DE102018006145A1

DE102018006145A1 - Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018006145A1
Application number: DE102018006145.1A
Authority: DE
Inventors: Carsten Brendel; Karsten Dähre
Original assignee: Kostal Industrie Elektrik GmbH
Current assignee: KOSTAL INDUSTRIE ELEKTRIK GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest ein Solarzellenmodul sowie einen Solarwechselrichter mit einem Gleichspannungsanschluss, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungsanschluss des Solarwechselrichters mit einem ersten DC/DC-Wandler zur Verbindung mit einem Gleichstrom-Ladeanschluss für das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug verbunden ist, und dass der Gleichspannungsanschluss des Solarwechselrichters parallel dazu mit einem zweiten DC/DC-Wandler zur Verbindung mit einer stationären Speicherbatterie verbunden ist, und dass eine Steuerelektronik zur Steuerung sowohl des ersten als auch des zweiten DC/DC-Wandlers vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest ein Solarzellenmodul sowie einen Solarwechselrichter mit einem Gleichspannungsanschluss.
Unter dem Begriff elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sollen hier Fahrzeuge verstanden werden, die entweder ausschließlich oder zusätzlich durch Elektromotoren angetrieben werden und die zumindest optional eine elektrische Lademöglichkeit an einer externen Stromquelle vorsehen. Insbesondere sollen auch sogenannte Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge hiervon umfasst sein.
Solarzellenmodule werden im Rahmen sogenannter Photovoltaiksysteme zur regenerativen Energieerzeugung verwendet. Der von den Solarzellen des Photovoltaiksystems erzeugte Gleichstrom wird dabei von einem Solarwechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und direkt als Haushaltsstrom verwendet oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Zunehmend kommen bei solchen Photovoltaiksystemen auch zusätzliche Speicherbatterien zum Einsatz, in denen die über den aktuellen Eigenbedarf hinaus erzeugte Energie statt sie ins Netz einzuspeisen zwischengespeichert wird, um sie bei Bedarf auch unabhängig von der Erzeugung z.B. Nachts oder bei starker Bewölkung abrufen zu können. Darüber hinaus kann mit solchen Systemen die zur Mittagszeit anfallende Erzeugungs-/Einspeiseleistungsspitze begrenzt werden.
Beim leitungsgebundenen Laden elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge haben sich das Wechselstromladen einerseits und das Gleichstromladen andererseits als mögliche Ladeverfahren etabliert. Beim Wechselstromladen wird ein ein- oder mehrphasiger Wechselstrom über eine Leitung dem Elektrofahrzeug zugeführt. Ein AC/DC-Wandler erzeugt aus diesem Wechselstrom einen Gleichstrom, der der Traktionsbatterie zugeführt wird. Das vollständige Aufladen einer entladenen Traktionsbatterie dauert dabei üblicherweise mehrere Stunden. Beim Gleichstromladen wird das Fahrzeug an einer Ladestation mit einem Gleichstrom beaufschlagt. Dabei kann die Traktionsbatterie direkt, das heißt üblicherweise über einen mechanischen oder elektronischen Trennschalter, aber ohne dass innerhalb des Fahrzeugs weitere Wandler notwendigerweise zum Einsatz kommen müssen, mit der Ladestation verbunden werden. Hierdurch ist es möglich, beim Laden deutlich höhere Ströme als beim Wechselstromladen vorzusehen, wodurch der Ladevorgang vergleichsweise schnell ablaufen kann.
Aus der DE 10 2013 002 078 A1 ist ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem System wird die von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelte Solarenergie über einen Ladeanschluss dem Kraftfahrzeug zugeführt und in diesem mittels eines AC/DC-Wandlers wieder in einen Gleichstrom umgewandelt, der der Traktionsbatterie zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs zur Verfügung, mit dem eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsfälle einfach und kostengünstig abgedeckt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gleichspannungsanschluss des Solarwechselrichters mit einem ersten DC/DC-Wandler zur Verbindung mit einem Gleichstrom-Ladeanschluss für das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug verbunden ist, und dass der Gleichspannungsanschluss des Solarwechselrichters parallel dazu mit einem zweiten DC/DC-Wandler zur Verbindung mit einer stationären Speicherbatterie verbunden ist, und dass eine Steuerelektronik zur Steuerung sowohl des ersten als auch des zweiten DC/DC-Wandlers vorhanden ist.
Die ersten und zweiten DC/DC-Wandler sowie die Steuerelektronik des erfindungsgemäßen Ladesystems sind vorzugsweise in einer Steuereinrichtung integriert und als solche zu einem Gerät zusammengefasst und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems als Blockschaltbild
2: Die in 1 mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete elektronische Steuereinrichtung in einer detaillierteren Darstellung als Blockschaltbild

Wie aus 1 ersichtlich umfasst das erfindungsgemäße Ladesystem als zentrale Komponente eine Photovoltaikanlage mit Solarzellen 2 und einem Solarwechselrichter 3. Der Solarwechselrichter 3 ist dabei mit seiner Wechselspannungsseite 3" mit einem Hausanschluss 10 und darüber mit dem öffentlichen Stromnetz 11 verbunden. Auf seiner Gleichspannungsseite 3' ist der Solarwechselrichter 3 mit einem Gleichspannungsanschluss 4 versehen, über den der Wechselrichter 3 mit externen Geräten verbunden werden kann. Über diesen Gleichspannungsanschluss 4 ist der Solarwechselrichter 3 hier mit einer elektronischen Steuereinrichtung 20 verbunden, welche außerdem sowohl mit einer stationären Speicherbatterie 8 als auch mit der Traktionsbatterie 1 eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1' verbunden werden kann.
Die elektronische Steuereinrichtung 20, die in 2 detaillierter dargestellt ist, stellt im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung eine Leistungsweiche zwischen den Komponenten Solarwechselrichter 3, stationäre Speicherbatterie 8 und Traktionsbatterie 1 des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1' dar. Mittels dieser Leistungsweiche können unterschiedliche Leistungsflüsse zwischen diesen Komponenten je nach äußeren Gegebenheiten, wie z.B. der momentanen Verfügbarkeit solarer Leistung oder gewünschten Funktionen, wie etwa der Aufladung der Traktionsbatterie 1 des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1' realisiert und gesteuert werden.
Der mit dem Solarwechselrichter 3 verbundene Anschluss der elektronischen Steuereinrichtung 20 ist, wie in 2 zu sehen, in einer Parallelschaltung mit zwei DC/DC-Wandlern 5, 7 verbunden. Dabei ist der erste dieser DC/DC-Wandler 5 andererseits mit einem Gleichstrom-Ladeanschluss 6 für die Traktionsbatterie 1 eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1' verbunden, und der zweite DC/DC-Wandler 7 ist andererseits mit einer stationären Speicherbatterie 8 verbunden. Eine Steuerelektronik 9 innerhalb der elektronischen Steuereinrichtung 20 ist zur Steuerung sowohl des ersten als auch des zweiten DC/DC-Wandlers 5, 7 vorhanden und regelt die jeweiligen Leistungsflüsse. Eine entsprechende Software zur Steuerung der unterschiedlichen Leistungsflüsse ist entweder in der Steuerelektronik 9 selbst integriert oder, wie hier dargestellt, in einem externen Kommunikations- und Kontrollgerät 12 implementiert, welches direkt mit dem Solarwechselrichter 3 kommunizieren kann. Das externe Kommunikations- und Kontrollgerät 12 kann mit der Steuerelektronik 9 sowohl drahtgebunden als auch drahtlos verbunden sein.
Eine Kommunikation der Steuerelektronik 9 mit dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug 1' erfolgt über eine geeignete Kommunikationseinrichtung 13 wie z.B. einen Can-Bus oder eine Power-Line-Communication mittels eines entsprechenden Schnittstellengeräts 14, das gleichzeitig auch eine galvanisch getrennte Stromversorgung für den mit dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug 1' verbundenen Teil der elektronischen Steuereinrichtung 20 beinhaltet.
Bei der zum gegenwärtigen Zeitpunkt allgemein gebräuchlichen Konfiguration elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge ist es nämlich erforderlich, eine galvanische Trennung zwischen der Seite der Photovoltaikanlage und der Seite des Kraftfahrzeugs vorzunehmen. Dazu ist sowohl der erste, mit dem Gleichstrom-Ladeanschluss 6 für das Kraftfahrzeug verbunden DC/DC-Wandler 5 als isolierter DC/DC-Wandler auszugestalten, als auch eben eine isolierte Spannungsversorgung für den der Kraftfahrzeugseite zugeordneten Teil der elektronischen Steuereinrichtung 20 vorzusehen.
Durch eine bidirektionale Funktionsweise einiger oder vorzugsweise aller im System vorhandenen Wandlereinrichtungen, d.h. insbesondere der ersten und zweiten DC/DC-Wandler 5, 7 sowie auch des Solarwechselrichters 3, der in diesem Falle auch als Gleichrichter wirken kann, ist eine maximale Flexibilität des Systems hinsichtlich der möglichen Leistungsflüsse gewährleistet. Insbesondere wird dabei angestrebt, einen möglichst hohen Eigenverbrauch der erzeugten Solarenergie und im Gegenzug einen möglichst niedrigen Bezug elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 11 zu erreichen.
Dies gelingt durch ein intelligentes Energiemanagement unter Berücksichtigung des aktuellen Energiebedarfs im Haushalt, der momentan durch die Solarzellen 2 der Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellten Solarenergie, sowie der jeweiligen Ladezustände der stationären Speicherbatterie 8 und der Traktionsbatterie 1 des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1'. Zentraler Knotenpunkt dieses intelligenten Energiemanagements ist dabei die durch die elektronische Steuereinrichtung 20 realisierte, steuerbare Leistungsweiche für die möglichen Leistungsflüsse.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013002078 A1 [0005]

Claims

Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie (1) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (1'), umfassend zumindest ein Solarzellenmodul (2) sowie einen Solarwechselrichter (3) mit einem Gleichspannungsanschluss (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungsanschluss (4) des Solarwechselrichters (3) mit einem ersten DC/DC-Wandler (5) zur Verbindung mit einem Gleichstrom-Ladeanschluss (6) für das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug (1') verbunden ist, und dass der Gleichspannungsanschluss (4) des Solarwechselrichters (3) parallel dazu mit einem zweiten DC/DC-Wandler (7) zur Verbindung mit einer stationären Speicherbatterie (8) verbunden ist, und dass eine Steuerelektronik (9) zur Steuerung sowohl des ersten als auch des zweiten DC/DC-Wandlers (5, 7) vorhanden ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite DC/DC-Wandler (5, 7) sowie die Steuerelektronik (9) zur Steuerung derselben in einer Steuereinrichtung (20) integriert sind.
Ladesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Software zur Steuerung verschiedener Leistungsflüsse innerhalb der Steuereinrichtung (20) in der Steuerelektronik (9) integriert ist.
Ladesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Software zur Steuerung verschiedener Leistungsflüsse innerhalb der Steuereinrichtung (20) in einem mit der Steuerelektronik (9) drahtgebunden oder drahtlos verbundenen externen Kommunikations- und Kontrollgerät (12) integriert ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektronischen Steuereinrichtung (20) ein Schnittstellengerät (14) zur galvanisch getrennten Stromversorgung des mit dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug (1') verbundenen Teils der Steuereinrichtung (20) und zur Verbindung mit einer Kommunikationseinrichtung (13) zur Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug (1') vorhanden ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite DC/DC-Wandler (5, 7) und der Solarwechselrichter (3) bidirektional arbeitend ausgelegt sind.
Verwendung eines Ladesystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bereitstellung eines intelligenten Energiemanagements für einen Haushalt mit einer Photovoltaikanlage.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung des aktuellen Energiebedarfs im Haushalt, der momentan durch die Solarzellen (2) der Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellten Solarenergie, sowie der jeweiligen Ladezustände der stationären Speicherbatterie (8) und der Traktionsbatterie (1) des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (1') ein hoher Eigenverbrauch der erzeugten Solarenergie und ein niedriger Bezug elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (11) erreicht wird.