DE102022110037A1

DE102022110037A1 - Ladesystem und Nachrüstsatz für ein Ladesystem zum bidirektionalen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102022110037A1
Application number: DE102022110037.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Rühe
Original assignee: Ge T GmbH; Ge-T GmbH
Current assignee: CUBOS TECHNOLOGIES GMBH, DE
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023209030A3; WO2023209030A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem (1) zum bidirektionalen Laden einer Batterie (5a) eines Elektrofahrzeugs (5), mit einem Batteriewechselrichter (2), der zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Versorgungsnetz (3) und mit einer Batterie (5) des Elektrofahrzeugs (5) verbindbar ist. Es ist Ziel der Erfindung, ein Ladesystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine zuverlässige und flexible Kommunikation zwischen dem Batteriewechselrichter und dem Elektrofahrzeug und somit eine geregelte bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem Batteriewechselrichter (2) und dem Elektrofahrzeug (5) ermöglicht werden. Hierzu schlägt die Erfindung einen drahtgebundenen Kommunikationskanal (C1, C2) zwischen dem Batteriewechselrichter (2) und dem Elektrofahrzeug (5) vor, wobei in dem drahtgebundenen Kommunikationskanal (C1, C2) ein Signalumsetzer (7) eingebunden ist, welcher dazu eingerichtet, ein Power-Line-Communication-Signal nach ISO 015118 variabel auf ein Bussignal des Batteriewechselrichters (2) umzusetzen und umgekehrt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum bidirektionalen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, mit einem Batteriewechselrichter, der zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Versorgungsnetz und mit einer Batterie eines Elektrofahrzeugs verbindbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Nachrüstsatz, um das bidirektionale Laden in bestehenden unidirektionalen Ladesystemen zu ermöglichen.
Die Anzahl an Elektrofahrzeugen nimmt kontinuierlich zu. Diese werden gefördert und sollen mittelfristig Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen. Der Aufbau der Ladeinfrastruktur und die Integration der Ladestationen stellen hierbei eine große Herausforderung für die Betreiber der elektrischen Verteilungsnetze dar. Elektrische Verteilungsnetze werden auf die zu erwartende Spitzenlast ausgelegt. Hierbei müssen die angeschlossene Verbraucherleistung unter Berücksichtigung der örtlichen Verteilung und der Gleichzeitigkeit betrachtet werden.
Zu den konventionellen Haushaltsverbraucherlasten kommt nun auch die Last für das Laden der Elektrofahrzeuge hinzu. Das Elektrofahrzeug soll im einfachsten Fall möglichst schnell und vollständig geladen werden. Da Elektrofahrzeuge aber zu einem Großteil der Zeit stehen - wie auch andere Fahrzeuge -, ist es möglich, das Laden der Fahrzeuge derart zu koordinieren, dass die Spitzenlast im Verteilungsnetz nicht oder nur geringfügig steigt.
Des Weiteren existieren bereits erste Lösungen, ein bidirektionales Laden der Batterien der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Elektrofahrzeuge im Verteilungsnetz nicht nur als Verbraucher, also als Last, fungieren, sondern auch Energie aus ihrer Batterie ins Verteilungsnetz einspeisen können. Hierdurch kann die Spitzenlast im Verteilungsnetz weiter reduziert werden. Hierzu werden bidirektionale Ladesysteme eingesetzt, welche sowohl elektrische Energie aus dem Verteilungsnetz in die Batterie des Elektrofahrzeugs übertragen als auch in umgekehrter Richtung aus der Batterie ins Verteilungsnetz einspeisen können.
Technisch ähnliche Lösungen sind bereits aus dem Bereich der Photovoltaikanlagen bekannt. Hier werden Hybridwechselrichter eingesetzt, die dazu dienen, entweder die Energie ins Verteilungsnetz einzuspeisen bzw. Verbraucherlasten zu versorgen oder eine Batterie aufzuladen. Zudem ist es möglich, über den Hybridwechselrichter Energie aus der Batterie an die Verbraucherlasten im Haushalt zu übertragen.
Bei der Verwendung von Batteriewechselrichtern für das bidirektionale Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen ist es notwendig, dass der Batteriewechselrichter mit dem Elektrofahrzeug kommunizieren kann. Dies ist einerseits wichtig, weil Batterien und Elektrofahrzeuge unterschiedlichen Typs an den Batteriewechselrichter angeschlossen werden und andererseits auch andere Informationen vom Elektrofahrzeug an den Batteriewechselrichter übermittelt werden, wie die Batteriekapazität, Ladestand, Mindestladestand, Zeitpunkt der benötigten Vollladung etc..
Bei den bisher verfügbaren Lösungen, müssen der Batteriewechselrichter und das Elektrofahrzeug daher eine aufeinander abgestimmte Kommunikationsschnittstelle aufweisen. Es ist also nicht möglich, dass ein Elektrofahrzeug, welches standardmäßig Power-Line-Communication-Signale nach ISO 015118 für die Kommunikation nutzt, mit einem beliebigen Batteriewechselrichter kommuniziert. Zudem ist auch wünschenswert eine flexible Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Elektrofahrzeug und dem Batteriewechselrichter nachzurüsten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ladesystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine zuverlässige und flexible Kommunikation zwischen dem Batteriewechselrichter und dem Elektrofahrzeug und somit auch eine geregelte bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem Batteriewechselrichter und dem Elektrofahrzeug ermöglicht werden.
Hierzu schlägt die Erfindung ausgehend von einem Ladesystem der eingangs genannten Art einen drahtgebundenen Kommunikationskanal zwischen dem Batteriewechselrichter und dem Elektrofahrzeug vor, wobei in den drahtgebundenen Kommunikationskanal ein Signalumsetzer eingebunden ist, welcher dazu eingerichtet ist, ein Power-Line-Communication-Signal nach ISO 015118 variabel auf ein Bussignal des Batteriewechselrichters umzusetzen und umgekehrt.
Erfindungsgemäß ist es durch den Signalumsetzer möglich, mittels eines Batteriewechselrichters, wie dieser heute schon häufig im Einsatz ist, das bidirektionale Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs zu ermöglichen. Erfindungsgemäß können somit auch herkömmliche, unidirektionale Ladesysteme mit einem Signalumsetzer nachgerüstet werden, sodass die geregelte bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem Batteriewechselrichter und dem Elektrofahrzeug ermöglicht wird.
Hierzu weist der Signalumsetzer mindestens zwei Schnittstellen auf, die dazu eingerichtet sind, Bussignale unterschiedlicher Bussysteme auf ein Power-Line-Communication-Signal nach ISO 015118 umzusetzen und umgekehrt. D.h., der Signalumsetzer ist flexibel für die Umsetzung unterschiedlicher Bussignale eingerichtet und kann somit an Batteriewechselrichtern unterschiedlichen Typs nachgerüstet werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Batteriewechselrichter als Hybridwechselrichter ausgebildet ist und zusätzlich mit einer Photovoltaikanlage verbunden ist. Hierdurch wird das Ladesystem weiter vorteilhaft erweitert, sodass die Batterie des Elektrofahrzeugs auch über eine Photovoltaikanlage geladen werden kann. Zudem ist es über den Hybridwechselrichter möglich, die durch die Photovoltaikanlage gewonnene Energie ins Verteilnetz einzuspeisen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Hybridwechselrichter zusätzlich mit einem Hausanschlusskasten verbunden ist. Die Energie aus der Batterie des Elektrofahrzeugs kann somit nicht nur ins Verteilungsnetz gespeist werden, sondern auch direkt zur Versorgung konventioneller Lasten im Haushalt genutzt werden.
Es ist zudem von Vorteil, wenn der Signalumsetzer ein Anzeigemodul aufweist. Über das Anzeigemodul können einerseits Einstellungen am Signalumsetzer vorgenommen werden. Andererseits lassen sich hierüber Zustandsinformationen über den Signalumsetzer oder die anderen Komponenten im Ladesystem darstellen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ladesystems;
2: schematisch ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Nachrüstsatzes.

In 1 ist ein Ladesystem in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Ladesystem 1 umfasst einen Batteriewechselrichter 2, der hier als Hybridwechselrichter ausgebildet ist. Der Batteriewechselrichter 2 ist mit einem elektrischen Verteilungsnetz 3 über einen Wechselstromanschluss AC verbunden. Des Weiteren ist der Batteriewechselrichter 2 über einen ersten Gleichstromanschluss DC1 und ein Stecksystem 4 mit der Batterie 5a eines Elektrofahrzeugs 5 verbunden. Schließlich ist der Batteriewechselrichter 4 über einen zweiten Gleichstromanschluss DC2 mit einer Photovoltaikanlage 6 verbunden. Über elektrische Leitungen P1, P2, P3 wird die elektrische Leistung zwischen den Komponenten des Ladesystems 1 übertragen.
Um erfindungsgemäß die Kommunikation zwischen dem Batteriewechselrichter 2 und dem Elektrofahrzeug 5 herzustellen, ist ein Signalumsetzer 7 vorgesehen. Dieser ist über eine Busleitung C1 mit dem Batteriewechselrichter 2 verbunden. Zudem ist der Signalumsetzer 7 über eine Kommunikationsleitung C2, über welche ein Power-Line-Communication(PLC)-Signal übertragen wird, mit dem Elektrofahrzeug 5 verbunden. Das Stecksystem 3 leitet hier sowohl die elektrische Leistung als auch das PLC-Signal lediglich durch. Der Signalumsetzer 7 setzt das Bussignal des Batteriewechselrichters 2 in ein PLC-Signal um und umgekehrt. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug 5 und Batteriewechselrichter 2 ermöglicht.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Signalumsetzers 7 der erfindungsgemäß in einem bestehenden Ladesystem mit einem Batteriewechselrichter 2 nachgerüstet werden kann, sodass eine Kommunikation zwischen dem Batteriewechselrichter 2 und dem Elektrofahrzeug 5 ermöglicht wird.
Der Signalumsetzer 7 verfügt über eine Spannungsversorgung 8 und zwei Busschnittstellen 9, 10, über welche der Signalumsetzer an das Bussystem des Wechselrichters angeschlossen werden kann. Des Weiteren verfügt der Signalumsetzer 7 über eine PLC-Schnittstelle 11, über welche der Signalumsetzer 7 kommunikativ mit dem Elektrofahrzeug verbunden werden kann.
Der Signalumsetzer 7 verfügt des Weiteren über ein Anzeigemodul 12. Über das Anzeigemodul können Statusinformationen des Signalumsetzers 7 und der anderen Komponenten des Ladesystems 1 angezeigt werden. Der Signalumsetzer 7 verfügt zudem über einen Bustreiber 13. Der Bustreiber 13 kann dem An- und Abschalten der angeschlossenen Komponenten am Bus, dem Durchschalten der gewünschten Übertragungsrichtung bei bidirektionaler Kommunikation und zur Signalverstärkung dienen. Hierbei kann der Bustreiber 13 Signale unterschiedlicher Busprotokolle verarbeiten und in ein PLC-Signal umsetzen und an eine PLC-Einheit 14 weitergeben. Des Weiteren verfügt der Signalumsetzer 7 über einen Spannungswandler 15 und eine Funkschnittstelle 16, die zur drahtlosen Kommunikation beispielsweise über Bluetooth oder Wifi dient. Schließlich ist im Signalumsetzer ein Microcontroller 17 angeordnet, welcher die Komponenten des Signalumsetzers 7 ansteuert.
Der in 2 dargestellte Signalumsetzer 7 kann erfindungsgemäß an einem in einem herkömmlichem Ladesystem installierten Batteriewechselrichter 2 nachgerüstet werden, sodass die Kommunikation und somit eine bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem Batteriewechselrichter 2 und dem Elektrofahrzeug 5 ermöglicht wird. Durch die Nachrüstung entsteht das bidirektionale Ladesystem gemäß 1.
Der Signalumsetzer 7 weist mehrere Busschnittstellen auf, sodass dieser Signale gängiger Bussysteme, welche bei Batteriewechselrichtern Anwendung finden, flexibel auf ein PLC-Signal nach ISO 015118 umsetzen kann. Die gängigen Bussysteme sind in erster Linie CAN-Bus, LIN-Bus, Ethernet und Modbus.
Bezugszeichenliste:

1: Ladesystem
2: Batteriewechselrichter
3: Versorgungsnetz
4: Steckvorrichtung
5: Elektrofahrzeug
5a: Batterie des Elektrofahrzeugs
6: Photovoltaikanlage
7: Signalumsetzer
8: Spannungsversorgung
9: erste Busschnittstelle
10: zweite Busschnittstelle
11: PLC-Schnittstelle
12: Anzeigemodul
13: Bustreiber
14: PLC-Einheit
15: Spannungswandler
16: Funkschnittstelle
17: Microcontroller
AC: Wechselstromanschluss
DC: Gleichstromanschluss
P: Leitung zur Leistungsübertragung
C: Kommunikationsleitung/Busleitung

Claims

Ladesystem (1) zum bidirektionalen Laden einer Batterie (5a) eines Elektrofahrzeugs (5), mit einem Batteriewechselrichter (2), der zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Versorgungsnetz (3) und mit der Batterie (5a) des Elektrofahrzeugs (5) verbindbar ist, gekennzeichnet durch einen drahtgebundenen Kommunikationskanal (C1, C2) zwischen dem Batteriewechselrichter (2) und dem Elektrofahrzeug (5), wobei in den drahtgebundenen Kommunikationskanal (C1, C2) ein Signalumsetzer (7) eingebunden ist, welcher dazu eingerichtet, ein Power-Line-Communication-Signal nach ISO 015118 variabel auf ein Bussignal des Batteriewechselrichters (2) umzusetzen und umgekehrt.
Ladesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriewechselrichter (2) als Hybridwechselrichter ausgebildet ist und zusätzlich mit einer Photovoltaikanlage (6) verbunden ist.
Ladesystem (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriewechselrichter (2) zusätzlich mit einem Hausanschlusskasten verbunden ist.
Ladesystem (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalumsetzer (7) ein Anzeigemodul (12) aufweist.
Ladesystem (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalumsetzer (7) eine Funkschnittstelle (16) zur drahtlosen Kommunikation aufweist.
Nachrüstsatz aufweisend einen Signalumsetzer (7), der dazu eingerichtet ist, in einem Ladesystem (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche eingesetzt zu werden, wobei der Signalumsetzer (7) mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, Busschnittstellen (9, 10) aufweist, wobei der Signalumsetzer (7) zudem dazu eingerichtet ist, Bussignale unterschiedlicher Bussysteme auf ein Power-Line-Communication-Signal nach ISO 015118 umzusetzen und umgekehrt.
Nachrüstsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschnittstellen (9, 10) eine CAN-Bus-, LIN-Bus-, Ethernet- und/oder Modbus-Schnittstelle umfassen.