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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Ladesystems gemäß Anspruch 11.
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Aus der
WO 2012/055756 A1 ist ein Ladesystem mit einem Netzanschluss und mehreren über den Netzanschluss zu speisenden Ladeabgängen zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien von Elektrofahrzeugen bekannt.
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Dabei sind zwischen den Netzanschluss und den Ladeabgang üblicherweise ein Gleichrichter zum Gleichrichten des Netzstromes und ein Gleichstromsteller zur Einstellung der Höhe des Ladestromes geschaltet.
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Derartige Ladesysteme kommen beispielsweise für Parkplätze zur Anwendung und werden auch als „Satellitensysteme“ bezeichnet.
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Für derartige Ladesysteme steht häufig eine begrenzte Anschlussleistung P bezogen auf die nominal zum Laden der Fahrzeugbatterien zur Verfügung zu stellende Ladeleistung zur Verfügung. So sind üblicherweise der Netzanschluss oder dessen Zuleitung für eine Anschlussleistung P dimensioniert, während n Ladeabgänge jeweils eine Ladeleistung P’ von bis zu k·P/n (k > 1) abgeben sollen. Die über den Netzanschluss zugeführte Anschlussleistung P muss also auf die n Abgänge so aufgeteilt werden, dass in Summe die maximal aufgenommene Leistung P nicht überschritten wird, ohne aber den Leistungsbereich für jeden der n Abgänge auf weniger als k·P/n zu begrenzen.
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Beispielsweise kann bei einem Ladesystem mit n = 4 Ladeabgängen und k = 2 der Netzanschluss oder dessen Zuleitung für eine Anschlussleistung P = 200 kW dimensioniert sein, während die vier Ladeabgänge jeweils eine Ladeleistung von P’ = 2·200kW/4 = 100 kW abgeben sollen. Die über den Netzanschluss zugeführte Anschlussleistung P muss also auf die vier Abgänge so aufgeteilt werden, dass in Summe die maximal aufgenommene Leistung P nicht überschritten wird, ohne dass aber der Leistungsbereich für jeden der n = 4 Abgänge auf P/n = 50 kW begrenzt werden müsste.
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In diesem Beispiel könnte – wie in 1 gezeigt – für jeden Ladeabgang dann jeweils ein Gleichrichter der Leistung 2P/n und ein Gleichstromsteller der Leistung 2P/n vorgesehen werden. Die Gesamtanschlussleistung der installierten leistungselektronischen Komponenten (Gleichrichter, Gleichstromsteller) beträgt dann n·(2P/n + 2P/n) = 4P. Da aber nur die Anschlussleistung P an die Ladeabgänge abgegeben werden kann, liegt somit ständig eine installierte Leistung von 2P brach.
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Um den Hardwareaufwand zu reduzieren, kann netzseitig – wie in 2 dargestellt – anstatt jeweils eines Gleichrichters der Leistung 2P/n pro Ladeabgang ein für sämtliche Ladeabgänge gemeinsamer Gleichrichter (z.B. in Form eines Active Line Module) vorgesehen werden, der für die Leistung P ausgelegt ist. Die Gesamtanschlussleistung der installierten leistungselektronischen Komponenten (Gleichrichter, Gleichstromsteller) beträgt dann P + n·(2P/n) = 3P. Es liegt somit immer noch ständig eine installierte Leistung von P brach.
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Ausgehend hiervon soll bei einem eingangs erläuterten Ladesystem zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien die installierte Leistung weiter reduziert werden, ohne dass aber die Ladezeiten für die Fahrzeugbatterien hierdurch negativ beeinflusst werden. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Ladesystems angegeben werden.
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Die Lösung der auf das Ladesystem gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Ladesystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ladesystems sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10. Ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Ladesystems ist Gegenstand des Anspruchs 11. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 12.
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Ein erfindungsgemäßes Ladesystem umfasst einen Spannungsversorgungsanschluss, insbesondere Netzanschluss, der für eine Anschlussleistung P dimensioniert ist, eine Anzahl von m (m > 1) Gleichstromstellern und eine Anzahl von n (n > 1) Ladeabgängen zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien von Elektrofahrzeugen über den Spannungsversorgungsanschluss und die Gleichstromsteller, wobei die Anzahl m der Gleichstromsteller größer als die Anzahl n der Ladeabgänge ist und wobei zumindest einer der m Gleichstromsteller wahlweise an jeweils genau einen von mindestens 2 der n Ladeabgänge aufschaltbar ist.
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Das Ladesystem weist somit mehr Gleichstromsteller als Ladeabgänge auf. Zumindest einer der m Gleichstromsteller ist dabei nicht wie bisher nur einem einzigen der Ladeabgänge, sondern wahlweise an jeweils genau einen von mindestens 2, d.h. an zwei oder mehr, der n Ladeabgänge aufschaltbar. Dieser zumindest eine Gleichstromsteller kann somit je nach Leistungsanforderung an den Ladeabgängen dynamisch mehreren Ladeabgängen zugeschaltet werden. Aufgrund dieser dynamischen Nutzung für mehrere Ladeabgänge kann die gesamte installierte Leistung und damit auch die brachliegende installierte Leistung reduziert werden, wobei aber die für das Laden benötigte Leistung weiterhin zur Verfügung steht und somit die Ladezeiten für die Fahrzeugbatterien nicht negativ beeinflusst werden. An jeden der Ladeabgänge kann bzw. können dann wiederum jeweils mindestens ein, vorzugsweise zwei oder mehr, Gleichstromsteller aufschaltbar sein. Um elektrische Ausgleichsströme zwischen unterschiedlichen Ladabgängen zu vermeiden ist jedoch wichtig, dass ein Gleichstromsteller wahlweise an genau einen und nicht wahlweise an (gleichzeitig) mehrere der Ladeabgänge aufschaltbar ist. Dieses wahlweise Aufschalten auf genau einen von mindestens zwei der n Ladeabgänge, kann beispielsweise durch dem Fachmann geläufige Schalter- oder Schützkombinationen mit entsprechender gegenseitiger Verriegelung der Schalter bzw. Schütze oder durch Wechselschalter ermöglicht werden.
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Je größer dabei das Verhältnis m/n ist, umso kleiner kann die jeweilige Nennleistung der einzelnen Gleichstromsteller gewählt werden und umso dynamischer kann in dem Ladesystem die installierte Leistung den verschiedenen Ladeabgängen zugeordnet und umso mehr kann zum einen die installierte Leistung reduziert und zum anderen ein Brachliegen der installierten Leistung verhindert werden. Beispielsweise können im Fall von n = 4 Ladeabgängen insgesamt m = 16 Gleichstromsteller vorhanden sein, die wahlweise an jeweils genau einen von zwei der vier Ladeabgänge aufschaltbar sind. Hierzu können die Gleichstromsteller in Gruppen zu jeweils vier Gleichstromstellern aufgeteilt sein, wobei die vier Gleichstromsteller einer ersten Gruppe wahlweise an den ersten oder zweiten Ladeabgang, die vier Gleichstromsteller einer zweiten Gruppe wahlweise an den zweiten oder dritten Ladeabgang, die vier Gleichstromsteller einer dritten Gruppe wahlweise an den dritten oder vierten Ladeabgang und die vier Gleichstromsteller einer vierten Gruppe wahlweise an den vierten oder ersten Ladeabgang aufschaltbar sind.
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Wenn die n Ladeabgänge jeweils eine Leistung von P’ = k·P/n, wobei k eine ganze Zahl größer 0 ist, bereitzustellen haben, dann kann die installierte Leistung besonders stark reduziert werden, wenn m = (P/P’)·n·k Gleichstromsteller mit jeweils einer Leistung von p = 1 bis 1,5·P/m vorhanden sind. Eine minimale installierte Leistung ist möglich, wenn m = (P/P’)·n·k Gleichstromsteller mit jeweils einer Leistung von genau P/m vorhanden sind. In diesem Fall beträgt die für die Gleichstromsteller installierte Leistung m·P/m = P. Es ist somit ein Betrieb möglich, bei dem keine installierte Leistung brachliegt.
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Wenn die n Ladeabgänge jeweils eine Leistung von P’ = k·P/n, wobei k eine ganze Zahl größer 0 ist, bereitzustellen haben, und dagegen mindestens m = (P/P’)·n·k + n Gleichstromsteller mit jeweils einer Leistung von mindestens p = P/[(P/P’)·n·k]= P’/n·k vorhanden sind, kann zwar die installierte Leistung nicht ganz auf die minimale Leistung reduziert werden, aber dafür besteht die Möglichkeit einer regelungstechnischen Optimierung, da für jeden Ladeabgang jeweils ein Gleichstromsteller als „Reserve“ zur Verfügung steht, der ohne Notwendigkeit einer Reduzierung der Ausgangsleistung des Ladeabgangs einem anderen Ladeabgang aufgeschaltet werden kann.
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Gemäß einer schaltungs- und steuerungstechnisch einfachen Ausgestaltung des Ladesystems ist k = 2, d.h. jeder der Gleichstromsteller ist wahlweise an jeweils genau einen von zwei der n Ladeabgänge aufschaltbar. Die Aufschaltung eines Gleichstromstellers auf genau einen dieser k = 2 Ladeabgänge kann dann besonders einfach über einen Wechselschalter erfolgen.
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Eine schaltungstechnisch mit geringem Aufwand realisierbare Speisung der Gleichstromsteller ist dadurch möglich, dass die Gleichstromsteller eingangsseitig mit einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind.
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Zur Versorgung des Ladesystems aus einem Wechselspannungsnetz weist das Ladesystem bevorzugt einen Gleichrichter auf, der eingangsseitig mit dem Spannungsversorgungsanschluss verbunden ist und ausgangsseitig einen Gleichstrom erzeugt, den er in den Gleichspannungszwischenkreis einspeist.
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Zur Erzielung einer minimal installierten Leistung ist der Gleichrichter vorzugsweise für die Anschlussleistung P dimensioniert.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Ladesystem eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie die Gleichstromsteller in Abhängigkeit von Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen derart den Ladeabgängen aufschaltet, dass Ladezeiten der Fahrzeugbatterien in Summe optimiert sind. Ein Optimum der Summe der Ladezeiten kann beispielsweise in einem möglichst schnellen Nacheinanderladen der Fahrzeugbatterien oder einem möglichst schnellen gleichzeitigen Laden der Fahrzeugbatterien bestehen.
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Für eine derartige Optimierung der Ladezeiten ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die Gleichstromsteller in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen derart den Ladeabgängen aufschaltet, dass das Ladesystem möglichst immer die Anschlussleistung P, d.h. die maximal beziehbare Leistung, über den Spannungsversorgungsanschluss bezieht.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines vorstehend beschriebenen Ladesystems werden die Gleichstromsteller in Abhängigkeit von Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen derart den Ladeabgängen aufgeschaltet, dass Ladezeiten von zu ladenden Fahrzeugbatterien in Summe optimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Gleichstromsteller hierzu in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen derart den Ladeabgängen aufgeschaltet, dass möglichst immer die Anschlussleistung P, d.h. die maximale beziehbare Leistung, über den Spannungsversorgungsanschluss bezogen wird.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
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1 ein erstes Ladesystem gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein zweites Ladesystem gemäß dem Stand der Technik,
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3 ein hinsichtlich der installierten Leistung optimiertes erfindungsgemäßes Ladesystem,
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4 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Speisung der Gleichstromsteller von 3 und
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5 ein regelungstechnisch optimiertes erfindungsgemäßes Ladesystem.
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1 zeigt ein bereits eingangs erläutertes aus dem Stand der Technik bekanntes Ladesystem 1 zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien 6 mit einem Spannungsversorgungsanschluss 2 zur Versorgung des Ladesystems 1 aus einem Wechselspannungsnetz 7 und n = 4 Ladeabgängen 5 zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeugbatterien 6 von Elektrofahrzeugen. Im Ausführungsbeispiel von 1 sind (wie auch in den weiteren Figuren) von oben gesehen nur an den ersten und den dritten Ladeabgang 5 Batterien 6 zum Laden angeschlossen. Dies ist aber nur beispielhaft, so können natürlich auch Batterien 6 an die anderen Ladeabgänge 5 zum Laden angeschlossen werden.
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Jeder der vier Ladeabgänge 5 wird hierbei über den Spannungsversorgungsanschluss 2 und über jeweils einen pro Ladeabgang zugeordneten Gleichrichter 3 mit einem nachgeschalteten Gleichstromsteller 4 aus dem Wechselspannungsnetz 7 gespeist. Der Spannungsversorgungsanschluss 2 ist für eine Anschlussleistung P = 200 kW dimensioniert. Jeder Ladeabgang 5 muss eine Leistung P’ = k·P/n bereitstellen. Für k = 2 sind folglich P’ = 2·P/4 = P/2 bereitzustellen. Somit muss jeder der Gleichrichter 3 und jeder der Gleichstromsteller 4 für eine Nennleistung von P’ = P/2 = 100 kW dimensioniert sein. Die Gesamtanschlussleistung n·(2P/n + 2P/n) der installierten leistungselektronischen Komponenten (Gleichrichter 3 und Gleichstromsteller 4) beträgt dann 800 kW. Da aber zu einem bestimmten Zeitpunkt nur maximal die Anschlussleistung P = 200 kW an die Ladeabgänge 5 abgegeben werden kann, liegt somit ständig eine installierte Leistung von 2·P = 400 kW brach.
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Um die installierte Leistung zu reduzieren, kann netzseitig – wie in 2 dargestellt – anstatt jeweils eines separaten Gleichrichters 3 pro Ladeabgang 5 ein für sämtliche Ladeabgänge 5 gemeinsamer Gleichrichter 3’, z.B. in Form eines aktiven Gleichrichtermoduls (Active Line Module), vorgesehen werden, der für eine Nennleistung in Höhe der Anschlussleistung von P = 200 kW ausgelegt ist. Die Gesamtanschlussleistung der installierten leistungselektronischen Komponenten (Gleichrichter 3’, Gleichstromsteller 4) beträgt dann P + n·(2P/n) = 3P = 600 kW. Es liegt somit immer noch ständig eine installierte Leistung von P = 200 kW brach.
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Bei einem in 3 dargestellten, hinsichtlich der installierten Leistung optimierten erfindungsgemäßen Ladesystem 1 haben die Ladeabgänge 5 für k = 2 ebenfalls eine Leistung P’ = k·P/n = 2·P/4 = P/2 bereitzustellen. Es sind jedoch im Unterschied zu dem Ladesystem von 2 insgesamt m = (P/P’)·n·k = 2·4·2 = 16 Gleichstromsteller 4’ mit jeweils einer Nennleistung von p = 1 bis 1,5·P/m, vorzugsweise genau p = P/m = 200kW/16 = 12,5 kW, vorhanden. Die Gleichstromsteller 4’ sind vorzugsweise als jeweils für sich selbstständig betreibbare Gleichstromstellermodule ausgebildet.
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Jeder der Gleichstromsteller 4’ ist wahlweise an jeweils genau einen von zwei der vier Ladeabgänge 5 aufschaltbar, d.h. jeder der Gleichstromsteller 4’ ist jeweils genau zwei Ladeabgängen 5 zugeordnet und kann mit diesen elektrisch verbunden werden, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur mit einem davon, nicht mit beiden Ladeabgängen 5 gleichzeitig. Umgekehrt sind an jeden der Ladeabgänge 5 jeweils m·k/n = 16·2/4 = 8 Gleichstromsteller 4’ anschließbar. Die Gleichstromsteller 4’ sind hierzu in Gruppen zu jeweils vier Gleichstromstellern 4’ aufgeteilt, wobei die vier Gleichstromsteller 4’ einer ersten Gruppe wahlweise an (in 3 von oben gesehen) den ersten oder zweiten Ladeabgang 5, die vier Gleichstromsteller 4’ einer zweiten Gruppe wahlweise an den zweiten oder dritten Ladeabgang 5, die vier Gleichstromsteller 4’ einer dritten Gruppe wahlweise an den dritten oder vierten Ladeabgang 5 und die vier Gleichstromsteller 4’ einer vierten Gruppe wahlweise an den vierten oder ersten Ladeabgang 5 aufschaltbar sind. Hierdurch können je nach Leistungsanforderung der Ladeabgänge 5 die Gleichstromsteller 4’ und somit die Ausgangsleistung dynamisch den jeweils zugeordneten Ladabgängen 5 zugeordnet werden.
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Durch den modularen Aufbau des Ladesystems 1 und die Möglichkeit der dynamischen Zuordnung der Gleichstromsteller 4’ zu mehreren Ladeabgängen 5 kann die installierte Leistung der Gleichstromsteller 4 reduziert werden. Um elektrische Ausgleichsströme zwischen unterschiedlichen Ladeabgängen 5 zu vermeiden ist jedoch wichtig, dass ein Gleichstromsteller 4’ zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einem einzigen und nicht gleichzeitig mehreren Ladeabgängen 5 aufgeschaltet ist. Die Aufschaltung eines Gleichstromstellers 4’ auf genau einen der zwei Ladeabgänge 5 erfolgt hierzu über jeweils einen dem Gleichstromsteller 4’ nachgeschalteten Wechselschalter 8.
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Die installierte Leistung kann dabei auf ein Minimum reduziert werden, wenn die Gleichstromsteller 4’ jeweils eine Nennleistung von P/m = 12,5 kW aufweisen und der Gleichrichter 3’ eine Nennleistung von P = 200 kW aufweist. In diesem Fall beträgt die für die Gleichstromsteller 4 installierte Leistung m·P/m = P und zusammen mit dem Gleichrichter 3 ergibt sich dann eine insgesamt installierte Leistung von 2P. Das Ladesystem 1 kann dann derart betrieben werden, dass keine installierte Leistung brach liegt.
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Das Ladesystem 1 umfasst hierzu eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 9, die derart ausgebildet ist, dass sie die Gleichstromsteller 4’ in Abhängigkeit von Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen 5 derart den Ladeabgängen 5 aufschaltet, dass Ladezeiten in Summe optimiert sind. Ein Optimum der Summe der Ladezeiten kann beispielsweise in einem möglichst schnellen Nacheinanderladen von Fahrzeugbatterien 6 oder einem möglichst schnellen gleichzeitigen Laden von Fahrzeugbatterien 6 bestehen.
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Für eine derartige Optimierung der Ladezeiten ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 9 bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die Gleichstromsteller 4 in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen an den Ladeabgängen 5 derart den Ladeabgängen 5 aufschaltet, dass das Ladesystem 1 möglichst immer die Anschlussleistung P, d.h. die maximal beziehbare Leistung, über den Spannungsversorgungsanschluss 2 bezieht.
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Eine schaltungstechnisch mit geringem Aufwand realisierbare Speisung der Gleichstromsteller 4’ ist gemäß 4 dadurch möglich, dass die Gleichstromsteller 4’ eingangsseitig mit einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 10 verbunden sind. Der Gleichrichter 3’ ist eingangsseitig mit dem Spannungsversorgungsanschluss 2 verbunden und erzeugt ausgangsseitig einen Gleichstrom, den er in den Gleichspannungszwischenkreis 10 einspeist.
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Wenn – wie in 5 dargestellt – dagegen mindestens m = (P/P’)·n·k + n = 20 Gleichstromsteller 4’ mit jeweils einer Leistung von mindestens, vorzugsweise genau, p = P/[(P/P’)·n·k] = P’/n·k = 12,5 kW vorhanden sind, ist zwar die installierte Leistung etwas höher als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, aber dafür besteht die Möglichkeit einer regelungstechnischen Optimierung, da für jeden Ladeabgang 5 jeweils ein Gleichstromsteller als „Reserve“ (siehe in 5 die mit „R“ bezeichneten Gleichstromsteller 4’) zur Verfügung steht, der ohne die Notwendigkeit der Reduzierung der Ausgangsleistung des Ladeabgangs um die volle Nennleistung eines Gleichstromstellers (hier p = 12,5 kW) einem anderen Ladeabgang 5 aufgeschaltet werden kann. Es sind dann an jeden der Ladeabgänge 5 jeweils m·k/n + 2 = 16·2/4 + 2 = 10 Gleichstromsteller 4’ anschließbar.
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Werden beispielsweise bei dem Ladesystem von 3 an einem ersten und an einem zweiten der Ladeabgänge 5 jeweils eine Fahrzeugbatterie 6 mit einer Leistung von 100 kW geladen und ist nun zusätzlich an einem dritten Ladeabgang 5 eine Fahrzeugbatterie mit einer Leistung von 5 kW zu laden, so muss nun entweder am ersten oder am zweiten Ladeabgang die Ladeleistung um die Nennleistung p = 12,5 kW eines der Gleichstromsteller 4’ reduziert werden. Bei dem Ladesystem 1 gemäß 5 kann dagegen einer der als „Reserve“ vorgehaltenen Gleichstromsteller 4’ des ersten oder zweiten Ladeabgangs für eine Ladung mit einer Leistung von 5 kW beim dritten Ladeabgang 5 genutzt werden, während die Ladeleistung am ersten und am zweiten Ladeabgang 5 nur regelungstechnisch auf 97,5 kW reduziert werden muss, um die Gesamtleistung insgesamt auf die Anschlussleistung von 200 kW zu begrenzen.
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Von großem Vorteil bei den in 3 bis 5 dargestellten Ladesystemen 1 ist, dass diese aufgrund ihres modularen Aufbaus, insbesondere auch bei Verwendung von für sich selbstständig betreibbaren Gleichstromstellermodulen als Gleichstromsteller, flexibel erweiterbar sind, d.h. es können flexibel zusätzliche Ladeabgänge und jeweils erforderliche Gleichstromsteller und nachgeschaltete Wechselschalter ergänzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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