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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koordinieren von Ladevorgängen mehrerer elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge, die an unterschiedlichen elektrischen Ladestationen angeschlossen sein können, wobei diese Ladestationen über ein gemeinsames elektrisches Netz versorgt werden. Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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Bisher werden bei Elektrofahrzeugen, das heißt elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, hauptsächlich zwei Ladearten angewendet. Entweder wird das Kraftfahrzeug nach dem Anstecken an die Ladestation unmittelbar mit voller Ladeleistung geladen oder der Ladevorgang wird erst zu einem vorbestimmten Startzeitpunkt begonnen oder gestartet. Diese letztere Variante wird auch als Timer-Laden bezeichnet. Beide Arten sind allerdings als problematisch anzusehen, da es zu einer Rückwirkung in dem elektrischen Netz oder Stromnetz kommen kann, denn das Einschalten eines Ladevorgangs bewirkt eine Lastveränderung im Netz. Diese kann zu einer Spannungsschwankung führen, beispielsweise einem Spannungseinbruch oder einem Spannungsanstieg. Da in den kommenden Jahren ein Anstieg der Anzahl an elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen zu erwarten ist, ist damit zu rechnen, dass diese Effekte verstärkt auftreten werden.
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Insbesondere, wenn viele Ladevorgänge gleichzeitig an einem gemeinsamen elektrischen Netz gestartet oder beendet werden, wie dies sich insbesondere bei dem Timer-Laden ergeben kann, können im elektrischen Netz unvorhersehbare Spannungseinbrüche oder Lastspitzen entstehen. Das Ausmaß oder die Größe solcher Spannungsschwankungen ist abhängig von der geschalteten Ladeleistung der Kraftfahrzeuge. Bisher beträgt die Ladeleistung oftmals nur 3,7 kW. Allerdings geht der Trend hin zu Ladeleistungen größer als 11 kW, da mit höheren Ladeleistungen die Kraftfahrzeuge in einem entsprechend geringeren Bruchteil der sonst aufzuwendenden Ladezeit geladen werden können. Gerade eine Kombination aus einer Vielzahl von gleichzeitig startenden/beendeten Ladevorgängen mit einer derart hohen Ladeleistung führt zu schwerwiegenden Rückwirkungen auf das elektrische Netz. Es kommt unter anderem zu Spannungseinbrüchen, Frequenzverschiebungen, Überlastung der Netz-Transformatoren und kann Sicherungen auslösen.
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Aus der
DE 10 2010 002 237 A1 ist das Koordinieren von Ladevorgängen mehrerer Kraftfahrzeuge bekannt. Die Kraftfahrzeuge werden über Anschlüsse eines lokalen elektrischen Netzes geladen, wobei die Einschaltzeitpunkte und Abschaltzeitpunkte gemäß einem vorgebbaren Energieverteilungsplan festgelegt werden, sodass eine maximal verfügbare Leistung nicht überschritten wird.
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Ein Schutz eines Netzes vor einer Überlastung durch Ladevorgänge mehrerer Kraftfahrzeuge ist auch aus der
JP H 08 116626 A bekannt. Die Ladevorgänge mehrerer elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge werden demnach derart koordiniert, dass die sich insgesamt ergebende Ladeleistung nicht die vom Netz bereitstellbare elektrische Leistung überschreitet.
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Durch den Stand der Technik ist es zwar möglich, die Startzeitpunkte und Abschaltzeitpunkte von Ladevorgängen elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge zu koordinieren. Dennoch erfolgt das Einschalten und Abschalten jedes Ladevorgangs „hart“, das heißt es kann zu einem vollständigen Zuschalten oder Wegschalten der Ladeleistung kommen. Erfolgt dies in einer dichten Folge nacheinander oder sogar gleichzeitig, so kann sich ebenfalls eine Überlastung des Netzes ergeben. Beispielsweise kann ein elektrisches Netz über einen Transformator versorgt werden, dessen Übertragungsleistung schaltbar ist. Ändert sich die im elektrischen Netz bezogene elektrische Leistung schneller als der Transformator nachschalten kann (beispielsweise durch Zuschalten oder Wegschalten von elektrischen Windungen), so kann dies ebenfalls zu einer Überlastung führen, obwohl der Transformator theoretisch die angeforderte Leistung nach dem Schalten bereitstellen könnte, wenn er genug Zeit zum Umschalten hätte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Ladevorgänge an die Leistungsfähigkeit eines elektrischen Netzes anzupassen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren.
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Die Erfindung geht aus von dem eingangs beschriebenen Verfahren zum Koordinieren von Ladevorgängen mehrerer elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge an unterschiedlichen elektrischen Ladestationen, die aber wiederum über ein gemeinsames elektrisches Netz versorgt werden. Die Ladestationen können örtlich verteilt sein oder zumindest einige davon können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine zentrale Steuervorrichtung ausgeführt werden, die beispielsweise als ein Server für das Internet ausgestaltet sein kann. Vor den Ladevorgängen werden durch die zentrale Steuervorrichtung aus jedem der Kraftfahrzeuge jeweils Planungsdaten betreffend den jeweiligen Ladevorgang des Kraftfahrzeugs empfangen. Durch seine Planungsdaten kann jedes Kraftfahrzeug angeben, wie viel elektrische Energie es benötigt und/oder mit welcher maximalen Ladeleistung es die Energie beziehen möchte und/oder bis zu welchem Zeitpunkt die Energie spätestens übertragen sein soll. Auf der Grundlage der Planungsdaten der Kraftfahrzeuge erzeugt die Steuervorrichtung für jedes Kraftfahrzeug einen individuellen Ladeplan. Der Ladeplan beschreibt den zeitlichen Leistungsverlauf der zu übertragenden Ladeleistung. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Zeitplan, der für jeden Zeitpunkt angibt, wie viel elektrische Leistung das Kraftfahrzeug jeweils aus seiner Ladestation beziehen oder entnehmen soll.
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Erfindungsgemäß sind nun diese Ladepläne derart aufeinander abgestimmt, dass sich gemäß den Ladeplänen zu jedem Zeitpunkt insgesamt eine maximale Veränderung der Last, also eine Lastveränderung, in dem elektrischen Netz ergibt, die kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Mit anderen Worten ergibt eine Überlagerung oder Summierung der Ladepläne einen Gesamtladeplan, dessen zeitlicher Gradient oder dessen mathematische Ableitung nach der Zeit oder dessen maximale Veränderung innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls stets einen Wert aufweist, der kleiner als der Schwellenwert ist. Mit anderen Worten ergeben sich durch die Ladevorgänge der Kraftfahrzeuge nur solche Schaltvorgänge und/oder Veränderungen der Ladeleistung, die auch im Bezug auf den zeitlichen Gradienten oder maximale zeitliche Änderung begrenzt sind. Eine Veränderung der elektrischen Last im Netz bezogen auf eine vorbestimmte Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde oder pro zehn Sekunden, ist also stets kleiner als der durch den Schwellenwert bestimmte Höchstwert.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass in dem elektrischen Netz die darin geschaltete Ladeleistung in Bezug auf ihre zeitliche Veränderung begrenzt werden kann. Somit kann dafür gesorgt werden, dass das Gesamtladeverhalten der Kraftfahrzeuge die zeitliche Anpassung berücksichtig, mit der in dem elektrischen Netz elektrische Leistung, beispielsweise durch einen Transformator, nachgeführt oder aufgebaut werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch auf eine Induktivität des elektrischen Netzes, also zum Beispiel auf Leitungsinduktivitäten und/oder auf eine Induktivität eines Transformators, Rücksicht genommen werden. Hierdurch kann beispielsweise bei Abschaltvorgängen eine Spannungsspitze unter einem Höchstwert gehalten werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Um den Schwellenwert der zeitlichen Veränderung individuell an das Netz anpassen zu können, sieht eine Weiterbildung vor, dass durch die Steuervorrichtung Kenndaten von zumindest einer Netzkomponente des Netzes empfangen werden. Insbesondere umfasst die zumindest eine Netzkomponente den besagten Transformator und/oder einen jeweiligen Netzanschlusspunkt der Ladestationen und/oder eine elektrische Leitung des Netzes. Die Kenndaten können dann schaltbare Leistungsstufen des Transformators und/oder einer Ladestation und/oder eine Leistungsbegrenzung des Transformators und/oder eines Netzanschlusspunkts und/oder einen Induktivitätswert angeben. Mit Leistungsstufen sind die beschriebenen schaltbaren Stufen, beispielsweise eines Transformators, gemeint, wie sie sich z.B. bei einem Transformator durch Zuschalten oder Wegschalten von elektrischen Windungen ergeben können. Auch an einem Netzanschlusspunkt kann eine Umschaltung in Leistungsstufen, beispielsweise mittels eines Transformators, vorgesehen sein.
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Bei herkömmlichen Ladezeitplänen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden Ladevorgänge im 15-Minuten-Takt geschaltet, wobei auch mehrere gleichzeitige Schaltvorgänge vorgesehen sein können. Um diese verhältnismäßig grobe Rasterung zu vermeiden, ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass gemäß den Ladeplänen bei überwiegend gleichzeitigen Ladevorgängen für deren Schaltzeitpunkte zum Starten und/oder Beenden des jeweiligen Ladevorgangs untereinander ein zeitlicher Versatz in einem Bereich von 1 s bis 2 min vorgesehen ist. Mit „überwiegend gleichzeitig“ ist also gemeint, dass sich die Ladevorgänge zeitlich um mindestens 70 Prozent, insbesondere 80 Prozent, überlappen. Solche Ladevorgänge können nahezu gleichzeitig auch gestartet und/oder beendet werden. Der zeitliche Versatz beträgt dann höchstens eine Sekunde bis zwei Minuten. Dennoch ist vermieden, dass sich hierdurch im elektrischen Netz eine Spannungsschwankung ergibt, da die Lastveränderung, die sich durch das Einschalten und/oder Abschalten eines Ladevorgangs ergibt, stets auf den Schwellenwert begrenzt ist, indem die Ladeleistung z.B. graduell gesteigert oder abgesenkt wird.
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Insbesondere ist somit bei der Erfindung vorgesehen, dass gemäß den Ladeplänen innerhalb eines 15-Minuten-Zeitintervalls die Ladevorgänge mehrerer der Kraftfahrzeuge gestartet oder beendet werden. Insbesondere werden mehr als zwei, insbesondere mehr als drei Ladevorgänge gestartet oder beendet. Somit ist also eine hohe Zeitsynchronität der Schaltvorgänge (Einschalten und/oder Abschalten der Ladevorgänge) möglich. Es ist nicht nötig, dass ein Kraftfahrzeug mit seinem Ladevorgang 15 Minuten warten muss.
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Um Ladepläne zu konstruieren, welche in der Summe den besagten Schwellenwert der Lastveränderung nicht überschreiten, sieht eine Weiterbildung vor, dass einer oder einige oder alle der Ladepläne jeweils eine Anstiegsfunktion für den Start und/oder eine Reduktionsfunktion für das Ende des Ladevorgangs vorsehen. Die Anstiegsfunktion und/oder die Reduktionsfunktion umfasst hierzu jeweils insbesondere eine Rampe oder eine mehrstufige Stufenfunktion. Mit „mehrstufig“ sind insbesondere zwei Stufen oder mehr als zwei Stufen gemeint. Durch die Anstiegsfunktion und/oder Reduktionsfunktion ergibt sich also jeweils zumindest ein Zwischenwert zwischen der vollen Ladeleistung des jeweiligen Kraftfahrzeugs und/oder der Ladestation einerseits und 0 kW andererseits. Mit anderen Worten kommt es nicht zu dem besagten „harten“ Schalten zwischen 0 kW und der vollen Ladeleistung. Es gibt einen Übergangsbereich, durch welchen die Ladeleistung graduell oder stufenweise gesteigert oder reduziert wird. Der Übergangsbereich kann durch eine Leistungselektronik des Ladesteuergeräts des jeweiligen Kraftfahrzeugs und/oder der Ladestation umgesetzt werden.
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Um die Ladepläne umzusetzen, werden gemäß einer Weiterbildung die individuellen Ladepläne an das jeweilige Kraftfahrzeug und/oder an die jeweilige Ladestation, an welcher das Kraftfahrzeug aufgeladen werden soll, ausgesendet. Hierdurch wird dann ein jeweiliges Ladesteuergerät des Kraftfahrzeugs und/oder der Ladestation für den Ladevorgang konfiguriert. Somit werden also durch ein Ladesteuergerät des jeweiligen Kraftfahrzeugs und/oder ein Ladesteuergerät der Ladestation die Ladepläne umgesetzt.
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Für das Koordinieren der Ladevorgänge stellt die Erfindung auch eine Steuervorrichtung bereit, um die Ladevorgänge mehrerer elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge an unterschiedlichen elektrischen Ladestationen zu koordinieren, die über ein gemeinsames elektrisches Netz angeschlossen sind. Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug kann ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Das elektrische Netz kann ein Niedervolt-Drehstromnetz sein oder auch ein Mittelvolt-Netz. Die Steuervorrichtung kann in der besagten Weise als ein Server für das Internet ausgestaltet sein. Allgemein weist die Steuervorrichtung eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Microcontroler und/oder zumindest einen Microprozessor aufweisen. Die Prozessoreinrichtung kann einen Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer zentralen Steuervorrichtung und mehreren elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie es durch die Erfindung ermöglicht ist; und
- 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Systems von 1.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein System 10 mit einer Steuervorrichtung 11 und Ladestationen 12, an denen jeweils ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 13 aufgeladen werden soll. Mit „aufladen“ ist gemeint, dass ein elektrischer Energiespeicher des jeweiligen Kraftfahrzeugs 13 mit elektrischer Energie aus einem elektrischen Netz 14 aufgeladen wird, welches die elektrische Energie beispielsweise über einen Transformator 15 aus einem elektrischen Verteilungsnetz, beispielsweise einem Mittelspannungsnetz oder Hochspannungsnetz, empfangen kann. Die Steuervorrichtung 11 kann aus den Kraftfahrzeugen 13 oder aus einem die Kraftfahrzeuge 13 verwaltenden Server Planungsdaten 16 empfangen, welche die Ladewünsche der Kraftfahrzeuge 13 beschreiben können. Beispielsweise können die Ladeleistungen der Kraftfahrzeuge 13 und/oder Zeitangaben betreffend die verfügbare Ladezeit durch die Planungsdaten 16 signalisiert sein. Die Steuervorrichtung 11 kann dann in Abhängigkeit von den Planungsdaten 16 für jedes Kraftfahrzeug 13 oder seine Ladestation 12 einen individuellen Ladeplan 17 erzeugen und an die jeweilige Ladestation 12 und/oder das Kraftfahrzeug 13 aussenden. In 1 sind beispielhaft über der Zeit t die Ladepläne 17 dargestellt, die für jeden Zeitpunkt die jeweils zu beziehende oder zu übertragende Ladeleistung P beschreiben. Zwischen den jeweiligen Startzeitpunkten und Abschaltzeitpunkten der einzelnen Ladevorgänge 18 kann bei den Ladeplänen 17 ein zeitlicher Versatz 19 vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in jedem Ladeplan 17 eine Anstiegsfunktion 20 und/oder eine Reduktionsfunktion 21 vorgesehen sein. In 1 sind die Anstiegsfunktion 20 und die Reduktionsfunktion 21 jeweils als mehrstufige Stufenfunktion ausgestaltet.
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In 1 ist des Weiteren dargestellt, wie sich durch die zeitliche Überlagerung der individuellen Ladepläne 17 ein Gesamtladeplan 22 ergibt, welcher die Rückwirkung der Ladestationen 12 auf das Netz 14 beschreibt. Die Gesamtladefunktion 22 ist in 1 geglättet dargestellt, das heißt die mehrstufigen Stufenfunktionen sind darin nicht mehr abgebildet. Die Gesamtladefunktion 22 ist in Bezug auf eine Lastveränderung begrenzt. Zu jedem Zeitpunkt der Ladevorgänge 18 ergibt sich stets eine Lastveränderung, die immer kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
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Um diesen Schwellenwert oder allgemein die Ladepläne 17 an das Netz 14 anzupassen, können von zumindest einer Netzkomponente des Netzes jeweils Kenndaten 23 durch die Steuervorrichtung 11 empfangen werden. Eine Netzkomponente kann beispielsweise ein Netzanschlusspunkt der jeweiligen Ladestation 12 und/oder der Transformator 15 sein. Die Kenndaten 23 können auch aus einer zentralen Datenquelle, beispielsweise vom Betreiber des Netzes 14, abgerufen werden.
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Die sich ergebende Gesamtladeleistung 24 und die maximale Lastveränderung, das heißt ein maximaler Gradient 25 oder maximaler Lastsprung (bei stufenweiser Veränderung) kann somit an das Netz 14 angepasst sein.
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2 zeigt das System 10 noch einmal in einer Variante, bei welcher die Anstiegsfunktion 20 und die Reduktionsfunktion 21 der individuellen Ladepläne nicht gestuft oder mehrstufig, sondern graduell oder als Rampe ausgestaltet ist.
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Die Steuervorrichtung verhindert mittels der Ladepläne 17 somit durch zeitversetztes Zu- und Abschalten der Ladevorgänge 18 sowie durch eine zeitliche Veränderung der Anstiegs- und Abfallrampe der Ladeleistungen P von einzelnen Kraftfahrzeugen 13 eine Überlastung des Netzes 14. Insgesamt sind somit die Ladevorgänge 18 für die Netzinfrastruktur verträglich oder kompensierbar. Die sich ergebende Gesamtladeleistung 24 kann auf die im Netz 14 verfügbare Restleistung (maximale Leistung abzüglich der bereits von anderen elektrischen Verbrauchern bezogene Leistung) angepasst sein.
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Auch bei einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen 13 können somit deren Ladewünsche (beschrieben durch die Planungsdaten 16) erfüllt werden, ohne dass es dabei zu negativen Rückwirkungen auf das Stromnetz oder Netz 14 kommt. Durch das gezielte Verändern oder Anpassen der Ladevorgänge kann mit der hohen Ladeleistung von Kraftfahrzeugen umgegangen werden.
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In den Fig. dargestellt sind die Möglichkeiten zur Realisierung. In der Steuervorrichtung 11 werden die Informationen über Transformatoren, Leistungsbegrenzungen der Netzanschlusspunkte, die Anzahl und Ladeleistungen der zu ladenden Kraftfahrzeuge verwaltet. Die Leistungsbegrenzungen an Netzanschlusspunkten und Transformatoren sind länderspezifisch. Insbesondere deren Leistungsgradienten. Entscheidend ist unter anderem ein zeitlicher Versatz 19 zwischen den Ladevorgängen 18 der verschiedenen Kraftfahrzeuge 13. Dieser kann durch bereits im Vorfeld durch eine entsprechende Funktion in der Steuervorrichtung 11 berechnet werden und kann in den einzelnen Ladeplänen 17 angegeben sein. An alle Kraftfahrzeuge 13 kann der individuell zugeschnittene Ladeplan kommuniziert oder ausgesendet werden. Hierzu kann eine Mobilfunkverbindung oder WLAN-Verbindung (WLAN - Whireless Local Area Network) oder eine Powerline-Kommunikation genutzt werden. Die Ladesteuergeräte der Kraftfahrzeuge und/oder der Ladestationen 12 können dann die Ladepläne 17 auswerten und/oder übernehmen und hierdurch die Steuerung der Ladevorgänge 18 (zum Beispiel das Einschalten und Ausschalten) gemäß den Ladeplänen 17 durchführen.
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Eine Ladestation 12 kann beispielsweise als eine Ladestation ausgestaltet sein.
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Um die Zeitversätze 19 einzuhalten, kann mit Mitteln aus dem Stand der Technik eine Zeitsynchronität zwischen allen Ladesteuergeräten sichergestellt werden. Die einzelnen Kraftfahrzeuge 13 starten dann zeitversetzt mit ihren Ladevorgängen, wodurch die Summe der bezogenen Ladeleistungen P gleichmäßig oder gestuft ansteigt, was in der gleichmäßig ansteigenden Gesamtladekurve 22 resultiert. Auch beim Beenden der Ladevorgänge 18 werden die Kraftfahrzeuge 13 nacheinander vom Netz 14 genommen, damit es hier nicht zu unzulässig hohen Spannungsanstiegen im Netz 14 kommt.
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Das beschriebene Verfahren kann mit einem herkömmlichen Ladezeitplan kombiniert werden, welcher das Zuschalten und Abschalten im 15-Minuten-Takt vorsehen kann. Zusätzlich ist aber zu einer solchen Ladezeitplanung durch die Steuervorrichtung vorgesehen, dass Leistungssprünge, welche durch die gleichzeitige Aktivierung von Fahrzeugladevorgängen im Netz 14 hervorgerufen werden können, reduziert werden, um eine Überspannung und/oder Unterspannung im Netz 14 zu verhindern.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine zeitliche Koordination der Start- und Endzeitpunkten von Ladevorgängen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002237 A1 [0004]
- JP H08116626 A [0005]
- DE 112012005488 T5 [0006]
