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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Energieverteilung auf mehrere Energieverbraucher in einem lokalen Netz, von denen mindestens einer eine Station zum Laden des Energiespeichers und/oder zur Energieentnahme aus dem Energiespeicher mindestens eines Fahrzeuges ist, wobei für das lokale Netz eine begrenzte maximale Leistung von einem übergeordneten Verfügungsnetz zur Verfügung gestellt wird und/oder eingespeist werden kann und das lokale Netz mehrere interne Anschlüsse aufweist, wobei die Anschlusswerte aller Verbraucher an den internen Anschlüssen des lokalen Netzes in der Summe die für das lokale Netz verfügbare maximale Leistung übersteigen.
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Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch eine entsprechende Vorrichtung zur elektrischen Energieverteilung auf mehrere elektrische Energieverbraucher in einem lokalen Netz, wobei mindestens einer der Energieverbraucher eine Ladestation für den Energiespeicher mindestens eines Fahrzeuges ist und wobei für das lokale Netz eine begrenzte maximale Leistung von einem übergeordneten Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird und oder eingespeist werden kann und das lokale Netz mehrere interne Anschlüsse für die Energieverbraucher und -Einsgeiser aufweist, wobei die Anschlusswerte aller Verbraucher des lokalen Netzes in ihrer Summe die verfügbare maximale Leistung übersteigen.
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Lokale Netze, wie beispielsweise ein Haushaltsnetz oder aber auch ein lokales Netz einer Produktionsanlage oder einer Fabrik, haben in aller Regel zahlreiche Anschlüsse, über welche unterschiedliche Verbraucher mit Strom versorgt werden. Dabei sind einzelne Anschlüsse oder auch Gruppen von Anschlüssen zumeist durch eine gemeinsame Sicherung abgesichert. Das gesamte lokale Netz wiederum ist seinerseits durch eine oder mehrere Hauptsicherungen mit einem Versorgungsnetz verbunden. Bei einem solchen System ist die für das lokale Netz maximal verfügbare Leistung durch den maximalen Strom über die Hauptsicherung oder Hauptsicherungen multipliziert mit der im Allgemeinen fest vorgegebenen Spannung des Versorgungsnetzes gegeben Solche lokalen Netze verfügen demnach zwar über eine sehr große Anzahl von einzelnen Anschlüssen, jedoch sollen diese Anschlüsse, abgesehen von den Anschlüssen fest installierter elektrischer Geräte, im Allgemeinen nur in flexibler Weise die Möglichkeit bieten, elektrische Energie an einem beliebigen Anschluss zu entnehmen, jedoch werden nicht alle Anschlüsse jeweils gleichzeitig von sämtlichen in dem lokalen Netz vorhandenen Energieverbrauchern genutzt.
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Schon bei der Auslegung der gesamten elektrischen Anlage eines lokalen Netzes einschließlich der gruppenweisen oder individuellen Absicherung von Anschlüssen geht man davon aus, dass die gemäß der individuellen Absicherung maximal mögliche Energieübertragungskapazität nicht gleichzeitig für sämtliche Anschlüsse genutzt wird. Demzufolge übersteigt in aller Regel die Summer der maximalen Ströme, die über die individuellen Sicherungen oder Anschlüsse fließen könnten, den Auslösegrenzwert der zugeordneten Hauptsicherung bei weitem, eben weil unterstellt wird, dass nicht gleichzeitig über sämtliche individuellen Sicherungen parallel die maximale Leistung abgerufen wird.
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Da solche lokalen Netze im Allgemeinen für einen längeren Gebrauch ausgelegt sind, müssen sie auch hinreichend flexibel sein, um sich ändernden Bedingungen Rechnung tragen zu können. Dies führt dazu, dass in der Praxis einzelne Anschlüsse oder Anschlussgruppen mit einer sehr großzügigen Sicherheitsreserve abgesichert werden, die dem möglichen Spitzenbedarf an diesem Anschluss entspricht, jedoch weit über dem durchschnittlichen Stromfluss liegt, der üblicherweise über den betreffenden Anschluss bzw. Anschlussgruppen stattfindet.
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Eine solche Praxis der sehr großzügigen Absicherung und Bereitstellung von Sicherheitsreserven wird jedoch zunehmend unzweckmäßiger und teurer, wenn der elektrische Energiebedarf des lokalen Netzes sehr groß wird und zum Beispiel den eines typischen Haushaltsnetzes deutlich übersteigt. Bei lokalen Netzen mit großem Strom- bzw. Energiebedarf werden deshalb insbesondere große Energieverbraucher bedarfsgerecht und ohne übermäßige Sicherheitsreserve individuell abgesichert. Dieses ist jedoch nicht möglich für lokale Netze, bei denen die Verbraucher häufig wechseln und welche einen sehr stark schwankenden Energiebedarf haben.
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Starke Bedarfsschwankungen vieler lokaler Netze können unter Umständen auch ein übergeordnetes Versorgungsnetz gefährden. Bekannt ist beispielsweise das Phänomen der elektrischen Verbrauchsspitze am frühen Morgen, zur Mittagszeit und zur Abendzeit, wenn zahlreiche Verbraucher entsprechend allgemeinen Gepflogenheiten mehr oder weniger gleichzeitig elektrische Geräte, wie z. B. Durchlauferhitzer zum Duschen, Elektroherde, oder Fernsehgeräte in Betrieb nehmen.
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Probleme mit starken Bedarfsschwankungen dürften sich in naher Zukunft noch verschärfen, wenn im Zuge von Maßnahmen gegen den befürchteten Klimawandel eine massive Umstellung des Individualverkehrs auf Elektrofahrzeuge erfolgt. Zwar wird dabei generell ein geringerer Primärenergieverbrauch angestrebt, jedoch wird dies vermutlich dennoch zu einem deutlich höheren Verbrauch an elektrischer Energie führen, da elektrische Maschinen und Geräte oft einen sehr viel höheren Wirkungsgrad haben als entsprechende Geräte und Maschinen, die beispielsweise mit Verbrennungsmotoren betrieben werden und demzufolge künftig bevorzugt Verwendung finden. Die vorherige Umwandlung anderer (thermischer) Energie in elektrische Energie kann in modernen Kraftwerken mit relativ hoher Effizienz erfolgen, so dass auch für die Erzeugung kinetischer Energie (z. B. Kraftfahrzeugverkehr) aus thermischer Energie bzw. aus Verbrennung von Kraftstoffen der Umweg über die Erzeugung von zunächst elektrischer Energie, die dann in kinetische Energie umgewandelt wird, unter Energieeffizienzgesichtspunkten durchaus lohnend ist.
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Windenergieanlagen, Solarkraftanlagen und auch Biogaskraftwerke stellen in aller Regel ohnehin direkt elektrische Energie für die allgemeinen Versorgungsnetze bereit, so dass auch dadurch das Angebot an elektrischer Energie dem voraussichtlich wachsenden Bedarf angepasst wird.
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Gerade der Energiebedarf von z. B. Elektrofahrzeugen ist aber relativ hoch und Batterien von Elektrofahrzeugen haben in aller Regel eine Speicherkapazität von mindestens 16 kWh bis herauf zu einigen hundert kWh.
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Soll beispielsweise eine Batterie mit einer Kapazität von 60 kWh innerhalb von 4 Stunden voll geladen werden, muss über eine entsprechende Ladestation, die mit 220 V Wechselspannung betrieben wird, ein Strom von nahezu 70 Ampere fließen. Dies würde schon den Auslösegrenzwert von Hauptsicherungen der meisten Haushaltsanschlüsse übersteigen. Der Ladevorgang an einem Haushaltsnetz dauert dementsprechend länger, wobei die lange Ladedauer generell als ein Nachteil von Elektrofahrzeugen angesehen wird.
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Um die Batterien von Elektrofahrzeugen effizient laden zu können, wird man deshalb auch auf spezielle „Stromtankstellen” zurückgreifen müssen, die eigens für diesen Zweck ausgelegt sind und gegebenenfalls größere Leistungen bereitstellen. Auch solche Stromtankstellen können aber nicht beliebig groß dimensioniert werden, sondern müssen auf einen gewissen Maximalbedarf ausgelegt werden, der nicht überschritten werden kann, wobei aber dennoch die Zahl der einzelnen Anschlüsse und deren individuelle Übertragungskapazität in der Summe deutlich über der für die Stromtankstelle maximal verfügbaren Leistung liegen kann.
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Weiterhin ist damit zu rechnen, dass die tageszeitlichen Schwankungen des elektrischen Energiebedarfs im Falle einer stärkeren Verbreitung von Elektrofahrzeugen eher noch stärker ausgeprägt sein werden als dies bisher schon der Fall ist. Insbesondere ist damit zu rechnen, dass gegen Abend, wenn zahlreiche Autobesitzer nach Hause kommen, die betreffenden Fahrzeuge an eine Ladestation angeschlossen werden.
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Eine Möglichkeit, derartige Verbrauchsgewohnheiten zu beeinflussen, besteht in variablen Kosten für die elektrische Energieversorgung, abhängig von entsprechenden Zeitfenstern, in denen die elektrische Energie verbraucht bzw. abgerufen wird.
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Der Begriff „verfügbare maximale Leistung”, wie er eingangs verwendet wurde, umfasst daher nicht nur eine im physikalischen Sinne maximal verfügbare Leistung, sondern auch eine z. B. unter Kostengesichtspunkten maximal verfügbare Leistung, d. h. dass eine Leistungsbegrenzung in diesem Sinne nicht nur auf Basis physikalischer Gegebenheiten, sondern auch auf Basis anderer Randbedingungen erfolgen kann.
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Auch der Begriff des (elektrischen) „Energiespeichers” ist nicht auf Batterien und auch nicht auf Elektrofahrzeuge beschränkt, sondern umfasst alle Arten von Energiespeichern, die mit Hilfe elektrischer Energie geladen werden. Dies würde beispielsweise auch für einen Schwungradspeicher gelten, der mit elektrischer Energie angetrieben wird und kinetische Energie speichert, und würde ebenso auch für einen pneumatischen Energiespeicher gelten, bei welchem mit Hilfe elektrischer Energie ein Kompressor betrieben wird, der Luft oder irgendein anderes Gas in einem Drucktank komprimiert, wobei das so gespannte Gas später die gespeicherte Energie in Form von mechanischer oder (via Generator) elektrischer Energie wieder abgibt. Dennoch werden für die im Folgenden zu betrachtenden Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Anschaulichkeit halber primär elektrische Batterien als die entsprechenden Energiespeicher betrachtet, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
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Analog ist der Begriff Energieverteilung nicht nur auf das Laden von Energiespeichern beschränkt sondern betrifft auch den Fall der Netzintegration. Das heißt, dass ein Energiespeicher Energie in Form elektrischer Energie abgeben kann. Diese eingespeiste Energie kann dann durch das Verfahren und die Vorrichtung zur elektrischen Energieverteilung in das übergeordnete Versorgungsnetz eingespeist werden und/oder zum Laden weiterer Energiespeicher im lokalen Netz verwendet werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit betrachten wir im Folgenden den Fall des Ladens.
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Gegenüber dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Energieverteilung zu schaffen, welche in der Lage sind, die maximal verfügbare Gesamtenergie in optimaler Weise auf die einzelnen angeschlossenen Verbraucher zu verteilen, ohne dass es zu Überschreitungen irgendwelcher Grenzwerte, sei es des lokalen Netzes oder des Versorgungsnetzes, oder zur Überschreitung eines vorgegebenen Kostenrahmens kommt.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an bzw. hinter der Schnittstelle zu dem Versorgungsnetz in dem lokalen Netz eine intelligente Steuereinrichtung mit einem Steuereingang und mindestens einem Steuerausgang vorgesehen ist, welcher auf Basis mindestens eines vorgebbaren Steuerparameters die Energiezufuhr zu den Anschlüssen des lokalen Netzes nach einem daraus ermittelten Energieverteilungsplan derart ein- und abschaltet oder begrenzt, dass die Summe der an den einzelnen Anschlüssen des lokalen Netzes bereitgestellten Leistungen die verfügbare maximale Leistung nicht überschreitet, wobei mindestens ein vorgebbarer Steuerparameter dem Energiebedarf des zu ladenden Energiespeichers des mindestens einen Fahrzeuges entspricht.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass diese Vorrichtung eine intelligente Steuereinrichtung umfasst, die mit mindestens einer Schalteinrichtung zusammenwirkt, welche an bzw. hinter der Schnittstelle zu dem Versorgungsnetz in dem lokalen Netz angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung einen Steuereingang und mindestens einen Steuerausgang aufweist und derart angeschlossen und steuerbar ist, dass sie auf Basis mindestens eines vorgebbaren Steuerparameters über die mindestens eine Schalteinrichtung die Energiezufuhr und/oder die Energieaufnahme zu und/oder von den Anschlüssen des lokalen Netzes ein- und ausschaltet oder begrenzt, so dass die Summe der über die einzelnen Anschlüsse zur Verfügung gestellten elektrischen Leistungen des lokalen Netzes die für das lokale Netz maximal verfügbare Gesamtleistung nicht überschreitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen eine wesentlich verbesserte Flexibilität und Planungsmöglichkeit bei der Auslegung lokaler Netze und bei Anwendung in großem Maßstab auch der übergeordneten Versorgungsnetze, sowie eine kostengünstige und gleichmäßigere Nutzung der vorhandenen Übertragungskapazitäten und/oder vorhandener Einspeisungspotentiale.
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Auch sowohl bezüglich der Zahl der einzelnen Anschlüsse als auch bezüglich der Leistungsübertragungskapazität der einzelnen Anschlüsse müssen Vorgaben des Versorgungsnetzes beachtet werden. Beispielsweise könnte eine Stromtankstelle, für welche die maximale Leistungsaufnahme auf 500 kW beschränkt ist, ohne weiteres 20 Ladestationen haben, die individuell jeweils 100 kW an Leistung übertragen könnten, ohne dass einzelne Stationen in Abhängigkeit von der aktuellen Leistungsaufnahme gesperrt werden müssten und auch ohne dass irgendwelche Sicherheitsabschaltungen erfolgen, zumal es häufig vorkommen kann, dass zwar alle Ladestationen besetzt sind, diese jedoch nicht alle jeweils die volle Ladekapazität benötigen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung erfolgt vorzugsweise automatisch eine Begrenzung der Leistungsabgabe und/oder Leistungsaufnahme in der Summe auf die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder maximal aufnehmbare Leistung, indem eine automatische An- und Abschaltung der einzelnen Stationen oder aber eine Begrenzung der über die einzelnen Stationen abgegebenen und/oder aufgenommenen Leistung bzw. Ströme erfolgt. Benutzer und Betreiber einer solchen Stromtankstelle müssen dabei weder Art noch Anzahl der bereits angeschlossenen Energiespeicher (oder auch sonstiger elektrischer Energieverbraucher) beachten, noch muss bei dem Anschluss der Energiespeicher irgendeine Reihenfolge oder ein Anschlusswert beachtet werden. Soweit entsprechender Bedarf besteht, wird einfach jede freie Ladestation besetzt und die erfindungsgemäße Vorrichtung übernimmt dann automatisch die angemessene Energieverteilung auf Basis der jeweils aktuellen Steuerparameter und einer entsprechenden Programmierung, wobei mindestens einer der Steuerparameter dem Energiebedarf des zu ladenden Energiespeichers des mindestens einen Fahrzeuges oder dem Einspeisungspotential des angeschlossenen Energiespeichers entspricht.
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Dabei ist es selbstverständlich grundsätzlich möglich, die Steuerparameter auf eine beliebige Art zu erfassen, daraus einen Energieverteilungsplan zu ermitteln und diesen gegebenenfalls auch für den Betreiber des lokalen Netzes darzustellen, so dass der Betreiber dann auf Basis dieses Energieverteilungsplans (von Hand bzw. durch Bestätigung eines Zeitschaltplans) die erforderlichen Schaltungen vornehmen kann. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei welcher mindestens die Ermittlung des Energieverteilungsplans auf Basis der jeweiligen Steuerparameter automatisch erfolgt und dieser Energieverteilungsplan auch automatisch durch die intelligente Steuereinrichtung umgesetzt wird.
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Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die für das lokale Netz maximal verfügbare Leistung beispielsweise durch den Auslösegrenzwert einer oder mehrerer Hauptsicherung(en) und durch die Spannung des Versorgungsnetzes gegeben sein, wobei für den Fall, dass die Summe der Bedarfsströme der Verbraucher den Auslösegrenzwert der Hauptsicherung(en) überschreitet, der Energieverteilungsplan einen zeitlich konstanten Gesamtstrom vorsieht, der kleiner als der Auslösegrenzwert der Hauptsicherung(en) ist. Ein zeitlich konstanter Gesamtstrom knapp unterhalb des Auslösegrenzwertes der Hauptsicherung(en) ist in einer solchen Situation hinsichtlich der Erfüllung des konkreten Leistungsbedarfs das erzählbare Optimum.
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Es versteht sich, dass der Energieverteilungsplan automatisch neu ermittelt wird, sobald sich irgendeiner der Steuerparameter ändert.
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Wie bereits erwähnt, kann die maximal verfügbare Leistung auch durchaus kleiner sein als die maximale Leistung, die bei einer gegebenen Versorgungsspannung bei einer Hauptsicherung oder Hauptsicherungen übertragbar wäre. Beispielsweise kann der Betreiber eines lokalen Netzes zu bestimmten Tageszeiten nur über ein begrenztes Energiekontingent zu einem gegebenen Preis verfügen. Überschreitet er dieses Kontingent, wäre für den darüber hinaus gehenden Energieverbrauch ein erhöhter Preis fällig. In einer solchen Situation kann also der Betreiber des lokalen Netzes die verfügbare maximale Leistung so vorgeben, dass während des betroffenen Zeitraumes das zu dem günstigen Preis zur Verfügung stehende Energiekontingent nicht überschritten wird. Auch ein solches Energiekontingent bzw. die sich daraus ergebende maximal verfügbare Leistung während eines bestimmten Zeitraumes kann demnach einer der Steuerparameter sein, welcher von der intelligenten Steuereinrichtung ausgewertet wird, um daraus den Energieverteilungsplan zu ermitteln.
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Dabei kann sich aber auch dieser Steuerparameter in Abhängigkeit von anderen Steuerparametern ändern. Beispielsweise könnte ein Kunde einer Stromtankstelle bereit sein, für ein umgehendes schnelles Laden der Batterie seines Elektrofahrzeuges einen höheren Preis zu zahlen, wobei der höhere Preis die Zusatzkosten für das Überschreiten des oben erwähnten Energiekontingentes ausgleicht. In diesem Fall könnte also der Parameter der verfügbaren maximalen elektrischen Leistung entsprechend heraufgesetzt werden.
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Dementsprechend ist in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vorgesehen, dass den individuell schaltbaren Verbrauchern variable Prioritätsstufen zugeordnet sind.
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Wenn beispielsweise der Energieverteilungsplan vorsieht, dass alle angeschlossenen Verbraucher, bezogen auf ihren voraussichtlichen Gesamtenergiebedarf zeitlich so zu- und abgeschaltet werden, dass jeder der Verbraucher einschließlich Wartezeiten und Pausen in etwa die gleiche Gesamtzeit zum Laden benötigt, so kann diese Gesamtdauer beispielweise durch Eingabe einer höheren Prioritätsstufe verkürzt werden, wobei der betreffende Verbraucher dann bevorzugt mit Energie versorgt wird. Auch aus Sicherheitsgründen oder aus Gründen der besonderen Bedeutung bestimmter Verbraucher können manchen Verbrauchern bevorzugte Prioritäten zugewiesen werden, insbesondere wenn es sich dabei um übergeordnete Systeme, wie zum Beispiel die Beleuchtung oder ein Notsystem (z. B. Kühlpumpen) der betreffenden Anlage, handelt.
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Die Kriterien für den Energieverteilungsplan sind im Prinzip frei wählbar. Der Energieverteilungsplan kann beispielweise so ausgelegt werden, dass ein früher angeschlossener Verbraucher, der den gleichen oder gar einen geringeren Energiebedarf hat als ein später angeschlossener Verbraucher die benötigte Gesamtenergie auch entsprechend früher erhält. Eine Variante der Stromversorgung der einzelnen Verbraucher liegt beispielweise in einem Timesharing-Verfahren, was beispielsweise bedeutet, dass für einen Verbraucher die elektrische Energiezufuhr abgeschaltet wird, wenn sie für einen anderen zugeschaltet wird, so dass aktuell immer nur eine begrenzte Zahl von Energieverbrauchern zugeschaltet ist, die in ihrer Summe die maximal verfügbare Gesamtleistung erhalten, wobei ein anderer Teil der Verbraucher während dieser Zeit abgeschaltet ist und wobei in gewissen Zeitabständen Umschaltungen erfolgen, um die verfügbare Leistung gleichmäßiger auf alle angeschlossene Energieverbraucher zu verteilen. Insbesondere ist es für einen frühzeitig angeschlossenen elektrischen Energiespeicher nicht immer notwendig, diesen sofort und kontinuierlich mit der maximal benötigen Leistung zu versorgen und er entsprechend frühzeitig voll geladen ist, wenn andererseits für diesen Ladevorgang ohnehin ein größerer Zeitraum zur Verfügung steht. In diesem Fall kann der Ladevorgang zeitlich entsprechend gestreckt werden, so dass dadurch andere Energiespeicher ihrerseits entsprechend schneller geladen werden können.
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Je nach Ausgestaltung der einzelnen Verbraucher bzw. elektrischen Energiespeicher können die Schalteinrichtungen für die einzelnen Verbraucher individuell begrenzte Ströme, z. B. durch Begrenzung der Spannung oder mittleren Spannung an den Verbraucheranschlüssen zuführen. Viele Batterien können durchaus unterschiedliche Ladeströme aufnehmen, ohne dadurch Schaden zu erleiden, wobei die entsprechende Stromregelung indirekt auch über eine entsprechende Spannungseinstellung erfolgen kann.
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Eine Spannungsbegrenzung kann beispielsweise durch Zeitanschnitt der Versorgungsspannung erfolgen, wozu insbesondere auch der Phasenanschnitt bei einer Wechselspannungsversorgung zu zählen ist, der Begriff „Zeitanschnitt der Versorgungsspannung” allerdings auch entsprechende Puls/Pausenverhältnisse bei einer Gleichspannungsversorgung umfasst.
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Timesharing bzw. Zeitanschnittschnitt nach dem Puls-Pausenverfahren bedeutet effektiv eine paketweise Energieübertragung, wie sie insbesondere in der älteren (noch nicht veröffentlichten)
DE 10 2009 003 173.1 derselben Anmelderin offenbart wurde, wobei insbesondere auch schon das Versorgungsnetz ein sogenanntes „Smart Grid” sein kann, dass die elektrische Energie in genau bemessenen Energiepaketen auf Basis einer vorherigen oder parallelen Kommunikation zwischen einem Energielieferanten und einem Verbraucher bzw. dem Betreiber eines lokalen Netzes zur Verfügung stellt und damit begrenzte maximale Leistungen und Energiemengen vorgibt, die nach dem vorliegenden Verfahren in optimierter Weise auf die jeweiligen Verbraucher verteilt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Teil der Steuerparameter zu Beginn der Stromversorgung des Verbrauchers unmittelbar über den elektrischen Anschluss des Verbrauchers erfasst oder aber sie werden von einer externen Quelle über einen getrennten Kommunikationskanal kommuniziert. Ein Beispiel für eine unmittelbare Erfassung eines Steuerparameters über den elektrischen Anschluss wäre z. B. die Messung des Innenwiderstandes einer elektrischen Batterie, der Aufschluss über den Ladezustand der Batterie geben kann.
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Daneben kann es jedoch auch möglich und zulässig sein, dass Steuerparameter unabhängig von einem elektrischen Anschluss über eine getrennten Kommunikationskanal erfasst und übergeben werden. Beispielsweise könnte ein elektrischer Anschlussstecker für eine Batterie zusätzliche Kontakte oder Kanäle eines Informationskanals aufweisen oder die Kommunikation kann über Powerline Communication (PLC) (dt.: Trägerfrequenzanlage (TFA)) erfolgen. Auch die Verbindung über ein getrenntes Kommunikationskabel oder über ein drahtloses Netzwerk wäre denkbar, ebenso wie auch Eingaben eines Benutzers in ein Terminal, über ein Mobiltelefon oder irgendein anderes Gerät (z. B. via Bluetooth oder WLAN), mit Hilfe dessen eine Eingabe eines Steuerparameters in das System möglich ist.
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Steuerparameter können beispielsweise die minimale gewünschte Gesamtenergiemenge und/oder eine maximale Versorgungs- bzw. Ladezeit umfassen. Der Benutzer einer Stromtankstelle kann beispielsweise vorgeben, dass er auf jeden Fall sein Fahrzeug nach 2 Stunden wieder benutzen möchte und er während dieser Zeit die maximal verfügbare Energie erhalten möchte, mindestens aber beispielsweise die Hälfte der maximal zuführbaren Energiemenge. Die Zu- und Abschaltung der elektrischen Energieversorgung kann dann so gesteuert werden, dass auf jeden Fall die Minimalbedingung erfüllt wird und darüber hinaus während der zu Verfügung stehenden Zeit weitere Energie gespeichert wird, wenn dadurch die maximal verfügbare Gesamtleistung nicht überschritten wird, auch wenn im Ergebnis die dem Energiespeicher zugeführte Energie nicht der während der gesamten Versorgungszeit theoretisch möglichen, maximal zuführbaren Energiemenge entspricht.
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Darüber hinaus ist in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der gemäß Energieverteilungsplan avisierte Stromverlauf und die avisierte Versorgungsdauer sowie die in dieser Zeit zugeführte Energiemenge für mindestens einen Verbraucher über eine externe Kommunikationseinrichtung ausgegeben werden. Eine solche externe Kommunikationseinrichtung kann beispielweise ein Display oder auch das Mobiltelefon eines Verbrauchers sein, worauf der Benutzer angezeigt bekommt, nach welcher Zeit welche Energiemenge in einen Energiespeicher geladen worden ist, so dass er beispielsweise auf Basis dieser Information entscheiden kann, ob er gegebenenfalls einen Ladevorgang vorzeitig abbricht oder einen Prioritätszustand ändert. Weiterhin kann er auf diese Weise genau darüber informiert werden, wann er sein Fahrzeug frühestens und mit welchem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers wieder in Empfang nehmen kann.
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Eine solche Kommunikation mit einer Zentrale oder einem intelligenten Netzknoten sollte selbstverständlich über eine für Menschen bedienbare und erfassbare Ein-/Ausgabeschnittstelle erfolgen, wobei allerdings auch Anwendungsfälle denkbar sind, bei denen elektrische Energieverbraucher auf Basis entsprechender Informationen automatisch an- oder abgekoppelt werden, d. h. in den Energieverteilungsplan aufgenommen oder ganz aus diesem entfernt werden.
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Gegebenenfalls sind von der Steuereinrichtung auch zusätzliche Rahmenbedingungen zu beachten, wie z. B. die Tatsache, dass der Strom über einen Anschluss oder über eine Gruppe von Anschlüssen auf einen Wert begrenzt wird, der unterhalb eines Auslösegrenzwertes einer individuellen Sicherung für diesen Anschluss bzw. die betreffende Gruppe von Anschlüssen liegt. Das heißt es ist gegebenenfalls nicht nur die Gesamtleistung sondern auch die Leistung (bzw. der Strom) über individuelle Anschlüsse zu beachten. Hinsichtlich der Vorrichtung ist es zweckmäßig, wenn sie Strommesseinrichtungen für individuell schaltbare Anschlussgruppen aufweist, um auf diese Weise die Einhaltung des Energieverteilungsplans zu überwachen. Wie bereits erwähnt, sollte die Vorrichtung in einer Ausführungsform auch Einrichtungen zur Messung des gesamten Verbraucherwiderstands eines oder mehrerer Verbraucher aufweisen, die über eine entsprechende Schalteinrichtung gemeinsam zu- oder abgeschaltet werden oder deren Stromaufnahme durch eine Schalteinrichtung begrenzt wird.
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Zweckmäßigerweise wird man als Schalteinrichtung eine Leistungselektronik vorsehen, so dass die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt eine Leistungselektronik bzw. mehrere Leistungselektroniken ansteuert, welche die Stromzufuhr zu den einzelnen Verbrauchern oder Gruppen von Verbrauchern schaltet und/oder begrenzt.
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Die Steuereinrichtung kann wahlweise eine zentrale Einrichtung oder auch eine dezentrale Einrichtung sein. Eine dezentrale Einrichtung könnte beispielweise in der Form vorliegen, dass mehrere Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die jeweils einen Prozessor aufweisen, wobei diese Prozessoren ein peer-to-peer-Netzwerk bilden. Ein solches peer-to-peer-Netzwerk ist selbstorganisiert und würde einen entsprechenden Energieverteilungsplan durch Kommunikation unter den Prozessoren ermitteln, ohne dass eine zentrale Instanz vorgesehen sein muss.
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Insbesondere für die Anwendung auf eine Stromtankstelle ist eine Vorrichtung bevorzugt, bei welcher mindestens einer der Anschlüsse des lokalen Netzes ein Batteriemanagementsystem aufweist. Konkret könnten die einzelnen Ladestationen einer Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge jeweils ein eigenes Batteriemanagementsystem aufweisen, welches jeweils Typ und Zustand der zu ladenden Batterie ermittelt und eine darauf abgestimmte, optimierte und mit dem Energieverteilungsplan kompatible Stromversorgung bereitstellt. Ein solches Batteriemanagementsystem sollte vorzugsweise in der Lage sein, mit einem in das Fahrzeug oder in einen elektrischen Energiespeicher bereits integriertes Batteriemanagementsystem zu kommunizieren und dieses gegebenenfalls zu umgehen oder abzuschalten.
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Nicht nur bei einer solchen Vorrichtung ist selbstverständlich eine Einrichtung zur Erfassung des Ladezustandes einer Speicherbatterie von besonderem Vorteil.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass je einer der Anschlüsse oder je eine Gruppe von Anschlüssen des lokalen Netzes eine individuelle Sicherung aufweist, so dass beim Auftreten irgendeines Fehlers, auch wenn dieser durch den erfindungsgemäßen Energieverteilungsplan an sich ausgeschlossen sein sollte, zusätzlich noch Anschluss oder die betreffenden Gruppe von Anschlüssen von dem übrigen System elektrisch abgekoppelt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
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1 Schematisch eine Stromtankstelle mit mehreren gleichartigen Ladesäulen,
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2 Ein Zeitschema der Ankunft und der Ladevorgänge für mehrere Elektrofahrzeuge an 10 Stellplätzen der Stromtankstelle nach 1,
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3 Den aus dem Zeitschema der 1 resultierenden Stromverlauf nach dem Stand der Technik,
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4 Ein Ladeschema für die Batterien der Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 Den aus dem Ladeschema der 4 resultierenden Stromverlauf,
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6 eine detaillierte Darstellung der Stromtankstelle nach 1,
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7 Ein Beispiel einer Schalteinrichtung zur Ansteuerung eines Verbraucheranschlusses, und
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8 Ein Anwendungsschema der Erfindung für einen prinzipiell symmetrischen Energiefluss zum Beispiel in einem „Smart Grid”.
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Ausführungsbeispiel: Die intelligente Stromtankstelle
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Gemäß den 1 und 6 besteht die intelligente Stromtankstelle aus einer Anzahl von Fahrzeug-Stellplätzen 0000. Jeder dieser Stellplätze hat eine Ladesäule 1000, welche den in den Ansprüchen definierten Energieverbrauchern entsprechen. Die Ladesäulen sind über ein gemeinsames Stromnetz 2000 (lokales Netz) an eine Steuereinrichtung 3000 angeschlossen, die nachfolgend auch als Energiemanagement beschrieben wird. Dieses ist wiederum mit einem übergeordneten Versorgungsnetz 4000 verbunden; (siehe 1 und 6).
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Die Ladesäulen 1000 und die Fahrzeuge auf den Stellplätzen 0000 sind sowohl elektrisch als auch über Kommunikationsleitungen verbunden. Ebenso besteht das Verbindungsnetz 2000 innerhalb der Tankstelle aus einem Stromnetz 2100 und einem Kommunikationsnetz 2200, die mit Strom- 3100 und Kommunikationskomponenten 3200 im Energiemanagement 3000 verbunden sind. Als übergeordnetes Versorgungsnetz 4000 wird ein klassisches konventionelles Stromnetz angenommen. Ein Smart-Grid (wie oben erläutert) als Versorgungsnetz 4000 ist für diese Erfindung möglich, wird aber nicht voraus gesetzt.
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Für die Kommunikation zwischen Fahrzeug 0200 und Ladesäule 1200 kann beispielsweise ein leitungsgebunden oder drahtlos transportiertes IP-Protokoll verwendet werden. Zusätzlich kann das Fahrzeug über eine eigene WLAN- oder Mobilfunk-Zelle oder eine Form von Near Field Communication (NFC) mit dem Mobiltelefon, Smartphone oder sonstigem mobilem kommunikationsfähigen Computer des Fahrers kommunizieren, auf dass dieses wiederum über ein Netzwerk mit der Ladestation kommuniziert. Dabei kann es möglich oder erforderlich sein, dass der Fahrer in diese Kommunikation einbezogen ist, beispielsweise, indem er Informationen in den Rechner eingibt, die Steuerparameter darstellen oder aus denn Steuerparameter ermittelt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann dies über Tasten, Touchscreens, Stifteingaben, Spracheingaben, Gestikerkennung, eine eingebaute oder angeschlossene Kamera oder weitere Methoden geschehen.
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Diese Kommunikation dient insbesondere dazu, das Fahrzeug gegenüber der Tanksäule zu identifizieren (Authentification) und zu berechtigen (Authorisation) sowie als Grundlage für die zugehörige Abrechnung (Accounting); diese drei Funktionen werden im Folgenden auch in dem Begriff AAA zusammengefasst. Dementsprechend beinhaltet die Komponente des Energiemanagements 3000 einen integrierten AAA-Server 3310 als Teil ihrer internen Informationssysteme 3300. Im vorliegenden Beispiel werden insbesondere das Fahrzeug und der Fahrer identifiziert, und es wird der Ladezustand der Batterie (State of Charge) sowie der Bedarf für das Tanken übermittelt. Dazu wird auf der Kommunikationseinrichtung des Fahrzeuges oder dem Smartphone des Fahrers eine Anwendung oder Applikation geladen, die zur Kommunikation mit der intelligenten Stromtankstelle dient. Diese Anwendungen nennen wir Tank-App.
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Über die Kommunikation zwischen Fahrer, Fahrzeug und intelligenter Stromtankstelle wird der Ladebedarf übermittelt. Diese Information kann eine konkrete Regel darstellen:
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Volltanken bis 19:00.
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Aufgrund der Identifikation des Fahrers kann dieser in einer Fahrer-Datenbank mit einem Profil hinterlegt sein. Dieses Profil kann die Struktur haben
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Auf mindestens 25% laden
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Wenn Batterie mehr als 75% geladen, dann können maximal 20% rückgespeist werden.
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Diese Informationen können interaktiv zum Beginn des Ladevorganges ausgetauscht werden oder, wenn die Stromtankstelle direkt oder indirekt über die Tank-App mit dem Energie- oder Batteriemanagement des Fahrzeuges kommunizieren kann, automatisch auf Basis hinterlegter Regeln durchgeführt werden.
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Neben den elektrischen Einrichtungen, den Tanksäulen und dem internen Kommunikationsnetz verfügt die intelligente Stromtankstelle über ein intelligentes Managementsystem für die Durchführung und Abrechnung der Betankung (Accounting). Dieses System verfügt über eine IP-Anbindung an ein Mobilfunknetz oder ein (W)LAN-Netz des Anbieters, sodass der Fahrer mit der Tankstelle kommunizieren kann, sowie einer Spracherkennung und -verarbeitung oder einer entsprechenden Web-Anwendung zur Interaktion mit dem User. Die Stromtankstelle besitzt ein AAA-System zur Identifizierung und Autorisierung, sowie einer Datenbasis, in welcher die Fahrer und ihre Profile gespeichert sind. In der Datenbank sind Kenndaten der registrierten Fahrzeuge wie die Kapazität der Batterie und deren Kennlinien hinterlegt. Zentral für das Managementsystem ist das Energie-Managementsystem das wir im Folgenden näher beschreiben.
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Oben wurde beschrieben, wie die Informationen zum Beginn des Tankvorganges übertragen werden. Das Energiemanagementsystem passt den aktuellen Energie- oder Leistungsbedarf der Tankstelle immer aufgrund der aktuellen Ladezustände der Batterien, die regelmäßig übertragen werden, an. Für den Fall, dass diese Information mangels Integration mit dem Onboard-Batteriemanagement nicht möglich ist, so werden die aktuellen Ladestände aufgrund der schon getankten Strommenge und des vom Fahrer mitgeteilten Anfangszustandes geschätzt.
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Der Gesamtprozess der Betankung:
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Der gesamte Prozess läuft ab, wie in dem nachfolgenden Ablaufschema dargestellt: Nach dem Eintreffen des Fahrzeuges auf dem Parkplatz erfolgt die Anmeldung und Autorisierung. Die Informationsintegration für den Fall, dass keine Ladesäule frei ist, ist hier nicht enthalten. Über eine Methode des Informationsaustausches werden Fahrzeug und Fahrer identifiziert. Als Übertragungsmethoden sind hier Spracherkennung und Texteingabe genannt, aber es sind auch weitere automatischen Übertragungsmethoden wie z. B. Integration mit Identifikation über Biometrie, Security Tokens über RFID, etc. möglich.
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Im Rahmen des oben beschriebenen Kommunikationsprozesses wird der Tankbedarf des Fahrzeuges ermittelt. Aufgrund dieser Information und der abgefragten Ladestände der angeschlossenen Fahrzeuge wird der neue aktuelle Gesamtbedarf der Tankstelle ermittelt. Als nächsten Schritt ermittelt das Energiemanagement bzw. die Steuereinrichtung 3000 mittels Optimierungsverfahren entsprechend des Stands der Technik einen neuen Energieverteilungsplan. Aus diesem Energieverteilungsplan ergeben sich die einzelnen Energiepakete für die einzelnen Tanksäulen und somit auch die Steuerparameter für die Schalteinrichtung zum Schalten und/oder Begrenzen des Stromes bzw. der Leistung.
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Die Erfindung geht grundsätzlich von der Situation aus, dass Energie nur in begrenzter Menge zur Verfügung steht. Die Gründe hierfür können nicht nur physikalischer Natur sein, wie zum Beispiel ein maximal möglicher Strom durch eine Sicherung, sondern können beispielsweise auch ökonomischer Natur sein. Dies drückt sich einerseits zum Beispiel in den begrenzten Anschlussleistungen der Tankstelle aus. Andererseits entstehen ökonomische Regelsysteme, die Energieverbrauch einschränken und planbar machen. In unserem Beispiel nehmen wir an, dass der Bezugspreis für Strom höher wird, wenn eine mit dem Energieversorgungsunternehmen tariflich festgelegte Leistungsschwelle überschritten wird, die im Übrigen auch zeitlich variieren kann.
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Damit hat der Tankstellenbetreiber auf der einen Seite das wirtschaftliche Interesse, dass ein durch diese Schwelle definiertes Profil nicht überschritten wird (weiterhin muss die Grenze der Absicherung eingehalten werden). Auf der anderen Seite sieht sich der Betreiber der Aufgabe gegenüber, den Bedarf der Nutzer möglichst optimal zu bedienen. Dazu ist eine Leistungssteuerung der einzelnen Tankanschlüsse, hier auch „Ladesäule” oder „Elektrotanksäule” genannt, notwendig.
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Wie in 6 dargestellt, verfügt ein solcher Tankanschluss oder Ladesäule neben elektrischen Anschlusseinrichtungen für die Autos über eine Schalteinrichtung 1120 (beispielsweise Leistungselektronik mit Thyristoren) zur An- und Abschaltung der Leistung (siehe 6 und 7). Das Leistungsventil (Schalteinrichtung) ist über die Steuereinheit 1200 mit dem Energiemanagementsystem der Tankstelle verbunden, über das die An- und Abschaltung gesteuert wird und entspricht der in Anspruch 15 definierten Schalteinrichtung. Die Säule verfügt über ein Smart-Meter (oder eine andere fernablesbare Messeinrichtung zur Leistungs- und Energiemessung), welches auch an das Energiemanagementsystem angeschlossen ist. Dieses übermittelt die über die Tankstelle an das Auto geflossene Energie und die übertragene Leistung.
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Ein einfaches Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit konkretisieren wir das Modell durch folgende Annahmen: Die Stromtankstelle habe 10 Stellplätze und 10 Stromsteckdosen mit 230 V Wechselstrom, abgesichert mit je 16 Ampere. Die Fahrzeuge sind alle vom gleichen Typ: Die Traktionsbatterie hat 16 kWh Kapazität. Eine leere Batterie lässt sich an einem Anschluss mit 200 V in 8 Stunden wieder voll aufladen. Nehmen wir an, dass die 10 Fahrzeuge ab 8:00 Uhr im Viertelstundentakt mit einem Batterieladestand (State of Charge – SoC) von 50% ankommen und geladen werden müssen. Der Ladevorgang dauert unter den genannten Randbedingungen dann jeweils 4 Stunden. Jedes Ladeintervall ist 4 Stunden lang und belädt ein Fahrzeug mit 8 kWh durch 200 Volt und 10 Ampere Anschlussleistung.
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Unter der Annahme, dass der Ladevorgang sofort einsetzt, wenn die Fahrzeuge angeschlossen werden, steigt die Anschlussleistung der Tankstelle solange mit jedem hinzukommenden Fahrzeug, bis die ersten Fahrzeuge vollständig geladen sind und die Anschlussleistung wieder sinkt. Sobald alle Fahrzeuge geladen sind ist die Ladeleistung wieder auf Null: Dargestellt durch die durchgezogene „Treppenlinie” in 3. Die Stromstärke, dargestellt durch die durchgezogene treppenförmige Linie, steigt auf einen Maximalwert, bis für die ersten Fahrzeuge die Vollladung erreicht ist; danach fällt sie stufenweise wieder ab bis alle Fahrzeuge geladen sind. Die Tarifschwelle des Szenarios wird dargestellt durch die horizontale gestrichelte Linie. Für das Intervall, in dem die Leistungsabnahme den Schwellwert überschreitet, ist der Bezugspreis für die gesamte Leistung oder den Leistungsanteil oberhalb der Schwelle erhöht.
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Weiterhin gehen wir davon aus, dass der Betreiber der Stromtankstelle ein Sondertarifkunde seines Versorgungsunternehmens ist. Damit steigt sein Bezugspreis pro kWh, wenn die Leistung innerhalb eines Bemessungsintervalls, typischerweise 15 Minuten, eine im Tarif festgelegte Leistung überschreitet. Wir betrachten den Fall, in dem das gleichzeitige Laden aller bereitstehenden Elektrofahrzeuge diese Tarifschwelle, dargestellt durch die gestrichelte horizontale Linie in 3, überschreitet. Dann gilt für das Zeitintervall der Überschreitung ein erhöhter Bezugspreis; entweder für die gesamte Leistung dieses Intervalls oder für den Leistungsanteil, der oberhalb der tariflichen Schwelle liegt.
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Die hier beschriebene Erfindung soll nun ein Verfahren und ein System zum intelligentem Betanken von Elektrofahrzeugen darstellen, sodass weitere Optimierungskriterien wie beispielsweise Harmonisierung des Lastganges oder Steuerung der Leistungskennlinie gemäß vorgegebener Betriebsvorgaben erreicht wird.
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Im Wesentlichen besteht das Verfahren darin, die Betankung der Fahrzeuge zeitlich zu entzerren. Damit wird nicht jedes Fahrzeug mit sofortiger Wirkung beladen, sondern erst dann, wenn ein intelligentes Energiemanagement den Ladevorgang aktiv einleitet, d. h. Strom auf den Ladeport schaltet. Es findet ein „Scheduling”/Time-Sharing, das heißt die Erstellung eines Energieverteilungsplanes im Sinne der Patentansprüche, statt. Die entstehenden Ladeintervalle zeigt 4, die resultierende Leistungskennlinie sieht man in 5.
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Nach wie vor werden alle Fahrzeuge bis zum Ende des vorgegebenen Zeitraumes geladen, aber der Grad der Gleichzeitigkeit wurde reduziert und die mit 6 bis 10 nummerierten Fahrzeuge erreichen erst später den Zustand der Vollladung als bei dem herkömmlichen Verfahren.
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Die integrale Leistung entspricht der des Falles ohne Energiemanagement, aber die Leistungskennlinie in 5 bleibt immer unter der als gestrichelte Linie dargestellten Tarifschwelle.
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Beispiel 2: Energieverteilungsplan
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In unserem Anwendungsbeispiel wurden am Anfang des dargestellten Prozesses Informationen zum Ladebedarf ausgetauscht. In einer Datenbank der „Tankstelle” können neben Benutzerinformationen auch Serviceprofile von Fahrzeugen mit Kennlinien und benutzer-spezifischen „Betankungsregeln” liegen. Zusätzlich kann es übergreifende globale Betankungsregeln geben, die im Energiemanagementsystem hinterlegt sind. Der Begriff „Tankstelle” wird hier im Gegensatz zur herkömmlichen Definition des Begriffes für Tankstellen so erweitert und verwendet das darunter die Vorrichtung, die zum Laden von Energiespeichern und zur Einspeisung von Energie aus den Energiespeichern in das Netz dient, verstanden wird. Lediglich die Energiespeicher müssen nicht zwingend elektrische Batterien sein, sondern können Energie auch in Form von gespanntem Gas (Druckluft) oder als kinetische Energie (Schwungrad) speichern, werden aber dennoch mit Hilfe elektrischer Energie geladen bzw. können Energie in Form von elektrischer Energie einspeisen.
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Das Energiemanagementsystem hat jetzt die Aufgabe, für jede an ein Auto angeschlossene „Tanksäule” den Zustand des Leistungsventils/Schaltelements für das Zeitintervall [t, t + d] zu bestimmen. Für jedes neue Zeitintervall wird aufgrund der Messungen oder Schätzungen sowie der Neueinbuchungen von Bedarf ein aktueller Bedarf ermittelt. Übersteigt der Gesamtbedarf nicht das Sollprofil, so sind für das nächste Intervall alle Leistungsventile/Schalteinrichtung offen und alle Autos werden betankt.
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Betrachten wir im Folgenden anhand eines Beispieles, wie aus den gemeldeten Tankwünschen der angemeldeten Fahrzeuge der Bedarf und mittels eines Optimierungsverfahren der „Betankungsplan” (= Energieverteilungsplan) erstellt wird. Die Optimierung kann mit beliebigen Verfahren, Zielfunktionen, Randbedingungen durchgeführt werden und ist Stand der Technik.
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In diesem Beispiel gehen wir davon aus, dass folgende Fahrzeuge an einer Tankstelle auf einem Firmenparkplatz mit den folgenden quantitativen Anforderungen betankt werden sollen:
| 8:00 Uhr |
| Säule: | Kapazität | Bedarf | Ladezustand |
| 1 | 20 kWh | 20 kWh | 0% |
| 2 | 40 kWh | 30 kWh | 25% |
| 3 | 60 kWh | 20 kWh | 67% |
| 4 | 60 kWh | 40 kWh | 33% |
| 5 | 60 kWh | 60 kWh | 0% |
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Der Gesamtbedarf liegt bei 170 kWh. Wir gehen davon aus das jede Säule für eine Leistung von 10 kW ausgelegt ist. Dasselbe gilt auch für die Batterien in unserer Annahme. In unserem Beispiel gehen wir davon aus, dass die gesamte Tankstelle nur für 40 kW ausgelegt ist. Sind alle Autos angeschlossen so wird die Absicherung überschritten. Weiter gehen wir davon aus, dass die Mitarbeiter feste Arbeitszeiten haben und alle um 8:00 Uhr kommen und um 18:00 Uhr den Parkplatz verlassen. Während dieser Zeit kann die Tankstelle eine Gesamt-Energiemenge von 400 kWh zur Verfügung stellen und ist somit für den Bedarf ausreichend.
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Die Fahrzeuge müssen also zeitversetzt oder zeitlich entzerrt betankt werden. Dies ist die Aufgabe des Energiemanagementsystems. Wie besprochen gibt es globale Regeln. Zum Beispiel könnte eine solche Regel lauten: Autos mit geringem Ladezustand werden bevorzugt betankt bis diese einen gemessenen oder geschätzten Ladezustand von zum Beispiel 50% haben. Sind alle Autos zu 50% betankt, so werden diejenigen Autos die am längsten gewartet haben (alternativ, diejenigen mit der geringsten absoluten Kapazität) bis 75% betankt.
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Aufgrund dieser Regel wird nun wie folgt vorgegangen: Als erstes werden die Mengen bestimmt, um die Mindestgrenze zu erfüllen. Wir betrachten jeweils 1 Stunde als Intervall beginnend ab 8:00 Uhr. In unserem Beispiel bedeutet das, dass die Autos 1, 2, 4 und 5 betankt werden; jeweils mit 10 kW Leistung für eine Zeitdauer von 1 h: Insgesamt 40 kWh wurden geladen. Um 9:00 Uhr sieht die Situation folgendermaßen aus:
| 9:00 Uhr |
| Säule: | Kapazität | Bedarf | Ladezustand |
| 1 | 20 kWh | 10 kWh | 50% |
| 2 | 40 kWh | 20 kWh | 50% |
| 3 | 60 kWh | 20 kWh | 67% |
| 4 | 60 kWh | 30 kWh | 50% |
| 5 | 60 kWh | 50 kWh | 17% |
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Nun wird Fahrzeug 5 weiterhin geladen, da sein Ladezustand unter 50% liegt. Da es genau drei Kandidaten mit 50% gibt, ist kein Auswahlprozess über die Standzeit erforderlich. Wieder sind die Ventile (Leistungsschalter) der Fahrzeuge 1, 2, 4 und 5 offen und es fließen jeweils 10 kWh in die Batterien.
| 10:00 Uhr |
| Säule: | Kapazität | Bedarf | Ladezustand |
| 1 | 20 kWh | 0 kWh | 100% |
| 2 | 40 kWh | 10 kWh | 75% |
| 3 | 60 kWh | 20 kWh | 67% |
| 4 | 60 kWh | 20 kWh | 67% |
| 5 | 60 kWh | 40 kWh | 33% |
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Da das Auto 1 nun geladen ist können die restlichen vollgetankt werden. Optional erhält der Fahrer des Autos Nr. 1 eine Meldung auf sein Handy, beispielsweise per SMS oder über die o. g. Tank-App, dass sein Auto betankt ist und dass er es Parken kann (unter der Annahme, dass nicht jeder Parkplatz eines Elektrofahrzeuges mit einem Ladeport ausgestattet und keine Rückspeisung avisiert ist).
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Verallgemeinert man dies, so wird für in festen Intervallen wie oben beschrieben ein Bedarfsplan für die zu betankenden Fahrzeuge erstellt. Unter vorgebbaren Regeln wird dann gemäß vorgebbarer Optimierungsfunktionen für den jeweiligen Zeitpunkt oder Intervall ein Plan für die Zustände der Leistungsventile der Tanksäulen erstellt.
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Berücksichtigt man bei der Erstellung des Bedarfsplanes noch die Kennlinien der Batterien, so erhält man die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme vom bereits vorliegenden Ladezustand und kann so die über die Zeit zur Verfügung stehende Leistung effizienter einsetzen.
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Vorzeitiger Abbruch
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Zur vollständigen Beschreibung betrachten wir noch den Fall, dass während des Tankvorganges „der Stecker gezogen wird”, der Ladevorgang auf sonstige Weise manuell unterbrochen wird oder dass die Batterie vor dem errechneten Zeitpunk voll ist und das Onboard-Batteriemanagement abschaltet. Wie oben beschrieben verfügt jede Tanksäule über eine Leistungsmessung. Diese übermittelt kontinuierlich oder periodisch die Leistung, welche an die Batterie übertragen wird. Ist die gemessene Leistung für ein definiertes Zeitintervall Null, so geht das Energiemanagement davon aus, dass kein Ladevorgang mehr durchgeführt wird und stößt eine Aktualisierung des Bedarfs und der Berechnung eines neuen Energieverteilungsplan an. Verfügt das Fahrzeug über die Möglichkeit, automatisch den Ladezustand seiner Batterie an das Energiemanagement 3000 zu übermitteln, so wird dieser in definierten Zeitabständen übertragen. Das Energiemanagement gleicht den Ladezustand der Batterie mit dem theoretischen Zustand gemäß Energieverteilungsplan ab. Für den Fall einer Abweichung (dass beispielsweise die Batterie laut Energieverteilungsplans voll sein sollte, dies aber nicht dem gemessenen Ladezustand entspricht), wird ein neuer Energieverteilungsplan berechnet. Dadurch wird die fehlende Menge nachgetankt.
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Geo-Lokalisierung und proaktives Energiemanagement
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Über die Onboard-Kommunikationseinrichtung des Fahrzeuges oder das Smartphone des Fahrers kann das Fahrzeug per GPS oder Gallileo oder die Funk- oder WLAN-Zelle oder einen anderen Location Based Service lokalisiert werden. Die oben genannte Tank-App kann mittels der Lokalisierung erkennen, wenn sich das Fahrzeug der Tankstelle nähert. Durch Kommunikation zwischen Ladestand und Ladebedarf des Fahrzeuges mit der Information, ob die Tankstelle über freie Stellplätze und/oder Ladekapazitäten verfügt, kann sie ein prognostisches Energiemanagement durchführen. Insbesondere kann sie dem Fahrer eines noch nicht angeschlossenen Fahrzeuges mitteilen, ob eine Ladesäule frei ist oder wann eine frei wird. Der Ladezustand sowie der Energiebedarf des avisierten Fahrzeuges werden kann im Energiemanagement der Tankstelle gespeichert und dort in die aktuelle Energie- und Leistungsbedarfsplanung für alle an die Tankstelle angeschlossenen Fahrzeuge aufgenommen.
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Einspeisung
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8 zeigt eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein sogenanntes „Smart Grid” (intelligentes Stromnetz). Bei dieser Ausgestaltung kann das Versorgungsnetz auch die Rolle eines Verbrauchers annehmen, und die Energieverbraucher bzw. Energiespeicher bei einem lokalen Verbraucher können die Rolle eines Versorgers annehmen. Zwar wird im Allgemeinen auch bei einem Smart Grid der Energiefluss überwiegend von einem elektrischen Energieerzeuger (beispielsweise einem Kraftwerk) zu den an das Netz angeschlossenen Verbrauchern erfolgen, jedoch kann in besonderen Situationen einer der „Verbraucher”, beispielsweise eine Pufferbatterie in einem Privathaus oder einem Industrieunternehmen, oder auch eine die Batterie eines oder mehrer Elektrofahrzeuge, die Rolle eines Energieversorgers übernehmen, wenn beispielsweise ein Kraftwerk ausfällt oder eine Überlastung droht oder das Kraftwerk nicht den aktuellen Bedarf decken kann. Manche Kraftwerke, wie zum Beispiel Pumpspeicherwerke, sind sogar ausdrücklich dafür ausgelegt, sowohl als Energieerzeuger und -Lieferant als auch als Energieverbraucher zur Zwischenspeicherung überschüssiger elektrischer Energie zu fungieren. Wenn also beispielsweise in einem lokalen Bereich (beispielsweise einer „Elektro-Tankstelle”) mehrere geladene Fahrzeugbatterien ausreichend oder voll geladen sind, ohne dass die Fahrzeuge aktuell oder in absehbarer Zeit benötigt werden, gleichzeitig jedoch an anderer Stelle aktuell eine größerer Strom- bzw. Energiebedarf besteht als er durch das zugeordnete Kraftwerk des Versorgungsnetzes gedeckt werden kann, so ist es in einem solchen System möglich, zusätzlichen Strom von einem lokalen Netz („Elektro-Tankstelle”) in das Versorgungsnetz zurück zu liefern, um den entsprechenden Bedarf zu decken. Es werden daher die Rollen von lokalem (Verbrauchs-)Netz und übergeordnetem (Versorgungs-)Netz getauscht. Daher wird ein solches System auch als „symmetrisches Netz” bezeichnet.
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8 zeigt die vier typischen Ausprägungsformen angeschlossener Vorrichtungen, die sowohl Erzeuger als auch Verbraucher darstellen: Elektrofahrzeuge können ihre lokalen Traktionsbatterien laden und im Falle der sog. fortgeschrittenen Netzintegration die gespeicherte Energie auch wieder rückspeisen. Optionale elektrische Eigenproduktion der Elektro-Tankstelle, beispielsweise in Form einer Überdachung der Standplätze mit Photovoltaik liefert Energie, kann aber im Falle von „Rückheizung” zum Abtauen im Winter auch einen Energieverbraucher darstellen. Der lokale Energiespeicher der Tankstelle kann unabhängig von seiner Ausführungsform Energie liefern und abnehmen. Und das angeschlossene übergeordnete Versorgungsnetz kann in gleicher Form Strom liefern und abnehmen. – Es versteht sich, dass jede dieser Formen von Verbrauchern/Erzeugern mehrfach vorkommen kann, einschließlich des übergeordneten Netzes.
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Das Schema der 8 hat deshalb eine bezüglich „Verbraucher” und „Versorger” völlig symmetrische Grundform: Alle Anschlüsse 1000 zu den (externen) angeschlossenen elektrischen Vorrichtungen bzw. Anschlüsse 0000 sind von derselben Form: Jeder Anschluss 0000 kann sowohl Erzeuger als auch Verbraucher elektrischer Energie sein. Das Energiemanagement 3000 steuert und regelt die Einhaltung der einzelnen anschlussspezifischen Anforderungen sowie der Stabilitätsanforderungen des Gesamtsystems indem es über das lokale Kommunikationsnetz 2200 die Leistungsventile 1100 der Anschlüsse steuert und über das lokale Leistungsnetz die Energie zwischen den Ventilen transportiert.
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Die spezifischen Charakteristika und Anforderungen dieser Verbraucher/Erzeuger lassen sich über Steuerungsparameter ausdrücken; beispielsweise in Form von Regeln. Diese Regeln können sowohl technische als auch wirtschaftliche Steuerparameter ausdrücken, das ist von Verfahren und Vorrichtung gleichermaßen abgedeckt.
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Das Energiemanagement/Steuereinheit 3000 steuert über die Steuereinheiten 1200 die Leistungsventile/Schaltelemente 1100 in allen Anschlüssen 1000 derart, dass die Anforderungen aller angeschlossenen Vorrichtungen 0000 und die Anforderungen des Gesamtsystems (beispielsweise an Betriebsstabilität) erfüllt und gleichzeitig einer ebenfalls in Steuerparametern ausgedrückte Optimierungsfunktion entsprochen wird. Die Leistungsventile/Schaltelemente 1100 können beispielsweise als regelbare Stromrichter oder als steuerbare Relais-Schalter ausgeführt sein; die angemessene Ausführungsform folgt den Anforderungen des angeschlossenen Verbrauchers/Erzeugers 0000.
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Die Rückspeicherung von elektrischer Energie in das Versorgungsnetz wird nachstehend anhand eines Beispiels erläutert.
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Neben dem Fall der Betankung betrachten wir jetzt den Anwendungsfall, dass aus den Batterien der angeschlossenen Fahrzeugen elektrische Energie in das Versorgungsnetz zurück gespeist wird (sog. „fortgeschrittene Netzintegration” mit „Rückspeisung”) bzw. zur Betankung anderer angeschlossener Fahrzeuge verwendet wird. Für diesen Fall das aus den Energiespeichern Strom eingespeist wird, wird das an das lokale Netz angeschlossene Versorgungsnetz als Verbraucher angesehen.
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Im Rahmen der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Tankstelle kann über den Fahrer oder automatisch aufgrund hinterlegter Regeln („Policies”) festgelegt werden, unter welchen Bedingungen Energie aus der Batterie entnommen werden darf. Solche Kriterien können der Ladezustand der Batterie und die Einspeisevergütung sein. Aufgrund dieser Informationen und der Anforderungen des übergeordneten Versorgers wie Einspeisemenge und Einspeisevergütung, die zeitlich variieren können, ermittelt das Energiemanagementsystem oder die Steuereinrichtung, welches Fahrzeug wann und im welchem Umfang Energie einspeisen soll. Damit wird die zulässige Gesamtleistung die Netz fließen soll fest gelegt. Analog zum Lastgang wird der Versorger eine größere Einspeisung als die vertragliche vereinbarte mit wirtschaftlichen Auflagen versehen da diese zu Instabilität des Netzes führen können. Auch muss dafür Sorge getragen werden das die physikalischen Leistungsgrenzen des Netzes bei der Einspeisung nicht überschritten werden. Im Fall der Einspeisung wird das übergeordnete Versorgungsnetz ein Energieverbraucher an den Energie abgegeben wird. Analog zum Anwendungsfall der Betankung wird für den Einspeisungsfall wieder ein Energieverteilungsplan erstellt. Dieser legt fest wann welcher Energiespeicher wie lange welche Energie in das lokale Netz einspeisen kann. Dies erfolgt in der selben Art und Weise und mit dem selben Verfahren und der selben Vorrichtung wie bei dem Anwendungsfall des Ladens/Betankens unter den selben Kriterien. Ganz analog zum Betankungsfall werden bei der Erstellung des Energieverteilungsplanes verschiedene Rand- und Optimierungsbedingungen berücksichtigt. Diese können sein das ein angeschlossenes Fahrzeug in Abhängigkeit seines Ladezustandes und des Einspeisungspreises Energie zur Verfügung stellt.
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Betrachten wir noch den Fall, dass an einer Ladestation Energie eingespeist werden kann und an anderen Stationen Energiespeicher geladen werden sollen. Liegen die Bedingungen für eine Einspeisung vor, so wird dies im Energieverteilungsplan berücksichtigt und die Steuereinheit wird das Schaltelement der betreffenden Ladestation so schalten, dass die Energie in das lokale Netze eingespeist wird und eine entsprechend geringere Energie vom übergeordneten Versorgungsnetz zur Betankung der Fahrzeuge benötigt wird. Für den Fall, dass die im lokalen Netz eingespeiste Energie ausreicht um den Ladebedarf im lokalen Netz zu decken, wird das Schaltelement zum Versorgungsnetz dieses abschalten.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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