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Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug ausgebildet zur zeitweisen Nutzung als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz sowie ein Verfahren zur zeitweisen Nutzung eines Elektrofahrzeuges als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz.
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Die Zahl der im Alltag eingesetzten Elektrofahrzeuge hat zuletzt deutlich zugenommen und wird vorrausichtlich in nächster Zeit weiter steigen. Dabei werden Elektrofahrzeuge, genauso wie Hybridfahrzeuge und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, häufig im Mittel nur kurzzeitig für den Fahrbetrieb eingesetzt und stehen die meiste Zeit über ungenutzt auf einem Parkplatz oder in einer Garage.
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Aus der US 2006 / 0 250 902 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem abgestellte Hybridfahrzeuge genutzt werden als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz.
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In der US 2010 / 0 133 025 A1 ist ein Elektrofahrzeug beschrieben, welches zwei verschiedene Batterien aufweist. Dabei ist jeder der beiden Batterien ein eigener Spannungswandler zugeordnet.
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Aus der US 2012 / 0 303 259 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit Batteriemodulen zu entnehmen, bei dem die Batteriemodule als auswechselbare Module ausgebildet sind.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaft ausgebildetes Elektrofahrzeug sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Nutzung eines Elektrofahrzeuges anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf Elektrofahrzeug angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Ein entsprechendes Elektrofahrzeug ist dabei für eine zeitweise Nutzung als Netzpuffer oder Energiezwischenspeicher für ein elektrisches Versorgungsnetz ausgebildet und dementsprechend ausgelegt. Die Nutzung als Netzpuffer erfolgt dabei in Zeitabschnitten, in denen das Elektrofahrzeug nicht für den Fahrbetrieb eingesetzt wird und somit auf einem Parkplatz oder in einer Garage abgestellt ist.
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Hierbei weist das Elektrofahrzeug einen Hauptspeicher sowie einen Erweiterungsspeicher zur Speicherung von Energie auf sowie eine Leistungselektronik mit einer bidirektionalen Schnittstelle, über die das Elektrofahrzeug mit einer bidirektionalen Ladestation, beispielsweise einer Ladesäule, eines elektrischen Versorgungsnetzes verbindbar ist. Dabei umfasst die bidirektionale Schnittstelle typischerweise eine Steckverbindervorrichtung, also einen Stecker oder eine Buchse, die zur Ankoppelung des Elektrofahrzeuges an die bidirektionale Ladestation und somit an das elektrische Versorgungsnetz mit einem entsprechenden Gegenstück an der bidirektionalen Ladestation verbunden wird.
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Ist eine entsprechende Verbindung hergestellt, so ist das Elektrofahrzeug als Netzpuffer für das elektrische Versorgungsnetz nutzbar und wird typischerweise während dieser Zeit auch als Netzpuffer genutzt. Dabei ist je nach Ausführungsvariante des Elektrofahrzeuges die bidirektionale Schnittstelle derart ausgestaltet, dass der Hauptspeicher und der Erweiterungsspeicher von außen gesteuert, also insbesondere von der bidirektionalen Ladestation gesteuert, unabhängig voneinander über die bidirektionale Ladestation ladbar und/oder entladbar sind, und die Leistungselektronik weist eine Steuereinheit auf, die derart eingerichtet ist, dass der Energieaustausch mit dem elektrischen Versorgungsnetz während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer derart gesteuert wird, dass vorrangig der Erweiterungsspeicher belastet und insbesondere geladen oder entladen wird.
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Das heißt also, dass das Elektrofahrzeug zwei Energiespeichereinheiten aufweist und dass diese bei der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer unterschiedlich stark oder unterschiedlich häufig als Energiezwischenspeicher für das elektrische Versorgungsnetz genutzt werden und dementsprechend unterschiedlich stark belastet werden.
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Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass die Nutzung eines Elektrofahrzeuges und somit eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz und dementsprechend eine zumindest zeitweise Nutzung eines Elektrofahrzeuges als Teil eines sogenannten „Smart Grid“ einerseits Vorteile mit sich bringt, andererseits aber auch infolge der zusätzlichen Lade- und Entladevorgänge während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer zu einer schnelleren Alterung des entsprechend genutzten Energiespeichers des Elektrofahrzeuges führt. Dabei gilt es zu bedenken, dass die Anzahl an möglichen Lade-Entlade-Zyklen bei den meisten verfügbaren Energiespeichern begrenzt ist und dieser Grenzwert durch zusätzliche Lade- und Entladevorgänge im Zuge der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer in kürzerer Zeit erreicht wird. Dies würde dann einen häufigeren Austausch des Energiespeichers notwendig machen, was bei den aktuell eingesetzten Energiespeichern in Elektrofahrzeugen mit einem recht erheblichen Aufwand verbunden ist.
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Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, weist ein hier vorgestelltes Elektrofahrzeug zusätzlich zu dem in jedem Elektrofahrzeug verbauten Energiespeicher, dem Hauptspeicher, einen zusätzlichen Energiespeicher, den Erweiterungsspeicher, auf, der die Hauptlast der zusätzlichen Energiedurchsätze während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer trägt. Auf diese Weise wird die Anzahl der zusätzlichen Lade- und Entladevorgänge durch die Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer für den Hauptspeicher gering gehalten und im Vergleich zu einem Elektrofahrzeug ohne Erweiterungsspeicher reduziert. Infolgedessen altert der Hauptspeicher durch die Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz nicht wesentlich schneller und muss dementsprechend auch nicht häufiger ausgetauscht werden.
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Der Erweiterungsspeicher wiederum ist bevorzugt sehr kompakt ausgestaltet und zweckdienlicherweise für eine einfache Austauschbarkeit ausgebildet, so dass sich dieser im Bedarfsfall ohne größeren Aufwand auswechseln lässt. Alternativ oder ergänzend hierzu ist das Elektrofahrzeug derart ausgestaltet, dass der Erweiterungsspeicher für den Fahrbetrieb nicht benötigt wird und/oder der Erweiterungsspeicher weist eine vom Hauptspeicher abweichende Speichertechnologie auf, so dass der Erweiterungsspeicher zum Beispiel eine höhere Lebenserwartung mit einer höheren maximalen Anzahl an Lade-Entlade-Zyklen aufweist.
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Die Entlastung des Hauptspeichers oder die vorrangige Belastung des Erweiterungsspeichers bei der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer lässt sich dabei auf verschiedene Weise realisieren, wobei in jedem Fall eine Steuerung der Energieflüsse erfolgen muss. Dementsprechend weist das Elektrofahrzeug je nach Ausgestaltungsvariante eine bidirektionale Schnittstelle auf, bei der der Hauptspeicher und der Erweiterungsspeicher unabhängig voneinander über die bidirektionale Ladestation ladbar und/oder entladbar sind, so dass die Steuerung durch das elektrische Versorgungsnetz, also beispielsweise durch die bidirektionale Ladestation, erfolgen kann und/oder das Elektrofahrzeug weist eine Steuereinheit auf, mit deren Hilfe die zusätzlichen Energiedurchsätze auf die beiden Speicher des Elektrofahrzeuges verteilt werden.
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Unabhängig davon, von welcher Seite aus die Steuerung vorgenommen wird, erfolgt die Steuerung dabei bevorzugt derart, dass der Hauptspeicher während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer nur dann belastet und insbesondere geladen oder entladen wird, wenn der Erweiterungsspeicher ausgelastet ist. In diesem Fall wird dann bei einer Energieeinspeisung in das Elektrofahrzeug beispielsweise zunächst der Erweiterungsspeicher aufgeladen und erst wenn dieser einen vorgegebenen Ladezustand aufweist oder voll aufgeladen ist, wird der Hauptspeicher aufgeladen. Analog wird dann bei einer Energierückspeisung in das elektrische Versorgungsnetz zunächst der Erweiterungsspeicher entladen, bis dieser einen vorgegebenen Entladezustand erreicht oder entladen ist, bevor Energie aus dem Hauptspeicher in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist wird. Alternativ oder ergänzend hierzu erfolgt während der Nutzung des Elektrofahrzeugs als Netzpuffer eine Leistungsaufteilung, bei der zunächst die Belastbarkeit des Erweiterungsspeichers ausgenutzt wird, bevor zusätzlich der Hauptspeicher für eine Energieaufnahme oder eine Energieabnahme herangezogen wird.
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Um trotz der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer für ein elektrisches Versorgungsnetz stets ausreichend Energie für den Fahrbetrieb vorrätig zu haben, ist es weiter von Vorteil, den Zeitraum für die Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer und/oder eine Entladegrenze für den Hauptspeicher vorzugeben, wobei entsprechende Vorgaben vorzugsweise durch den Nutzer des Elektrofahrzeugs über eine Bedienkonsole an der bidirektionalen Ladesäule oder eine entsprechende Bedieneinheit im Elektrofahrzeug vorgebbar sind.
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Je nach Anforderungsprofil an das Elektrofahrzeug ist es weiter von Vorteil, wenn ausschließlich der Erweiterungsspeicher während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer geladen oder entladen wird und der Hauptspeicher außen vorbleibt. In diesem Fall wird dann also lediglich der Erweiterungsspeicher als Energiezwischenspeicher während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer genutzt.
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Unabhängig von der Gestaltung der Steuerung der Energieflüsse während der Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer erfolgt bei einer jeden Ankoppelung des Elektrofahrzeuges an ein elektrisches Versorgungsnetz bevorzugt zunächst einmal eine Aufladung des Hauptspeichers, bevor das Elektrofahrzeug für eine Nutzung des Elektrofahrzeuges als Netzpuffer freigegeben und/oder genutzt wird.
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Außerdem wird der Erweiterungsspeicher vorzugsweise auch im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeuges als Energiespeicher genutzt, wobei der Erweiterungsspeicher im Fahrbetrieb als Reservespeicher eingesetzt wird, als Energiespeicher zur Versorgung eines Bordnetzes des Elektrofahrzeuges und/oder zur Spannungsstabilisierung bei der Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit des Elektrofahrzeuges.
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Zweckdienlich ist des Weiteren eine Ausführung des Elektrofahrzeuges, bei der der Erweiterungsspeicher eine Speicherkapazität kleiner 10 kWh, weiter bevorzugt kleiner 5 kWh und insbesondere kleiner 2 kWh aufweist. In diesem Fall lässt sich dann einerseits ein recht kompakter Aufbau für den Erweiterungsspeicher realisieren und zudem halten sich die Kosten für einen entsprechenden Erweiterungsspeicher in Grenzen. Gleichzeitig ist ein derart ausgelegter Erweiterungsspeicher ausreichend dimensioniert, um in einem elektrischen Versorgungsnetz, zumindest in einem Mittelspannungsnetz bis 35 kV oder einem Niederspannungsnetz kleiner 1 kV in sinnvoller Weise als Netzpuffer zu fungieren.
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Der Hauptspeicher weist dagegen bevorzugt eine Speicherkapazität größer 20 kWh, weiter bevorzugt größer 50 kWh und insbesondere größer 80 kWh auf, zumindest, wenn es sich bei dem Elektrofahrzeug um einen Personenkraftwagen handelt. Ist das Elektrofahrzeug dagegen als Lastkraftwagen, Bus, Schienenfahrzeug oder als sonstiges Fahrzeug ausgebildet, so weist der Hauptspeicher zweckdienlicherweise eine Speicherkapazität auch größer 120 kWh auf.
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Von Vorteil ist außerdem eine Ausführung des Elektrofahrzeuges, bei der der Hauptspeicher und der Erweiterungsspeicher auf unterschiedlichen Speichertechnologien basieren, die sich zum Beispiel hinsichtlich ihrer Lebensdauern, also insbesondere hinsichtlich der maximalen Lade-Entlade-Zyklen, unterscheiden. Auf diese Weise lassen sich der Hauptspeicher und der Erweiterungsspeicher unabhängig voneinander an die unterschiedlichen Anforderungen anpassen.
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Hierbei ist es günstig, den Erweiterungsspeicher nach Art eines Lithium-Ionen-Akkumulators auszugestalten oder nach dem Prinzip eines Superkondensators, da diese im Vergleich zu anderen Speichertechnologien besonders hohe Werte bei der Anzahl der maximal möglichen Lade- und Entladevorgänge erreichen.
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Weiterhin ist der Erweiterungsspeicher als getrennt vom Hauptspeicher auswechselbare Baueinheit ausgebildet ist, so dass der Erweiterungsspeicher im Bedarfsfall ausgetauscht werden kann, während der Hauptspeicher im Elektrofahrzeug verbleibt und weiter genutzt wird.
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Ist davon auszugehen, dass die beiden Speicher unterschiedlich häufig ausgetauscht werden müssen, so ist es zudem vorteilhaft, die beiden Speicher in unterschiedlichen Bereichen im Elektrofahrzeug zu verbauen. Dabei wird der typischerweise recht schwere und eher selten auszutauschende Hauptspeicher zugunsten eines tiefen Schwerpunktes eher weiter unten im Elektrofahrzeug angeordnet, wohingegen der typischerweise sehr viel leichtere und häufiger auszuwechselnde Erweiterungsspeicher typischerweise weiter oben und insbesondere in einem leicht zugänglichen Bereich positioniert wird.
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Zudem weist die Leistungselektronik des Elektrofahrzeuges einen zusätzlichen Gleichspannungswandler für den Erweiterungsspeicher auf. Jener Gleichspannungswandler ist dabei zusammen mit dem Erweiterungsspeicher in der auswechselbaren Baueinheit zusammengefasst und wird dementsprechend im Bedarfsfall zusammen mit dem Erweiterungsspeicher ausgetauscht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein an ein elektrisches Versorgungsnetz angekoppeltes Elektrofahrzeug mit einer Anzahl Funktionseinheiten,
- 2 in einer Blockschaltbilddarstellung eine erste Aufteilung der Funktionseinheiten auf verschiedene Baugruppen,
- 3 in einer Blockschaltbilddarstellung eine zweite Aufteilung der Funktionseinheiten auf verschiedene Baugruppen sowie
- 4 in einer Blockschaltbilddarstellung eine dritte Aufteilung der Funktionseinheiten auf verschiedene Baugruppen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Elektrofahrzeug 2 ist für eine zeitweise Nutzung als Netzpuffers für ein elektrisches Versorgungsnetz 4 ausgebildet und weist hierfür eine bidirektionale Schnittstelle 6 auf, über die das Elektrofahrzeug 2 mit einer bidirektionalen Ladestation 8 des elektrischen Versorgungsnetzes 4 verbindbar ist.
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Je nach Ausführungsvariante umfasst die bidirektionale Schnittstelle 6 dabei beispielsweise einen Steckverbinder, der vom Bediener oder Nutzer des Elektrofahrzeuges 2 in eine entsprechende Buchse an der bidirektionalen Ladestation 8 gesteckt wird. Alternativ umfasst die bidirektionale Schnittstelle 6 des Elektrofahrzeuges 2 einerseits sowie die bidirektionale Ladestation 8 andererseits jeweils zumindest eine Induktionsspule, die durch eine entsprechende Positionierung des Elektrofahrzeuges 2 auf einer dafür vorgesehenen Abstellfläche gekoppelt werden und für eine bidirektionale Energieübertragung ausgebildet sind. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der bidirektionalen Schnittstelle 6 erfolgt eine Koppelung von Elektrofahrzeug 2 und bidirektionaler Ladestation 8 in jedem Fall derart, dass ein Energieaustausch in beiden Richtungen ermöglicht ist und das Elektrofahrzeug 2 als Energiezwischenspeicher für das elektrische Versorgungsnetz 4 genutzt werden kann.
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Der Energieaustausch wird hierbei durch das elektrische Versorgungsnetz 4, also beispielsweise eine Steuereinheit in der bidirektionalen Ladestation 8, oder wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch eine Steuereinheit 10 im Elektrofahrzeug 2 gesteuert. Jene Steuereinheit 10 ist dabei Teil einer Leistungselektronik 12, in die ein Hauptspeicher 14 sowie ein Erweiterungsspeicher 16 für eine Energiespeicherung eingebunden sind.
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Der Hauptspeicher 14 und der Erweiterungsspeicher 16 sind dabei jeweils als abgeschlossene, typischerweise vorgefertigte, Baueinheiten BE ausgebildet, die unabhängig voneinander im Bedarfsfall ausgetauscht werden können. Beide Speicher 14, 16 sind zudem als sogenannte Hochvoltspeicher ausgebildet, jedoch bevorzugt für unterschiedliche Lade- und Entladespannungen ausgelegt, weswegen für den Erweiterungsspeicher 16 typischerweise ein zusätzlicher Gleichspannungswandler 18 im Elektrofahrzeug 2 verbaut ist, der dem Erweiterungsspeicher 16 quasi vorgeschaltet ist. Alternativ wird im Bedarfsfall ein ohnehin vorgesehener und verbauter Bordnetzwandler für diesen Einsatzzweck verwendet (12V oder evtl. zukünftig 48V). In diesem Fall muss dann kein zusätzlicher Gleichspannungswandler verbaut werden.
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Weiter sind die beiden Speicher 14, 16 für unterschiedliche Speicherkapazitäten ausgelegt, wobei insbesondere für den Erweiterungsspeicher 16 nach dem Baukastenprinzip mehrere Module mit unterschiedlichen Speicherkapazitäten vorgesehen sind, aus denen der Endkunde auswählen kann. Die verschiedenen Werte für die Speicherkapazitäten liegen hierbei im Bereich 0,1 kWh bis 2 kWh, wobei bevorzugt Erweiterungsspeicher 16 mit einer Kapazität zwischen 0,1 kWh und 0,5 kWh verbaut werden. Der Hauptspeicher weist dagegen typischerweise eine Speicherkapazität im Bereich 80 kWh bis 120 kWh auf.
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Des Weiteren basieren die beiden Speicher 14, 16 in den meisten Ausführungsvarianten auf unterschiedlichen Speichertechnologien, die sich insbesondere hinsichtlich der maximal möglichen Lade-Entlade-Zyklen unterscheiden. Dabei ist der Hauptspeicher 14 bevorzugt als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet, wohingegen der Erweiterungsspeicher 16 bevorzugt nach dem Prinzip eines Superkondensators oder als Batterie aus Superkondensatoren ausgebildet ist und insbesondere auf der Speichertechnologie sogenannter Hybridkondensatoren basiert.
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Insbesondere je nach Lebenserwartung, beispielsweise des Hauptspeichers 14 sowie des Erweiterungsspeichers 16, werden die verschiedenen Funktionseinheiten zudem bevorzugt in unterschiedlichen, abgeschlossene Baugruppen zusammengefasst, die dann unabhängig voneinander austauschbar und im Bedarfsfall auswechselbar sind. Dabei bilden im Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Leistungselektronik 12, der zusätzliche Gleichspannungswandler 18, der Erweiterungsspeicher 16 sowie der Hauptspeicher 14 jeweils eine abgeschlossene Baueinheit aus, wohingegen im Ausführungsbeispiel gemäß 3 der Erweiterungsspeicher 16 und der Gleichspannungswandler 18 in einer Baueinheit zusammengefasst sind, so dass diese dann stets gemeinsam ausgewechselt werden. Beide Varianten sind dabei auch geeignet, um ein Elektrofahrzeug nach dem Stand der Technik nachzurüsten. Eine weitere alternative Ausführung ist in 4 angedeutet, wobei hier die beiden Speicher 14, 16 sowie der zusätzliche Gleichspannungswandler 18 in einem Package zusammengefasst sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist die Leistungselektronik 12 aus dem Elektrofahrzeug 2 ausgelagert und/oder es ist eine entsprechende Leistungselektronik 12 in der bidirektionalen Ladestation 8 verbaut oder realisiert. Die Leistungselektronik für DC-Laden kann also im Elektrofahrzeug 2 oder in einer Ladesäule der bidirektionalen Ladestation 8 verbaut sein.
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Auch für die Steuereinheit 10 sind verschiedene Ausführungen vorgesehen. Dabei sind Ausführungen bevorzugt, bei denen die Steuereinheit 10 ein Bedienelement oder eine Bedienkonsole umfasst, über die der Nutzer oder Bediener des Elektrofahrzeuges 2 Einstellungen vornehmen oder aus einer Anzahl von Voreinstellungen auswählen kann. Im einfachsten Fall besteht dabei lediglich die Wahlmöglichkeit, ob das Elektrofahrzeug 2 als Netzpuffer genutzt wird oder nicht. Andere Ausführungsvarianten erlauben die Vorgabe diverser Parameter, und zum Beispiel ob und in welchem Umfang der Hauptspeicher 14 bei der Nutzung des Elektrofahrzeugs 2 als Netzpuffer mit genutzt wird.
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In jedem Fall aber ist eine Steuereinheit 10 bevorzugt, die derart eingerichtet ist, dass der Energieaustausch mit dem elektrischen Versorgungsnetz 4 während der Nutzung des Elektrofahrzeugs 2 als Netzpuffer derart gesteuert wird, dass vorrangig der Erweiterungsspeicher 16 belastet und insbesondere geladen oder entladen wird. Dabei ist es zum Beispiel vorgesehen, den Erweiterungsspeicher 16 so weit zu nutzen, bis ein vorgegebenes Energieminimum erreicht wird. Dann wird der Hauptspeicher 14 zusätzlich genutzt. Alternativ ist es vorgesehen, dass insbesondere durch eine Nutzerauswahl der zuvor genannten Art unterschiedliche Leistungsklassen zur Teilnahme im Versorgungsnetz 4 gewählt werden. Dadurch ändert sich dann die Betriebsstrategie, so dass beispielsweise eine Leistungsaufteilung stattfindet, welche sich nach der Wahl der Erweiterungsspeicherzelltechnologie richtet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektrofahrzeug
- 4
- Elektrisches Versorgungsnetz
- 6
- Bidirektionale Schnittstelle
- 8
- Bidirektionale Ladestation
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Leistungselektronik
- 14
- Hauptspeicher
- 16
- Erweiterungsspeicher
- 18
- Gleichspannungswandler
- BE
- Baueinheit
