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Die Erfindung betrifft eine Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen, wobei die Ladestation ein elektrochemisches Energiespeichersystem mit mindestens einer Energiespeichereinheit zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, eine Steuereinheit, mindestens eine Schnittstelle zum elektrischen Koppeln mit mindestens einer Energiequelle, wobei das Energiespeichersystem mit der Schnittstelle gekoppelt oder koppelbar ist, um zumindest die mindestens eine Energiespeichereinheit mit einem Strom von der Energiequelle aufzuladen, mindestens einen mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Ladeanschluss zum elektrischen Anschließen an ein Elektrofahrzeug, um dem Elektrofahrzeug elektrische Energie, die im Energiespeichersystem gespeichert ist, aus dem Energiespeichersystem zuzuführen, und eine Wasserstofferzeugungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation.
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Ladestationen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dort können die Energiespeicher von Elektrofahrzeugen, insbesondere Hochvolt-Batterien, geladen werden. Eine Ladestation kann dabei im Allgemeinen auch mehrere Ladeplätze bereitstellen, so dass auch mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig geladen werden können.
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Weiterhin beschreibt die
US 2018/0257499 A1 ein duales Ladesystem, welches neben dem elektrischen Laden von Elektrofahrzeugen auch die Bereitstellung von Wasserstoff durch einen Kraftstoffgenerator ermöglicht. Dabei ist ein Schalter vorgesehen, der eine Stromquelle selektiv mit einem Ladeanschluss, einer wiederaufladbaren Batterie und dem Kraftstoffgenerator verbindet. Während der Öffnungszeit der Ladestation kann der Schalter die Energiequelle mit dem Ladeanschluss koppeln und nachts oder wenn die Ladestation geschlossen ist, kann der Schalter die Energiequelle mit dem Kraftstoffgenerator zur Erzeugung von Wasserstoff koppeln. Außerdem kann ein Elektrofahrzeug nicht nur direkt durch die Kopplung mit der Stromquelle über den Ladeanschluss geladen werden, sondern auch mit der in der wiederaufladbaren Batterie gespeicherten Energie. Diese wiederaufladbare Batterie kann wiederum mit der Energiequelle über den Schalter gekoppelt werden, wenn der Ladeanschluss und/oder der Kraftstoffgenerator aktuell nicht in Betrieb sind.
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Da die Energiequelle immer nur selektiv mit jeweils nur einem der mit Energie zu versorgenden Einheiten, wie dem Ladeanschluss, der wiederaufladbaren Batterie und dem Kraftstoffgenerator gekoppelt werden kann, muss also unweigerlich immer ein bestimmter Kompromiss eingegangen werden. Eine Aktivierung des Kraftstoffgenerators erfolgt beispielsweise nur dann, wenn gerade kein Kraftfahrzeug an der Ladestation lädt und zudem die wiederaufladbare Batterie vollgeladen ist. Der Kraftstoffgenerator wird dabei durch die direkte Kopplung mit der Stromquelle betrieben. Die in der wiederaufladbaren Batterie gespeicherte Energie bleibt währenddessen ungenutzt. Dies macht den Betrieb der Ladestation nicht sonderlich effizient, da gerade wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität sehr teuer sind und Totzeiten, in denen diese bei hohem oder vollem Ladezustand nicht verwendet werden, entsprechend die Kosteneffizienz deren Betrieb deutlich mindert. Handelt es sich bei der Stromquelle zum Beispiel um ein öffentliches Stromnetz, so sind zudem den maximal bereitstellbaren Leistungen, sowohl für den Kraftstoffgenerator als auch für den Ladeanschluss, deutliche Limitierungen gesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ladestation und ein Verfahren bereitzustellen, die einen möglichst effizienten Betrieb einer solchen Ladestation mit integrierter Wasserstofferzeugungseinheit ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ladestation und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen weist ein elektrochemisches Energiespeichersystem mit mindestens einer Energiespeichereinheit zum Speichern von elektrischer Energie auf, eine Steuereinheit, mindestens eine Schnittstelle zum elektrischen Koppeln mit mindestens einer Energiequelle, wobei das Energiespeichersystem mit der Schnittstelle gekoppelt oder koppelbar ist, um zumindest die mindestens eine Energiespeichereinheit mit einem Strom von der Energiequelle aufzuladen, mindestens einen mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Ladeanschluss zum elektrischen Anschließen an ein Elektrofahrzeug, um dem Elektrofahrzeug elektrische Energie, die im Energiespeichersystem gespeichert ist, aus dem Energiespeichersystem zuzuführen, und eine Wasserstofferzeugungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff. Dabei ist die Ladestation derart eingerichtet, dass der Wasserstofferzeugungseinheit zur Wasserstofferzeugung elektrische Energie aus dem Energiespeichersystem zu durch die Steuereinheit vorbestimmten Zeiten einer geringen Ladeauslastung der Ladestation bereitgestellt wird.
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Die Wasserstofferzeugungseinheit wird also einerseits nicht direkt von der Energiequelle über die Schnittstelle gespeist, sondern lediglich indirekt über die Energie aus dem Energiespeichersystem. Somit kann vorteilhafterweise die im Energiespeichersystem gespeicherte Energie selbst bei geringer Ladeauslastung der Ladestation genutzt werden. Dies macht den Betrieb der Ladestation deutlich effizienter, denn gerade die teuren Komponenten der Ladestation, nämlich die elektrochemischen Energiespeicher, bleiben so nicht einfach ungenutzt, wenn gerade wenige oder keine Elektrofahrzeuge an der Ladestation geladen werden, sondern die gespeicherte Energie kann vorteilhafterweise zur Wasserstofferzeugung genutzt werden. Die Zwischenspeicherung der aus der Energiequelle bezogenen Energie im Energiespeichersystem, insbesondere unabhängig davon, zu welchem Zweck diese Energie letztendlich verwendet wird, sei es zum Laden des Elektrofahrzeugs oder zum Erzeugen von Wasserstoff, hat zudem den großen Vorteil, dass sich für diese jeweiligen Anwendungen auf einfache Weise deutlich größere Leistungen bereitstellen lassen, zum Beispiel Ladeleistungen, die dann nicht durch die Vorgaben, zum Beispiel eines öffentlichen Stromnetzes als Energiequelle, limitiert sind. Die Nutzung des Energiespeichersystems als Pufferspeicher ermöglicht damit vorteilhafterweise deutlich flexiblere Anwendungen und zum Beispiel auch die Bereitstellung von Schnellladefunktionen. Weiterhin muss nicht notwendigerweise selektiv ausgewählt werden, ob das Energiespeichersystem geladen wird, ein Elektrofahrzeug an der Ladestation geladen wird oder Wasserstoff erzeugt wird. Grundsätzlich können diese Vorgänge alle auch gleichzeitig ablaufen. Insbesondere kann zum Beispiel das Energiespeichersystem über die Energiequelle geladen werden, während gleichzeitig ein Elektrofahrzeug Energie aus dem Energiespeichersystem bezieht. Weiterhin kann auch eine Wasserstofferzeugung in der Wasserstofferzeugungseinheit stattfinden, während ein Elektrofahrzeug an der Ladestation geladen wird. Somit müssen keine Kompromisse bei der Energieverteilung eingegangen werden. Bei entsprechend großer Auslegung des Energiespeichersystems kann auf einfache Weise ausreichend Energie für all diese Vorgänge und Anwendungsfälle bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dass die Wasserstofferzeugung in der Wasserstofferzeugungseinheit nicht permanent stattfindet, sondern nur zu ausgewählten und durch die Steuereinheit vorbestimmten Zeiten, die zu Zeiten einer geringen Auslastung der Ladestation korrespondieren. Zeiten einer geringen Ladeauslastung der Ladestation stellen dabei insbesondere Zeitintervalle dar, in denen die Ladestation nicht maximal ausgelastet ist. Eine maximale Auslastung liegt beispielsweise vor, wenn alle die von der Ladestation zur Verfügung gestellten Ladeanschlüsse belegt sind und/oder eine Leistung, die von der Ladestation durch eines oder mehrere ladende Elektrofahrzeuge abgerufen wird, eine vorbestimmte Mindestleistung überschreitet. Gerade in Zeiten geringer Auslastung, in denen andernfalls die im Energiespeichersystem gespeicherte Energie ungenutzt oder kaum genutzt bleiben würde, kann nun diese Energie somit ebenfalls genutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Umgekehrt kann auf diese Weise gewährleistet werden, dass in Zeiten hoher Auslastung ausreichend Energie im Energiespeichersystem gespeichert ist, um die Elektrofahrzeuge zu versorgen. Damit ist insgesamt ein deutlich flexiblerer und effizienterer Betrieb einer solchen Ladestation möglich.
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Der Wasserstoff kann in der Wasserstofferzeugungseinheit beispielsweise aus Wasser hergestellt werden, insbesondere mittels Elektrolyse unter Energiezufuhr aus dem Energiespeichersystem. Bei der Elektrolyse wird dem Wasser Energie zugeführt, welches dadurch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Der so erzeugte Wasserstoff kann zum Tanken optional ebenfalls an der Ladestation bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es, dass auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge beispielsweise ihre Wasserstofftanks an der Ladestation mit dem dort bereitgestellten Wasserstoff auffüllen können. Denkbar ist es auch, dass der erzeugte Wasserstoff lediglich in einen entsprechenden Wasserstoffbehälter abgefüllt wird. Dieser kann auch beliebig anderweitig genutzt werden, zum Beispiel wenn dieser voll ist, abtransportiert werden, verkauft werden, oder ähnliches.
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Wie später näher erläutert, kann das elektrochemische Energiespeichersystem der Ladestation auch mehrere Energiespeichereinheiten aufweisen. Diese können wiederum eine oder mehrere Batteriezellen, insbesondere Hochvolt-Batterien umfassen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Hochvolt-Batterien, wie diese auch in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen bzw. solche, die bereits in Elektrofahrzeugen verbaut waren. Hierdurch kann vorteilhafterweise den ausrangierten Hochvolt-Batterien von Fahrzeugen ein zweites Leben als Energiespeichereinheit einer solchen Ladestation gegeben werden. Die Energiespeichereinheiten können sozusagen als Second-Life-Batterien bereitgestellt sein. Dies macht die Energiespeichereinheiten noch effizienter und ermöglicht eine besonders ressourcenschonende Wiederverwendung.
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Die Steuereinheit kann weiterhin im einfachsten Fall die Zeiten einer geringen Ladeauslastung der Ladestation fest vorgeben, zum Beispiel gemäß einem festgelegten und nicht automatisch änderbaren Schema, z.B. Montagabends von 22 Uhr bis Dienstagfrüh bis 4 Uhr. Solche Zeiten einer geringen Ladeauslastung können dabei auf Erfahrungswerten beruhen. Vor der Inbetriebnahme der Wasserstofferzeugungseinheit können beispielsweise die Ladezeiten von Elektrofahrzeugen an der Ladestation dokumentiert werden und auf Basis dieser Dokumentation dann bestimmt werden, wann Peakzeiten sind, das heißt Zeiten mit der höchsten oder sehr hoher Ladeauslastung, und zu welchen Zeiten, insbesondere Uhrzeiten und/oder Wochentagen, die Ladeauslastung der Ladestation gering ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch vorgesehen, dass die Steuereinheit die Zeiten der geringen Ladeauslastung aus dokumentierten Belegungszeiten der Ladestation, zu denen die Ladestation mit zumindest einem an der Ladestation ladenden Elektrofahrzeug belegt war, ermittelt, und insbesondere vorhersagt. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit die Zeiten der geringen Ladeauslastung auch selbsttätig auf Basis der dokumentierten Belegungszeiten ermitteln. Aus diese Dokumentation, d.h. Datenspeicherung, kann ebenfalls ermittelt werden, wann Peakzeiten sind, das heißt Zeiten mit der höchsten oder sehr hoher Ladeauslastung, und zu welchen Zeiten, insbesondere Uhrzeiten und/oder Wochentagen, die Ladeauslastung der Ladestation gering ist. Kommt es im Laufe der Zeit zu Änderungen oder Verschiebungen der Peakzeiten, so kann dies ebenfalls durch die Steuereinheit berücksichtigt werden und diese kann entsprechend die Zeiten der geringen Ladeauslastung Abhängig von den dokumentierten Ladezeiten automatisch anpassen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit auch eine künstliche Intelligenz aufweisen und mit einem lernenden Verfahren implementiert sein, um die Zeiten der geringen Ladeauslastung zu bestimmen beziehungsweise zu lernen und vorherzusagen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders intelligente Steuerung der Wasserstofferzeugung in Anpassung an den Auslastungsgrad der Ladestation durch Laden der Elektrofahrzeuge.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ladestation mehrere mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Ladeanschlüsse zum elektrischen Anschließen an ein jeweiliges Elektrofahrzeug auf. Jeder Ladeanschluss kann zum Beispiel einem Ladeplatz an der Ladestation zugeordnet sein. Mit anderen Worten stellt die Ladestation mehrere Ladeplätze für jeweilige Elektrofahrzeuge bereit. So kann die Ladestation von mehreren Elektrofahrzeugen gleichzeitig genutzt werden. Weiterhin ist die Steuereinheit bevorzugt derart eingerichtet, dass sie Energie an der Wasserstofferzeugungseinheit zur Wasserstofferzeugung nur bereitstellt, wenn nicht alle der Ladeanschlüsse belegt sind, und insbesondere voraussichtlich in nächster Zeit nicht belegt sein werden, und insbesondere nur wenn ein vorbestimmter Belegungsgrad nicht überschritten ist und/oder nur wenn ein bestimmter Mindestladezustand des Energiespeichersystems nicht unterschritten ist. Insbesondere gibt es also mehrere Bedingungen, an die die Aktivierung der Wasserstofferzeugung geknüpft sein kann. Dadurch kann vorteilhafterweise jederzeit sichergestellt werden, dass durch die Wasserstofferzeugung nicht zu wenig Energie für das Laden von Elektrofahrzeugen vorhanden ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist keiner der von der Ladestation umfassten Ladeanschlüsse direkt über die Schnittstelle durch die Energiequelle mit Energie versorgbar. Mit anderen Worten werden die Ladeanschlüsse zum Laden der Elektrofahrzeuge immer aus dem Energiespeichersystem mit Energie versorgt, wobei das Energiespeichersystem wiederum seine Energie über die Schnittstelle aus der Energiequelle bezieht. Das Energiespeichersystem stellt somit einen Pufferspeicher dar. Dies hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch auf einfache Weise an den Ladeanschlüssen auch Schnellladefunktionen bereitstellen lassen, ohne zum Beispiel ein öffentliches Stromnetzt als Beispiel für eine solche Energiequelle übermäßig zu belasten. Dabei ist bevorzugt die Ladestation weiterhin so ausgebildet, dass das Energiespeichersystem, so lange dieses nicht vollständig geladen ist, permanent und kontinuierlich über die mit der Energiequelle gekoppelte Schnittstelle geladen wird. Das Energiespeichersystem kann also besonders schonend und langsam über die Energiequelle geladen werden, insbesondere mit einem permanenten und kontinuierlichen Ladestrom. Dies gilt, so lange das Energiespeichersystem noch nicht vollgeladen ist. Möchte ein Elektrofahrzeug an der Ladestation nun seinen Energiespeicher aufladen, so kann er auf einfache Weise Energie aus dem Energiespeichersystem über den Ladeanschluss beziehen. Dabei können deutlich größere Ladeleistungen bereitgestellt werden, als dies über eine direkte Kopplung mit der Energiequelle möglich wäre. Dadurch können die Ladezeiten deutlich reduziert werden. Entsprechend ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die Schnittstelle als Niederspannungsanschluss ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Schnittstelle.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Energiequelle durch ein öffentliches Stromnetz bereitgestellt und/oder die Ladestation weist eine Photovoltaikanlage auf, die die mindestens eine Energiequelle darstellt. Bevorzugt ist beides der Fall. Mit anderen Worten kann einerseits Energie aus einem öffentlichen Stromnetz über die Schnittstelle bezogen werden, und andererseits kann zusätzlich auch Energie von einer Photovoltaikanlage bereitgestellt werden. Die Kopplung der Ladestation mit dem öffentlichen Stromnetz hat den großen Vorteil, dass somit jederzeit und wetterunabhängig eine Energieversorgung der Ladestation sichergestellt ist. Der über das öffentliche Stromnetz bereitgestellte Strom kann zum Beispiel ebenfalls als Grünstrom und damit als regenerative Energie bereitgestellt werden. Die durch die Photovoltaikanlage bereitgestellte zusätzliche Energie kann auch ergänzend verwendet werden, um das Energiespeichersystem zu laden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ladestation dazu ausgelegt, am mindestens einen Ladeanschluss eine Schnellladefunktion, insbesondere mit einer maximalen Ladeleistung von über 200 Kilowatt, insbesondere bis zu 300 Kilowatt, bereitzustellen. Dadurch können Energiespeicher von Elektrofahrzeugen besonders schnell geladen werden. Da diese nicht direkt über die Schnittstelle an der Energiequelle, zum Beispiel dem öffentlichen Stromnetz geladen werden, sondern ihre Energie aus der Energiespeichereinheit beziehungsweise dem Energiespeichersystem beziehen, lassen sich sehr hohe Ladeleistungen bis maximal 300 Kilowatt bereitstellen. Die maximal aus dem öffentlichen Stromnetz beziehbare Leistung kann zum Beispiel bei 200 Kilowatt, insbesondere bei 150 Kilowatt liegen. Die maximal durch die Photovoltaikanlage bereitstellbare Leistung kann zum Beispiel bei 30 Kilowatt liegen. Das Energiespeichersystem kann also kontinuierlich geladen werden, insbesondere sowohl mit Strom aus der PV-Anlage und niedrigem Stromfluss aus dem öffentlichen Stromnetz. Das Laden des Energiespeichersystems erfolgt damit ökonomisch und ökologisch optimiert. Umgekehrt kann durch die Schnellladefunktion eine schnelle Energieentnahme mit hohem Stromfluss beim Laden der Elektrofahrzeuge bereitgestellt werden, wie dies durch die Funktion des Energiespeichersystems als Pufferspeicher erst ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Energiespeichersystem mehrere Energiespeichereinheiten auf, zwischen welchen Energie bidirektional übertragbar ist. Die Gliederung des Energiespeichersystems in mehrere Energiespeichereinheiten hat den Vorteil, dass sich hierdurch auf besonders einfache Weise ein sehr flexibles und modulares Konzept zur Bereitstellung der Ladestation umsetzen lässt, wie dies später näher erläutert wird. Dadurch, dass Energie bidirektional zwischen diesen Energiespeichereinheiten übertragbar ist, können sich die Ladezustände der jeweiligen Energiespeichereinheiten zueinander ausgleichen. Dies vereinfacht das Energiemanagement. Bidirektional bedeutet hierbei, dass von einer Energiespeichereinheit in eine andere Energiespeichereinheit Energie transferiert werden kann und von der anderen Energiespeichereinheit auch wiederum Energie zurück in die eine Energiespeichereinheit transferiert werden kann, je nach Bedarf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt mindestens eine erste der Energiespeichereinheiten den mindestens einen Ladeanschluss bereit und mindestens eine zweite der Energiespeichereinheiten stellt keinen Ladeanschluss bereit, und ist dazu ausgelegt, die Wasserstofferzeugungseinheit zur Wasserstofferzeugung mit Energie zu versorgen. Dabei können auch mehrere erste Energiespeichereinheiten vorgesehen sein, die jeweils mindestens einen Ladeanschluss, insbesondere jeweils zwei Ladeanschlüsse bereitstellen. Pro erster Energiespeichereinheit ist also mindestens ein Ladeplatz und vorzugsweise zwei Ladeplätze zum Laden von Elektrofahrzeugen bereitgestellt. Die zweite Energiespeichereinheit stellt einen zusätzlichen Energiespeicher dar, der jedoch nicht über eine eigene Anschlussmöglichkeit zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs verfügt. Dieser zusätzliche Energiespeicher ist jedoch ebenfalls mit den übrigen Energiespeichereinheiten gekoppelt, insbesondere elektrisch, um wiederum einen bidirektionalen Energieaustausch zu ermöglichen. Die jeweiligen Energiespeichereinheiten müssen dabei nicht notwendigerweise immer auf dem gleichen Ladezustand gehalten werden. Lädt zum Beispiel gerade ein Fahrzeug an der ersten Energiespeichereinheit, so wird infolgedessen der Ladezustand sinken. Reicht die langsame Nachfüllung des Ladezustands über das öffentliche Stromnetz beispielsweise nicht aus, um gleich daraufhin das Laden eines weiteren Elektrofahrzeugs über die erste Energiespeichereinheit, insbesondere gemäß einer Schnellladefunktion, zu ermöglichen, so kann zusätzlich auch die erste Energiespeichereinheit über die in der zweiten Energiespeichereinheit gespeicherte Energie aufgeladen werden. Umgekehrt kann auch Energie von der ersten Energiespeichereinheit in die zweite Energiespeichereinheit transferiert und zur Wasserstofferzeugung genutzt werden, zum Beispiel wenn der Auslastungszustand der Ladestation aktuell sehr niedrig ist. Dies erlaubt besonders gute Situationsanpassungen und ein besonders hohes Maß an Flexibilität. Die erste Energiespeichereinheit kann zum Beispiel über eine Kapazität von zum Beispiel 525 Kilowattstunden verfügen und die zweite Energiespeichereinheit über eine Kapazität von 870 Kilowattstunden. Im Allgemeinen weisen die Energiespeichereinheiten jeweils bevorzugt eine Kapazität von mehreren hundert Kilowattstunden auf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ladestation aus flexibel zueinander anordenbaren und miteinander koppelbaren, modularen Würfeln aufgebaut, wobei die mindestens eine Energiespeichereinheit als modularer Energiespeicherwürfel ausgebildet ist, die Steuereinheit als modularer Steuerwürfel ausgebildet ist, und die Wasserstofferzeugungseinheit als Wasserstofferzeugungswürfel ausgebildet ist. Die Ausbildung als solche Würfel ermöglicht den Aufbau der Ladestation nach dem Baukastenprinzip. Die Energiespeicherwürfel können sich wiederum in erste und zweite Energiespeicherwürfel gliedern. Die ersten Energiespeicherwürfel können zum Beispiel Ladeplätze durch entsprechende Ladeanschlüsse bereitstellen. Die Anzahl dieser ersten Energiespeicherwürfel kann also einfach gemäß der Anzahl bereitzustellender Ladeplätze dimensioniert werden. Steuerwürfel ist idealerweise nur einer erforderlich. Dieser übernimmt die Steueraufgaben, insbesondere die oben bereits beschriebene Aktivierung der Wasserstofferzeugung, aber auch andere Steueraufgaben, zum Beispiel das Energiemanagement und Lademanagement des Energiespeichersystems, und andere Steuerfunktionen. Im Wasserstofferzeugungswürfel findet entsprechend die Wasserstofferzeugung statt. Die einzelnen Würfel können in beliebiger Weise zueinander positioniert werden, und miteinander verschaltet und gekoppelt werden. Dadurch lässt sich die Ladestation besonders flexibel an unterschiedliche örtliche Gegebenheiten bereitstellen. Auch kann eine solche Ladestation sehr schnell aufgebaut werden. Dadurch kann grundsätzlich in jeder beliebigen Gegend schnell eine Lademöglichkeit für Elektrofahrzeuge mit ergänzender Wasserstofferzeugung bereitgestellt werden. Die Ladestation kann zum Beispiel noch über ein Dach und/oder eine aufgesetzte Lounge verfügen. Diese kann zum Beispiel auf die Würfel der Ladestation aufgesetzt sein. Dort können Sitzgelegenheiten, Toiletten, Verpflegung, oder ähnliches, für die Fahrer der ladenden Fahrzeuge bereitgestellt werden. Die Stromversorgung für die Gebäudetechnik, insbesondere für diese Lounge, kann ebenfalls durch das öffentliche Stromnetz und ohne das Energiespeichersystem, gesteuert durch den Steuerwürfel, bereitgestellt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen, wobei die Ladestation ein elektrochemisches Energiespeichersystem mit mindestens einer Energiespeichereinheit zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, eine Steuereinheit, mindestens eine Schnittstelle, die mit mindestens einer Energiequelle gekoppelt ist, wobei das Energiespeichersystem mit der Schnittstelle gekoppelt oder koppelbar ist, um zumindest die mindestens eine Energiespeichereinheit mit einem Strom von der Energiequelle aufzuladen, mindestens einem mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Ladeanschluss zum elektrischen Anschließen an ein Elektrofahrzeug, um dem Elektrofahrzeug elektrische Energie, die im Energiespeichersystem gespeichert ist, aus dem Energiespeichersystem zuzuführen, und einer Wasserstofferzeugungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff. Dabei wird der Wasserstofferzeugungseinheit zur Erzeugung von Wasserstoff elektrische Energie aus dem Energiespeichersystem zu durch die Steuereinheit vorbestimmten Zeiten einer geringen Ladeauslastung der Ladestation bereitgestellt.
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Die für die erfindungsgemäße Ladestation und ihre Ausgestaltungen genannte Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Steuereinheit, insbesondere der Steuerwürfel, kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ladestation beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einzelner Würfel, aus denen eine Ladestation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut werden kann;
- 2 eine schematische Darstellung verschiedener Varianten einer aus Würfeln aufgebauten Ladestation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Ladestation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Würfel 12, 14, 16, 18 zum Aufbau einer Ladestation 10 (vgl. 3), gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt sind hierbei ein Power Cube 12 als Beispiel für eine erste Energiespeichereinheit, ein Distance Cube 14, der keinen Energiespeicher bzw. keine Batterie aufweist, ein Storage Cube 16 als Beispiel für eine zweite Energiespeichereinheit, und ein Controll Cube 18 als Beispiel für eine Steuereinheit. Der Power Cube 12 umfasst dabei einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher in Form von Hochvolt-Batterien. Außerdem stellt der Power Cube 12 mindestens einen oder mehrere und im vorliegenden Beispiel zwei Ladeanschlüsse bereit, wie dies später näher erläutert wird. Pro Power Cube 12 sind also zwei Ladeplätze zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Der Distance Cube 14 kann zwischen Power Cubes 12 angeordnet werden, zum Beispiel um die Abstände zwischen diesen Würfeln zu vergrößern. Grundsätzlich können in solche Distance Cubes 14, die keinen Energiespeicher aufweisen, flexible Funktionen integriert werden, je nach Anforderung und Bedarf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist in einen solchen Distance Cube 14, wie später näher erläutert, eine Wasserstofferzeugungseinheit 20 integriert. Es können aber auch mehrere solcher Distance Cubes 14 pro Ladestation 10 vorgesehen sein, und diese können mit unterschiedlichen Aufgaben oder Funktionen versehen sein. Diese können zum Beispiel auch mit einem Logistikmodul versehen sein und/oder zur Schmutzwasseraufnahme ausgebildet sein oder als CO2-Speicher oder ähnliches. Der Storage Cube 16 stellt einen weiteren Würfel dar, der mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher in Form einer Hochvolt-Batterie aufweist. Dieser stellt jedoch keinen separaten Ladeplatz und auch keine eigene Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs zum Laden bereit. Der Storage Cube 16 kann zum Beispiel verwendet werden, um die Gesamt-Speicherkapazität des Speichersystems 38 (vgl. 3) zu vergrößern. Der Control Cube 18 übernimmt diverse Steueraufgaben, wie diese noch später näher erläutert werden. Pro Ladestation 10 ist dabei ein solcher Control Cube 18 ausreichend.
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2 zeigt schematisch verschiedene Varianten von Ladestationen 10, insbesondere eine links, eine in der Mitte und eine rechts, wie diese aus den zu 1 beschriebenen Würfeln 12, 14, 16, 18 aufgebaut sein können, gemäß von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die links dargestellte ist eine Ladestation 10, welche lediglich drei Würfel 12, 18, 14 aufweist, auf die ein Dach 22 aufgesetzt ist. In der Mitte dargestellt ist eine Ladestation 10 mit deutlich mehr als drei Würfeln, insbesondere mit neun Würfeln in einer U-förmigen Anordnung zueinander, auf die eine Lounge 24 aufgesetzt ist und die rechte Darstellung zeigt eine Ladestation 10, die ähnlich wie die in der Mitte dargestellte Ladestation 10 ausgebildet ist und zusätzlich noch eine weitere nebenstehende Einheit aus acht Würfeln umfasst. Durch die würfelartige Struktur der einzelnen Einheiten 12, 14, 16, 18 ist ein mobiler modularer Ladebaukasten zur Bereitstellung von Ladestationen 10 bereitgestellt.
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Die Funktionsweise und der Aufbau einer solchen Ladestation 10 wird nun konkret anhand von 3 erläutert. 3 zeigt also eine schematische Darstellung einer Ladestation 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese weist einen Controll Cube 18 auf, welcher Steuerfunktionen übernimmt, und welcher im Folgendem u. a. auch als Steuereinheit 18 bezeichnet wird. Die Steuereinheit 18 ist dabei über eine Schnittstelle 26 mit einem öffentlichen Stromnetz 28 verbunden. Die Schnittstelle 26 ist dabei als Niederspannungsanschluss ausgebildet. Weiterhin umfasst die Ladestation 10 in diesem Beispiel auch eine optionale Photovoltaikanlage 30, die ebenfalls über eine geeignete Schnittstelle 32 mit der Steuereinheit 18 verbunden ist. Aus dem öffentlichen Stromnetz 28 können dabei maximal 200 Kilowatt Leistung bezogen werden und aus der Photovoltaikanlage in diesem Beispiel maximal 30 Kilowatt. Weiterhin umfasst die Ladestation 10 in diesem Beispiel drei Power Cubes 12. Jeder dieser Power Cubes 12 stellt zwei Ladeplätze 34 bereit. Zu diesem Zweck ist jeder dieser Power Cubes 12 mit zwei Anschlusseinrichtungen 36 versehen, über welche ein Elektrofahrzeug mit dem entsprechenden Power Cube 12 gekoppelt beziehungsweise zum Laden elektrisch verbunden werden kann. Weiterhin weist die Ladestation 10 in diesem Beispiel noch einen Storage Cube 16 und einen Distance Cube 14 auf, der als Wasserstofferzeugungswürfel 20 ausgebildet ist. Die Steuereinheit 18 lädt dabei die Power Cubes 12 sowie den Storage Cube 16, sofern diese noch nicht vollständig geladen sind, quasi kontinuierlich aus dem Netz 28 und optional ergänzend über den Strom aus der Photovoltaikanlage 30. Weiterhin steuert die Steuereinheit 18 auch die Energieversorgung der Lounge 24 und der gesamten Gebäudetechnik, zum Beispiel die Klimatisierung, Lüftung, Getränkeautomaten, Snackautomaten, Medientechnik, Beschattung, Schließtechnik, Sanitäranlagen, Sensorik und/oder Aktorik. Die Energie hierfür kann ebenfalls aus dem öffentlichen Netz 28 bzw. aus den Speicherwürfeln 12, 16 bereitgestellt werden.
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Die Speicherwürfel 12, 16 stellen in ihrer Gesamtheit ein elektrochemisches Energiespeichersystem 38 bereit. Die Energieversorgung für die zum Laden angeschlossenen Elektrofahrzeuge sowie für die Wasserstofferzeugung im Wasserstofferzeugungswürfel 20 wird dabei nicht direkt aus dem Netz 28 oder durch die Photovoltaikanlage 30 gespeist, sondern lediglich indirekt über das Energiespeichersystem 38. Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel an den jeweiligen Ladepunkten 34 eine maximale Ladeleistung von 300 Kilowatt bereitgestellt werden kann, um eine Schnellladefunktion zu realisieren, ohne dabei das öffentliche Stromnetz 28 zu stark zu belasten. Jeder der Power Cubes 12 kann weiterhin eine Kapazität von in diesem Beispiel 525 Kilowattstunden aufweisen und der Storage Cube 16 zum Beispiel eine Kapazität von 870 Kilowattstunden. Die Steuereinheit 18 übernimmt dabei das Energiemanagement und die Energieverteilung der über die Schnittstellen 26, 32 bezogenen Energie auf die einzelnen Cubes 12, 16. Zur Stromversorgung der Gebäudetechnik werden maximal 50 Kilowatt zur Verfügung gestellt.
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Im Wasserstofferzeugungswürfel 20 wird mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Exemplarisch sind dargestellt eine Kathode K, eine Anode A, ein Wasserreservoire 40 oder eine Wasserquelle 40, durch welche der Elektrolysekammer 42 Wasser zugeführt wird bzw. zuführbar ist, ein Wasserstoffreservoire 44 und ein Sauerstoffreservoire 46, in welchen der entstehende Wasserstoff und entstehende Sauerstoff separat gespeichert werden können. Durch den Distance Cube 14 oder einen der anderen Würfel, zum Beispiel einen der Power Cubes 12, kann zusätzlich auch eine Entnahmetankstelle zur Entnahme des erzeugten Wasserstoffs bereitgestellt sein. Zur Elektrolyse wird zwischen Kathode K und Anode A, eine Spannung angelegt. Die hierfür erforderliche Energie E wird in diesem Beispiel aus dem Speicher Cube 16 bezogen. Die einzelnen Cubes 12, 16 sind dabei auch untereinander elektrisch miteinander verschaltet, so dass ein Energie- und Ladungstransfer von einem Würfel 12, 16 auf einen anderen der Würfel 12, 16 möglich ist, insbesondere bidirektional, das heißt in beide Richtungen. Beispielsweise kann Ladung vom Storage Cube 16 auf einen Power Cube 12 übertragen werden und umgekehrt, sowie auch unter den jeweiligen Power Cubes 12 transferiert werden.
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Eine solche Ladestation 10 zum Laden von Elektrofahrzeugen ist typischerweise zeitlich nicht homogen ausgelastet. Mit anderen Worten gibt es Peak-Zeiten, in denen solche Ladestationen 10 sehr häufig genutzt werden und andere Zeiten, in denen kaum eine Nutzung stattfindet. Dies ist in den Graphiken oben in 3 veranschaulicht. Insbesondere zeigt hierbei die linke Graphik die Ladeauslastung L im Laufe eines Tages, wobei die einzelnen Stunden h des Tages an der Abszisse aufgetragen sind. Die Ladeauslastung L kann zum Beispiel durch die innerhalb einer solchen Stunde h durch Fahrzeuge insgesamt bezogene Energiemenge in Kilowattstunden ausgedrückt sein. Wie in diesem Beispiel zu sehen ist, gibt es Peak-Ladezeiten P1, P2, zum Beispiel zwischen 11 und 15 Uhr sowie abends zwischen 16 und 20 Uhr sowie Zeiten Z1, Z2 mit geringer Ladeauslastung der Ladestation, zum Beispiel zwischen 0 und 3 Uhr sowie zwischen 22 und 24 Uhr. Die rechte Graphik veranschaulicht die Ladeauslastung L der Ladestation 10 im Laufe einer Woche, wobei in diesem Beispiel entsprechend die Wochentage Montag Mo, Dienstag Di, Mittwoch Mi, Donnerstag Do, Freitag Fr, Samstag Sa und Sonntag So an der Abszisse aufgetragen sind. Die Ladeauslastung L kann auch hier wieder als die pro Wochentag insgesamt an Fahrzeuge abgegebene Energiemenge in Kilowattstunden definiert sein. Auch hier gibt es wieder Peak-Ladezeiten P3, P4 am Freitag und Samstag, und Zeiten Z3, Z4 mit geringerer Ladeauslastung. Diese sind in diesem Beispiel am Montag Mo und am Dienstag Di. Diese Erkenntnis wird nun vorteilhafterweise genutzt, um eine intelligente Steuerung der Wasserstofferzeugung umzusetzen. Denn die Wasserstofferzeugung im Würfel 20 kann in Abstimmung an diese Zeiten Z1, Z2, Z3, Z4 der geringen Ladeauslastung der Ladestation 10 aktiviert und deaktiviert werden. Dadurch lässt es sich bewerkstelligen, dass die gespeicherte Energiemenge in Zeiten Z1, Z2, Z3, Z4, in denen diese grundsätzlich vollkommen oder nahezu ungenutzt wäre, sich nunmehr vorteilhafterweise zur Wasserstofferzeugung nutzen lässt.
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Somit kann vorteilhafterweise der Elektrolyseprozess zur Wasserstofferzeugung und Speicherung in allen oder manchen ausgewählten nicht Peak-demand-Zeiten Z1, Z2, Z3, Z4 aktiviert werden und in Peak-demand-Zeiten P1, P2, P3, P4 wieder deaktiviert werden. Damit bleibt die Energie in den Speichereinheiten des Speichersystems 38 auch in nicht Peak-Zeiten der Ladestation nicht ungenutzt. Die einzelnen Speichereinheiten 12, 16 können somit deutlich effizienter betrieben werden. Das modulare Konzept ermöglicht eine einfache Integration der Wasserstofferzeugung und Speicherung sowie die Nutzung von sonst ungenutzten Tot-Zeiten der Energiespeichereinheiten 12, 16, das heißt in denen keine Peak-Entnahmen durch Fahrzeuge von elektrischer Energie aus den Batteriespeichern 12, 16 stattfinden.
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Die Steuereinheit 18 kann zu diesem Zweck die Ladeauslastung L der Ladestation 10 an den einzelnen Ladepunkten 34 dokumentieren und auswerten, z.B. wie in der Graphiken zur Veranschaulichung der Ladeauslastung L dargestellt, und die Aktivierungsstrategie zur Aktivierung und Deaktivierung der Wasserstofferzeugung anpassen. Bei einer Erstinbetriebnahme kann von vorgegebenen Aktivierungsparametern zur Aktivierung der Wasserstofferzeugung ausgegangen werden, beispielsweise nur nachts am Montag. Die Wasserstofferzeugung kann auch erstmalig erst dann aktiviert werden, wenn die Ladestation 10 ausreichend lange betrieben wurde, um entsprechende Ladeauslastungsdaten zu sammeln.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kombination der Wasserstofferzeugung und Abgabe im Rahmen von Schnellladekonzepten mit integrierten Batteriespeichern von Fahrzeugen im Rahmen des modularen Hub-Ladekonzeptes mit Niederspannungsanschluss bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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