektor 32 erfasst wird. Die weitere Ausgabeeinheit 35 kann den Messwert des Detektors 32 unmittelbar ausgeben oder ein aus diesem Messwert abgeleitetes weiterverarbeitetes Signal. Alternativ dazu kann von der weiteren Ausgabeeinheit 35 auch die Phasenspannung oder ein entsprechend weiter verarbeitetes Signal des Detektors 31 ausgegeben werden. Schließlich ist auch die Ausgabe eines aus den Signalen der Detektoren 31 und 32 gemeinsam abgeleitetes Ausgangssignal, insbesondere die Phasenwirkleistung, von der weiteren Ausgabeeinheit 35 darstellbar.
Der weiteren Ausgabeeinheit 35 ist ebenso wie der Ausgabeeinheit 34 für die gemessene Energiemenge eine Datenschnittstelle 36 zugeordnet, wobei diese Datenschnittstelle separat oder gemeinsam (wie in 2 dargestellt) mit der Datenschnittstelle für die Energiemenge ausgebildet sein kann.
Über die Datenschnittstelle 36 steht der Phasenstrom oder ein anderes elektrisches Signal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung. Die weitere Verarbeitung erfolgt in einer Überwachungseinrichtung, die den Zweck hat, die Betriebssicherheit der jeweiligen Ladestation sicher zu stellen. Diese weitere Funktionalität ist gegeben, ohne dass hierzu zusätzlicher Aufwand für die Detektoren der Phasenströme erforderlich wäre. Es kann nämlich auf zusätzliche Stromwandler und die zugehörigen messtechnischen Komponenten verzichtet werden, weil diese bereits in dem Zähler 16 vorliegen.
Bei einem System bestehend aus mehreren Ladestationen können auf diese Weise die jeweiligen Phasenströme in den einzelnen Stationen separat überwacht werden und auf diese Weise ein gemeinsames Schutzkonzept aufgebaut werden, ohne dass hierzu zusätzlicher Aufwand für die Detektoren oder die Signalerfassung und -aufbereitung erforderlich wäre.
Dabei kann die Überwachungseinrichtung mit einer Schutzeinrichtung verbunden ist, durch die die Ladestation bezüglich einer eventuellen Überlastung abgesichert ist. Hierzu werden aus dem Zähler 16 innerhalb vorgegebener Zeitabschnitte Messwerte für den jeweiligen Phasenstrom über die Datenschnittstelle 36 an die Schutzeinrichtung übertragen und bei Erreichen eines kritischen Auslösewertes entsprechende Sicherungsfunktionen der Ladestation aktiviert.
Alternativ oder in Ergänzung zu der Ausgabe des Phasenstroms kann die Ausgabe eines Messwertes für die momentane Wirkleistung in der bezogenen Phase erfolgen. Auch dieser Messwert kann über eine separate oder gemeinsame Datenschnittstelle zur weiteren Verarbeitung übertragen werden und eine Eingangsgröße für die Überwachungseinrichtung und/oder die Schutzeinrichtung der Ladestation bilden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer gelieferten Energiemenge beim Laden von Elektrofahrzeugen durch – Verbinden eines Elektrofahrzeugs (2) mit einer Ladestation (12) zum Beziehen von auf einem Ladekabel bereit gestellter elektrischer Energie, – Einspeisung der gewünschten Energiemenge während einer gewünschten Ladedauer in die Batterie (4), – Detektierung mindestens einer für die Berechnung der Energiemenge durch einen Energiemengenzähler erforderlichen elektrischen Größe, – Ausgeben der berechneten Energiemenge, – Ausgeben der mindestens einen vom Zähler (16) für die Berechnung der Energiemenge erforderlichen elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung der Ladestation.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe der mindestens einen für die Berechnung der Energiemenge erforderlichen elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung zur Betriebsüberwachung, insbesondere zur Leitungsstromüberwachung, der Ladestation erfolgt.
Vorrichtung zur Bestimmung einer gelieferten elektrischen Energiemenge beim Laden von Elektrofahrzeugen (2) in einer Ladestation (12), mit Erfassungsmitteln (31, 32) zur Erfassung der im Ladekreis eines Energieversorgungsnetzes (22) anliegenden elektrischen Größen, insbesondere der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes, mit Rechenmitteln (16) zur Berechnung der Energiemenge aus mindestens einer der erfassten elektrischen Größen, und mit ersten Ausgabemitteln (34) für die berechnete Energiemenge, und mit einer weiteren Ausgabeeinheit (35) zur Ausgabe mindestens einer weiteren elektrischen Größe an eine Überwachungseinrichtung für die Ladestation.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine für die Berechnung der Energiemenge erforderliche elektrische Größe der Phasenstrom ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine für die Berechnung der Energiemenge erforderliche elektrische Größe die Phasenspannung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine für die Berechnung der Energiemenge erforderliche elektrische Größe die der jeweiligen Phase zugeordnete Wirkleistung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung eine Schutzeinrichtung, insbesondere zur Absicherung des Phasenstromes, enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Ausgabeeinheit (35) zur Ausgabe der mindestens einer weiteren elektrischen Größe an die Überwachungseinrichtung über eine Datenschnittstelle erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenschnittstelle gemeinsam mit einer Schnittstelleneinheit für die ersten Ausgabemittel (34) für die berechnete Energiemenge ausgebildet ist.
Verwendung einer Energiemengenmesseinrichtung zur Überwachung der Betriebssicherheit einer Ladestation für Elektrofahrzeuge.