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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Ladevorrichtung sowie eine Ladevorrichtung, die mit einem derartigen Verfahren gesteuert oder geregelt wird.
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Stand der Technik
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Gängige Ladestrategien von Energiespeichern von batteriebetriebenen Fahrzeugen berücksichtigen zur Steuerung oder Regelung der Ladeleistung unter anderem den Ladezustand, die Batterietemperatur, die Zellspannung sowie den Alterungszustand der Batterie. Üblicherweise werden diese Daten fahrzeugseitig erhoben und zur Bestimmung der benötigten und/oder erlaubten Ladeleistung an die Ladeinfrastruktur übermittelt, zum Beispiel an eine Ladestation.
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Die Ladeinfrastruktur benötigt dagegen ein Lastmanagement, um bei mehreren angeschlossenen Fahrzeugen oder Energiespeichern die Versorgung sicherzustellen, insbesondere wenn die installierte Anschlussleistung nicht auf die Spitzenlast aller Ladesäulen ausgelegt ist. Das Lastmanagement kann dabei insbesondere externe Randbedingungen wie die aktuelle Netzauslastung oder einen zeitlich variierenden Strompreis berücksichtigen. Darüber hinaus gibt es Ladesysteme, bei denen der Nutzer sich einen Stellplatz sowie einen (zeitlichen) Ladeslot im Voraus sicher kann, um sicherzugehen, dass bei Ankunft an die Ladestation eine Lademöglichkeit vorgefunden wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Ladestrategie einer Ladevorrichtung beschrieben werden, bei der auch fahrzeug- oder speicherspezifische Informationen bei der Steuerung des Ladvorgangs berücksichtigt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Ladevorrichtung für elektrische Energiespeicher sowie eine entsprechende Ladevorrichtung beansprucht. Dabei sind die elektrischen Energiespeicher insbesondere für Fahrzeuge vorgesehen, wobei es für die Erfindung unwesentlich ist, ob die Energiespeicher fest verbaut oder austauschbar ausgestaltet sind. Weiterhin ist es unerheblich, ob die Energiespeicher dazu verwendet werden können, das Fahrzeug anzutreiben oder für andere Zwecke im Fahrzeug vorgesehen sind. Unter einem Fahrzeug im weiteren Sinne soll beispielsweise ein Kraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug, ein Elektrofahrrad, ein eScooter, ein Segway, ein Rollstuhl, ein Kraftrad aber auch ein sich autonom bewegendes (Transport-) Fahrzeug zu verstehen sein. Alternativ kann mit dem beanspruchten Verfahren eine Ladestrategie für andere elektrische Energiespeicher abseits von Fahrzeugen vorgesehen sein, wie sie beispielsweise bei Consumerprodukte zum Einsatz kommen.
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Bei dem beanspruchten Verfahren ist vorgesehen, dass wenigstens zwei elektrische Energiespeicher an eine Ladevorrichtung zum Laden angeschlossen sind. Dabei wird die Reihenfolge der Beladung in Abhängigkeit von erfassten Temperaturgrößen und Ladezustandsgrößen der angeschlossenen elektrischen Energiespeicher festgelegt.
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Durch eine Berücksichtigung der Temperatur der elektrischen Energiespeicher kann die im Normalfall begrenzt zur Verfügung stehende Ladeleistung für ein optimales Ladeergebnis auf die angeschlossenen Energiespeicher aufgeteilt werden. Indem die Ladestrategie die Temperatur der einzelnen Energiespeicher erfasst, kann festgelegt werden, welcher Energiespeicher am effizientesten geladen werden kann, ohne vorher Energie in die Erwärmung des Energiespeichers aufwenden zu müssen.
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Die begrenzt zur Verfügung stehende Ladeleistung einer Ladevorrichtung wird üblicherweise durch die zu realisierende maximal möglich Dauerleistung dargestellt. Durch eine sequentielle Aufteilung der Beladung nach der Effizienz der Beladung kann bei einer gegebenen Ladeleistung ein schnelleres Laden aller angeschlossenen Energiespeicher erreicht werden, indem verhindert wird, dass unnötige Erwärmungsprozesse vorgenommen werden müssen.
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In einer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Reihenfolge der insbesondere sequentiellen oder getakteten abwechselnden Beladung in Abhängigkeit des Erreichens oder der Überschreitung eines Temperaturschwellenwerts durch die entsprechend erfasste Temperatur der einzelnen Energiespeicher festgelegt wird. Durch die derartige Berücksichtigung einer Mindesttemperatur kann erkannt werden, dass die bereit gestellte Energie für die Beladung des Energiespeichers allenfalls zu einem kleinen Teil für die Erwärmung des Energiespeichers aufgewendet werden muss. Stattdessen wird der größere Anteil der Ladeenergie tatsächlich zur Beladung des Energiespeichers verwendet.
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Der Temperaturschwellenwert kann in einer Fortbildung der Erfindung in Form einer Ladetemperatur vorliegen, bei der eine effiziente Beladung des jeweiligen Energiespeichers möglich ist. Durch die Berücksichtigung dieser Ladetemperatur kann erreicht werden, dass zur Beladung des Energiespeichers kein oder nur der wirklich notwendige Teil der eingebrachten elektrischen Energie zur Erwärmung des Energiespeichers verwendet werden muss. Der wesentlich größere Teil der eingespeisten Energie wird in diesem Fall tatsächlich in den jeweiligen Energiespeicher gespeichert.
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So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zunächst der Energiespeicher geladen wird, dessen Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur oder auch der Ladetemperatur liegt, um diesen Energiespeicher zu beladen. Anschließend wird ein weiterer oder der nächste Energiespeicher befüllt, bei dem die Erwärmung durch die Ansteuerung bei der Beladung den geringsten Energieverlust erzeugt. In diesem Fall kann verhindert werden, dass ein Energiespeicher von der bereits vorhandenen Ladetemperatur abkühlt und erneut erwärmt werden muss.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Energiespeicher getaktete oder abwechselnd zur Beladung angesteuert werden, wobei der Energiespeicher mit einer höheren Temperatur, insbesondere oberhalb des Temperaturschwellenwerts, einen höheren Ladestrom und/oder eine höhere zeitliche Taktung erhält. In diesem Fall kann der bereits ausreichend erwärmte Energiespeicher schon geladen werden, während der andere Energiespeicher beziehungsweise der Energiespeicher, der die zweithöchste Temperatur aufweist, durch die getaktete Beladung auf die Ladetemperatur gebracht wird. Optional kann auch vorgesehen sein, dass durch die Taktung oder die abwechselnde Ansteuerung erreicht werden, dass ein Energiespeicher nicht auskühlt. Eine derartige Ansteuerung kann sinnvoll sein, wenn eine übergeordnete Priorität zur Beladung eines der Energiespeicher vorliegt. Weiterhin kann auch das Erreichen einer ausreichenden Beladungskapazität dazu führen, dass vor der vollständigen Beladung mittels der getakteten Ansteuerung ein zweiter oder dritter Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Dies hätte einen Vorteil, wenn die Restbeladung des Energiespeichers unverhältnismäßig viel Zeit in Anspruch nimmt oder das Erreichen einer ausreichenden Beladungskapazität für die beabsichtigte Nutzung des Energiespeichers ausreicht.
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Mit der vorgeschlagenen Taktung kann auch erreicht werden, dass zumindest zwei Energiespeicher gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig die Ladetemperatur erreichen.
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In einer Fortbildung der Erfindung wird aus der Temperaturgröße eine Abkühlzeit des jeweiligen Energiespeichers bestimmt, in der sich der Energiespeicher unter die Ladetemperatur, die Mindesttemperatur oder allgemein den Temperaturschwellenwert abkühlt. In einer erste Ausgestaltung kann diese Abkühlzeit zum Beispiel basierend auf der Umgebungstemperatur ohne den Eintrag zusätzlicher Energie durch einen (geringeren) Ladevorgang bestimmt werden. Bei einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dem Energiespeicher eine geringe Menge an Ladeenergie zuzuführen, die ausreicht, das Auskühlen zu verringern oder der Auskühlung gänzlich entgegenzuwirken. In diesem Fall kann die Auskühlzeit auch in Abhängigkeit der zugeführten (geringen) Ladeenergie bestimmt werden. Indem die Abkühlzeit bei der Festlegung der Reihenfolge der Beladung mit berücksichtigt wird, kann weiterhin eine optimiert, das heißt oberhalb der Ladetemperatur beziehungsweise Mindesttemperatur liegende Ladebedingung erfüllt werden.
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Bei der Berücksichtigung der Abkühlzeit kann das Verfahren zumindest teilweise die festgelegte Reihenfolge beziehungsweise Priorisierung ändern, insbesondere in einem bestimmten Zeitraum oder einer bestimmten Zeitdauer. Dieser Zeitraum oder diese Zeitdauer kann kleiner als die Abkühlzeit sein. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn ein neuer Energiespeicher an die Ladestation angeschlossen oder zur Beladung angekündigt wird.
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Das Verfahren kann in einer Weiterbildung eine (beabsichtigte) Ladestartzeit und/oder eine (beabsichtigte) Ladeendzeit wenigstens eines der an der Ladestation angeschlossenen oder anzuschließenden Energiespeicher erfassen. Indem die Ladestartzeit und/oder die Ladeendzeit berücksichtigt werden, kann die Reihenfolge der Beladung zusätzlich zur Temperatur der Energiespeicher festgelegt werden, um eine effiziente Beladung aller Energiespeicher zu ermöglichen. Auch die Erfassung einer vorgebbaren Nutzungsinformation für die Beladungskapazität der Energiespeicher kann in die Festlegung der Reihenfolge und somit der Ladestrategie einfließen.
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Im Fall der Nutzung des Verfahrens zur Beladung von Energiespeichern von Fahrzeugen kann so beispielsweise die Ankunftszeit an der Ladestation sowie der beabsichtigte Zeitpunkt zur Weiterfahrt berücksichtigt werden. Somit können Energiespeicher, die vor anderen Energiespeichern verwendet werden sollen, mit Berücksichtigung der Temperatur der Energiespeicher sowie eventuell der Abkühlzeit früher beladen werden, ohne dass die anderen Energiespeicher ein unverhältnismäßig längere Ladezeit aufweisen. Ähnlich kann auch die Nutzungsinformation zur Ableitung der Reihenfolge der Beladung dienen, indem beispielsweise die beabsichtigte zu befahrende Strecke bis zum Ziel oder bis zur nächsten planmäßig anzusteuernden Ladestation berücksichtigt wird. In diesem Fall könnte beispielsweise auf eine vollständige Beladung des Energiespeichers verzichtet werden.
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Für die Festlegung der Reihenfolge der Beladung, insbesondere auch für die Festlegung der Taktung der Ansteuerung, kann zudem die zur Beladung erforderliche Energiemenge herangezogen werden. In diesem Fall kann das Verfahren die Nennkapazität der jeweils an die Ladestation angeschlossenen Energiespeicher erfassen. Alternativ kann auch eine bei den letzten Beladungsvorgängen erreichte Beladungskapazität der einzelnen Energiespeicher erfasst oder abgeleitet werden. Die erforderliche Energiemenge kann anschließend in Form einer Ladedifferenz zwischen der Nennkapazität oder erreichten Beladungskapazität und der aktuellen Ladezustandsgröße des jeweiligen Energiespeichers bestimmt werden. So kann je nach Ausgestaltung des Verfahrens nach der Berücksichtigung der vorliegenden (Lade-)Temperatur zunächst die Beladung mit der kleinsten oder größten erforderlichen Ladedifferenz priorisiert werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- Die 1 stellt eine Ladestation zur Beladung von mehreren Energiespeichern dar. In der 2 wird eine Steuereinheit gezeigt, die eine Ladestation steuert, wie sie in 1 gezeigt wird. Ein mögliches erfindungsgemäßes Verfahren, welches durch die Steuereinheit ausgeführt wird, ist im Flussdiagramm der 3 gezeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine Ladestation 10, wie sie in der 1 dargestellt ist, kann derart ausgestaltet sein, dass an ihr mehrere Energiespeicher 20, 30 und 40 insbesondere gleichzeitig zum Laden angeschlossen werden können. Die Ladestation 10 beziehungsweise ein in ihr befindliches Steuerungssystem kann die Steuerung der elektrischen Energie zur Beladung der Energiespeicher 20, 30 und 40 in vielfältiger Weise steuern und/oder regeln. Eine einfache Steuerung könnte beispielsweise nach dem FIFO Prinzip verlaufen, wonach bei einer begrenzten Ladeleistung der Ladestation 10 der erste angeschlossene Energiespeicher auch zuerst (vollständig) beladen wird, wenn eine gleichzeitige Beladung mehrerer angeschlossener Energiespeicher nicht möglich ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und damit auch eine Ladestation vorgestellt, bei der weitere Randbedingungen berücksichtigt werden, um die Zeitdauer des Ladens bei mehreren angeschlossenen Energiespeichern auf das Notwendigste zu reduzieren, wenn die Ladeleistung begrenzt ist. Für die Erfindung wird dabei im Wesentlichen die Temperatur der Energiespeicher erfasst, da diese einen großen Einfluss auf die Effizienz des Ladens hat. Wird ein Energiespeicher mit einer zu geringen Temperatur mit elektrischer Energie beladen, muss zunächst ein gewisser Teil der Energie aufgewendet werden, um den Energiespeicher in den effizienten Ladezustand zu bekommen. Die zur Erwärmung verwendete Energie steht nicht mehr für die Erhöhung der Energie im Energiespeicher zu Verfügung. Darüber hinaus kann auch bei einer getakteten Ansteuerung oder einer nicht optimierten sequentiellen Lade-Reihenfolge ein Abkühlen von Energiespeichern auftreten, so dass eine erneute oder zusätzliche Erwärmung notwendig ist.
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In der 2 ist beispielhaft eine Steuereinheit 100 dargestellt, wie sie in einer Ladestation 10 zur Steuerung und/oder Regelung der Beladung von angeschlossenen Energiespeichern eingesetzt werden kann. Die Steuereinheit 100 ermöglicht über einen entsprechenden Signalpfad die Erfassung von Temperaturgrößen Tn der angeschlossenen Energiespeicher 20, 30 und 40. Hierbei können entsprechenden Temperatursensoren 120 in den Energiespeichern vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können die Temperaturgrößen auch aus anderen physikalischen und/oder chemischen Größen der Energiespeicher oder auch deren Nutzung angeleitet werden. Weiterhin wird von den jeweiligen Energiespeichern 20, 30 und 40 mittels eines geeigneten Erfassungs- und/oder Bestimmungsmittels 130 eine Ladezustandsgröße SoCn erfasst, die den entsprechenden Ladezustand repräsentiert. Optional kann zusätzlich noch die Ladeleistung des Energiespeichers und/oder des Fahrzeugs 140 erfasst werden, in dem sich der jeweilige Energiespeicher befindet. Aus den so erfassten Größen und/oder Werten kann die Steuereinheit 100 eine Reihenfolge bei der Ansteuerung oder Regelung der Ladeeinrichtung 160 der Ladestation festlegen. Hierzu kann die Steuereinheit 100 auf intern in einem Speicher 110 abgelegte Daten und Information zugreifen.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zu den Energiespeichern und deren beabsichtige oder gewünschte Beladung weitere Informationen vorliegen. Hierbei kann ein System 150 vorgesehen sein, welche diese Informationen automatisch erfasst oder mittels dem der Nutzer der Energiespeicher entsprechende Informationen manuell eingibt. Bei diesen Informationen kann es sich beispielsweise um (beabsichtigte) Startzeiten der Beladung sowie um das (beabsichtigte) Ladeende handeln. So kann ein Nutzer die Beladung seines Energiespeichers ankündigen, indem er die Ankunftszeit seines Fahrzeugs sowie die beabsichtigte Abfahrtszeit an der Ladestation mittels einer App oder allgemein mittels elektronischer Informationsübermittlungen vorauswählt. In diesem Fall kann die Ladestation basierend auf diesen Informationen die Beladung aller zum Zeitpunkt des Anschließens des angekündigten Energiespeichers angeschlossenen Energiespeicher bis zur Weiterfahrt effizient steuern. Auch eine Information über die beabsichtigte Nutzung des Energiespeichers kann in die Festlegung der Reihenfolge der Beladung der Energiespeicher einfließen. Ist beispielsweise lediglich erforderlich, dass der Energiespeicher zur Hälfte geladen werden muss, kann das eine Auswirkung auf die Reihenfolge haben. Auch ein Hinweis darauf, dass der Fahrer eines Fahrzeugs mit einem Energiespeicher keine volle Ladung bis zum Ziel beziehungsweise bis zur nächsten beabsichtigten Lademöglichkeit benötigt, kann die Reihenfolge ändern.
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Wie eingangs bereits ausgeführt, spielt die Temperatur eines elektrischen Energiespeichers bei der effizienten Beladung mit elektrischer Energie eine wesentliche Rolle. Zudem benötigen Energiespeicher eine Mindesttemperatur, bevor die chemischen Prozesse zur Aufladung der einzelnen Zellen wirksam werden. Erst bei Erreichen einer bestimmten Ladetemperatur kann dieser chemische Prozess ohne größere Verluste stattfinden. Das Verfahren gemäß der 3 berücksichtigt dabei zum effizienten Laden in der grundlegenden Ausführung wenigstens die Temperatur der angeschlossenen und zur Beladung vorgesehenen Energiequellen. Dabei kann die Reihenfolge der Ansteuerung der Energiequellen abhängig von der Erreichung einer Mindesttemperatur oder sogar der Ladetemperatur festgelegt werden.
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Mögliche Verfahren zur Festlegung der Reihenfolge der Beladung der Energiespeicher werden anhand des Flussdiagramms der 3 beschrieben. In einem optionalen Schritt 210 kann zunächst geprüft werden, ob die an die Ladestation angeschlossenen Energiespeicher eine Energiemenge benötigen, die über der maximal zur Verfügung stehende Ladeleistung liegt. Dabei kann die erforderliche Energiemenge beispielsweise über den Ladezustand SoCn der angeschlossenen Energiespeicher erfasst werden. Sollte dies der Fall sein, kann das erfindungsgemäß Verfahren zur Bestimmung der effizienten Beladungsreihenfolge gestartet werden. Liegt die erforderliche Energiemenge jedoch unterhalb der maximale Ladeleistung, ist keine gesonderte Festlegung einer Beladungsreihenfolge notwendig.
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Nach dem Start des Verfahrens wird in einem Schritt 220 die entsprechende Temperatur Tn der angeschlossenen beziehungsweise zur Beladung vorgesehenen Energiespeicher erfasst. Zusätzlich ist es sinnvoll, in diesem Schritt 220 oder wie bereits vorstehend erwähnt, in einem gesonderten Schritt, den Beladungszustand SoCn der Energiespeicher zu erfassen, um die benötigte Energiemenge beziehungsweise den erforderlichen Ladeaufwand ableiten zu können. Anschließend wird basierend auf den Temperaturen der Energiespeicher, insbesondere unter Berücksichtigung der maximalen Ladeleistung der Ladestation sowie der erforderlichen Energiemenge zur Beladung der einzelnen Energiespeicher, im Schritt 240 eine Reihenfolge der Beladung festgelegt. Die entsprechende Ansteuerung der Energiespeicher kann dabei ebenfalls im Schritt 240 erfolgen. Alternativ kann die Reihenfolge der Beladung und somit die konkrete Ladestrategie im Schritt 240 auch an die zur Ansteuerung der Ladung an das ausführende Steuereinheit weitergeleitet werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auch bei einer getakteten oder abwechselnden Ansteuerung beziehungsweise Beladung der Energiespeicher die Abkühlung bei einer Nicht-Ansteuerung berücksichtigt wird. So kann beispielsweise erkannt werden, dass ein Energiespeicher ohne eine (vollständige) Ansteuerung während der Beladung eines anderen Energiespeichers nicht unter die Mindesttemperatur oder sogar die Ladetemperatur fällt. In diesem Fall können durch eine Festlegung der Reihenfolge in Form einer getakteten oder abwechselnden Ansteuerung zwei oder mehrere Energiespeicher während eines (vorgegebenen) Zeitraums parallel geladen werden. Optional kann mit der getakteten oder abwechselnden Ansteuerung auch ein oder mehrere Energiespeicher oberhalb einer Mindest- oder Ladetemperatur gehalten werden, während ein weiterer Energiespeicher für die Beladung priorisiert wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn dieser weitere Energiespeicher bevorzugt geladen werden soll. Bei der Festlegung der Taktung oder der zeitlichen Abfolge der wechselnden Ansteuerung kann zusätzlich die Stromstärke und/oder die Spannung der elektrischen Versorgung der Beladung der Energiespeicher berücksichtigt werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einem Schritt 200 die Ankunftszeit, der beabsichtigte Startzeitpunkt der Beladung, die Aufenthaltszeit, die beabsichtigte Ladezeit, der Zeitpunkt der Weiterfahrt oder die Entnahme beziehungsweise den Ladeendzeitpunkt zu erfasst und bei der Beladung berücksichtigt werden. Je früher die entsprechende Information vorliegt, desto eher kann die Ladestation eine Ladestrategie mit den zu beabsichtigenden Ladevorgängen festlegen. Optional kann auch vorsehen sein, dass zu einem Zeitpunkt vor der Festlegung der Ladestrategie eine Information erfasst wird, die die maximal benötigte Beladung des Energiespeichers beinhaltet. Somit kann die Reihenfolge auch berücksichtigen, dass ein oder mehrere der Energiespeicher nicht die komplette Energiemenge bis zur vollständigen Beladung benötigt.
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Zusätzlich kann bei der Ableitung und Festlegung der Reihenfolge auch die vom Energiespeicher oder vom Fahrzeug erforderliche oder mögliche Ladeleistung erfasst werden. Im Flussdiagramm ist hierzu der Schritt 230 vor der Festlegung der Reihenfolge der Ladestrategie vorgesehen. Alternativ kann diese Information aber auch vorher erfasst werden.
