DE102019217450A1 - Charging station and method for charging a consumer with load sharing - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladestation (1) mit zumindest einem Ladepunkt (2.1 - 2.4). Die Ladestation (1) hat zumindest einen Gleichrichter (3), der eine Wechselspannung zu einer ersten Gleichspannung (U1) gleichrichtet; zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (4.1, 4.2), der die erste Gleichspannung (U1) zu einer zweiten Gleichspannung (U2.1, U2.2) wandelt, wobei zwischen der ersten Gleichspannung (U1) und der zweiten Gleichspannung (U2.1, U2.2) eine Potentialtrennung vorhanden ist; und eine Mehrzahl von zweiten Gleichspannungswandlern (5.1 - 5.4), die parallel an dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (4.1, 4.2) angeschlossen sind und jeweils die zweite Gleichspannung (U2.1, U2.2) zu einer dritten Gleichspannung (U3.1 - U3.4) wandeln, wobei zwischen der zweiten Gleichspannung (U2.1, U2.2) und der dritten Gleichspannung (U3.1 - U3.4) keine Potentialtrennung vorhanden ist, und wobei die dritte Gleichspannung (U3.1 - U3.4) an dem zumindest einen Ladepunkt (2.1 - 2.4) abgreifbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laden eines Verbrauchers an einem Ladepunkt (2.1 - 2.4) einer Ladestation (1). The invention relates to a charging station (1) with at least one charging point (2.1-2.4). The charging station (1) has at least one rectifier (3) which rectifies an alternating voltage to a first direct voltage (U1); at least one first DC voltage converter (4.1, 4.2), which converts the first DC voltage (U1) to a second DC voltage (U2.1, U2.2), with between the first DC voltage (U1) and the second DC voltage (U2.1, U2 .2) there is electrical isolation; and a plurality of second DC voltage converters (5.1-5.4), which are connected in parallel to the at least one first DC voltage converter (4.1, 4.2) and each converts the second DC voltage (U2.1, U2.2) to a third DC voltage (U3.1 - U3.4), with no potential separation between the second DC voltage (U2.1, U2.2) and the third DC voltage (U3.1 - U3.4), and the third DC voltage (U3.1 - U3. 4) at which at least one charging point (2.1 - 2.4) can be tapped. The invention also relates to a method for charging a consumer at a charging point (2.1-2.4) of a charging station (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation mit zumindest einem Ladepunkt. Der Ladepunkt kann ein Ladestecker sein, der an einen Verbraucher, wie zum Beispiel ein Elektrofahrzeug, angeschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laden eines Verbrauchers an einem Ladepunkt einer Ladestation.The present invention relates to a charging station with at least one charging point. The charging point can be a charging plug that can be connected to a consumer, such as an electric vehicle. The present invention also relates to a method for charging a consumer at a charging point of a charging station.
Die Aufladung batteriebetriebener Fahrzeuge wird sich künftig zu immer größeren Ladeleistungen von beispielsweise mehr als 150 kW hin bewegen. Dies gilt insbesondere für den Bereich des öffentlichen Nahverkehrs und des Schwerlastverkehrs. Die Ladesäulen werden aufgrund des heutigen Konstruktionsprinzips immer teurer, da alle Komponenten für einen einzigen Ladepunkt konzipiert werden müssen. Dies kommt insbesondere auch dann zum Tragen, wenn die Batterien im Bereich von mehr als 80% der maximalen Ladekapazität geladen werden. Ab diesem Punkt sinkt die benötigte Ladeleistung stark ab, da die Batteriezellen wesentlich weniger Strom aufnehmen können. Das bedeutet, dass die teuren Komponenten der Ladesäule nicht mehr voll ausgelastet werden. Es ist grundsätzlich erwünscht, die Kosten pro Ladepunkt zu reduzieren.In the future, the charging of battery-operated vehicles will move towards ever larger charging capacities of, for example, more than 150 kW. This applies in particular to the area of local public transport and heavy goods traffic. The charging stations are becoming more and more expensive due to today's construction principle, since all components have to be designed for a single charging point. This is particularly important when the batteries are charged in the range of more than 80% of the maximum charge capacity. From this point on, the required charging power drops sharply, as the battery cells can consume significantly less power. This means that the expensive components of the charging station are no longer fully utilized. It is generally desirable to reduce the costs per charging point.
Bisher gibt es zwei wesentliche Lösungsansätze, um die Kosten pro Ladepunkt zu reduzieren. Gemäß einem in der
Gemäß einem in der
Es besteht ein Bedarf an einer Ladestation und an einem Verfahren zum Laden eines Verbrauchers an einem Ladepunkt einer Ladestation, die diese Nachteile überwinden können. Dieser Bedarf kann durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Die vorliegende Erfindung ist entsprechend den abhängigen Ansprüchen weitergebildet.There is a need for a charging station and a method for charging a consumer at a charging point of a charging station that can overcome these disadvantages. This need can be met by the subject matter of the independent claims. The present invention is further developed in accordance with the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladestation mit zumindest einem Ladepunkt. Die Ladestation weist folgendes auf: zumindest einen Gleichrichter, der eine Wechselspannung zu einer ersten Gleichspannung gleichrichtet; zumindest einen ersten Gleichspannungswandler, der die erste Gleichspannung zu einer zweiten Gleichspannung wandelt, wobei zwischen der ersten Gleichspannung und der zweiten Gleichspannung eine Potentialtrennung vorhanden ist; und eine Mehrzahl von zweiten Gleichspannungswandlern, die parallel an dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler angeschlossen sind und jeweils die zweite Gleichspannung zu einer dritten Gleichspannung wandeln, wobei zwischen der zweiten Gleichspannung und der dritten Gleichspannung keine Potentialtrennung vorhanden ist. Die dritte Gleichspannung ist an dem zumindest einen Ladepunkt abgreifbar.A first aspect of the invention relates to a charging station with at least one charging point. The charging station has the following: at least one rectifier, which rectifies an alternating voltage to a first direct voltage; at least one first DC voltage converter which converts the first DC voltage to a second DC voltage, a potential separation being provided between the first DC voltage and the second DC voltage; and a plurality of second DC voltage converters, which are connected in parallel to the at least one first DC voltage converter and each convert the second DC voltage to a third DC voltage, there being no potential separation between the second DC voltage and the third DC voltage. The third DC voltage can be tapped off at the at least one charging point.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann der Begriff „keine Potentialtrennung“ einen Sachverhalt beinhalten, bei dem zwei Spannungen Potentiale definieren, die sich auf dieselbe Masse beziehen. Der Begriff „eine Potentialtrennung“ kann demnach einen Sachverhalt beinhalten, bei dem zwei Spannungen Potentiale definieren, die sich auf verschiedene, voneinander unabhängige Massen beziehen.In the context of the present invention, the term “no potential separation” can include a situation in which two voltages define potentials that relate to the same ground. The term “a potential separation” can therefore contain a situation in which two voltages define potentials that relate to different, mutually independent masses.
Die Gleichspannungswandler werden in mehrfach aufgeteilte und parallel schaltbare Komponenten zerlegt: Der zumindest eine erste Gleichspannungswandler dient der Potenzialtrennung und kann aus mehreren parallel schaltbaren DC-AC-DC-Wandlern bestehen, die an einem von einem Power-Factor-Corrector bereitgestellten ersten Gleichspannungsbus (DC-Bus) arbeiten. Der oder die ersten Gleichspannungswandler können einen verhältnismäßig kleinen Regelbereich haben. Die Leistung jedes einzelnen ersten Gleichspannungswandlers kann sich aus dem kostenmäßig optimal zur Verfügung stehenden Bauelemente-spektrum bestimmen und im Bereich von etwa 20 kW bis 60 kW liegen. Der oder die ersten Gleichspannungswandler können wiederum einen zweiten Gleichspannungsbus (DC-Bus) zur Verfügung stellen, an dem die zweiten Gleichspannungswandler arbeiten. Dabei kann es sich um mehrere parallel schaltbare DC-DC-Wandler ohne Potenzialtrennung handeln, die einen großen Regelbereich besitzen können, und sie können an den ersten Gleichspannungsbus angeschlossen werden. Die zweiten Gleichspannungswandler können das Lademanagement der Fahrzeugbatterie übernehmen und in der Lage sein, mittels Software den Stromfluss zu den Ladepunkten zu steuern. Die elektronischen Komponenten solcher zweiten Gleichspannungswandler ohne Potenzialtrennung sind kostengünstiger als ein Leistungsschalter (zum Beispiel ein DC-Schütz) zur Lastverteilung im benötigten Spannungs- und Leistungsbereich.The DC / DC converters are divided into multiple components that can be switched in parallel: The at least one first DC / DC converter is used for electrical isolation and can consist of several DC-AC-DC converters that can be switched in parallel, which are connected to a first DC voltage bus (DC -Bus) work. The first DC voltage converter or converters can have a relatively small control range. The output of each individual first DC / DC converter can be determined from the range of components that are optimally available in terms of costs and can be in the range of approximately 20 kW to 60 kW. The first direct voltage converter or converters can in turn provide a second direct voltage bus (DC bus) on which the second direct voltage converters operate. This can involve several DC-DC converters that can be switched in parallel without electrical isolation, which can have a large control range, and they can be connected to the first DC voltage bus. The second DC / DC converter can take over the charging management of the vehicle battery and be able to control the current flow to the charging points using software. The electronic components of such a second DC voltage converter are without potential separation cheaper than a circuit breaker (for example a DC contactor) for load distribution in the required voltage and power range.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von ersten Gleichspannungswandlern vorgesehen, die parallel an dem Gleichrichter angeschlossen sind und die zweite Gleichspannung jeweils zumindest zu einem Teil der zweiten Gleichspannungswandler zuführen.In one embodiment, a plurality of first DC voltage converters are provided, which are connected in parallel to the rectifier and each feed the second DC voltage to at least some of the second DC voltage converters.
Bei einem Ausführungsbeispiel gibt der Gleichrichter die erste Gleichspannung über einen Leistungsfaktorkorrekturfilter an einen ersten Gleichspannungsbus ab, auf den der zumindest eine erste Gleichspannungswandler zugreift.In one embodiment, the rectifier outputs the first DC voltage via a power factor correction filter to a first DC voltage bus, which is accessed by the at least one first DC voltage converter.
Bei einem Ausführungsbeispiel gibt der zumindest eine erste Gleichspannungswandler die zweite Gleichspannung an einen zweiten Gleichspannungsbus ab, auf den die zweiten Gleichspannungswandler zugreifen.In one embodiment, the at least one first DC voltage converter outputs the second DC voltage to a second DC voltage bus, which the second DC voltage converters access.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Ladestation des Weiteren eine Steuervorrichtung, die dazu konfiguriert ist, mit einer Kommunikationsvorrichtung eines an dem zumindest einen Ladepunkt angeschlossenen Verbrauchers zu kommunizieren, der der Steuervorrichtung einen Sollwert für die dritte Gleichspannung, eine vom Verbraucher benötigte Leistung und/oder einen Füllstand einer Batterie des Verbrauchers übermittelt, wobei die Steuervorrichtung dazu konfiguriert ist, aus dem Füllstand eine benötigte Leistung zum Laden des Verbrauchers herzuleiten. Die Steuervorrichtung regelt die von dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler abgegebene zweite Gleichspannung und/oder die von den zweiten Gleichspannungswandlern abgegebenen dritten Gleichspannungen, um den Sollwert für die dritte Gleichspannung und/oder die benötigte Leistung zu erreichen.In one embodiment, the charging station also has a control device that is configured to communicate with a communication device of a consumer connected to the at least one charging point, which provides the control device with a setpoint for the third DC voltage, a power required by the consumer and / or a fill level transmitted to a battery of the consumer, the control device being configured to derive a power required for charging the consumer from the fill level. The control device regulates the second direct voltage output by the at least one first direct voltage converter and / or the third direct voltage output by the second direct voltage converters in order to achieve the setpoint value for the third direct voltage and / or the required power.
Die zweiten Gleichspannungswandler ohne Potentialtrennung der Ladepunkte können beispielsweise von der Steuervorrichtung in Gestalt eines Hardware-Controllers gesteuert werden, um die maximale Ladeleistung zu konfigurieren. Der HardwareController kann mit der Kommunikationsvorrichtung in Gestalt eines Ladekontrollers der einzelnen Ladepunkte kommunizieren und von dort die Information erhalten, welche maximale Ladeleistung aktuell am Ladepunkt noch benötigt wird, worauf er die zweiten Gleichspannungswandler der Ladepunkte entsprechend konfiguriert.The second DC voltage converters without potential separation of the charging points can be controlled, for example, by the control device in the form of a hardware controller in order to configure the maximum charging power. The hardware controller can communicate with the communication device in the form of a charging controller for the individual charging points and receive information from there as to which maximum charging power is currently still required at the charging point, whereupon it configures the second DC-DC converter of the charging points accordingly.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die zweiten Gleichspannungswandler jeweils einen Isolationswächter auf.In one embodiment, the second DC voltage converters each have an insulation monitor.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Verbrauchers an einem Ladepunkt einer Ladestation, wobei die Ladestation folgendes aufweist: zumindest einen Gleichrichter, der eine Wechselspannung zu einer ersten Gleichspannung gleichrichtet; zumindest einen ersten Gleichspannungswandler, der die erste Gleichspannung zu einer zweiten Gleichspannung wandelt, wobei zwischen der ersten Gleichspannung und der zweiten Gleichspannung eine Potentialtrennung vorhanden ist; und eine Mehrzahl von zweiten Gleichspannungswandlern, die parallel an dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler angeschlossen sind und jeweils die zweite Gleichspannung zu einer dritten Gleichspannung wandeln, wobei zwischen der zweiten Gleichspannung und der dritten Gleichspannung keine Potentialtrennung vorhanden ist, und wobei die dritte Gleichspannung an dem zumindest einen Ladepunkt abgreifbar ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Aufnehmen eines Sollwerts für die dritte Gleichspannung (
Beispielsweise kann die benötigte Leistung während des laufenden Ladevorgangs reduziert werden, wenn der Füllstand der Batterie einen Schwellwert überschreitet, zum Beispiel 70% oder 80 % SoC.For example, the required power can be reduced while the charging process is in progress if the fill level of the battery exceeds a threshold value, for example 70% or 80% SoC.
Die Erfindung ermöglicht den skalierbaren modularen Aufbau von Ladestationen bzw. Ladesäulen und die einfache dynamische Zuordnung maximaler Leistungsdaten zu einzelnen Ladepunkten. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen beim Aufbau von Ladeinfrastruktur mit einer größeren Anzahl von Ladepunkten. Der Vorteil der Lösung wird durch ein konsequent auf allen Ebenen eingesetztes modulares Konzept erreicht, was die Stückzahl der verwendeten Module erhöht und damit den Preis pro Stück reduziert. Außerdem kann auf ein Bauelementespektrum zugegriffen werden, welches für kleinere Leistungen des Massenmarktes in Preis und Fertigung optimiert ist und damit weitere Kostenvorteile bietet.The invention enables the scalable modular structure of charging stations or charging columns and the simple dynamic assignment of maximum performance data to individual charging points. This leads to considerable cost savings when setting up a charging infrastructure with a larger number of charging points. The advantage of the solution is achieved through a modular concept that is consistently used at all levels, which increases the number of modules used and thus reduces the price per unit. In addition, a range of components can be accessed, which is optimized in price and production for smaller services of the mass market and thus offers further cost advantages.
Darüber hinaus ermöglicht eine dynamische Zuordnung von Leistungsobergrenzen zu einzelnen Ladepunkten, dass die maximale Gesamtleistung der Ladeinfrastruktur geringer ausgelegt werden kann, da Batterien im oberen Füllstandsbereich (beispielsweise mehr als 80% State-of-Charge (SoC)) weniger Leistung aufnehmen können, jedoch den Ladepunkt weiterhin belegen. Die Zeit zum Erreichen von 100% SoC ist ungefähr genau so lang wie zum Erreichen von 80% SoC.In addition, a dynamic assignment of upper performance limits to individual charging points enables the maximum overall performance of the charging infrastructure to be designed to be lower, since batteries in the upper fill level range (e.g. more than 80% state-of-charge (SoC)) are less Can consume power, but still occupy the charging point. The time to reach 100% SoC is roughly the same as to reach 80% SoC.
Für Flottenlösungen ergibt sich der Vorteil, dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, wobei jedoch die Ladeleistung mittels eines Lastmanagements unter Berücksichtigung der skalierbaren Hardwarekomponenten dynamisch auf die Ladepunkte verteilt werden kann.For fleet solutions, there is the advantage that several vehicles can be charged at the same time, but the charging power can be dynamically distributed to the charging points by means of load management, taking into account the scalable hardware components.
Insgesamt kann durch die Erfindung die Ladeinfrastruktur preiswerter produziert werden, da die Dimensionierung der Hardwarekomponenten pro Ladepunkt sinkt. Darüber hinaus wird eine Skalierbarkeit erreicht, welche den Ausbau bestehender Anlagen vereinfacht, da je nach Anforderung nur die benötigten Hardwarekomponenten ergänzt werden müssen.Overall, the invention enables the charging infrastructure to be produced more cheaply, since the dimensions of the hardware components per charging point are reduced. In addition, a scalability is achieved which simplifies the expansion of existing systems, since only the required hardware components have to be added depending on the requirements.
Die vorstehend definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die Erfindung wird für ihre Ausführbarkeit im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
-
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Ladestation gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Ladestation gemäß dem Stand der Technik; und -
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Ladestation gemäß dem Stand der Technik.
-
1 shows an equivalent circuit diagram of a charging station according to an embodiment; -
2 shows an equivalent circuit diagram of a charging station according to the prior art; and -
3rd shows an equivalent circuit diagram of a charging station according to the prior art.
Die Zeichnungen sind schematisch dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.The drawings are shown schematically. It should be noted that similar or identical elements are provided with the same reference symbols in different figures.
Die Ladestation
Die zweiten Gleichspannungswandler
Die zweiten Gleichspannungswandler
Die ersten Gleichspannungswandler
Gemäß der
Der Gleichrichter
Die beiden ersten Gleichspannungswandler
Die Ladestation
Der zweite Hardwarecontroller
Jeder Ladepunkt
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung
Bei diesem Verfahren kann eine benötigte Leistung zum Laden des Verbrauchers und/oder ein Füllstand einer Batterie des Verbrauchers an dem Ladepunkt
Beispielsweise kann die Ladeleistung durch die zweiten Gleichspannungswandler
Die Erfindung ermöglicht den skalierbaren modularen Aufbau der Ladestation
Darüber hinaus ermöglicht eine dynamische Zuordnung von Leistungsobergrenzen zu einzelnen Ladepunkten
Für Flottenlösungen ergibt sich der Vorteil, dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, wobei jedoch die Ladeleistung mittels eines Lastmanagements unter Berücksichtigung der skalierbaren Hardwarekomponenten dynamisch auf die Ladepunkte
Insgesamt kann durch die Erfindung die Ladeinfrastruktur sowohl preiswerter produzieren werden, da die Dimensionierung der Hardwarekomponenten pro Ladepunkt
Es ist zu beachten, dass der Begriff „aufweisen“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt. Auch Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, können kombiniert werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Ansprüche widerspiegeln.It should be noted that the term “having” does not exclude other elements or steps. Elements that are described in connection with various embodiments can also be combined. It should also be noted that any reference signs in the claims should not be construed as reflecting the scope of the claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LadestationCharging station
- 2.12.1
- LadepunktCharging point
- 2.22.2
- LadepunktCharging point
- 2.32.3
- LadepunktCharging point
- 2.42.4
- LadepunktCharging point
- 33
- GleichrichterRectifier
- 4.14.1
- erster Gleichspannungswandlerfirst DC / DC converter
- 4.24.2
- erster Gleichspannungswandlerfirst DC / DC converter
- 5.15.1
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
- 5.25.2
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
- 5.35.3
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
- 5.45.4
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
- 66th
- erster Gleichspannungsbusfirst DC bus
- 77th
- zweiter Gleichspannungsbussecond DC bus
- 88th
- SteuervorrichtungControl device
- 8181
- erster Hardwarecontrollerfirst hardware controller
- 8282
- zweiter Hardwarecontrollersecond hardware controller
- L1L1
- WechselstromphaseAC phase
- L2L2
- WechselstromphaseAC phase
- L3L3
- WechselstromphaseAC phase
- U1U1
- erste Gleichspannungfirst DC voltage
- U2.1U2.1
- zweite Gleichspannungsecond DC voltage
- U2.2U2.2
- zweite Gleichspannungsecond DC voltage
- U3.1U3.1
- dritte Gleichspannungthird DC voltage
- U3.2U3.2
- dritte Gleichspannungthird DC voltage
- U3.3U3.3
- dritte Gleichspannungthird DC voltage
- U3.4U3.4
- dritte Gleichspannungthird DC voltage
- MM.
- MasseDimensions
- 200200
- LadepunktCharging point
- 300300
- GleichrichterRectifier
- 400400
- GleichspannungswandlerDC-DC converter
- 600600
- GleichspannungsbusDC bus
- 700700
- RelaisanordnungRelay arrangement
Claims (8)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102019217450.7A DE102019217450A1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Charging station and method for charging a consumer with load sharing |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019217450.7A DE102019217450A1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Charging station and method for charging a consumer with load sharing |
Publications (1)
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DE102019217450A1 true DE102019217450A1 (en) | 2021-05-12 |
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ID=75584191
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DE102019217450.7A Ceased DE102019217450A1 (en) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | Charging station and method for charging a consumer with load sharing |
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-
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