DE102017127380A1

DE102017127380A1 - Ladestation für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102017127380A1
Application number: DE102017127380.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Müller-Winterberg; Christian Rauscher; Thorbjörn Siaenen; Jürgen Waffner
Original assignee: Innogy SE
Current assignee: CCS Abwicklungs AG
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-23
Also published as: WO2019101376A1

Abstract

Ladestation für Elektrofahrzeuge mit einem zwischen einem primärseitigen Versorgungsnetzanschluss und zumindest zwei sekundärseitigen Ladeanschlüssen angeordneten Transformator. Den Ladeanschlüssen sind voneinander getrennte sekundärseitige Wicklungsgruppen zugeordnet und die Schaltungsarten der Wicklungsgruppen sind voneinander verschieden.

Description

Der Gegenstand betrifft eine Ladestation für Elektrofahrzeuge.
Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge werden zunehmend als Gleichspannungsladestation (DC Charger) ausgeführt. Solche Ladestationen werden mit Leistungen von über 300kVA bei Spannungen von bis zu 800V und mehr betrieben.
Bei der bisherigen Ladeinfrastruktur werden die Ladestationen über das Niederspannungsnetz (Ortsnetz) an das Energieversorgungsnetz angeschlossen. Durch Hochsetzsteller mit entsprechender Leistungselektronik erfolgt eine Hochtransformation auf das höhere Spannungsniveau gegenüber den 400V AC am niederspannungsseitigen Anschluss des Versorgungsnetzes. Hiermit verbunden sind zum einen erhebliche Verluste durch die Leistungselektronik, zum anderen aber auch sehr hohe Kosten für die Ladeinfrastruktur.
Dem Gegenstand lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Ladeinfrastruktur zur Verfügung zu stellen, welche eine möglichst symmetrische Auslastung bei verringertem Hardwareeinsatz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Ladestation nach Anspruch 1 gelöst. Die Ladestation verfügt über einen Transformator, der sekundärseitig in mehreren Wicklungsgruppen abgegriffen wird, wobei bevorzugt jeweils zwei Wicklungsgruppen voneinander verschiedene Schaltungsarten haben. Der sekundärseitige Abgriff führt somit durch die unterschiedlichen Schaltungsarten der Wicklungsgruppen zu einer möglichst symmetrischen Netzauslastung. An jedem Transformator befinden sich mehrere sekundärseitige Wicklungsgruppen, für jeweils einen DC Charger. In einer Ladesäule können beispielsweise zwei Ladeanschlüsse verbaut sein, die zu einem Paar zusammengefasst sind. Diese beiden Ladeanschlüsse sind jeweils mit einer Wicklungsgruppe an dem Transformator verbunden. Die Schaltungsarten dieser beiden Wicklungsgruppen sind voneinander verschieden.
Sekundärseitig können Tupel gebildet aus zwei oder drei Wicklungsgruppen, die jeweils voneinander verschiedenen Schaltungsarten aufweisen, angeordnet sein. Es können mehrere Tupel, insbesondere mehr als zwei Tupel an einem Transformator vorgesehen sein. Insbesondere können sekundärseitig mehr als zwei Paare, bevorzugt fünf Paare an Wicklungsgruppen mit jeweils zwei voneinander verschiedenen Schaltungsarten angeordnet sein.
In der Regel ist der sekundärseitige Anschluss dreiphasig, d.h. eine Wicklungsgruppe ist (bei Sternschaltung und Dreiecksschaltung) aus drei miteinander verschalteten Wicklungen bzw. (bei Zickzackschaltung) aus sechs miteinander verschalteten Wicklungen geschaltet.
Primärseitig ist der Transformator mit einer Wicklungsgruppe bevorzugt in Sternschaltung geschaltet. Die primärseitige Wicklungsgruppe ist dreiphasig und bevorzugt als Sternschaltung ausgeführt. Hierbei kann der Sternpunkt herausgeführt sein oder nicht.
Eine der sekundärseitigen Wicklungsgruppen ist bevorzugt ebenfalls als Sternschaltung ausgeführt. Auch hier kann der Sternpunkt herausgeführt sein. Bevorzugt ist auch, wenn eine der Wicklungsgruppen als Dreiecksschaltung geschaltet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass eine der sekundärseitigen Wicklungsgruppen als Zickzackschaltung ausgeführt ist, wobei hier ein Sternpunkt herausgeführt sein kann.
Somit ergeben sich für den Transformator unterschiedliche Schaltgruppen. Insbesondere kann der Transformator in folgenden Schaltgruppen geschaltet sein:
Y(dy)_n, Y(dz)_n, Y(yz)_n, wobei in der Klammer die jeweiligen Schaltungsarten der Wicklungsgruppen zweier zu einem Part zusammengefasster Ladeanschlüsse angegeben sind und n die Anzahl der Paare angibt: Z.B. ist Y(dy)_n mit n=5 ausgeschrieben Ydydydydydy. Andere Schaltgruppen sind ebenfalls möglich (in der genannten Notation): D(dy)_n, D(dz)_n, D(yz)_n, Z(dy)_n, Z(dz)_n, Z(yz)_n, Y(dyz)_n, D(dyz)_n, Z(dyz)_n
Durch die sekundärseitige Verschaltung in Wicklungsgruppen unterschiedlicher Schaltungsarten wird eine Symmetrierung der Netzlast erreicht An einer Ladestation können zwei Ladeanschlüsse zu einem Paar oder drei Ladeanschlüsse zu einem Dreier-Tupel zusammengefasst werden und dieses Paar/Tupel führt zu einer möglichst symmetrischen Netzbelastung, insbesondere wenn alle Ladeanschlüsse genutzt werden. Jeder Ladeanschluss ist bevorzugt zweiphasig als Gleichspannungsladeanschluss ausgeführt.
Es ist möglich, die Ladeanschlüsse eines Paars/Tupels jeweils über einen Schalter so zu schalten, dass jeder Ladeanschluss geschaltet auf eine der Wicklungsgruppen zugreifen kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Ladeanschlüsse aller Paare/Tupel derart verschaltet sind, dass wahlweise im Wechsel jeweils ein Ladeanschluss mit einer ersten Wicklungsgruppe in einer ersten Schaltungsart verbunden wird und ein zweiter Ladeanschluss mit jeweils einer zweiten Wicklungsgruppe einer zweiten Schaltungsart verbunden ist und ggf. ein dritter Ladeanschluss mit jeweils einer dritten Wicklungsgruppe einer dritten Schaltungsart verbunden ist. Somit wird der Transformator über Ladeanschlüsse möglichst gleichmäßig belastet, da stets abwechselnd jeder neu in Betrieb genommene Ladeanschluss, d.h. ein Ladeanschluss der zur Ladung benutzt wird, auf eine jeweils alternierende Wicklungsgruppe mit alternierender Schaltungsart zugreift.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass sekundärseitig jeweils zwei Ladeanschlüsse zu einem Paar zusammengeschaltet sind. Darüber hinaus kann jeder Ladeanschluss einer Wicklungsgruppe zugeordnet werden, und zwei Wicklungsgruppen für ein Paar von Ladeanschlüssen haben voneinander verschiedene Schaltungsarten.
Auch ist bevorzugt, dass sekundärseitig zumindest fünf Paare/Tupel an Ladeanschlüssen vorgesehen sind.
Somit wird besonders bevorzugt eine Schaltungsgruppe, bei der primärseitig eine Wicklungsgruppe und sekundärseitig zumindest zwei, bevorzugt bis zu zehn Wicklungsgruppen geschaltet sind, wobei jeweils abwechselnd zwei/drei sekundärseitige Wicklungsgruppen voneinander verschiedene Schaltungsarten aufweisen.
Die Ladeanschlüsse werden bevorzugt alternierend auf jeweils verschiedene Wicklungsgruppen mit verschiedenen Schaltungsarten geschaltet. Im Idealfall wird zu keinem Zeitpunkt eine Schaltungsart von einer Anzahl an Ladeanschlüssen genutzt, die in der Anzahl mehr als 1 mehr ist, als die Ladeanschlüsse, die die jeweils andere Schaltungsart nutzen. Insbesondere wird bei jedem neuen Anschluss eines Fahrzeugs an einen Ladeanschluss stets eine solche Wicklungsgruppe dem Ladeanschluss zugeordnet, welche in diesem Moment mit den wenigsten aktiven Ladeanschlüsse verbunden ist. Bei einer gleichen Anzahl an Verbindungen wird nach Zufall entschieden.
Die sekundärseitigen Wicklungsgruppen sind jeweils für eine Nennleistung von zumindest 1 kVA, bevorzugt 2 kVA ausgelegt.
Eine besonders einfache Wartung ist dann möglich, wenn pro Wicklungsgruppe insbesondere ein Leistungsmodul vorgesehen ist, welches zerstörungsfrei von der Ladestation entfernbar angeordnet ist. Insbesondere kann für jedes Leistungsmodul ein Einschubschacht vorgesehen sein, in den das Leistungsmodul eingeschoben werden kann und somit die Wicklungsgruppe mit der Leistungselektronik verschaltet werden kann. Ein Austausch ist dann pro Wicklungsgruppe möglich, so dass die Wartung besonders einfach ist.
Primärseitig ist der Transformator bevorzugt mittelspannungsseitig angeschlossen, insbesondere mit einer Spannung von 10kV, 20kV oder 30kV. Dabei kann der primärseitige Anschluss eine Nennleistung von mehr als 1mVA aufweisen.
Sekundärseitig kann die Nennspannung beispielsweise bei 750V liegen.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine Ladestation gemäß einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine Ladestation 2 mit einem Transformator 4. Der Transformator 4 ist primärseitig über einen Versorgungsnetzanschluss 6 an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen. Dieser Versorgungsnetzanschluss 6 ist bevorzugt dreiphasig. Ferner ist der Versorgungsnetzanschluss 6 insbesondere dazu ausgeführt, an ein Mittelspannungsnetz angeschlossen zu werden. Hierbei sind die Durchschlagfestigkeit und die Stromtragfähigkeit der entsprechenden Wicklungen und Leitungen für einen Anschluss an ein Mittelspannungsnetz ausgelegt.
Primärseitig ist der Transformator 4 mit einer ersten Wicklungsgruppe 8 geschaltet. Die erste Wicklungsgruppe 8 ist eine Sternschaltung (Y).
Sekundärseitig ist der Transformator 4 über Leistungselektroniken 14a-e, 16a-e mit Ladesäulen 24a-e verbunden, die jeweils zwei Ladeanschlüsse 18a, 20a, 18e, 20e aufweisen. Die Ladeanschlüsse 18, 20 sind jeweils in Paaren zusammengefasst einer der Ladestationen 24a-e zugeordnet.
Jedes Leistungsmodul 14a-e, 16a-e ist dreiphasig mit jeweils einer Wicklungsgruppe 10a-e, 12a-e des Transformators 4 verbunden.
Die Wicklungsgruppen 10a-e sind vorliegend als Sternschaltung (y) geschaltet und die Wicklungsgruppen 12a-e sind als Dreiecksschaltung (d) geschaltet.
Jeweils eine Wicklungsgruppe 10, 12 ist mit jeweils einer Leistungselektronik 14, 16 verbunden. In der Leistungselektronik 14, 16 ist jeweils ein Gleichrichter sowie ein Glätter und weitere Leistungsmodule verbaut. Eingangsseitig ist eine Leistungselektronik dreiphasig mit einer Wicklungsgruppe 10, 12 verbunden und ausgangsseitig ist eine Leistungselektronik 14, 16 mit einem Ladeanschluss 18, 20 zweiphasig verbunden.
Zu erkennen ist, dass jeweils zwei Ladeanschlüsse 18, 20 mit jeweils einer Wicklungsgruppe 10, 12 verbunden sind. Die Schaltungsarten der Wicklungsgruppen 10, 12 sind voneinander verschieden, vorliegend Sternschaltung und Dreiecksschaltung.
Der Transformator 4 ist in der Form einer Schaltgruppe Y(yd)₅ verschaltet. D.h., dass sekundärseitig jeweils fünf Paare von Wicklungsgruppen mit jeweils Stern- und Dreiecksschaltung vorgesehen sind. Die Phasenverschiebung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite kann ein Vielfaches von 30° betragen.
Ferner ist zu erkennen, dass die Leistungselektroniken 14, 16 über miteinander verschaltete Schalter 22a-f mit den Ladeanschlüssen 18, 20 verbunden sind. Sind die Schalter 22a, b geschlossen, so sind die Schalter 22c, d geöffnet und die Schalter 22e, f können geschlossen oder geöffnet sein. Sind die Schalter 22a, b geöffnet, so können entweder die Schalter 22c, d geschlossen sein und die die Schalter 22e, f geöffnet sein oder die Schalter 22c, d geöffnet sein und die die Schalter 22e, f geschlossen sein.
Das bedeutet, dass wahlweise entweder die Wicklungsgruppe 10 oder die Wicklungsgruppe 12 auf den Ladeanschluss 18 gelegt werden kann. Ist die Wicklungsgruppe 10 an dem Ladeanschluss 18, so kann nachfolgend an dem Ladeanschluss 12 nur noch die Wicklungsgruppe 12 angeschlossen werden, somit sichergestellt wird, dass wenn beide Ladeanschlüsse 18, 20 einer Ladesäule 24 genutzt werden, diese voneinander verschiedene Wicklungsgruppen mit voneinander verschiedenen Schaltungsarten nutzen.
Darüber hinaus sind die Schalter 22a-f der einzelnen Ladesäulen 24a-e so verschaltet, dass immer im Wechsel jeweils eine Wicklungsgruppe 10 und anschließend eine Wicklungsgruppe 12 oder umgekehrt genutzt wird. Dann ist sichergestellt, dass die Anzahl der Wicklungsgruppen, die genutzt werden, gleich verteilt ist und eine Abweichung in der genutzten Anzahl der Wicklungsgruppen 10, 12 minimiert wird.
Mit Hilfe des gezeigten Systems ist es möglich, ein Hochgeschwindigkeitsladen mittelspannungsseitig zu gewährleisten, ohne eine aufwendige Leistungselektrik. Ferner ist gewährleitet, dass die Netzbelastung durch die alternierende Nutzung unterschiedlicher Schaltungsarten an unterschiedlichen Wicklungsgruppen sekundärseitig des Transformators, möglichst symmetrisch ist.

Claims

Ladestation für Elektrofahrzeuge mit - einem zwischen einem primärseitigen Versorgungsnetzanschluss und zumindest zwei sekundärseitigen Ladeanschlüssen angeordneten Transformator, dadurch gekennzeichnet, - dass den Ladeanschlüssen voneinander getrennte sekundärseitige Wicklungsgruppen zugeordnet sind und - dass die Schaltungsarten der Wicklungsgruppen voneinander verschieden sind.
Ladestation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schaltungsart der primärseitigen Wicklungsgruppe eine Sternschaltung ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schaltungsart einer der sekundärseitigen Wicklungsgruppen eine Sternschaltung ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schaltungsart einer der sekundärseitigen Wicklungsgruppen eine Dreiecksschaltung ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schaltungsart einer der sekundärseitigen Wicklungsgruppen eine Zickzackschaltung ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass jeweils zwei Ladeanschlüsse paarweise einander zugeordnet sind und Wicklungsgruppen mit voneinander verschiedenen Schaltungsarten zugeordnet sind.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass sekundärseitig mehr als ein Paar von zwei Ladeanschlüssen, insbesondere fünf Paare von Ladeanschlüssen angeschlossen sind.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Transformator mit einer primärseitigen Wicklungsgruppe und zumindest sekundärseitigen Wicklungsgruppen geschaltet ist, wobei jeweils zwei sekundärseitige Wicklungsgruppen voneinander verschiedene Schaltungsarten aufweisen.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass zwei Ladeanschlüsse eines Paars an Ladeanschlüssen ausgangsseitig schaltbar miteinander verbunden sind.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine sekundärseitige Wicklungsgruppe für eine Nennleistung von zumindest 100kVA, bevorzugt 200kVA ausgelegt ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Leistungselektronik pro Wicklungsgruppe, insbesondere umfassend einen Gleichrichter, als Leistungsmodul zerstörungsfrei von der Ladestation entfernbar angeordnet ist.
Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Versorgungsnetzanschluss an eine Mittelspannung angeschlossen ist, insbesondere mit einer Spannung von 10kV, 20kV oder 30kV.