DE102020104143A1 - Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge. Gemäß der Erfindung weist der Ladepark einen Verbund von Ladepunkten auf, die an ein zentrales Kühlmodul angeschlossen sind, wobei eine Kühlung von Komponenten des jeweiligen Ladepunkts in Abhängigkeit von einer Temperatur der jeweiligen Komponente im Ladebetrieb oder im Stand-by-Betrieb, in Abhängigkeit von einem Ladestatus am jeweiligen Ladepunkt und in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge.
  • Aus der WO 2011/145939 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge bekannt. Dieser Ladepark weist ein luft- oder flüssigkeitsbasiertes Kühlsystem auf, um Wärme von Wechselrichtern abzuführen. Auf diese Weise soll eine Leistungselektronik einfacher ausgerüstet werden können.
  • In der DE 10 2015 101 140 A1 ist eine Ladestation zur Abgabe elektrischer Energie an einen Empfänger elektrischer Energie beschrieben. Die Ladestation weist eine Kühleinrichtung auf, mittels der ein in einer Parkposition befindlicher Ladestecker kühlbar ist. Die Kühlung erfolgt mittels eines Gebläses.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge anzugeben, das eine effiziente Kühlung von Ladepunkten des Ladeparks gewährleistet.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
  • Bei dem Verfahren zum Betreiben des Ladeparks für Elektrofahrzeuge ist vorgesehen, dass der Ladepark einen Verbund von Ladepunkten aufweist, die an ein zentrales Kühlmodul angeschlossen sind, wobei eine Kühlung von Komponenten des jeweiligen Ladepunkts in Abhängigkeit von einer Temperatur der jeweiligen Komponente im Ladebetrieb oder im Stand-by-Betrieb, in Abhängigkeit von einem Ladestatus am jeweiligen Ladepunkt und in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur erfolgt.
  • Bei dem jeweiligen Ladepunkt handelt es sich um eine Ladestelle. Im Bereich dieser Ladestelle erfolgt das Laden des dort jeweils abgestellten Elektrofahrzeugs. Das zentrale Kühlmodul stellt ein gemeinsames Kühlmodul für den Verbund von Ladepunkten dar. In einem konkreten Fall sind dies maximal drei Leistungselektronik-Module und drei Ladekabel. Es kann beispielsweise auch nur ein Ladepunkt, d.h. Leistungselektronik-Modul und Ladekabel an einem Kühlmodul angeschlossen sein. Die einen Verbund darstellenden Ladepunkte sind somit an ein einziges zentrales Kühlmodul dieses Verbunds angeschlossen. Die Kühlung der Komponenten des jeweiligen Ladepunkts erfolgt in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, worunter die Außentemperatur verstanden wird.
  • Dieses Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge ermöglicht eine hohe Effizienz durch eine bedarfsgerechte Kühlung des Verbunds der Ladepunkte.
  • Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Ladepark mehrere Kühlcluster aufweist, wobei das jeweilige Kühlcluster den Verbund von Ladepunkten aufweist, die an das zentrale Kühlmodul angeschlossen sind. Für jeden Verbund von Ladepunkten weist das Kühlcluster somit ein einziges zentrales Kühlmodul auf. Es ergibt sich eine hohe Gesamtsystemeffizienz durch die bedarfsgerechte Kühlung pro Kühlcluster.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das jeweilige Kühlcluster Ladepunkte, Leistungselektronik-Module und Ladesysteme aufweist. Hierbei ist die Anzahl an Ladepunkten, Leistungselektronik-Modulen und Ladesystemen beliebig, aber jeweils > 0.
  • Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn über das zentrale Kühlmodul alle Leistungselektronik-Module und Ladesäulen aller Ladesysteme in einem Primärkreislauf mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Hierbei lässt sich durch die Verwendung der Kühlflüssigkeit eine hohe Effizienz der Kühlung erreichen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass über einen der jeweiligen Ladesäule zugeordneten Wärmetauscher ein Ladekabel und/oder ein Ladestecker in einem Sekundärkreislauf mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
  • Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Steuerung des Ladeparks mittels eines Lademanagementservers erfolgt. Diesem Lademanagementserver werden, zur Vorgabe einer benötigten Kühlstufe für das jeweilige Kühlcluster, vorzugsweise folgende Informationen aus Steuergeräten zugeleitet:
    1. a. die aktuelle Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Leistungselektronik-Moduls,
    2. b. die Erkennung eines Ladevorgangs über einen Ladevorgangstatus und den damit benötigten Kühlbedarf,
    3. c. die aktuelle Umgebungstemperatur über einen Temperatursensor am zentralen Kühlmodul,
    4. d. die aktuelle Temperatur des Ladekabels.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kühlung in einer Regelkaskade mit zwei Regelkreisen geregelt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein innerer Regelkreis eine Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von einer benötigten Kühlleistung des jeweiligen zentralen Kühlmoduls regelt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass ein äußerer Regelkreis eine Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des Ladesystems und des Systemzustands regelt.
  • Insbesondere vor einem Wechsel in einen Stand-by-Betrieb, dann, wenn kein Elektrofahrzeug am Ladepunkt oder im Kühlcluster erkannt wird, erfolgt eine Kühlung über eine Kühlnachlaufzeit.
  • Die beschriebene Erfindung und deren Weiterbildungen ermöglichen ein effizientes Thermomanagement des Ladeparks.
  • Unter dem Aspekt der beschriebenen Weiterbildung ist eine hohe Gesamtsystemeffizienz durch eine bedarfsgerechte Kühlung pro Kühlcluster gewährleistet. Dies deshalb, weil der jeweilige Verbund von Ladepunkten an ein zentrales Kühlmodul angeschlossen ist. Es steht eine hohe Ladeleistung direkt mit Beginn des Ladevorgangs durch eine Vortemperierung der Leistungselektronik-Module und insbesondere des Ladekabels im Stand-by-Modus zur Verfügung. Der Bedienungskomfort wird durch eine Vortemperierung des Ladesteckers erhöht. Ferner kann Kondenswasser, insbesondere in der Ladesäule, durch eine intelligente Kühlungssteuerung, insbesondere bei erhöhter Außentemperatur vermieden bzw. reduziert werden. Bei geringen Außentemperaturen ist eine Umwälzfunktion der Kühlflüssigkeit vorgesehen. Der Betrieb des Ladeparks ist auf verschiedene Einsatzgebiete, das heißt den Einsatz in Heiss- oder Kaltländern, und an die Größe des Ladesystems anpassbar.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung, ohne hierauf beschränkt zu sein.
  • Es zeigt:
    • 1 eine Systemübersicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2 Einzelheiten im Zusammenhang mit der Systemübersicht,
    • 3 ein Fließschaubild eines Kühlclusters,
    • 4 eine Darstellung zur Verdeutlichung des Clustering, somit mehrerer Kühlcluster.
  • Figurenbeschreibung
  • Das Verfahren bezieht sich auf das Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge. Der Ladepark weist einen Verbund von Ladepunkten auf, von denen in 1 nur ein Ladepunkt LP veranschaulicht ist. Der Verbund von Ladepunkten ist an ein zentrales Kühlmodul KM angeschlossen. Eine Kühlung von Komponenten des jeweiligen Ladepunkts erfolgt in Abhängigkeit von einer Temperatur der jeweiligen Komponente im Ladebetrieb oder im Stand-by-Betrieb, ferner in Abhängigkeit von einem Ladestatus am jeweiligen Ladepunkt und in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur UT, das heißt Außentemperatur. Die Temperatur TE/LE der Einzelkomponenten im Stand-by-Betrieb oder Ladebetrieb wird an ein zentrales Thermomanagement TMM übermittelt. Der jeweilige Ladepunkt LP übermittelt Einzelheiten betreffend den aktiven Ladevorgang an das Thermomanagement TMM. Ferner wird die Außentemperatur UT an das Thermomanagement TMM übermittelt. Das Thermomanagement TMM übermittelt eine Vorgabestufe an das Kühlmodul KM, somit erfolgt eine Vorgabe der Kühltemperatur vom Thermomanagement TMM an das Kühlmodul KM.
  • 2 veranschaulicht das Zusammenwirken von Thermomanagement TMM, Lademanagementserver LMS, Leistungselektronik-Modul LEM, Ladekontrolle LK und Kühlmodul KM.
  • Die Übertragung der jeweiligen Signale zwischen den Komponenten erfolgt insbesondere mittels Ethernet.
  • Hierbei ist der Lademanagementserver LMS der Funktionsmaster im Thermomanagement TMM und nutzt zur Vorgabe der benötigten Kühlstufe pro Kühlcluster die folgenden Informationen aus den Steuergeräten:
    • LEM:
      • Aktuelle Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Leistungselektronik-Moduls (LEM) über die Signale:
        • - LEMXX_IstRuecklauf Temperatur
        • - LEMXX_lstVorlauf_Temperatur
    • LK:
      • Erkennung eines Ladevorgangs über das Signal „LKXXy_LadeVorgangStatus“ und den damit benötigten Kühlbedarf:
        • - 0x2 EV_Connected (Fahrzeug gesteckt) oder
        • - 0x3 ISO_Measurement (Isolationsmessung) oder
        • - 0xD Preparing (GB/T) (Ladevorbereitung) oder
        • - 0x4 Precharge (Vorladen) oder
        • - 0x5 Charging (Laden) oder
        • - 0×C Reconnect (GB/T) (Wiederverbinden)
    • KM:
      • Die aktuelle Außentemperatur (KMXX_Aussentemperatur_ungef) über dem Temperatursensor am Kühlmodul, um bei erhöhter Außentemperatur die Kühltemperatur zu erhöhen und Kondenswasser zu reduzieren/verhindern.
  • Die 3 und 4 beziehen sich auf ein Kühlcluster bzw. diverse Kühlcluster, die ein Kühlclustering bilden. Die Anzahl an Ladepunkten, Leistungselektronik-Modulen und Ladesystemen pro Kühlcluster ist hierbei beliebig, aber jeweils > 0. Auch ist die Anzahl an Kühlclustern für das Thermomanagement beliebig, aber jeweils > 0. Es ist eine Regelkaskade aus zwei Regelkreisen vorgesehen. Ein innerer Regelkreis für die Vorlauftemperaturregelung in Abhängigkeit der benötigten Kühlleistung (Umsetzung auf einen der zentralen Kühlmodule KM). Ein äußerer Regelkreis zur Vorlauftemperaturregelung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur UT des Ladesystems und des Systemzustands. Die Einstellung von Betriebspunkten (Temperaturstufen) ist individuell einstellbar über eine Ferndiagnose. Vor einem Wechsel in Stand-by ist eine Nachlaufzeit in beliebiger Dauer möglich, um Restwärme abzubauen.
  • 3 zeigt ein Kühlcluster mit dem zugeordneten Kühlmodul KM und drei Leistungselektronik-Modulen LEM (LEM1, LEM2, LEM3) mit in Durchströmrichtung der Kühlflüssigkeit vor dem jeweiligen Leistungselektronik-Modul LEM gemessener Vorlauftemperatur und hinter diesem Leistungselektronik-Modul LEM gemessener Rücklauftemperatur. Vom Kühlmodul KM wird die Kühlflüssigkeit durch drei User-Einheiten, entsprechend drei Ladepunkten, geleitet, um diese zu kühlen. Mit jeder in einem Primärkreislauf gekühlten User-Einheit wirkt ein Wärmetauscher zusammen, der über einen Sekundärkreislauf dem Kühlen von Ladekabel und eventuell zusätzlich Ladestecker dient. Die Vorlauftemperatur der jeweiligen User-Einheit wird gleichfalls zwecks Temperaturregelung erfasst.
  • 4 zeigt betreffend das Clustering vier einzelne Cluster, wobei dem jeweiligen Cluster ein Kühlmodul KM zugeordnet ist und jedes Cluster eine unterschiedliche Anzahl von Leistungselektronik-Modulen LEM und Ladekontrollen LK aufweist. Beispielsweise weist das Kühlcluster FC_KK01 das eine Kühlmodul KM01 und drei Leistungselektronik-Module LEM01, LEM02 und LEM03 auf, wobei dem Leistungselektronik-Modul LEM01 zwei Ladekontrollen LK01a und LK01b zugeordnet sind, während dem Leistungselektronik-Modul LEM02 eine Ladekontrolle LK02a und dem weiteren Leistungselektronik-Modul LEM03 eine Ladekontrolle LK03a zugeordnet sind. Den gemäß 4 zu den Kühlmodulen KM01 und KM02 veranschaulichten Kühlclustern FC_KK01 und FC_KK02 ist ein Lademanagementserver LMS zugeordnet. Diese Ausführungen gelten sinngemäß für die weiteren veranschaulichten Kühlcluster FC_KK011 und FC_KK022.
  • Die Anforderung der benötigten Kühlleistung vom Lademanagementserver LMS an das Kühlmodul KM erfolgt über das Signal „LMSXX_Temperierung_Anf_KMXX“ mit den folgenden Stufen:
    • Stage 0:
      • - Wenn die Kühlleistung durch einen Kommunikationsausfall der beteiligten Steuergeräte nicht berechnet werden kann, dann regelt das Kühlmodul die Vorlauftemperatur selbst auf einen voreinstellbaren Nenntemperaturwert.
    • Stage 1:
      • - Das Kühlmodul soll in den Stand-by-Modus wechseln, wenn kein Fahrzeug im Kühlcluster erkannt wird und dementsprechend kein Kühlbedarf besteht.
      • - Eine Kühlung zum Komponentenschutz wird bei Bedarf vom Kühlmodul eigenständig durchgeführt.
    • Stage 2:
      • - Steigt die Vorlauf- bzw. Rücklauftemperatur eines Leistungselektronik-Moduls (LEM) im Stand-by-Modus über eine obere Temperaturgrenze, dann muss das Kühlmodul KM den Primärkreislauf bis zu einer unteren Temperaturgrenze kühlen (Vortemperierung). Damit wird das LEM im optimalen Betriebsbereich gehalten. Weiterhin ist eine Vorgabe des Leistungselektronik-Moduls anhand der aktuell abgegebenen Leistung möglich (Prädiktion der zu erwartenden Verlustleistung und damit der Temperatur). Dies wäre eine alternative Umsetzung zum Beschriebenen.
      • - Temperaturgrenzen mit erlaubter Höchsttemperatur und Abschalttemperatur für die Vortemperierung sind anpassbar, damit können unterschiedliche Einsatzgebiete (Heiss- oder Kaltland) und die Größe des Ladeparks berücksichtigt werden.
      • - Bei einer Außentemperatur unterhalb eines einstellbaren Grenzwerts wird Stufe 2 aktiviert (Umwälzfunktion für Frostschutz), um einen Komponentenschutz sicherzustellen. Diese Funktion kann im inneren oder äußeren Regelkreis umgesetzt sein. Hier: umgesetzt im inneren Regelkreis.
    • Stage 3:
      • - Wird ein Ladevorgang im Kühlcluster erkannt, dann muss das Kühlmodul den Primärkühlkreislauf auf einen Nenntemperaturwert kühlen.
    • Stage 4:
      • - Kühlung mit einer gegenüber dem Nenntemperaturwert erhöhten Vorlauftemperatur, um Kondenswasserbildung zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
      • - Stage 4 wird nur eingenommen, wenn ein Ladevorgang erkannt wird.
  • Vor dem Wechsel in Stand-by (Stage 1) ist eine Nachlaufzeit in beliebiger Dauer möglich, um Restwärme abzubauen. Ausnahme ist der Wechsel von Stage 0 nach Stage 1.
  • 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 2011/145939 A2 [0002]
    • DE 102015101140 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Ladeparks für Elektrofahrzeuge, wobei der Ladepark einen Verbund von Ladepunkten aufweist, die an ein zentrales Kühlmodul angeschlossen sind, wobei eine Kühlung von Komponenten des jeweiligen Ladepunkts in Abhängigkeit von einer Temperatur der jeweiligen Komponente im Ladebetrieb oder im Stand-by-Betrieb, in Abhängigkeit von einem Ladestatus am jeweiligen Ladepunkt und in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ladepark mehrere Kühlcluster aufweist, wobei das jeweilige Kühlcluster den Verbund von Ladepunkten aufweist, die an das zentrale Kühlmodul angeschlossen sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das jeweilige Kühlcluster Ladepunkte, Leistungselektronik-Module und Ladesysteme aufweist, wobei die Anzahl an Ladepunkten, Leistungselektronik-Modulen und Ladesystemen beliebig ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei über das zentrale Kühlmodul alle Leistungselektronik-Module und Ladesäulen aller Ladesysteme in einem Primärkreislauf mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei über einen der jeweiligen Ladesäule zugeordneten Wärmetauscher ein Ladekabel und/oder ein Ladestecker in einem Sekundärkreislauf mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung des Ladeparks mittels eines Lademanagementservers erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei dem Lademanagementserver, zur Vorgabe einer benötigten Kühlstufe für das jeweilige Kühlcluster, folgende Informationen aus Steuergeräten zugeleitet werden: a. die aktuelle Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Leistungselektronik-Moduls, b. die Erkennung eines Ladevorgangs über einen Ladevorgangstatus und den damit benötigten Kühlbedarf, c. die aktuelle Umgebungstemperatur über einen Temperatursensor am zentralen Kühlmodul, d. die aktuelle Temperatur des Ladekabels.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kühlung in einer Regelkaskade mit zwei Regelkreisen geregelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein innerer Regelkreis eine Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von einer benötigten Kühlleistung des jeweiligen zentralen Kühlmoduls regelt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein äußerer Regelkreis eine Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Ladesystems und dem Systemzustand regelt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vor einem Wechsel in einen Stand-by-Betrieb, wenn kein Elektrofahrzeug am Ladepunkt oder im Kühlcluster erkannt wird, eine Kühlung über eine Kühlnachlaufzeit erfolgt.
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