DE102011011347A1 - Circuit-arrangement for use in electric charging station for charging battery of electric car, has energy storage device charged via direct-voltage of power supply and connected to battery of electric car in order to charge battery - Google Patents

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Abstract

The circuit-arrangement has an energy storage device (105) charged via direct-voltage that is provided from a power supply with respect to a rectifier circuit (104). The energy storage device is connected to a battery (101) of an electric car (102) in order to charge the battery. The energy storage device comprises cells (106-109) that are switched in series with one another and chargeable over the direct-voltage. The energy storage device consists of a flow battery or a redox flow battery, a lead-acid battery and a lithium battery. An independent claim is also included for a method for charging a battery of an electric car.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Aufladen mindestens einer Batterie, eine Stromtankstelle sowie ein Verfahren zum Aufladen mindestens einer Batterie eines Elektrofahrzeugs.The invention relates to a circuit for charging at least one battery, a charging station and a method for charging at least one battery of an electric vehicle.

Im Zuge einer wachsenden Elektromobilität wird es notwendig, Batterien in einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen möglichst schnell aufzuladen. Dies kann z. B. über ein dreiphasiges Wechselstrom- oder ein Gleichstromsystem erfolgen. Insbesondere können Stromtankstellen vorgesehen sein, an denen die Elektrofahrzeuge zumindest teilweise aufgeladen werden. Derartige Stromtankstellen beziehen den benötigten Strom beispielsweise aus einem öffentlichen Stromnetz.As electromobility grows, it becomes necessary to recharge batteries in a variety of electric vehicles as quickly as possible. This can be z. B. via a three-phase AC or a DC system. In particular, charging stations may be provided, at which the electric vehicles are at least partially charged. Such charging stations relate the required power, for example, from a public power grid.

Es sind sogenannte (Redox-)Flussbatterien oder Redox-Flow-Zellen bekannt. Bei derartigen Energiespeichern wird elektrische Energie in chemischen Verbindungen gespeichert, wobei die Reaktionspartner jeweils in einem Lösungsmittel vorliegen: zwei energiespeichernde Elektrolyte werden über zwei getrennte Kreisläufe bereitgestellt, zwischen denen über eine Membran ein Ionenaustausch erfolgen kann. Die Elektrolyte können in Behältern oder Tanks gelagert werden. Bei derartigen elektrochemischen Energiespeichern können Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden.So-called (redox) flow batteries or redox flow cells are known. In such energy storage electrical energy is stored in chemical compounds, the reactants are each present in a solvent: two energy-storing electrolytes are provided via two separate circuits, between which an ion exchange can take place via a membrane. The electrolytes can be stored in containers or tanks. In such electrochemical energy storage, the amount of energy and power can be scaled independently.

Die für das Schnellladen der Batterien vorzusehende Leistungselektronik ist aufgrund der hohen bereitzustellenden elektrischen Leistung teuer. Weiterhin entstehen beim Schnellladen Verluste, die sich insbesondere dadurch aufsummieren können, dass eine Vielzahl von Batterien mehrerer Elektrofahrzeuge gleichzeitig aufgeladen werden soll. Durch die beim Schnellladen erforderlichen hohen Leistungsspitzen kann das öffentliche Stromnetz erheblich belastet werden. Um die Versorgung für solche Lastspitzen sicherzustellen ist die Anbindung der Stromtankstelle entsprechend zu dimensionieren, was sich wiederum beträchtlich auf die Kosten auswirkt. Auch ist es von Nachteil, dass gerade der während der Lastspitzen bereitgestellte (sehr hohe) Strom teuer ist.The power electronics to be provided for fast charging of the batteries is expensive due to the high electrical power to be provided. Furthermore arise during fast charging losses that can be summed up in particular by the fact that a plurality of batteries of several electric vehicles to be charged at the same time. The high power peaks required for fast charging can considerably burden the public power grid. To ensure the supply for such load peaks, the connection of the charging station is to be dimensioned accordingly, which in turn has a considerable effect on the cost. It is also disadvantageous that the (very high) current provided during the load peaks is expensive.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung zu schaffen, Lastspitzen, die durch das Aufladen von Batterien von Elektronfahrzeugen für ein Stromnetz entstehen, abzumildern.The object of the invention is to avoid the above-mentioned disadvantages and in particular to provide a solution to mitigate load peaks caused by the charging of batteries of electric vehicles for a power grid.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved according to the features of the independent claims. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zum Aufladen einer Batterie angegeben

  • – mit einer Gleichrichterschaltung anhand derer aus einem Stromnetz eine Gleichspannung bereitstellbar ist,
  • – mit einem Energiespeicher,
  • – wobei der Energiespeicher über die Gleichspannung aufladbar ist und
  • – wobei mindestens eine Batterie eines Elektrofahrzeugs mit dem Energiespeicher verbindbar und über diesen Energiespeicher aufladbar ist.
To solve the problem, a circuit for charging a battery is specified
  • With a rectifier circuit on the basis of which a DC voltage can be provided from a power network,
  • With an energy store,
  • - Where the energy storage is charged via the DC voltage and
  • - Wherein at least one battery of an electric vehicle with the energy store can be connected and charged via this energy storage.

Hierbei ist es von Vorteil, dass durch die Pufferwirkung des Energiespeichers das Stromnetz deutlich gleichmäßiger belastet wird und insbesondere hohe Lastspitzen (und ggf. auch Lastsenken) weitgehend vermieden werden können.In this case, it is of advantage that the power supply network is significantly more uniformly loaded by the buffer effect of the energy store and, in particular, that high load peaks (and possibly also load sinks) can be largely avoided.

Eine Weiterbildung ist es, dass der Energiespeicher mehrere Zellen aufweist, die in Reihe geschaltet sind und über die Gleichspannung aufladbar sind.A further development is that the energy store has a plurality of cells which are connected in series and can be charged via the DC voltage.

Die Zellen können über Anschlüsse bzw. Leitungen verfügen, die einzeln oder in Kombination miteinander (z. B. unter Ausnutzung einer Reihenschaltung der Zellen) elektrische Energie zum Laden der mindestens einen Batterie bereitstellen. Insbesondere können diese Anschlüsse flexibel mit den Anschlüssen der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs verbunden werden.The cells may have leads that, individually or in combination with one another (eg, utilizing a series connection of the cells) provide electrical energy for charging the at least one battery. In particular, these connections can be flexibly connected to the terminals of the at least one battery of the electric vehicle.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass anhand der mehreren Zellen unterschiedliche Spannungen bereitstellbar sind, wobei je nach Ladezustand der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs und/oder je nach Batterietyp der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs eine passende Spannung zum Aufladen der mindestens einen Batterie bereitstellbar ist.Another development is that different voltages can be provided based on the plurality of cells, depending on the state of charge of the at least one battery of the electric vehicle and / or depending on the battery type of the at least one battery of the electric vehicle a suitable voltage for charging the at least one battery can be provided.

Vorteilhaft kann so auch die Spannung der Zellen zum Laden der mindestens einen Batterie genutzt werden.Advantageously, the voltage of the cells can thus be used to charge the at least one battery.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die eine benötigte Ladespannung der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs ermittelt und anhand der Zellen des Energiespeichers diese Ladespannung mit Anschlüssen der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs verbindet.In particular, it is a further development that a control unit is provided which determines a required charging voltage of the at least one battery of the electric vehicle and connects this charging voltage with terminals of the at least one battery of the electric vehicle based on the cells of the energy store.

Die Steuereinheit kann beispielsweise die Anschlüsse der Zellen einzeln oder in Kombination (z. B. eine Reihenschaltung mehrerer Zellen) mit den Anschlüssen der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs verbinden. Dies kann flexibel und dynamisch – z. B. abhängig von einer Ladefunktion oder einem Ladezustand der Batterie – erfolgen.The control unit may, for example, connect the terminals of the cells individually or in combination (eg a series connection of several cells) to the terminals of the at least one battery of the electric vehicle. This can be flexible and dynamic - eg. B. depending on a charging function or a state of charge of the battery - done.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Batterie des Elektrofahrzeugs über einen Wandler mit dem Energiespeicher verbindbar und von dem Energiespeicher aufladbar ist. It is also a development that the at least one battery of the electric vehicle can be connected to the energy store via a converter and can be charged by the energy store.

Vorzugsweise kann ein Wandler (z. B. ein Hochsetz- oder Tiefsetzsteller oder ein Stromwandler) vorgesehen sein, um die mindestens eine Zelle des Energiespeichers mit der Batterie des Elektrofahrzeugs zu verbinden. Dadurch kann einerseits eine Spannung zum Laden der Batterie (flexibel) angepasst werden, andererseits kann ein Ladestrom geregelt werden.Preferably, a converter (eg, a step-up or step-down converter or a current transformer) may be provided to connect the at least one cell of the energy store to the battery of the electric vehicle. As a result, on the one hand a voltage for charging the battery (flexible) can be adjusted, on the other hand, a charging current can be controlled.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Wandler mindestens umfasst:

  • – einen Hochsetzsteller;
  • – einen Tiefsetzsteller;
  • – einen Stromwandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler.
Furthermore, it is a development that the converter comprises at least:
  • A boost converter;
  • A buck converter;
  • - A current transformer, in particular a DC / DC converter.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung sind Batterien mehrerer Elektrofahrzeuge mit dem Energiespeicher verbindbar und über diesen Energiespeicher aufladbar.In the context of an additional development batteries of several electric vehicles can be connected to the energy storage and rechargeable via this energy storage.

Insbesondere können die Zellen des Energiespeichers anhand der vorstehend erwähnten Steuereinheit flexibel zum Laden (mit oder ohne Wandler) der mehreren Batterien der Elektrofahrzeuge verbunden werden.In particular, the cells of the energy storage device can be flexibly connected to charge (with or without converters) the multiple batteries of the electric vehicles by means of the above-mentioned control unit.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Energiespeicher mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

  • – eine Flussbatterie bzw. eine Redox-Flow-Batterie;
  • – einen Blei-Akku;
  • – eine Lithium-Batterie.
A next development is that the energy store comprises at least one of the following components:
  • A flow battery or a redox flow battery;
  • - a lead battery;
  • - a lithium battery.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass zumindest einen Teil der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie in das Stromnetz zurückspeisbar ist.Another development is that at least part of the electrical energy stored in the energy store can be fed back into the power grid.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Stromtankstelle zum Aufladen mindestens eines Elektrofahrzeugs umfassend mindestens eine der hierin beschriebenen Schaltungen.The above object is also achieved by a charging station for charging at least one electric vehicle comprising at least one of the circuits described herein.

Weiterhin wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst anhand eines Verfahrens zum Aufladen mindestens einer Batterie eines Elektrofahrzeugs

  • – bei dem ein Energiespeicher über eine aus einem Stromnetz gewonnene gleichgerichtete Spannung aufgeladen wird;
  • – bei dem die mindestens eine Batterie anhand der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie aufgeladen wird.
Furthermore, the object described above is achieved by means of a method for charging at least one battery of an electric vehicle
  • - In which an energy storage is charged via a rectified voltage obtained from a power grid;
  • - In which the at least one battery is charged based on the stored energy in the energy store.

Insbesondere kann die mindestens eine Batterie auch anhand der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie aufgeladen werden.In particular, the at least one battery can also be charged based on the energy stored in the energy store.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass

  • – ein Ladezustand der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs ermittelt wird und
  • – abhängig von dem ermittelten Ladezustand mindestens eine Zelle des Energiespeichers direkt oder über einen Wandler mit der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs verbunden wird.
A further development is that
  • - A state of charge of at least one battery of the electric vehicle is determined and
  • - Depending on the determined state of charge at least one cell of the energy storage device is connected directly or via a converter with the at least one battery of the electric vehicle.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.Embodiments of the invention are illustrated and explained below with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 ein schematisches Schaltbild zur (schnellen) Aufladung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs; 1 a schematic diagram for (fast) charging a battery of an electric vehicle;

2 ein schematisches Schaltbild zur (schnellen) Aufladung von Batterien mehrerer Elektrofahrzeuge. 2 a schematic diagram for the (fast) charging of batteries of several electric vehicles.

Die hier beispielhaft erwähnte Stromtankstelle kann eine örtliche Konzentration von Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge umfassen. Beispielsweise kann auch mindestens ein Anschluss zum Laden eines (oder mehrerer) Elektrofahrzeuge in diesem Sinne als Elektrotankstelle verstanden werden.The charging station exemplified here may include a local concentration of charging facilities for electric vehicles. For example, at least one connection for charging one (or more) electric vehicles in this sense can be understood as an electric filling station.

Bei dem Elektrofahrzeug kann es sich um jedwedes Fahrzeug handeln, das mindestens eine Batterie aufweist. Bei der Batterie handelt es sich um eine wiederaufladbare Batterie. Das Elektrofahrzeug kann ein Fahrzeug mit einem Elektromotor sein. Auch ist es möglich, dass das Elektrofahrzeug ein Hybridfahrzeug ist, das z. B. noch einen Verbrennungsmotor oder einen anderen Antrieb zusätzlich zu dem Elektromotor aufweist. Beispielsweise kann es sich bei dem Elektrofahrzeug um ein KFZ (Personen- oder Lastkraftwagen), Motorrad, Fahrrad, Roller, Bus, Schienenfahrzeug, Wasserfahrzeug (z. B. Boot), Flugzeug, etc. handeln.The electric vehicle may be any vehicle having at least one battery. The battery is a rechargeable battery. The electric vehicle may be a vehicle with an electric motor. It is also possible that the electric vehicle is a hybrid vehicle, the z. B. still has an internal combustion engine or another drive in addition to the electric motor. For example, the electric vehicle may be a motor vehicle (passenger or truck), motorcycle, bicycle, scooter, bus, rail vehicle, watercraft (eg, boat), aircraft, etc.

Es wird insbesondere eine Energieversorgung einer Stromtankstelle sowie eine Zwischenspeicherung von Energie für die Stromtankstelle wie folgt vorgeschlagen: Eine Netzwechselspannung aus einem Mittelspannungsnetz (in Europa z. B. 10.000 V) wird gleichgerichtet. Dies kann beispielsweise durch eine 3-Phasen Brückengleichrichtung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können andere Gleichrichtungskonzepte und/oder Wandler (z. B. Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller oder Kombinationen derselben) eingesetzt werden.In particular, an energy supply to a charging station and an intermediate storage of energy for the electricity charging station are proposed as follows: A mains alternating voltage from a medium-voltage network (in Europe, for example, 10,000 V) is rectified. This can be done for example by a 3-phase bridge rectification. Alternatively or additionally, other rectification concepts and / or converters (eg step-down converters, boost converters or combinations thereof) may be used.

Die Gleichspannung kann mit einer beliebigen Anzahl von Energiespeichern in Reihe geschaltet werden. Vorzugsweise stellen die Energiespeicher einzeln oder in Kombination miteinander (als z. B. mehrere in Reihe geschalteter Energiespeicher) eine Ladespannung zum Aufladen der Batterien der Elektrofahrzeuge bereit. Insbesondere kann so flexibel die Ladespannung für die Batterien der Elektrofahrzeuge bzw. für unterschiedliche Elektrofahrzeuge bzw. für unterschiedliche Ladezustände von Batterien der Elektrofahrzeuge genutzt werden. The DC voltage can be connected in series with any number of energy storage devices. Preferably, the energy stores, individually or in combination with one another (as, for example, a plurality of energy stores connected in series), provide a charging voltage for charging the batteries of the electric vehicles. In particular, the charging voltage for the batteries of the electric vehicles or for different electric vehicles or for different states of charge of batteries of the electric vehicles can be used as flexibly.

Die Energiespeicher können miteinander in Reihe geschaltet sein, wobei zwischen den Energiespeichern elektrische Abgriffe vorhanden sein können, so dass für die aufzuladenden Batterien der Elektrofahrzeuge die geeigneten Spannungen abgreifbar sind. Beispielsweise können diese abgegriffenen Spannungen über Wandler, z. B. über Gleichstrom-Wandler, Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller, etc. zum Laden der Batterien eingesetzt werden.The energy storage devices may be connected in series with one another, wherein electrical taps may be present between the energy storage devices so that the appropriate voltages can be tapped off for the batteries of the electric vehicles to be charged up. For example, these tapped voltages via converter, z. B. on DC converters, boost converter, buck converter, etc. are used to charge the batteries.

Hierbei sei angemerkt, dass der Energiespeicher mit einem geringen Strom aus dem Stromnetz z. B. gleichmäßig geladen werden kann und dass über den Energiespeicher Leistungsspitzen, die zum Schnelladen der Batterien der Elektrofahrzeuge benötigt werden, gepuffert werden können. So wirken diese Leistungsspitzen nicht unmittelbar auf das Stromnetz zurück, entsprechend muss ein Betreiber der Stromtankstelle nicht den sehr hohen Ladestrom direkt aus dem Stromnetz beziehen. Dadurch reduzieren sich die Kosten für den Strom aus dem Stromnetz. Weiterhin kann durch den Energiespeicher sichergestellt sein, dass die Stromtankstelle einen niedrigeren Maximalstrom aus dem Stromnetz bezieht, was eine effizientere und kostengünstigere Dimensionierung der Schnittstelle der Stromtankstelle zu dem Stromnetz ermöglicht; beispielsweise kann so der Gleichrichter für den niedrigeren Maximalstrom ausgelegt werden.It should be noted that the energy storage with a low power from the mains z. B. can be charged evenly and that over the energy storage power peaks that are needed to fast-charge the batteries of electric vehicles can be buffered. Thus, these power peaks do not directly affect the power grid, accordingly an operator of the charging station does not have to obtain the very high charging current directly from the power grid. This reduces the cost of electricity from the grid. Furthermore, can be ensured by the energy storage that the charging station obtains a lower maximum current from the power grid, which allows a more efficient and cost-effective dimensioning of the interface of the charging station to the power grid; For example, so the rectifier can be designed for the lower maximum current.

1 zeigt ein schematisches Schaltbild zur (schnellen) Aufladung einer Batterie 101 eines Elektrofahrzeugs 102. 1 shows a schematic diagram for (fast) charging a battery 101 an electric vehicle 102 ,

Ein dreiphasiger Wechselstrom 103 eines Stromnetzes wird über einen Gleichrichter 104 in einen Gleichstrom gewandelt und einem Energiespeicher 105 einer Stromtankstelle bereitgestellt.A three-phase alternating current 103 a power grid is connected via a rectifier 104 converted into a direct current and an energy storage 105 a charging station provided.

Der Gleichrichter kann ein Brückengleichrichter mit Dioden oder IGBTs sein. Es ist auch möglich, dass eine geregelte Gleichrichterschaltung eingesetzt wird; in diesem Fall können die Dioden durch Halbleiterschalter, z. B. Transistoren, Mosfets, Leistungsschalter, etc. ersetzt und entsprechend angesteuert werden.The rectifier can be a bridge rectifier with diodes or IGBTs. It is also possible that a regulated rectifier circuit is used; In this case, the diodes can be replaced by semiconductor switches, for. As transistors, mosfets, circuit breakers, etc. are replaced and controlled accordingly.

Der Energiespeicher 105 umfasst eine Vielzahl von Zellen 106 bis 109, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Hierbei sei angemerkt, dass der Energiespeicher beliebige Einheiten (hier bezeichnet als Zellen) aufweisen kann, z. B. elektrische und/oder elektro-chemische Speicher. Beispielhaft ist in 1 eine Kontaktierung des positiven und des negativen Anschlusses der Zelle 107 gezeigt, anhand derer die Zelle 107 über einen Wandler 110 (hier beispielhaft einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler) mit der Batterie 101 verbunden ist. Somit wird die elektrische Energie der Zelle 107 genutzt, um die Batterie 101 aufzuladen. Entsprechend kann für Batterien, die eine andere Ladespannung benötigen, eine andere der Zellen 106 bis 109 oder aber eine Reihenschaltung umfassend mindestens zwei der Zellen 106 bis 109 eingesetzt werden. Es kann eine Steuerschaltung vorgesehen sein, die die Anschlüsse der Zellen mit den Anschlüssen der Batterie 101 verbindet. Auch ist es möglich, dass anhand der Steuerschaltung die Zellen beliebig in Reihe geschaltet werden können, um eine geeignete Ladespannung für die Batterie 101 bereitzustellen. Auch ist es möglich, dass der Wandler 110 eine Hochsetz- und/oder Tiefsetzfunktionalität aufweist, so dass die Spannung für die Batterie 101 entsprechend einstellbar ist. Vorzugsweise kann anhand des Wandlers 110 und/oder der Steuereinheit ein Ladestrom für die Batterie 101 eingestellt werden. Beispielsweise kann der Ladestrom und/oder die Ladespannung während des Ladevorgangs der Batterie 101 verändert werden. So ist es möglich, dass unterschiedliche Schnellladefunktionen bereitgestellt werden können.The energy storage 105 includes a variety of cells 106 to 109 which are connected in series with each other. It should be noted that the energy storage may have any units (referred to herein as cells), for. As electrical and / or electro-chemical storage. Exemplary is in 1 a contacting of the positive and the negative terminal of the cell 107 shown by which the cell 107 over a converter 110 (Here, for example, a DC-DC converter) with the battery 101 connected is. Thus, the electrical energy of the cell 107 used to the battery 101 charge. Similarly, for batteries that require a different charging voltage, another one of the cells 106 to 109 or a series circuit comprising at least two of the cells 106 to 109 be used. There may be provided a control circuit connecting the terminals of the cells to the terminals of the battery 101 combines. It is also possible that, based on the control circuit, the cells can be connected as desired in series to a suitable charging voltage for the battery 101 provide. Also it is possible that the converter 110 has a boost and / or buck function, so that the voltage for the battery 101 is adjustable accordingly. Preferably, based on the converter 110 and / or the control unit, a charging current for the battery 101 be set. For example, the charging current and / or the charging voltage during the charging of the battery 101 to be changed. So it is possible that different fast charging functions can be provided.

Ergänzend sei angemerkt, dass das Laden des Energiespeichers 105 und das Laden der Batterie 101 des Elektrofahrzeugs 102 entkoppelt stattfinden kann, so dass vorzugsweise die für die Batterie 101 benötigte Leistung nicht auf das Stromnetz rückwirkt. Dies kann z. B. erreicht werden, indem der Ladekreis für den Energiespeicher 105 von dem Ladekreis für die Batterie 102 entkoppelt ist. Beispielsweise können unterschiedliche Ladezyklen bestimmt werden, während derer jeweils nur einer der Kreise aktiv geschaltet ist (dies kann z. B. mit elektronisch ansteuerbaren Schaltern realisiert werden). Alternativ kann auch eine andere elektronische Entkopplung der beiden Ladekreise erfolgen.In addition, it should be noted that the charging of the energy storage 105 and charging the battery 101 of the electric vehicle 102 can take place decoupled, so preferably that for the battery 101 required power does not affect the power grid. This can be z. B. can be achieved by the charging circuit for the energy storage 105 from the charging circuit for the battery 102 is decoupled. For example, different charging cycles can be determined during which only one of the circuits is in each case activated (this can be realized, for example, with switches which can be controlled electronically). Alternatively, another electronic decoupling of the two charging circuits can take place.

Benötigt die Batterie 101 beispielsweise eine Ladespannung von 400 V, so ergibt sich bei einem Ladestrom von 250 A eine Leistung von 100 kV. Diese Leistung kann für die Dauer des Schnellladevorgangs der Batterie 101 durch den Energiespeicher 105 gepuffert werden, so dass eine kurzfristig starke Belastung des Stromnetzes verhindert wird. Entsprechend können die Zellen 106 bis 109 des Energiespeichers 105 so dimensioniert werden, dass während der Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen die Lastspitzen weitgehend aus dem Energiespeicher 105 bereitgestellt werden und dieser mit vergleichsweise konstanter und geringer elektrischer Leistung aus dem Stromnetz geladen wird.Requires the battery 101 For example, a charging voltage of 400 V, so results in a charging current of 250 A, a power of 100 kV. This power can be used for the duration of the fast charging process of the battery 101 through the energy storage 105 be buffered, so that a short-term heavy load on the power grid is prevented. Accordingly, the cells can 106 to 109 of the energy store 105 be dimensioned so that during the charging of electric vehicles, the load peaks largely from the energy storage 105 be provided and this is charged with comparatively constant and low electrical power from the mains.

Hierbei sei angemerkt, dass der in 1 gezeigte Wandler 110 optional ist. Alternativ kann dieser entfallen.It should be noted that the in 1 shown converter 110 is optional. Alternatively, this can be omitted.

2 zeigt ein schematisches Schaltbild zur (schnellen) Aufladung von Batterien 201 bis 203, wobei jede der Batterien 201 bis 203 in einem Elektrofahrzeug 204 bis 206 angeordnet ist. 2 shows a schematic diagram for (fast) charging of batteries 201 to 203 where each of the batteries 201 to 203 in an electric vehicle 204 to 206 is arranged.

Ein dreiphasiger Wechselstrom 207 eines Stromnetzes wird über einen Gleichrichter 208 in einen Gleichstrom gewandelt und einem Energiespeicher 209 einer Stromtankstelle bereitgestellt.A three-phase alternating current 207 a power grid is connected via a rectifier 208 converted into a direct current and an energy storage 209 a charging station provided.

Der Gleichrichter 208 kann entsprechend den Ausführungen zu 1 unterschiedlich ausgestaltet sein. In Bezug auf die generelle Struktur und deren Funktion sei auch auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.The rectifier 208 can according to the comments too 1 be designed differently. With regard to the general structure and its function, reference should also be made to the explanatory notes to 1 directed.

Der Energiespeicher 209 umfasst eine Vielzahl von Zellen 210 bis 213, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Hierbei sei angemerkt, dass der Energiespeicher 209 beliebige Einheiten (hier bezeichnet als Zellen) aufweisen kann, z. B. elektrische und/oder elektro-chemische Speicher. Beispielhaft stellt die Zelle 210 eine Spannung U1 für die Batterie 201 des Elektrofahrzeugs 204 bereit, eine Reihenschaltung aus den Zellen 210 bis 211 stellt eine Spannung U2 für die Batterie 202 des Elektrofahrzeugs 205 bereit und eine Reihenschaltung umfassend die Zellen 212 bis 213 stellt eine Spannung U3 für die Batterie 203 des Elektrofahrzeugs 206 bereit.The energy storage 209 includes a variety of cells 210 to 213 which are connected in series with each other. It should be noted that the energy storage 209 may have any units (referred to herein as cells), for. As electrical and / or electro-chemical storage. The cell is an example 210 a voltage U1 for the battery 201 of the electric vehicle 204 ready, a series connection of the cells 210 to 211 provides a voltage U2 for the battery 202 of the electric vehicle 205 ready and a series circuit comprising the cells 212 to 213 sets a voltage U3 for the battery 203 of the electric vehicle 206 ready.

Zwischen den Zellen 210 bis 213 und den Batterien 201 bis 203 kann (optional) mindestens ein Strom- und/oder Spannungswandler angeordnet sein kann.Between the cells 210 to 213 and the batteries 201 to 203 can (optionally) at least one current and / or voltage converter can be arranged.

Ferner ist es eine Option, dass die Zellen 210 bis 213 einzeln oder in Kombination über ein Schaltnetzwerk dynamisch mit den Batterien 201 bis 203 verbunden werden können. Dies kann z. B. über steuerbare Verbindungen erreicht werden, indem z. B. eine Steuereinheit zunächst eine Spannung U3 zum Laden der Batterie 203 vorsieht und nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder abhängig von einem Ladezustand der Batterie 203 auf die Spannung U2 zur Versorgung der Batterie 203 umschaltet. Entsprechend können die Anschlussleitungen zwischen den Zellen 210 bis 213 und den jeweiligen Ladeanschlüssen der Batterie 203 umgeschaltet bzw. verbunden werden. Auch kann so eine flexible Ansteuerung der Ladeanschlüsse erfolgen, falls das Elektrofahrzeug 206 die Tankstelle verlässt und ein anderes Elektrofahrzeug dieselben Anschlüsse zum Laden verwendet.Further, it is an option that cells 210 to 213 individually or in combination via a switching network dynamically with the batteries 201 to 203 can be connected. This can be z. B. can be achieved via controllable connections by z. B. a control unit first a voltage U3 for charging the battery 203 provides and after a predetermined period of time or depending on a state of charge of the battery 203 to the voltage U2 to supply the battery 203 switches. Accordingly, the connection cables between the cells 210 to 213 and the respective charging terminals of the battery 203 be switched or connected. Also can be done as a flexible control of the charging ports, if the electric vehicle 206 the gas station leaves and another electric vehicle uses the same connections for charging.

Als Zellen der Energiespeicher 105, 209 können z. B. Flussbatterien (z. B. Redox-Flow) eingesetzt werden. So ist es möglich, den Aufwand zur Regelung der Zellen zu reduzieren, da Energiemenge und Leistung getrennt voneinander bereitgestellt werden können. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn Behälter (Tanks) z. B. im Boden der Stromtankstelle eingesetzt werden, um das Elektrolyt zum Speichern der elektrischen Energie aufzunehmen. Vorteilhaft ist es so möglich, existierende Tankstellen zumindest teilweise zu Stromtankstellen umzurüsten.As cells of energy storage 105 . 209 can z. B. flow batteries (eg., Redox flow) can be used. Thus, it is possible to reduce the effort to control the cells, since the amount of energy and power can be provided separately from each other. In particular, it is advantageous if containers (tanks) z. B. be used in the bottom of the charging station to receive the electrolyte for storing the electrical energy. Advantageously, it is possible to convert existing gas stations at least partially to charging stations.

Alternativ oder zusätzlich können als Zellen des Energiespeichers verwendet werden: Jede wiederaufladbare Batterie, z. B. Blei-Akkus, Lithium-Batterien.Alternatively or additionally, it is possible to use as cells of the energy store: any rechargeable battery, e.g. Lead-acid batteries, lithium batteries.

Die vorgestellte Lösung erlaubt es ferner, zumindest einen Teil der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie in das Stromnetz rückzuspeisen. Dadurch kann z. B. überschüssige elektrische Energie an einen Stromanbieter verkauft werden. Dies kann insbesondere bedarfsabhängig erfolgen: So kann beispielsweise eine Stromtankstelle elektrische Energie dem Stromanbieter bereitstellen, damit der Stromanbieter eine vorübergehende Lastspitze bewältigen kann.The proposed solution also makes it possible to feed back at least part of the electrical energy stored in the energy store into the power grid. As a result, z. B. excess electrical energy to be sold to an electricity supplier. This can in particular be demand-dependent: for example, a charging station can provide electrical energy to the electricity provider so that the electricity supplier can cope with a temporary load peak.

Der Betreiber der Stromtankstelle kann mit dem Stromanbieter bzw. Betreiber des Stromnetzes somit eine Abnahme als auch eine Abgabe elektrischer Leistung von dem bzw. an das Stromnetz vereinbaren. Hierzu kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, die den Gleichstrom entsprechend wandelt (z. B. in einen Wechselstrom zerhackt), damit die elektrische Energie in das Wechselstromnetz des Stromanbieters eingespeist werden kann.The operator of the charging station can thus agree with the electricity supplier or operator of the power grid a decrease as well as a delivery of electrical power from or to the power grid. For this purpose, a device can be provided which converts the direct current accordingly (eg, chops it into an alternating current) so that the electrical energy can be fed into the alternating current network of the electricity supplier.

Vorzugsweise ist die Stromtankstelle oberhalb eines vorgebbaren Leistungsschwellwerts, z. B. 1 MW, dimensioniert. In diesem Fall kann der Betreiber der Stromtankstelle direkt am Regelleistungsmarkt teilnehmen. Auch ist es möglich, dass sich mehrere Stromtankstellen zusammenschließen, um als ein virtuelles Kraftwerk gemeinsam geregelt zu werden bzw. am Regelleistungsmarkt teilzunehmen.Preferably, the charging station is above a predetermined power threshold, z. B. 1 MW, dimensioned. In this case, the charging station operator can participate directly in the reserve power market. It is also possible that several charging stations merge to be jointly regulated as a virtual power plant or participate in the reserve power market.

Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine kostengünstige und wirkungsgradoptimierte Ausführung eines Aufbaus von Stromtankstellen, die flexibel für Schnellladevorgänge mindestens eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden können. Aufgrund des vorgestellten Konzepts können unterschiedliche Spannungen zum Laden der Batterien der Elektrofahrzeuge bereitgestellt werden. Elektrische Energie kann direkt an der Stromtankstelle, z. B. mittels Flussbatterien, zwischengespeichert werden. Damit ist es möglich, die Energiespeicher der Tankstelle mit preisgünstigem Strom z. B. während Niedriglastphasen aufzuladen und den Strom zu Zeiten maximaler Belastung nicht (nur) aus dem Stromnetz, sondern (auch) aus den Energiespeichern der Stromtankstelle bereitzustellen. Der Ansatz ermöglicht die Zwischenspeicherung von volatilen Energien aus erneuerbaren Quellen. Ferner ist es möglich, eine effiziente Regelung bzw. Auslastung des Stromnetzes zu gewährleisten.The approach presented here allows a cost-effective and efficiency-optimized design of a structure of charging stations, which can be used flexibly for rapid charging of at least one electric vehicle. Due to the concept presented different voltages for charging the batteries of the electric vehicles can be provided. Electrical energy can be directly at the charging station, z. B. by means of flow batteries are cached. This makes it possible, the energy storage of the gas station with low-priced electricity z. B. to charge during periods of low load and the power at times of maximum load not (only) from the power grid, but (also) provide from the energy storage of the charging station. The approach allows the caching of volatile renewable energy sources. Furthermore, it is possible to ensure efficient regulation or utilization of the power grid.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101101
Batterie des Elektrofahrzeugs 102 Battery of the electric vehicle 102
102102
Elektrofahrzeugelectric vehicle
103103
Anschlüsse des Stromnetzes (dreiphasiger Wechselstrom)Power mains connections (three-phase alternating current)
104104
Gleichrichterrectifier
105105
Energiespeicherenergy storage
106–109106-109
Zellen des Energiespeichers 105 Cells of the energy store 105
110110
Wandler, z. B. StromwandlerConverter, z. B. current transformer
207207
Anschlüsse des Stromnetzes (dreiphasiger Wechselstrom)Power mains connections (three-phase alternating current)
208208
Gleichrichterrectifier
209209
Energiespeicherenergy storage
210–213210-213
Zellen des Energiespeichers 209 Cells of the energy store 209

Claims (12)

Schaltung zum Aufladen einer Batterie (101; 201203) – mit einer Gleichrichterschaltung (104; 208) anhand derer aus einem Stromnetz eine Gleichspannung bereitstellbar ist, – mit einem Energiespeicher (105; 209), – wobei der Energiespeicher (105; 209) über die Gleichspannung aufladbar ist und – wobei mindestens eine Batterie (101; 201203) eines Elektrofahrzeugs (102; 204206) mit dem Energiespeicher (105; 209) verbindbar und über diesen Energiespeicher (105; 209) aufladbar ist.Circuit for charging a battery ( 101 ; 201 - 203 ) - with a rectifier circuit ( 104 ; 208 ) by means of which a DC voltage can be supplied from a power grid, - with an energy store ( 105 ; 209 ), - wherein the energy store ( 105 ; 209 ) is chargeable via the DC voltage and - at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of an electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) with the energy store ( 105 ; 209 ) and via this energy storage ( 105 ; 209 ) is rechargeable. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Energiespeicher (105; 209) mehrere Zellen (106109; 210213) aufweist, die in Reihe geschaltet sind und über die Gleichspannung aufladbar sind.Circuit according to Claim 1, in which the energy store ( 105 ; 209 ) several cells ( 106 - 109 ; 210 - 213 ), which are connected in series and can be charged via the DC voltage. Schaltung nach Anspruch 2, bei der anhand der mehreren Zellen (106109; 210213) unterschiedliche Spannungen bereitstellbar sind, wobei je nach Ladezustand der mindestens einen Batterie (101; 201203) des Elektrofahrzeugs (102; 204206) und/oder je nach Batterietyp der mindestens einen Batterie (101; 201203) des Elektrofahrzeugs (102; 204206) eine passende Spannung zum Aufladen der mindestens einen Batterie (101; 201203) bereitstellbar ist.Circuit according to Claim 2, in which, on the basis of the plurality of cells ( 106 - 109 ; 210 - 213 ) different voltages can be provided, depending on the state of charge of the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of the electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) and / or depending on the battery type of the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of the electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) a suitable voltage for charging the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) is available. Schaltung nach Anspruch 3, bei der eine Steuereinheit vorgesehen ist, die eine benötigte Ladespannung der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs ermittelt und anhand der Zellen des Energiespeichers diese Ladespannung mit Anschlüssen der mindestens einen Batterie des Elektrofahrzeugs verbindet.A circuit according to claim 3, wherein a control unit is provided which determines a required charging voltage of the at least one battery of the electric vehicle and connects this charging voltage with terminals of the at least one battery of the electric vehicle based on the cells of the energy store. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Batterie (101) des Elektrofahrzeugs (102) über einen Wandler (110) mit dem Energiespeicher (105) verbindbar und von dem Energiespeicher (105) aufladbar ist.Circuit according to one of the preceding claims, in which the at least one battery ( 101 ) of the electric vehicle ( 102 ) via a transducer ( 110 ) with the energy store ( 105 ) connectable and from the energy storage ( 105 ) is rechargeable. Schaltung nach Anspruch 5, bei der der Wandler mindestens umfasst: – einen Hochsetzsteller; – einen Tiefsetzsteller; – einen Stromwandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler.The circuit of claim 5, wherein the converter comprises at least: A boost converter; A buck converter; - A current transformer, in particular a DC / DC converter. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Batterien (201203) mehrerer Elektrofahrzeuge (204206) mit dem Energiespeicher (209) verbindbar und über diesen Energiespeicher (209) aufladbar sind.Circuit according to one of the preceding claims, in which batteries ( 201 - 203 ) of several electric vehicles ( 204 - 206 ) with the energy store ( 209 ) and via this energy storage ( 209 ) are rechargeable. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Energiespeicher mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – eine Flussbatterie bzw. eine Redox-Flow-Batterie; – einen Blei-Akku; – eine Lithium-Batterie.Circuit according to one of the preceding claims, in which the energy store comprises at least one of the following components: A flow battery or a redox flow battery; - a lead battery; - a lithium battery. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einen Teil der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie in das Stromnetz zurückspeisbar ist.Circuit according to one of the preceding claims, in which at least a part of the electrical energy stored in the energy store can be fed back into the power grid. Stromtankstelle zum Aufladen mindestens eines Elektrofahrzeugs umfassend mindestens eine Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.Electricity charging station for charging at least one electric vehicle comprising at least one circuit according to one of claims 1 to 9. Verfahren zum Aufladen mindestens einer Batterie (101; 201203) eines Elektrofahrzeugs (102; 204206) – bei dem ein Energiespeicher (105; 209) über eine aus einem Stromnetz gewonnene gleichgerichtete Spannung aufgeladen wird; – bei dem die mindestens eine Batterie (101; 201203) anhand der in dem Energiespeicher (105; 209) gespeicherten elektrischen Energie aufgeladen wird.Method for charging at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of an electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) - in which an energy storage ( 105 ; 209 ) is charged via a rectified voltage obtained from a power grid; - where the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) based on in the energy storage ( 105 ; 209 ) stored electrical energy is charged. Verfahren nach Anspruch 11, – bei dem ein Ladezustand der mindestens einen Batterie (101; 201203) des Elektrofahrzeugs (102; 204206) ermittelt wird und – bei dem abhängig von dem ermittelten Ladezustand mindestens eine Zelle (106109; 210213) des Energiespeichers (105; 209) direkt oder über einen Wandler (110) mit der mindestens einen Batterie (101; 201203) des Elektrofahrzeugs (102; 204206) verbunden wird.Method according to claim 11, - in which a state of charge of the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of the electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) is determined and - in which depending on the determined state of charge at least one cell ( 106 - 109 ; 210 - 213 ) of the energy store ( 105 ; 209 ) directly or via a converter ( 110 ) with the at least one battery ( 101 ; 201 - 203 ) of the electric vehicle ( 102 ; 204 - 206 ) is connected.
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