DE102020205128A1

DE102020205128A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers sowie Ladestation mit einer Steuerungseinheit zur Ausführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102020205128A1
Application number: DE102020205128.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Walter Wolfgang Schomber; Rüdiger Sonntag
Original assignee: Dezony GmbH
Current assignee: Dezony GmbH
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Ein Verfahren zum Laden einer Batterie (21) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (14) umfasst ein Bereitstellen einer elektrischen Stromversorgung (3, 12) mit einer maximalen Versorgungsleistung (PV), ein Überprüfen, ob die Versorgungsleistung (PV) mindestens so groß ist wie eine erforderliche Mindestladeleistung (PL,min) des elektrischen Verbrauchers (14), und ein Laden der Batterie (21) mit der Versorgungsleistung (PV), wenn gilt: PV≥ PL,min.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers sowie eine Ladestation und mit einer Steuerungseinheit zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
Zum Laden einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, sind Lastmanagementverfahren bekannt, die die Ladeleistung begrenzen, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Laden einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers zu verbessern und insbesondere effizienter und ressourcenschonender auszuführen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass erkannt worden ist, dass das Ladeverhalten einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers von der Versorgungsleistung einer elektrischen Stromversorgung abhängt. Die Batterie ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, also ein Akkumulator, kurz: Akku. Insbesondere ist die Batterie ein Lithium-Ionen-Akku. Es sind auch andere Akku-Typen möglich, wie beispielsweise Lithium-Akkus mit metallischem Lithium, Natrium-Schwefel-, Natrium-Ionen-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Eisen-, Nickel-Wasserstoff-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink-, Blei-, Zinn-Schwefel-Lithium-, Silber-Zink-, Vanadium-Redox-, Zink-Brom-, Zink-Luft- und/oder Silicium-Luft-Akkus. Grundsätzlich gilt, dass der Ladevorgang umso effizienter erfolgt, je größer die für den Ladevorgang zur Verfügung stehende Versorgungsleistung ist. Die Versorgungsleistung der elektrischen Stromversorgung ist insbesondere von den daran angeschlossenen Verbrauchern abhängig. Je größer der allgemeine Strombedarf ist, desto geringer ist die zur Verfügung stehende maximale Versorgungsleistung. Die maximale Versorgungsleistung ist insbesondere tageszeiten- und/oder jahreszeitenabhängig. Insbesondere kann die maximale Versorgungsleistung in den Abendstunden reduziert sein, wenn Berufstätige nach Hause kommen und insbesondere ihr Elektrofahrzeug aufladen und/oder andere elektrische Verbraucher im häuslichen Umfeld nutzen.
Der elektrische Verbraucher ist insbesondere ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das als Elektrofahrzeug bezeichnet wird. Das Elektrofahrzeug ist insbesondere ein Elektroautomobil mit einer Batterie, die insbesondere mittels Wechselstrom oder Gleichstrom geladen werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erforderliche Mindestladeleistung definiert, bei der ein effizientes Laden der Batterie des elektrischen Verbrauchers möglich ist. Die Mindestladeleistung kann veränderlich festlegbar sein. Die Mindestladeleistung ist insbesondere abhängig von einer Wirkungsgradkurve beim Laden des Elektrofahrzeugs. Die Wirkungsgradkurve ist insbesondere abhängig vom jeweiligen Fahrzeugtyp. Ein Einflussfaktor auf die Wirkungsgradkurve ist insbesondere ein Gleichrichter, der auch als On-Bord-Charger (OBC) bezeichnet wird, der zum Gleichrichten eines als Wechselstrom zur Verfügung gestellten Ladestroms dient. Weitere Einflussfaktoren auf die Wirkungsgradkurve sind insbesondere Leistungsverluste im Elektrofahrzeug, Akku-Verluste im Elektrofahrzeug und/oder Stand-by-Verluste durch Steuergeräte. Insbesondere kann die Mindestladeleistung von der zu ladenden Batterie abhängig sein. Die Mindestladeleistung kann auch zeitabhängig veränderlich festlegbar sein, insbesondere tages- und/oder jahreszeitabhängig. Insbesondere beträgt die Mindestladeleistung mindestens 3,6 kW, insbesondere mindestens 5 kW, insbesondere mindestens 8 kW, insbesondere mindestens 11 kW, insbesondere mindestens 16 kW und insbesondere mindestens 22 kW einer jeweils dreiphasigen Stromversorgung. Die Mindestladeleistung kann in Abhängigkeit der vorgegebenen Stromstärke für den Ladeanschluss auch abweichen. Insbesondere ist auch eine einphasige oder zweiphasige Stromversorgung denkbar.
Das Laden der Batterie erfolgt mit der Versorgungsleistung, wenn diese mindestens so groß ist wie die Mindestleistung. Dadurch erfolgt das Laden der Batterie mit einem höheren Wirkungsgrad. Der Anteil der elektrischen Energie, der zum Laden der Batterie genutzt wird, ist erhöht. Der Anteil der elektrischen Energie, der in Folge eines ineffizienten Ladevorgangs, insbesondere in Folge von Abwärme, ungenutzt bleibt, also die sogenannte Verlustleistung ist reduziert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ressourcenschonend.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass das Laden mit der Mindestladeleistung Wirkungsgradsteigerungen von mehreren, insbesondere über zehn, Prozentpunkte ermöglicht. Der Jahresstromverbrauch eines Elektroautomobils kann in Folge des wirkungsgradoptimierten Ladens um mehrere hundert und bis nahezu eintausend kWh reduziert werden, was einer Einsparung von mindestens 15 % und insbesondere bis zu 20 % des Jahresstrombedarfs des Elektrofahrzeugs entspricht. Entsprechend ergibt sich ein Einsparpotenzial an Stromkosten.
Als elektrische Stromversorgung dient insbesondere ein öffentliches Stromleitungsnetz, an das private Haushalte, Gewerbebetriebe und/oder öffentliche Einrichtungen angeschlossen sein können.
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Ladestation mit einer Steuerungseinheit dienen, die insbesondere in die Ladestation integriert ist. Die Steuerungseinheit kann auch extern bezüglich der Ladestation angeordnet sein. Insbesondere kann eine Steuerungseinheit zum Steuern mehrerer Ladestationen, insbesondere unabhängig voneinander, dienen. Die Ladestation kann als freistehende Säule ausgeführt sein, die auf einer Stütze am Boden abgestellt ist. Die Ladestation kann alternativ als kompakte Baueinheit ausgeführt sein, die als Wallbox bezeichnet wird. Die Wallbox kann insbesondere an einer Wand, Decke und/oder Stütze lösbar befestigt sein. Die Ladestation eignet sich insbesondere für den Heimbereich in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus. Die Ladestation kann auch auf einem öffentlichen oder privaten Parkplatz, an oder in einem Parkhaus, in einem Garagenpark und/oder an Mehrfachstellplätzen angeordnet sein.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 berücksichtigt, dass zusätzlicher Strombedarf die Versorgungsleistung reduzieren kann. Insbesondere wenn das Laden der Batterie in einem privaten Umfeld erfolgt, kann ein Nebenanschluss in Form des Hausanschlusses ausgeführt sein, der einen aktuell erforderlichen, zeitlich nicht aufschiebbaren Strombedarf, insbesondere für Heizung, Kühlschrank, Gefriertruhe und anderen Nebenverbraucher, aufweist.
Der Hausanschluss weist insbesondere ein Energiemanagementsystem (EMS) auf, das den aktuellen Stromverbrauch des Hausanschlusses ermittelt. Das EMS kann mit der Ladestation, insbesondere mit der Steuerungseinheit, insbesondere kabellos, verbunden sein, beispielsweise über eine direkte Funkverbindung, über das Internet, an das das EMS und die Steuerungseinheit jeweils angeschlossen sind, und/oder kabelgebunden. Eine Verbindung des EMS mit der Ladestation kann auch über ein lokales Netzwerk (LAN) erfolgen.
Ein Nebenanschluss kann insbesondere auch eine an die Verteilerstation zusätzlich angeschlossene Ladestation sein.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 3 ordnet dem Ladevorgang gegenüber der Stromversorgung des Nebenanschlusses eine untergeordnete Priorität zu.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4 ermöglicht ein, insbesondere gezieltes, zeitliches Verschieben des Ladevorgangs auf einen späteren Zeitpunkt, an dem die Versorgungsleistung mindestens so groß ist wie die Mindestladeleistung. Wenn die Versorgungsleistung kleiner ist als die Mindestladeleistung, findet also kein Ladevorgang statt. Das Überprüfen, ob die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung groß genug ist und insbesondere mindestens der Mindestladeleistung entspricht, kann beispielsweise nach einer veränderlich festlegbaren Wartedauer erfolgen. Die Wartedauer beträgt insbesondere einige Minuten, insbesondere mindestens 10 Minuten, insbesondere mindestens 20 Minuten, insbesondere mindestens eine halbe Stunde, insbesondere mindestens eine Stunde, insbesondere mindestens zwei Stunden, insbesondere mindestens drei Stunden und insbesondere mindestens vier Stunden. Das Überprüfen kann auch zu einem veränderlich festlegbaren Termin erfolgen, insbesondere abends und/oder nachts, wenn insbesondere die Auslastung der elektrischen Stromversorgung reduziert ist und dadurch insbesondere die Versorgungsleistung erhöht ist.
Es wurde überraschend gefunden, dass das Laden der Batterie im häuslichen Umfeld, für das bei einem typischen Nutzerprofil eines privaten Elektroautomobil-Besitzers die Abend- und Nachtstunden genutzt werden, zeitlich unabhängig in diesem Zeitraum erfolgen kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, den Ladevorgang unmittelbar zu starten, wenn das Elektroautomobil an die Ladestation angeschlossen wird. Es wurde gefunden, dass der Ladevorgang gezielt zeitlich verschoben werden kann, um die Effektivität des Ladevorgangs und damit den Wirkungsgrad des Ladevorgangs zu erhöhen.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Warten kann das Überprüfen, ob die Versorgungsleistung mindestens so groß ist wie die Mindestladeleistung, auch ereignisbasiert oder eventbasiert wiederholt werden. Ein mögliches Ereignis, das die erneute Überprüfung veranlassen kann, ist beispielsweise eine bevorstehende Nutzung des elektrischen Verbrauchers, so dass die Dauer bis zu der bevorstehenden Nutzung für den Ladevorgang verwendet werden kann.
Ein mögliches Ereignis kann auch sein, dass das EMS ein Signal übermittelt, wonach die Versorgungsleistung sich verändert hat und insbesondere größer oder gleich der Mindestladeleistung ist. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das EMS eine kontinuierliche Überprüfung der zur Verfügung stehenden und/oder einer prognostizierten Versorgungsleistung durchführt. Eine Veränderung der Versorgungsleistung kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass mittels einer zusätzlichen Anlage zur Stromerzeugung zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird. Eine Veränderung der Versorgungsleistung kann sich auch daraus ergeben, dass der Strombedarf an einem Nebenanschluss abnimmt.
Ein Ereignis kann sich auch daraus ergeben, dass sogenannte Echtzeitstromtarife bei dem Verfahren berücksichtigt werden. Wenn ein Signal übermittelt wird, das kostengünstiger Strom verfügbar ist oder sein wird und bezogen werden kann, kann der Ladevorgang gestartet und/oder fortgesetzt werden, sofern die Versorgungsleistung größer oder gleich der Mindestladeleistung ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 ermöglicht ein unmittelbares Laden ohne Wartezeit. Dazu ist es erforderlich, dass das vorgesehene Warten aktiv, insbesondere durch einen Nutzer, überstimmt wird. Das aktive Überstimmen ist insbesondere durch eine Nutzereingabe möglich, bei der der Nutzer insbesondere darauf hingewiesen werden kann, dass der Ladevorgang mit reduziertem Wirkungsgrad erfolgen wird, wenn die Versorgungsleistung kleiner ist als die Mindestladeleistung. Der Nutzer kann entscheiden, ob ein sofortiger Ladevorgang mit reduziertem Wirkungsgrad oder ein späterer, wirkungsgradoptimierter Ladevorgang erfolgen soll.
Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 6 kann die Wartedauer gezielt geplant und insbesondere genutzt werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, wiederholt, insbesondere in kurzen Zeitabständen, zu prüfen, ob die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung ausreichend groß ist. In Abhängigkeit einer prognostizierten Nutzung des elektrischen Verbrauchers kann der Zeitpunkt für den Beginn des Ladevorgangs, insbesondere auch unter Berücksichtigung der prognostizierten Ladedauer, bei einer prognostizierten Versorgungsleistung ermittelt und für die Überprüfung zu diesem Zeitpunkt berücksichtigt werden. Die prognostizierte Nutzung des elektrischen Verbrauchers kann beispielsweise durch die Eingabe des nächsten Abfahrtermins erfolgen. Die Eingabe erfolgt insbesondere mittels eines externen Endgerätes, insbesondere mittels eines mobilen Endgerätes wie ein Smartphone oder ein Tablet-Computer, oder mittels eines Laptop- oder Personalcomputers. Dazu kann auf dem Endgerät eine Software-Applikation installiert sein, die einen unmittelbaren Zugriff auf die Steuerungseinheit und insbesondere die Einstellung der Ladesäule ermöglicht. Die Ladesäule selbst kann ohne Eingabe-, Bedien- und/oder Anzeigeelemente ausgeführt sein. Die Ausführung der Ladesäule ist dadurch unkompliziert und benutzerfreundlich.
Die Eingabe kann auch direkt an der Ladesäule erfolgen. Dazu kann die Ladesäule Eingabe-, Bedien- und/oder Anzeigeelemente aufweisen, die eine direkte Kommunikation eines Nutzers mit der Ladesäule ermöglichen. Die Verwendung externer Eingabegeräte ist in diesem Fall entbehrlich.
Die Eingabe kann auch in einem Bordcomputer des elektrischen Verbrauchers erfolgen, der, insbesondere drahtlos, mit der Ladestation in Kommunikationsverbindung steht. Der Bordcomputer kann mit der Ladestation drahtgebunden in Kommunikationsverbindung stehen. Insbesondere kann dies mittels eines Steckers erfolgen, der für den Ladevorgang ohnehin eine elektrische Verbindung zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation herstellt. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Typ 2-Stecker, der in diesem Fall eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation gewährleistet. Zusätzlich oder alternativ kann eine Synchronisation von Kalenderdaten des Nutzers des elektrischen Verbrauchers erfolgen, woraus sich der nächste Abfahrttermin ergeben kann.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass ein prognostizierter nächster Abfahrtermin, insbesondere der arbeitstägliche Weg von zu Hause zur Arbeitsstätte und zurück, aus den bisherigen, sogenannten historischen Nutzungsdaten des elektrischen Verbrauchers extrahiert wird. Diese Extraktion kann in der Steuereinheit der Ladestation erfolgen, wenn die Kommunikation mit dem Bordcomputer des elektrischen Verbrauchers besteht. Zusätzlich oder alternativ kann der prognostizierte nächste Abfahrtermin auch auf Basis einer Nutzungsstatistik der Ladestation extrahiert werden. Auf eine Analyse der Nutzerdaten des Elektrofahrzeugs kommt es dann nicht an.
Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 7 ist die unmittelbare Nutzung von elektrischem Strom möglich, der zusätzlich zu dem öffentlichen Stromnetz bereitgestellt wird. Zusätzlicher Strom kann insbesondere aus einer lokalen, dezentralen Anlage zur regenerativen Stromerzeugung, wie beispielsweise einer Photovoltaik-Anlage und/oder einem Windrad, stammen. Zusätzlicher Strom kann insbesondere auch mittels einer dezentralen Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere einem Blockheizkraftwerk und/oder einer Brennstoffzelle, stammen. Insbesondere im privaten Umfeld kann selbst produzierter Strom vorrangig zum Laden der Batterie genutzt werden. Ein Rückspeisen des selbst produzierten Stroms und/oder ein Zwischenspeichern des selbst produzierten Stroms ist entbehrlich. Es ist insbesondere denkbar, dass zum Laden der Batterie Strom aus dem öffentlichen Stromnetz zumindest anteilig zugeschaltet wird, wenn der zusätzlich erzeugte Strom nicht ausreichend groß ist, um die Versorgungsleistung so bereitzustellen, dass sie mindestens der Mindestladeleistung entspricht. Ein derartiges Verfahren entlastet das öffentliche Stromnetz und motiviert Nutzer zur lokalen, dezentralen Stromerzeugung und -nutzung. Zusätzlich oder alternativ kann eine zusätzliche Stromversorgung für das Laden der Batterie über einen externen Energiespeicher, insbesondere einen externen Batteriespeicher, erfolgen. Der Autarkiegrad ist dadurch erhöht. Der externe Batteriespeicher kann insbesondere dazu dienen, um im Bedarfsfall die Versorgungsleistung zu erhöhen und dadurch den Wirkungsgrad beim Ladevorgang zusätzlich zu erhöhen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 ermöglicht ein schonendes Laden der Batterie. Die Lebensdauer der Batterie wird dadurch verlängert. Der Ladezustand wird auch als State of Charge (SOC) bezeichnet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 reduziert das Risiko einer Tiefentladung der Batterie. Es wurde gefunden, dass ein Unterschreiten eines unteren Schwellwertes des Ladezustands zu einer, insbesondere dauerhaften, Schädigung der Batterie durch vorzeitige Alterung führen kann. Ein Tiefentladen der Batterie kann zu einer schnelleren Alterung und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der Batterie führen. Die Lebensdauer der Batterie ist erhöht, wenn der untere Schwellwert nicht unterschritten wird. Der untere Schwellwert beträgt insbesondere mindestens 5 %, insbesondere mindestens 10 %, insbesondere mindestens 15 %, insbesondere mindestens 18 %, insbesondere mindestens 20 %, insbesondere mindestens 22 % und insbesondere mindestens 25 % des Ladezustands. Das Laden erfolgt insbesondere priorisiert und insbesondere auch dann, wenn die Versorgungsleistung kleiner ist als die Mindestladeleistung. In diesem Fall wird ein reduzierter Wirkungsgrad beim Laden zugunsten der Schonung der Batterie akzeptiert.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 berücksichtigt, dass ein Laden der Batterie oberhalb eines oberen Schwellwertes zu einem schnelleren Altern und somit zu einer reduzierten Lebensdauer der Batterie führen kann. Der obere Schwellwert beträgt insbesondere 70 %, insbesondere mindestens 75 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 85 % und insbesondere mindestens 90 % des Ladezustands.
Sofern ein Ladezustand der Batterie oberhalb des oberen Schwellwertes vom Nutzer gewünscht und/oder erforderlich ist, erfolgt der hierzu benötigte Ladevorgang gemäß Anspruch 11 bis zu einem maximalen Ladezustand, der insbesondere zum Zeitpunkt der prognostizierten Nutzung vorliegt. Alternativ kann der maximale Ladezustand auch zeitnah vor der prognostizierten Nutzung vorliegen, insbesondere höchstens eine Stunde vor dem Zeitpunkt der prognostizierten Nutzung, insbesondere höchstens 45 Minuten davor, insbesondere höchstens 30 Minuten davor, insbesondere höchstens 20 Minuten davor, insbesondere höchstens 10 Minuten davor und insbesondere höchstens 5 Minuten davor. Der Zeitpunkt der prognostizierten Nutzung kann durch unmittelbare Eingabe des Nutzers und/oder durch Kommunikation des elektrischen Verbrauchers mit der Ladestation, wie vorstehend beschrieben, ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kalender des Nutzers, insbesondere über eine Kalenderschnittstelle eines Endgerätes, insbesondere eines mobilen Endgerätes, insbesondere eines Smartphones, genutzt werden. Der Zeitpunkt der prognostizierten Nutzung kann auch anhand einer Nutzungsstatistik der Ladestation selbst bestimmt werden.
Es ist insbesondere denkbar, auf die Verwendung des oberen Schwellwertes zu verzichten und den Ladevorgang bis zum maximalen Ladezustand, insbesondere unabhängig von der nächsten Nutzung des Fahrzeugs, durchzuführen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 12 berücksichtigt eine vorübergehende Nichtnutzung des elektrischen Verbrauchers. In diesem Fall wird die Batterie bis zu einem Einlagerungs-Schwellwert geladen. Der Einlagerungs-Schwellwert beträgt insbesondere zwischen 50 % und 70 %, insbesondere zwischen 55 % und 65 %, insbesondere zwischen 58 % und 62 % und insbesondere 60 % des Ladezustands. Eine vorübergehende Nichtnutzung kann insbesondere durch eine Abfrage der prognostizierten Nutzerdaten, insbesondere einer Synchronisation von Kalenderdaten, ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Nutzer den Zeitraum der vorübergehenden Nichtnutzung aktiv an der Ladestation direkt und/oder über ein Endgerät eingeben, festlegen und/oder verändern.
Eine Ladestation gemäß Anspruch 13 weist im Wesentlichen die Vorteile des Ladeverfahrens auf, worauf hiermit verwiesen wird. Die Steuereinheit steuert insbesondere einen Ladecontroller, der insbesondere extern bezüglich der Steuerungseinheit ausgeführt ist. Der Ladungscontroller dient insbesondere zur Kommunikation mit dem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Bordcomputer, in dem Elektrofahrzeug.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Stromversorgung mit einer Ladestation und einem daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher, in Form eines Elektroautomobils,
2 ein schematisches Diagramm verfügbarer und genutzter elektrischer Leistung in Abhängigkeit der Zeit für die Ladestation in 1.

1 zeigt ein als Ganzes mit 1 gekennzeichnetes elektrisches Versorgungsnetzwerk. Das elektrische Versorgungsnetzwerk 1 umfasst mindestens eine, insbesondere zentral angeordnete, Stromerzeugungsanlage 2, die zum Einspeisen von elektrischem Strom an ein, insbesondere öffentliches, Stromnetz 3 in Form von Stromkabeln 4 angeschlossen ist. Die zentrale Stromerzeugungsanlage 2 ist beispielsweise ein Kohle- oder Gaskraftwerk. Die zentrale Stromerzeugungsanlage 2 kann auch ein Atomkraftwerk, ein Windpark oder ein Solarpark sein. Grundsätzlich sind alle Ausführungen denkbar, die eine zentrale Stromerzeugung ermöglichen.
Das Stromnetz 3 ist insbesondere weit verzweigt und ermöglicht eine Anbindung einer Vielzahl von privaten Haushalten, gewerblichen Betrieben und/oder öffentlichen Einrichtungen. Das öffentliche Stromnetz 3 weist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens eine Verteilerstation 5 auf, die insbesondere als Trafostation und/oder Ortsnetzstation ausgeführt sein kann. Die Verteilerstation 5 dient insbesondere zur Verteilung von elektrischem Strom aus dem öffentlichen Stromnetz 3 auf mehrere Nutzer, insbesondere mehrere Privathaushalte 6. Aus Darstellungsgründen ist in 1 lediglich ein Privathaushalt 6 dargestellt.
Der Privathaushalt 6 weist einen Stromverteiler 7 auf, mit dem er an das öffentliche Stromnetz 3 angeschlossen ist. An den Stromverteiler 7 sind über einen Ladeanschluss 8 eine Ladestation 9 und über einen Nebenanschluss 10, der als Hausanschluss ausgeführt ist, elektrische Endverbraucher 11 des Privathaushaltes 6 angeschlossen. Aus Darstellungsgründen ist in 1 lediglich ein einziger elektrischer Endverbraucher 11 dargestellt.
Mit dem Privathaushalt 6, insbesondere dem Stromverteiler 7, ist mindestens eine dezentral angeordnete Stromerzeugungsanlage 12 verbunden. Die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 ist insbesondere räumlich benachbart zu dem Privathaushalt 6 angeordnet und insbesondere nicht unmittelbar mit dem öffentlichen Stromnetz 3 verbunden. Die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 ist insbesondere im Privathaushalt 6 integriert oder unmittelbar damit verbunden. Die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 kann als Photovoltaikanlage ausgeführt sein, die insbesondere auf dem Dach eines Wohngebäudes und/oder einer Garage oder eines sonstigen Nebengebäudes des Privathaushalts 6 angeordnet ist. Die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 kann auch als Windkraftrad ausgeführt sein. Insbesondere ermöglicht die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 die Erzeugung von elektrischem Strom aus regenerativen Energiequellen. Zusätzlich oder alternativ kann die dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere in Form eines Blockheizkraftwerks, sein. Als dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 kann auch eine Brennstoffzelle dienen. Mittels der dezentralen Stromerzeugungsanlage 12 ist es möglich, elektrischen Strom für den Privathaushalt 6 zu erzeugen und durch den Privathaushalt 6 selbst zu nutzen.
Ferner umfasst der Privathaushalt 6 einen externen Batteriespeicher 31, der insbesondere unmittelbar mit der dezentralen Stromerzeugungsanlage 12 verbunden ist. Der externe Batteriespeicher 31 dient zum Speichern von elektrischem Strom.
Die Ladestation 9 ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als sogenannte Wallbox ausgeführt und an einer Wand 13 lösbar befestigt, insbesondere angeschraubt. Die Ladestation 9 ist für die Anwendung im Innenbereich und im Außenbereich, insbesondere unter freiem Himmel, geeignet. Die Ladestation 9 kann alternativ auch an einer Stütze, beispielsweise in einem Carport, und/oder an einer Decke befestigt sein.
Die Ladestation 9 ist insbesondere für eine dezentrale Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere in Form eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs 14, vorgesehen. Die Ladestation 9 weist einen Stromeingangsanschluss 15 auf, mit dem die Ladestation 9 mit dem Ladeanschluss 8 an dem Stromverteiler 7 angeschlossen ist.
Die Ladestation 9 weist ferner einen Stromausgangsanschluss 16 auf, an dem das elektrisch betriebene Fahrzeug 14 anschließbar ist. Dazu weist der Stromausgangsanschluss 16 ein Stromkabel 17 und einen Stecker 18 auf. Der Stecker 18 ist in eine korrespondierende Steckdose 19 am Fahrzeug 14 einsteckbar.
Die Steckdose 19 ist über eine Verbindungsleitung 20 und einen Gleichrichter 33, einen sogenannte On-Bord-Charger (OBC), und mit einem Stromspeicher in Form einer Batterie 21 in dem Elektrofahrzeug 14 verbunden. Der Gleichrichter 33 dient zum Gleichrichten des von der Ladestation 9 zur Verfügung gestellten Wechselstroms. Die Batterie 21 ist über eine weitere Verbindungsleitung 20 und einen Wechselrichter 34, der als Inverter bezeichnet wird, mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere mindestens einem Elektromotor 22, verbunden. Der Wechselrichter 34 dient insbesondere zum Erzeugen des für den Antrieb des Elektromotors 22 erforderlichen Wechselstroms. Der Elektromotor 22 dient zum Antrieb von mindestens einem Rad 23, insbesondere von zwei Rädern 23 und insbesondere von allen vier Rädern 23, des Fahrzeugs 14.
Es ist denkbar, dass der Gleichrichter 33 und der Wechselrichter 34 als kombinierte Komponente zusammengefasst sind und insbesondere der Wechselrichter 34 auch als On-Bord-Charger dient.
Das Fahrzeug 14 weist einen Bordcomputer 24 auf, der insbesondere mit der Batterie 21, dem Elektromotor 22 und die Drehzahl der Räder 23 ermittelnden, nicht näher dargestellten Sensoren, in Signalverbindung steht. Die fahrzeuginterne Kommunikation erfolgt insbesondere kabelgebunden und/oder kabellos.
Die Ladestation 9 weist ferner eine Steuerungseinheit 25 auf, die insbesondere mittels einer elektrischen Leitung 26 mit dem Stromeingangsanschluss 15 und mit dem Stromausgangsanschluss 16 jeweils verbunden ist. Die Steuerungseinheit 25 steuert einen Ladecontroller 35. Der Ladecontroller 35 ist insbesondere als separates Bauteil in der Ladestation 9 und insbesondere unabhängig von der Steuerungseinheit 25 ausgeführt. Der Ladecontroller 35 und die Steuerungseinheit 25 kommunizieren über eine dafür vorgesehene, nicht eingezeichnete Schnittstelle. Die Schnittstelle kann beispielsweise als MODBUS TCP oder durch eine andere Schnittstelle ausgeführt sein. Denkbar ist auch, dass der Ladecontroller 35 in die Steuerungseinheit 25 integriert ist. Der Ladecontroller 35 stellt eine Verbraucherschnittstelle dar zur Kommunikation mit dem elektrischen Verbraucher, also dem Elektrofahrzeug 14. Die Kommunikation zwischen der Verbraucherschnittstelle und dem Elektrofahrzeug 14 basiert insbesondere auf dem Kommunikationsstandard IEC 61851, wonach beispielsweise die Ladestromstärke für den Ladevorgang eingestellt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Kommunikation gemäß ISO 15118 der Ladezustand (SOC) der Batterie 21, insbesondere automatisiert, ausgelesen werden. Anstelle eines Auslesevorgangs ist auch eine manuelle Nutzereingabe denkbar, wobei die Nutzereingabe insbesondere den Ladezustand (SOC) der Batterie 21 vor jedem Ladevorgang umfasst. Zusätzlich muss die Nutzereingabe zumindest einmalig Daten zur Größe der Batterie 21 des Elektrofahrzeugs 14, zur maximalen Leistung des OBC und zur Anzahl der Phasen des OBC umfassen. Anstelle der wiederkehrenden Nutzereingabe des SOC ist die Integration eines zwischengeschalteten Steuergeräts denkbar, das eine Verbindung mit dem Elektrofahrzeug 14 über den OBC herstellt. Das zwischengeschaltete Steuergerät kommuniziert drahtlos den Ladezustand an die Steuerungseinheit 25 der Ladestation 9.
Der Ladecontroller 35 steuert über ein nicht näher dargestelltes Relais ein Leistungsschütz 28 an, das eine Trennung zwischen dem Stromeingangsanschluss 15 und dem Stromausgangsanschluss 16 darstellt.
Die Steuerungseinheit 25 ist insbesondere als Leiterplatte, die auch als Board bezeichnet wird, ausgeführt und weist insbesondere einen Mikrocontroller und/oder einen Mikroprozessor auf, der in der Steuerungseinheit 25 integriert ist. Der Mikrocontroller kann eine Steuerungssoftware aufweisen, die zur Durchführung eines Verfahrens zum Laden der Batterie 21 des Fahrzeugs 14 dient. Die Steuerungssoftware ermöglicht insbesondere ein geregeltes Laden der Batterie 21. Insbesondere weist die Steuerungseinheit 25 eine integrierte Leiterplatte auf, an der der Mikrocontroller und/oder Mikroprozessor angeordnet ist.
Mit der Steuerungseinheit 25 kann das Laden der Batterie 21 automatisiert, geregelt und insbesondere vollautomatisch durchgeführt werden. Eine Interaktion durch einen Nutzer ist insbesondere entbehrlich.
Die Steuerungseinheit 25 ist insbesondere mit dem Stromverteiler 7 in kabelloser oder kabelgebundener Signalverbindung. Insbesondere erfolgt eine Kommunikation der Steuerungseinheit 25 über ein EMS-Gateway 37, das gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Stromverteiler 7 integriert angeordnet ist. Das EMS-Gateway kann alternativ auch im Nebenanschluss 10 und/oder in einem elektrischen Endgerät 11 integriert sein. Denkbar ist auch, dass das EMS in einem Cloudspeicher als Software-Modul hinterlegt ist.
Die Ladestation 9 weist einen Energiezähler 36 auf. Der Energiezähler 36 dient insbesondere zur Erfassung der über den Stromausgangsanschluss 16 abgegebenen Energie. Der Energiezähler dient insbesondere zur Datenerhebung und/oder zur Bereitstellung von Statistiken und/oder Prognosen. Der Energiezähler 36 steht insbesondere mit dem Stromausgangsanschluss 16 in Signalverbindung, insbesondere kabelgebunden. Zusätzlich kann der Energiezähler 36 auch mit dem Stromeingangsanschluss 15 in insbesondere kabelgebundener Signalverbindung stehen.
Die Ladestation 9 weist für die Kommunikation mit dem EMS eine dafür eingerichtete Schnittstelle 29 auf, die insbesondere in der Steuerungseinheit 25 integriert ist. Die EMS-Schnittstelle ist beispielsweise als EEBUS, OCPP und/oder als andere, insbesondere proprietäre, Schnittstelle ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Programmierschnittstelle 30 vorgesehen und insbesondere in der Steuerungseinheit 25 integriert ausgeführt sein. Die Programmierschnittstelle 30 ist ein sogenanntes Application Programming Interface, kurz: API, das insbesondere eine Programmierschnittstelle für Cloud-Dienste darstellt. Die Programmierschnittstelle 30 ermöglicht insbesondere eine Verbindung, also ein Andocken, mit einem fremden API. Mittels der Programmierschnittstelle 30 ist insbesondere die Nutzung von Echtzeitstromtarifen möglich. Durch die Nutzung von Echtzeitstromtarifen kann der Ladevorgang in Abhängigkeit eines prognostizierten Strompreises auf einen Zeitpunkt verschoben werden, zu dem der erwartete Strompreis besonders kostengünstig zur Verfügung steht. Standardmäßig wird der Ladevorgang aber nur dann stattfinden, wenn die erforderliche Mindestladeleistung zur Verfügung steht. Es ist denkbar, dem Nutzer die Option einzuräumen, das Laden bei besonders günstigen Stromtarifen auch dann durchzuführen, wenn die erforderliche Mindestladeleistung nicht zur Verfügung steht. In diesem Fall kann der Nutzer gezielt einen reduzierten Wirkungsgrad beim Ladevorgang zugunsten eines kostengünstigen Stromtarifs in Kauf nehmen. Dazu bedarf es allerdings einer aktiven Eingabe des Nutzers.
Insbesondere kann das API ein eigenes, der Ladestation 9 zugehöriges API sein, dass eine Kommunikation mit dem EMS eines anderen Anbieters ermöglicht.
Das Fahrzeug 14 weist eine, insbesondere im Bordcomputer 24 integrierte, Ladestationsschnittstelle 32 auf, um eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation mit der Ladestation 9, insbesondere dem Ladecontroller 35, zu ermöglichen. Die drahtgebundene Kommunikation erfolgt insbesondere über das Stromkabel 17 beim Ladevorgang. Die Ladestationsschnittstelle 32 kann auch zur drahtlosen Kommunikation mit externen Geräten, insbesondere im Privathaushalt 6, und/oder insbesondere mit dem Stromverteiler 7 dienen.
Nachfolgend wird anhand von 2 das wirkungsgradoptimierte Laden der Batterie 21 näher erläutert.
Für die Ladestation 9 wird eine maximale Versorgungsleistung Pv von dem öffentlichen Stromnetz 3 am Stromeingangsanschluss 15 zur Verfügung gestellt.
Die am Stromeingangsanschluss 15 anliegende Versorgungsleistung Pv wird von der Steuerungseinheit 25 überprüft. Wenn die Versorgungsleistung Pv größer oder gleich einer Mindestladeleistung P_L,min ist, wird die Batterie 21 mit der Versorgungsleistung Pv geladen. Dadurch, dass mindestens die Mindestladeleistung P_L,min verwendet wird, ist das Laden der Batterie 21 effizient und weist einen hohen Ladewirkungsgrad von mindestens 80 %, insbesondere mindestens 85 %, insbesondere mindestens 87 %, insbesondere mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 % und insbesondere mindestens 97 % auf.
Der Ladewirkungsgrad definiert das Verhältnis der Leistung, die zum Laden der Batterie 21 genutzt wird, und der Leistung, die zum Laden der Batterie 21 insgesamt aufgewendet wird. Die Verlustleistung, die insbesondere als Abwärme auftritt, bildet die Differenz aus der zum Laden der Batterie 21 insgesamt aufgewendeten Leistung und der zum Laden der Batterie 21 genutzten Leistung.
Wenn die Versorgungsleistung kleiner ist als die Mindestladeleistung P_L,min wird die Batterie 21 standardmäßig nicht geladen. Der Ladevorgang wird auf einen späteren Zeitpunkt verschoben, insbesondere wenn erwartungsgemäß eine größere Versorgungsleistung Pv zur Verfügung stehen wird. Dadurch wird ein ineffizienter Ladevorgang vermieden. Ressourcen werden geschont.
Die Batterie 21 kann bei der Versorgungsleistung Pv, die kleiner ist als die Mindestladeleistung P_L,min, dennoch geladen werden, wenn es beispielsweise ein zu geringer Ladezustand erfordert und/oder der Nutzer dies explizit wünscht.
Ein Ladevorgang kann auch dann erfolgen, wenn die Versorgungsleistung Pv kleiner ist als die Mindestladeleistung P_L,min, aber zusätzlicher Strom über die mindestens eine dezentrale Stromerzeugungsanlage 12 und/oder den externen Batteriespeicher 31 zur Verfügung steht, insbesondere in der Vormittagszeit 39, der Mittagszeit 40 und/oder in den Abendstunden 41. Um zu vermeiden, dass der aus der dezentralen Stromerzeugungsanlage 12 erzeugte Strom im Haushalt 6 gespeichert und/oder in das öffentliche Stromnetz 3 rückgespeist werden muss, kann dieser Strom unmittelbar zum Laden der Batterie 21 genutzt werden. Die mit der dezentralen Stromerzeugungsanlage 12 zur Verfügung gestellte Leistung P₁₂ ist in 2 gemäß einer Gauß-ähnlichen Verteilung um die Mittagszeit 40 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die von der dezentralen Stromerzeugungsanlage 12 zur Verfügung gestellte Leistung P₁₂ kleiner ist als die Mindestladeleistung. Zum Laden, insbesondere während der Mittagszeit 40, kann zumindest anteilig Strom aus dem öffentlichen Stromnetz 3 zugeschaltet werden.
In 2 ist ferner der Leistungsbedarf des Nebenanschlusses 10, also der Summe aller elektrischen Endgeräte 11, durch die Leistungskurve P₁₀ symbolisiert. Die Kurve P₁₀ charakterisiert den Stromverbrauch des Nebenanschlusses, also des Hausanschlusses. Daraus wird deutlich, dass der Stromverbrauch des Hausanschlusses über den Tagesverlauf hinweg stark schwankend ist und insbesondere im Verlauf des Vormittags 39, gegen Mittag 40 und am Abend 41 deutliche Spitzen aufweist. Der Stromverbrauch des Nebenanschlusses reduziert insbesondere die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung, so dass insbesondere in Zeiten, in welchen der Stromverbrauch des Nebenanschlusses groß ist, die Versorgungsleistung Pv nicht größer oder gleich der Mindestladeleistung P_L,min ist und die Batterie 21 deshalb nicht geladen wird. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass dann, wenn der Stromverbrauch des Nebenanschlusses 10 klein ist, die Batterie 21 bevorzugt geladen werden kann.
Die Batterie 21 wird also nicht am Abend 41, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug 14 im Privathaushalt 6 ankommt und an die Ladestation 9 angeschlossen wird, geladen, sondern dann, wenn ausreichend Versorgungsleistung Pv zur Verfügung steht. Das ist beispielsweise nachts 38 , beispielsweise ab 23.00 Uhr. Das Laden der Batterie 21 ist durch die Balken P₂₁ in 2 symbolisiert. Das Laden der Batterie 21 kann über mehrere Zeiträume 38, 39, 40, 41 verteilt erfolgen, insbesondere in den frühen Nachtstunden 38 und/oder in den frühen Morgenstunden 39. Insbesondere ist ein einziger, durchgängiger Ladevorgang bei diesem Verfahren entbehrlich. Bei einem regulären Ladevorgang erfolgt das Laden der Batterie 21 mit der Mindestladeleistung P_L,min, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel 11,0 kW beträgt.
Vorteilhaft ist es, wenn beim Ladevorgang der Ladezustand der Batterie 21 abgefragt und beim Ladevorgang berücksichtigt wird. Insbesondere kann dadurch eine Tiefentladung der Batterie 21 verhindert werden. Darüber hinaus kann zur Batterieschonung ein Ladevorgang zunächst bis zu einem oberen Schwellwert beispielsweise in den frühen Nachtstunden 38 durchgeführt werden. Ein Aufladen bis zu einem maximalen Ladezustand kann dann zeitnah vor der nächsten Nutzung erfolgen oder entfallen. Wie in 2 dargestellt, kann das Laden bis zu dem maximalen Ladezustand unmittelbar vor der nächsten geplanten Nutzung des Fahrzeugs 14 erfolgen, also insbesondere in den frühen Morgenstunden 39, bevor das Elektrofahrzeug 14 erneut genutzt wird.

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (14), umfassend die Verfahrensschritte - Bereitstellen einer elektrischen Stromversorgung (3, 12) mit einer maximalen Versorgungsleistung (Pv), - Überprüfen, ob die Versorgungsleistung (Pv) mindestens so groß ist wie eine erforderliche Mindestladeleistung (P_L,min) des elektrischen Verbrauchers (14), - Laden der Batterie (21) mit der Versorgungsleistung (Pv), wenn gilt: P_V ≥ P_L,min.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen den Stromverbrauch mindestens eines Nebenanschlusses (10), insbesondere eines Hausanschlusses, berücksichtigt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleistung (Pv) um den Stromverbrauch des mindestens einen Nebenanschlusses (10) reduziert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Warten, wenn gilt: P_V < P_L,min, und Wiederholen des Überprüfens zu einem späteren Zeitpunkt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Überstimmen des Wartens erfolgt, so dass die Batterie (21) mit der Versorgungsleistung (P_V) geladen wird, obwohl gilt: P_V < P_L,min.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen zu einem späteren Zeitpunkt eine prognostizierte Nutzung des elektrischen Verbrauchers (14) berücksichtigt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der Batterie (21) erfolgt, wenn die elektrische Stromversorgung (3, 12) zumindest anteilig mittels einer Anlage (12) zur regenerativen Stromerzeugung, mittels einer Brennstoffzelle und/oder mittels Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abfragen des Ladezustands der Batterie (21).
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (21) unabhängig vom dem Betrag der Versorgungsleistung (Pv) geladen wird, wenn der Ladezustand einen unteren Schwellwert unterschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der Batterie (21) solange erfolgt, bis der Ladezustand einen oberen Schwellwert erreicht hat.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ladezustand oberhalb des oberen Schwellwertes das Laden in Abhängigkeit eines Zeitpunktes einer prognostizierten Nutzung des elektrischen Verbrauchers fortgesetzt wird, wobei insbesondere das Laden bis zu einem maximalen Ladezustand der Batterie (21) erfolgt, der insbesondere zum Zeitpunkt der prognostizierten Nutzung vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorübergehenden Nichtnutzung des elektrischen Verbrauchers (14) das Laden bis zu einem Einlagerungs-Schwellwert des Ladezustands erfolgt.
Ladestation (9) mit einer Steuerungseinheit (25), die dazu ausgeführt ist, eine Batterie (21) eines elektrischen Verbrauchers (14), insbesondere eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, gemäß einem Verfahren gemäß der vorstehenden Ansprüche zu laden.