DE102018201060A1

DE102018201060A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102018201060A1
Application number: DE102018201060.9A
Authority: DE
Inventors: Taleb Janbein; Christoph Woll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges. Die Vorrichtung ist ausgestattet mit einer Energieversorgungseinrichtung (EV), welche eine Transformatoreinrichtung (T) aufweist, die primärseitig an ein Wechselspannungsnetz (N) elektrisch anschließbar ist, und welche eine Wandlereinrichtung (GB) aufweist, deren Eingang sekundärseitig an die Transformatoreinrichtung (T) elektrisch angeschlossen ist, wobei die Energieversorgungseinrichtung (EV) eine Pufferbatterieeinrichtung (PB) aufweist, welche an den Ausgang der Wandlereinrichtung (GB) elektrisch angeschlossen ist. Die Wandlereinrichtung (GB) weist eine Gleichrichterfunktion auf, so dass die Pufferbatterieeinrichtung (PB) mit gleichgerichteter Spannung des Wechselspannungsnetzes (N) aufladbar ist. Die Pufferbatterie (PB) ist an ein Gleichspannungsnetz (N') elektrisch angeschlossen, das mit einer Mehrzahl von Ladeanschlüssen (A1-A4) zum Laden der Batterie eines mit einem jeweiligen Ladeanschluss (A1-A4) elektrisch verbundenen Elektrokraftfahrzeuges (E) elektrisch verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges.
Stand der Technik
Damit sich Elektrokraftfahrzeuge vom reinen Stadtfahrzeug hin zum Fahrzeug für alle Strecken entwickeln und damit auch vom Zweitfahrzeug zum Erstfahrzeug entwickeln können, ist eine verlässliche und moderne Lade-Infrastruktur erforderlich. Je mehr Elektrokraftfahrzeuge im Verkehr sind, desto mehr Strom wird benötigt, um die Batterien aller dieser Elektrokraftfahrzeuge zu laden. Ein rentabler Betrieb von Ladesäulen kann in den nächsten Jahren nur im städtischen Bereich erfolgen. In ländlichen Regionen werden sowohl der Netzausbau noch nicht so schnell erfolgen als auch die Auslastung der Ladestationen nicht so hoch sein.
Nur mit hohen Investitionen und intelligenter Technik können die Stromnetze derart verstärkt werden, dass die benötigte Leistung zur Verfügung steht, um an den öffentlichen Ladesäulen die Elektrokraftfahrzeuge zu laden. Wenn viele Elektrokraftfahrzeuge gleichzeitig geladen werden oder an den Schnellladestationen ihre Batterien aufladen, entstehen an diesen lokalen Standorten hohe Spitzenbelastungen. Zudem ist die über den Tag verteilte Netzauslastung unterschiedlich. Diesbezüglich ist das öffentliche Stromnetz heute bei Weitem noch nicht optimal ausgelegt. Deshalb befassen sich die Energieversorgungsunternehmen verstärkt mit den Themen Stromproduktion, Stromverbrauch und Energiespeicherung und streben eine zeitliche Entkopplung an, sodass sich beispielsweise Solarstrom auch nachts nutzen lässt.
Heutige Schnellladestationen bedienen sich typischerweise Wechselspannungs/Gleichspannungswandlern, wie beispielsweise aus der WO 2012/038222 A2 bekannt.
4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges.
In 4 bezeichnet Bezugszeichen K eine Kraftanlage, welche ein Wechselspannungsnetz N, typischerweise ein 22 kV-Netz, mit Energie versorgt. Die Vorrichtung bzw. Ladestation weist eine Transformatoreinrichtung T auf, die eingangsseitig eine Primärwicklung P1 und ausgangsseitig eine Sekundärwicklung S1 aufweist. Die Primärwicklung P1 ist an das Mittelspannungs-Wechselspannungsnetz N angeschlossen, wohingegen die Sekundärwicklung S1 an ein Niederspannungs-Wechselspannungsnetz NW angeschlossen ist.
An der Ladestation ist eine Mehrzahl von Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen AD1, AD2, AD3, AD4 vorgesehen, welche die Wechselspannung des Niederspannungs-Wechselspannungsnetzes NW auf die benötigte Batterieladespannung der Elektrokraftfahrzeuge wandeln.
Die Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen AD1, AD2, AD3, AD4 sind mit jeweiligen Ladeanschlüssen A1, A2, A3, A4 verbunden, welche sich im Bereich von Stellplätzen S1, S2, S3, S4 für Elektrokraftfahrzeuge E befinden. Mittels einer (nicht dargestellten) Kabelverbindung erfolgt an den Stellplätzen S1, S2, S3, S4 ein Aufladen der Batterien der Elektrokraftfahrzeuge E mittels der gewandelten Gleichspannung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 8.
Vorteile der Erfindung
Die Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, Einschränkungen hinsichtlich gewünschter Ladeleistung und Netzstabilität zu reduzieren bzw. zu eliminieren und die Energieversorgungsstation mit Ladesäule so kostengünstig wie möglich aufzubauen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen Aufbau einer stationären Energieversorgungsstation einschließlich der Ladesäulen zum Gleichstromladen von Elektrokraftfahrzeugen darzustellen. Die Ladesäulen sind über eine Pufferbatterieeinrichtung zwecks Netzstabilisierung an das Niederspannungsnetz angeschlossen. Mit dem vorgestellten Aufbau steht jederzeit ausreichend Energie zur Verfügung, und zwar unabhängig von der täglichen Netzauslastung. Die erfindungsgemäße Idee ist sowohl für konduktives Laden als auch für induktives Laden geeignet, wobei für induktives Laden zusätzliche Schaltungsmaßnahmen notwendig sind.
Das Laden mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann unabhängig von der Tageszeit erfolgen, da kein Einfluss auf die Belastung des öffentlichen Stromnetzes besteht, also beispielsweise Laden beim Parken, bei Nacht, beim Einkaufen, beim Arbeiten etc. Die erforderliche Elektronik in der Energieversorgungsstation kann wesentlich kleiner ausgelegt werden und damit kostengünstiger. Ein gleichzeitiges Laden der Pufferbatterieeinrichtung und der Batterie der Elektrokraftfahrzeuge ist in Abhängigkeit von der Netzauslastung möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen die Ladeanschlüsse und das Gleichspannungsnetz eine jeweilige Gleichspannungs-Wandlereinrichtung zum Wandeln der Gleichspannung der Pufferbatterie in eine Gleichspannung der Batterie des Elektrokraftfahrzeuges geschaltet, wobei die Ladeanschlüsse Gleichspannungs-Ladeanschlüsse sind. Dies ermöglicht ein gepuffertes Laden mittels Gleichstrom.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen die Ladeanschlüsse und das Gleichspannungsnetz eine jeweilige Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandlereinrichtung zum Wandeln der Gleichspannung der Pufferbatterie in eine Ladewechselspannung für die Batterie des Elektrokraftfahrzeuges geschaltet, wobei die Ladeanschlüsse Wechselspannungs-Ladeanschlüsse sind. Dies ermöglicht ein gepuffertes Laden mittels Wechselstrom.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ladeanschlüsse und/oder die Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen in die Energieversorgungseinrichtung integriert. Dies erhöht die Kompaktheit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandlereinrichtungen in die Energieversorgungseinrichtung integriert. Dies erhöht die Kompaktheit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Wandlereinrichtung eine umschaltbare Gleichrichter/Wechselrichterfunktion auf, so dass wechselgerichtete Spannung der Pufferbatterieeinrichtung in das Wechselspannungsnetzes einspeisbar ist. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Netzstabilität bei Spitzenbelastungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Pufferbatterieeinrichtung eine Festkörperelektrolytbatterie. Eine derartige Festkörperelektrolytbatterie ist für eine Dauerbelastung besonders gut geeignet.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges.

In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen K eine Kraftanlage, welche über ein Mittelspannungs-Wechselstromnetz N, typischerweise ein 22 kV-Netz, mit einer Energieversorgungseinrichtung EV verbunden ist. Die Energieversorgungseinrichtung EV weist eine Transformatoreinrichtung T auf, welche primärseitig an das Wechselspannungsnetz N elektrisch angeschlossen ist. Dabei ist die Primärwicklung P1 mit dem Wechselspannungsnetz N verbunden und die Sekundärwicklung S1 mit einer Wandlereinrichtung GB sekundärseitig verbunden. Die Energieversorgungseinrichtung EV weist weiterhin eine Pufferbatterieeinrichtung PB auf, welche an den Ausgang der Wandlereinrichtung GB elektrisch angeschlossen ist. Eine typische Spannung der Pufferbatterie PB beträgt 400 V.
Die Wandlereinrichtung GB weist eine Gleichrichterfunktion auf, sodass die Pufferbatterieeinrichtung PB mit gleichgerichteter Spannung des Wechselspannungsnetzes N aufladbar ist.
Obwohl nicht zwingend erforderlich, ist bei der vorliegenden ersten Ausführungsform die Wandlereinrichtung GB bidirektional ausgestaltet und weist eine über eine Steuereinrichtung C umschaltbare Gleichrichter/Wechselrichterfunktion auf, sodass auch wechselgerichtete Spannung der Pufferbatterieeinrichtung PB in das Wechselspannungsnetz N bedarfsweise einspeisbar ist.
Die Pufferbatterie ist an ein Gleichspannungsnetz N' angeschlossen, welches mit einer Mehrzahl von Ladeanschlüssen A1, A2, A3, A4 zum Laden der Batterie eines mit einem jeweiligen Ladeanschluss A1, A2, A3, A4 elektrisch verbundenen Elektrokraftfahrzeuges E verbunden ist. Diese Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 sind typischerweise in Ladesäulen (nicht dargestellt) untergebracht.
Die aufzuladenden Elektrokraftfahrzeuge E sind zweckmäßigerweise auf entsprechenden Stellplätzen S1, S2, S3, S4 vor den Ladeanschlüssen A1, A2, A3, A4 beim Ladevorgang abgestellt. Die Verbindung zu den Elektrokraftfahrzeugen E erfolgt über (nicht dargestellte) Ladekabel.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Spannung des Gleichspannungsnetzes N' höher als die Gleichspannung bzw. Ladespannung der Batterie der Elektrokraftfahrzeuge E. Daher ist zwischen die Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 und das Gleichspannungsnetz N' eine jeweilige Gleichspannungs-Wandlereinrichtung W1, W2, W3, W4 zum Wandeln der Gleichspannung der Pufferbatterie PB in eine Ladespannung der Batterie des Elektrokraftfahrzeuges geschaltet. Dementsprechend sind die Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 Gleichspannungs-Ladeanschlüsse.
Die Pufferbatterie PB ist vornehmlich eine Mitteltemperatur--Batterie. Diese neue Generation von Lithium-Batterien bestehen aus Festkörperelektrolyten. Sie haben höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Batterien. Ihre chemischen Bestandteile sind hochaktiv und werden bei Temperaturen beispielsweise oberhalb von 70°C betrieben.
Die Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen W1, W2, W3 und W4 sind galvanisch entkoppelt. Denkbar sind auch Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen W1, W2, W3, W4 ohne galvanische Trennung mit zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen im Fahrzeug bezüglich Isolationsüberwachung. Bei dieser Variante können allerdings nur bestimmte Fahrzeuge mit den besagten zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen an die Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 angeschlossen werden, um deren Fahrzeugbatterien zu laden.
2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die Energieversorgungseinrichtung mit Bezugszeichen EV' bezeichnet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind bei der zweiten Ausführungsform die Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen W1, W2, W3, W4 und die Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 in die Energieversorgungseinrichtung EV' integriert.
Die Energieversorgungseinrichtung EV' der zweiten Ausführungsform erlaubt es zudem, die einzelnen Ladeanschlüsse A1, A2, A3, A4 mit unterschiedlichen Ladeströmen zu versorgen. So kann beispielsweise immer nur der am nächsten an der Pufferbatterie PB gelegene Ladeanschluss als Schnellladestelle ausgestaltet sein, während die anderen Ladeanschlüsse für eine Ladung mit mittlerer/kleinerer Leistung ausgestaltet sind. Hierfür werden dann im Nahbereich der Pufferbatterie PB Kabel mit größerem Querschnitt installiert als im Fernbereich der Pufferbatterie PB.
Bei dieser Ausführungsform ist die Wandlereinrichtung GB beispielsweise unidirektional, also nur mit Gleichrichterfunktion, ausgestattet.
Bei der ersten Ausführungsform kann zur besseren Netzauslastung auch Energie in Spitzenlastzeiten in das Wechselspannungsnetz N von der Pufferbatterie PB eingespeist werden, was den Energieversorgern eine weitere Möglichkeit zur Netzstabilisierung bietet.
3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform sind die Ladeanschlüsse A1', A2', A3', A4' induktive Ladeanschlüsse, welche mit entsprechenden (nicht dargestellten) induktiven Ladeanschlüssen in den Elektrokraftfahrzeugen EV zusammenwirken.
Um das induktive Laden zu ermöglichen, ist zwischen das Gleichspannungsnetz N' und die induktiven Ladeanschlüsse A1', A2', A3', A4' eine jeweilige Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandlereinrichtung W1', W2', W3', W4' geschaltet, um die Gleichspannung der Pufferbatterie PB in eine geeignete Ladewechselspannung für die Batterie des Elektrokraftfahrzeuges zu wandeln.
Auch bei dieser Ausführungsform ist die Wandlereinrichtung GB beispielsweise unidirektional, also nur mit Gleichrichterfunktion, ausgestattet.
Ansonsten ist der Aufbau der dritten Ausführungsform gleich dem Aufbau der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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

WO 2012/038222 A2 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges mit: einer Energieversorgungseinrichtung (EV; EV'), welche eine Transformatoreinrichtung (T) aufweist, die primärseitig an ein Wechselspannungsnetz (N) elektrisch anschließbar ist, und welche eine Wandlereinrichtung (GB) aufweist, deren Eingang sekundärseitig an die Transformatoreinrichtung (T) elektrisch angeschlossen ist; wobei die Energieversorgungseinrichtung (EV; EV') eine Pufferbatterieeinrichtung (PB) aufweist, welche an den Ausgang der Wandlereinrichtung (GB) elektrisch angeschlossen ist; wobei die Wandlereinrichtung (GB) eine Gleichrichterfunktion aufweist, so dass die Pufferbatterieeinrichtung (PB) mit gleichgerichteter Spannung des Wechselspannungsnetzes (N) aufladbar ist; und wobei die Pufferbatterie (PB) an ein Gleichspannungsnetz (N') elektrisch angeschlossen ist, das mit einer Mehrzahl von Ladeanschlüssen (A1-A4; A1'-A4') zum Laden der Batterie eines mit einem jeweiligen Ladeanschluss (A1-A4; A1'-A4') elektrisch verbundenen Elektrokraftfahrzeuges (EV; EV') elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 1, wobei zwischen die Ladeanschlüsse (A1-A4) und das Gleichspannungsnetz (N') eine jeweilige Gleichspannungs-Wandlereinrichtung (W1-W4) zum Wandeln der Gleichspannung der Pufferbatterie (PB) in eine Gleichspannung der Batterie des Elektrokraftfahrzeuges geschaltet ist und die Ladeanschlüsse (A1-A4) Gleichspannungs-Ladeanschlüsse sind.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 1, wobei zwischen die Ladeanschlüsse (A1'-A4') und das Gleichspannungsnetz eine jeweilige Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandlereinrichtung (W1'-W4') zum Wandeln der Gleichspannung der Pufferbatterie (PB) in eine Ladewechselspannung für die Batterie des Elektrokraftfahrzeuges geschaltet ist und die Ladeanschlüsse (A1'-A4') Wechselspannungs-Ladeanschlüsse sind.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladeanschlüsse (A1-A4; A1'-A4') und/oder die Gleichspannungs-Wandlereinrichtungen (W1-W4) in die Energieversorgungseinrichtung (EV') integriert sind.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 3, wobei die Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandlereinrichtungen (W1'-W4') in die Energieversorgungseinrichtung (EV') integriert sind.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlereinrichtung (GB) eine umschaltbare Gleichrichter/Wechselrichterfunktion aufweist, so dass wechselgerichtete Spannung der Pufferbatterieeinrichtung (PB) in das Wechselspannungsnetzes (N) einspeisbar ist.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pufferbatterieeinrichtung (PB) eine Festkörperelektrolytbatterie ist.
Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges mit den Schritten: Gleichrichten einer Wechselspannung eines Wechselspannungsnetzes (N) mittels einer Wandlereinrichtung (GB), die eine Gleichrichterfunktion aufweist; Aufladen einer Pufferbatterieeinrichtung (PB) mit gleichgerichteter Spannung des Wechselspannungsnetzes (N); Einspeisen der Gleichspannung der Pufferbatterie in ein Gleichspannungsnetz (N'), das mit einer Mehrzahl von Ladeanschlüssen (A1-A4; A1'-A4) zum Laden der Batterie eines mit einem jeweiligen Ladeanschluss (A1-A4) elektrisch verbundenen Elektrokraftfahrzeuges elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 8, wobei die Gleichspannung der Pufferbatterie (PB) mittels einer Gleichspannungs-Wandlereinrichtung (W1-W4) in eine Gleichspannung der Batterie des Elektrokraftfahrzeuges gewandelt wird, welche zwischen die Ladeanschlüsse (A1-A4) und das Gleichspannungsnetz (N') geschaltet ist, und wobei die Ladeanschlüsse (A1-A4) Gleichspannungs-Ladeanschlüsse sind.
Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach Anspruch 8, wobei die Gleichspannung der Pufferbatterie (PB) mittels einer Gleichspannungs/ Wechselspannungs-Wandlereinrichtung (W1'-W4') in eine Ladewechselspannung für die Batterie des Elektrokraftfahrzeuges gewandelt wird, welche zwischen die Ladeanschlüsse (A1'-A4') und das Gleichspannungsnetz (N') geschaltet ist, wobei die Ladeanschlüsse (A1'-A4') Wechselspannungs-Ladeanschlüsse sind.
Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Wandlereinrichtung (GB) eine umschaltbare Gleichrichter/Wechselrichterfunktion aufweist und wechselgerichtete Spannung der Pufferbatterieeinrichtung (PB) in das Wechselspannungsnetzes (N) einspeisbar wird.
Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrokraftfahrzeuges nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Pufferbatterieeinrichtung (PB) eine Festkörperelektrolytbatterie ist.