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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung und ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge.
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Bei Elektrofahrzeugen besteht in der Regel das grundlegende Bedürfnis, diese einerseits durch genügende Aufladung für eine anstehende Fahrt betriebsbereit zu halten, und andererseits zur Aufladung möglichst viel erneuerbare Energie zu verwenden, die unter Umständen nur zeitweise – im Falle von Photovoltaik bei ausreichend Sonnenschein, im Falle von Windkraft bei ausreichend Wind – verfügbar ist.
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Ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge ist beispielsweise aus der
US 2014/0049217 A1 bekannt. Bei diesem Ladesystem wird für ein Elektrofahrzeug zunächst eine notwendige Energiemenge ermittelt, welche dem Energieverbrauch des Fahrzeugs bei einer nächsten geplanten Fahrt entspricht. Für diese Energiemenge wird eine Knappheit an erneuerbarer Energie durch konventionelle Energie, die von einem Energieversorgungsunternehmen geliefert wird, kompensiert. Ansonsten wird das Fahrzeug immer dann mit erneuerbarer Energie geladen, wenn diese verfügbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ladevorrichtung sowie ein verbessertes Ladesystem für Elektrofahrzeuge anzugeben.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Ladevorrichtung gelöst durch eine solche gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Die Ladevorrichtung weist einen Eingang auf. Dieser dient zur Aufnahme elektrischer Ladeleistung aus einem ersten Anschluss eines lokalen Energienetzes. Das lokale Energienetz weist neben diesem mindestens einen zweiten Anschluss zur Aufnahme von Regenerativleistung und einen dritten Anschluss zum Austausch von Netzleistung mit einem konventionellen Energieversorgungsnetz auf. Die Ladevorrichtung weist mindestens einen Ausgang zur Abgabe einer jeweiligen Ausgangsleistung an ein jeweiliges Elektrofahrzeug auf. Die Ladevorrichtung weist außerdem eine Steuer- und Auswerteeinheit auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit enthält ein Begrenzermodul. Das Begrenzermodul dient zur individuellen Steuerung der jeweiligen Ausgangsleistung an einem jeweiligen der Ausgänge. Die Steuerung erfolgt anhand eines dem jeweiligen Ausgang zugeordneten Begrenzungskriteriums dynamisch in Echtzeit. Alternativ oder zusätzlich enthält die Steuer- und Auswerteeinheit ein Lastmodul. Dieses dient zur individuellen Steuerung aller Ausgangsleistungen an allen Ausgängen. Die Steuerung erfolgt anhand eines allen Ausgängen zugeordneten Lastkriteriums, welches dem Begrenzungskriterium übergeordnet ist. Die Steuerung erfolgt dynamisch in Echtzeit.
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Die Regenerativleistung, die das Energienetz am zweiten Anschluss aufnimmt, ist eine elektrische Leistung, welche aus regenerativen Energiequellen geliefert wird, beispielsweise aus einer Solaranlage, einem Windrad oder einer Wasserkraftanlage. Denkbar ist hier auch ein zweiter Anschluss für einen Energiespeicher, zum Beispiel einen Akkumulator, in den Energie, vorzugsweise regenerative Energie, einspeicherbar ist und die Energie aus diesem wieder entnehmbar ist. Das konventionelle Energieversorgungsnetz ist insbesondere das öffentliche Stromnetz, welches zumindest einen Anteil nicht regenerativer Energie beinhaltet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung liefert das konventionelle Energieversorgungsnetz daher nichtregenerative Energie an das lokale Energienetz. Bei einem Überschuss regenerativer Energie im lokalen Energienetz wird solche über den dritten Anschluss in das konventionelle Energieversorgungsnetz rückgespeist. Bei einem Energiemangel im lokalen Energienetz wird konventionelle Energie aus dem Energieversorgungsnetz über den dritten Anschluss in das lokale Energienetz zugespeist.
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Die elektrische Ladeleistung ist die Summe aus der Regenerativleistung und der positiven (vom konventionelle Energieversorgungsnetz in das lokale Energienetz zugespeisten) oder negativen (vom lokalen Energienetz in das konventionelle Energieversorgungsnetz rückgespeisten) Netzleistung. Die Ladeleistung besteht also aus rein regenerativer Energie, aus rein konventioneller Energie oder aus einem regenerativen Anteil und einem restlichen konventionellen Anteil, je nach Menge der verfügbaren Regenerativleistung und der benötigten Ladeleistung und der zu- oder rückgespeisten Netzleistung. Die Ladeleistung ist die Summe aller Ausgangsleistungen. In der Ladevorrichtung selbst erfolgt keine Zwischenspeicherung von Energie im Sinne einer Zeitüberbrückung zum Beispiel im Bereich von Minuten, Stunden oder Tagen zwischen Erzeugung und Abgabe von Energie, sondern lediglich übliche Kurzzeitspeicherungen, wie sie zum Beispiel zur Spannungs- oder Stromglättung, zur Blindleistungskompensation und sonstigen schaltungstechnischen Zwecken üblich beziehungsweise zwingend erforderlich ist.
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Aufgrund der Systemeigenschaften jedes angeschlossenen Elektrofahrzeugs ist die jeweilige Ausgangsleistung am entsprechenden Ausgang zunächst stets dadurch begrenzt, welche Ausgangsleistung das Elektrofahrzeug überhaupt aufnehmen kann. Dies ist zum Beispiel abhängig vom Maximalstrom, der vom Fahrzeug aufnehmbar ist, von den Möglichkeiten des Ladereglers des Fahrzeugs, vom aktuellen Ladezustand des Fahrzeug-Akkus und so weiter. Eine tatsächliche Laststeuerung der jeweiligen Ausgangsleistung erfolgt stets nur bei angeschlossenem Fahrzeug, das heißt wenn prinzipiell überhaupt Ausgangsleistung über den Ausgang abführbar ist.
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Eine Steuerung "dynamisch und in Echtzeit" bedeutet eine sowohl angemessen zeitaktuelle als auch zu jeweiligen Zeitpunkten variable Anpassung der Ausgangsleistung.
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Die Überordnung des Lastkriteriums über dem Begrenzungskriterium ist nur relevant, wenn beide Kriterien im Einsatz sind und gegenseitig konkurrieren. In diesem Fall erfolgt eine zunächst grundlegende Steuerung der Ausgangsleistung durch das Begrenzungskriterium. Eventuell erfolgt dann eine Nachkorrektur der Ausgangsleistung durch das übergeordnete Lastkriterium, welches dann in letzter Konsequenz die tatsächliche Ausgangsleistung bestimmt.
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Die Erfindung beruht auf der grundlegenden Idee, sowohl die Ausgangsleistung an einem jeweiligen einzelnen der Ausgänge dynamisch und in Echtzeit zu steuern, als auch die Gesamtlast aller insgesamt verwendeten Ausgangsleistungen dynamisch und in Echtzeit zu steuern. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Idee, eine derartige Steuerung für eine Ladevorrichtung vorzunehmen, welche über einen einzigen Eingang mit einem lokalen Energienetz verbunden ist, das wiederum eine "Zwischenschaltung" zwischen der Ladevorrichtung und einem konventionellen Energieversorgungsnetz darstellt und lokal eingespeiste regenerative Energie zur Verfügung hat. Ein derartiges Energienetz ist insbesondere ein Hausnetz eines Ein- oder Mehrfamilienhauses, welches einerseits am konventionellen Energieversorgungsnetz angeschlossen ist, andererseits jedoch eine regenerative Energiequelle beinhaltet oder zur Verfügung hat und zum Laden von Elektrofahrzeugen genutzt werden soll.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass dank des Begrenzungskriteriums jedes angeschlossene Elektrofahrzeug individuell optimal mit Ausgangsleistung versorgt werden kann und/oder dank des Lastkriteriums die Summe aller Ausgangsleistungen, und damit die elektrische Ladeleistung, steuerbar ist und somit optimal an die Bedürfnisse des lokalen Energienetzes und insbesondere an die zur Verfügung stehende Regenerativleistung sowie an eine wunschgemäß vom lokalen Energienetz vom konventionellen Energieversorgungsnetz aufzunehmende oder an dieses abzugebende Netzleistung angepasst werden kann. Sämtliche Anpassungen erfolgen mit einer optimalen Reaktion auf aktuelle Verhältnisse, da die Anpassungen in Echtzeit durchgeführt werden und können jeglichen Veränderungen der Verhältnisse ständig folgen, da sie dynamisch durchgeführt werden.
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Zum Beispiel bieten manche Energieversorger an, bei Bedarf Überschussenergie aus dem konventionellen Energieversorgungsnetz in das lokale Energienetz einzuspeisen und hierfür Kosten zu erstatten statt zu berechnen. Der Verbraucher erhält also Energie und wird für deren Abnahme noch entlohnt. Gemäß der Erfindung ist es dann z.B. möglich, derartige Energie bei Bedarf aufzunehmen und in ein Elektrofahrzeug zu speisen und stattdessen die Einspeisung regenerativer Energie in das lokale Energienetz zu reduzieren. So kann eine Aufladung eines Elektrofahrzeugs nicht nur kostenfrei (regenerative Energie) erfolgen, sondern sogar noch vergütet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Begrenzermodul und/oder das Lastmodul dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung zyklisch zu steuern. Die Steuerung erfolgt dabei insbesondere mindestens 30 mal, vorzugsweise mindestens 60 mal und/oder höchstens 240 mal, vorzugsweise höchstens 180 mal pro Minute. Insbesondere erfolgt die Steuerung 120 mal pro Minute. Durch eine zyklische bzw. ausreichend oft erfolgende Steuerung und damit individuelle und dynamische Anpassung der Ausgangsleistungen in Echtzeit kann insbesondere Systemreaktionszeiten – d.h. maximal zu erwartenden Leistungsschwankungen – von regenerativen Energieerzeugungsanlagen wie Windkraftanlagen (Leistungsänderung durch Windbö) oder Solaranlagen (Leistungsänderung durch plötzlichen Wolkenvorschub bezüglich der Sonne) Rechnung getragen werden und die entsprechenden Ausgangsleistungen bezüglich der Begrenzungs- und Lastkriterien dynamisch in Echtzeit ausgeglichen beziehungsweise gefolgt werden, so dass diesbezüglich kein Ausgleich seitens des konventionellen Energieversorgungsnetzes notwendig ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ladevorrichtung mindestens eine erste Messeinheit zur Ermittlung der jeweiligen aktuellen Ausgangsleistung an einem jeweiligen der Ausgänge auf. Alternativ oder zusätzlich weist sie mindestens eine zweite Messeinheit zur Ermittlung der jeweiligen aktuellen Regenerativleistung an einem jeweiligen der zweiten Anschlüsse auf. Alternativ oder zusätzlich weist sie eine dritte Messeinheit zur Ermittlung der aktuellen Netzleistung am dritten Anschluss auf. Die durch die entsprechenden Messeinheiten ermittelten Leistungen können insbesondere zur Anzeige von Leistungs- bzw. Energiebilanzen in der Ladevorrichtung genutzt werden, um einen Benutzer der Ladevorrichtung über die Leistungs- bzw. Energieverhältnisse im Gesamtsystem zu informieren.
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Die Erfindung beruht dabei auch auf der Erkenntnis, dass bereits die dritte Messeinheit zur Ermittlung der aktuellen Netzleistung ausreicht, um ausreichend effiziente, von der aktuellen Netzleistung abhängige Begrenzungs- und/oder Lastkriterien aufstellen und in der Ladevorrichtung benutzen zu können. Die Erfindung bietet dann den Vorteil, dass lediglich eine einzige Leistungs-, insbesondere Strommessung am dritten Anschluss des lokalen Energienetzes ausreicht, um entsprechende Steuerungsverfahren anhand der Begrenzungs- und/oder Lastkriterien zu realisieren. Eine Stromerfassung reicht hierbei aus, wenn z.B. die Netzspannung konstant bzw. bekannt ist und somit die Netzleistung ohne zusätzliche Messung errechenbar ist.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Höhe der Netzleistung, insbesondere deren Zuspeisung ins lokale Energienetz oder Rückspeisung ins konventionelle Energieversorgungsnetz darüber entscheidet, ob im lokalen Energienetz lediglich regenerative Energie oder auch zumindest ein Teil konventioneller Energie verbraucht wird. Insbesondere im Falle von Rückspeisung ins konventionelle Energieversorgungsnetz sind im gesamten lokalen Energienetz alle elektrischen Verbraucher in einem sogenannten „green mode“ oder „eco mode“ betreibbar, indem sie ausschließlich von regenerativer Energie bedient werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Begrenzungskriterium ein Fixkriterium. Gemäß dem Fixkriterium wird die Ausgangsleistung so gesteuert, dass die Ausgangsleistung einen vorgebbaren Fixwert nicht überschreitet. Der Fixwert ist dabei z.B. ein Leistungswert oder bei konstanter Ladespannung ein Stromwert, welcher nicht zu überschreiten ist. Somit kann an einem einzelnen Ausgang die einem angeschlossenen Elektrofahrzeug zugeführte Ausgangsleistung begrenzt werden. Eine Alternative zu einem Fixkriterium wäre beispielsweise eine beliebig mögliche beziehungsweise beliebig hohe Ausgangsleistung an einem jeweiligen Ausgang zuzulassen. Diese wäre dann nur noch durch die Lademöglichkeiten des individuell angeschlossenen Elektrofahrzeugs begrenzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Begrenzungskriterium ein Eco-Kriterium. Gemäß diesem wird die Ausgangsleistung so gesteuert, dass bei einer Ausgangsleistung größer Null am entsprechenden Ausgang die Netzleistung im lokalen Energienetz überwacht wird. Ein vorgebbarer Maximalwert für aus dem konventionellen Energieversorgungsnetz aufgenommene Netzleistung beziehungsweise Leistung darf dann nicht überschritten werden. Alternativ darf ein vorgebbarer Minimalwert für an das konventionelle Energieversorgungsnetz rückgespeister Netzleistung nicht unterschritten werden. Ist die Einhaltung des Maximalwertes beziehungsweise Minimalwertes für beliebige Ausgangsleistungen größer Null nicht erfüllbar, wird in derartigen Fällen die Ausgangsleistung auf Null gesteuert.
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Gemäß diesem Begrenzungskriterium erfolgt also eine Ladung des angeschlossenen Elektrofahrzeugs nur dann und nur mit so viel Energie, dass die entsprechenden Maximal- beziehungsweise Minimalwerte einhaltbar sind. Für die Variante eines vorgebbaren Maximalwertes ergibt sich für das gesamte lokale Energienetz eine Begrenzung auf eine maximale aufgenommene konventionelle Netzleistung, für den vorgebbaren Minimalwert ergibt sich, dass das Elektrofahrzeug stets rein aus erneuerbarer Energie geladen wird, da stets ein Überschuss regenerativer Energie im lokalen Energienetz behalten bzw. an das konventionelle Energieversorgungsnetz rückgespeist wird. Dies gilt auch, wenn Maximalwert beziehungsweise Minimalwert auf Null gesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Lastkriterium ein Maximalkriterium. Gemäß dem Maximalkriterium werden – entsprechend dem Eco- Kriterium – die Ausgangsleistungen so gesteuert, dass bei einer Summe der Ausgangsleistungen größer Null höchstens Netzleistung eines vorgebbaren Maximalwertes aus dem konventionellen Energieversorgungsnetz aufgenommen oder mindestens Netzleistung eines vorgebbaren Minimalwertes an dieses rückgespeist wird und ansonsten alle Ausgangsleistungen auf Null gesteuert werden. Es ergeben sich die entsprechenden Effekte, die oben im Zusammenhang mit dem Eco-Kriterium erläutert wurden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladevorrichtung wenigstens zwei Ausgänge auf. Das Ladekriterium enthält dann ein Verteilkriterium. Gemäß dem Verteilkriterium werden die Ausgangsleistungen so gesteuert, dass bei einer gegebenen Summe aller Ausgangsleistungen diese nach einer vorgebbaren Verteilung auf alle Ausgänge verteilt werden.
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Eine gegebene Summe ergibt sich je nach Kombination mit anderen Varianten der Erfindung als vorgebbare Summe (z.B. kleiner der Summe aller Fixwerte aller Ausgänge) oder als zwingend vorgegebene Summe (z.B. aus dem Eco-Kriterium) beziehungsweise eine aus anderen Kriterien zwangsweise folgende Summe. Verteilkriterien können in vielfältiger Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise ist es möglich, an einem speziellen der Ausgänge zunächst Leistung bis zu einer Maximalleistung zur Verfügung zu stellen und erst bei zusätzlich verfügbarer Leistung im lokalen Energienetz auch weitere Anschlüsse mit Ausgangsleistung zu versorgen. Auch ist es denkbar, die Ausgangsleistungen gleich auf alle Anschlüsse zu verteilen oder zum Beispiel zeit- oder bedarfsgesteuert auch dynamisch umzuverteilen.
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Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform enthält das Verteilkriterium ein Prioritätskriterium. Gemäß dem vorgebbaren Prioritätskriterium erfolgt eine vorgebbare vorrangige Verteilung der Ausgangsleistungen auf unterschiedlich priorisierte Ausgänge. Gleich priorisierte Ausgänge erhalten hierbei gleich viel Leistung. Höher priorisierte erhalten z.B. prozentual mehr Leistung als niedriger priorisierte Ausgänge oder niedriger priorisierte Ausgänge erhalten gar keine Ausgangsleistung, falls nicht genügend Ausgangsleistung zur Bedienung aller Ausgänge mit deren jeweils gewünschter (maximaler) Leistung zur Verfügung steht. Die Priorisierung bzw. das Prioritätskriterium ist in dem Sinne vorgebbar, dass mindestens zwei, in der Regel eine Mehrzahl verschiedener Priorisierungsschemata bzw. Priorisierungszustände der einzelnen Ausgänge manuell oder automatisch einstellbar bzw. wählbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Steuer- und Auswerteeinheit eine Schnittstelle zu einer Ladesteuerung des jeweiligen an einem der Ausgänge angeschlossenen Elektrofahrzeugs. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung eines jeweiligen Ausgangs anhand einer Ansteuerung der Ladesteuerung zu steuern. Durch eine entsprechende Ansteuerung ist es möglich, die Ladeleistung an einem jeweiligen der Ausgänge auf einfache Weise zu steuern, ohne seitens der Ladevorrichtung hierfür spezielle Maßnahmen zur Strom- oder Leistungsbegrenzung vorsehen zu müssen. Elektrofahrzeuge dagegen weisen in der Regel ohnehin durch die integrierte Ladesteuerung eine entsprechende Möglichkeit zur Steuerung des aufzunehmenden Ladestroms/Ladeleistung auf. Insbesondere steuert die Steuer- und Auswerteeinheit also die angeschlossenen Laderegler derart an, dass das entsprechende Elektrofahrzeug die gemäß Steuerung gewünschte Ausgangsleistung aufnimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ladevorrichtung als mindestens eine Ladestele und/oder mindestens eine Wandladestation ausgebildet. Jede Ladestele und Wandladestation kann hierbei wieder einen oder mehrere Ausgänge aufweisen, um dort Elektrofahrzeuge anschließen beziehungsweise laden zu können. Die Ladevorrichtung ist damit sowohl für Hausladevorrichtungen als auch für größere Ladesysteme für mehrere Fahrzeuge bis hin zu Fahrzeugflotten geeignet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Steuer- und Auswerteeinheit ein Wertungsmodul. Das Wertungsmodul dient zur Ermittlung einer Wertinformation derjenigen Energie, die an einem der Ausgänge während eines Ladevorgangs an ein Fahrzeug abgegeben wird. Die Ermittlung erfolgt in Abhängigkeit des Begrenzungskriteriums und/oder des Lastkriteriums. Durch die Wertinformation wird also der während eines Ladevorgangs abgegebenen Energie ein zusätzlicher Wert zugeordnet, welcher die abgegebene Energie neben der abgegebenen Energiemenge weiter charakterisiert. Eine entsprechende Wertinformation kann insbesondere über eine Schnittstelle nach außen hin zur Verfügung gestellt werden, zum Beispiel um an ein Abrechnungssystem übermittelt zu werden. Hierdurch wird eine unterschiedliche Bewertung bzw. Abrechnung gleicher Energiemengen möglich, je nach Art und Weise, auf welche Weise die Energie dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt wurde, beispielsweise besonders schnell, besonders umweltschonend, und so weiter. Hier ist eine Vielzahl entsprechender Kriterien denkbar, um entsprechende Wertinformationen zuzuordnen.
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In einer Variante dieser Ausführungsform ist die Wertinformation abhängig von der Höhe der maximalen Ausgangsleistung am jeweiligen Ausgang während des Ladevorgangs. Zum Beispiel ist die Wertinformation umso höher, je höher die maximale Ausgangsleistung während des Ladevorgangs ist, das heißt, je schneller die Energie an das jeweilige Fahrzeug übertragen wurde bzw. zur Übertragung bereitgestellt wurde. Auch die für einen von mehreren Ausgängen reservierte Ausgangsleistung kann so bewertet werden. So bietet sich beispielsweise die Möglichkeit, dieselbe Energiemenge einem Verbraucher teurer in Rechnung zu stellen, wenn diese schneller und mit höherer Leistung an das Fahrzeug übertragen wurde, da hier größere Leistungskapazitäten seitens der Ladevorrichtung zur Verfügung gestellt werden müssen.
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Gemäß einer weiteren Variante dieser Ausführungsform ist die Wertinformation abhängig vom Verhältnis der jeweiligen Ausgangsleistung am betreffenden Ausgang zu anderen Ausgangsleistungen. Berücksichtigt wird hierbei das Verhältnis, welches während des Ladevorgangs besteht. Hier gibt die Wertinformation Aussagen darüber, ob ein bestimmter Ausgang gegenüber anderen Ausgängen priorisiert war oder ist. Eine schnelle beziehungsweise bevorzugte Ladung gegenüber anderen Fahrzeugen kann auch hier zu höheren Kosten in Rechnung gestellt werden, um andererseits anderen Teilnehmern mit niedrig priorisierten Ladevorgängen Kostenermäßigungen anbieten zu können.
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In einer weiteren bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Wertinformation abhängig von der Netzleistung während des Ladevorgangs. Da insbesondere bei negativer Netzleistung (Rückspeisung ins konventionelle Energieversorgungsnetz) ausschließlich regenerative Energie zur Ladung des Fahrzeugs verwendet wird, kann hier beispielsweise eine niedrigere Wertinformation angesetzt werden, was zu reduzierten Kosten für den Ladevorgang führt.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Wertinformation einen Wert aus der Wertemenge „dienstliche Ladung“ oder „private Ladung“. Hierdurch ist ein Ladevorgang als dienstlich oder privat klassifizierbar. So kann z.B. ein Abrechnungssystem für Firmenfahrzeuge etabliert werden, die auch privat genutzt werden. Insbesondere ist hierbei eine Bilanzierung möglich, wenn ein Dienstfahrzeug zu dienstlichen oder privaten Zwecken an einem privaten Hausanschluss eines privaten lokalen Energienetzes oder einem Firmenanschluss geladen wird.
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Hinsichtlich des Ladesystems wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Ladesystem gemäß Patentanspruch 16. Dieses umfasst sowohl eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung als auch ein zugehöriges lokales Energienetz, wie es oben beschrieben wurde. Das Ladesystem zusammen mit dem lokalen Energienetz wurde hinsichtlich seiner Eigenschaften, Vorteile und so weiter bereits oben erläutert.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge,
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2 einen Zeitverlauf für Ladeleistungen bei einem Fixkriterium,
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3 einen Zeitverlauf für Ladeleistungen bei einem Eco-Kriterium,
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4 einen Zeitverlauf für Ladeleistungen bei einem Maximalkriterium,
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5 einen Zeitverlauf für Ladeleistungen bei einem Verteil- und Prioritätskriterium,
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6 ein Ladesystem im Eco-Modus,
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1 zeigt ein Ladesystem 2 mit einer Ladevorrichtung 4 für Elektrofahrzeuge 6a–c. Die Ladevorrichtung 4 weist einen Eingang 8 zur Aufnahme einer elektrischen Ladeleistung 10 auf. Die elektrische Ladeleistung 10 stammt aus einem ersten Anschluss 12 eines lokalen Energienetzes 14. Das lokale Energienetz 14 ist ebenfalls Bestandteil des Ladesystems 2. Das lokale Energienetz 14 weist außerdem zwei zweite Anschlüsse 16a, b auf, an welchen es eine jeweilige Regenerativleistung 18a, b aufnimmt. Die Regenerativleistung 18a, b stammt aus jeweiligen regenerativen Energiequellen 20a, b im Beispiel einem Windrad und einer Photovoltaik-Anlage. Das lokale Energienetz 14 weist außerdem einen dritten Anschluss 22 auf. Über diesen ist es mit einem konventionellen Energieversorgungsnetz 24, hier symbolisch durch ein Kraftwerk dargestellt, verbunden. Das konventionelle Energieversorgungsnetz 24 ist im Beispiel ein städtisches Energienetz.
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Über den dritten Anschluss 22 tauscht das lokale Energienetz 14 Netzleistung 26 mit dem konventionellen Energienetz 24 aus. Die Ladevorrichtung 4 weist außerdem drei Ausgänge 28a–c auf, an denen ein jeweiliges Elektrofahrzeug 6a–c angeschlossen ist. Die Ausgänge 18a–c dienen zur Abgabe einer jeweiligen Ausgangsleistung 30a–c an die Elektrofahrzeuge 6a–c. Die Ladevorrichtung 4 enthält außerdem eine Steuer- und Auswerteeinheit 32. Diese wiederum enthält ein Begrenzermodul 34. Das Begrenzermodul 34 dient zur individuellen Steuerung der jeweiligen Ausgangsleistung 30a–c an einem jeweiligen der Ausgänge 28a–c anhand eines dem jeweiligen Ausgang zugeordneten Begrenzungskriteriums B. Die Steuer- und Auswerteeinheit 32 enthält außerdem ein Lastmodul 36. Dieses dient zur individuellen Ansteuerung aller Ausgangsleistungen 30a–c an allen Ausgängen 28a–c anhand eines allen Ausgängen gemeinsam zugeordneten Lastkriteriums L.
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Die Ladevorrichtung 4 enthält außerdem drei erste Messeinheiten 38a–c zur Ermittlung der jeweiligen aktuellen Ausgangsleistung 30a–c, zwei zweite Messeinheiten 40a, b zur Ermittlung der jeweiligen aktuellen Regenerativleistungen 18a, b sowie eine dritte Messeinheit 42 zur Ermittlung der aktuellen Netzleistung 26.
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Für alle Ausgänge 28a–c enthält die Steuer- und Auswerteeinheit 32 eine jeweilige Schnittstelle 44a–c enthält. Diese dient zur Verbindung mit einer jeweiligen Ladesteuerung 46a–c der Elektrofahrzeuge 6a–c. Anhand der Ansteuerung der Ladesteuerungen 46a–c steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 32 die Ausgangsleistungen 30a–c.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 32 enthält außerdem ein Wertungsmodul 48. Dieses dient zur Ermittlung einer Wertinformation 50. Die Wertinformation 50 ist einer jeweiligen Energie zugeordnet, welche während eines Ladevorgangs an eines der Fahrzeuge 6a–c abgegeben wird. Die Wertinformation 50 wird einem nicht dargestellten Abrechnungssystem zur Verfügung gestellt, welches Kostenabrechnungen für entsprechende Ladevorgänge abhängig von der Wertinformation 50 und der Energiemenge, die während des Ladevorgangs abgegeben wurde, erstellt.
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2 zeigt über der Zeit t den Verlauf der Ausgangsleistung 30a für den Ladevorgang des Elektrofahrzeugs 6a. Anhand eines im Begrenzungskriterium B enthaltenen Fixkriteriums F wird hierbei die Ausgangsleistung 30a auf einen Fixwert WF begrenzt, den diese nicht überschreiten darf. Gestrichelt ist der Verlauf der Ausgangsleistung 30a gezeichnet, wenn das Fixkriterium F nicht angewendet würde.
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3 zeigt den Verlauf der Ausgangsleistung 30b über der Zeit t. Das Begrenzungskriterium B enthält hierbei ein Eco-Kriterium E, welches die Netzleistung 26 berücksichtigt. Für die Netzleistung 26 ist ein Maximalwert Nmax vorgegeben, sodass nur Netzleistung 26 des Maximalwertes Nmax vom konventionellen Energieversorgungsnetz 24 an das lokale Energienetz 14 zugespeist werden darf. Zum Zeitpunkt t1 ist der Maximalwert Nmax erreicht, da weitere nicht dargestellte Verbraucher 52 im lokalen Energienetz 14 zunehmend Energie in Form von Verbraucherleistung 54 verbrauchen. Die Ausgangsleistung 30b wird daher mit deren Ansteigen reduziert, um die zugespeiste Netzleistung 26 auf dem Maximalwert Nmax zu halten. Zum Zeitpunkt t2 sinkt die Verbraucherleistung 54 der restlichen nicht dargestellten Verbraucher, sodass die Ausgangsleistung 30b wieder erhöht werden kann.
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Vor dem Zeitpunkt t0 und nach dem Zeitpunkt t3 ist die Netzleistung 26 negativ, das heißt das lokale Energienetz 14 speist regenerative Energie in das konventionelle Energieversorgungsnetz 24 zurück, welche von den regenerativen Energiequellen 20a, b erzeugt wurde und im lokalen Energienetz 14 beziehungsweise als Ausgangsleistung 30a–c nicht verbraucht wurde.
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3 zeigt in einer alternativen Ausführungsform, dass gemäß dem Eco-Kriterium E ein Minimalwert Nmin an rückgespeister Netzleistung 26 einzuhalten ist. Es ergeben sich ansonsten die gleichen Verhältnisse.
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4 zeigt alternative Ladevorgänge der Fahrzeuge 6a–c, bei der im Lastkriterium L ein Maxmalkriterium M enthalten ist. Die Summe der Ausgangsleistungen 30a + 30b + 30c wird hierbei entsprechend zur 3 so gesteuert, dass höchstens Netzleistung 26 eines Maximalwertes Nmax aus dem konventionellen Energieversorgungsnetz 24 in das lokale Energienetz 14 eingespeist wird oder mindestens Netzleistung 26 des Minimalwertes Nmin in das konventionelle Energieversorgungsnetz 24 rückgespeist werden muss.
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5 zeigt einen alternativen Ladevorgang für die Ausgänge 28a, b, bei dem das Ladekriterium L ein Verteilkriterium V enthält, gemäß dem beide Ausgänge 28a, b gegebenenfalls Leistung gleichverteilt abgeben sollen. Zunächst wird das Elektrofahrzeug 6a geladen, wobei die Ausgangsleistung 30a auf ihren Maximalwert von 100 Prozent ansteigt. Zum Zeitpunkt t1 beginnt auch die Ladung des Elektrofahrzeugs 6b, weshalb die gesamte Ausgangsleistung gleichmäßig auf beide Ausgangsleistungen 30a, b verteilt wird.
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5 zeigt alternativ, dass das Verteilkriterium V ein Prioritätskriterium P enthält, welches den Ausgang 28a vor dem Ausgang 28b priorisiert. Zum Zeitpunkt t1 möchte das Elektrofahrzeug 6b ebenfalls mit einem Ladevorgang beginnen. Die gesamte Ladeleistung wird jedoch nach wie vor vom Elektrofahrzeug 6a benötigt, weshalb dem Elektrofahrzeug 6b zunächst keine Ladeleistung zugebilligt wird. Ab dem Zeitpunkt t2 sinkt die Ladeleistung wegen zunehmender Füllung des Elektrofahrzeugs 6a ab, die verbleibende Ladeleistung wird daher als Ladeleistung 30b dem Elektrofahrzeug 6b zur Verfügung gestellt.
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6 zeigt nochmals anschaulich das Ladesystem 2. Das lokale Energienetz 14 ist hier als Haus symbolisiert. Ein zusätzlicher Verbraucher 52 im lokalen Energienetz 14 ist in Form einer Waschmaschine dargestellt. Dieser nimmt die Verbraucherleistung 54 auf. Die Ausgänge 28a, b sind an einer Ladevorrichtung 4 in Form einer Ladestele angebracht. Nur am Ausgang 28a ist ein Elektrofahrzeug 6a angeschlossen.
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Das Ladesystem befindet sich in einem Eco-Modus. Die Netzleistung 26 ist Null, da ein Eco-Kriterium mit Maximalwert Nmax = Nmin = Null angewendet wird. Die Regenerativleistung 18a beträgt 100%. Davon entnimmt der Verbraucher eine Verbraucherleistung von 10%. Die Ausgangsleistung 30a wird daher auf die restlichen verfügbaren 90% gesteuert. So gehen diese als Ladeleistung 10 und Ausgangsleistung 30a vollständig an das Elektrofahrzeug 6a.
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Bei einer alternativen Schnellladung in 6 wird das Elektrofahrzeug 6a mit seiner maximal aufnehmbaren Leistung von 22kW als Ausgangsleistung 28a versorgt. Die Die Ladeleistung 10 beträgt daher ebenfalls 22kW. Die verfügbare Regenerativleistung 18a beträgt 15kW. Der Verbraucher 52 benötigt 3kW an Verbraucherleistung 54. Somit ergeben sich insgesamt 25kW an benötigter Leistung im lokalen Energienetz, wobei 15kW regenerativ verfügbar sind. Folglich werden 10kW als Netzleistung 26 aus dem konventionellen Energieversorgungsnetz 24 zugespeist.
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7 zeigt symbolisch das Ladesystem 2 mit einem lokalen Energienetz 14, das vereinfacht als Netzwerk von vier Leistungsverteilern dargestellt ist. Die Ladevorrichtung ist in Form von vier Ladestelen mit insgesamt acht Ausgängen 28a–h dargestellt. Der erste Anschluss 12 bzw. Eingang 8 sind nur symbolisch gezeigt ebenso wie die Verbindung zwischen den Elektrofahrzeugen 6a–d mit den Ausgängen 28a–d.
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7 verdeutlicht ein Maximalkriterium M, bei dem die Summe der Ausgangsleistungen 30a–d so begrenzt wird, dass ein Maximalwert – hier angegeben in Form eines maximalen Stromes von 64A – für die vom lokalen Energienetz 14 aufgenommene Netzleistung 26 nicht überschritten wird. Da derzeit die einzige nicht dargestellte Regenerativleistung 18a im System Null beträgt, muss dies der Summe aller Ausgangsleistungen entsprechen.
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Zusätzlich ist ein Verteilkriterium V vorhanden, das eine Gleichverteilung aller Ausgangsleistungen 30a–d auf alle Ausgänge 28a–d vorgibt. Jede Ausgangsleistung 30a–d wird daher in gleicher Weise auf einen Maximalwert entsprechend 16A Ladestrom begrenzt.
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Da die Leistungen jederzeit dynamisch und in Echtzeit gesteuert werden, kann sich noch z.B. folgende Situation ergeben: Das Fahrzeug 6a erreicht bald seine Voll-Ladung und kann nur noch 10A Ladestrom aufnehmen. Gleiches gilt für das Fahrzeug 6c, das nur noch 8A Ladestrom aufnehmen kann. Da alle Ladeströme in Summe nach wie vor maximal 64A betragen dürfen werden laut Verteilkriterium die verbleibenden 46A der maximalen Netzleistung 26 gleich auf die Ausgänge 30b, d zu je 23A aufgeteilt.
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In einer alternativen Ausführungsform sind nur die Fahrzeuge 6a–c angeschlossen. Das Maximalkriterium M bleibt unverändert. Das Verteilkriterium priorisiert nun allerdings gemäß einem Prioritätskriterium P das Fahrzeug am Ausgang 28a und erlaubt diesem den maximal möglichen Ladestrom. Der restliche verfügbare Ladestrom wird wieder auf die Ausgänge 30b, c mit gleicher Priorität gleichverteilt. Bei einer maximal zulässigen Netzleistung 26 mit 64A Strom und einem aktuellen Strombedarf von 32A am priorisierten Fahrzeug 6a verbleiben Ausgangsleistungen 30b, c mit insgesamt 32A, so dass die Ausgangsleistungen 30b, c gleich mit Strömen zu je 16A eingesteuert werden.
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Bei Verfügbarkeit von Regenerativleistung erhöhen sich die Ausgangsleistungen 30a–d entsprechend. Bei benötigter Verbraucherleistung 54 im lokalen Energienetz 14 erniedrigen sie sich entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ladesystem
- 4
- Ladevorrichtung
- 6a–d
- Elektrofahrzeug
- 8
- Eingang
- 10
- Ladeleistung
- 12
- erster Anschluss
- 14
- lokales Energienetz
- 16a, b
- zweiter Anschluss
- 18a, b
- Regenerativleistung
- 20a, b
- regenerative Energiequelle
- 22
- dritter Anschluss
- 24
- konventionelles Energieversorgungsnetz
- 26
- Netzleistung
- 28a–h
- Ausgang
- 30a–d
- Ausgangsleistung
- 32
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 34
- Begrenzermodul
- 36
- Lastmodul
- 38a–c
- erste Messeinheit
- 40a, b
- zweite Messeinheit
- 42
- dritte Messeinheit
- 44a–c
- Schnittstelle
- 46a–c
- Ladesteuerung
- 48
- Wertungsmodul
- 50
- Wertinformation
- 52
- Verbraucher
- 54
- Verbraucherleistung
- B
- Begrenzungskriterium
- L
- Lastkriterium
- t
- Zeit
- F
- Fixkriterium
- WF
- Fixwert
- E
- Eco-Kriterium
- Nmax
- Maximalwert
- Nmin
- Minimalwert
- M
- Maximalkriterium
- V
- Verteilkriterium
- P
- Prioritätskriterium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0049217 A1 [0003]
