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Die Erfindung betrifft eine elektrische Ladeinfrastruktur zur Ladung mindestens eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens einen Ladeverbund mit einer Anzahl von Ladesäulen als Ladepunkte.
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Elektrisch antreibbare oder angetriebene beziehungsweise elektromotorisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebsmaschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an ein fahrzeuginternes Bordnetz gekoppelt ist. Derartige Bordnetze werden in der Regel mittels eines Energiespeichers, beispielsweise in Form einer elektrochemischen Batterie, versorgt.
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Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei welcher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Fahrzeug- oder Traktionsbatterien sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Unter einem „Laden eines elektrisch oder elektromotorisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs“ wird hier und im Folgenden insbesondere das (Auf-)Laden eines solchen sekundären (Traktions-)Energiespeichers des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie verstanden.
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Zum Laden des Kraftfahrzeugs beziehungsweise der Fahrzeugbatterie ist es beispielsweise möglich, die Batterie kabellos mittels einer induktiven Ladevorrichtung mit Energie zu versorgen. Bei einer derartigen kabellosen oder induktiven Ladevorrichtung wird eine fahrzeugseitige Sekundärspule in den Einflussbereich einer fahrzeugexternen oder vorrichtungsseitigen Primärspule gebracht.
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Das Laden des Kraftfahrzeugs beziehungsweise der Fahrzeugbatterie kann beispielsweise auch kabelgebunden mittels eines Ladekabels an einen elektrischen Versorgungspunkt (Ladepunkt) oder an ein elektrisches Versorgungsnetz erfolgen. Als Ladepunkte werden hierbei beispielsweise sogenannte Ladestationen oder Ladesäulen als Stromtankstellen oder Stromversorgungseinheiten verwendet. Typischerweise weisen derartige Ladestationen hierzu eine Ladeschnittstelle mit einem Ladekabel auf, an welchem freiendseitig ein Ladestecker angebracht ist. Dieser ist in eine komplementäre Ladebuchse als Ladeschnittstelle am Kraftfahrzeug einsteckbar, und mittels einer zugeordneten Bedieneinheit von einem Benutzer bedienbar. Beispielsweise ist die Ladeschnittstelle an einer der Straße oder einem Benutzer zugewandten Gehäuseseite (Vorderseite) der Ladesäule angeordnet, so dass ein Benutzer sein Kraftfahrzeug einfach positionieren kann.
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Derartige Ladestationen oder Ladesäulen sind hierbei in der Regel mit einem elektrischen Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches Niederspannungsnetz, angeschlossen. Die Ladesäule weist hierbei häufig eine Leistungselektronik zur Spannungswandlung und/oder Spannungsanpassung auf, um eine elektrische Spannung des Versorgungsnetzes an eine gewünschte Ladespannung beziehungsweise an ein gewünschtes Spannungsniveau anzupassen.
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Derartige Ladestationen oder Ladesäulen arbeiten nicht im Verbund. Dies bedeutet, dass jede der Ladesäulen oder Ladepunkte das öffentliche Versorgungs- oder Wechselspannungsnetz einzeln belastet und somit im Wesentlichen autark oder unabhängig von den übrigen Ladesäulen mit dem Versorgungsnetz verbunden ist.
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Für die Alltagstauglichkeit von Elektro- und Hybridfahrzeugen im Zuge der E-Mobilität ist es wünschenswert, dass sich deren Batteriesysteme jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen. Um kurze Ladezeiten zu gewährleisten sind hierbei Schnellladebetriebe der Ladesäulen gewünscht, bei welchen das zu ladende Kraftfahrzeug mit einer Ladeleisung größer oder gleich 300 kW (Kilowatt) mit Gleichstrom (DC) versorgt wird.
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Derartige Schnellladebetriebe stellen somit vergleichsweise hohe Anforderungen an die elektrische Infrastruktur des Versorgungsnetzes, da beispielsweise eine Ladeleistung von 100 kW etwa der elektrischen Leistung eines Wohngebäudes mit 65 Wohneinheiten entspricht (vgl. DIN 18015-1). Dies bedeutet, dass die Anschlussleistung des Versorgungsnetzes beispielsweise um einen Faktor 1000% (1100 kW) erhöht werden müsste, um zum Beispiel zehn Kraftfahrzeuge parallel zu laden. Ein solcher Leistungspeak ist insbesondere in den Abendstunden zu erwarten, nachdem die Kraftfahrzeugnutzer beispielsweise von ihrer Arbeit heimgefahren sind. In vielen Städten und Wohngebieten ist die aktuelle Infrastruktur des Versorgungsnetzes nicht zur Deckung eines solchen Leistungsbedarfs ausgelegt, wodurch es nicht möglich ist, mehrere Kraftfahrzeuge parallel in einem Schnellladebetrieb zu laden. Dadurch wird das Fortschreiten der E-Mobilität nachteilig beeinflusst.
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Des Weiteren besteht insbesondere in innerstädtischen Wohngebieten das Problem, dass typischerweise lediglich eine begrenzte Anzahl von Parkplätze für Anwohner zur Verfügung steht. Bauraumintensive Ladesäulen schränken hierbei den begrenzten Parkraum sowie umliegende Gehwege weiter ein, so dass diese nicht überall aufgestellt werden können. Ladestationen oder Ladesäulen mit einem Schnellladebetrieb sind hierbei insbesondere auch in Parkhäusern und Rasthöfen gewünscht, wobei der begrenzte Parkraum, und die hohe, insbesondere fluktuierende, Anzahl von zu ladenden Kraftfahrzeugen den Einsatz typischer Ladesäulen am öffentlichen Versorgungsnetz erschweren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Ladeinfrastruktur zur Ladung mindestens eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll eine kostengünstige Ladeinfrastruktur realisiert werden, welche einen Schnellladebetrieb auch von mehreren parallel angeschlossenen Kraftfahrzeugen ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Ladeinfrastruktur ist zur Ladung mindestens eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Unter einer Ladeinfrastruktur ist hier und im Folgenden insbesondere eine elektrische Infrastruktur oder ein Energieverteilungsnetz zur Übertragung und Verteilung von Elektrizität beziehungsweise elektrischer Energie oder elektrischer Leistung zu verstehen.
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Die Ladeinfrastruktur weist erfindungsgemäß mindestens einen Ladeverbund mit einer Anzahl von Ladesäulen oder Ladestationen als Ladepunkte für die Kraftfahrzeuge auf. Die Ladesäulen des Ladeverbundes sind hierbei mittels eines Inselnetzes miteinander gekoppelt oder verbunden. Unter einem Inselnetz ist hierbei insbesondere ein eigenes und unabhängiges oder autarkes elektrisches Spannungsnetz des Ladeverbunds zu verstehen, welches im Wesentlichen unabhängig von einem öffentlichen oder externen Versorgungsnetz ausgebildet ist.
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Der Ladeverbund beziehungsweise dessen Inselnetz ist an ein externes Versorgungsnetz, beispielsweise an ein öffentliches Niederspannungsnetz, und/oder an einen insbesondere lokalen Energieerzeuger (Energieversorger), wie beispielsweise eine Photovoltaik- oder Windkraftanlage, gekoppelt oder koppelbar. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Der Ladeverbund weist weiterhin mindestens einen elektrochemischen Batteriespeicher als elektrischen Zusatz- oder Hilfsenergiespeicher beziehungsweise als Pufferspeicher auf.
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Dadurch ist eine besonders geeignete Ladeinfrastruktur zur Ladung mindestens eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs realisiert. Insbesondere ist somit eine Ladeinfrastruktur mit einem Schnellladebetrieb realisierbar, da die Ladesäulen des Ladeverbunds an das durch den mindestens einen Batteriespeicher gepufferte Gleichspannungs-Inselnetz angeschlossen sind.
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Zweckmäßigerweise wird das oder jedes Kraftfahrzeug mit der zugeordneten Ladesäule mittels eines DC-Ladeprozess geladen, um möglichst geringe Ladeverluste zu gewährleisten. Nachfolgend ist unter einem Inselnetz daher insbesondere ein Gleichspannungs-Inselnetzes, also ein mit Gleichspannung (DC) betriebenes Inselnetz, zu verstehen. Dies bedeutet, dass der Ladeverbund der erfindungsgemäßen Ladeinfrastruktur als ein eigenständiger, puffergestützter DC-Schnellladeverbund für das mindestens eine Kraftfahrzeug ausgeführt ist.
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Da der Ladeverbund im Wesentlichen unabhängig vom dem externen Versorgungnetz ist, wird dieses im Zuge der Ladung oder Schnellladung des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen nicht belastet. Der Ladeverbund wird hierbei während einer solchen Schnellladung durch den Batteriespeicher stabilisiert. Dadurch ist es möglich die Ladeinfrastruktur an nahezu allen Parkplätzen, insbesondere in innerstädtischen Wohngebieten, einzusetzen. Insbesondere ist somit eine Möglichkeit zur Schnellladung von Kraftfahrzeugen im Bereich von Ballungszentren, Mehrfamilienhäusern, Siedlungen mit begrenzten Parkmöglichkeiten, Parkhäusern, Supermarkt-Parkplätzen, Raststätten und Betriebshöfen realisierbar.
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Vorzugsweise ist der Ladeverbund intelligent ausgeführt, dies bedeutet, dass der Ladeverbund beispielsweise einen Controller zur Steuerung und/oder Regelung der Kopplung an das Versorgungsnetz aufweist. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass ein Netzbetreiber des Versorgungsnetzes die Ladeinfrastruktur beziehungsweise den Ladeverbund steuern und/oder regeln kann. Dadurch ist es möglich, dass der Netzbetreiber die Stromaufnahme des Ladeverbunds bei einer hohen Auslastung des Versorgungsnetzes drosselt oder reduziert. Dadurch schützt der Ladeverbund der Ladeinfrastruktur flächendeckend vor einer Netzüberlastung des Versorgungsnetzes.
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Geeigneterweise ist es hierbei möglich Ladevorgänge zur priorisieren um somit die Auslastung der gesamten Ladeinfrastruktur sowie die Auslastung des Versorgungsnetzes zu steuern und/oder zu regeln. Eine derartige Steuerung und/oder Regelung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit einer gewünschten Abfahrtzeit der Kraftfahrzeuge, einem gewünschten Batteriefüllstand (Ladezustand) der Kraftfahrzeuge, einer jeweiligen Ladeleistung des Kraftfahrzeugs, ob ein Kraftfahrzeug über eine bidirektionale-Ladefähigkeit verfügt, dem aktuellen (Ist-)Ladezustand der Fahrzeugbatterien, einer (Rest-)Kapazität des Ladeverbunds, einer Auslastung des Ladeverbunds, einer Auslastung des Versorgungsnetzes, und der Leistung von angeschlossenen lokaler Energieerzeuger. In Abhängigkeit einer oder mehrere vorstehend genannter Parameter ist es somit möglich, Kraftfahrzeuge punkt- oder zeitgenau zu laden, ohne das Versorgungsnetz übermäßig zu belasten. Des Weiteren ist eine parallele (Schnell-)Ladung mehrerer Kraftfahrzeuge gleichzeitig ermöglicht, ohne dass hierzu eine Veränderung des externen Versorgungsnetzes notwendig ist.
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Durch den Ladeverbund ist insbesondere hinsichtlich der Ladung des Kraftfahrzeugs ein eigenes, lokales Gleichspannungs-Inselnetz realisiert, welches vorzugsweise eine Schnittstelle zu dem öffentlichen Versorgungsnetz aufweist. Zur Reduzierung von Kabellängen eines Ladekabels ist vorzugsweise für zwei benachbarte Parkplätze jeweils eine Ladesäule vorgesehen. Der Ladeverbund ist hierbei auch an dezentrale Energieerzeuger, wie beispielsweise Photovoltaik- oder Solaranlagen auf Kaufhausdächern, und/oder anderen lokalen Stromerzeugern, wie beispielsweise eine Windkraftanlage, anschließbar. Dadurch ist eine Energieeinspeisung in die Batterie- oder Pufferspeicher unabhängig vom Versorgungsnetz möglich. Insbesondere bei einer Kopplung an eine Photovoltaikanlage ist beispielsweise auch eine direkte Einspeisung ohne zwischengeschalteten Spannungswandler denkbar, so dass Energieverluste minimiert werden.
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Der Ladeverbund weist beispielsweise zusätzlich zum Gleichspannungs-Inselnetz einen Kühl- oder Wärmekreislauf zur Temperierung oder thermischen Energiezufuhr/-abfuhr der Ladesäulen auf, welcher beispielsweise an einen Wärmetauscher und/oder an ein Fernwärmenetz angeschlossen ist. Dadurch ist eine gezielte Temperierung der Ladesäulen bei einem Ladevorgang ermöglicht, wodurch höhere Ladeleistungen realisierbar sind.
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Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Ladeinfrastruktur sind daher lediglich lokale Erdarbeiten im Bereich des Ladeverbunds notwendig. Insbesondere sind keine Änderungen an einem bestehenden Versorgungsnetz notwendig.
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Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Ladeinfrastruktur ein sogenanntes Peak-Shaving hinsichtlich auftretender Leistungsspitzen beim Laden des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise ist es möglich, dass der Ladeverbund tagsüber Energie aus dem Versorgungsnetz aufnimmt und in den Batteriespeichern speichert, so dass bei einer Ladung von mehreren Kraftfahrzeugen am Abend ausreichend Ladeleistung zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der mindestens eine Batteriespeicher des Ladeverbunds modular austauschbar und/oder erweiterbar. Mit anderen Worten ist der Batteriespeicher wechselbar. Zur Erweiterung des Batteriespeichers ist es beispielsweise möglich, dass ein weiterer Batteriespeicher gestapelt zum ersten angeordnet wird. Dadurch ist die erfindungsgemäße Ladeinfrastruktur besonders einfach flexibel erweiterbar und somit optimal und kostengünstig an den jeweils notwendigen Energiebedarf anpassbar.
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Der mindestens eine Batteriespeicher ist beispielsweise als ein mobiles Akkupaket oder Batteriepack-Modul mit einer Anzahl von integrierten Batteriemodulen oder Batteriezellen ausgeführt. Der Batteriespeicher weist hierbei beispielsweise einen konventionellen Stromanschluss an das Versorgungsnetz auf, und ist im Wesentlichen an einer beliebigen Stelle des Ladeverbunds angeordnet oder anordbar.
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Insbesondere ist somit die Batterie- oder Pufferkapazität des Ladeverbunds flexibel einstellbar. Beispielsweise wird der Batteriespeicher erweitert, wenn zum Beispiel temporär oder dauerhaft ein gesteigerter Bedarf an dem Ladeverbund besteht. Dies bedeutet, dass beispielsweise in Gebieten mit geringer AC-Anschlussleistung des Versorgungsnetzes mehr Batteriespeicher in einen Ladeverbund integriert werden, also in einem Gebiet mit höherer Anschlussleistung. Dadurch ist der Ladeverbund flexibel an das jeweilige Versorgungsnetz anpassbar.
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Der modulare Batteriespeicher ist vorzugsweise möglichst bauraumkompakt ausgestaltet, und somit beispielsweise an einem für Lastkraftwagen zugänglichen Stelle am Ladeverbund dezentral abstellbar und aufbaubar. Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass der oder jeder Batteriespeicher unterirdisch versenkt, also in eine untergrundseitige Aufnahme eingesetzt wird. Dadurch wird beispielsweise der vorhandene Bauraum für Gehsteige oder dergleichen nicht nachteilig eingeschränkt. Des Weiteren ist der Batteriespeicher somit optisch unsichtbar angeordnet und vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Vandalismus geschützt.
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Bei einem Austausch oder Wechsel des Batteriespeichers ist es möglich, lediglich den betroffenen Batteriespeicher auszutauschen. Insbesondere ist es möglich, einen leeren oder verbrauchten, also entladenen, Batteriespeicher, durch einen beispielsweise dezentral aufgeladenen Batteriespeicher zu ersetzen. Hierbei ist es möglich, dass der Batteriespeicher während eines Lade- oder Schnellladevorgangs eines Kraftfahrzeugs an einer der Ladesäulen austauschbar ist, ohne dass ein Abstecken oder Lösen des Ladekabels von dem Kraftfahrzeug notwendig ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die oder jede der Ladesäulen des Ladeverbunds eine Ladekapazität auf, welche geringer ist, als die Kapazität des zu ladenden Kraftfahrzeugs beziehungsweise dessen Fahrzeugbatterie. Ein derartiges Kraftfahrzeug weist beispielsweise eine Kapazität von etwa 30 kWh (Kilowattstunde) auf. Hierbei weist der Ladeverbund insgesamt jedoch eine ausreichend hohe Ladekapazität für einen Schnellladebetrieb auf. Dadurch ist es möglich, Schnellladebetriebe mittels des Ladeverbunds zu realisieren, und gleichzeitig möglichst kostengünstige und einfache sowie bauraumkompakte Ladesäulen zu verwenden.
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Die höhere Gesamtkapazität des Ladeverbundes wird durch das eigenständige und gepufferte Inselnetz realisiert. Hierdurch ist es möglich, dass Kraftfahrzeuge beispielsweise Energie aus den Batteriespeicher(n) beziehen, welche entfernt zu der das Kraftfahrzeug speisenden Ladesäule angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der Ladeverbund als Gesamtsystem das Kraftfahrzeug versorgt.
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Im Hinblick auf eine Steuerung des Ladeverbunds ist es hierbei denkbar, dass das zu ladende Kraftfahrzeug an der Ladesäule angemeldet wird. Diese Anmeldung erfolgt beispielsweise bei einer Ankunft an der Ladesäule. Alternativ ist beispielsweise auch ein vorheriges Reservieren und/oder Einchecken denkbar. Ebenso möglich ist es eine selbstlernende Ladesäule bereitzustellen, welche anhand eines Lernalgorithmus entsprechend trainiert wird.
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Nach der Anmeldung wird eine gewünschte Abfahrzeit festgelegt, wodurch die Ladezeitdauer bestimmt wird. Anschließend erfolgt eine Bestimmung der effizientesten Beladung und/oder Entladung unter Berücksichtigung einer Restkapazität des Ladeverbunds. Hierbei ist es weiterhin möglich, dass dem Fahrzeug eine (Lade-)Priorität zugeordnet wird, wobei die Priorität gegenüber anderen angeschlossenen Kraftfahrzeugen veränderbar ist, so dass beispielsweise mehrere Kraftfahrzeuge hintereinander mit einem Schnellladebetrieb aufladbar sind. Dadurch ist es möglich einen Austausch oder Wechsel des oder jedes Batteriespeichers zuverlässig und einfach zu terminieren. Des Weiteren werden somit bei einer Ladung mehrerer Kraftfahrzeuge Leistungsspitzen im Inselnetz vermieden oder zumindest reduziert. Weiterhin wirkt sich ein durch ein nach einer Ladung weiterhin abgestelltes Kraftfahrzeug blockierter Ladeplatz nicht nachteilig auf die Ladung der übrigen Kraftfahrzeuge aus.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in die oder jede Ladesäule mindestens ein Batteriespeicher integriert oder integrierbar. Mit anderen Worten sind die Ladesäulen mit einer Anzahl von Batteriespeichern ausgerüstet oder ausrüstbar. Dies bedeutet, dass die Ladesäulen hinsichtlich der Batteriespeicher modular ausbaubar und/oder erweiterbar sind. Insbesondere ist es somit möglich die Ladekapazität einer Ladesäule beziehungsweise des Ladeverbunds zu erhöhen. Dadurch ist einerseits eine platzsparende und optisch unauffällige Anordnung der Batteriespeicher realisiert, welche weiterhin eine einfache Zugänglichkeit hinsichtlich Servicearbeiten, wie Wartung, Reparatur, Austausch oder Erweiterung, ermöglichen.
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In einer denkbaren Ausbildung ist die oder jede Ladesäule mit einem Lampenmodul zur Erzeugung einer Umgebungsbeleuchtung versehen. Mit anderen Worten sind die Ladesäulen des Ladeverbunds mit Lampenmodulen zur Straßenbeleuchtung ausstattbar. Dadurch ist es beispielsweise möglich die Ladesäulen zusätzlich oder alternativ zu einer bestehenden Straßenbeleuchtung zu verwenden. Insbesondere fügen sich die Ladesäulen somit besser in ein vorhandenes Straßenbild ein. Des Weiteren wird die Handhabung der Ladesäulen bei schlechten Lichtverhältnissen oder Dunkelheit wesentlich verbessert.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Ladesäulen des Ladeverbunds als ein Master-Slave-System ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass eine Master-Ladesäule und mindestens eine damit signaltechnisch gekoppelte und elektrisch insbesondere parallel-geschaltete Slave-Ladesäule im Ladeverbund vorgesehen sind. Dadurch ist ein besonders geeigneter Ladeverbund hinsichtlich der Steuerung und/oder Regelung realisiert. Durch die Master- und Slave-Ladesäulen ist somit eine hierarchische Verwaltung des Zugriffs auf die Ladeleistung beziehungsweise die Gesamtkapazität des Ladeverbunds beziehungsweise Inselnetzes realisierbar.
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Die Master-Ladesäule und die mindestens eine Slave-Ladesäule sind hierbei beispielsweise mittels einer Bus- oder Signalleitung signaltechnisch gekoppelt, so dass zwischen den Ladesäulen eine Kommunikationsverbindung realisiert ist. Die Slave-Ladesäulen sind hierbei vergleichsweise kostengünstig ausführbar, so dass eine Vielzahl von Slave-Ladesäulen großflächig installierbar ist. Dadurch ist es beispielsweise für Anwohner in einem Ballungsgebiet nach einem Aufladen ihres Kraftfahrzeugs nicht notwendig ihren Parkplatz zu räumen, um anderen Fahrzeugnutzern ein Laden zu ermöglichen. Dadurch weist die Ladeinfrastruktur einen hohen Benutzerkomfort auf.
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In einer geeigneten Ausführung weist die Master-Ladesäule einen ersten Spannungswandler als Schnittstelle zwischen dem Inselnetz und dem Versorgungsnetz auf. Insbesondere ist hierbei ein AC/DC-Wandler als Schnittstelle zwischen dem Gleichspannungs-Inselnetz und einem Wechselspannungs-Versorgungsnetz vorgesehen. Die Master-Ladesäule weist weiterhin einen Controller als zentrale Steuereinheit (Zentralrechner) des zugeordneten Ladeverbunds auf. Dies bedeutet, dass die Master-Ladesäule die elektrische Schnittstelle zwischen dem Ladeverbund und dem Versorgungsnetz realisiert. Vorzugsweise ist die Master-Ladesäule hierbei mit einer bidirektionalen Stromführung ausgestattet, so dass der Ladeverbund bedarfsweise Energie aus dem Versorgungsnetz aufnehmen oder an dieses abgegeben kann.
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Die Slave-Ladesäulen sind im Vergleich zur Master-Ladesäule besonders kostengünstig ausgeführt, und weisen im Wesentlichen lediglich die zum Laden notwendigen Einrichtungen, wie beispielsweise ein Ladekabel und einen Stromzähler sowie ein Display auf. Dadurch sind die Slave-Ladesäulen besonders bauraumkompakt ausführbar, wodurch eine einfache Integration an bestehenden Parkplätzen möglich ist. Des Weiteren fügen sich die Slave-Ladesäulen somit besonders einfach in ein bestehendes Straßenbild ein. In einer denkbaren Ausgestaltung weisen die Slave-Ladesäulen einen integrierten zweiten Spannungswandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler, zur Einstellung eines Ladestroms für das Kraftfahrzeug auf. Dadurch ist eine flexible und zuverlässige Ladung des Kraftfahrzeugs gewährleistet.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Inselnetz eine Betriebsspannung größer 300 V (Volt), insbesondere größer 320 V, vorzugsweise zwischen 400 V und 1000 V, auf. Die Betriebsspannung ist hierbei insbesondere eine Gleichspannung, dies bedeutet, dass das Inselnetz als ein Hochvolt-Gleichspannungsnetz (HV DC-Netz) ausgeführt ist. Die Leitungen des Inselsystems sind hierbei beispielsweise einadrig oder mehradrig ausgebildet. Aufgrund der hohen Gleichspannung weisen die Leitungen des Inselsystems hierbei besonders niedrige Leitungsquerschnitte auf, wodurch die Kosten für das Inselsystem und somit der Ladeinfrastruktur vorteilhaft reduziert werden. Des Weiteren ermöglichen derartig hohe Spannungen besonders niedrige Leistungsverluste bei den ersten und zweiten Spannungswandlern, so dass die Energieeffizienz des Ladeverbunds verbessert wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Ladeinfrastruktur mindestens zwei gekoppelte Ladeverbunde auf. Die Ladeverbunde sind hierbei über einen Erweiterungspunkt oder Erweiterungsknoten derart miteinander gekoppelt oder verbunden, dass ein gemeinsames Inselnetz zwischen den Ladeverbunden ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Ladeinfrastruktur über die Erweiterungspunkte modular mit zusätzlichen Ladeverbunden erweiterbar ist. Dadurch ist beispielsweise in einfacher Weise eine modulare Ausbreitung oder Erweiterung der Ladeinfrastruktur auf benachbarte Straßen in einem Wohngebiet oder auf benachbarte Parkdecks in einem Parkhaus ermöglicht.
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Dadurch ist es in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, ein besonders großflächiges Schnellladenetz für Kraftfahrzeuge zu realisieren. Des Weiteren wird durch die Kopplung mehrerer Ladeverbunde die Effizienz der Ladeinfrastruktur verbessert, da sich die Lastverteilung über eine größere Fläche erstreckt. Weiterhin wird die Gesamtkapazität durch das gemeinsame Inselnetz für jeden gekoppelten Ladeverbund erhöht, so dass mit zunehmender Größe oder Umfang der Ladeinfrastruktur, die einzelnen Ladesäulen der Ladeverbunde zunehmend einfacher und kostengünstiger ausführbar sind. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige und flexible Skalierung der Ladeinfrastruktur ermöglicht.
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Insbesondere wird somit eine Kombination von mehreren Master-Slave-Systemen der Ladeverbunde realisiert. Dadurch wird das Versorgungsnetz nicht lediglich punktuell, sondern an verschiedenen Orten an Ladeinfrastruktur gekoppelt. Somit wird eine verbesserte Lastverteilung im Versorgungsnetz realisiert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
- 1 in Draufsicht ausschnittsweise eine Straße mit einer Ladeinfrastruktur in einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Ladeinfrastruktur in einer zweiten Ausführungsform mit zwei Ladeverbunden und zwei Batteriespeichern,
- 3 eine Ladeinfrastruktur in einer dritten Ausführungsform mit zwei Ladeverbunden, zwei Batteriespeichern und einem Wärmetauscher,
- 4 bis 6 in unterschiedlichen Ausbaustufen eine Ladeinfrastruktur in einer vierten Ausführungsform,
- 7 eine Ladeinfrastruktur in einer fünften Ausführungsform mit einer Master-Ladesäule und drei gekoppelten Slave-Ladesäulen, und
- 8 bis 10 in unterschiedlichen Ausbaustufen eine Ladeinfrastruktur in einer sechsten Ausführungsform.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist ausschnittsweise eine Straße 2 mit einem Parkplatz 4 dargestellt, wobei der Parkplatz entlang einer Straßenseite fünfundzwanzig (25) Querparkplätze 4a und entlang der gegenüberliegenden Straßenseite vierzehn (14) Längsparkplätze 4b aufweist, welche lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind.
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An dem Parkplatz 4 ist eine Ladeinfrastruktur 6 zur Ladung von geparkten Kraftfahrzeugen 8 vorgesehen. Die Kraftfahrzeuge 8 sind insbesondere elektrisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. In der 1 sind beispielhaft elf (11) Kraftfahrzeuge 8 gezeigt, wobei die Kraftfahrzeuge 8 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind.
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Die Ladeinfrastruktur 6 weist einen Ladeverbund 10 mit zwei Batteriespeichern 12 und mit achtzehn (18) Ladesäulen 14 auf, welche jeweils derart positioniert sind, dass zwei benachbarte Parkplätze 4a, 4b von einer Ladesäule 14 versorgbar sind. Die Ladesäulen 14 und die Batteriespeicher 12 des Ladeverbunds 10 sind mittels eines Inselnetzes 16 miteinander elektrisch gekoppelt. Das Inselnetz 16 ist hierbei als ein Gleichspannungsnetz, insbesondere als ein Hochvolt-Gleichspannungsnetz, beispielsweise mit einer Betriebsspannung größer 300 V, ausgeführt. Das Inselnetz 16 weist insbesondere eine Spannung von größer 320 V, vorzugsweise zwischen 400 V und 1000 V, auf. Die Leitungen des Inselsystems 16 sind hierbei beispielsweise einadrig oder mehradrig ausgebildet.
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Die Ladesäulen 14 sind elektrisch parallel zueinander an das Inselnetz 16 angeschlossen. Mit anderen Worten weist der Ladeverbund 10 eine Parallelschaltung einer Anzahl von Ladesäulen 14 auf.
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Das Inselnetz 16 ist hierbei ein eigenes und unabhängiges oder autarkes elektrisches Spannungsnetz des Ladeverbunds 10. Der Ladeverbund 10 beziehungsweise das Inselnetz 16 ist an ein externes Versorgungsnetz 18 (4), beispielsweise an ein Wechselspannungsnetz, insbesondere an ein öffentlichen 230 V AC Niederspannungsnetz, gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist einer der Batteriespeicher 12 als Schnittstelle zwischen dem Ladeverbund 10 und dem Versorgungsnetz 18 ausgebildet. Der Batteriespeicher 12 weist hierbei Anschlusskabel 20 als Stromanschluss zum elektrischen Anschluss an den Ladeverbund 10 und an das Versorgungsnetz 18 auf.
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Die insbesondere elektrochemischen Batteriespeicher 12 sind als elektrischen Zusatz- oder Hilfsenergiespeicher beziehungsweise als Pufferspeicher in den Ladeverbund 10 verschaltet. Vorzugsweise sind die Batteriespeicher 12 des Ladeverbunds 10 hierbei modular austauschbar und/oder erweiterbar ausgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Batteriespeicher 12 als Batteriepack-Module mit jeweils einer Anzahl von miteinander gekoppelten oder verschalteten Batteriemodulen 22 ausgebildet. Der als Schnittstelle zwischen dem Ladeverbund 10 und dem Versorgungsnetz 18 ausgebildete Batteriespeicher 12 weist hierbei beispielsweise sechs Batteriemodule 22 auf, und der andere Batteriespeicher 12 weist zwei Batteriemodule 22 auf.
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Die Ladesäulen 14 des Ladeverbunds 10 weisen eine Ladekapazität auf, welche geringer ist, als die Kapazität des jeweils zu ladenden Kraftfahrzeugs 8 beziehungsweise dessen Fahrzeugbatterie. Der Ladeverbund 10 weist jedoch insgesamt eine ausreichend hohe Ladekapazität zur Ladung der Kraftfahrzeuge 8, auch zur Schnellladung der Kraftfahrzeuge 8, auf. Die höhere Gesamtkapazität des Ladeverbundes 10 wird durch das eigenständige und gepufferte Inselnetz 16 realisiert. Hierdurch ist es möglich, dass Kraftfahrzeuge 8 während der (Schnell-)Ladung beispielsweise Energie aus den Batteriespeicher(n) 12 beziehen, welche entfernt zu der das Kraftfahrzeug 8 speisenden Ladesäule 14 angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der Ladeverbund 10 als Gesamtsystem die Kraftfahrzeuge 8 lädt.
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In der 2 ist eine Ladeinfrastruktur 6 gezeigt, bei welcher zwei Ladeverbunde 10a, 10b über einen Erweiterungspunkt 24 gekoppelt sind. Die Ladeverbunde 10a und 10b sind hierbei mittels des Erweiterungspunkts 24 derart miteinander gekoppelt oder verbunden, dass deren zugehörige Inselnetze 16a und 16b ein gemeinsames Inselnetz ausbilden. In der Darstellung der 2 ist der Ladeverbund 10a mit zwei ans Versorgungsnetz 18 angeschlossenen oder anschließbaren Batteriespeichern 12 und zehn Ladesäulen 14 gezeigt. Der Ladeverbund 10b ist hierbei ausschnittsweise mit lediglich zwei Ladesäulen 14 dargestellt.
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Die in 3 gezeigte Ladeinfrastruktur 6 weist zwei über einen Erweiterungspunkt 24 gekoppelte Ladeverbunde 10a, 10b auf, wobei die Ladeverbunde 10a, 10b zumindest abschnittsweise einen Wärme-/Kältekreislauf 26 zur Temperierung der Ladesäulen 14 aufweisen. Der Kreislauf 26 ist hierbei an einen Wärmetauscher 28 oder an ein Fernwärmenetz gekoppelt. Dadurch ist eine gezielte Temperierung der Ladesäulen 14 während einem Ladevorgang ermöglicht, wodurch höhere Ladeleistungen realisierbar sind. Die Batteriespeicher 12 des Ladeverbunds 10a sind hierbei nicht an ein Versorgungsnetz 18 angeschlossen.
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In den 4 bis 6 sind mehrere Ausbaustufen der Ladeinfrastruktur 6 im Zuge eines Aufbaus einer großflächigen HV-DC-Schnellladenetzes gezeigt. Die 4 bis 6 zeigen hierbei jeweils in schematischer und vereinfachter Darstellung einen Stadtplan eines innerstädtischen Wohngebiets.
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In der in 4 gezeigten ersten Ausbaustufe der Ladeinfrastruktur 6 sind drei unabhängige Ladeverbunde 10a, 10b und 10c in dem Wohngebiet vorgesehen. Jeder Ladeverbund 10a, 10b, 10c weist hierbei einen Batteriespeicher 12 auf. Der Batteriespeicher 12 des Ladeverbunds 10a ist hierbei an ein öffentliches Versorgungsnetz 18 angeschlossen.
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In der zweiten Ausbaustufe, welche in der 5 gezeigt ist, sind drei weitere Ladeverbunde 10d, 10e, 10f in dem Wohngebiet installiert. Der Ladeverbund 10c ist hierbei entlang einer Straße weiter verzweigt ausgeführt, wobei die Ladeverbunde 10a und 10d mittels eines Erweiterungspunkts 24 gekoppelt sind.
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Die 6 zeigt eine im Wesentlichen vollständig ausgebaute dritte Ausbaustufe der Ladeinfrastruktur 6, bei welcher die Ladeverbunde 10a bis 10f über weitere, nicht näher bezeichnete Ladeverbunde, zu einem großflächigen gemeinsamen Inselnetz 16 verbunden sind. Der Ladeverbund 10f ist hierbei an einen dezentrale Energieerzeuger 30 in Form einer Windkraftanlage angeschlossen.
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In der 7 ist eine alternative Ausführung eines Ladeverbunds 10 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die Batteriespeicher 12 beziehungsweise Batteriemodule 22 in den Ladesäulen 14 integriert. Mit anderen Worten sind die Ladesäulen 14 mit einer Anzahl von Batteriespeichern 12 ausgerüstet oder ausrüstbar. Die Ladesäulen 14 des Ladeverbunds 10 sind hierbei als ein Master-Slave-System mit einer Master-Ladesäule 32 und drei damit signaltechnisch gekoppelte und elektrisch insbesondere parallel-geschaltete Slave-Ladesäulen 34 ausgeführt.
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Die Master-Ladesäule 32 und die Slave-Ladesäulen 34 sind hierbei beispielsweise mittels einer nicht näher gezeigten Bus- oder Signalleitung signaltechnisch gekoppelt, so dass zwischen den Ladesäulen 14 eine Kommunikationsverbindung realisiert ist.
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Die Master-Ladesäule 32 weist einen Spannungswandler 36 als Schnittstelle zwischen dem Inselnetz 16 und dem Versorgungsnetz 18 auf, welcher mittels eines Anschlusskabels 20 an das Versorgungsnetz koppelbar ist. Der Spannungswandler 36 ist hierbei als ein AC/DC-Wandler ausgeführt. In die Master-Ladesäule 32 sind zwei Batteriemodule 22 als Batteriespeicher 12 integriert. Die Master-Ladesäule 32 weist weiterhin einen Controller 38 als zentrale Steuereinheit (Zentralrechner) des Ladeverbunds 10 auf.
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Durch den Controller 38 der Master-Ladesäule 32 ist ein intelligenter Ladeverbund gebildet. Der Betrieb des Ladeverbunds 10 beziehungsweise der Betrieb der Ladesäulen 14 wird hierbei mittels des Controllers 38 gesteuert und/oder geregelt. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass ein Netzbetreiber des Versorgungsnetzes 18 die Ladeinfrastruktur 6 beziehungsweise den Ladeverbund 10 hinsichtlich deren Stromaufnahme steuert und/oder regelt.
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Die Slave-Ladesäulen 34 sind im Vergleich zur Master-Ladesäule 32 besonders kostengünstig ausgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind in eine Slave-Ladesäule 34 drei Batteriemodule 22 als Batteriespeicher 12 und in eine weitere Slave-Ladesäule 34 zwei Batteriemodule 22 als Batteriespeicher 12 integriert, wobei eine der Slave-Ladesäulen 34 keinen integrierten Batteriespeicher 12 aufweist. Die Slave-Ladesäulen 34 sind beispielsweise mit einem integrierten Spannungswandler 40, insbesondere einen DC/DC-Wandler, zur Einstellung eines Ladestroms für das Kraftfahrzeug 8 ausgestattet.
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In den 8 bis 10 ist analog zu den Darstellungen der 4 bis 6 mehrere Ausbaustufen der Ladeinfrastruktur 6 für eine Ladeinfrastruktur 6 mit mehreren Master-Slave-Systemen der Ladeverbunde 10a bis 10f gezeigt.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass eine oder mehrere Ladesäulen 14 eines Ladeverbunds 10 mit einem Lampenmodul zur Erzeugung einer Umgebungsbeleuchtung versehen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Straße
- 4
- Parkplatz
- 4a
- Querparkplatz
- 4b
- Längsparkplatz
- 6
- Ladeinfrastruktur
- 8
- Kraftfahrzeug
- 10, 10a-10f
- Ladeverbund
- 14
- Ladesäule
- 16, 16a-16f
- Inselnetz
- 18
- Versorgungsnetz
- 20
- Anschlusskabel
- 22
- Batteriemodul
- 24
- Erweiterungspunkt
- 26
- Kreislauf
- 28
- Wärmetauscher
- 30
- Energieerzeuger
- 32
- Master-Ladesäule
- 34
- Slave-Ladesäule
- 36
- Spannungswandler
- 38
- Controller
- 40
- Spannungswandler
