DE102022111154A1

DE102022111154A1 - Lokales Stromnetz mit Ladepunkt für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102022111154A1
Application number: DE102022111154.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Berger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein lokales Stromnetz (1), aufweisend eine Photovoltaikanlage (6), einen stationären Stromspeicher (7) und mindestens einen Ladepunkt (8) zum wahlweisen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs (BEV), wobei jede dieser Vorrichtungen (6, 7, 8) über einen Gleichspannungswandler (9, 10, 11) an ein Gleichspannungs-Teilnetz (2) angeschlossen ist und das Gleichspannungs-Teilnetz (2) über einen bidirektionalen Umrichter (4) mit einem Wechselspannungs-Teilnetz (3) verbunden ist, das über einen Netzanschlusspunkt (14) mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbindbar ist, und wobei die Gleichspannungswandler (9, 10, 11) und der bidirektionale Umrichter (4) mittels einer Steuereinrichtung (17) steuerbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein lokales Stromnetz, aufweisend eine Photovoltaikanlage, mindestens einen stationären Stromspeicher und mindestens einen Ladepunkt zum wahlweisen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs, wobei das Gleichspannungs-Teilnetz über einen bidirektionalen Umrichter mit einem Wechselspannungs-Teilnetz verbunden ist, das über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbindbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Gebäude, das ein solches lokales Stromnetz aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines lokalen Stromnetzes.
US 9,937,810 B2 offenbart ein elektrisches Gleichspannungs-Gebäudesystem, das einen Gleichspannungs-Verbraucher, der mit einem Gleichspannungsbus verbunden ist, umfasst. Eine Gleichspannungs-Leistungsquelle ist mit dem Gleichspannungsbus verbunden und versorgt den Gleichspannungs-Verbraucher mit Leistung. Eine Energiespeichervorrichtung ist mit dem Gleichspannungsbus und mit einer Gleichspannungs-Notfalllast verbunden. Die Energiespeichervorrichtung versorgt den Gleichspannungs-Verbraucher in Verbindung mit der Gleichspannungs-Leistungsquelle und versorgt die Gleichspannungs-Notfalllast, wenn eine andere Leistungsquelle als die Energiespeichervorrichtung für den Gleichspannungs-Verbraucher verfügbar ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine effizientere und robustere Möglichkeit bereitzustellen, ein Gleichspannungs-Teilnetz eines lokalen Stromnetzes zu betreiben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein lokales Stromnetz, aufweisend eine Photovoltaikanlage, mindestens einen stationären Stromspeicher und mindestens einen Ladepunkt zum wahlweisen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs, wobei jede dieser Vorrichtungen über einen Gleichspannungswandler an ein Gleichspannungs-Teilnetz angeschlossen ist und das Gleichspannungs-Teilnetz über einen bidirektionalen Umrichter mit einem Wechselspannungs-Teilnetz verbindbar ist, das über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbunden ist, und wobei die Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter mittels mindestens einer Steuereinrichtung steuerbar sind.
Dieses lokale Stromnetz weist den Vorteil auf, dass es besonders effizient elektrische Energie zwischen der Photovoltaikanlage, dem stationären Stromspeicher und einer Batterie mindestens eines an dem mindestens einen Ladepunkt angeschlossenen Elektrofahrzeug sowie dem öffentlichen Stromversorgungsnetz verteilen kann, insbesondere aufgrund eines Entfalls der jeweiligen DC-AC-Wandlung der obigen Komponenten was außerdem Kostenvorteil ergibt. Dadurch wiederum kann ein Stromverbrauch in dem lokalen Netz optimiert werden, z.B. im Hinblick auf geringe Kosten, Nachhaltigkeit, usw. Insbesondere können Umwandlungsverluste in dem lokalen Stromnetz verringert werden, wodurch der Bedarf an einem Strombezug aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz sinkt oder ein höherer Überschuss in das öffentliche Stromversorgungsnetz einspeisbar ist. Beispielsweise entfällt so eine Gleichrichtung beim Laden des Elektrofahrzeugs bzw. seiner Batterie und Wechselrichtung beim Entladen des Elektrofahrzeugs. Dadurch kann auch der Ladepunkt einfacher und preiswerter ausgebildet werden.
Das Elektrofahrzeug kann z.B. ein Plug-In-Hybridfahrzeug; PHEV, oder ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, BEV, sein. Das Elektrofahrzeug kann insbesondere eine Gleichspannungs-Ladedose wie CCS, CHADEMO, usw. aufweisen. Es kann auch induktiv geladen werden.
Unter einem lokalen Stromnetz wird insbesondere ein Stromnetz verstanden, das über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbunden ist und aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz Strom beziehen kann. An dem Netzanschlusspunkt kann ein abrechnungsrelevantes Energiemessgerät („Stromzähler“) vorhanden sein. Der Stromzähler kann als ein sog. „Smart Meter“ ausgebildet sein.
Das vorliegende lokale Stromnetz kann ferner z.B. durch die Photovoltaikanlage erzeugte Überschussenergie und/oder aus dem stationären Stromspeicher entnommene und/oder aus dem Elektrofahrzeug entnommene elektrische Energie in das öffentliche Stromversorgungsnetz einspeisen.
Es ist eine Weiterbildung, dass das lokale Stromnetz ein privates Stromnetz ist. Es ist eine Weiterbildung, dass das lokale Stromnetz ein Stromnetz eines Gebäudes ist, insbesondere eines Privathauses, insbesondere eines Einfamilienhauses.
Die Photovoltaikanlage kann ein oder mehrere Solarzellen und/oder ein oder mehrere Solarmodule, jeweils umfassen mehrere Solarzellen, umfassen. Es ist eine Weiterbildung, dass eine Ausgangs-Gleichspannung der Photovoltaikanlage zwischen 210 V und 800 V liegt.
Ein stationärer Stromspeicher kann ein eigenständiger Stromspeicher sein. Ein stationärer Stromspeicher kann in eine weiteres Gerät (z.B. einen Hybrid-Wechselrichter) integrierter Stromspeicher sein. Es ist eine Weiterbildung, dass eine an dem stationären Stromspeicher anliegende Gleichspannung zwischen 280 V und 410 V liegt.
Es ist eine Weiterbildung, dass ein Ladepunkt eine Ladesäule ist. Es ist eine Weiterbildung, dass ein Ladepunkt eine Wallbox ist. Ein Ladepunkt kann in einer Variante genau ein Elektrofahrzeug laden, in einer anderen Variante gleichzeitig mehrere Elektrofahrzeug laden. Der Ladepunkt ist zum wahlweisen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs eingerichtet, was umsetzbar ist, falls auch das Elektrofahrzeug wahlweisen Laden und Entladen eingerichtet ist. Das Entladen kann als sog. „Vehicle-to-Home“, V2H und/oder „Vehicle-to-Grid“, V2G ausgebildet sein. Weil der Ladepunkt an das Gleichspannungs-Teilnetz angeschlossen ist bzw. Teil des Gleichspannungs-Teilnetzes ist, kann auf eine Gleich- bzw. Wechselrichtung verzichtet werden, was eine Effizienz erhöht. Es ist eine Weiterbildung, dass eine an den Ladepunkt anzulegende bzw. ausgegebene Gleichspannung zwischen 280 V und 840 V liegt, insbesondere zwischen 280 V und 420 V oder zwischen 400 V und 840 V.
Es können aber auch noch weitere Stromspeicher und/oder Stromerzeuger an dem Gleichspannungs-Teilnetz angeschlossen sein, z.B. ein Windrad, eine Wärmepumpe, usw.
Jede dieser Vorrichtungen (Stromspeicher und/oder Stromerzeuger wie die Photovoltaikanlage, der mindestens eine stationäre Stromspeicher, der Ladepunkt bzw. ein daran angeschlossenes Elektrofahrzeug) ist über einen Gleichspannungswandler an das Gleichspannungs-Teilnetz angeschlossen. Dadurch kann das Gleichspannungs-Teilnetz mit hoher Genauigkeit auf einer gleichen Betriebsspannung gehalten werden. Dies gilt auch, wenn die Ausgangs-/Betriebsspannung einer angeschlossenen Vorrichtung bereits der nominalen Betriebsspannung des Gleichspannungs-Teilnetzes entspricht, weil durch den Gleichspannungswandler auch Spannungsschwankungen der Vorrichtungen ausgeglichen werden können.
Es ist eine Weiterbildung, dass der jeweils mindestens einer der Vorrichtungen zugeordnete Gleichspannungswandler eine eigenständige Komponente des Gleichspannungs-Teilnetzes ist. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine besonders einfache und preiswerte Auswechselung der zugehörigen Vorrichtung. So kann ein geeigneter Gleichspannungswandler in die Photovoltaikanlage integriert sein, usw.
Es ist eine Weiterbildung, dass der jeweils mindestens einer der Vorrichtungen zugeordnete Gleichspannungswandler in die zugeordnete Vorrichtung integriert ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform und einfache Montage.
Dass das Gleichspannungs-Teilnetz über den bidirektionalen Umrichter mit einem Wechselspannungs-Teilnetz verbindbar oder verbunden ist, umfasst, dass - z.B. je nach Größe der Energieerzeugung und des Energiebedarfs in dem lokalen Stromnetz - Strom aus dem Wechselspannungs-Teilnetz gleichgerichtet und in das Gleichspannungs-Teilnetz eingespeist werden kann oder Strom aus dem Gleichspannungs-Teilnetz wechselgerichtet und in das Wechselspannungs-Teilnetz eingespeist werden kann.
Das Wechselspannungs-Teilnetz ist über den Netzanschlusspunkt mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbunden. Falls der Netzanschlusspunkt als Smart Meter ausgebildet ist, können Abrechnungsdaten auf Wunsch an den Nutzer des lokalen Netzwerks weitergeleitet werden, z.B. über das EEBUS-Protokoll. Dies ergibt unter anderem den Vorteil, dass ein sog. „Home Energy Management“ besonders effektiv angewendet werden, z.B. im Rahmen eines „Smart Home“-Systems.
Falls der Netzanschlusspunkt nicht als Smart Meter ausgebildet ist oder der Betreiber des Netzanschlusspunkts die Abrechnungsdaten nicht teilen möchte, kann in dem Wechselspannungs-Teilnetz vor dem Netzanschlusspunkt ein Energiemessgerät des lokalen Stromnetzes vorhanden sein, das seine zu den Abrechnungsdaten analogen Messdaten an den Nutzer des lokalen Netzwerks weiterleitet aufnimmt.
Dadurch, dass die Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter mittels mindestens einer Steuereinrichtung steuerbar sind, lassen sich die einzelnen Teilströme gezielt an eine aktuelle und/oder prognostizierte Auslastung der Teilnetze und der daran angeschlossenen Vorrichtungen anpassen. Dazu können die auch Gleichspannungswandler an- und abgeschaltet werden, so dass sie auch als Schalter wirken können. Insbesondere kann durch die Steuereinrichtung ein Ladegang eines Elektrofahrzeugs an Laderandbedingungen wie einen gewünschten Ladezustand zu einem voraussichtlichen Abfahrtszeitpunkt usw. angepasst werden und in der Zwischenzeit die Antriebsbatterie als Zwischenspeicher des Gleichspannungs-Teilnetzes verwendet werden, beispielsweise zur Optimierung auf einen möglichst kostengünstigen Bezug von Energie aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz, beispielsweise in Abhängigkeit von einem tageszeitabhängigen Strompreis und/oder einer Leistung der Photovoltaikanlage.
Dass die Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter mittels mindestens einer Steuereinrichtung steuerbar sind, umfasst in einer Weiterbildung, dass die Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter mittels genau einer gemeinsamen Steuereinrichtung steuerbar sind, was sich positiv auf den Ruhestromverbrauch auswirkt.
Es ist eine alternative Weiterbildung, dass die Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter mittels mehrerer Steuereinrichtungen steuerbar sind. Dies erleichtert vorteilhafterweise die Zusammenfassung eines oder mehrerer der obigen Vorrichtungen in jeweilige - insbesondere gesondert verkäufliche - Einheiten, die durch eine jeweilige Steuereinrichtung steuerbar sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Steuereinrichtungen kommunikativ miteinander koppelbar sind. Ist dies der Fall, kann in einer Weiterbildung eine der Steuereinrichtungen als Master dienen, die andere(n) Steuereinrichtung(en) als Slave(s).
Es ist eine Weiterbildung, dass eine dieser Einheiten zumindest den Ladepunkt und den zugehörigen Gleichspannungswandler umfasst.
Es ist eine Weiterbildung, dass eine dieser Einheiten zumindest die Photovoltaikanlage und den zugehörigen Gleichspannungswandler umfasst. Es ist eine Weiterbildung, dass diese Einheit ferner einen externen Energiespeicher (z.B. eine externe Solarbatterie) und den dazu gehörigen Gleichspannungswandler umfasst. Es ist eine Weiterbildung, dass diese Einheit außerdem den bidirektionalen Umrichter umfasst. Es ist eine Weiterbildung, dass diese Einheit außerdem einen in dem Wechselspannungs-Teilnetz befindlichen Schütz (siehe unten) bzw. dessen Funktion umfasst.
Es ist eine Ausgestaltung, dass eine Wechselspannungsseite des bidirektionalen Umrichters an eine Schützbox angeschlossen ist, die andererseits mit einem ersten Zweig des Wechselspannungs-Teilnetzes, an dem nutzerseitig lokale Verbraucher anschließbar sind, und mit einem zweiten Zweig des Wechselspannungs-Teilnetzes, der zu dem Netzanschlusspunkt führt, verbunden ist und durch die Steuereinrichtung steuerbar ist. Dies ergibt den Vorteil, dass - je nach Ansteuerung - das Gleichspannungs-Teilnetz von dem Wechselspannungs-Teilnetz trennbar ist und/oder der Netzanschlusspunkt von dem restlichen Wechselspannungs-Teilnetz trennbar ist. Die Trennung erfolgt vorteilhafterweise allpolig, was eine besonders hohe Sicherheit und Effizienz ermöglicht.
Die Schützbox kann eine eigenständige Komponente sein oder kann funktional in den bidirektionalen Umrichter integriert sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Schützbox durch die Steuereinrichtung dergestalt steuerbar ist, dass bei einem Stromausfall in dem öffentlichen Stromversorgungsnetz die Schützbox von dem Netzanschlusspunkt getrennt ist und der bidirektionale Umrichter mit dem ersten Zweig des Wechselspannungs-Teilnetzes verbunden ist oder bleibt. Dieser Modus wird auch als „Stromausfall-Modus“ bezeichnet. So wird der Vorteil erreicht, dass bei einem Stromausfall in dem öffentlichen Stromversorgungsnetz die an das Wechselspannungs-Teilnetz angeschlossenen Verbraucher aus dem Gleichspannungs-Teilnetz versorgbar sind und die aus dem Gleichspannungs-Teilnetz in das Wechselspannungs-Teilnetz eingespeiste Energie nicht in das öffentlichen Stromversorgungsnetz fließt („Not-“ oder „Ersatzstromfunktion“).
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Gleichspannungs-Teilnetz als ein Gleichspannungsbus ausgebildet ist. So wird vorteilafterweise ein besonders einfacher Anschluss der Vorrichtungen an das Gleichspannungs-Teilnetz erreicht, indem sie einfach an den Gleichspannungsbus angeschlossen werden. Der Gleichspannungsbus kann insbesondere eine Gleichspannungsleitung aufweisen oder sein, an welche die Vorrichtungen angeschlossen sind. Die Gleichspannungsleitung kann insbesondere einen positiven Strompfad und einen negativen Strompfad aufweisen. Der negative Strompfad kann beispielsweise geerdet sein. Unter Vernachlässigung von Spannungsabfällen an der Gleichspannungsleitung kann diese auch als ein zentraler Knoten aufgefasst werden, an dem die Vorrichtungen sternförmig angeschlossen sind.
Es ist eine Ausgestaltung, dass an den Eingängen und/oder den Ausgängen der Gleichspannungswandler und des bidirektionale Umrichters jeweils ein Energiemessgerät vorhanden ist, das kommunikativ mit der Steuereinrichtung koppelbar ist. Das mindestens eine Energiemessgerät ist vorteilhafterweise in den Gleichspannungswandler oder den bidirektionalen Umrichter integriert. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, die durch die Gleichspannungswandler und den bidirektionale Umrichter fließenden Ströme bzw. Energiemengen individuell zu messen und in der Steuereinrichtung auszuwerten. Beruhend auf der Auswertung können die jeweiligen Gleichspannungswandler und/oder der bidirektionale Umrichter passend durch die Steuereinrichtung angesteuert werden. Das Vorsehen von Energiemessgeräten sowohl an den Eingängen als auch an den Ausgängen vereinfacht vorteilhafterweise eine Regelung.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Ladepunkt eine sog. Wallbox ist. Dies ist eine besonders preiswerte Möglichkeit zum Laden eines Elektrofahrzeugs in einem privaten Stromnetz. Die Wallbox kann beispielsweise eine maximale Ladeleistung zwischen 11 kW und 22 kW zur Verfügung stellen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Photovoltaikanlage an einen Hybrid-Wechselrichter angeschlossen ist. Unter einem Hybrid-Wechselrichter wird insbesondere ein Gerät verstanden, das vorteilhafterweise die Funktion des bidirektionalen Umrichters mit der Funktion des der Photovoltaikanlage vorgeschalteten Gleichspannungswandlers sowie eines Zwischenspeichers für die von der Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Energie (sog. „Solarbatterie“) verbindet. Er kann insbesondere sowohl die Polarität von der Photovoltaikanlage abgegebenen Stroms anpassen als auch eine bestimmte Menge an Strom zwischenspeichern. Die Solarbatterie kann der obige stationäre Stromspeicher oder eine Komponente davon sein. Es ist in anderen Worten eine Ausgestaltung, dass der der Photovoltaikanlage vorgeschaltete Gleichspannungswandler und der bidirektionale Umrichter in einem als Hybrid-Wechselrichter bezeichneten Gerät integriert sind, das zusätzlich noch die Solarbatterie umfasst. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erreicht, dass das lokale Stromnetz mit besonders wenigen Bauteilen aufgebaut sein kann. Der Hybrid-Wechselrichter stellt auch die Schnittstelle zwischen dem Gleichspannungs-Teilnetz und dem Wechselspannungs-Teilnetz dar.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Hybrid-Wechselrichter ein dreiphasiger Hybridwechselrichter ist, also den von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstrom-Teilnetz in einen Dreiphasenstrom umwandelt.
Der Ladepunkt und ggf. noch mindestens ein weiterer, (geräte)externer stationärer Energiespeicher usw. können an diesen Hybrid-Wechselrichter angeschlossen werden, insbesondere über den Gleichspannungsbus. Ein externer stationärer Stromspeicher erweitert die Kapazität der Solarbatterie. Dies ist vorteilhaft, weil so ein effektiverer Stromausgleich bzw. ein effektiveres Strommanagement erreicht wird. Zudem lässt sich so der Gleichstrom aus der Photovoltaikanlage ohne weitere Umwandlung in dem externen stationären (Gleichspannungs-)Stromspeicher speichern, was höhere Effizienzgrade ergibt.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Funktion der Schützbox in den Hybrid-Wechselrichter integriert ist, wodurch sich vorteilhafterweise eine eigenständige Schützbox einsparen lässt.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Hybrid-Wechselrichter in die Wallbox integriert ist, er also außer den obigen Komponenten auch noch die Funktion der Wallbox umfasst. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erreicht, dass das lokale Stromnetz mit ganz besonders wenigen Bauteilen aufgebaut sein kann. Eine solche Wallbox kann eine eigenständig erfinderische Vorrichtung darstellen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Gebäude, aufweisend mindestens ein lokales Stromnetz wie oben beschrieben. Das Gebäude kann analog zu dem lokalen Stromnetz ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
Das Gebäude kann ein oder mehrere Privathaushalte und/oder kann für Gewerbezwecke genutzt werden. Das Gebäude kann ein Einfamilien- oder ein Mehrfamilienhaus sein.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines lokalen Stromnetzes wie oben beschrieben, bei dem dann, wenn durch die Steuereinrichtung ein Stromausfall in dem öffentlichen Stromversorgungsnetz erkannt wird, die elektrische Verbindung mittels der Schützbox zu dem Netzanschlusspunkt getrennt wird, insbesondere allpolig. Die Verbindung zwischen dem restlichen Wechselstromnetz, das insbesondere die Wechselstrom-Hausverkabelung umfasst, an der lokale Verbraucher anschließbar sind, und dem Gleichstrom-Teilnetz bleibt hingegen bestehen, um das Wechselstrom-Teilnetz aus dem Gleichstrom-Teilnetz speisen zu können. Das Verfahren kann analog zu dem lokalen Stromnetz ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.

1 zeigt ein lokales Stromnetz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 zeig; ein lokales Stromnetz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 zeigt ein lokales Stromnetz gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und.
4 zeigt ein lokales Stromnetz gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein lokales Stromnetz 1 z.B. eines Einfamilienhauses E. Das lokale Stromnetz 1 weist ein Gleichspannungs-Teilnetz 2 und ein Wechselspannungs-Teilnetz 3 auf, die über einen bidirektionalen Umrichter 4 miteinander verbunden sind. Der bidirektionale Umrichter 4 kann wahlweise Wechselstrom aus dem Wechselspannungs-Teilnetz 3 zur Speisung des Gleichspannungs-Teilnetzes 2 in Gleichstrom umwandeln und Gleichstrom aus dem Gleichspannungs-Teilnetz 2 zur Einspeisung in das Wechselspannungs-Teilnetz 3 in Wechselstrom umwandeln.
Das Gleichspannungs-Teilnetz 2 weist einen Gleichspannungs-Leistungsbus 5 auf. An den Gleichspannungs-Leistungsbus 5 sind hier eine Photovoltaikanlage 6 mit ein oder mehreren Solarzellen und/oder Solarmodulen, ein stationärer Stromspeicher 7 und ein Ladepunkt zum bidirektionalen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs BEV in Form einer Wallbox 8 angeschlossen. Die Photovoltaikanlage 6 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, Gleichstrom („Solarstrom“) mit einer Spannung zwischen 210 V und 800 V zu erzeugen. Der stationäre Stromspeicher 7 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Batteriespannung zwischen 280 V und 410 V aufzuweisen. Die Wallbox 8 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Ladespannung zwischen 280 V und 840 V bereitzustellen. Sie kann dazu eingerichtet sein, eine Ladeleistung von mindestens 11 kW bereitzustellen. Sie kann dazu eingerichtet sein, mit dem Elektrofahrzeug BEV zu kommunizieren und kann insbesondere konform zu ISO 15118-20 ausgebildet sein.
Der Photovoltaikanlage 6, dem stationären Stromspeicher 7 und der Wallbox 8 ist jeweils ein Gleichspannungswandler 9, 10 bzw. 11 in dem Sinne vorgeschaltet, dass die Vorrichtungen 6, 7 bzw. 8 über den jeweiligen Gleichspannungswandler 9, 10 bzw. 11 an den Gleichspannungs-Leistungsbus 5 angeschlossen sind. Die Gleichspannungswandler 9, 10, 11 sind dazu vorgesehen, die von den Vorrichtungen 6, 7 bzw. 8 ausgegebenen Spannungen in eine an dem Gleichspannungs-Leistungsbus 5 anliegende Betriebsspannung von z.B. 400 V bis 840 V umzuwandeln oder im Fall des stationären Stromspeichers 7 und der Wallbox 8 wahlweise in umgekehrter Richtung zum Laden des stationären Stromspeichers 7 und/oder eines an der Wallbox 8 angeschlossenen Elektrofahrzeugs BEV umzuwandeln.
Das Wechselspannungs-Teilnetz 3 weist hier eine - grundsätzlich optionale - Schützbox 12 auf, die mit der Wechselspannungsseite des bidirektionalen Umrichters 4 verbunden ist. Die Schützbox 12 weist außerdem eine Schnittstelle 13A zur Verbindung mit einen ersten Zweig 29A des Wechselspannungs-Teilnetzes 3 auf, welcher eine Wechselstrom-Hausverkabelung (o. Abb.) des lokalen Stromnetzes 1 aufweist, an die typische elektrische Hausverbraucher, insbesondere auch nicht steuerbare Verbraucher, wie Küchengeräte, Lampen, elektronische Geräte usw. anschließbar sind. Die Schützbox 12 weist ferner eine Schnittstelle 13B auf, an die ein zweiter Zweig 29A des Wechselspannungs-Teilnetzes 3 anschließbar ist, der zum Netzanschlusspunkt 14 in Form eines abrechnungsrelevanten Energiemessgeräts („Stromzählers“) führt, ggf. über ein optionales hauseigenes Energiemessgerät 15. Insbesondere kann dann, wenn Abrechnungsdaten von dem Netzanschlusspunkt 14 (falls er als Smart Meter ausgebildet ist) oder von dem Energiemessgerät 15 an das lokale Stromnetz 1 übermittelt werden, ein sog. „Home Energy Management“ besonders effektiv angewendet werden, z.B. im Rahmen eines „Smart Home“-Systems.
Der Netzanschlusspunkt 14 ist an das öffentliche Stromversorgungsnetz angebunden. Das Energiemessgerät 15 weist den Vorteil auf, dass so für den Nutzer des lokalen Stromnetzes 1 die aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz bezogene und die bei Überschuss in das öffentlichen Stromversorgungsnetz eingespeiste Strommenge erfassbar ist. Insbesondere falls der Netzanschlusspunkt 14 als ein Smart Meter ausgebildet ist und die an dem Smart Meter gemessenen Verbrauchsinformationen mit dem Nutzer des lokalen Stromnetzes 1 geteilt werden, kann auf das Energiemessgerät 15 verzichtet werden.
Das Wechselspannungs-Teilnetz 3 kann einphasig und/oder dreiphasig ausgebildet sein. An dem Gleichspannungs-Leistungsbus 5 kann insbesondere mindestens ein Anschluss 16 zum direkten Anschließen eines oder mehrerer Verbraucher, eines oder mehrerer weiterer Stromerzeuger (z.B. einer Windkraftanlage) und/oder eines oder mehrerer weiterer Stromspeicher vorhanden sein.
Ferner ist eine Steuereinrichtung 17, z.B. in Form eines sog. „Controllers“, vorhanden, welche über einen digitalen Kommunikationsbus 18 zumindest mit den Gleichspannungswandlern 9 bis 11 und mit dem bidirektionalen Umrichter 4 kommunizieren kann, hier auch mit der Schützbox 12 und dem Energiemessgerät 15. Der digitale Kommunikationsbus 18 kann auch einen Anschluss 19 für externe Geräte aufweisen. Der digitale Kommunikationsbus 18 kann ferner einen Anschluss 20 zur drahtgebundenen Kommunikation über andere Mittel als den digitalen Kommunikationsbus 18 (wie einen LAN-Anschluss, z.B. Ethernet, usw.) und/oder ein Kommunikationsmodul 21 zur drahtlosen Kommunikation (z.B. über Funk, beispielsweise WLAN und/oder Bluetooth usw.) aufweisen, insbesondere zur Kommunikation nach EEBUS.
Die Steuereinrichtung 17 kann über den Kommunikationsbus 18 beispielsweise Messdaten erfassen und/oder Steuerbefehle ausgeben. So können z.B. von dem Energiemessgerät 15 gemessene Leistungswerte an die Steuereinrichtung 17 übertragen werden. Auch können ein oder mehrere, insbesondere alle, der Gleichspannungswandler 9 bis 11 und/oder der bidirektionale Umrichter 4 jeweils auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit Energiemessgeräten 22 ausgerüstet sein, deren Messwerte (beispielsweise betreffend eine aktuell von der Photovoltaikanlage 6 erzeugte Leistung, eine von dem stationären Energiespeicher 7 aufgenommene oder abgegebene Leistung, eine von der Wallbox aufgenommene oder abgegebene Leistung, eine über den bidirektionalen Umrichter 4 geleitete elektrische Leistung usw.) an die Steuereinrichtung 17 übertragen werden können. Durch Übertragen von Steuerbefehlen an die Gleichspannungswandler 9 bis 11 können außerdem die Photovoltaikanlage 6, der stationären Stromspeicher 7 und/oder die Wallbox 8 wahlweise von dem Gleichspannungs-Leistungsbus 5 abgekoppelt und daran angekoppelt werden.
Insbesondere kann die Schützbox 12 durch die Steuereinrichtung 17 dergestalt steuerbar sein, dass sie bei Stromausfall in dem öffentliches Stromversorgungsnetz - was beispielsweise über das Energiemessgerät 15 feststellbar ist - in einen Stromausfall-Modus geschaltet wird, bei dem die Schützbox 12 von dem Netzanschlusspunkt 14 bzw. dem zweiten Zweig 29B getrennt wird (insbesondere allpolig) und der bidirektionale Umrichter 4 mit dem Wechselspannungs-Teilnetz 3 verbunden wird oder bleibt. Dadurch kann der über die Schnittstelle 13A führende erste Zweig 29A des Wechselstrom-Teilnetzes 13 über das Gleichspannungs-Teilnetz 2 versorgt werden.
2 zeigt ein lokales Stromnetz 23 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das lokale Stromnetz 23 weist den gleichen Grundaufbau wie das lokale Stromnetz 1 auf, wobei nun der bidirektionale Umrichter 4 und die Gleichrichter 9 und 10 für die Photovoltaikanlage 6 bzw. den stationären Energiespeicher 7 in einer Einheit 24 integriert sind, die als „Hybrid-Wechselrichter“ bezeichnet werden kann, insbesondere, falls sie auch noch eine integrierte Solarbatterie (o. Abb.) aufweist. Die Einheit 24 kann insbesondere eine Schnittstelle 25 zum Anschluss an den Gleichspannungs-Leistungsbus 5 und damit an die Wallbox 8 aufweisen. Die Einheit 24 weist ferner eine Schnittstelle 26 zum Anschluss des Wechselspannungs-Teilnetzes 3 auf, speziell zum Anschluss der Schützbox 12.
Alternativ kann die Schützbox 12 oder die Funktion der Schützbox 12 in die Einheit 24 integriert sein. In diesem Fall kann die Einheit 24 Schnittstellen (o. Abb.) zu der Wechselstrom-Verkabelung 13 und zu dem Netzanschlusspunkt 14 aufweisen.
3 zeigt ein lokales Stromnetz 27 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das lokale Stromnetz 27 weist den gleichen Grundaufbau auf wie die lokalen Stromnetze 1 oder 23, wobei nun der bidirektionale Umrichter 4, die Gleichrichter 9 bis 11 und die Wallbox 8 in einer Einheit 28 integriert sind, die als Kombination aus Hybrid-Wechselrichter und Wallbox angesehen werden kann, insbesondere, falls sie auch noch eine integrierte Solarbatterie (o. Abb.) aufweist. Dies kann in einer Weiterbildung auch so gesehen werden, dass der Hybrid-Wechselrichter 24 in die Wallbox 8 integriert ist.
4 zeigt ein lokales Stromnetz 30 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das lokale Stromnetz 30 weist den gleichen Grundaufbau auf wie die lokalen Stromnetze 1, 23 oder 27, wobei zwei Einheiten 31 und 32 vorhanden sind, die jeweilige Steuereinrichtungen 33 und 34 zur Ansteuerung der jeweils zugehörigen Komponenten aufweisen. Die Einheiten 31 und 32 sind über den Gleichspannungs-Leistungsbus 5 miteinander verbunden. Die Steuereinrichtungen 33 und 34, die z.B. als Controller ausgebildet sein können, können über den Gleichspannungs-Leistungsbus 5, über eine Funkverbindung wie WLAN, Bluetooth, usw. und/oder über ein drahtgebundenes Netzwerk wie LAN, usw. miteinander kommunizieren (o. Abb.).
Die Einheit 31 umfasst ähnlich zu Einheit 24 die Gleichspannungswandler 9 und 10 sowie den bidirektionalen Umrichter 4 sowie optional die Schützbox 12 bzw. deren Funktion(en). Die (Funktions-)Komponenten der Einheit 31 werden mittels der Steuereinrichtung 33 gesteuert.
Die Einheit 32 umfasst den Gleichspannungswandler 11 sowie die Wallbox 8 und kann auch als Wallbox mit integriertem Gleichspannungswandler 11 angesehen werden. Die (Funktions-)Komponenten der Einheit 31 werden mittels der Steuereinrichtung 34 gesteuert.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Lokales Stromnetz
2: Gleichspannungs-Teilnetz
3: Wechselspannungs-Teilnetz
4: Bidirektionaler Umrichter
5: Gleichspannungs-Leistungsbus
6: Photovoltaikanlage
7: Stationärer Stromspeicher
8: Wallbox
9: Gleichspannungswandler
10: Gleichspannungswandler
11: Gleichspannungswandler
12: Schützbox
13A: Schnittstelle zu einer Wechselstrom-Verkabelung
13B: Schnittstelle zu dem Netzanschlusspunkt
14: Netzanschlusspunkt
15: Energiemessgerät
16: Anschluss
17: Steuereinrichtung
18: Digitaler Kommunikationsbus
19: Anschluss
20: Anschluss
21: Kommunikationsmodul
22: Energiemessgerät
23: Lokales Stromnetz
24: Einheit
25: Schnittstelle
26: Schnittstelle
27: Lokales Stromnetz
28: Einheit
29A: Erster Zweig des Wechselspannungs-Teilnetzes
29B: Zweiter Zweig des Wechselspannungs-Teilnetzes
30: Lokales Stromnetz
31: Einheit
32: Einheit
33: Steuereinrichtung
34: Steuereinrichtung
BEV: Elektrofahrzeug
E: Einfamilienhaus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9937810 B2 [0002]

Claims

Lokales Stromnetz (1; 23; 27; 30), aufweisend eine Photovoltaikanlage (6), mindestens einen stationären Stromspeicher (7) und mindestens einen Ladepunkt (8) zum wahlweisen Laden und Entladen mindestens eines Elektrofahrzeugs (BEV), wobei - jede dieser Vorrichtungen (6, 7, 8) über einen Gleichspannungswandler (9, 10, 11) an ein Gleichspannungs-Teilnetz (2) angeschlossen ist und - das Gleichspannungs-Teilnetz (2) über einen bidirektionalen Umrichter (4) mit einem Wechselspannungs-Teilnetz (3) verbunden ist, das über einen Netzanschlusspunkt (14) mit einem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbindbar ist, und wobei - die Gleichspannungswandler (9, 10, 11) und der bidirektionale Umrichter (4) mittels mindestens einer Steuereinrichtung (17; 33, 34) steuerbar sind.
Lokales Stromnetz (1; 23; 27; 30) nach Anspruch 1, bei dem eine Wechselspannungsseite des bidirektionalen Umrichters (4) an eine Schützbox (12) angeschlossen ist, die andererseits mit einem ersten Zweig (29A) des Wechselspannungs-Teilnetzes (3), an dem nutzerseitig lokale Verbraucher anschließbar sind, und mit einem zweiten Zweig (29B) des Wechselspannungs-Teilnetzes (3), der zu dem Netzanschlusspunkt (14) führt, verbunden ist und durch die mindestens eine Steuereinrichtung (17) steuerbar ist, wobei die Schützbox (12) durch eine Steuereinrichtung (17) dergestalt steuerbar, dass in einem Stromausfall-Modus der Schützbox (12) die Schützbox (14) von dem Netzanschlusspunkt (14) getrennt ist und der bidirektionale Umrichter (4) mit dem ersten Zweig (29A) des Wechselspannungs-Teilnetzes (3) verbunden bleibt.
Lokales Stromnetz (1; 23; 27; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gleichspannungs-Teilnetz (2) einen Gleichspannungsbus (5) aufweist.
Lokales Stromnetz (1; 23; 27; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an den Eingängen und/oder den Ausgängen der Gleichspannungswandler (9 - 11) und des bidirektionale Umrichters (4) jeweils ein Energiemessgerät (22) vorhanden ist, das kommunikativ mit der mindestens einen Steuereinrichtung (17) koppelbar ist
Lokales Stromnetz (1; 23; 27; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Ladepunkt (8) eine Wallbox ist.
Lokales Stromnetz (23; 27; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Photovoltaikanlage (6) an einen Hybrid-Wechselrichter (24; 28) angeschlossen ist.
Lokales Stromnetz (23; 27; 30) nach Anspruch 6, bei dem ein externer stationärer Stromspeicher (7) an den Hybrid-Wechselrichter (24; 28) angeschlossen ist.
Lokales Stromnetz (27) nach Anspruch 5 mit einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem der Hybrid-Wechselrichter (28) in die Wallbox (8) integriert ist.
Lokales Stromnetz (23; 30) nach Anspruch 5 mit einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem der Hybrid-Wechselrichter (24) über eine Gleichspannungsverbindung (5) mit der Wallbox (8) verbunden ist.
Lokales Stromnetz (30) nach Anspruch 9, bei dem eine Einheit (31), welche die Wallbox (8) umfasst, und eine Einheit (32), welche den Hybrid-Wechselrichter (24) umfasst, jeweilige Steuereinrichtungen (33, 34) aufweisen, die insbesondere miteinander kommunizieren können.
Gebäude (E), aufweisend mindestens ein lokales Stromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines lokalen Stromnetzes (1; 23; 27; 30) nach Anspruch 2, bei dem dann, wenn durch die mindestens eine Steuereinrichtung (17; 33, 34) ein Stromausfall in dem öffentlichen Stromversorgungsnetz erkannt wird, mittels der Schützbox (12) die elektrische Verbindung zu dem Netzanschlusspunkt (14) getrennt wird, insbesondere allpolig.