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EINLEITUNG
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Hybridelektrofahrzeuge, vollelektrische Fahrzeuge und Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite, die hier der Einfachheit halber als EVs bezeichnet werden, sind mit einem elektrifizierten Antriebsstrangsystem ausgestattet, bei dem ein oder mehrere elektrische Fahrmotoren von einem Antriebsakkupack gespeist werden, um ein Antriebsmoment zu erzeugen. Das von dem/den Motor(en) erzeugte Antriebsdrehmoment wird schließlich auf die Laufräder des Fahrzeugs geleitet, um das Fahrzeug anzutreiben. Die elektrochemischen Batteriezellen, die das Antriebsakkupack bilden, können über einen Plug-in-Prozess wieder aufgeladen werden, bei dem das Akkupack mit einer externen EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)-Station elektrisch verbunden ist, z. B. unter Verwendung eines SAE J1772-kompatiblen Kabelsatzes. Ein ähnliches Akkupack kann als Teil eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems (Rechargeable Energy Storage System, RESS) mit stationären Systemen, wie z. B. Kraftwerken, Hebezeugen, Fördersystemen und dergleichen, jedoch nicht darauf beschränkt, verwendet werden.
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Wie in der Technik bekannt, beinhaltet das Plug-in-Laden eine bidirektionale Kommunikation von Daten zwischen dem EV und der Offboard-Ladestation, wobei die Daten in Form eines Niederspannungs-Control Pilot(CP)-Signals, typischerweise 0-12 V, und eines 0-5 V-Näherungsspannungssignals vorliegen. Über eine aufgebaute J1772-Verbindung können z. B. die jeweiligen Prozessoren der Ladestation und des EV über Powerline-Kommunikation (Power Line Communication, PLC) miteinander kommunizieren, was wiederum nach einem aufgebauten Kommunikationsprotokoll über einen koordinierten Austausch von Datennachrichten abläuft. Das CP-Signal wird in der Regel dazu verwendet, die bidirektionale Verbindung zwischen der Ladestation und dem EV zu überprüfen, um den Ladezustand zu kommunizieren, z. B. unter Verwendung einer vorgegebenen Schwankung des Tastverhältnisses beim Wechselstromladen oder eines festen Tastverhältnisses beim Gleichstromladen, und um die Ladegeschwindigkeit nach Bedarf anzupassen. Das Aufkommen von bidirektional-fähigen Ladegeräten bietet Haltern und Betreibern von EVs unzählige potenzielle Vorteile, darunter Vehicle-to-Home(V2H)-, Vehicle-to-Grid(V2G)- oder Vehicle-to-Load(V2L)-Entladevorgänge, bei denen die Offboard-Ladestation Gleichstrom vom EV aufnimmt und anschließend einen Verbraucher mit Strom versorgt, eventuell nach Umwandlung des abgegebenen Gleichstroms in Wechselstrom(AC)-Leistung über einen eingebauten AC-/DC-Wandler.
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf modifizierte Kommunikationsprotokolle, zugehörige Verfahren und greifbare Speichermedien für das Abgeben von Gleichstrom (DC) aus einem Bordnetz in eine Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE), wobei letztere eine bidirektional-fähige Offboard-Ladestation ist, die unter normalen Bedingungen an das verfügbare Wechselstrom(AC)-Versorgungsnetz angeschlossen ist. Die Offboard-Ladestation kann über eine Schaltarchitektur an das Wechselstromnetz angeschlossen und als Heimladestation verwendet werden. Das heißt, ein Haus oder ein anderes Wohn- oder Geschäftsgebäude könnte an das Stromnetz angeschlossen sein, wobei die Ladestation in eine Wechselstromsteckdose eines solchen Gebäudes eingesteckt wird und dazu betrieben werden kann, den Netzstrom in Gleichstrom (DC) umzuwandeln, der z. B. zum Aufladen eines Akkupacks geeignet ist. Das Akkupack kann in diesem Fall elektrochemische Energiespeicherzellen, z. B. Lithium-lonen-Batteriezellen, enthalten, die zusammen oder in verschiedenen Batteriemodulen angeordnet und als zylindrische, prismatische oder beutelartige Batteriezellen konfiguriert sind. Allerdings können im Schutzumfang der Offenbarung auch Batteriezellen mit anderen für die Anwendung geeigneten chemischen Eigenschaften und andere Arten von Fahrzeugen oder mobilen Plattformen mit dem Akkupack, einem Brennstoffzellenstapel oder einer anderen geeigneten Gleichstromversorgung in Betracht gezogen werden, und daher sind die beschriebenen EV-basierten Vehicle-to-Grid(V2G)- oder Vehicle-to-Home(V2H)-Anwendungen beispielhaft für die vorliegenden Lehren.
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Wie Fachleuten bekannt ist, haben Halter von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit, eine Ladestation zu Hause oder in einem Geschäft zu installieren, um bequem zu Hause laden zu können. Eine bidirektional-fähige Ladestation ermöglicht es dem Halter, die Stromversorgung des EV als Notstromversorgung zu nutzen, z. B. zur Bereitstellung von Reservestrom bei einem Stromausfall oder einem anderen Ereignis, bei dem kein AC-Netzstrom zur Verfügung steht. Ähnliche Vorteile können auch von anderen Stromversorgungen für mobile oder stationäre Systeme genutzt werden. Während des typischen Gleichstromladens in einem Fahrzeugkontext kommunizieren die entsprechenden Prozessoren der Offboard-Ladestation und des EV über Niederspannungsdatenleitungen, die durch einen EVSE-Ladekabelsatz verlaufen, miteinander, wobei die Prozessoren dazu ein bestimmtes Kommunikationsprotokoll wie DIN 70121 verwenden. Es folgt ein koordinierter Austausch von vorgegebenen Datensignalen oder Nachrichten gemäß dem jeweiligen Protokoll.
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Im Rahmen der vorliegenden Lösung wird das genannte Ladeprotokoll, wenn es auf den beispielhaften Anwendungsfall von Elektrofahrzeugen angewandt wird, in einer speziellen Weise modifiziert, um es jeweiligen Prozessoren der Offboard-Ladestation und des EV zu ermöglichen, einen Entladevorgang auszuhandeln und durchzuführen, während der Gleichstrom aus dem EV an die Ladestation und schließlich an einen daran angeschlossenen Verbraucher abgegeben oder geleitet wird. Eine modifizierte Version von DIN 70121 wird hier als beispielhafte Norm verwendet, wobei DIN 70121 üblicherweise unter J1772 für das kombinierte Ladesystem (Combined Charging System, CCS) angewendet wird und ISO 15118 eine beispielhafte alternative Norm zur Verwendung mit CCS ist. Der offenbarte Ansatz dient somit als alternatives Kommunikationsprotokoll beim Aushandeln und Ausführen des Entladevorgangs, der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist. Dies kann unabhängig davon geschehen, ob der Entladevorgang vom EV oder von der Ladestation angefordert wird.
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Insbesondere ermöglicht ein im Folgenden näher beschriebenes Verfahren die Koordination eines Entladevorgangs, bei dem Gleichstrom von einer Stromversorgung eines Bordnetzes zu einer bidirektionalen Offboard-Ladestation abgegeben wird. Das Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform schließt, als Reaktion auf eine Verbindung der Stromversorgung mit der Offboard-Ladestation über einen Ladekabelsatz, den Austausch von Ladedaten zwischen einem Prozessor des Bordnetzes und einem Prozessor der Offboard-Ladestation ein. Dieser Austausch erfolgt über eine Niederspannungs-Kommunikationsleitung, z. B. eine Control-Pilot(CP)-Leitung im nicht einschränkenden Kontext der DIN 70121, oder möglicherweise über einen Controller-Area-Network(CAN)-Bus oder über drahtlose Kommunikation wie Wi-Fi, wobei die Ladedaten Leistungs- und Stromgrenzwerte des Bordnetzes sowie Leistungs- und Stromgrenzwerte der Offboard-Ladestation einschließen. Als Reaktion darauf, dass die Leistungs- und Stromgrenzwerte der Offboard-Ladestation negative Leistungs- und Stromgrenzwerte angeben, die eine Anforderung eines Entladevorgangs darstellen, schließt das Verfahren das Übermitteln der Grenzwerte des Bordnetzes an die Offboard-Ladestation, wodurch die Anforderung bestätigt wird, und dann das Einleiten des Entladevorgangs über den Prozessor des Bordnetzes als Reaktion auf die Bestätigung der Anforderung ein.
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Das Verfahren kann das Empfangen eines eindeutigen Identifizierungscodes von der Ladestation unter Verwendung des Prozessors des Bordnetzes und das Einleiten des Entladevorgangs einschließen, wenn der eindeutige Identifizierungscode mit einem vorgegebenen Identifizierungscode auf einer kalibrierten Liste von zugelassenen Identifizierungscodes übereinstimmt. Der eindeutige Identifizierungscode beinhaltet in einer möglichen Implementierung mindestens einen Anteil einer MAC-Adresse der Offboard-Ladestation, z. B. die ersten drei Bytes oder die gesamte MAC-Adresse.
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Die jeweiligen negativen Grenzwerte des Bordnetzes und der Offboard-Ladestation können über ein elektrisches Signal mit protokollspezifischer Reichweite kommuniziert werden. Ein bestimmter Anteil des protokollspezifischen Bereichs entspricht in dieser Ausführungsform den negativen Leistungs- und Stromgrenzwerten.
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Der protokollspezifische Bereich in einer möglichen Implementierung beträgt 0 kW bis 870 kW und 0 A bis 870 A, der bezeichnete Anteil des protokollspezifischen Bereichs beträgt 700 kW bis 870 kW und 700 A bis 870 A und der bezeichnete Anteil des protokollspezifischen Bereichs entspricht 0 kW bis -170 kW und 0 A bis -170 A.
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Der Entladevorgang kann sich dadurch auszeichnen, dass kein Kabelprüfprozess stattfindet, und kann während eines Stromausfalls des Netzstroms zu der Ladestation erfolgen.
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Während einer Stromanforderungsphase des Entladevorgangs kann das vorliegende Verfahren den Empfang eines Nullwerts über den Prozessor des Bordnetzes beinhalten, d. h. 0 V oder eine vernachlässigbare Spannung, wobei der Nullwert auf eine Bestätigung des fortgesetzten Gültigkeitsstatus des Entladevorgangs durch die Offboard-Ladestation hinweist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet ein Elektrofahrzeug (EV) mit einem Satz Laufräder und einem elektrifizierten Antriebsstrangsystem, wobei letzteres einen Prozessor, eine Gleichstromversorgung und einen elektrischen Fahrmotor aufweist. Die Gleichstromversorgung ist mit dem elektrischen Fahrmotor verbunden, während der elektrische Fahrmotor mit einem oder mehreren der Laufräder verbunden ist. Der Prozessor an Bord des EV ist dazu konfiguriert, einen Entladevorgang zu koordinieren, bei dem Gleichstrom von der Gleichstromversorgung zu einer Offboard-Ladestation abgegeben wird, und er ist dazu konfiguriert, als Reaktion auf eine Verbindung der Gleichstromversorgung mit der Offboard-Ladestation über einen Ladekabelsatz Ladedaten mit einem Prozessor der Offboard-Ladestation über eine Niederspannungsleitung auszutauschen. Wie vorstehend angemerkt, schließen die Ladedaten Leistungs- und Stromgrenzwerte des EV sowie Leistungs- und Stromgrenzwerte der Ladestation ein. Als Reaktion darauf, dass die Leistungs- und Stromgrenzwerte der Ladestation negative Leistungs- und Stromgrenzwerte angeben, die eine Anforderung des Entladevorgangs darstellen, übermittelt der Prozessor die Leistungs- und Stromgrenzwerte des EV an die Ladestation, wodurch die Anforderung bestätigt wird, und leitet dann den Entladevorgang als Reaktion auf die Bestätigung der Anforderung ein.
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Außerdem wird hier ein computerlesbares Speichermedium offenbart, auf dem Anweisungen zur Koordinierung eines Entladevorgangs aufgezeichnet sind, bei dem Gleichstrom von einer Stromversorgung eines EV an eine Offboard-Ladestation abgegeben wird. Die Ausführung der Befehle durch einen Prozessor des EV veranlasst das EV in dieser Ausführungsform, als Reaktion auf eine Verbindung der Stromversorgung mit der Offboard-Ladestation über einen Ladekabelsatz Ladedaten zwischen dem Prozessor des EV und einem Prozessor der Offboard-Ladestation über eine Niederspannungs-Kommunikationsleitung, wie die CP-Leitung, auszutauschen. Als Reaktion darauf, dass die Leistungs- und Stromgrenzwerte der Ladestation negative Leistungs- und Stromgrenzwerte angeben, die eine Anforderung des Entladevorgangs darstellen, wird der Prozessor veranlasst, die Leistungs- und Stromgrenzwerte des EV an die Offboard-Ladestation zu übermitteln, wodurch die Anforderung bestätigt wird. Der Prozessor leitet daraufhin den Entladevorgang über den Prozessor des EV als Reaktion auf die Bestätigung der Anforderung ein.
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Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung veranschaulichender Beispiele und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich sein. Darüber hinaus schließt diese Offenbarung ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der vorstehend und nachstehend dargestellten Elemente und Merkmale ein.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines repräsentativen Entladevorgangs, bei dem Gleichstrom (DC) situativ von einer Stromversorgung eines Bordnetzes in Form eines Elektrofahrzeugs (EV) an eine Offboard-Ladestation abgegeben wird, wobei der „Handshaking"-Prozess des Entladevorgangs durch das hier im Detail beschriebene modifizierte Protokoll geregelt wird.
- 2 ist ein Flussdiagramm, das eine repräsentative Ausführungsform eines Verfahrens zur Durchführung des Entladevorgangs beschreibt, wie in 1 veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung kann in vielen Ausführungsformen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail als nicht-begrenzende Beispiele der offenbarten Prinzipien beschrieben. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Kurzdarstellung“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen aufgeführt sind, weder einzeln noch gemeinsam, durch Implikation, Schlussfolgerung oder auf andere Weise, in die Ansprüche aufgenommen werden.
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Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung schließt, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, die Verwendung des Singulars den Plural ein und umgekehrt, die Begriffe „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv, „jede(r,s)“ und „alle“ bedeuten „jede(r,s) und alle“, und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „aufweisend“ und dergleichen bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „ungefähr“ usw. hier im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder logischen Kombinationen davon verwendet werden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 einen repräsentativen Entladevorgang 10, bei dem ein Bordnetz 12 über einen Ladekabelsatz 16, eine Offboard-Ladestation 17 und einen Verbraucher 14 selektiv an einen Verbraucher 14 angeschlossen wird. In einem beispielhaften Anwendungsfall, der im Folgenden zur konsistenten Veranschaulichung verwendet wird, ist das Bordnetz 12 ein Elektrofahrzeug (EV) und der Verbraucher 14 schließt einen oder mehrere Verbraucher in einem Haus oder einem anderen Gebäude ein. Daher wird das Bordnetz 12 im Folgenden ohne Einschränkung als EV 12 bezeichnet.
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Der einfachen Veranschaulichung halber kann der Aufbau von 1 eine geeignete Umschaltarchitektur enthalten, die zwischen der Ladestation 17 und dem Verbraucher 14 angeordnet ist, wobei eine solche Architektur so konfiguriert ist, dass sie den Verbraucher 14 je nach Situation selektiv mit dem verfügbaren vom Versorger gelieferten Netzstrom 15 und/oder mit der Ladestation 17 verbindet. Der Schaltzustand einer solchen Architektur bestimmt somit den Betrieb in einer Vehicle-to-Home(V2H)- oder Vehicle-to-Grid(V2G)-Konfiguration. Fachleuten ist bekannt, dass die Schaltarchitektur ein separater Schaltkreis sein oder einen solchen enthalten könnte, oder dass die Architektur vollständig in die Ladestation 17 integriert sein könnte.
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Das EV 12 beinhaltet ein oder mehrere Laufräder 13, die mit einer Fahrzeugkarosserie 120 verbunden sind. Im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung ist das EV 12 „elektrisch“ im Sinne eines elektrifizierten Antriebsstrangsystems 30. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil T36) des elektrifizierten Antriebsstrangs 30 wird zum Antrieb eines oder mehrerer Laufräder 13 verwendet und treibt so das EV 12 an. Das EV 12 kann als vollelektrisches Fahrzeug (full electric vehicle, FEV), als Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV), als Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (extended-range electric vehicle, EREV) oder als eine andere elektrifizierte mobile Plattform mit einer Bordstromversorgung 31, z. B. einem mehrzelligen wiederaufladbaren Antriebsakkupack (BHV), wie dargestellt, ausgeführt sein. Das EV 12 kann ebenfalls auf unterschiedliche Weise, z. B. als Pkw-Limousine, wie abgebildet, oder als Lkw, Crossover-Fahrzeug, Sport Utility Vehicle usw., konfiguriert werden. Im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung sind auch andere Konfigurationen der Bordstromversorgung 31, wie z. B. ein Brennstoffzellenstapel, möglich. Wie vorstehend angemerkt, können im Schutzumfang der Offenbarung auch andere Arten von mobilen oder stationären Systemen, wie z. B. Kraftwerke, Hebezeuge oder Fördersysteme, als Alternative zu dem veranschaulichten Beispiel EV 12 verwendet werden. Lediglich zur konsistenten Veranschaulichung wird der beschriebene Entladevorgang 10 im Folgenden unter Bezugnahme auf das EV 12 beschrieben, bei dem die Bordstromversorgung 31 als wiederaufladbares Antriebsakkupack, z. B. als Lithium-Ionen-Batterie, konfiguriert ist, ohne den Schutzumfang der Offenbarung auf mobile oder Fahrzeuganwendungen zu beschränken.
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Der Verbraucher 14 von 1 kann durch ein Wohn- oder Geschäftsgebäude und dessen verschiedene angeschlossene Systeme, Komponenten und Vorrichtungen, die sich typischerweise in einem solchen Bauwerk befinden oder mit ihm verbunden sind, gemeinsam dargestellt werden. Obwohl dies der Einfachheit der Veranschaulichung halber weggelassen wurde, wird Fachleuten bekannt sein, dass solche angeschlossenen Vorrichtungen typischerweise Leuchten, Klimaanlagen, Ventilatoren, Ofengebläse, Sumpfpumpen, Küchengeräte, Fernsehgeräte und ähnliches einschließen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Verbraucher 14 an das Stromnetz 15 angeschlossen und wird von diesem angetrieben. In einem typischen Szenario für die Nutzung durch ein Wohngebäude würde das Stromnetz 15 vom Versorgungsunternehmen mit Wechselstrom (AC) versorgt werden. So kann der Halter oder Betreiber des Elektrofahrzeugs 12 ein Home-Office oder ein anderes Gebäude mit der EVSE-Ladestation 17 ausstatten, um den Komfort des Heimladens zu genießen.
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Wie in der Technik bekannt, beinhaltet die Ladestation 17 einen Ladestromkreis 20, der wiederum in vereinfachter Form in 1 dargestellt ist, um bestimmte Kernkomponenten, d. h. einer lokalen Ladesteuerung (CCH) 22 mit einem Prozessor P1, einem AC-/DC-Wandler 24, einem oder mehreren Ladeschützen 25 und einer Ladesteckdose 26 zu veranschaulichen. Der AC-/DC-Wandler 24 dient zur Umwandlung des AC-Netzstroms 15 in Gleichstrom (DC), um die Bordstromversorgung 31 mit Gleichstrom aufzuladen. Zu diesem Zweck wird/werden das/die Ladeschütz(e) 25, das/die sich auf einer Gleichstromseite des AC-/DC-Wandlers 24 befindet/befinden, vom Prozessor P1 angewiesen, zu schließen, um so den AC-/DC-Wandler 24 mit der Ladesteckdose 26 zu verbinden.
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In einem typischen DC-Ladeszenario, bei dem der Ladestation 17 Netzstrom 15 zur Verfügung steht, wird die Ladestation 17 über einen AC-Stecker 19 des EVSE-Kabelsatzes 16 an den Netzstrom 15 angeschlossen. Ein Ladestecker 16C, z. B. ein mehrpoliger J1772-Stecker, wie oben allgemein beschrieben, wird mit einem entsprechenden Ladeanschluss 21 am EV 12 verbunden. In Übereinstimmung mit dem Protokoll DIN 70121 oder einem anderen einschlägigen Protokoll wird die als VCH (+, -) angegebene DC-Ladeleistung, die in 1 gezeigt ist, durch leitende Stifte des Ladeanschlusses 21 über einen Satz Hauptbatterieschütze 23 zur Bordstromversorgung 31 eingespeist. Der gesamte Ladevorgang wird über den Austausch von Daten/Nachrichten zwischen dem Prozessor P1 der Ladesteuerung 22 und einem entsprechenden Prozessor P2 einer residenten Steuerung 32 des EV 12, in diesem nicht einschränkenden Beispiel ein Batteriemanagementsystem, koordiniert. Wie im Stand der Technik bekannt, wird während einer Vorladephase, die z. B. während eines Stromausfalls vor einem Entladevorgang durchgeführt wird, eine Schützensteuerungssequenz durch Öffnen der Schütze 25 der Offboard-Ladestation und anschließendes Erfassen der Zwischenkreisspannung über einen Zwischenkreiskondensator durchgeführt. Wenn die Zwischenkreisspannung bei oder nahe 0 Volt liegt, wobei „nahe“ ein vernachlässigbar niedriger Spannungspegel ist, sodass die Zwischenkreisspannung als 0 V behandelt wird, werden die Schütze des EV in einer vorgegebenen Reihenfolge, d. h. die Hauptbatterieschütze 23, gefolgt von den Schützen 35, geschlossen.
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Die vorstehend genannten CP- und PRX-Signale werden zwischen den Prozessoren P1 und P2 wie vorstehend beschrieben ausgetauscht, wobei der allgemeine Prozess der Gleichstromladung nach DIN 70121 in der Technik bekannt ist. Wie nachstehend beschrieben, wird die Norm DIN 70121 oder eine andere einschlägige Norm hier modifiziert, um den umgekehrten Prozess zu ermöglichen, d. h., dass die Bordstromversorgung 31 die Ladestation 17 und damit den Verbraucher 14 selektiv mit Strom versorgt, was von Vorteil wäre, wenn das Stromnetz 15 nicht nicht zur Verfügung steht, z. B. während eines Stromausfalls.
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Noch immer unter Bezugnahme auf 1 verwendet das elektrifizierte Antriebsstrangsystem 30 die verfügbare Energie von der Bordstromversorgung 31, um die Rotation der Laufräder 13 anzutreiben. Zu diesem Zweck beinhaltet das elektrifizierte Antriebsstrangsystem 30 mindestens einen elektrischen Fahrmotor 36 mit einem Abtriebselement 36O, das mit einem oder mehreren der Laufräder 13 gekoppelt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der elektrische Fahrmotor (ME) 36 als Wechselstrommaschine mit einem Rotor 36R ausgeführt, der radial in einem Stator 36S angeordnet ist, wobei letzterer mit dem Abtriebselement 36O verbunden ist. Ein Traktionswechselrichtermodul (TPIM) 34 ist an die einzelnen Phasenwicklungen des Stators 36S angeschlossen, wobei eine interne Schaltsteuerung von Halbleiterschaltern (nicht gezeigt) verwendet wird, um DC-Eingangsleistung von der Bordstromversorgung 31 in AC-Ausgangsleistung umzuwandeln, die zur Erregung des Stators 36S geeignet ist. Auf diese Weise wird das Motordrehmoment T36 letztlich für den Antrieb des EV 12 erzeugt.
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Zwischen der Bordstromversorgung 31 und dem TPIM 34 ist ein Hochspannungsschütz 35 angeordnet, wobei ein solches Schütz 35 mit einem Vorladewiderstand (R) 37 in Reihe geschaltet ist. Wie in der Technik bekannt, besteht der Zweck des kollektiven Satzes elektrischer Komponenten darin, Lichtbögen und Einschaltströme zu verhindern, wenn die Bordstromversorgung 31 des EV 12 mit dem Gleichspannungsbus und den angeschlossenen Komponenten, vor allem dem TPIM 34 und dem elektrischen Fahrmotor 36, verbunden wird. Die gleichen Komponenten des Vorladekreises werden auch während des Entladevorgangs vom vorliegenden modifizierten Protokoll verwendet, wobei die Ladestation 17 ihre Ladeschütze 25 öffnet, während das EV 12 einen Zwischenkreiskondensator 39 auflädt, indem es das mit dem Widerstand 37 in Reihe geschaltete Schütz 35 und anschließend die Hauptbatterieschütze 23 schließt.
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Entladevorgang: Bezug nehmend nun auf 2 ermöglicht ein Verfahren 100 die Koordination und Steuerung der verschiedenen Hardwarekomponenten von 1 während eines Entladevorgangs. Beim betrachteten Entladevorgang wird Gleichstrom aus der Bordstromversorgung 31 in die EVSE-Ladestation 17 eingespeist, um den Verbraucher 14 mit Strom zu versorgen, z. B. bei einem Stromausfall seitens des Versorgers. Wie in der Technik bekannt, gehen DIN 70121 und andere einschlägige Ladestandards nach einem definierten mehrstufigen Handshaking-Prozess vor, bevor sie die Übertragung von Energie von der Ladestation 17 zum EV 12 zulassen. Die vorliegende Lösung beinhaltet das Modifizieren eines bestehenden Protokolls und einer bestehenden Handshaking-Sequenz.
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Als Beispielnorm kann man die Nachrichtenanforderungs-Antwort-Paare der Kommunikationsschicht nach DIN 70121 V2G modifizieren, wie fett dargestellt:
| # | NAME DER NACHRICHT | ABSICHT DER NACHRICHT |
| 1 | Unterstütztes Anwendungsprotokoll | Bestätigen der Protokollversion und Schema-ID. |
| 2 | Einrichten des Vorgangs | EV fordert V2G an; EVSE antwortet. |
| 3 | Diensterkennung | EVSE gibt Art der Ladedienste usw. an |
| 4 | Auswahl von Diensten und Zahlungen | EV fordert Zahlungsmethode an; EVSE bestätigt. |
| 5 | Vertragsauthentifizierung | EVSE zeigt an, ob der Ladevorgang autorisiert ist. |
| 6 | Erkennung von Ladeparametern | Austausch von negativen Leistungs-/Stromgrenzwerten durch EVSE, EV. |
| 7 | Kabelprüfung | EVSE-Isolationsprüfung, wenn Netzstrom verfügbar ist. |
| 8 | Vorladung | EVSE öffnet seine Schütze; EV lädt Zwischenkreis. |
| 9 | Stromabgabe | EV fordert Aktivierung von EVSE-Abgabe durch EVSE an. |
| 10 | Aktuelle Bedarfsanforderung | EV sendet Nullstrom für Strombefehl; EV-SE bestimmt, wie viel Strom von EV bezogen wird. |
| 11 | Stromabgabe | EV fordert Deaktivierung von EVSE-Abgabe durch EVSE an. |
| NA | Erkennung von Schweißvorgang (optional) | Optional. |
| 12 | Vorgang stoppt | EV fordert Beendigung des SPS-Kommunikationsvorgangs an. |
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Die vorstehend genannten Antwortpaare werden daher während eines angeforderten Entladevorgangs verwendet, um die erforderliche Handshaking-Sequenz zur Vorbereitung einer Stromabgabe an die Ladestation 17 durchzuführen.
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Eine repräsentative Ausführungsform des Verfahrens 100 beginnt mit Block B102, wobei die Ladestation 17 von 1 mit dem EV 12 („EVSE-EV“) verbunden wird, d. h. durch Einstecken des Ladesteckers 16C des Ladekabelsatzes 16 in den Ladeanschluss 21 des EV 12. Ein solcher Anwendungsfall beinhaltet das Einstecken, auf das unmittelbar die beschriebenen Aktionen folgen. Fachleuten ist bekannt, dass auch andere V2H-Szenarien auftreten können, wenn z. B. der Ladekabelsatz 16 am EV 12 angeschlossen bleibt, z. B. beim Laden über Nacht, und irgendwann nach Einleitung oder Abschluss des Ladevorgangs ein Stromausfall auftritt. In beiden Fällen beinhaltet Block B102 den Aufbau oder die Überprüfung des vorherigen Aufbaus von positiven und negativen DC-Verbindungen zusammen mit den genannten CP- und PRX-Verbindungen. Das Verfahren 100 fährt dann fort mit Block B104.
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Block B104 („CP COMMS“) beinhaltet den Aufbau einer Datenverbindung über eine Niederspannungs-Kommunikationsleitung, hier als CP Powerline-Kommunikation bezeichnet. Wie in der Technik bekannt, ermöglicht der Control-Pilot-Stift (CP) am Ladestecker 16C eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem EV 12 und der Ladestation 17. Während eines normalen Ladevorgangs würden die ausgetauschten Daten den maximalen Ladestrom und die maximale Leistung einschließen, die das EV 12 benötigt und aufnehmen kann, sowie den maximalen Ladestrom und die maximale Leistung, für deren Bereitstellung die Ladestation 17 gerüstet ist. Im vorliegenden Protokoll für einen Entladevorgang werden diese Daten jedoch dahingehend modifiziert, dass sie Signale enthalten, die negative Leistungs- und Stromgrenzwerte angeben oder darstellen. Das Verfahren 100 fährt fort mit Block B106, nachdem die bidirektionale Verbindung mit dem Ladekabelsatz 16 aufgebaut wurde.
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In Block B106 beginnen die Prozessoren P1 und P2 von 1 mit der Erkennung der Ladeparameter (Charge Parameter Discovery, „CPD“). In der hier beschriebenen Form bedeutet CPD, dass das EV 12 der Ladestation 17 seine normalen Leistungs- und Stromgrenzwerte über die aufgebaute Netzverbindung durch den EV-SE-Kabelsatz 16 kommuniziert. Im Gegenzug stellt die Ladestation 17 dem EV 12 ihre Leistungs- und Stromgrenzwerte bereit. Die Art und Weise, wie der Block B106 ausgeführt wird, unterscheidet sich jedoch deutlich von dem Datenaustausch bei einem typischen Ladevorgang.
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Insbesondere haben die über die Niederspannungsleitung CP kommunizierten Gleichstrom- und Leistungssignale nach dem DIN 70121-Protokoll in dieser beispielhaften Implementierung einen protokollspezifischen Leistungsbereich von 0 kW bis 870 kW und einen Strombereich von 0 A bis 870 A. Der obere Anteil des bezeichneten Bereichs ist derzeit ungenutzt, basierend auf den Fähigkeiten der derzeit auf dem Markt erhältlichen Typen von EVSE-Ladestationen, wobei die typische Entladeleistung und Stromfähigkeit für Wohngebäude relativ niedrige Größenordnungen von weniger als 20 kW bzw. 50 A aufweisen. Für den Eintritt in den hier betrachteten Entlademodus, in dem der Verbraucher 14 von 1 vom Wechselstromnetz 15 getrennt ist, ist die Ladestation 17 in der Lage, dem EV 12 zu kommunizieren, dass Gleichstrom aus der Bordstromversorgung 31 benötigt wird.
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Zu diesem Zweck kann die Implementierung von Block B106 eine künstliche Erweiterung der vorstehend beschriebenen Leistungs- und Stromgrenzwerte in den negativen Bereich beinhalten. Eine Möglichkeit, dies in den genannten Bereichen von 0 kW bis 870 kW und Ampere (A) zu tun, besteht darin, einen oberen Anteil des angegebenen Bereichs als negativen Grenzwerten entsprechend zu reservieren, wobei Werte in diesem bezeichneten negativen Bereich signalisieren, dass Gleichstrom von der Bordstromversorgung 31 an die Ladestation 17 abgegeben werden muss. Der obere Bereich von 700 kW bis 870 kW und 700 A bis 870 A könnte beispielsweise dem negativen Bereich von 0 kW bis -170 kW und 0 A bis - 170 A zugeordnet werden, sodass die Kommunikation von 750 kW über ein Niederspannungs-Wechselstromsignal über die CP-Stromleitung -50 kW entspricht, d. h., dass 50 kW Leistung von der Bordstromversorgung 31 abgegeben werden müssen. Ebenso würden 800 kW in diesem Beispiel einen Bedarf von 100 kW von der Bordstromversorgung 31 signalisieren, usw.
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Im Rahmen des Blocks B106 tauschen das EV 12 und die Ladestation 17 während der CPD-Phase solche negativen Leistungs- und Stromgrenzwerte in der nachstehenden Reihenfolge aus: EV 12, an Ladestation 17, an EV 12. Auf diese Weise können sowohl das EV 12 als auch die Ladestation 17 den Entladevorgang anfordern, indem sie zuerst ihre negativen Grenzwerte senden und der anderen Seite die Möglichkeit geben, die Anforderung zu bestätigen. Das EV 12 und die Ladestation 17 vereinbaren also gemeinsam, dass der bevorstehende Vorgang als Entladevorgang durchgeführt werden soll. Das Verfahren 100 fährt dann fort mit Block B108.
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In Block B108 werden die Leistungs- und Stromgrenzwerte aus Block B106 ausgewertet, um festzustellen, ob die kommunizierten Grenzwerte dem vorgegebenen negativen Bereich entsprechen, z. B. 700 kW-870 kW. Das Verfahren 100 fährt fort mit Block B110, wenn die kommunizierten Leistungs- und Stromgrenzwerte dem vorgegebenen negativen Bereich entsprechen, und andernfalls mit Block B116.
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In Block B110 sendet das EV 12 seine Leistungs-/Stromgrenzwerte erneut an die Offboard-Ladestation 17. Wenn eine Anforderung von der Ladestation 17 nach Gleichstrom vom EV 12 bestätigt wird, werden in Block B110 negative Leistungs- und Stromgrenzwerte über die aufgebaute Powerline-Kommunikation zurück an die Ladestation 17 übermittelt. Die Übermittlung von Grenzwerten, die außerhalb der bezeichneten oder vereinbarten negativen Grenzwerte liegen, könnte daher auf eine Nichtbestätigung hindeuten, oder auf die Unfähigkeit des EV 12, die gewünschten Leistungs- und Strompegel während eines Entladevorgangs bereitzustellen. Das Verfahren 100 fährt dann fort mit Block B112.
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Block B112 beinhaltet das Bestimmen, über den Prozessor P1 der Ladesteuerung 22 von 1, ob die vom EV 12 kommunizierten Grenzwerte den negativen Grenzwerten entsprechen. Das Verfahren 100 fährt fort mit Block B114, wenn dies der Fall ist, und alternativ mit Block B116, wenn die Leistungs- und Stromgrenzwerte vom EV 12 nicht im vereinbarten negativen Bereich liegen.
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Block B114 („EVSE ID = OK?“) bietet eine optionale Strategie für zusätzliche Sicherheits- und Schutzmaßnahmen vor dem Beginn des Entladevorgangs. Wie dem Fachmann bekannt sein wird, kann die Verfügbarkeit von Leistung, die in der Bordstromversorgung 31 von 1 gespeichert ist, ein verlockendes Ziel für kriminelle Personen sein. Dies gilt unabhängig davon, ob Netzstrom verfügbar ist. Um Energiediebstahl zu verhindern und um sicherzustellen, dass bestimmte Ladestationen 17 „vertrauenswürdig“ sind, damit der Entladevorgang fortgesetzt werden kann, kann die Ladestation 17 im Block B114 einen eindeutigen Identifizierungscode an das EV 12 übermitteln, dessen Prozessor P2 den Identifizierungscode durch Vergleichen mit einer kalibrierten Liste zugelassener Identifizierungscodes überprüfen kann.
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Der eindeutige Identifizierungscode kann z. B. ein Teil der oder die gesamte MAC-Adresse der Ladestation 17 sein, z. B. die gesamte MAC-Adresse oder die oberen drei Bytes davon, wobei die oberen drei Bytes einer MAC-Adresse einem bestimmten Hersteller als eindeutige Unternehmenskennung („Organizationally Unique Identifier“ oder OUI) entsprechen. Daher kann der hier beschriebene Entladevorgang mit einer begrenzten Anzahl von zugelassenen EVSE-Herstellern verwendet werden, wobei das Fahrzeug in Block B114 die MAC-Adresse/OUI mit einer Liste zugelassener OUls vergleicht, um zu bestimmen, ob die Ladestation 17 eine Station ist, die das Entladen gemäß dem vorliegenden Protokoll unterstützt. Das Verfahren 100 fährt fort mit Block B118, wenn der Identifizierungscode ein zugelassener Identifizierungscode ist, und alternativ mit Block B116, wenn der Identifizierungscode nicht in der zugelassenen Liste enthalten ist.
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Block B116 beinhaltet das Einleiten eines normalen DC-Ladevorgangs (INIT DCCHG) als Reaktion auf negative Entscheidungen in den Blöcken B108, B112 oder B114, d. h. wenn die in Block B108 kommunizierten Leistungs- und Stromgrenzwerte außerhalb des vereinbarten negativen Grenzbereichs liegen oder wenn im optionalen Schritt B114 die eindeutige Kennung nicht einem zugelassenen Lieferanten entspricht. Das Verfahren 100 geht dann über zum Endblock B120.
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Block B118 (INIT DCDISCHG) beinhaltet das Einleiten des DC-Entladungsvorgangs als Reaktion auf positive Entscheidungen in den Blöcken B108, B112 oder B114, d. h. wenn die in Block B108 kommunizierten Leistungs-/Stromgrenzwerte innerhalb des vereinbarten negativen Grenzbereichs liegen und, falls der optionale Block B114 verwendet wird, die eindeutige Kennung einem zugelassenen EVSE-Lieferanten entspricht. Das Verfahren 100 geht dann über zum Endblock B120.
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Am Endblock B 120 kann der Standard-Ladevorgang oder der derzeitige Entladevorgang auf der Grundlage der laufenden Kommunikation der CP- und PRX-Stromsignale in der üblichen Weise fortgesetzt werden, wie in der Technik bekannt. Während einer aktuellen Bedarfsphase des Entladevorgangs kann der Prozessor P2 an Bord des EV 12 so konfiguriert sein, dass er einen Nullwert empfängt, der eine Bestätigung der Ladestation 17 über den fortgesetzten Gültigkeitsstatus des Entladevorgangs angibt, d. h., dass die Fortsetzung des Entladevorgangs gewünscht ist.
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Das Verfahren 100 ist daher zur Koordinierung eines Entladevorgangs geeignet, bei dem Gleichstrom von der Bordstromversorgung 31 des EV 12, wie in 1 gezeigt, an die Ladestation 17 abgegeben wird. Das Verfahren 100 läuft im Allgemeinen wie folgt ab: (1) Als Reaktion auf eine Verbindung der Bordstromversorgung 31 mit der Offboard-Ladestation 17 über den Ladekabelsatz 16 werden Ladedaten zwischen dem Prozessor P2 des EV 12 und dem Prozessor P1 der Offboard-Ladestation 17 ausgetauscht. Dies geschieht über eine Niederspannungs-CP-Leitung, wie vorstehend angemerkt, wobei die Ladedaten die jeweiligen Leistungs- und Stromgrenzwerte des EV 12 und der Ladestation 17 einschließen.
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Dann fährt als Reaktion darauf, dass die Leistungs- und Stromgrenzwerte der Ladestation 17 in einem vorgegebenen Bereich liegen, der negative Leistungs- und Stromgrenzwerte angibt, d. h. eine Anforderung nach abgegebener Energie von der Bordstromversorgung 31 vorliegt, das Verfahren 100 mit der Übermittlung der Leistungs- und Stromgrenzwerte des EV 12 an die Ladestation 17 fort, wodurch die Anforderung bestätigt wird. Das Verfahren 100 fährt fort, indem es den Entladevorgang über den Prozessor P2 des EV 12 als Reaktion auf die Bestätigung der Anforderung beginnt. Das Verfahren 100 kann alternativ auch in Form von computerlesbaren Anweisungen auf einem computerlesbaren Speichermedium dargestellt werden. In einer solchen Ausführungsform bewirkt die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor P2 des EV 12, dass das EV 12 das Verfahren 100 wie vorstehend dargelegt durchführt.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren 100 ist somit in der Lage, einen DC-Energieentladungsbetriebsmodus innerhalb des Konstrukts einer standardisierten EV-Ladekommunikation zu erreichen. Auf diese Weise benötigen die Ladestation 17 und das EV 12 nur minimale zusätzliche Logik für den koordinierten Eintritt in den Entlademodus, was Kundenfunktionen wie Hausenergie-Backup, V2G-Übertragung usw. bedingt. Diese und andere potenzielle Vorteile werden von Fachleuten in Anbetracht der vorangegangenen Offenbarung leicht erkannt werden.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, jedoch ist der Schutzumfang der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Lehre ausführlich beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Darüber hinaus schließt diese Offenbarung ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der vorstehend und nachstehend dargestellten Elemente und Merkmale ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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