DE102019211553A1

DE102019211553A1 - Bidirektionale DC-Wallbox für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102019211553A1
Application number: DE102019211553.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ruppert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-04
Also published as: US11322968B2; US20210036536A1; CN112311242A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bidirektionale Gleichstromladestation zur Wandmontage (DC-Wallbox) für den privaten Bereich, an die sich mehrere Elektrofahrzeuge parallel anschließen lassen, sowie ein Verfahren zum Betreiben der DC-Wallbox.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bidirektionale Gleichstromladestation zur Wandmontage (DC-Wallbox) für den privaten Bereich, an die sich mehrere Elektrofahrzeuge parallel anschließen lassen, sowie ein Verfahren zum Betreiben der DC-Wallbox.
Heutige Elektrofahrzeuge verfügen über eine Combo-Ladedose, welche ein Gleichstrom-Laden (DC-Laden) mit 480V/150kW und ein Wechselstrom-Laden (AC-Laden) mit 230V oder 400V und maximal 22kW ermöglicht. Aktuell laden 98% der Kunden ihr Elektrofahrzeug im privaten Umfeld an der Wechselstrom-Infrastruktur. Hierbei wandelt der Onboard-Charger des Elektrofahrzeugs die Wechselspannung in eine Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie um. Die maximale Ladeleistung bei dreiphasigem Drehstrom und 32A Stromstärke beträgt 22kW. Private DC-Ladesysteme sind aktuell nur sehr wenig verbreitet, da diese sehr komplex und teuer sind.
Die Situation wird sich jedoch deutlich verändern, wenn bidirektionale Ladesysteme im privaten Bereich Einzug halten. Diese bidirektionalen Ladesysteme werden aufgrund der flexibleren Wandlungsmöglichkeiten und Kostenvorteile als DC-Systeme aufgebaut. Der Kunde lädt und entlädt somit auch im privaten Umfeld sein Auto an einer DC-Wallbox.
Besitzt ein Kunde mehrere Elektrofahrzeuge und möchte diese zeitgleich an seine Ladeinfrastruktur oder sein Heim-Energiemanagement-System anschließen, um sie z.B. mit Fotovoltaik Strom zu laden, ist er gezwungen, eine weitere DC-Wallbox zu kaufen und in der Garage montieren lassen.
Die DE 10 2016 123 924 A1 betrifft eine Leistungselektronik zum Laden mindestens eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei die Leistungselektronik mindestens zwei Module mit jeweils mindestens einem Klemmenpaar mit DC-Ausgang, mindestens einen Gleichrichter, mindestens einen AC-Eingang, mindestens einen Gleichspannungszwischenkreis und eine Anzahl von Schaltelementen aufweist. Die Schaltelemente sind derart an und/oder zwischen den DC-Ausgängen der mindestens zwei Module angeordnet, dass zwischen den mindestens zwei Modulen durch geeignete Schaltzustände der Schaltelemente mindestens eine serielle und eine parallele Schaltungskonfiguration wahlweise dynamisch einstellbar ist.
Die DE 10 2011 079 430 A1 offenbart eine Gleichstrom-Ladestation zum Aufladen mehrerer Energiespeichervorrichtungen. Die Ladestation verfügt über ein stationsseitiges Schienensystem (DC-Bus) zum modularen Erweitern der Ladestation um eine beliebige Anzahl von Gleichstrom-Ladeschnittstellen. Die infrastrukturseitige Spannung wird gleichgerichtet und anschließend durch nachgelagerte parallelgeschaltete DC/DC Wandler weiterverarbeitet. Ein paralleles Laden von mehreren Fahrzeugen an der Ladestation ist jedoch gemäß Norm DIN EN 61851-23 (VDE 0122-2-3) nicht zulässig.
Aus der WO 2005 008 808 A2 ist ein Ladesystem zum gleichzeitigen Laden der Batterien mehrerer batteriebetriebener Fahrzeuge bekannt. Das Laden umfasst einen oder mehrere DC-DC-Stromrichter mit einem oder mehreren Ladeanschlüssen, die zum Einstecken in die Batterien konfiguriert sind. Die DC-DC-Leistungswandler sind jeweils so konfiguriert, dass sie selektiv mit mehr als einem Ladeanschluss verbunden werden, um selektiv höhere Anschlussleistungspegel bereitzustellen. Die DC-DC-Stromrichter werden über einen DC-Bus mit einem Wechselstromgleichrichter verbunden. Der Wechselstromgleichrichter wird an eine Wechselstromquelle mit begrenzter Nennleistung angeschlossen. Das Wechselstrom-Ladesystem verfügt auch über einen Controller, der den Betrieb der DC-DC-Stromrichter so steuert, dass die Gesamtleistungsaufnahme des Wechselstrom-Gleichrichters die Nennleistung nicht überschreitet. Das System ist ferner so konfiguriert, dass die DC-DC-Leistungswandler ausgewählte Batterien entladen können, um Energie zum Laden anderer Batterien zu erhalten, wodurch das Wechseln von Batterien ermöglicht wird.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine bidirektionale Gleichstromladestation zur Wandmontage (DC-Wallbox) für Elektrofahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die einfach zu erweitern ist und ein normkonformes gleichzeitiges Laden mehrerer Elektrofahrzeuge ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Gegenstand der Erfindung ist eine bidirektionale DC-Wallbox mit galvanischer Trennung, umfassend

a) ein Trennelement, das dafür eingerichtet ist, die DC-Wallbox reversibel mit einem Wechselspannungsnetz zu verbinden und zu trennen;
b) einen Gleichrichter (AC/DC-Wandler) mit Leistungsfaktor-Korrekturfilter (Power Factor Correction, PFC), der dafür eingerichtet ist, eine dreiphasige Wechselspannung gleichzurichten;
c) einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit galvanischer Trennung, umfassend
1. i. einen Wechselrichter (DC/AC-Wandler);
2. ii. ein Wechselspannungs-Bussystem (AC-Bus) mit einer Primärseite und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite;
3. iii. mindestens einen aktiven Gleichrichter (AC/DC-Wandler), der dafür eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus zu wandeln;
4. iv. mindestens einen Ladeausgang zum Anschluss an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs,

Die erfindungsgemäße bidirektionale DC-Wallbox mit galvanischer Trennung umfasst ein Trennelement, das dafür eingerichtet ist, die DC-Wallbox reversibel mit einem Wechselspannungsnetz zu verbinden und zu trennen. In einer Ausführungsform ist das Wechselstromnetz ein öffentliches Niederspannungsnetz, das dreiphasigen Wechselstrom bereitstellt. Die Wechselspannung beträgt in der Regel 380 V bzw. 400 V. Das Trennelement ist in einer Ausführungsform mit elektromechanischen Schützen ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform ist das Trennelement mit Halbleiterschaltern ausgeführt.
Die erfindungsgemäße bidirektionale DC-Wallbox umfasst auch einen Gleichrichter (AC/DC-Wandler) mit Leistungsfaktor-Korrekturfilter (Power Factor Correction, PFC), der dafür eingerichtet ist, eine dreiphasige Wechselspannung gleichzurichten. Der AC/DC-Wandler ist bidirektional ausgeführt, kann also auch Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom wandeln. In einer Ausführungsform umfasst der AC/DC-Wandler Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBT und MOS-FET. In einer Ausführungsform sind die Eingänge des AC/DC-Wandlers über Induktivitäten mit dem Trennelement verbunden. In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen die Ausgänge des AC/DC-Wandlers eine Kapazität geschaltet.
Die erfindungsgemäße bidirektionale DC-Wallbox umfasst einen bidirektionalen aktiven Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit galvanischer Trennung. Dieser wandelt die Ausgangsspannung des AC/DC-Wandlers in mindestens eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus um. Das Spannungsniveau ist einstellbar, so dass unterschiedliche Ausgangsspannungen des DC/DC-Wandler wählbar sind, z.B. 400 V oder 800 V. In einer Ausführungsform verfügt der DC/DC-Wandler über mehrere Ausgänge, deren Ausgangsspannung individuell wählbar ist, so dass bei Bedarf jeder Ausgang eine andere Ausgangsspannung bereitstellen kann. In einer Ausführungsform ist die Ladeleistung der DC-Wallbox zwischen den Ausgängen des DC/DC-Wandlers beliebig aufteilbar.
Der bidirektionale aktive Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) umfasst i) einen Wechselrichter (DC/AC-Wandler); ii) ein Wechselspannungs-Bussystem (AC-Bus) mit einer Primärseite und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite; iii) mindestens einen aktiven Gleichrichter (AC/DC-Wandler), der dafür eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus zu wandeln; und iv) mindestens einen Ladeausgang zum Anschluss an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs. Der Ausgang des Wechselrichters i) ist mit der Primärseite des Wechselspannungs-Bussystems ii) verbunden und der Eingang des mindestens einen aktiven Gleichrichters iii) ist mit der Sekundärseite des Wechselspannungs-Bussystems ii) verbunden. Der mindestens eine Ladeausgang iv) ist an den Ausgang des mindestens einen aktiven Gleichrichters iii) angeschlossen.
Der Wechselrichter i) ist ebenfalls bidirektional ausgeführt und wandelt die an seinen Eingängen anliegende Gleichspannung in eine einphasige Wechselspannung. In einer Ausführungsform umfasst der DC/AC-Wandler Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBT und MOS-FET.
Das Wechselspannungs-Bussystem (AC-Bus) ii) umfasst eine Primärseite und eine davon galvanisch getrennte Sekundärseite. In einer Ausführungsform umfasst der AC-Bus ii) einen Transformator. In dieser Ausführungsform bildet die Primärwicklung des Transformators die Primärseite des AC-Buses ii), die Sekundärwicklung ist Teil der Sekundärseite des AC-Buses ii). Die Primärseite des Wechselspannungs-Bussystems ii) ist mit dem Ausgang des Wechselrichters i) verbunden. In einer Ausführungsform sind an der Sekundärseite des AC-Buses ii) mehrere Anschlüsse für aktive AC/DC-Wandler iii) vorgesehen, z.B. zusätzliche Sekundärwicklungen. Die standardisierte Schnittstelle auf der Sekundärseite erlaubt eine modulare Erweiterung der DC-Wallbox und die Schaffung zusätzlicher Lademöglichkeiten. Dazu müssen lediglich Erweiterungsmodule mit aktiven AC/DC-Wandlern iii) an die zusätzlichen Sekundärwicklungen angeschlossen werden, um die DC-Wallbox für den Anschluss mehrerer Fahrzeuge bzw. Verbraucher zu erweitern. Dadurch werden für den Nutzer kostengünstige zusätzliche Lademöglichkeiten geschaffen, die untereinander sowie zur Netzinfrastruktur galvanisch getrennt sind.
Der bidirektionale aktive Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) umfasst mindestens einen aktiven Gleichrichter (AC/DC-Wandler) iii), der dafür eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus zu wandeln oder umgekehrt eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus in eine einphasige Wechselspannung zu wandeln. In einer Ausführungsform umfasst der AC/DC-Wandler Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBT und MOS-FET.
Der mindestens eine aktive AC/DC-Wandler weist einen Ladeausgang iv) zum Anschluss an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs auf, z.B. ein Ladekabel mit einem in die Ladebuchse passenden Ladestecker. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der bidirektionale aktive DC/DC-Wandler mehrere AC/DC-Wandler iii) mit jeweils einem Ladeausgang iv). In einer Ausführungsform umfasst der bidirektionale aktive Gleichspannungswandler zwei AC/DC-Wandler iii), in einer anderen Ausführungsform drei AC/DC-Wandler iii), in einer weiteren Ausführungsform vier AC/DC-Wandler iii), in wieder einer anderen Ausführungsform fünf AC/DC-Wandler iii). So können gleichzeitig mehrere Fahrzeuge bzw. Verbraucher an die DC-Wallbox angeschlossen werden. Die aktiven AC/DC-Wandler iii) stellen jeweils eine flexible Ladespannung zur Verfügung.
In einer Ausführungsform umfasst ein Basismodul der erfindungsgemäßen bidirektionalen DC-Wallbox ein Trennelement; einen AC/DC-Wandler mit PFC; und einen DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung, der einen DC/AC-Wandler, einen AC-Bus und einen AC/DC-Wandler umfasst. In einer Ausführungsform ist das Basismodul für eine Anschlussleistung von 22 kW ausgelegt. Das Basismodul wird für die DC-Wallbox nur einmal benötigt.
In einer weiteren Ausführungsform sind an den AC-Bus des Basismoduls ein oder mehrere weitere aktive AC/DC-Wandler iii) als Erweiterungsmodule angeschlossen. Die Erweiterungsmodule werden direkt von der Wechselspannung auf der Sekundärseite des AC-Buses gespeist und stellen jeweils eine flexible Ladespannung zur Verfügung. Die Steuereinheit zur Regelung von Spannung und Strom ist hierbei in jedem Erweiterungsmodul enthalten. Die Aufteilung der Ladeleistung zwischen den Fahrzeugen ist frei wählbar. So kann beispielsweise bei einer DC-Wallbox mit drei Ladeanschlüssen die Gesamtladeleistung von 22 kW so verteilt werden, dass auf ein erstes angeschlossenes Fahrzeug 11 kW, auf ein zweites angeschlossenes Fahrzeug 7kW und auf ein drittes angeschlossenes Fahrzeug 4kW Ladeleistung entfallen.
Mit der erfindungsgemäßen DC-Wallbox ist es möglich, die Energiespeicher mehrerer Elektrofahrzeuge verschiedener Spannungsklassen gleichzeitig zu laden, z.B. ein Fahrzeug mit 400 V und ein anderes Fahrzeug mit 800 V. Aufgrund der galvanischen Trennung der einzelnen AC/DC-Wandler und der Bidirektionalität ist es auch möglich, den Energiespeicher eines angeschlossenen Elektrofahrzeugs direkt aus dem Energiespeicher eines weiteren angeschlossenen Elektrofahrzeugs zu laden, also ein direktes Laden von Fahrzeug zu Fahrzeug zu realisieren.
Dem Betreiber der DC-Wallbox ist es so möglich, eine zweite, dritte oder vierte bidirektionale Lademöglichkeit zu realisieren, ohne dafür zusätzliche komplette DC-Wallboxen kaufen und installieren zu müssen.
In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße DC-Wallbox eine Abschaltvorrichtung. Die Abschaltvorrichtung ist dafür eingerichtet, die DC-Wallbox vom Wechselspannungsnetz und den angeschlossenen Fahrzeugen bzw. Verbrauchern zu trennen und spannungsfrei zu schalten.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße DC-Wallbox eine Kommunikationseinheit. Die Kommunikationseinheit ist für eine Kommunikation zwischen der DC-Wallbox und einem mobilen Gerät eines Nutzers, z.B. einem Smartphone, PDA, Laptop oder Tablet, eingerichtet. Die Kommunikation kann dabei beispielsweise über Mobilfunk oder WLAN, oder über NFC oder Bluetooth erfolgen. Über die Kommunikationseinheit kann ein Nutzer Steuerbefehle an die DC-Wallbox übermitteln und beispielsweise die Verteilung der Gesamtladeleistung auf die einzelnen Ladeausgänge einstellen. Dazu kann eine entsprechende Software-Applikation („App“) auf dem mobilen Gerät eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen DC-Wallbox. Das Verfahren umfasst

a) das Anschließen mindestens eines Energiespeichers an einen Ladeausgang der DC-Wallbox;
b) das Verbinden der DC-Wallbox mit einem Wechselspannungsnetz durch Schließen des Trennelements; und
c) die Übertragung elektrischer Energie aus dem Wechselspannungsnetz in den mindestens einen angeschlossenen Energiespeicher oder aus dem mindestens einen angeschlossenen Energiespeicher in das Wechselspannungsnetz.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Wechselspannungsnetz ein öffentliches Niederspannungsnetz, das dreiphasigen Wechselstrom bereitstellt. Die Wechselspannung beträgt in der Regel 380 V bzw. 400 V.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine Ausgangsspannung an jedem Ladeausgang der DC-Wallbox individuell einstellbar. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die gesamte Anschlussleistung der DC-Wallbox frei auf die einzelnen Ladeausgänge verteilbar. In einer Ausführungsform beträgt die Anschlussleistung der DC-Wallbox 22 kW.
Die erfindungsgemäße DC-Wallbox bietet eine Reihe von Vorteilen. Durch den modularen Aufbau wird zur Erweiterung um zusätzliche Ladeplätze keine weitere komplette DC-Wallbox benötigt, sondern jeweils nur ein Erweiterungsmodul. Dadurch verringern sich die anfallenden Kosten. Die Aufteilung der Ladeleistung zwischen den angeschlossenen Fahrzeugen ist frei wählbar. Durch die galvanische Trennung besteht die Möglichkeit, Fahrzeuge mit verschiedenen Traktionsspannungen gleichzeitig zu laden. Aufgrund der Bidirektionalität können alle angeschlossenen Fahrzeuge Strom ins Netz zurückspeisen. Es besteht zudem die Möglichkeit, elektrische Energie aus dem Energiespeicher eines angeschlossenen Fahrzeugs direkt in den Energiespeicher eines weiteren angeschlossenen Fahrzeugs zu transferieren. Auch bietet die DC-Wallbox die Möglichkeit, einen Heim-Energiespeicher anzuschließen. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen DC-Wallbox mit einem Gleichspannungsausgang;
2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen DC-Wallbox mit drei Gleichspannungsausgängen;
3 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen DC-Wallbox mit drei Gleichspannungsausgängen.

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen DC-Wallbox 10 mit einem DC-Ausgang 16 und einem angeschlossenen Elektrofahrzeug 40. Die DC-Wallbox 10 ist über ein Trennelement 11 mit dem öffentlichen Niederspannungsnetz 30 verbunden. Ein Energiezähler 31, der als Zweirichtungszähler ausgeführt ist, misst den Energiefluss zwischen Wallbox 10 und öffentlichem Netz 30. Ein Gleichrichter 12 mit Leistungsfaktor-Korrekturfilter wandelt den Netz-Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Gleichstrom wird in einem nachgeschalteten Wechselrichter 13 in einphasigen Wechselstrom gewandelt. Ein Transformator 14 bewirkt die galvanische Trennung. An die Sekundärseite des Transformators 14 ist ein aktiver Gleichrichter 15 angeschlossen, der eine gewünschte Ladespannung für den Energiespeicher des angeschlossenen Elektrofahrzeugs 30 erzeugt. Der Wechselrichter 13, der Transformator 14 und der aktive Gleichrichter 15 bilden gemeinsam einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 mit galvanischer Trennung.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen DC-Wallbox 10 mit drei DC-Ausgängen 16, 18, 20 und drei angeschlossenen Elektrofahrzeugen 40, 41, 42. Wie in der in 1 dargestellten Ausführungsform wandelt ein Gleichrichter 12 mit PFC den Netz-Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Gleichstrom wird in einem nachgeschalteten Wechselrichter 13 in einphasigen Wechselstrom gewandelt. Ein Transformator 14 bewirkt die galvanische Trennung und ist als AC-Bus ausgestaltet. An die Sekundärseite des Transformators sind neben dem aktiven Gleichrichter 15 des Basismoduls zwei Erweiterungsmodule 22, 23 mit jeweils einem aktiven Gleichrichter 17, 19 angeschlossen. Jeder der Gleichrichter 15, 17, 19 erzeugt jeweils eine gewünschte Ladespannung für den Energiespeicher des an ihn angeschlossenen Elektrofahrzeugs 40, 41, 42. Der Wechselrichter 13, der AC-Bus 14 und die aktiven Gleichrichter 15, 17, 19 bilden gemeinsam einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 mit drei Ausgängen 16, 18, 20, die unterschiedliche Ladespannungen bereitstellen können. Die Ausgänge 16, 18, 20 sind sowohl untereinander als auch von der Eingangsspannung galvanisch getrennt.
Dies ermöglicht auch Ladevorgänge, bei denen der Energiespeicher eines angeschlossenen Elektrofahrzeugs direkt den Energiespeicher eines anderen angeschlossenen Fahrzeugs lädt, d. h. Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Ladevorgänge. In 2 ist eine DC-Ladeverbindung 24 zwischen den Erweiterungsmodulen 22 und 23 eingezeichnet. Diese ermöglicht es, beispielsweise den Energiespeicher des Fahrzeugs 41 direkt mit Gleichstrom aus dem Energiespeicher des Fahrzeugs 42 zu laden.
3 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen DC-Wallbox 10 mit drei Gleichspannungsausgängen 16, 18, 20. Der vom öffentlichen Niederspannungsnetz 30 bereitgestellte Wechselstrom wird im Gleichrichter 12 in Gleichstrom gewandelt, im Wechselrichter 13 in Wechselstrom gewandelt, über den Transformator 14 galvanisch getrennt auf die Sekundärseite des AC-Buses übertragen, und über die aktiven Gleichspannungswandler 15, 17, 19 in Ladespannungen gewandelt, die an den Ladeausgängen 16, 18, 20 dafür bereitgestellt werden, die angeschlossenen Energiespeicher 40, 41, 42 zu laden. Ebenso kann die DC-Wallbox 10 genutzt werden, um aus den angeschlossenen Energiespeichern 40, 41, 42 Energie zu entnehmen, in dreiphasige Wechselspannung zu wandeln und in das öffentliche Niederspannungsnetz 30 einzuspeisen.
Bezugszeichenliste

10: DC-Wallbox
11: Trennelement
12: Gleichrichter/PFC
13: Wechselrichter
14: Transformator/AC-Bus
15: aktiver Wechselrichter
16: Ladeanschluss
17: aktiver Wechselrichter
18: Ladeanschluss
19: aktiver Wechselrichter
20: Ladeanschluss
21: aktiver DC/DC-Wandler
22: Erweiterungsmodul
23: Erweiterungsmodul
24: DC-Ladeverbindung
30: Öffentliches Niederspannungsnetz
31: Zweirichtungs-Energiezähler
40: Elektrofahrzeug
41: Elektrofahrzeug
42: Elektrofahrzeug

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 102016123924 A1 [0005]
DE 102011079430 A1 [0006]
WO 2005008808 A2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 61851-23 [0006]

Claims

Bidirektionale DC-Wallbox (10) mit galvanischer Trennung, umfassend a) ein Trennelement (11), das dafür eingerichtet ist, die DC-Wallbox (10) reversibel mit einem Wechselspannungsnetz (30) zu verbinden und zu trennen; b) einen Gleichrichter (12) mit Leistungsfaktor-Korrekturfilter, der dafür eingerichtet ist, eine dreiphasige Wechselspannung gleichzurichten; c) einen Gleichspannungswandler (21) mit galvanischer Trennung, umfassend i. einen Wechselrichter (13); ii. ein Wechselspannungs-Bussystem (14) mit einer Primärseite und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite; iii. mindestens einen aktiven Gleichrichter (15, 17, 19), der dafür eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung eines vorgegebenen Spannungsniveaus zu wandeln; iv. mindestens einen Ladeausgang (16, 18, 20) zum Anschluss an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs (40, 41, 42); worin der Ausgang des Wechselrichters (13) verbunden ist mit der Primärseite des Wechselspannungs-Bussystems (14) und der Eingang des mindestens einen aktiven Gleichrichters (15, 17, 19) verbunden ist mit der Sekundärseite des Wechselspannungs-Bussystems (14), und der mindestens eine Ladeausgang (16, 18, 20) an den Ausgang des mindestens einen aktiven Gleichrichters (15, 17, 19) angeschlossen ist.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach Anspruch 1, worin das Wechselspannungs-Bussystem (14) einen Transformator umfasst.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin der Gleichspannungswandler (21) mit galvanischer Trennung mehrere aktive Gleichrichter (15, 17, 19) mit jeweils einem Ladeausgang (16, 18, 20) umfasst.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die DC-Wallbox (10) ein Basismodul umfasst, das ein Trennelement (11); einen AC/DC-Wandler mit PFC (12); und einen DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung, der einen DC/AC-Wandler (13), einen AC-Bus (14) und einen AC/DC-Wandler (15) enthält.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach Anspruch 4, worin das Basismodul für eine Anschlussleistung von 22 kW ausgelegt ist.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach Anspruch 4 oder 5, worin an die Sekundärseite des AC-Buses (14) des Basismoduls mindestens ein Erweiterungsmodul (22, 23) angeschlossen ist, das einen aktiven Gleichrichter (17, 19) und einen Ladeausgang (18, 20) zum Anschluss an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs (40, 41, 42) umfasst.
Bidirektionale DC-Wallbox (10) nach Anspruch 6, worin jedes Erweiterungsmodul (22, 23) eine Steuereinheit zur Regelung von Spannung und Strom enthält.
Verfahren zum Betreiben einer DC-Wallbox (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend a) das Anschließen mindestens eines Energiespeichers an einen Ladeausgang (16, 18, 20) der DC-Wallbox (10); b) das Verbinden der DC-Wallbox (10) mit einem Wechselspannungsnetz (30) durch Schließen des Trennelements (11); und c) die Übertragung elektrischer Energie aus dem Wechselspannungsnetz (30) in den mindestens einen angeschlossenen Energiespeicher oder aus dem mindestens einen angeschlossenen Energiespeicher in das Wechselspannungsnetz (30).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Ausgangsspannung an jedem Ladeausgang (16, 18, 20) der DC-Wallbox (10) individuell einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die gesamte Anschlussleistung der DC-Wallbox frei auf die einzelnen Ladeausgänge (16, 18, 20) der DC-Wallbox (10) verteilbar ist.