DE102020208432A1 - Voltage transformation system and method for charging electric vehicles - Google Patents
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Abstract
Es wird ein System zur Spannungstransformation für Ladevorrichtungen (LV1...LV6) zum Aufladen von Elektrofahrzeugen vorgeschlagen. Dieses umfasst eine Transformatorvorrichtung (MST) zur Bereitstellung von Spannung jeweils für die einzelnen Ladevorrichtungen (LV1...LV6) und einen Transformator (T1, T2) zur Transformation der Spannung in einen unteren Spannungsbereich. Zudem ist eine Schaltvorrichtung zum bedarfsweisen Zuschalten des Transformators (T1, T2) in die Spannungsversorgung jeweils einer Ladevorrichtung einer Mehrzahl von Ladevorrichtungen (LV1...LV6) vorgesehen, wodurch für die entsprechende Ladevorrichtung eine Versorgung mit Spannung aus dem unteren Spannungsbereich realisiert wird. Die Erfindung ermöglicht, dass einzelne Ladevorrichtungen für einen oberen Spannungsbereich ausgelegt und optimiert werden, jedoch der untere Spannungsbereich bauteiltechnisch nicht für jede Ladevorrichtung einzeln dargestellt wird, sondern eine gemeinsame Bereitstellung für eine Mehrzahl von Ladevorrichtungen durch eine bedarfsweise Zuschaltung realisiert wird.A voltage transformation system for charging devices (LV1...LV6) for charging electric vehicles is proposed. This includes a transformer device (MST) for providing voltage for the individual charging devices (LV1...LV6) and a transformer (T1, T2) for transforming the voltage into a lower voltage range. In addition, a switching device for connecting the transformer (T1, T2) to the voltage supply of one of a plurality of charging devices (LV1...LV6) as required is provided, whereby the corresponding charging device is supplied with voltage from the lower voltage range. The invention enables individual charging devices to be designed and optimized for an upper voltage range, but the lower voltage range is not represented individually for each charging device in terms of components, but a common provision for a plurality of charging devices is realized by switching on as required.
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Spannungstransformation für Ladevorrichtungen zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mittels eines derartigen Systems.The invention relates to a system for voltage transformation for charging devices for charging electric vehicles and a method for charging an electric vehicle using such a system.
Herkömmliche AC-Ladesäulen für Elektrofahrzeuge haben in etwas eine Leistung von 10-22 kW, was eine Ladedauer von 2-4 Stunden mit sich bringt (vgl. https://www.autoscout24.de/informieren/ratgeber/e-mobilitaet/ladedauer/) .Conventional AC charging stations for electric vehicles have an output of 10-22 kW, which means a charging time of 2-4 hours (see https://www.autoscout24.de/informieren/ratgeber/e-mobilitaet/ladedauer /) .
Diese im Vergleich zu dem Betanken von benzingetriebenen Fahrzeugen lange Ladedauer bedeutet in mehrfacher Hinsicht eine deutliche Einschränkung für den Fahrzeughalter und steht einer stärkeren Bereitschaft zum Umstieg auf Elektromobilität im Wege.Compared to refueling petrol-powered vehicles, this long charging time means a significant limitation for the vehicle owner in several respects and stands in the way of a greater willingness to switch to electromobility.
Daher gehen aktuelle Bestrebungen dahin, ein deutlich schnelleres Laden zu ermöglichen. Konkrete Entwicklungen betreffen DC-Ladesäulen mit deutlich höherer Leistung.Current efforts are therefore aimed at enabling significantly faster loading. Specific developments relate to DC charging stations with significantly higher power.
Mit DC-Ladesäulen wird ein anderes Konzept als bei AC-Ladesäulen verfolgt.A different concept is pursued with DC charging stations than with AC charging stations.
Beim Laden mittels AC-Ladesäulen wird der Wechselstrom im Fahrzeug in Gleichstrom für die Fahrzeugbatterie umgewandelt. Da Gleichrichter mit steigender Leistung voluminöser und schwerer werden, sind dadurch bei AC-Ladesäulen der Ladeleistung Grenzen gesetzt. Aber auch schon bei geringen Ladeleistungen wird durch die Wechselrichtungselektronik das Fahrzeug schwerer und nimmt Bauraum für andere Nutzungen weg.When charging using AC charging stations, the alternating current in the vehicle is converted into direct current for the vehicle battery. Since rectifiers become bulkier and heavier with increasing power, there are limits to the charging power of AC charging stations. But even with low charging power, the vehicle becomes heavier due to the inverter electronics and takes up space for other uses.
Daher wird bei DC-Ladesäulen die Gleichrichtung in die Säule verlagert und an der Säule Gleichstrom bereitgestellt, so dass eine Gleichrichtung im Fahrzeug sich erübrigt. Damit bestehen auch die bei AC-Ladesäulen vorhandenen Einschränkungen bzgl. der Dimensionierung nicht mehr, d.h. es kann zu größeren Ladeleistungen und damit geringeren Ladedauern übergegangen werden.Therefore, with DC charging columns, rectification is shifted to the column and direct current is provided at the column, so that rectification in the vehicle is not necessary. This means that the restrictions on dimensioning that exist with AC charging stations no longer apply, i.e. greater charging capacities and thus shorter charging times can be used.
Die übliche Ladeleistung der meisten DC-Ladesäulen beträgt derzeit ungefähr 50 kW, was zu Ladedauern von ca. einer halben bis einer Stunde führt.The usual charging power of most DC charging stations is currently around 50 kW, which leads to charging times of around half an hour to an hour.
Konzepte für ein noch schnelleres Laden sind unter der Bezeichnung HPC (high power charger) bekannt. HPC-Ladesysteme gibt es von der Firma Tesla und dem von mehreren Automobilfirmen gegründeten Gemeinschaftsunternehmen IONITY. Die Ausgangsleistung von HCP-Ladesäulen kann derzeit bis zu 350 kW betragen, womit eine Ladedauer von unter 10 Minuten erreichbar ist.Concepts for even faster charging are known under the designation HPC (high power charger). HPC charging systems are available from Tesla and IONITY, a joint venture founded by several automotive companies. The output power of HCP charging stations can currently be up to 350 kW, which means that a charging time of less than 10 minutes can be achieved.
Ein HPC-Ladestandort umfasst typischerweise einen Mittelspannungsanschluss. Mittels eines Netztransformators wird die Mittelspannung in Niederspannung umgewandelt, mit welcher mehrere HPC-Ladesäulen versorgt werden. Die einzelnen Ladesäulen umfassen typischerweise jeweils einen Gleichrichter, einen DC/DC-Wandler zur Einstellung der Ladespannung und ein Bezahlterminal.An HPC charging site typically includes a medium-voltage connection. Using a mains transformer, the medium voltage is converted into low voltage, which supplies several HPC charging stations. The individual charging stations typically each include a rectifier, a DC/DC converter for setting the charging voltage and a payment terminal.
Es besteht ein Bedarf an weiteren Effizienzsteigerungen von Ladesystemen für Elektrofahrzeugen. Es ist die Aufgabe der Erfindung dazu beizutragen.There is a need for further increases in the efficiency of charging systems for electric vehicles. It is the object of the invention to contribute to this.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Spannungstransformation für Ladevorrichtungen (typischerweise Ladesäulen) zum Aufladen von Elektrofahrzeugen. Vorteilhafte Weiterbildlungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung umfasst auch zwei Verfahren, bei dem ein erfindungsgemäßes System zur Spannungstransformation zur Ladung von einem Elektrofahrzeug verwendet wird.The task is solved by a system for voltage transformation for charging devices (typically charging stations) for charging electric vehicles. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The invention also includes two methods using a voltage transformation system according to the invention for charging an electric vehicle.
Es wird ein System zur Spannungstransformation für Ladevorrichtungen (typischerweise Ladesäulen) zum Aufladen von Elektrofahrzeugen vorgeschlagen. Dieses ist mit einer Transformatorvorrichtung zur Bereitstellung von Spannung (z.B. Niederspannung im Bereich von 1000 V) jeweils für die einzelnen Ladevorrichtungen gebildet und umfasst einen Transformator zur Transformation der Spannung in einen unteren Spannungsbereich (niedriger in Bezug auf die Transformatorvorrichtung bereitgestellte Spannung). Die Transformatorvorrichtung kann z.B. eine Vielzahl von Niederspannungswicklungen jeweils zur Spannungsversorgung einer Ladevorrichtung umfassen. Zudem ist ein Schaltvorrichtung zum bedarfsweisen Zuschalten des Transformators in die Spannungsversorgung jeweils einer Ladevorrichtung einer Mehrzahl von Ladevorrichtungen vorgesehen, wodurch für die entsprechende Ladevorrichtung eine Versorgung mit Spannung aus dem unteren Spannungsbereich realisiert wird. Die Schaltvorrichtung ist für die bedarfsweise Zuschaltung des Transformators z.B. mit Schaltern (z.B. Lasttrennschalter oder Solid-State-Relais) gebildet ist, welche mittels einer Steuerung geöffnet bzw. geschlossen werden.A voltage transformation system for charging devices (typically charging stations) for charging electric vehicles is proposed. This is formed with a transformer device for providing voltage (e.g. low voltage in the range of 1000 V) for the individual charging devices and includes a transformer for transforming the voltage into a lower voltage range (lower voltage provided in relation to the transformer device). For example, the transformer device may comprise a plurality of low-voltage windings each for supplying voltage to a charging device. In addition, a switching device is provided for connecting the transformer to the voltage supply as required for one charging device of a plurality of charging devices, as a result of which a supply of voltage from the lower voltage range is realized for the corresponding charging device. The switching device is designed for switching on the transformer as required, e.g. with switches (e.g. load-break switch or solid-state relay), which are opened or closed by means of a controller.
Dabei ist vorzugsweise Laden von Elektrofahrzeugen durch die Ladevorrichtungen in dem unteren Spannungsbereich und einem oberen Spannungsbereich vorgesehen und das System ist dann für ein Zuschalten des Transformators für Laden in dem unteren Spannungsbereich und ein Wegschalten für Laden in dem oberen Spannungsbereich ausgestaltet.In this case, charging of electric vehicles by the charging devices in the lower voltage range and an upper voltage range is preferably provided, and the system is then for switching on the transformer for charging in the lower voltage range and switching off ten designed for charging in the upper voltage range.
Eine zentrale erfinderische Idee ist, dass einzelne Ladevorrichtungen für den oberen Spannungsbereich ausgelegt und optimiert werden, jedoch der untere Spannungsbereich bauteiltechnisch nicht für jede Ladevorrichtung einzeln dargestellt wird, sondern eine gemeinsame Bereitstellung für eine Mehrzahl von Ladevorrichtungen durch eine bedarfsweise Zuschaltung realisiert wird. D.h., der untere bzw. niedrigere Spannungsbereich wird der Ladevorrichtung schalttechnisch zugeteilt, welche ihn gerade benötigt. Dies ist nicht nur bzgl. Anzahl bzw. Dimensionierung der elektronischen Bauteile der Ladevorrichtungen ressourcensparend, sondern erlaubt auch eine gezieltere und damit besseren Optimierung der Elektronik der Ladevorrichtungen für ein Laden im oberen Spannungsbereich. Ein Ladesystem, welches ein erfindungsgemäßes System zur Spannungstransformation umfasst, kann z.B. für eine Realisierung einer DC-Ladespannung im oberen Spannungsbereich durch eine ggf. konsekutive Zusammenschaltung einer Mehrzahl von DC-Stellern ausgebildet sein. Diese DC-Steller können dann für eine möglichst effiziente Ladung im oberen Spannungsbereich optimiert sein.A central inventive idea is that individual charging devices are designed and optimized for the upper voltage range, but the lower voltage range is not represented individually for each charging device in terms of components, but a common provision for a plurality of charging devices is realized by switching on as required. This means that the lower or lower voltage range is allocated to the charging device that currently needs it. This not only saves resources with regard to the number or dimensioning of the electronic components of the charging devices, but also allows a more targeted and thus better optimization of the electronics of the charging devices for charging in the upper voltage range. A charging system that includes a system for voltage transformation according to the invention can be designed, for example, to implement a DC charging voltage in the upper voltage range by possibly connecting a plurality of DC controllers consecutively. These DC converters can then be optimized for the most efficient charging possible in the upper voltage range.
Vorzugsweise umfasst das System eine Steuerung und ist zum Zu- und Wegschalten des Transformators mittels der Steuerung auf Basis eines Zweipunktregler-Algorithmus ausgebildet. Als Zweipunktregler wird dabei ein unstetig arbeitender Regler mit zwei Ausgangszuständen verstanden. Je nachdem, ob der Spannungswert unterhalb oder oberhalb eines Grenzwertes zwischen zwei Spannungsbereichen (unterer bzw. niedrigerer und oberer bzw. höherer Spannungsbereich) ist, wird zwischen Laden mit zwischengeschaltetem Transformator und Laden ohne zwischengeschalteten Transformator gewechselt.The system preferably includes a controller and is designed to switch the transformer on and off by means of the controller based on a two-point controller algorithm. A discontinuously operating controller with two output states is understood as a two-point controller. Depending on whether the voltage value is below or above a limit value between two voltage ranges (lower or lower and upper or higher voltage range), the system switches between charging with an intermediate transformer and charging without an intermediate transformer.
Bei dem Transformator handelt es sich vorzugsweise um einen für die Bereitstellung von unterschiedlichen Spannungsniveaus aus dem unteren Spannungsbereich variabel bzw. gestuft ausgeführten Transformator.The transformer is preferably a variable or stepped transformer for the provision of different voltage levels from the lower voltage range.
Gem. einer Weiterbildung umfasst das System zur Spannungstransformation eine Mehrzahl von Transformatoren zur Transformation von Spannung in den unteren Spannungsbereich und jeder Transformator ist einer Mehrzahl von Ladevorrichtungen schalttechnisch zugeordnet. Diese Weiterbildung zielt insbesondere auf die Versorgung einer Vielzahl von Ladevorrichtungen. Denn entsprechend der Anzahl der Ladevorrichtungen kann es günstig sein, mehr als einen Transformator vorzusehen. D.h. für eine größere Anzahl von Ladevorrichtungen wird eine kleinere Anzahl von Transformatoren vorgesehen, wobei jeder Transformator einer Untermenge von Ladevorrichtungen zugeordnet und für eine entsprechende bedarfsweise Zuschaltung zur Spannungsversorgung eingerichtet bzw. eingebunden ist. Hierbei können sowohl Anzahl als auch Zuordnung der Transformatoren entsprechend der Gegebenheiten (z.B. Anzahl der Ladevorrichtung und Häufigkeit von Ladevorgängen) optimiert sein. Dabei ist es ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, dass eine Nachrüstung mit einem zusätzlichen Transformator (um z.B. einer gestiegenen durchschnittlichen Anzahl von Ladevorgängen Rechnung zu tragen) relativ einfach möglich ist. Bei den Zuordnungen von Transformatoren zu Untermengen von Ladevorrichtungen kann es sich entweder um disjunkte Untermengen handeln oder es sind im Hinblick auf Redundanzen zum Kompensieren von dem Ausfall eines Transformators Überschneidungen bei der Zuordnung vorgesehen.According to a development, the system for voltage transformation includes a plurality of transformers for transforming voltage into the lower voltage range, and each transformer is associated with a plurality of charging devices in terms of circuitry. This development aims in particular at supplying a large number of charging devices. Depending on the number of charging devices, it can be advantageous to provide more than one transformer. This means that a smaller number of transformers is provided for a larger number of charging devices, with each transformer being assigned to a subset of charging devices and set up or integrated for a corresponding connection to the power supply as required. Both the number and the assignment of the transformers can be optimized according to the circumstances (e.g. number of charging devices and frequency of charging processes). It is an advantage of the solution according to the invention that retrofitting with an additional transformer (in order to take into account an increased average number of charging processes, for example) is relatively easy. The assignments of transformers to subsets of charging devices can either be disjoint subsets or, with regard to redundancies to compensate for the failure of a transformer, overlaps are provided in the assignment.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems zur Spannungstransformation ist für eine Verzögerung des Ladevorgangs der Ladung eines Elektrofahrzeugs an einer Ladevorrichtung ausgebildet. Dabei wird in der Regel der Ladevorgang verzögert, solange eine andere Ladevorrichtung für einen früher begonnenen Ladevorgang den Transformator benötigt bzw. bei einer Mehrzahl von Transformatoren einen beiden Ladevorrichtungen gemeinsam zugeordneten Transformator benötigt. Auf diese Weise werden Zugriffskonflikte bzgl. des (zugeordneten) Transformators vermieden.A development of the system for voltage transformation according to the invention is designed to delay the charging process of charging an electric vehicle at a charging device. As a rule, the charging process is delayed as long as another charging device requires the transformer for a charging process that started earlier or, in the case of a plurality of transformers, requires a transformer that is jointly assigned to both charging devices. In this way, access conflicts with regard to the (assigned) transformer are avoided.
Gegenstand dieser Anmeldung sind auch zwei Verfahren, bei dem ein erfindungsgemäßes System zur Spannungstransformation zur Ladung von einem Elektrofahrzeug verwendet wird.This application also relates to two methods in which a voltage transformation system according to the invention is used to charge an electric vehicle.
Bei dem ersten Verfahren wird ein erster Ladevorgang eines ersten Elektrofahrzeugs an einer ersten Ladevorrichtung eingeleitet wird. Für die Ladung des ersten Elektrofahrzeugs in dem zweiten, unteren Spannungsbereich wird der (ggf. bei mehreren Transformatoren der zugehörige) Transformator zugeschaltet. Ein Ladevorgang eines zweiten Elektrofahrzeugs an einer zweiten Ladevorrichtung wird (typischerweise nach Beginn und vor Abschluss des ersten Ladevorgangs) initialisiert (d.h. Vorbereitungen für diesen Ladevorgang wie evtl. Autorisierung, Handshake etc. werden getroffen). Es wird dann der Beginn des Ladevorgangs des zweiten Elektrofahrzeugs verzögert, bis der (ggf. zugehörige) Transformator für die Ladung des ersten Elektrofahrzeugs nicht mehr benötigt wird. Anschließend wird für die Ladung des zweiten Elektrofahrzeugs in dem zweiten, unteren Spannungsbereich der (ggf. zugehörige) Transformator zugeschaltet. Auf diese Weise werden Zugriffskonflikte vermieden. Es wäre auch denkbar, im Zuge einer Tarifierungsstrategie ein sofortiges Unterbrechen des ersten Ladevorgangs bei Initialisierung eines gem. Tarif priorisierten zweiten Ladevorgangs vorzusehen. Man könnte bei stark ausgelasteten Ladesystemen dieses Konzept auch im Sinne einer Warteschlange weiterentwickeln. In diesem Fall wäre der erste Ladevorgang ggf. als der in der Warteschlange direkt vor dem zweiten Ladevorgang platzierte Ladevorgang zu verstehen.In the first method, a first charging process of a first electric vehicle is initiated at a first charging device. To charge the first electric vehicle in the second, lower voltage range, the transformer (if there is more than one transformer, the associated one) is switched on. A charging process of a second electric vehicle at a second charging device is (typically after the start and before completion of the first charging process) initialized (ie preparations for this charging process such as possible authorization, handshake, etc. are made). The beginning of the charging process of the second electric vehicle is then delayed until the (possibly associated) transformer for charging the first electric vehicle is no longer required. The (possibly associated) transformer is then switched on for charging the second electric vehicle in the second, lower voltage range. This avoids access conflicts. It would also be conceivable, as part of a tariff strategy, to immediately interrupt the th charging process when initializing a second charging process that is prioritized according to the tariff. In the case of heavily loaded loading systems, this concept could also be further developed in the sense of a queue. In this case, the first load might be considered the load placed in the queue immediately before the second load.
Es kann sein, dass Elektrofahrzeuge einen Ladevorgang einleiten, obwohl die Fahrzeugbatterie noch vergleichsweise gut geladen ist. In diesem Fall ist evtl. ein Laden im unteren Spannungsbereich nicht erforderlich. Dem trägt ein weiteres Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Systems zur Spannungstransformation Rechnung. Dabei wird ein Ladevorgang eines batteriegetriebenen Elektrofahrzeugs an einer ersten Ladevorrichtung eingeleitet und anhand des Ladezustands der Batterie überprüft, ob ein Laden in dem unteren Spannungsbereich erforderlich ist. Ein Zuschalten des (ggf. zugeordneten) Transformators erfolgt dann nur, wenn ein Laden in dem unteren Spannungsbereich zu erfolgen hat.It may be that electric vehicles initiate a charging process even though the vehicle battery is still relatively well charged. In this case, charging in the lower voltage range may not be necessary. Another method for charging an electric vehicle with the aid of a system for voltage transformation according to the invention takes this into account. In this case, a charging process for a battery-powered electric vehicle is initiated at a first charging device, and the state of charge of the battery is used to check whether charging in the lower voltage range is necessary. The (possibly assigned) transformer is then only switched on if charging has to take place in the lower voltage range.
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 : Lade/Entladekurve einer Li-Ion-Batterie, -
2 : Beispiel U/I/P-Anforderung an High Power Charger (HPC-Charger) , -
3 : Effizienz-Kurve eines klassischen DC/DC-Wandlers, -
4 : Variabel oder gestufter einstellbarer Spartrafo (verschiedene Spannungen abgreifbar), -
5 : Effizienz-Kurve eines aus mehreren Wandlern zusammengeschalteten Gesamt-Wandlers, welcher in einen oberen und einen unteren Spannungsbereich aufgeteilt ist, -
6 : Schaltplan-Schema bzw. Schaltplan-Prinzip für eine Konstruktion der beschriebenen Erfindung (konkretes Beispiel:- sechs EV Ladestellen mit zwei Spartrafos, welche nach Anforderung jeweils zwischen drei Ladestellen wechseln können),
-
7 : erfindungsgemäßes Vorgehen beim Laden eines Elektofahrzeuges.
-
1 : charge/discharge curve of a Li-Ion battery, -
2 : Example U/I/P request for High Power Charger (HPC-Charger) , -
3 : Efficiency curve of a classic DC/DC converter, -
4 : Variable or stepped adjustable autotransformer (different voltages can be tapped), -
5 : Efficiency curve of an overall converter made up of several converters, which is divided into an upper and a lower voltage range, -
6 : Circuit diagram scheme or circuit diagram principle for a construction of the invention described (specific example:- six EV charging points with two autotransformers, which can switch between three charging points as required),
-
7 : procedure according to the invention when charging an electric vehicle.
In
Wie in
Durch die sich ändernde Batteriespannung ergeben sich Anforderungen an den Arbeitsbereich des Ladesystem. Dies ist anhand von
Dadurch bestehen erhebliche Anforderungen hinsichtlich Weitbereichsspannungsausgang, welche typischerweise eine Verringerung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems verursacht.As a result, there are significant requirements with regard to the wide-range voltage output, which typically causes a reduction in the efficiency of the overall system.
Für die Elektronik von HPC-Ladevorrichtungen gibt es verschiedene Design-Ansätze. Beispielsweise kann ein AC-Bus zum Einsatz kommen. Bei diesem Ansatz speist die Sekundärseite eines Transformators mehrere AC/DC-Wandler, die wiederum ihre eigenen DC/DC-Stufen versorgen. Alternativ kann ein Design mit einem DC-Bus verwendet werden. Dieser Ansatz nutzt nur eine AC/DC-Stufe, um den DC-Ausgang für die Versorgung aller DC/DC-Stufen zu erzeugen. Eine galvanische Trennung zwischen den HPC-Ladepunkten ist nach Norm gefordert, daher operiert man bei den Design-Ansätzen entweder mit separaten Niederspannungsabgängen am Trafo oder galvanisch getrennten DC/DC Wandlern.There are different design approaches for the electronics of HPC chargers. For example, an AC bus can be used. With this approach, the secondary side of a transformer feeds multiple AC/DC converters, which in turn feed their own DC/DC stages. Alternatively, a DC bus design can be used. This approach uses only one AC/DC stage to generate the DC output to power all DC/DC stages. Galvanic isolation between the HPC charging points is required by the standard, which is why the design approaches either operate with separate low-voltage outlets on the transformer or galvanically isolated DC/DC converters.
Für die einzelnen DC/DC Stufen kommen DC/DC-Wandler (in diesem Zusammenhang auch als DC-Steller bezeichnet) zum Einsatz. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Wandler typischerweise für einen bestimmten Leistungsbereich optimiert sind bzw. dort ihre höchste Effizienz haben (vgl.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass insb. für HPC-Ladevorrichtungen zu Beginn des Ladevorgangs bei Aufladung einer leeren Batterie sich in einer ersten Phase die Batteriespannung schnell erhöht, bis diese in eine zweite Phase eines langsameren Spannungsanstiegs übergeht. Dies gilt insbesondere auch für Feststoff-Batterien, von denen erwartet wird, dass sie die Li-Ion-Batterien mehr und mehr in der Elektromobilität verdrängen werden. Bei Feststoffbatterien ist besonders die auf Glas als Elektrolyt basierende Batterie vielversprechend. Diese kann in Minuten auf 100% SOC geladen werden, wobei ein sehr schneller Durchlauf des unteren Spannungsbereiches erfolgt.The invention is based on the observation that, especially for HPC charging devices, at the beginning of the charging process when charging an empty battery, the battery voltage increases rapidly in a first phase until it transitions into a second phase of a slower voltage increase. This also applies in particular to solid-state batteries, which are expected to increasingly replace Li-ion batteries in electromobility become gene. In the case of solid-state batteries, the battery based on glass as the electrolyte is particularly promising. This can be charged to 100% SOC in minutes, with a very fast run through the lower voltage range.
Erfindungsgemäß wird der Spannungsbereich entsprechend der oben angesprochenen Ladephasen in einen unteren und einen oberen Spannungsbereich aufgeteilt. Dies ist in
Alle Ladesäulen eines Ladeparks müssen ihre Bauteile für den oberen Spannungsbereich auslegen. Da die erste Ladephase im Vergleich zu der zweiten kurz ist, genügt es jedoch, den unteren Spannungsbereich nur wenige Male bauteiltechnisch abzubilden und bedarfsweise zuzuschalten. Im besten Fall muss der untere Spannungsbereich nur einmal abgebildet werden. Bei mehreren unteren Spannungsbereichen, die bautechnisch vorhanden sind, kann es dann sein, dass einige von ihnen stillstehen, da sie gerade nicht gebraucht werden. Hier gilt es ein Optimum an Ihnen zu finden (nach Projekt) Auch ist es kein Problem, bzgl. unteren Spannungsbereich einfach nachzurüsten.All charging stations in a charging park must design their components for the upper voltage range. Since the first charging phase is short compared to the second, it is sufficient to represent the lower voltage range only a few times in terms of components and to switch it on if necessary. In the best case, the lower voltage range only needs to be mapped once. If there are several lower voltage ranges that are structurally available, it may then be the case that some of them are idle because they are not currently being used. Here it is important to find an optimum for you (according to the project). It is also not a problem to simply retrofit with regard to the lower voltage range.
Die Realisierung des unteren Spannungsbereichs erfolgt mittels eines Transformators. D.h., den unteren Spannungsbereich stellt man z.B. durch einen variablen oder gestuften Spartrafo dar (
Somit wird die Spannungsanpassung für die Ladung eines Elektrofahrzeuges im unteren Bereich zumindest zum größten Teil durch den Spartrafo realisiert. Im oberen Bereich sind z.B. mehrere DC-Stufen bzw. DC-Steller vorhanden, um durch denen konsekutiven Einsatz oder deren Zusammenschalten eine möglichst hohe Effizienz zu erhalten. Dies wird durch
In
Die einzelnen Versorgungszweige werden mit Hauptschaltern HS1, ..., HS1 (typischerweise Kompaktleistungsschalter bzw. MCCBs) durchgeschaltet. Die Spartransformatoren T1 und T2 werden bedarfsweise für die Spannungsversorgung im unteren Spannungsbereich zugeschaltet. Dabei ist der Spartransformator T1 für die Ladesäulen LV1 bis LV3 und der Spartransformator T2 für die Ladesäulen LV4 bis LV6 zuständig. Dies ist durch die strichelten Linien verdeutlicht. Die Spannungsversorgung ist dabei derart mit Schaltern gebildet, dass die Transformatoren in den Versorgungspfad jeder der Ladesäulen, für die der jeweilige Transformator zuständig ist, geschaltet werden können. In der Figur gezeigt sind Schalter S1 bis S6, mit denen die direkte Versorgung der Ladesäulen LV1 bis LV6 zwecks Zuschaltung von einem der Transformatoren unterbrochen werden kann. Dagegen sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur Schalter S31 und S32 für eine Zuschaltung des Transformators T1 zur Versorgung der Ladevorrichtung LV3 und Schalter S41 und S42 für eine Zuschaltung des Transformators T2 zur Versorgung der Ladevorrichtung LV4 gezeigt. Tatsächlich sind aber Schalter für die Zuschaltung des jeweils zuständigen Transformators zu alle Ladevorrichtungen vorsehen. Der Ladevorgang wird gesteuert durch eine Steuerung CU (CU: Control Unit), die beispielsweise mit einem Mikrokontroller (MCU) gebildet ist.The individual supply branches are switched through with main switches HS1, ..., HS1 (typically molded case circuit breakers or MCCBs). The autotransformers T1 and T2 are switched on as required for the power supply in the lower voltage range. The autotransformer T1 is responsible for the charging columns LV1 to LV3 and the autotransformer T2 for the charging columns LV4 to LV6. This is illustrated by the dashed lines. The voltage supply is formed with switches in such a way that the transformers can be switched into the supply path of each of the charging stations for which the respective transformer is responsible. The figure shows switches S1 to S6, with which the direct supply of the charging stations LV1 to LV6 can be interrupted for the purpose of connecting one of the transformers. In contrast, only switches S31 and S32 for connecting the transformer T1 to supply the charging device LV3 and switches S41 and S42 for connecting the transformer T2 to supply the charging device LV4 are shown in the figure for reasons of clarity. In fact, however, switches for connecting the responsible transformer to all charging devices are to be provided. The charging process is controlled by a controller CU (CU: Control Unit), which is formed, for example, with a microcontroller (MCU).
Die Spartransformatoren T1 und T2 sind in
Ein Ladevorgang wird nun anhand der
Ist auch denkbar, dass im Zuge der Initialisierung der Ladezustand des Fahrzeugs ermittelt und auf dieser Basis überprüft wird, ob überhaupt ein Laden im unteren Spannungsbereich erforderlich ist (z.B. ein Laden im unteren Spannungsbereich ist z.B. nicht erforderlich, wenn die Batterie noch zu mehr als 20% geladen ist). Dies ist durch Schritt S0 angedeutet.It is also conceivable that in the course of the initialization the state of charge of the vehicle is determined and, on this basis, it is checked whether charging in the lower voltage range is necessary at all (e.g. charging in the lower voltage range is not necessary if the battery still has more than 20 % is loaded). This is indicated by step S0.
Ist ein Laden im unteren Spannungsbereich erforderlich und steht der Transformator T1 zur Verfügung, so kann unmittelbar in Schritt S3 zum Ladevorgang übergegangen werden. Anderenfalls wird in Schritt S4 abgewartet, bis der Transformator T1 wieder zur Verfügung steht (Schritt S5). Dies kann z.B. durch die Öffnung von Schaltern, über die der Transformator T1 mit einer anderen Ladevorrichtung in Verbindung steht, erkannt werden. Es ist an dieser Stelle auch denkbar, dass dann nicht unmittelbar das Fahrzeug an der Anschlussstelle EV3 geladen wird, sondern ein anderes wartendes Fahrzeug. Hierzu kann eine Priorisierung verwendet werden, die typischerweise entsprechend der Reihenfolge der Initialisierung von Ladevorgängen erfolgt. Für die Ladung im unteren Spannungsbereich werden im Schritt S6 die Schalter S31 und S32 geschlossen, damit das Laden (Schritt S7) erfolgen kann.If charging in the lower voltage range is required and the transformer T1 is available, the charging process can be started immediately in step S3. Otherwise, in step S4, there is a wait until the transformer T1 is available again (step S5). This can be detected, for example, by the opening of switches via which the transformer T1 is connected to another charging device. It is also conceivable at this point that the vehicle is not charged directly at the connection point EV3, but another waiting vehicle. Prioritization can be used for this purpose, which typically takes place in accordance with the order in which loading processes are initialized. For charging in the lower voltage range, switches S31 and S32 are closed in step S6 so that charging (step S7) can take place.
Wenn nun erkannt wird (z.B. mittels eines Zweipunktsregler-Algorithmus), dass ein Übergang auf Laden im oberen Spannungsbereich erfolgen soll (Abfrage S8), werden in Schritt S10 die Schalter S31 und S32 geöffnet, um den Transformator T1 vollständig anzukoppeln. Im Schritt S11 erfolgt dann das Laden im oberen Spannungsbereich bis der Ladevorgang beendet ist. Danach wird der Schalter S3 wieder geöffnet (Schritt S12) .If it is now recognized (e.g. by means of a two-point controller algorithm) that a transition to charging in the upper voltage range should take place (query S8), switches S31 and S32 are opened in step S10 in order to fully couple transformer T1. In step S11, charging then takes place in the upper voltage range until the charging process is complete. Then the switch S3 is opened again (step S12).
Die anhand des Ausführungsbeispiels beschriebene Vorgehensweise hat mehrere Vorteile. Durch die Aufteilung der Leistungskurve in zwei Spannungsebenen entsteht die Möglichkeit, dass nur der obere Bereich der Effizienzkurve je Wandler bzw. Umrichter genutzt wird und dadurch auch die Bauteile effizienter ausgelegt werden können. Man kann auch mehrere kleinere Umrichter zusammenschalten, um jeweils die beste Effizienz über den gesamten Arbeitsbereich zu erreichen.The procedure described using the exemplary embodiment has several advantages. By dividing the power curve into two voltage levels, it is possible that only the upper part of the efficiency curve is used for each converter or converter, which means that the components can also be designed more efficiently. It is also possible to interconnect several smaller converters in order to achieve the best efficiency over the entire working range.
Weiterhin ist diese Erfindung - wie oben angesprochen - stark auf die zukünftige Batterieentwicklungen gerichtet, da aktuell zu erwarten ist, dass Feststoff-Batterien die Li-Ion-Batterien mehr und mehr in EV verdrängen werden.Furthermore, this invention - as mentioned above - is strongly aimed at future battery developments, since it is currently expected that solid-state batteries will increasingly replace Li-ion batteries in EVs.
Ladesäulen müssen ihre Bauteile für den oberen Spannungsbereich auslegen. Jedoch muss nur wenige Male der untere Spannungsbereich bauteiltechnisch abgebildet werden. Daraus resultieren geringere Systemkosten, da ja nicht bei allen Ladesäulen der gesamte Spannungsbereich abgebildet werden muss, was wiederum zu Bauteileinsparungen und einer besseren Ausnutzung der Bauteile führt.Charging stations must design their components for the upper voltage range. However, the lower stress range only needs to be represented a few times in terms of component technology. This results in lower system costs, since the entire voltage range does not have to be mapped for all charging stations, which in turn leads to component savings and better utilization of the components.
Zudem wird ein besserer Gesamtwirkungsgrad durch die unterschiedliche Behandlung von unteren und oberen Spannungsbereich erzielt, da Bauteile auf den optimalen (deutlich eingeschränkten) Arbeitsbereich ausgelegt werden müssen bzw. können.In addition, a better overall efficiency is achieved through the different treatment of the lower and upper voltage range, since components must or can be designed for the optimal (significantly limited) working range.
Der untere Spannungsbereich bei einer leeren Batterie wird auf die Gesamt-Ladezeit relativ schnell durchlaufen, z.B. in wenige Minuten. Wie schnell hängt von dem Gesamtsystem bestehend aus Ladeleistung, Batterietyp und Batteriekapazität ab. Vor allem kommt dieses schnelle Durchlaufen der unteren Batteriespannung bei HPC-Ladesystem vor, wofür sich diese Erfindung besonders eignet. Bei Home-Wallboxen mit kleiner Ladeleistung sind die Vorteile geringer.The lower voltage range for an empty battery is passed through relatively quickly in relation to the total charging time, e.g. in a few minutes. How fast depends on the overall system consisting of charging power, battery type and battery capacity. Above all, this rapid cycling through the lower battery voltage occurs in HPC charging systems, for which this invention is particularly suitable. In the case of home wallboxes with a small charging capacity, the advantages are less.
Ein anderer Pluspunkt ist die Möglichkeit des Einsatzes eines vergleichsweise aufwandsarmen Spartrafos. Die Batterie wird mittels des Spartrafos und einem auf Effizienz getrimmten AC/DC-Wandler schnell aus ihrer tiefen Spannungslage geholt. Anschließend arbeiten nur noch effizient Wandler parallel oder in Serie. (Der Spartrafo ist dann wieder aus dem Schaltkreis genommen.)Another advantage is the possibility of using a comparatively low-cost autotransformer. The battery is quickly brought out of its low voltage level by means of the autotransformer and an AC/DC converter trimmed for efficiency. After that, only efficient converters work in parallel or in series. (The autotransformer is then removed from the circuit again.)
Das System kann z.B. für Elektroautos (typischerweise minimale Batteriespannung 200 VDC) und für Elektrobusse und Elektrotrucks (typischerweise minimale Batteriespannung 450 VDC) genutzt werden. Bei einer minimalen Batteriespannung von 450 VDC arbeitet das System noch effizienter, da die Verweilzeit im unteren Spannungsbereich, bei entsprechend großer Ladesäulenleistung (ca. > 300kW) relativ kurz ist.The system can be used e.g. for electric cars (typically
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