DE102015202147A1

DE102015202147A1 - Multimodaler Energietransfer

Info

Publication number: DE102015202147A1
Application number: DE102015202147.5A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-11

Abstract

System (100) zum Laden eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (21), über eine mehrphasige Ladeschnittstelle (22), wobei das System eine mehrphasige Ladeeinheit (7; 7a–7c) umfasst, die als Gegenstück zur Verbindung mit einer gleichartig mehrphasigen Fahrzeugeinheit (20; 20a–20c) für einen Ladevorgang des Fahrzeugs geeignet ist, und wobei das System mehrere Energiequellen (1a–1e) und den Energiequellen eingangsseitig zugeordnete Energiekoppler (4a–4e) umfasst, wobei das System eine Kopplungseinheit (4f) zwischen den Ausgängen der Energiekoppler und der Ladeeinheit umfasst, und die Kopplungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine der mehreren Phasen der Ladeeinheit mit zumindest einem der Ausgänge der Energiekoppler zu verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Laden eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben des Systems.
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet des Energiemanagements eines Systems mehrerer elektrischer Energiequellen und/oder -senken, die als Energieteilnehmer bezeichnet werden. In dem System können Energieflüsse zwischen den elektrischen Energiequellen und/oder -senken stattfinden. Ein Beispiel für ein derartiges System stellt etwa ein Elektrofahrzeug dar, das mit mehreren außerhalb des Elektrofahrzeugs befindlichen Energiequellen und/oder -senken ein solches System bildet und einerseits jeweils von verschiedenen dieser Energiequellen geladen werden kann bzw. elektrische Energie an diverse Senken in dem System abgeben kann. Bestimmte Teilnehmer in dem System sind dazu in der Lage, sowohl als Energiequelle als auch als Energiesenke zu agieren. In einem Energiemanagementverfahren werden die Energieflüsse innerhalb des Systems nach spezifischen Kriterien gesteuert.
Der Stand der Technik zeigt derartige Systeme und entsprechende Verfahren unter anderem am Beispiel von Elektrofahrzeugen (siehe etwa die Druckschrift US 2012249065 AA ). Dabei werden verschiedene Lademodi in dem Energiemanagementverfahren zusammengefasst, wobei jeweils ein Lademodus den Energiefluss zwischen einer der mehreren Energiequellen und dem Elektrofahrzeug bezeichnet. Zwischen den Energiequellen und dem zu ladenden Elektrofahrzeug befindet sich ein Gleichstrombus. Der Stand der Technik beschreibt auch Multiplexing-Ansätze und Ladeplanungstools, um in einem System aus mehreren Energiequellen und einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen ein Gesamtoptimum an Ladeeffizienz in dem System zu erreichen, siehe etwa Chynoweth et al., „Smart Electric Vehicle Charging Infrastructure Overview", IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, 2014.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Weiterentwicklung eines solchen Systems und seines Energiemanagements zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das System eine mehrphasige Ladeeinheit zum Laden eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, über eine mehrphasige Ladeschnittstelle. Die Ladeeinheit ist als Gegenstück zur Verbindung mit einer gleichartig mehrphasigen Fahrzeugeinheit für einen Ladevorgang des Fahrzeugs geeignet. Das System umfasst zudem mehrere Energiequellen und diesen Energiequellen eingangsseitig zugeordnete Energiekoppler, wobei das System eine Kopplungseinheit zwischen den Ausgängen der Energiekoppler und der Ladeeinheit umfasst und die Kopplungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine der mehreren Phasen der Ladeeinheit mit zumindest einem der Ausgänge der Energiekoppler zu verbinden.
Das System weist also die einzelnen Energiequellen den Phasen der Ladeeinheit zu. Die Phasen der Ladeeinheit werden auch als Energiekanäle bezeichnet. Den einzelnen Phasen der Ladeeinheit ist jeweils eine Phase der Fahrzeugeinheit zugeordnet, die beim Laden des Fahrzeugs komplementäre Gegenstücke bilden. Vorzugsweise sind die Anzahl der Phasen der Ladeeinheit und die Anzahl der Phasen der Fahrzeugeinheit gleich. Die Kopplungseinheit kann also auch als Multiplexer verstanden werden, der Energiequellen auf Energiekanäle schalten kann. Daran ist besonders vorteilhaft, dass einzelne Phasen der Ladeeinheit diskret mit elektrischer Leistung einer Auswahl von bestimmten Energiequellen gespeist werden kann.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Energiekoppler bei Zuordnung zu einer Gleichstrom-Energiequelle als Gleichstrom-Gleichstrom-Steller und bei Zuordnung zu einer Wechselstrom-Energiequelle als Wechselstrom-Gleichstrom-Steller ausgeführt sind.
Auf diese Weise können verschiedenartige Quellen, d.h. sowohl Wechselstromquellen als auch Gleichstromquellen Verwendung finden, um das Fahrzeug über die Ladeeinheit mit Gleichspannung zum Zwecke des Ladens zu versorgen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfasst die Kopplungseinheit eine Anzahl von Schaltelementen, die dem Produkt aus der Anzahl der Energiequellen und der Anzahl der Phasen entspricht.
Dadurch ist gewährleistet dass jede Energiequelle über deren zugeordnetem Energiekoppler mit jeder Phase Ladeeinheit verbindbar ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jedes der Schaltelemente wahlweise als Halbleiterschalter oder als Relais oder als Transistor ausgeführt ist. Solche Schaltelemente zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit aus.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ladeeinheit als Ladestecker ausgeführt und die einzelnen Phasen sind als Pins in dem Ladestecker ausgeführt. Als Kopplungseinheit kann ein Multiplexer eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des beschriebenen Systems umfasst die Schritte:
Ermittlung eines Energiebedarfes und eines Leistungsbedarfes des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs,
Ermittlung einer elektrischen Leistungsfähigkeit jeder der Energiequellen,
Ermittlung der elektrischen Tragfähigkeit jedes der Energiekoppler,
Ermittlung einer Gesamtleistungsfähigkeit Systems,
Ermittlung der elektrischen Aufnahmefähigkeit der Phasen,
Ermittlung einer Gesamtaufnahmefähigkeit Systems,
Berechnung von Leistungsvorgabewerten für jeden Energiekoppler und Berechnung eines Verbindungszustandes der Kopplungseinheit,
Ansteuern der Energiekoppler zur Einstellung der Leistungsvorgabewerte und
Ansteuern der Kopplungseinheit zur Einstellung des Verbindungszustandes der Kopplungseinheit.
Das Verfahren dient also dazu, die Energiekanäle bzw. Phase der Ladeeinheit mit elektrischer Leistung bestimmte Energiequellen zu speisen und Leistung je Energiequelle vorzugeben. Im Ergebnis wird jede Phase mit elektrischer Leistung bekannter Höhe gespeist, wobei die elektrische Leistung je Phase auf zumindest eine oder mehrere der Energiequellen zurückgeht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Leistungsvorgabewerte und der Verbindungszustand der Kopplungseinheit anhand der Einhaltung von Anforderungskriterien berechnet und die Anforderungskriterien einzelnen Hierarchiestufen zugeordnet, wobei die Anforderungskriterien in der Reihenfolge abnehmender Hierarchie eingehalten werden.
Dies bedeutet, dass zunächst die Anforderungskriterien der höchsten Hierarchiestufe und im folgenden die Anforderungskriterien der weiteren untergeordneten Hierarchiestufe einzuhalten sind.
Beispielhafte Anforderungskriterien sind:
Maximale Auslastung der Energiequelle mit der höchsten elektrischen Leistungsfähigkeit,
maximale Auslastung der Phase mit der höchsten elektrischen Aufnahmefähigkeit,
maximale Auslastung der Energiequelle mit der preisgünstigsten Energieabgabe, und
maximale Auslastung einer bestimmten Energiequelle der mehreren Energiequellen.
Über die Zuordnung zu Hierarchiestufen werden diese Anforderungskriterien in eine Reihenfolge konsekutiver Berücksichtigung im Verfahren gebracht. Die Zuordnung zu den Hierarchiestufen kann auch als Priorisierung bezeichnet werden. Höher priorisierte Anforderungskriterien sind also vor niedriger priorisierten Anforderungskriterien zu erfüllen. Erst die Einhaltung eines höher priorisierten Anforderungskriteriums ermöglicht die Anforderung des nächsten niedriger priorisierten Kriteriums.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das System ein Steuergerät umfasst, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben des Systems auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogrammprodukt kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch eines der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren auszuführen.
Es kann auch ein Steuergerät außerhalb des Systems dazu eingerichtet sein, das beschriebene Verfahren auszuführen. In diesem Fall weist das System mit dem Steuergerät kompatible Kommunikationsschnittstellen auf, um beispielsweise ein Auslesen der Informationen gemäß der oben genannten Schritte und eine Ansteuerung der Kopplungseinheit durch das systemäußere Steuergerät zu ermöglichen. Ein solches kompatibles Steuergerät kann sich beispielsweise in dem zu ladenden Hybrid-oder Elektrofahrzeug befinden.
Zusammenfassend wird ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf, der von einem Steuergerät ausgeführt und z.B. als Softwaremodul auf dem Steuergerät umgesetzt sein kann, schrittweise wiedergegeben. In den Verfahrensablauf gehen Informationen über die Energiequellen, die Energiekoppler und die Energiekanäle ein. Die Schritte sind im Einzelnen wie folgt, wobei die gewählte Zuordnung der Anforderungskriterien zu den Hierarchiestufen ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu verstehen ist:
Schritt 0: Voraussetzung: Ermittlung der zu transferierenden Energiemenge und ggf. Vorgabe einer Ladezeit des zu ladenden Fahrzeugs.
Schritt 1: Auslesen der Energiequellen zu deren verfügbarer Leistung und verfügbarer Energiemenge. Diese verfügbare Leistung kann auch Forecasts berücksichtigen.
Schritt 2: Berechnung der Summe der verfügbaren Leistung und der Summe der verfügbaren Energiemenge.
Schritt 3: Auslesen der Energiekoppler zu deren Leistungsfähigkeit (Tragfähigkeit) und Wirkungsgrad.
Optionaler Schritt 4: Ermittlung der Energieeffizienz der einzelnen Quellen und der betriebswirtschaftlichen Effizienz (Kosten pro kWh).
Schritt 5: Korrektur der Summe der verfügbaren Leistung und der Summe der verfügbaren Energiemenge anhand von Schritt 3.
Optionaler Schritt 6: Sortieren der Quellen nach deren Effizienz.
Schritt 7: Ermittlung der Leistungsaufnahmefähigkeit der Senken, d.h. der Energiekanäle. Insbesondere die Leistungsaufnahmefähigkeit kann zeitabhängig sein. Als Beispiele können die Abnahme der Ladeleistung gegen Ladeende genannt werden oder eine Erhöhung der Ladeleistung infolge einer klimatischen Konditionierung des Fahrzeugs in Form von Heizen oder Kühlen etwa vor Fahrtbeginn.
Schritt 8: Berechnung der Summe der Leistungsaufnahmefähigkeit der Senken.
Optionaler Schritt 9: Sortieren der Senken nach deren Leistungsaufnahmefähigkeit.
Schritt 10: Ermittlung der Ausgangswerte der Energiekoppler und der Einstellung der Schalter der Kopplungseinheit. Der Ermittlung der Ausgangswerte der Energiekoppler und der Einstellung der Schalter erfolgt anhand folgender hierarchisch aufgebauter Kriterien: Ermittlung der von der Summe aus Schritt 2 zu nutzenden Energiemenge und von der Summe aus Schritt 8 abzurufenden Leistungsaufnahmefähigkeit.
Schritt 10a: Sicherstellung der notwendigen Energiemenge in der vorgegebenen Zeit (zugeordnet Hierarchiestufe 1).
Schritt 10b: Maximale Ausnutzung der effizientesten Quellen aus Schritt 6 (zugeordnet Hierarchiestufe 2).
Schritt 10c: Maximale Ausnutzung der effizientesten Senke aus Schritt 9 (zugeordnet Hierarchiestufe 3).
Schritt 10d: Maximale Ausnutzung der ökologischsten Energiequelle (zugeordnet Hierarchiestufe 4).
Schritt 10e: Maximale Ausnutzung der preisgünstigsten Energiequelle (zugeordnet Hierarchiestufe 5).
Schritt 11: Ansteuerung der Ausgänge der Energiekoppler und der Schaltelemente der Kopplungseinheit zur Einstellung des in Schritt 10 ermittelten Energietransfers zwischen den Energiequellen und den Energiekanälen bzw. Phasen.
Schritt 12: Wiederholung der Schritte 0–11 mit einer Wiederholrate in der Größenordnung von Sekunden. Somit kommt es während eines Ladevorgangs eines Fahrzeugs zu einer Vielzahl von Wiederholungen.
Es kann die Zuordnung der Anforderungskriterien zu den Hierarchiestufen zwischen einzelnen Wiederholungen der Verfahrensabfolge geändert werden.
Das Verfahren ermöglicht es also, die Leistung der Energiequellen unter Einhaltung von priorisierten Randbedingungen, wobei diese Priorisierung durch den Anwender vorgebbar ist, bestimmbaren Phasen in bestimmbarer Höhe zuzuordnen. Ein Ladevorgang kann somit hinsichtlich dieser bestimmten Anforderungen optimiert werden. Sogar innerhalb eines Ladevorgangs können die Anforderungen geändert werden und der Ladevorgang geänderten Randbedingungen unterworfen werden. Es ergibt sich eine hohe Flexibilität und Variabilität bei der Auswahl der Energiequellen.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Es wird von einer Steckverbindung zum Laden von Elektro- oder Hybridfahrzeugen an externen Ladequellen mit mehreren Leistungsphasen ausgegangen. Das Einspeisen von elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie basiert auf unterschiedlichen Energiequellen wie beispielsweise einer Photovoltaikanlage, einer Windenergieanlage, eines Blockheizkraftwerkes, eines (regenerativen) Stationärspeichers oder eines Energiemixes aus einem öffentlichen Stromversorgungsnetz. Eine Verteilung einzelner Quellen auf unterschiedliche Phasen der Steckverbindung ist dabei nicht bekannt. Der Stand der Technik beschreibt Multiplexing-Ansätze und Ladeplanungswerkzeuge, um in einem System aus mehreren Energiequellen und einer Vielzahl von Elektrofahrzeugen ein Gesamtoptimum an Ladeeffizienz in dem System zu erreichen. Vorgeschlagen wird nun ein System aus mehreren elektrischen Energiequellen, mehreren Energiekanälen und einem zugehörigen Energiemanagementsystem, mit der Aufgabe eine zur Verfügung stehende Ladeenergie bzw. Ladeleistung auf Energiekanäle zu verteilen. Ein Energiekanal wird durch eine Phase der Ladestecker-Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einen äußeren Ladestation oder Ladevorrichtung gebildet. Ziel ist es, den Energietransfer zu verbessern, indem die elektrische Leistung der einzelnen, unterschiedlichen Quellen (zum Beispiel Photovoltaik, Windkraft und Blockheizkraftwerk) über mehrere der Kanäle gleichzeitig übertragen und verteilt werden kann. Dadurch können die Energiequellen energetisch optimal ausgelastet werden und Ladezeiten für ein Hybridfahrzeug oder ein Batterie-Elektrofahrzeug verkürzt werden. Durch den hierarchischen Aufbau des Energiemanagementsystems können sekundär weitere Parameter optimiert werden wie zum Beispiel die Stromkosten je Ladevorgang. Vorteilhaft ist auch, dass die bestehende Ladeinfrastruktur für Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzbar ist.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
1 Schematische Ausführungsform eines Energiesystems mit Kopplungseinheit
2 Exemplarischer Schaltzustand der Kopplungseinheit
3 Weiterer exemplarischer Schaltzustand der Kopplungseinheit
Exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zeigt 1 den Aufbau eines Energiesystems mit fünf Energiequellen, drei Energiekanälen und die schematische Illustration des zugehörigen Energiemanagementverfahrens. Die Energiequellen sind eine Photovoltaikanlage (1a), eine Windenergieanlage (1b), ein Stationärspeicher wie beispielsweise ein Batteriesystem (1c), ein (öffentliches, einphasiges) Energieversorgungsnetz (1d) und ein Blockheizkraftwerk (1e). Diese Energiequellen sind mit jeweiligen Energiekopplern (mit 4a bis 4e bezeichnet) verbunden. Die Energiekoppler können als Spannungswandler mit einer Gleichspannungslage am Ausgang (also als DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler) ausgeführt sein. Die Energiekoppler, die eingangsseitig mit den Energiequellen verbunden sind, sind ausgangsseitig mit einer Kopplungseinheit (4f) verbunden. Die Kopplungseinheit vermittelt die Ausgänge der einzelnen Energiekoppler an Energiekanäle durch Ein- oder Ausschalten von Schaltern der Kopplungseinheit, wobei deren Schaltstellung durch ausgefüllte bzw. nicht ausgefüllte Kreise dargestellt ist. Ausführungsarten der Schalter sind klassische Schaltelemente wie Halbleiterschalter, Relais oder Dioden bzw. Transistoren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Energiekanäle dargestellt (7a bis 7c). Diese werden drei Energiekanäle durch drei Phasen eines Stecker-Buchse-Systems zum Laden eines Elektrofahrzeugs (21) an einer externen Energiequelle bzw. an externen Energiequellen ausgebildet. Die genaue Ausführung der Ladeschnittstelle (22) zwischen dem Stecker (7) und der Buchse (20) des Fahrzeugs (21) ist nicht näherer Gegenstand des Ausführungsbeispiels, vorbehaltlich der Entsprechung korrespondierender, einer gleichen Phase zugehöriger Bauteile wie beispielsweise einer Phase 1 (fahrzeugexternes Bauteil 7a, fahrzeugeigenes Bauteil 20a), einer Phase 2 (fahrzeugexternes Bauteil 7b, fahrzeugeigenes Bauteil 20b) und einer Phase 3 (fahrzeugexternes Bauteil 7c, fahrzeugeigenes Bauteil 20c). Das Energiemanagementverfahren ist durch die abstrahierte Darstellung der Kopplungseinheit als Multiplexer vereinfacht dargestellt. Das Ergebnis des Energiemanagementverfahrens wird dadurch gebildet, dass ein bestimmter Energiekanal mit dem Energiekoppler einer bestimmten Energiequelle zumindest zeitweise verbunden ist, d.h. das Ergebnis ist die Steuerung eines Ladevorgangs des Elektrofahrzeugs (21) hinsichtlich der Zuordnung von verfügbaren Energiequellen zu den einzelnen Energiekanälen (gezeigt anhand 2 für ein bestimmtes Zuordnungsergebnis).
In den Verfahrensablauf gehen Informationen über die Quellen, die Energiekoppler und die Energiekanäle ein. Der Verfahrensablauf wird im Wesentlichen von einem Steuergerät ausgeführt und kann beispielsweise als Softwaremodul umgesetzt sein. Es werden dabei schrittweise folgende Aufgaben erfüllt:
Schritt 0: Voraussetzung: Ermittlung der zu transferierenden Energiemenge und ggf. Vorgabe einer Ladezeit
Schritt 1: Auslesen der Energiequellen zu deren verfügbarer Leistung und verfügbarer Energiemenge. Diese verfügbare Leistung kann auch Forecasts berücksichtigen.
Schritt 2: Berechnung der Summe der verfügbaren Leistung und der Summe der verfügbaren Energiemenge.
Schritt 3: Auslesen der Energiekoppler zu deren Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad.
Optionaler Schritt 4: Ermittlung der Energieeffizienz der einzelnen Quellen und der betriebswirtschaftlichen Effizienz (Kosten pro kWh).
Schritt 5: Korrektur der Summe der verfügbaren Leistung und der Summe der verfügbaren Energiemenge anhand von Schritt 3.
Optionaler Schritt 6: Sortieren der Quellen nach deren Effizienz.
Schritt 7: Ermittlung der Leistungsaufnahmefähigkeit der Senken, d.h. der Energiekanäle. Insbesondere die Leistungsaufnahmefähigkeit kann zeitabhängig sein. Als Beispiele können die Abnahme der Ladeleistung gegen Ladeende genannt werden oder eine Erhöhung der Ladeleistung infolge einer klimatischen Konditionierung des Fahrzeugs in Form von Heizen oder Kühlen etwa vor Fahrtbeginn.
Schritt 8: Berechnung der Summe der Leistungsaufnahmefähigkeit der Senken.
Optionaler Schritt 9: Sortieren der Senken nach deren Leistungsaufnahmefähigkeit.
Schritt 10: Ermittlung der Ausgangswerte der Energiekoppler und der Einstellung der Schalter der Kopplungseinheit. Der Ermittlung der Ausgangswerte der Energiekoppler und der Einstellung der Schalter erfolgt anhand folgender hierarchisch aufgebauter Kriterien: Ermittlung der von der Summe aus Schritt 2 zu nutzenden Energiemenge und von der Summe aus Schritt 8 abzurufenden Leistungsaufnahmefähigkeit.
Schritt 10a: Bestmögliche Einhaltung der Ladezeit, d.h. Sicherstellung der notwendigen Energiemenge in der vorgegebenen Zeit (Hierarchiestufe 1).
Schritt 10b: Maximale Ausnutzung der effizientesten Quellen aus Schritt 6 (Hierarchiestufe 2).
Schritt 10c: Maximale Ausnutzung der effizientesten Senke aus Schritt 9 (Hierarchiestufe 3).
Schritt 10d: Maximale Ausnutzung der ökologischsten Energiequelle (Hierarchiestufe 4).
Schritt 10e: Maximale Ausnutzung der preisgünstigsten Energiequelle (Hierarchiestufe 5).
Schritt 11: Ansteuerung der Ausgänge der Energiekuppler und der Schalter der Kopplungseinheit zur Einstellung des in Schritt 10 ermittelten Energietransfers zwischen den Quellen und den Kanälen.
Schritt 12: Wiederholung der Schritte 0–11.
Die Hierarchiestufen können ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch anderweitig vergeben werden. Die Vergabe der Hierarchiestufen kann vom Nutzer des Fahrzeugs eingestellt werden. So kann beispielsweise ein Nutzer A für die Ausnutzung der preisgünstigsten Quelle die Stufe 1 vergeben, wohingegen ein Nutzer B die Ladeökologie in den Vordergrund stellt und die Stufe 1 mit der maximalen Ausnutzung der ökologischsten Energiequelle verknüpft und die maximale Ausnutzung der effizientesten Quelle als weniger wichtig einstuft.
Dieser beschriebene Verfahrensablauf wird anhand einer exemplarischen Momentaufnahme illustriert, die im Schaltzustand der Kopplungseinheit nach 2 resultiert:
Es soll ein Hybrid oder Elektrofahrzeug über die Ladeschnittstelle (22) geladen werden. Die Ermittlung gemäß Schritt 0 ergibt als Randbedingungen eine zu ladende Energiemenge E_Lade von E_Lade = 13 kWh bei einer maximal zur Verfügung stehenden Ladezeit t_{Lade_max} von t_{Lade_max} = 5 h.
Im nächsten Schritt 1 ergibt das Auslesen der Energiequellen zu deren verfügbarer Leistung und verfügbarer Energiemenge folgendes Ergebnis: Für die erste Quelle (1a) wird zum Zeitpunkt des Verfahrensablaufs eine maximale Leistung P_{Quelle_1a_max} von P_{Quelle_1a_max} = 2,3 kW festgestellt für die weiteren Quellen ergibt sich in analoger Weise P_{Quelle_1b_max} = 0,3 kW, P_{Quelle_1c_max} = 3 kW, P_{Quelle_1d_max} = 3,3 kW, P_{Quelle_1e_max} = 10 kW. Bei Abruf dieser jeweiligen maximalen Leistung kann jede der Quellen nur über einen bestimmten Zeitraum diese Leistung bereitstellen (Quellenladezeit). Unter Berücksichtigung der Quellenladezeit für die Quelle (1a) ergibt sich eine Quellenenergiemenge E_{Quelle_1a} zu E_{Quelle_1a} = 9,7 kWh. Für die weiteren Quellen folgt in analoger Weise anhand deren Quellenladezeit E_{Quelle_1b} = 0,6 kWh, E_{Quelle_1c} = 5 kWh, E_{Quelle_1d} = 16,5 kWh und E_{Quelle_1a} = 5 kWh.
Der Schritt 2 ergibt eine berechnete Gesamtleistung P_Gesamt von P_Gesamt = 18,9 kW und eine berechnete Gesamtenergiemenge E_Gesamt von E_Gesamt = 36,8 kWh.
Im nächsten Schritt 3 werden die Energiekoppler in Bezug auf deren Leistungsfähigkeit und Funktionsfähigkeit ausgelesen. Es kann der erste, der ersten Quelle zugeordnete Wandler (4a) zum gegebenen Zeitpunkt eine maximale Leistung P_{Wandler_4a_max} von P_{Wandler_4a_max} = 3 kW aufnehmen. Sein bereitstellbarer Wirkungsgrad W_{Wandler_4a} wird ermittelt zu W_{Wandler_4a} = 93 %. Für die weiteren Wandler ergibt sich in analoger Weise P_{Wandler_4b_max} = 4 kW, P_{Wandler_4c_max} = 3 kW, P_{Wandler_4d_max} = 3,3 kW und P_{Wandler_4e_max} = 10 kW beziehungsweise W_{Wandler_4b} = 45 %, W_{Wandler_4c} = 93 %, W_{Wandler_4d} = 90 % und W_{Wandler_4e} = 95 %.
Im weiteren Schritt 4 können weitere Informationen über die Energiequellen ermittelt werden wie Wirkungsgrad oder Kosten pro Energiemenge. Aufgrund der im Beispiel gewählten Hierarchiestufen sind diese Angaben im vorliegenden Beispiel nicht relevant.
Da zum gegebenen Zeitpunkt alle Wandler die von den zugeordneten Quellen abgebbaren Leistungen aufzunehmen in der Lage sind, erfolgt im nächsten Schritt 5 keine Korrektur der im Schritt 2 ermittelten Werte.
Im weiteren obligatorischen Schritt 7 wird die Leistungsaufnahmefähigkeit der Energiekanäle (7a bis 7e) bei verbundenem Fahrzeug (21) ermittelt. Dies ergibt für den ersten Kanal (7a) eine Leistung P_{Kanal_7a_max} von P_{Kanal_7a_max} = 4 kW. Für die weiteren Kanäle ergibt sich P_{Kanal_7b_max} = 4 kW und P_{Kanal_7c_max} = 4 kW. Die Summe der Leistungsaufnahmefähigkeit der Kanäle P_Kanäle ergibt sich in Schritt 8 demnach zu P_Kanäle = 12 kW.
Im nächsten Schritt 10 ist zu ermitteln, welche Ausgangsleistung die Koppler (4a bis 4e) bereitzustellen haben (i.e. welche Leistung die Koppler aufzunehmen haben) und auf welche Energiekanäle die Koppler von der Kopplungseinheit zu schalten sind. Bei dieser Ermittlung sind die vorgegebenen Hierarchiestufen zu berücksichtigen. Beim gewählten Beispiel ist die Hierarchiestufe 1 mit dem Kriterium „Sicherstellung der notwendigen Energiemenge in der vorgegebenen Zeit“ verknüpft und die Hierarchiestufe 2 mit dem Kriterium „Maximale Ausnutzung der ökologischsten Energiequellen“ verknüpft. Zunächst wird im Verfahren die Hierarchiestufe 1 vorgegeben, wobei bei Einhaltung der Hierarchiestufe 1 (Schritt 10a) dem Verfahren die Hierarchiestufe 2 (Schritt 10b) vorgegeben wird. Die Einhaltung der Hierarchiestufe 2 darf dabei die Einhaltung der Hierarchiestufe 1 nicht verletzen.
Im vorliegenden Beispiel kann jedenfalls zur Hierarchiestufe 2 übergegangen werden, da E_Gesamt größer als E_Lade und P_Gesamt größer als P_Kanäle. Dies bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Energiemenge jedenfalls größer als die angeforderte Energiemenge ist und die zur Verfügung stehende Leistungsmenge größer ist als die aufzunehmende Leistung. Somit kann in einem weiteren Schritt 10b der Ladevorgang auf die Hierarchiestufe 2, d.h. Verwendung der ökologischsten Energiequellen, hin ausgerichtet werden.
Im gewählten Beispiel bedeutet dies in folgender Reihenfolge den vorzugsweisen Einsatz der voll regenerativen Quellen (1a, Photovoltaik) und (1b, Wind) sowie weiterhin der Quellen (1c, schon im Stationärspeicher regenerativ gespeicherte Energie). Die am wenigsten bevorzugten Quellen sind die Quelle (1e, Blockheizkraftwerk) und die Quelle (1d, Strommix).
Es wird also über den ersten Wandler (4a) die gesamte verfügbare Leistung der Quelle (1a) auf einen Kanal geschaltet, hier den ersten Kanal (7a). Damit nimmt der erste Kanal wirkungsgradbereinigt ca. 93 % von 2,3 kW, d.h. ca. 2,14 kW auf, so dass der erste Kanal noch weitere (4 kW – 2,14 kW) = 1,86 kW Ladeleistung aufnehmen kann.
Somit kann dem ersten Kanal auch noch die Leistung des zweiten Kopplers (4b), die 45 % von 0,3 kW = 0,14 kW, zugewiesen werden, so dass weitere 1,72 kW Leistungsaufnamefähigkeit im ersten Kanal verbleiben. Es sind als Zwischenergebnise also die Quellen (1a) und (1b) auf den Kanal (7a) zu schalten.
Auch die nächstbevorzugte Quelle (1c) könnte voll genutzt werden, was dazu führt, dass weitere 93 %·3 kW, d.h. 2,8 kW zur Verfügung stünden. Da dies die verbliebene Leistungsaufnahmefähigkeit des ersten Kanals übersteigen würde, müsste die Quelle (1c) auf den ersten Kanal (7a) und auf den zweiten Kanal (7b) geschaltet werden. Der erste Kanal wäre damit maximal ausgelastet, d.h. dieser nähme die Leistung P_{Kanal_7a_max} auf und weitere 1,08 kW Leistung nähme der Kanal (7b) auf.
Die Quelle (1d) wird durch die Berücksichtigung der Hierarchiestufe 2 in Schritt 10b übersprungen und es wird keine Leistung angefordert.
Die Quelle (1e) kann, da der Koppler (4e) die Leistung P_{Quelle_1e_max} aufzunehmen in der Lage ist (P_{Wandler_4e_max} >= P_{Quelle_1e_max}), über den Koppler (4e) eine Leistung von 95 %·10 kW = 9,5 kW an die Kanäle abgeben. Über die Quellen (1a bis 1c) könnten jedoch bereits 5,08 kW Ladeleistung an die Kanäle bereitgestellt werden, so dass bei der zur Verfügung stehenden Ladezeit t_{Lade_max} von 5 h die Summe der Quellenenergiemengen E_{Quelle_1a} + E_{Quelle_1b} + E_{Quelle_1c}, = 15,3 kWh ladbar wären.
Aufgrund des Bedarfs von E_Lade von nur 13 kWh braucht die Leistung der gemäß Hierarchiestufe 2 schlechter als die Quellen (1a bis 1c) priorisierte Quelle (1e) ebenfalls nicht abgerufen werden.
Bei der zur Verfügung stehenden Ladezeit ist es sogar ausreichend, wenn die Quellen (1a und 1b) mit Quellenenergiemengen E_{Quelle_1a} + E_{Quelle_1b} = 10,3 kWh voll genutzt werden und die Restenergiemenge (2,7 kWh) über die Quelle (1c) abgerufen wird. Es muss folgerichtig an die Kanäle eine Leistung von nur (2,7/5) kW = 0,54 kW von der Quelle (1c) gespeist werden. Es ist also nur eine Teilleistung der Quelle (1c) zu nutzen, die zudem voll auf den noch mit 1,72 kW ausreichend leistungsaufnahmefähigen Kanal (7a) geschaltet werden kann, da der Koppler (4c) lediglich eine Leistung von (1/0,93)·0,54 kW = 0,58 kW aufzunehmen hat. Der Wandler (4c) wird also derart mit einem Leistungsvorgabewert angesteuert, dass dieser nur die errechnete Teilleistung aufnimmt und an den ersten Kanal (7a) abgibt.
Somit ergibt sich insgesamt der Schaltzustand in 2, wobei die Koppler (4a und 4b) die zur Verfügung stehenden Leistungen der zugeordneten Quellen (1a und 1b) voll aufnehmen und der Koppler (2c) die zur Verfügung stehende Leistung der Quelle (1c) mit einer Leistungsvorgabe zu 19 % von P_{Quelle_1c_max} aufnimmt.
Es werden im Schritt 11 die Koppler und die Kopplungseinheit anhand der Ergebnisse aus Schritt 10 angesteuert. Es werden fortwährend alle Schritte wiederholt, so dass Änderungen bei den Quellen (z.B. plötzlich verschwindendes Windangebot, etc.) berücksichtigt und die Ansteuerung der Koppler und der Kopplungseinheit angepasst werden kann.
Ist in einer Abwandlung des Beispiels der Energiebedarf E_Lade = 20 kWh, ist eine Restenergiemenge von 9,7 kWh über die Quelle (1c) zu laden. Somit sind über die von der Quelle (1c) bereitzustellende Leistung mit (9,7/5) kW = 1,95 kW deutlich höher. Die vom Koppler (4c) abzurufende Leistung beträgt (1/0,93)·1,95 kW = 2,1 kW. Der Koppler (4c) ist in diesem Beispiel auf eine Aufnahme von 70 % von der zur Verfügung stehenden Leistung P_{Quelle_1c_max} zu regeln. Außerdem ist neben dem Kanal (7a) auch der zweite Kanal (7b) zu öffnen, so dass der Koppler (4c) gemäß 3 auch den zweiten Kanal geschaltet wird.
Gemäß einer weiteren Abwandlung des Beispiels ist die zur Verfügung stehende Energiemenge aller Quellen E_Gesamt kleiner als die erforderliche Energiemenge E_Lade, die zur Verfügung stehende Leistung P_Gesamt kleiner als die Leistungsaufnahme der Kanäle P_Kanäle, jeder Koppler in der Lage, die volle Leistung der jeweiligen zugeordneten Quelle aufzunehmen und die Hierarchiestufe 1 nicht erfüllbar. Dies ist der Fall, wenn die vorgegebene Ladezeit t_{Lade_max} zu kurz ist, um die Energiemenge E_Gesamt in das Fahrzeug zu laden, geschweige die erforderliche Energiemenge E_Lade zu erreichen. Somit wird die Hierarchiestufe 1 im Schritt 10a nicht eingehalten und das Verfahren geht nicht zur Hierarchiestufe 2 über. Folglich ergibt sich ein Schaltzustand, wonach auch die Quellen (1d und 1e) voll ausgelastet und auf die Kanäle geschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012249065 AA [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Chynoweth et al., „Smart Electric Vehicle Charging Infrastructure Overview“, IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, 2014 [0003]

Claims

System (100) zum Laden eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (21), über eine mehrphasige Ladeschnittstelle (22), wobei das System eine mehrphasige Ladeeinheit (7; 7a–7c) umfasst, die als Gegenstück zur Verbindung mit einer gleichartig mehrphasigen Fahrzeugeinheit (20; 20a–20c) für einen Ladevorgang des Fahrzeugs geeignet ist, und wobei das System mehrere Energiequellen (1a–1e) und den Energiequellen eingangsseitig zugeordnete Energiekoppler (4a–4e) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – das System eine Kopplungseinheit (4f) zwischen den Ausgängen der Energiekoppler und der Ladeeinheit umfasst, und – die Kopplungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine der mehreren Phasen der Ladeeinheit mit zumindest einem der Ausgänge der Energiekoppler zu verbinden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiekoppler bei Zuordnung zu einer Gleichstrom-Energiequelle als Gleichstrom-Gleichstrom-Steller und bei Zuordnung zu einer Wechselstrom-Energiequelle als Wechselstrom-Gleichstrom-Steller sind.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kopplungseinheit eine Anzahl von Schaltelementen umfasst, die dem Produkt aus der Anzahl der Energiequellen und der Anzahl der Phasen entspricht.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – jedes der Schaltelemente wahlweise als Halbleiterschalter oder als Relais oder als Transistor ausgeführt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ladeeinheit als Ladestecker ausgeführt ist, und – die einzelnen Phasen als Pins in dem Ladestecker ausgeführt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit als Multiplexer ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Ermittlung eines Energiebedarfes und eines Leistungsbedarfes des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. – Ermittlung einer elektrischen Leistungsfähigkeit jeder der Energiequellen. – Ermittlung der elektrischen Tragfähigkeit jedes der Energiekoppler. – Ermittlung einer Gesamtleistungsfähigkeit Systems. – Ermittlung der elektrischen Aufnahmefähigkeit der Phasen. – Ermittlung einer Gesamtaufnahmefähigkeit Systems. – Berechnung von Leistungsvorgabewerten für jeden Energiekoppler und Berechnung eines Verbindungszustandes der Kopplungseinheit. – Ansteuern der Energiekoppler zur Einstellung der Leistungsvorgabewerte. – Ansteuern der Kopplungseinheit zur Einstellung des Verbindungszustandes der Kopplungseinheit.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Leistungsvorgabewerte und der Verbindungszustand der Kopplungseinheit anhand der Einhaltung von Anforderungskriterien berechnet werden und die Anforderungskriterien einzelnen Hierarchiestufen zugeordnet werden, wobei die Anforderungskriterien in der Reihenfolge abnehmender Hierarchie eingehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 8 mit den Anforderungskriterien: – maximale Auslastung der Energiequelle mit der höchsten elektrischen Leistungsfähigkeit, – maximale Auslastung der Phase mit der höchsten elektrischen Aufnahmefähigkeit, – maximale Auslastung der Energiequelle mit der preisgünstigsten Energieabgabe, und – maximale Auslastung einer bestimmten Energiequelle der mehreren Energiequellen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Steuergerät umfasst, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem Ansprüche 7 bis 9 auszuführen.
Steuergerät, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, das eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, um dadurch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 auszuführen.