DE102022128693A1 - Bidirektionales Laden eines Elektrofahrzeugs - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum bidirektionalen Laden eines Elektrofahrzeugs (EV) an einem Ladepunkt (EVSE) umfasst die folgenden Schritte: Aufstellen eines Ladeplans für das Elektrofahrzeug mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung eine maximale Zahl N von Entladevorgängen vorgegeben ist, und Laden des Elektrofahrzeugs mittels dieses Ladeplans. Elektrofahrzeug, wobei das Elektrofahrzeug dazu eingerichtet, seinen Ladevorgang an einem Ladepunkt (EVSE) zu kontrollieren, und dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Ein System weist ein an ein öffentliches Energieverteilnetz (EVN) angeschlossenes lokales Energienetz (LOC) mit mindestens einem Ladepunkt (EVSE), ein mit dem Ladepunkt (EVSE) gekoppeltes Elektrofahrzeug und eine Datenverarbeitungseinrichtung (EV, EVSE, HEMS, IT), auf, welche dazu eingerichtet ist, einen Ladeplan für das Elektrofahrzeug mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung eine maximale Zahl N von Entladevorgängen vorgegeben ist, aufzustellen, wobei das Elektrofahrzeug (EV) gemäß diesem Ladeplan ladbar ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Laden an einem Heimnetz.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum bidirektionalen Laden eines Elektrofahrzeugs an einem Ladepunkt mit den folgenden Schritten: Aufstellen eines Ladeplans für das Elektrofahrzeug mittels einer linearen Optimierung, und Laden des Elektrofahrzeugs mittels dieses Ladeplans. Die Erfindung betrifft auch ein Elektrofahrzeug, wobei das Elektrofahrzeug dazu eingerichtet, seinen Ladevorgang an einem Ladepunkt zu kontrollieren, und dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein System, aufweisend ein an ein öffentliches Energieverteilnetz angeschlossenes lokales Energienetz mit mindestens einem Ladepunkt, ein mit dem Ladepunkt gekoppeltes Elektrofahrzeug und eine Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Ladeplan für das Elektrofahrzeug mittels linearen Optimierung aufzustellen und wobei das System dazu eingerichtet ist, das Elektrofahrzeug gemäß diesem Ladeplan zu laden. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Laden an einem lokalen Energienetz, insbesondere Heimnetz.
• Im Rahmen der Energiewende spielen mit steigendem Volumen die Batteriekapazitäten von Elektrofahrzeugen, EVs, eine wichtige Rolle. So kann durch Entladen von Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen dem Stromversorgungsnetz oder einem lokalen energienetz (auch als „Microgrid“ oder „Heimnetz“ bezeichenbar) Energie zur Verfügung gestellt werden, wenn ein Engpass existiert, was auch als V2G („Vehicle-to-Grid“) bzw. V2H („Vehicle-to-Home“) bekannt ist. Um für einen Nutzer eines Elektrofahrzeugs einen Ladeplan zu berechnen, können verschiedene Optimierungsziele, z.B. im Hinblick auf eine Verfügbarkeit, einen CO₂-Aufwand, einen Tarif usw., unter bestimmten Randbedingungen wie einer voraussichtlichen Abfahrtzeit und einer gewünschten Batterieladung der Antriebsbatterie zum Abfahrtszeitpunkt usw. berücksichtigt werden, um einen optimierten Ladeplan zu berechnen. Dieser Ladeplan wird dann entweder von dem Elektrofahrzeug selbst oder von einem damit verbundenen Ladepunkt ausgeführt bzw. gesteuert. Dabei wird bei der Aufstellung eines Ladeplans jedoch bisher noch nicht die beschleunigte Alterung der Antriebsbatterie durch Auflade- / Entladezyklen berücksichtigt.
• DE 10 2020 216 489 A1 offenbart ein Monitoring- und Informationssystem für den Fahrzeugnutzer und/oder Fahrzeughersteller eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem batterieelektrischen Speicher für die Bereitstellung einer Fahrfunktion, wobei dem batterieelektrischen Speicher eine Zyklus-Lebensdauer zugeordnet ist, das heißt eine Anzahl von maximal nutzbaren Vollzyklen. Hierbei summiert das Monitoring- und Informationssystem sämtliche seit Beginn der Fahrzeug-Gewährleistung genutzte Vollzyklen zu einer aktuellen Ist-Zykluszahl auf. Auf der Grundlage der Ist-Zykluszahl generiert das System Informationen und/oder Handlungsempfehlungen für den Fahrzeugnutzer und/oder Fahrzeughersteller, die die Nutzung des batterieelektrischen Speichers betreffen.
• US 9,112,382 B2 offenbart eine Ladevorhersagedatenbank, die Informationen über Elektrofahrzeuge speichert, die voraussichtlich zum Laden eintreffen werden. Eine Profil-/Ladeinformationsdatenbank speichert Informationen über Elektrofahrzeuge, die angekommen sind und auf das Laden warten. Eine Stromdatenbank speichert Informationen über eine Stromquelle, die mindestens eines von einem Stromnetz und einer stationären Batterie enthält. Eine Energieberechnungseinheit berechnet Energie, die von der Energiequelle verfügbar ist, basierend auf der Energiedatenbank. Eine Planungseinheit plant das Laden der auf das Laden wartenden Elektrofahrzeuge unter Berücksichtigung der voraussichtlich eintreffenden Elektrofahrzeuge.
• US 10,026,134 B2 offenbart ein Lade- und Entladeplanungsverfahren für Elektrofahrzeuge in Lokalnetzen bzw. „Microgrids“ zu Nutzungszeitpreisen, das umfasst: Bestimmen der Systemstruktur des „Microgrids“ und der Eigenschaften jeder Einheit; Einrichten der optimalen Planungszielfunktion des Microgrids unter Berücksichtigung der Abschreibungskosten der Batterie des Elektrofahrzeugs, EV, unter dem Nutzungszeitpreis; Bestimmen der Beschränkungen jedes verteilten Energieerzeugers und jeder EV-Batterie und Bilden eines optimalen Planungsmodells des Microgrids zusammen mit der optimalen Planungszielfunktion des Microgrids; Bestimmen des Betrags, der Start- und Endzeit, des Start- und Endladezustands und anderer grundlegender Berechnungsdaten des Elektrofahrzeugs, das auf das Microgrid zugreift, unter dem Nutzungszeitpreis; Bestimmung der Lade- und Entladeleistung des Elektrofahrzeugs beim Zugang zum Netz, indem das optimale Scheduling-Modell des Microgrids mit einem Partikelschwarm-Optimierungsalgorithmus gelöst wird.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
• Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs an einem Ladepunkt mit den folgenden Schritten:
• - Aufstellen eines Ladeplans für das Elektrofahrzeug mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung (auch als Nebenbedingung oder engl. als „constraint“ bezeichnet) eine maximale Zahl von Entladevorgängen vorgegeben ist, und
• - Laden des Elektrofahrzeugs mittels dieses Ladeplans.
• Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass ein optimierter Ladevorgang zum Laden bereitgestellt werden kann, der durch die Limitierung auf eine nicht zu überschreitenden Zahl von Entladevorgängen eine Abnutzung der Antriebsbatterie des Elektrofahrzeugs verringert. Dadurch lassen sich auch Gewährleistungskosten vermeiden.
• Das Elektrofahrzeug kann beispielsweise ein Plug-In-Hybridfahrzeug, PHEV, oder ein batterie- bzw. vollelektrisch angetriebenes Elektrofahrzeug, BEV, sein. Das Elektrofahrzeug kann ein Personenwagen, Motorrad, Bus, Lastwagen usw. sein.
• Unter einem Laden kann ein Aufladen und/oder Entladen verstanden werden. Das Laden umfasst also die Möglichkeit eines bidirektionalen Ladens.
• Das Verfahren wird durchgeführt, solange das Elektrofahrzeug mit dem Ladepunkt gekoppelt ist, z.B. über ein Ladekabel mit dem Ladepunkt verbunden ist oder auf einem induktiv ladenden Ladeplatz abgestellt ist. Dieser Zeitraum kann als Anschlussdauer oder Ladetransaktion bezeichnet werden.
• Das Aufstellen eines Ladeplans anhand einer linearen Optimierung ist grundsätzlich bekannt und beschäftigt sich mit der Optimierung eines Ladeplans durch lineare Gleichungen und Ungleichungen. Die ganzzahlige lineare Optimierung (auch ganzzahlige Optimierung genannt) unterscheidet sich von der linearen Optimierung dadurch, dass in der ganzzahligen Optimierung einige oder alle Variablen nur ganzzahlige Werte annehmen dürfen und nicht beliebige reelle Werte wie in der linearen Optimierung. Gelten die Ganzzahligkeitsbedingungen wie vorliegend nur für einen Teil der Variablen, spricht man auch von einer gemischt-ganzzahligen Optimierung.
• Die ganzzahlige lineare Optimierung lässt sich in der Standardform als $$\text{max}\left\{c^{T}x\left|Ax\le b,x\ge 0\right|\right\}$$

  

  mit A einer reellen Matrix und b sowie c Vektoren passender Dimension schreiben. Die Bedingung A x ≤ b ist dabei komponentenweise zu verstehen. Bei der gemischt-ganzzahligen Optimierung gilt, dass mindestens eine Komponente von x ganzzahlig ist und insbesondere mindestens einen Komponente von x reell ist.
• Insbesondere kann die Modellierung der gemischt-ganzzahlige Optimierung die folgenden Parameter verwenden (kleingeschriebene Parameter bezeichnen dabei typischerweise durch den Solver zu berechnende Variable, großgeschriebene Parameter vorgegebene Größen):
• - Maximale Entladeleistung p_min;
• - Maximale Aufladeleistung p_max;
• - E_{lim_deg_min}, welches eine Hilfsgröße zur Beschreibung der Degradation der Batterie bei Entladen darstellt;
• - E_{lim_deg_max}, welches eine Hilfsgröße zur Beschreibung der Degradation der Batterie bei Aufladen darstellt
• - ${\alpha }_C=e^{\raisebox{1ex}{$p_{max}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4\left(E_{\text{lim\_deg\_max}}-E_{max}\right)$}\right.},$
  
  beschreibend eine Energiezunahme in der Antriebsbatterie für einen Zeitschritt Δt mit E_max der in der Antriebsbatterie gespeicherten elektrischen Energie im vollgeladenen Zustand der Antriebsbatterie;
• - ${\alpha }_D=e^{\raisebox{1ex}{$p_{min}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4\left(E_{\text{lim-deg\_min}}-E_{min}\right)$}\right.},$
  
  beschreibend eine Energieabnahme in der Antriebsbatterie für einen Zeitschritt Δt mit E_min der in der Antriebsbatterie gespeicherten elektrischen Energie im voll entladenen Zustand der Antriebsbatterie, z.B. mit E_min = 0;

und/oder die folgenden Variablen:
• - e_t ∈ ℝ⁺, mit e_t der in der Antriebsbatterie gespeicherten elektrischen Energie zum Zeitpunkt t;
• - p_t = p_t ⁺ - p_t ^-, mit p_t der Ladeleistung, pt⁺ dem Betrag der Aufladeleistung und p_t ^- dem Betrag der Entladeleistung, jeweils zum Zeitpunkt t
• - $z_t=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}p<0\\ \mathrm{0,}p>0\end{array}$
  
• - $d_t=\{\begin{array}{c}\mathrm{1,}beiEntladungzuBeginndesLadevorgangs\\ \mathrm{0,}sonst\end{array}$
  
wobei t ∈ (1 .. H) mit H der Anschlussdauer bzw. allg. einem betrachteten Zeithorizont des Ladevorgangs entspricht, und/oder die folgenden Randbedingungen:
• (Leistung)
  • - p_t ⁺, p_t ^- ≥ 0
  • - p_t ^- ≤ - p_min
  • - p_t ⁺ ≤ p_max
  • - p_min ≤ p_t ≤ p_max
• (Energie)
  • - e_min ≤ e_t ≤ e_max
  • - e_plugin = E_plugin
  • - e_t = e_t-1 + 0,25 · p_t-1
• (Degradation)
  • - e_t ≤ α_D· e_t+1 + (1 - α_D) · E_{lim_deg_min}
  • - e_t ≥ α_C· e_t+1 + (1 - α_C) · E_{lim_deg_max}
• (Umschaltung Aufladen / Entladen)
  • - z_t ∈ {0; 1}
  • - p_t ⁺ ≤ M (1 - z), mit M einer sehr groß gewählten Zahl als Hilfskonstrukt zur Fingierung von „Unendlich“
  • - p_t ^- ≤ M · z
• (Delta)
  • - d_t ∈ {0; 1}
  • - d_t ≤ z_t - z_t-1
  • - Σ_t d_t ≤ N
mit N ∈

der maximalen Zahl erlaubter Entladevorgänge. Die „Delta-Randbedingung“ stellt sicher, dass sich im z-Vektor keine „Löcher“ befinden, indem sie verlangt, dass das Muster [0; 1] (Aufladen -> Entladen) maximal N mal auftritt. Die Delta-Randbedingung umfasst also die Definition einer Variable für die Zahl N der erlaubten Entladevorgänge während eines Anschluss-Zeitraums bzw. einer Ladetransaktion (z.B. von Einstecken / Plugin bis Abstecken / Plugout eines Ladekabels) sowie die Nutzung dieser Variable als Nebenbedingung („Constraint“) im Optimierungsmodell zur Limitierung der Entladevorgänge.
• Die konkrete Berechnung des Ladeplans, insbesondere als Ladeleistung über die Zeit, lässt sich nach Füllen der ganzzahligen linearen Optimierung mit den entsprechenden Eingaben durch ein handelsübliches Softwareprogramm (auch als „Solver“ bezeichnet) durchführen.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass der Ladeplan auf eine Minimierung von Kosten hin optimiert ist und dazu zumindest für einen voraussichtlichen Anschlusszeitraum des Elektrofahrzeugs an dem Ladepunkt prognostizierte Bezugskosten und eine prognostizierte Einspeisungsvergütung nutzt. Die prognostizierten Bezugskosten für aus dem Netz bezogenen Strom und die prognostizierte Einspeisungsvergütung können beispielsweise von einem Betreiber eines Energieverteilnetzes bereitgestellt werden, an den der Ladepunkt angeschlossen ist, z.B. in Form sog. „Incentive-Tabellen“. Die prognostizierten Bezugskosten und die prognostizierte Einspeisungsvergütung sind typischerweise abhängig von einer Tageszeit, dem Wetter, einem Verbraucherverhalten, usw. Die zu lösende Optimierungsaufgabe kann beispielsweise darauf gerichtet sein, Strom aus dem Energieverteilnetz zu beziehen, wenn dieser preiswert ist, und Strom in das Energieverteilnetz einzuspeisen, wenn dafür eine hohe Vergütung gezahlt wird.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass der Ladeplan auf eine Minimierung einer CO₂-Emission hin optimiert ist und dazu zumindest für einen voraussichtlichen Anschlusszeitraum des Elektrofahrzeugs an dem Ladepunkt prognostizierte Bezugskosten und eine prognostizierte Einspeisungsvergütung nutzt. Die CO₂-Emission beschreibt, wieviel CO₂ zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgebracht werden muss, um einen bestimmte elektrische Leistung zu erzeugen. Die CO₂-Emission kann ebenfalls beispielsweise von einem Betreiber eines Energieverteilnetzes bereitgestellt werden, an den der Ladepunkt angeschlossen ist, z.B. in Form sog. „Incentive-Tabellen“. Die zu lösende Optimierungsaufgabe kann beispielsweise darauf gerichtet sein, Strom aus dem Energieverteilnetz zu beziehen, wenn dieser besonders CO₂-arm hergestellt worden ist, und Strom in das Energieverteilnetz einzuspeisen, wenn dadurch ein relativ hoher CO₂-Ausstoß vermieden werden kann.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass der Ladeplan durch das Elektrofahrzeug erstellt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass das Elektrofahrzeug zum Erstellen des Ladeplans nur geringfügig auf fahrzeugexterne Instanzen angewiesen ist. Das Elektrofahrzeug kann die zum Erstellen des Ladeplans notwendigen Informationen wie beispielsweise Incentive-Tabellen mittels Kommunikation mit dem Ladepunkt und/oder direkt über das Internet von einem Netzbetreiber, Wetterdienst usw. empfangen.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass der Ladeplan durch eine fahrzeugexterne Instanz erstellt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass die Rechenleistung des Elektrofahrzeugs nicht zum Aufstellen des Ladeplans benötigt wird. Der Ladeplan kann nach seiner Aufstellung an das Elektrofahrzeug übermittelt werden.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass die fahrzeugexterne Instanz der Ladepunkt ist. Dies lässt sich besonders einfach umsetzen.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass die fahrzeugexterne Instanz Hausenergiemanagementsystem („HEMS“) ist. Dies ergibt den Vorteil, dass der Ladeplan auch aufgrund von Information über das lokale Energienetz aufgestellt werden kann, beispielsweise unter Berücksichtigung einer an das lokale Energienetz angeschlossenen Energieerzeugungsanlage und/oder eines an das lokale Energienetz angeschlossenen Stationärspeichers.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass die fahrzeugexterne Instanz eine Netzwerkinstanz ist, z.B. ein Netzwerkserver oder ein Cloudrechner. Dies entlastet vorteilhafterweise das Elektrofahrzeug als auch den Ladepunkt und das HEMS von der Berechnung des Ladeplans. Die Netzwerkinstanz kann z.B. ein Fahrzeug-Backend oder ein Ladepunkt-Backend sein.
• Diese fahrzeugexternen Instanzen können zum Aufstellen eines Ladeplans auch in beliebiger Kombination zusammenarbeiten. Auch ist es möglich, dass zum Erstellen des Ladeplans das Elektrofahrzeug mit einer oder mehreren fahrzeugexternen Instanz zusammenarbeitet.
• Der Ladevorgang kann durch den Ladepunkt oder durch das Elektrofahrzeug kontrolliert bzw. gesteuert werden.
• Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Elektrofahrzeug, wobei das Elektrofahrzeug dazu eingerichtet, seinen Ladevorgang an einem Ladepunkt zu kontrollieren, und dazu eingerichtet ist, das Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen. Das Elektrofahrzeug kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
• Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein System, aufweisend ein an ein öffentliches Energieverteilnetz angeschlossenes Energienetz mit mindestens einem Ladepunkt, ein mit dem Ladepunkt gekoppeltes Elektrofahrzeug und eine Datenverarbeitungseinrichtung, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Ladeplan für das Elektrofahrzeug mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung eine maximale Zahl N von Entladevorgängen vorgegeben ist, aufzustellen und wobei das System dazu eingerichtet ist, das Elektrofahrzeug gemäß diesem Ladeplan zu laden. Das System kann analog zu dem Verfahren und/oder dem Elektrofahrzeug ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
• Die Datenverarbeitungseinrichtung kann in das Elektrofahrzeug integriert sein (z.B. dessen Bordelektronik sein) und/oder kann in mindestens eine fahrzeugexterne Instanz wie den Ladepunkt, das HEMS, die netzwerkbasierte Datenverarbeitungseinrichtung, usw. integriert sein.
• Es ist eine Ausgestaltung, dass das mit dem mindestens einen Ladepunkt ausgerüstete lokale Energienetz ein Heimenergienetz ist, d.h., ein zu einer Liegenschaft, insbesondere Ein- oder Mehrfamilienhaus, gehöriges lokales Energienetz. An das lokale Energienetz kann eine regenerative Energieerzeugungsanlage wie einen Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage angeschlossen sein. An das lokale Energienetz kann ein stationärer elektrischer Zwischenspeicher („Stationärspeicher“) angeschlossen sein.
• Das lokale Energienetz kann an dem Netzübergangspunkt zu dem Energieverteilnetz ein intelligentes Energiemessgerät (auch als „Smart Meter“ bekannt) aufweisen.
• 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 System mit einer Liegenschaft und einem Elektrofahrzeug;
• 2 zeigt zeitliche Verläufe von Kosten und Einspeisevergütung als Auftragung eines Preises in beliebigen Einheiten über Zeitpunkte t des Anschlusses des Elektrofahrzeugs an einem Ladepunkt der Liegenschaft in Prozent; und
• 3 zeigt als Auftragung einer Batterieladung eines Antriebsbatterie des Elektrofahrzeugs (linke y-Achse) sowie eine Auftragung einer Ladeleistung (rechte y-Achse), jeweils über die Zeitpunkte t des Anschlusses des Elektrofahrzeugs eines Ladevorgangs, einen mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung mit vorgegebener maximaler Zahl N = 2 Entladevorgängen aufgestellten Ladeplan.
• 1 zeigt ein System mit einer Liegenschaft z.B. in Form eines Einfamilienhauses HOME und einem Elektrofahrzeug EV.
• Das Einfamilienhaus HOME weist ein lokales Energienetz LOC auf, das über einen Netzanschlusspunkt NCP mit einem öffentlichen Energieverteilnetz EVN verbunden ist. An dem Netzanschlusspunkt NCP befindet sich ein Smart Meter SM, das den Stromfluss bzw. die aktuell über den Netzanschlusspunkt NCP fließende Leistung in beiden Richtungen messen kann. An das lokale Energienetz LOC sind mehrere ungeregelte Verbraucher oder Lasten L sowie optional eine Energieerzeugungsanlage in Form einer Photovoltaik-Anlage PV und optional ein Stationärspeicher SES angeschlossen.
• An das lokale Energienetz LOC ist außerdem ein Ladepunkt EVSE z.B. in Form einer Wallbox zum Anschließen des Elektrofahrzeugs EV über ein Ladekabel K angeschlossen. Der Ladepunkt EVSE und das Elektrofahrzeug EV sind zum bidirektionalen Laden, d.h., Aufladen und Entladen, des Elektrofahrzeugs EV an dem Ladepunkt EVSE eingerichtet und können über das Ladekabel K kommunizieren, z.B. gemäß einem ISO 15118-konformen Datenaustausch.
• Der Ladepunkt EVSE sowie, falls vorhanden, die Photovoltaik-Anlage PV und der Stationärspeicher SES, sind über einen Kommunikationskanal COM mit dem Smart Meter SM verbunden und erhalten darüber die Messwerte über die aktuelle Leistungs(bilanz) am Netzanschlusspunkt NCP. Die Photovoltaik-Anlage PV und der Stationärspeicher SES können in einer Weiterbildung so geregelt werden, dass sie versuchen, am Netzanschlusspunkt NCP eine Null-Last-Regelung zu erreichen.
• Ferner kann eine netzwerkbasierte Datenverarbeitungsvorrichtung IT vorhanden sein, welche mit dem Smart Meter SM, dem Ladepunkt EVSE, dem Elektrofahrzeug EV usw. kommunizieren kann. Außerdem kann ein Heimmanagementsystem HEMS vorhanden sein, das als eigenständige Einrichtung vorliegen kann oder z.B. in den Ladepunkt EVSE integriert sein kann.
• Wird das Elektrofahrzeug EV an dem Ladepunkt EVSE angeschlossen, wird mittels des Elektrofahrzeugs EV, des Ladepunkts EVSE, des Heimmanagementsystems HEMS und/oder der Datenverarbeitungsvorrichtung IT ein Ladeplan erstellt, welcher unter Berücksichtigung bestimmter Rand- oder Nebenbedingungen erreichen soll, dass das Elektrofahrzeug EV zu einem bestimmten Zeitpunkt einen gewünschten Ziel-Ladezustand aufweist und das Laden dabei beispielsweise besonders kostengünstig durchgeführt wird. Zur Aufstellung des Ladeplans können beispielsweise folgende Informationen berücksichtigt werden:
• - Anfangs-Ladezustand zum Anschlusszeitpunkt;
• - Maximale Aufladeleistung;
• - Maximale Entladeleistung;
• - Ladezustand und Ladeleistung des Stationärspeichers SES;
• - Prognostizierter zeitlicher Verlauf der Kosten PK für eine Abnahme von Strom aus dem Energieverteilnetz EVN zumindest für die Dauer des Anschlusses des Elektrofahrzeugs EV;
• - Prognostizierter zeitlicher Verlauf der Vergütung PE für eine Einspeisung von Strom in das Energieverteilnetz EVN zumindest für die Dauer des Anschlusses des Elektrofahrzeugs EV;
• - Prognostizierter zeitlicher Verlauf der Einspeiseleistung der Photovoltaik-Anlage PV in das lokale Energienetz LOC zumindest für die Dauer des Anschlusses des Elektrofahrzeugs EV.
• Außerdem soll die Zahl der während des Ladevorgangs durchgeführten Entladevorgänge bzw. Entladephasen eine bestimmte Maximalzahl N nicht überschreiten.
• Der Ladeplan kann beispielsweise von dem Heimmanagementsystem HEMS erstellt werden und dann über den Ladepunkt EVSE an das Elektrofahrzeug EV übertragen werden, welches den Ladevorgang steuert, oder kann alternativ an den Ladepunkt EVSE übertragen werden, welcher den Ladevorgang steuert.
• 2 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe der prognostizierten Kosten PK und der prognostizierten Einspeisevergütung PE als Auftragung eines Preises in beliebigen Einheiten über Zeitpunkte t des Anschlusses des Elektrofahrzeugs EV an dem Ladepunkt EVSE in Prozent. Während zu einigen Zeitpunkten die Kosten PK über der Einspeisevergütung PE liegen, ist dies für andere Zeitpunkte umgekehrt.
• 3 zeigt eine Auftragung einer Batterieladung e der Antriebsbatterie des Elektrofahrzeugs EV (linke y-Achse) sowie eine Auftragung einer Ladeleistung p (rechte y-Achse), jeweils über die Zeitpunkte t des Ladevorgangs, der mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung mit vorgegebener maximaler Zahl N = 2 von Entladevorgängen aufgestellt worden ist. Dabei wurden die in 2 gezeigten zeitlichen Verläufe der prognostizierten Kosten PK und der prognostizierten Einspeisevergütung PE zugrundegelegt, und es wurden weder die Photovoltaik-Anlage PV noch der Stationärspeicher SES berücksichtigt.
• Zur Aufstellung des Ladeplans wurden zusätzlich zu den bereits oben beschriebenen Beziehungen folgende Annahmen zugrundegelegt:
• - Maximale Entladeleistung p_min = -25 kW;
• - Maximale Aufladeleistung p_max = +25 kW;
• - E_{lim_deg_min} = -1
• - E_{lim_deg_max} = 101
• Ein zeitlicher Verlauf der Ladeleistung p_t zu den jeweiligen Zeitpunkten t zeigt, dass gemäß dem Ladeplan zur nach Anschluss des Elektrofahrzeugs EV die Antriebsbatterie zunächst entladen wird (p_t < 0), wobei der Beginn dieser ersten Entladephase durch den linken mit DE bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Dadurch sinkt die Batterieladung e_t der Antriebsbatterie, bis sie null erreicht, als die Antriebsbatterie vollständig entladen ist.
• Es folgt eine Phase ohne Laden (Aufladen oder Entladen) mit entsprechend unveränderter Batterieladung e_t, an die sich eine Aufladephase mit p_t > 0 anschließt, bei der die Batterieladung e_t bis zu ihrem vollständig aufgeladenen Zustand aufgeladen wird. An diese Aufladephase schließt sich eine Phase ohne Laden mit entsprechend unveränderter Batterieladung e_t an, an welche sich eine zweite Entladephase anschließt, wie durch den rechten Pfeil DE angedeutet. Diese zweite Entladephase wird beendet, wenn die Batterieladung e_t auf einen gewünschten Ziel-Ladezustand abgesunken ist, z.B. auf 70 %. Dem schließt sich noch eine Phase ohne Laden an. Der gezeigte Ladeverlauf ermöglich ein Laden der Antriebsbatterie unter möglichst geringen Kosten und unter Begrenzung der Zahl der dabei nutzbaren Entladephasen auf eine bestimmte Maximalzahl N, die bei der Umsetzung des Ladeplans voll ausgenutzt werden kann, aber nicht voll ausgenutzt zu werden braucht.
• Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
• So kann der Ladeplan grundsätzlich an jedem Ladepunkt angeschlossen werden, für den 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

COM

Kommunikationskanal

DE

Beginn einer Entladephase

e

Batterieladung

et

Batterieladung zum Zeitpunkt t

EV

Elektrofahrzeug

EVN

Energieverteilnetz

EVSE

Ladepunkt

HEMS

Heimmanagementsystem

HOME

Einfamilienhaus

IT

Datenverarbeitungsvorrichtung

L

Last

LOC

Lokales Energienetz

NCP

Netzanschlusspunkt

p

Ladeleistung

pt

Ladeleistung zum Zeitpunkt t

PE

Einspeisungsvergütung

PK

Abnahmekosten

PV

Photovoltaik-Anlage

SES

Stationärspeicher

SM

Smart Meter

t

Zeitpunkt

• 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
• DE 102020216489 A1 [0003]
• US 9112382 B2 [0004]
• US 10026134 B2 [0005]

Claims (10)

1. Verfahren zum bidirektionalen Laden eines Elektrofahrzeugs (EV) an einem Ladepunkt (EVSE) mit den folgenden Schritten: - Aufstellen eines Ladeplans für das Elektrofahrzeug (EV) mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung eine maximale Zahl N von Entladevorgängen vorgegeben ist, und - Laden des Elektrofahrzeugs (EV) mittels dieses Ladeplans.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Randbedingung betreffend der maximalen Zahl N von Entladevorgängen die Bedingungen Σ_t d_t ≤ N mit d_t ∈ {0; 1} und d_t ≤ z_t - z_t-1 umfasst, wobei z_t den Wert eins annimmt, wenn das Elektrofahrzeug (EV) zu einen aktuell betrachteten Zeitpunkt t entladen wird, und den Wert null annimmt, wenn das Elektrofahrzeug (EV) zu dem Zeitpunkt t aufgeladen wird, und wobei t-1 einen unmittelbar vor dem aktuellen Zeitpunkt t liegenden Zeitpunkt bezeichnet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladeplan auf eine Minimierung von Kosten hin optimiert ist und dazu zumindest für einen voraussichtlichen Anschlusszeitraum des Elektrofahrzeugs (EV) an dem Ladepunkt (EVSE) prognostizierte Bezugskosten und eine prognostizierte Einspeisungsvergütung nutzt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladeplan auf eine Minimierung einer CO₂-Emission hin optimiert ist und dazu zumindest für einen voraussichtlichen Anschlusszeitraum des Elektrofahrzeugs (EV) an dem Ladepunkt (EVSE) prognostizierte Bezugskosten und eine prognostizierte Einspeisungsvergütung nutzt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladeplan durch das Elektrofahrzeug (EV) erstellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ladeplan durch eine fahrzeugexterne Instanz (EVSE, HEMS, IT) erstellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die fahrzeugexterne Instanz (EVSE, HEMS, IT) - der Ladepunkt (EVSE), - ein Hausenergiemanagementsystem (HEMS) und/oder - eine Netzwerkinstanz (IT) ist.
8. Elektrofahrzeug (EV), wobei das Elektrofahrzeug (EV) dazu eingerichtet, seinen Ladevorgang an einem Ladepunkt (EVSE) zu kontrollieren, und dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
9. System, aufweisend - ein an ein öffentliches Energieverteilnetz (EVN) angeschlossenes lokales Energienetz (LOC) mit mindestens einem Ladepunkt (EVSE), - ein mit dem Ladepunkt (EVSE) gekoppeltes Elektrofahrzeug (EV) und - eine Datenverarbeitungseinrichtung (EV, EVSE, HEMS, IT), wobei - die Datenverarbeitungseinrichtung (EV, EVSE, HEMS, IT) dazu eingerichtet ist, einen Ladeplan für das Elektrofahrzeug (EV) mittels einer gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung, bei der als eine Randbedingung eine maximale Zahl N von Entladevorgängen vorgegeben ist, aufzustellen und wobei - das System dazu eingerichtet ist, das Elektrofahrzeug (EV) gemäß diesem Ladeplan zu laden.
10. System nach Anspruch 9, wobei das mit dem mindestens einen Ladepunkt (EVSE) ausgerüstete lokale Energienetz (LOC) ein Heimenergienetz ist.