EP3678890A1 - Ladesäule, anordnung mit mehreren solcher ladesäulen sowie verfahren zum betreiben einer solchen ladesäule - Google Patents

Ladesäule, anordnung mit mehreren solcher ladesäulen sowie verfahren zum betreiben einer solchen ladesäule

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EP3678890A1
EP3678890A1 EP18762049.7A EP18762049A EP3678890A1 EP 3678890 A1 EP3678890 A1 EP 3678890A1 EP 18762049 A EP18762049 A EP 18762049A EP 3678890 A1 EP3678890 A1 EP 3678890A1
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EP
European Patent Office
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converter
module
lines
bus
connection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18762049.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen Pfisterer
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Hochschule Osnabrueck
Hochschule Osnabrück
Original Assignee
Hochschule Osnabrueck
Hochschule Osnabrück
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3678890A1 publication Critical patent/EP3678890A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
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    • Y04S10/12—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation
    • Y04S10/126—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation the energy generation units being or involving electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV], i.e. power aggregation of EV or HEV, vehicle to grid arrangements [V2G]

Definitions

  • a local electric smart grid can make this possible.
  • This can be, for example, the grid connection point, a Photovoltaic system, the electric vehicle itself or other sources (generator or electric energy provider) to be.
  • the network will also be one or more
  • Charging columns are commonly used as a rule
  • Charging pillar that is flexible and can be used for a wide variety of tasks in a local smart grid and thereby enables the lowest possible cost of an efficient exchange of electrical energy, so that a wide variety of electric vehicles, mobility and
  • the charging station has a
  • the converter module is electrically interposed between the DC bus and the distributor module.
  • the distributor module is set up, individual connection lines of the one or more DC connection lines or the one or more AC voltage
  • the converter module is controllable by means of the controller such that the converter module operates alternatively as a DC-DC converter, rectifier or inverter.
  • Such a charging station can act as a central element in a local smart grid.
  • An advantage of this charging station is that the various subnets, sources (producers or electric energy providers) and sinks
  • the charging station can perform multiple tasks within the smart grid
  • the charging station allows the connection of the
  • the converter module can be controlled by means of the controller such that the converter module depending on
  • the charging station can assume different operating modes.
  • the one or more DC connection lines or the one or more AC connection lines can comprise connection lines for connecting one or more of the following components:
  • the transducer module serves as a very flexible power electronic component for energy transfer between the above
  • the DC bus serves as a kind as a kind
  • the second positive DC voltage may be the same as or different from the first positive DC voltage
  • the second negative DC voltage may be equal to or different from the first negative DC voltage.
  • Crossbar distributor between the converter module and the DC or AC power supply lines to be established.
  • Charging station also have multiple distribution modules.
  • Charging station can be set up such that in each case a distributor module, an interconnection of one or more of the converter modules with individual leads of the
  • AC power supply lines takes over.
  • only one distributor module can be provided, which takes over the interconnection of the plurality of converter modules of the charging station with the corresponding connecting lines.
  • first converter modules as DC converter (boost converter or buck converter) work
  • second converter modules as a rectifier or inverter
  • the charging station In various embodiments of the charging station, the
  • Each converter unit has a first connection side and a second connection side, wherein the converter units with their first connection sides to different distribution connection lines of
  • Distributor module are connected and with their second
  • Connection sides are connected in parallel on one or more bus lines of the DC bus.
  • Distributor module is set up by means of
  • connection lines of the type explained by means of one or more distribution modules of the charging station.
  • each transducer unit of the type described is such by control
  • each transducer unit thus bidirectionally a corresponding energy transfer
  • Converter units which are connected as a B6 bridge circuit between three distributor connection lines of the distributor module and one or more bus lines of the DC bus, wherein each one converter unit forms a bridge branch of the B6 bridge circuit.
  • a B6 bridge circuit represents a suitable topology for the converter module in the charging station of the type described. Via the three bridge branches of the B6 bridge circuit is a multiphase AC voltage network, in particular one
  • Connection lines of the DC power supply lines or the AC power supply lines are connected via a very easy to implement converter topology to the charging station, while still a diversity of the various tasks and operating modes of the above
  • Connection side converter means comprising at least one inductance, which is connected upstream of the respective bridge branch at the respective first terminal sides.
  • each converter unit allows different switching paths through the transducer module.
  • the switching elements of each converter unit are opened or closed by means of the control
  • Rectifier or inverter operate.
  • an arrangement according to claim 7 having a plurality of charging stations of the type described above, wherein the charging columns are connected to each other via the DC bus.
  • the charging stations can also be connected to each other via an independent communication bus or a control bus.
  • the arrangement can be operated by a higher-level control of the charging stations such that a flexible energetic exchange between various sources and sinks, which can be connected via the respective connecting lines to the charging columns, can be achieved.
  • An exchange of electrical energy in this case runs from a source via one or more connection lines of the DC voltage connection lines or the AC voltage connection lines via one or more converter modules of one or more charging columns in the DC bus and the DC bus via one or more converter Modules of one or more, possibly other, charging stations to a sink, over one or more others
  • Connection cables of the DC connection cables or the AC power supply cables is connected.
  • the charging stations can be flexibly switched between different operating modes, with the corresponding converter modules being connectable to a wide variety of connection lines.
  • an arrangement of the type described quasi forms a local distribution network for feeding or removing electrical energy into or out of a local smart grid.
  • the arrangement is controllable via one or more main controls for controlling the charging columns.
  • different operating modes of the charging stations can be controlled via the one or more main controls, wherein in each operating mode at least two charging stations cooperate and the one or more
  • the main controllers are configured for switching the transformer modules of the charging stations with one or more of the DC connecting cables as well as the AC voltage
  • the above object is achieved in a further aspect by a method according to claim 9 for operating a charging station, wherein the charging station is designed according to the above type.
  • the at least one converter module is operated alternately in a first operating mode or in a second operating mode. This means that between a first operating mode and a second operating mode of the at least one converter module depending on the desired or required operating mode is changed. In the first
  • Low voltage battery e.g., small vehicles, implements or other resources with a power consumption of up to 11 kW and an energy storage system of up to 20 kWh, for example lawnmower, small tractor, in-house
  • Converter modules can be realized, which can be connected both in series and in parallel.
  • the DC voltage to be provided at the input in said combinations 1) and 2) may be from a local
  • connection with one or more of the described charging stations and / or methods can be used.
  • an AC battery of the type described could also on a drive converter in the electric vehicle and / or in the other electric mobility and
  • motorhomes can be easily and efficiently integrated into a local photovoltaic system.
  • An electrically driven motorhome with a range of 350 km is for a travel activity
  • Caches will be integrated into a local photovoltaic / biogas plant in the many months of non-use throughout the year.
  • An appropriate connection of all these resources to the local Smart Grid can be done via a
  • FIG. 1 a schematic representation of a charging station
  • Figure 3 shows several characteristics of a total current ripple on the switching ratio within a
  • Figure 5 is a schematic representation of a
  • Figure 1 shows an embodiment of a charging station 1 with a plurality of line electronic converter modules 2.
  • Power electronics LEI to LEm are each one
  • Each converter module 2 has a first connection side 10 and a second connection side 11 and is connected with its first connection side 10 to different distributor connection lines 12 of the respective distribution module 7 and with its second connection side 11 parallel to bus lines of the DC bus 4
  • Bus lines These include a first bus line DC + for a first positive DC voltage, a second bus line MP acting as a mid-point conductor, and a third bus line DC
  • Bus line DC- for a first negative DC voltage.
  • the center conductor MP thus forms a quasi "center potential" between the two DC voltage lines DC + and DC-.
  • the DC bus 4 also has a fourth bus line DC + 2 for a second positive DC voltage and a fifth bus line DC-2 for a second negative DC voltage.
  • the DC bus 4 is arranged as a kind of intermediate circuit between the individual converter modules 2 of the charging station 1 to the various converter modules 2 of the
  • the individual converter modules 2 can via switching elements 13 via
  • Power electronics LEI to LEm be connected to all bus lines of the DC bus 4 or others
  • the distributor module 7 individual connection lines of
  • Switching elements 9 can mechanical, electronic
  • Switching element may be configured to connect individual distributor connection lines 12 with the first terminal sides 10 of the converter modules 2 or separate from it. Furthermore, these switching elements for a protective separation of the converter modules 2 of the
  • the individual photovoltaic systems may be individual photovoltaic strings, photovoltaic strings connected in parallel, or systems constructed from photovoltaic modules.
  • the DC voltage connection lines 5 according to FIG. 1 comprise two DC lines DC_Chargel and DC_Charge2 as well as two connection lines to corresponding battery systems Batl and Bat2.
  • DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are DC lines, DC_Chargel and DC_Charge2 are
  • One or more lines for one or more reference potentials of the respective DC voltage connection lines 5 are not shown in Figure 1. These could, however, be e.g. have the same reference potential as one or more of the bus lines DC or DC 2 of the
  • the neutral conductor N of the AC connecting lines 6 can be electrically located at the same reference potential as the center conductor MP of the DC bus 4
  • connection lines can in turn be alternative
  • Embodiments also be set up instead of the connection lines shown in Figure 1 to the three-phase AC mains. Here can be different
  • a main controller 8 performs a control of the charging station 1, that is, all modules and units of the charging station 1, through, wherein different operating modes can be taken.
  • the individual distributor modules 7 switch the respective converter modules 2 to individual connecting lines of the DC voltage converter. Connecting lines 5 and the AC voltage connection lines 6 together or separate them.
  • Power electronics LEI to LEm are with their converter modules 2 each as bidirectional power electronics between the DC power supply lines 5 and the AC power supply lines 6 on the first
  • Charging column 1 can be used advantageously when two or more different tasks or requirements must be handled simultaneously within the smart grid. Even in a case in which clearly more than two requirements must be perceived at the same time, the charging station 1 can be adapted very flexibly to the most diverse energetic needs.
  • the different requirements can be in different performance ranges. There are usually only a few basic transformation requirements in a local smart grid. These include converting a DC voltage to a higher or higher voltage
  • the charging station 1 makes it possible to carry out two or more time-parallel tasks of this kind by intelligent means Interconnection of one or more of the configured converter modules 2 with individual ones of the connecting lines 5 and 6 by means of the individual distributor modules 7. Even a single converter module 2 is set up, various converter tasks of the abovementioned type in parallel with time
  • each transducer module 2 has a limited
  • Converter module 2 or more converter modules 2 are operated in parallel.
  • the three-phase alternating voltage network or another AC voltage system of the abovementioned type which can be connected to the converter modules 2 via the connecting lines 6 by means of the distributor modules 7, can be connected directly to the DC bus 4 via the individual converter modules 2. so energy in both directions
  • the AC voltage network or the other AC voltage system 6 can, for example, the
  • Net connection point of the charging station 1 be.
  • Charging station 1 are operated such that each one
  • Transducer module 2 is connected to each one of the AC power grids or other AC voltage systems. On This could be realized by interconnecting the converter modules 2 via the DC bus 4, a kind of online uninterruptible power supply (so-called UPS system) by a third converter module 2, the DC bus 4 with an energy storage (for example Batl or Bat2 the connecting lines 5) or with an electric vehicle (for example, connected via
  • UPS system a kind of online uninterruptible power supply
  • the DC bus 4 with an energy storage (for example Batl or Bat2 the connecting lines 5) or with an electric vehicle (for example, connected via
  • connection lines of the respective converter modules 2 can also be used to from a
  • AC charging of an electric vehicle or other electrical mobility and work resource is used, which is connected to one or more phases of the AC power lines 6 or other (not shown) AC power lines.
  • Charging column 1 can be adapted very flexibly to various requirements within the Smart Grid.
  • FIG. 1 illustrates a concrete operating situation of the charging station 1.
  • the converter module 2 of the hoelekronik LEI is in this case at its first connection side 10 by means of the distributor module 7 at a first and second
  • connections to other connection lines are disconnected.
  • the converter module 2 of the power electronics LE2 in contrast, with first and second connecting lines on the first
  • Both converter modules 2 of the power electronics LEI and LE2 are connected on the side of the DC bus 4 by means of the switching elements 13 to the bus lines DC + and DC-. In this way, electrical energy from the photovoltaic systems Solar_l and Solar_2 over the
  • DC voltage line DC_Chargel are connected and only one connecting cable from LE2 to the DC voltage line
  • DC_Charge2 may be connected to a higher power
  • DC_Chargel are submitted as to DC_Charge2. It is
  • the battery system Batl which is connected via a connecting cable to the converter module 2 of LEI, can be operated in this constellation either as a source of energy or as an energy sink. This depends on the power requirement on the part of the converter module 2 of LE2. This power requirement is higher than the electrical power that is available through the photovoltaic systems Solar_l and
  • Battery system Batl act as an additional source of energy. However, if the power provided via the photovoltaic systems Solar_l and Solar_2 is higher than the power required on the part of the converter module 2 of LE2, then excess power of the photovoltaic systems Solar_l and Solar_2 can be fed into the battery system Batl as an energy sink become. The latter is then done without intervention of the converter module 2 of LE2, but only by appropriate interconnection of the converter branches of the converter module 2 of LEI.
  • the converter units 2a to 2c are at their second
  • converter units 2a to 2c can each be operated such that both switching elements 15a and 15b in the respective bridge branch with a specific
  • Terminal side 11 operable.
  • the individual converter units are controlled with mutually offset control signals, so that the Bacstromrippel AI_ges can be reduced according to Figure 3 at a suitably selected switching ratio D and thus the power electronics LE can be optimally operated in accordance with Figure 2 in a Gleichstromsteller rehearsal.
  • FIG. 4 (see Figure 2) is connected upstream.
  • the configuration according to FIG. 4 can be used in a DC-controller operation of the power electronics LE.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a
  • Control buses for example, a CAN bus or a PLC bus.
  • the user interface 19 according to FIG. 5 may have, for example, a display (not shown) via which a user can read information or enter data and parameters.
  • a corresponding Control takes place in interaction with a main controller 8 according to FIG. 1.
  • a charging station 1 according to FIG. 1 can be selectively controlled, taking into account various control parameters, variables and input data, so that different operating modes can be optimally utilized. For example, give input parameters about weather data that
  • the maximum available power is the one for the vehicle delivered maximum possible electricity.
  • ECO-Charge is loaded so that the vehicle reaches a desired state of charge at a certain time.
  • the power electronics LE is controlled so that this regulates the energy transfer according to economic and ecological rules. First, the local, then the
  • Embodiments may have a charging station 1 according to FIG. 1 less or more of the illustrated converter modules 2. It is conceivable, for example, that a charging station 1
  • a plurality of charging stations 1 according to FIG. 1 may also be connected via the DC bus 4 or another control bus (see description of FIG.
  • a single power electronics LE according to FIG. 2 comprises fewer or more of the illustrated converter units 2 a to 2 c.
  • the B6 bridge circuit shown in FIG. 2 represents a possibility of a simple construction of a converter module 2.
  • Various other ones can also be used here Circuit topologies for bidirectional transducer units are used.
  • the charging station becomes the central point.
  • Individual converter modules 2 or converter units 2a to 2c can take on a wide variety of tasks within the charging station 1 and in dependence on a specific operating mode with individual

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladesäule (1) mit einem leistungselektronischen Wandler-Modul (2) zum Wandeln elektrischer Energie, einer Steuerung (3) zum Steuern des Wandler-Moduls (2), einem Gleichspannungs-Bus (4), einem Verteiler-Modul (7), einer oder mehrerer Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) sowie einer oder mehrerer Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6). Das Wandler-Modul (2) ist dem Gleichspannungs-Bus (4) und dem Verteiler-Modul (7) elektrisch zwischengeschaltet. Das Verteiler-Modul (7) ist eingerichtet, einzelne Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) jeweils mit dem Wandler-Modul (2) zu verbinden oder vom Wandler-Modul (2) zu trennen. Das Wandler-Modul (2) ist dabei vermittels der Steuerung (3) derart steuerbar, dass das Wandler-Modul (2) alternativ als Gleichspannungswandler, Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet.

Description

Beschreibung
Ladesäule, Anordnung mit mehreren solcher Ladesäulen sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladesäule
Die Erfindung betrifft eine Ladesäule, eine Anordnung mit mehreren solcher Ladesäulen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladesäule. Ladesäulen werden zur Versorgung elektrischer Fahrzeuge mit elektrischer Energie eingesetzt und werden aufgrund der
Entwicklungen im Automobilbereich in naher Zukunft mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Elektrische Fahrzeuge werden in den nächsten Jahren deutlich stärker im Straßenverkehr vertreten sein. Die Ladung der Fahrzeuge mit elektrischer Energie wird an verschiedenen Punkten beziehungsweise in verschiedenen Szenarien stattfinden. Zunächst werden die Fahrzeuge, wenn möglich, während der Arbeitszeit auf
Unternehmensparkplätzen geladen. Dies ist in der Regel die effizienteste Art, regenerativ erzeugte elektrische Energie zur Ladung entsprechender Fahrzeuge zu nutzen. Die anderen Szenarien unterteilen sich je nach städtischem und ländlichem Wohngebiet in die Möglichkeit, auf städtischen
Parkplatzflächen zu laden oder im Rahmen eines lokalen
Netzwerkes (sogenanntes Smart Grid) zu Hause. Ladesäulen bilden dabei die Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und dem lokalen Elektrizitätsnetz. In Zukunft werden sich die
Elektrizitätsnetze deutlich verändern. Es wird einen deutlich höheren Anteil dezentral erzeugter Energie geben, und dieser sollte möglichst dezentral genutzt werden. Ein lokales elektrisches Smart Grid kann dies ermöglichen. In einem solchen Netz müssen mehrere Einspeisemöglichkeiten realisiert werden. Dies kann zum Beispiel der Netzanschlusspunkt, eine Photovoltaik-Anlage, das Elektrofahrzeug selbst oder weitere Quellen (Erzeuger bzw. Bereitsteller elekrischer Energie) sein. In der Regel wird das Netz auch ein oder mehrere
Energiespeichersysteme haben. Dies kann die Fahrzeugbatterie, ein oder mehrere stationäre Energiespeicher als auch
thermische oder mechanische Energiespeicher sein. Ferner können einzelne Teilnetze eines solchen Smart Grids
unterschiedliche Spannungsebenen und Netztopologien haben. So werden beispielsweise 230/400 Volt Wechselspannung benötigt. Neben dieser herkömmlichen Versorgung werden, durch die fortschreitende Entwicklung in der Photovoltaik-Technik, in der elektrischen Energiespeicherung sowie in der
Elektromobilität ein oder mehrere Gleichspannungsnetze hinzukommen .
Neben den klassischen elektrischen Verkehrsmitteln, sei es öffentlich als auch individuell, gibt es auch eine Reihe von elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen und deren Anwendungen, die nicht täglich genutzt werden. Dies können z.B. Fahrzeuge und Arbeitsmaschinen sein, wie Rasenmäher, Heckenscheren, Elektroscooter oder e-Bikes. Im Bereich der Touristik können das Reisemobile, Hausboote oder auch
Freizeitboote sein. Im Bereich der Landtechnik werden viele große Arbeitsmaschinen nur saisonal genutzt, z.B.
Maishecksler, Mähdrescher oder weitere Ernte- und
Bearbeitungsmaschinen. Eine höhere Effizienz dieser
Gerätschaften und Ressourcen erhält man jedoch nur, wenn man die eingesetzten Ressourcen deutlich stärker nutzen kann, d.h. man muss zusätzlichen Mehrwert durch neue Anwendungen schaffen, die eine verstärkte, z.B. tägliche, Nutzung
ermöglichen . Ladesäulen werden herkömmlich in der Regel als
unidirektionale elektrische Energiezapfsäulen speziell für elektrische Fahrzeuge und deren etablierte Ladetechnologien gebaut und betrieben. Hierbei ist je nach Leistung und nach Spannungsform zu unterscheiden. Ladesäulen im Bereich kleiner Leistung (< 11 Kilowatt) werden als Wechselstromladepunkte angeboten. Ladesäulen höherer Leistung (z.B. 22 Kilowatt) werden ebenfalls als Wechselstromladepunkte angeboten. Beim Laden mit Wechselspannung muss im Fahrzeug diese
Wechselspannung in Gleichspannung gewandelt werden. Daneben existieren sogenannte Schnellladesäulen, die normalerweise eine DC-Ladetechnik nutzen. Das bedeutet, dass der Ladepunkt (die Ladesäule) an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen ist und diese Spannung in eine geregelte
Gleichspannung wandelt, welche dann direkt mit der
Fahrzeugbatterie gekoppelt werden kann. Bei derartigen
Lösungen entfällt eine Wandlung im Fahrzeug selbst. Einige Schnellladesäulen bieten auch kombinierte Ladesysteme an, bei denen sowohl Wechselspannungs- als auch Gleichspannungsladen möglich ist. Ein Nachteil all dieser Systeme besteht darin, dass diese nur unidirektional funktionieren. Das heißt, es ist nur ein Laden möglich.
Im Bereich der Gleichstromtechnik werden mittlerweile
vereinzelt bidirektionale Lade-/Entladesysteme
wissenschaftlich beschrieben. Eine bidirektionale Lade-/ Entladetechnik ermöglicht hierbei die komplette Integration des Fahrzeugs in das lokale Netz. Dennoch besteht bei all den genannten Lösungen ein Nachteil darin, dass Ladepunkte bisher nur einen sehr geringen
Funktionsumfang in einem lokalen Smart Grid übernehmen und nur genützt werden können, wenn ein Fahrzeug zum Laden bereitsteht und dieses auch geladen werden kann (abhängig vom Ladezustand). In einigen Situationen sind jedoch keine
Fahrzeuge vorhanden oder die Fahrzeuge werden nicht oder nur mit deutlich verminderter Leistung geladen. Dies passiert in der Regel, wenn die Fahrzeugspeicher (Fahrzeugbatterien) nahezu vollgeladen sind. Für eine über elektrische Fahrzeuge hinausgehende verbesserte Ressourceneffizienz sind diese bisherigen Lösungen ebenso ungeeignet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
Ladesäule aufzuzeigen, die flexibel ist und für vielfältigste Aufgaben in einem lokalen Smart Grid Verwendung finden kann und dabei mit möglichst geringem Aufwand einen effizienten Austausch von elektrischer Energie ermöglicht, so dass unterschiedlichste elektrische Fahrzeuge, Mobilitäts- und
Arbeitsressourcen effizient und umweltschonend in ein lokales Smart Grid integriert werden können.
Die Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch eine Ladesäule gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Ladesäule der hier erläuterten Art weist wenigstens ein leistungselektronisches Wandler-Modul zum Wandeln
elektrischer Energie sowie eine Steuerung zum Steuern des Wandler-Moduls auf. Ferner weist die Ladesäule einen
Gleichspannungs-Bus, wenigstens ein Verteiler-Modul sowie eine oder mehrere Gleichspannungs-Anschlussleitungen und eine oder mehrere Wechselspannungs-Anschlussleitungen auf. Das Wandler-Modul ist dem Gleichspannungs-Bus und dem Verteiler- Modul elektrisch zwischengeschaltet. Das Verteiler-Modul ist eingerichtet, einzelne Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder der mehreren Wechselspannungs-
Anschlussleitungen jeweils mit dem Wandler-Modul zu verbinden oder vom Wandler-Modul zu trennen. Das Wandler-Modul ist vermittels der Steuerung derart steuerbar, dass das Wandler- Modul alternativ als Gleichspannungswandler, Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet.
Eine derartige Ladesäule kann als zentrales Element in einem lokalen Smart Grid agieren. Ein Vorteil dieser Ladesäule ist, dass die unterschiedlichsten Teilnetze, Quellen (Erzeuger bzw. Bereitsteller elektrischer Energie) und Senken
(Verbraucher elektrischer Energie) innerhalb des Smart Grids sehr flexibel und an unterschiedlichste Betriebs-Modi
angepasst verschaltet werden können. Auf diese Weise kann die Ladesäule multiple Aufgaben innerhalb des Smart Grids
übernehmen. Eine Ladesäule ist hierfür besonders vorteilhaft, da diese in der Regel nur zeitweise in Betrieb ist, das heißt, wenn kein Elektrofahrzeug geladen werden muss. Auf diese Weise ist die Ladesäule prädestiniert dazu, weitere Aufgaben im Smart Grid zu übernehmen. Die Ladesäule kann somit als zentrales Element in einem Smart Grid mit
unterschiedlichsten Quellen und Senken (elektrische
Fahrzeuge, aber auch sonstige elektrische Mobilitäts- und Arbeitsressourcen der oben aufgeführten Art) eingesetzt werden.
Durch die Möglichkeit des Verbindens beziehungsweise Trennens einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen jeweils mit oder von dem Wandler-Modul der Ladesäule vermittels des Verteiler-Moduls erlaubt die Ladesäule ein Anbinden des
Wandler-Moduls an unterschiedlichste Teilnetze beziehungsweise Topologien oder Quellen beziehungsweise
Senken elektrischer Energie innerhalb eines Smart Grids . Das Wandler-Modul kann dabei vermittels der Steuerung derart gesteuert werden, dass das Wandler-Modul je nach
Betriebsmodus als Gleichspannungswandler, Gleichrichter oder Wechselrichter zwischen dem Gleichspannungs-Bus und einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen
arbeiten kann. Auf diese Weise ist die Ladesäule, über die bisherigen Einsatzzwecke hinaus, sehr flexibel für
vielfältigste Aufgaben einsetzbar. Insbesondere in lokalen, dezentralen Energieversorgungsnetzen kann die Ladesäule verschiedene Betriebsmodi einnehmen.
Die einen oder mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise die einen oder mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen können Anschlussleitungen zum Anschließen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten umfassen:
- eine oder mehrere Photovoltaik-Module oder -anlagen, umfassend einzelne Photovoltaik-Strings oder
parallelgeschaltete Photovoltaik-Strings ,
- ein oder mehrere Gleichstromladesysteme,
- ein- oder mehrphasige (zum Beispiel dreiphasige)
Wechselspannungsnetze,
- elektrische Fahrzeuge oder elektrische Mobilitäts- und Arbeitsressourcen, die jeweils eine
Niederspannungsbatterie (z.B. Gleichspannung bis 60V), eine Hochvoltbatterie (z.B. Gleichspannung zwischen 60V und 1500V) oder Wechselspannungsbatterie (z.B. Gleich- und Wechselspannung bis 1500V) . Das Wandler-Modul der Ladesäule ist als bidirektionale
Leistungselektronik ausgeführt. Je nach Ansteuerung kann das Wandler-Modul als Gleichspannungswandler (Hochsetzsteller beziehungsweise Tiefsetzsteller) , Gleichrichter oder
Wechselrichter arbeiten. Auf diese Weise dient das Wandler- Modul als sehr flexible leistungselektronische Komponente für einen Energietransfer zwischen den oben genannten
verschiedenen Anschlussleitungen, ggf. daran angeschlossenen Komponenten und dem Gleichspannungs-Bus der Ladesäule. Der Gleichspannungs-Bus dient gewissermaßen als eine Art
Zwischenkreis, in den oder aus dem elektrische Energie über eine oder mehrere Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder der mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen von den oder zu den verschiedensten energetischen Quellen oder Senken übertragen werden kann. Der Gleichspannungs-Bus ist zum Beispiel ein Gleichspannungs-Bus einer hohen Gleichspannung im Bereich von 650 bis 900 Volt Gleichspannung. In diversen Ausführungsformen kann der
Gleichspannungs-Bus eine erste Busleitung für eine positive Gleichspannung, eine zweite Busleitung als Mittelpunktleiter und eine dritte Busleitung für eine negative Gleichspannung aufweisen. Ergänzend hierzu kann der Gleichspannungs-Bus eine vierte Busleitung für eine zweite positive Gleichspannung und eine fünfte Busleitung für eine zweite negative
Gleichspannung aufweisen. Die zweite positive Gleichspannung kann gleich oder verschieden zur ersten positiven
Gleichspannung sein. Die zweite negative Gleichspannung kann gleich oder verschieden zur ersten negativen Gleichspannung sein.
Eine Vermittlung zwischen dem Wandler-Modul und den einzelnen Anschlussleitungen der diversen Teilnetz-Topologien erfolgt gesteuert vermittels des Verteiler-Moduls, das eine zentrale Rolle in der erläuterten Ladesäule spielt. In diversen
Ausführungsformen der Ladesäule weist das Verteiler-Modul ein oder mehrere Schaltelemente auf, zum jeweiligen Verbinden oder Trennen einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder der mehreren Wechselspannungs-
Anschlussleitungen mit oder vom Wandler-Modul. Das Verteiler- Modul kann als Schaltmatrix beziehungsweise als
Kreuzschienenverteiler zwischen dem Wandler-Modul und den Gleichspannungs- beziehungsweise Wechselspannungs- Anschlussleitungen eingerichtet sein.
In diversen Ausführungsformen kann die Ladesäule mehrere der erläuterten Wandler-Module aufweisen. Ferner kann die
Ladesäule auch mehrere Verteiler-Module aufweisen. Die
Ladesäule kann dabei derart eingerichtet sein, dass jeweils ein Verteiler-Modul eine Verschaltung eines oder mehrerer der Wandler-Module mit einzelnen Anschlussleitungen der
Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der
Wechselspannungs-Anschlussleitungen übernimmt. Alternativ kann auch nur ein Verteiler-Modul vorgesehen sein, das die Verschaltung der mehreren Wandler-Module der Ladesäule mit den entsprechenden Anschlussleitungen übernimmt.
Ein Einrichten mehrerer Wandler-Module in der Ladesäule hat den Vorteil, dass die Ladesäule gleichzeitig verschiedene Aufgaben innerhalb eines Smart Grids durchführen kann. Dabei können beispielsweise ein oder mehrere erste Wandler-Module als Gleichspannungswandler (Hochsetzsteller beziehungsweise Tiefsetzsteller) arbeiten, während ein oder mehrere zweite Wandler-Module als Gleichrichter oder Wechselrichter
arbeiten. Somit ist durch eine solche Ladesäule eine sehr flexible und ggf. parallel bidirektionale Verteilung
elektrischer Energie zwischen unterschiedlichen
Netztopologien (Gleichspannungs-Anschlussleitungen
beziehungsweise Wechselspannungs-Anschlussleitungen) und/oder verschiedensten Quellen und Senken elektrischer Ressourcen auf der einen Seite und dem Gleichspannungs-Bus auf der anderen Seite möglich.
In diversen Ausführungsformen der Ladesäule kann das
wenigstens eine Wandler-Modul eine Mehrzahl von Wandler- Einheiten aufweisen. Jede Wandler-Einheit weist dabei eine erste Anschlussseite und eine zweite Anschlussseite auf, wobei die Wandler-Einheiten mit ihren ersten Anschlussseiten an unterschiedliche Verteiler-Anschlussleitungen des
Verteiler-Moduls geschaltet sind und mit ihren zweiten
Anschlussseiten an einer oder mehreren Busleitungen des Gleichspannungs-Busses parallel geschaltet sind. Das
Verteiler-Modul ist dabei eingerichtet, vermittels der
Verteiler-Anschlussleitungen einzelne Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen mit der jeweiligen ersten Anschlussseite der einzelnen Wandler-Einheiten des Wandler-Moduls zu
verbinden oder davon zu trennen.
Eine Konfiguration eines Wandler-Moduls der Ladesäule mit mehreren Wandler-Einheiten hat den Vorteil, dass bereits in Bezug auf ein Wandler-Modul der Ladesäule eine flexible
Aufteilung verschiedener Aufgaben möglich ist. So kann beispielsweise eine Wandler-Einheit als
Gleichspannungswandler zwischen einer oder mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen und dem Gleichspannungs- Bus fungieren, während eine oder mehrere andere Wandler- Einheiten als Gleichrichter beziehungsweise Wechselrichter zwischen einer oder mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen und dem Gleichspannungs-Bus fungieren. Berücksichtigt man nun eine Ausführung der Ladesäule mit mehreren Wandler-Modulen, wobei jedes Wandler-Modul mehrere Wandler-Einheiten der erläuterten Art aufweist, so ist eine Diversität und Flexibilität der Ladesäule in sehr hohem Maße und mit sehr „feingliedrigen" Konfigurationsmöglichkeiten erzielbar. Eine Realisierung der verschiedensten Aufgaben der einzelnen Wandler-Einheiten erfolgt durch entsprechende
Verschaltung der Anschlussleitungen der erläuterten Art vermittels des einen oder der mehreren Verteiler-Module der Ladesäule .
In diversen Ausführungsformen ist eine jede Wandler-Einheit der erläuterten Art vermittels der Steuerung derart
steuerbar, dass die Wandler-Einheit alternativ als
- Hochsetzsteller zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten Anschlussseite,
- Tiefsetzsteller zwischen der zweiten Anschlussseite und der ersten Anschlussseite,
- Gleichrichter zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten Anschlussseite, oder
- Wechselrichter zwischen der zweiten Anschlussseite und der ersten Anschlussseite arbeitet.
Je nach Bedürfnis eines Energietransfers zwischen den
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der ein oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen und dem Gleichspannungs-Bus kann eine jede Wandler-Einheit somit bidirektional einen entsprechenden Energietransfer
durchführen . In einer Ausführungsform weist das Wandler-Modul drei
Wandler-Einheiten auf, die als B6-Brückenschaltung zwischen drei Verteiler-Anschlussleitungen des Verteiler-Moduls und einer oder mehreren Busleitungen des Gleichspannungs-Busses verschaltet sind, wobei jeweils eine Wandler-Einheit einen Brückenzweig der B6-Brückenschaltung bildet. Eine B6- Brückenschaltung stellt eine zweckmäßige Topologie für das Wandler-Modul in der Ladesäule der erläuterten Art dar. Über die drei Brückenzweige der B6-Brückenschaltung ist ein mehrphasiges Wechselspannungsnetz, insbesondere eine
dreiphasige Netzversorgung auf einfache Weise an ein Wandler- Modul anbindbar. Auch können auf diese Weise mehrere
Anschlussleitungen der Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der Wechselspannungs-Anschlussleitungen über eine sehr einfach zu realisierende Wandler-Topologie an die Ladesäule angebunden werden, wobei dennoch eine Diversität der verschiedenen Aufgaben und Betriebsmodi der oben
erläuterten Art gewährleistet ist.
In der Konfiguration des Wandler-Moduls als B6- Brückenschaltung weisen die Wandler-Einheiten jeweils
zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten
Anschlussseite Wandlermittel auf, umfassend wenigstens eine Induktivität, die an den jeweiligen ersten Anschlussseiten dem jeweiligen Brückenzweig vorgeschaltet ist. Die
Brückenzweige selbst weisen Parallelschaltungen aus
Schaltelementen und Gleichrichter-Elementen auf, die
verschiedene Schaltpfade durch das Wandler-Modul ermöglichen. Die Schaltelemente jeder Wandler-Einheit werden vermittels der Steuerung zur Öffnung beziehungsweise Schließung
verschiedener Schaltpfade der jeweiligen Brückenzweige zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten Anschlussseite gesteuert. Auf diese Weise können die Wandler- Einheiten (Brückenzweige der B6-Brückenschaltung)
bidirektional als Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller,
Gleichrichter oder Wechselrichter operieren.
Die obige Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 7 mit mehreren Ladesäulen der oben erläuterten Art gelöst, wobei die Ladesäulen über den Gleichspannungs-Bus miteinander verbunden sind. Ergänzend zum Gleichspannungs-Bus können die Ladesäulen auch über einen davon unabhängigen Kommunikations-Bus beziehungsweise einen Steuer-Bus miteinander verbunden sein. Eine Anordnung mit mehreren Ladesäulen der erläuterten Art erlaubt eine
Einrichtung einer Art Ring-Topologie zwischen
Anschlussleitungen der einen oder mehreren Gleichspannungs- Anschlussleitungen beziehungsweise der einen oder mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen, den Ladesäulen sowie dem Gleichspannungs-Bus beziehungsweise einem sonstigen Bus, über den die Ladesäulen miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann die Anordnung durch eine übergeordnete Steuerung der Ladesäulen derart betrieben werden, dass ein flexibler energetischer Austausch zwischen verschiedensten Quellen und Senken, die über die jeweiligen Anschlussleitungen an die Ladesäulen anschließbar sind, erzielbar ist. Ein Austausch elektrischer Energie läuft dabei von einer Quelle vermittels einer oder mehrerer Anschlussleitungen der Gleichspannungs- Anschlussleitungen beziehungsweise der Wechselspannungs- Anschlussleitungen über ein oder mehrere Wandler-Module einer oder mehrerer Ladesäulen in den Gleichspannungs-Bus und vom Gleichspannungs-Bus über ein oder mehrere Wandler-Module einer oder mehrerer, gegebenenfalls anderen, Ladesäulen hin zu einer Senke, die über eine oder mehrere andere
Anschlussleitungen der Gleichspannungs-Anschlussleitungen beziehungsweise der Wechselspannungs-Anschlussleitungen angebunden ist. Vermittels jeweiliger Verteiler-Module sind die Ladesäulen flexibel zwischen verschiedenen Betriebsmodi schaltbar, wobei die entsprechenden Wandler-Module mit verschiedensten Anschlussleitungen verschaltbar sind. Auf diese Weise bildet eine Anordnung der erläuterten Art quasi ein lokales Verteilernetz zum Einspeisen beziehungsweise Entnehmen elektrischer Energie in beziehungsweise aus einem lokalen Smart Grid.
In diversen Ausführungsformen ist die Anordnung über eine oder mehrere Hauptsteuerungen zur Steuerung der Ladesäulen steuerbar. Insbesondere können verschiedene Betriebsmodi der Ladesäulen über die eine oder mehreren Hauptsteuerungen gesteuert werden, wobei in jedem Betriebsmodus zumindest zwei Ladesäulen zusammenwirken und die eine oder mehreren
Hauptsteuerungen eingerichtet sind für jeden Betriebsmodus spezifische Verschaltungen der Wandler-Module der Ladesäulen mit einzelnen oder mehreren der Gleichspannungs- Anschlussleitungen sowie der Wechselspannungs-
Anschlussleitungen vermittels der jeweiligen Verteiler-Module der Ladesäulen vorzugeben.
Die obige Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 9 zum Betreiben einer Ladesäule gelöst, wobei die Ladesäule gemäß der obigen Art ausgeführt ist .
Bei diesem Verfahren wird das wenigstens eine Wandler-Modul wechselweise in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben. Das heißt, dass zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus des wenigstens einen Wandler-Moduls je nach gewünschtem bzw. erforderlichem Betriebsmodus gewechselt wird. Im ersten
Betriebsmodus werden folgende Maßnahmen durchgeführt:
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen vermittels des Verteiler-Moduls vom Wandler-Modul,
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen
vermittels des Verteiler-Moduls mit dem Wandler-Modul,
- Steuern des Wandler-Moduls als Gleichspannungswandler zwischen den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen und dem Gleichspannungs-Bus .
Im zweiten Betriebsmodus werden folgende Maßnahmen
durchgeführt :
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen vermittels des Verteiler-Moduls vom Wandler-Modul,
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen
vermittels des Verteiler-Moduls mit dem Wandler-Modul,
- Steuern des Wandler-Moduls als Gleichrichter zwischen den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen und dem Gleichspannungs-Bus oder als Wechselrichter zwischen dem Gleichspannungs-Bus und den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen .
Ein derartiges Verfahren ermöglicht einen flexiblen Betrieb eines Wandler-Moduls der Ladesäule alternativ in einem
Erstbetriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus. Das Wandler-Modul kann zwischen diesen beiden Betriebsmodi flexibel hin und her geschaltet werden. Das Verfahren
ermöglicht somit das Betreiben der Ladesäule als zentrales Element in einem lokalen Smart Grid, wobei unterschiedlichste Netze, Quellen und Verbraucher flexibel verschaltet werden können, wobei das Wandler-Modul multiple Aufgaben übernehmen kann. Ein Verschalten des Wandler-Moduls mit verschiedensten Anschlussleitungen je nach Betriebsmodus erfolgt
verfahrensgemäß über das Verteiler-Modul.
Das Verfahren kann derart erweitert werden, dass mehrere Ladesäulen gemäß einer Anordnung der oben erläuterten Art parallel betrieben werden. Dabei werden gleichzeitig jeweils ein oder mehrere Wandler-Module einer oder mehrerer erster Ladesäulen im ersten Betriebsmodus und jeweils ein oder mehrere Wandler-Module einer oder mehrerer zweiter Ladesäulen im zweiten Betriebsmodus betrieben. Alternativ können auch alle Ladesäulen im ersten oder im zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Das Verfahren ermöglicht somit eine
Diversität der Anordnung der mehreren Ladesäulen in einem sehr hohen Maße bezogen auf die verschiedensten
Konfigurationsmöglichkeiten zum Energieaustausch zwischen verschiedenen Quellen und Verbrauchern innerhalb eines Smart Grids . Die obige Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 11 zum Betreiben einer
Ladesäule gelöst, wobei die Ladesäule ein oder mehrere
Wandler-Module aufweist und ein jeweiliges Wandler-Modul eine Mehrzahl von Wandler-Einheiten gemäß der obigen Art und ggf. Verschaltung aufweist. Durch ein derartiges Verfahren können eine oder mehrere erste Wandler-Einheiten bzw. eine oder mehrere zweite Wandler-Einheiten eines jeweiligen Wandler- Moduls mit einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen
verbunden werden, während die jeweiligen Wandler-Einheiten von den jeweiligen anderen Anschlussleitungen (der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen bzw. der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen) getrennt sind. Die ersten bzw. zweiten Wandler-Einheiten werden dabei jeweils als Gleichspannungswandler zwischen verbundenen einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen und dem
Gleichspannungs-Bus bzw. als Gleichrichter zwischen
verbundenen einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen und dem
Gleichspannungs-Bus oder als Wechselrichter zwischen dem Gleichspannungs-Bus und verbundenen einzelnen
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Wechselspannungs-Anschlussleitungen gesteuert. Die einzelnen Wandler-Einheiten können wechselweise mit verschiedenen
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen verbunden bzw. getrennt werden und dabei wechselweise, je nach Aufgabe, als Gleichspannungswandler, Gleichrichter oder Wechselrichter gesteuert werden. Das Verfahren kann derart erweitert werden, dass mehrere Ladesäulen dieser Art als Anordnung parallel betrieben werden.
Weitere vorteilhafte Aspekte, Weiterbildungen und
Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.
Merkmale, Aspekte und Maßnahmen der erläuterten Verfahren finden entsprechende Anwendung in strukturellen Merkmalen einer Ladesäule beziehungsweise einer Anordnung mehrerer Ladesäulen der oben erläuterten Art und umgekehrt.
Die oben erläuterte Ladesäule, die oben erläuterte Anordnung mehrerer Ladesäulen sowie die oben erläuterten Verfahren können in einem Smart Grid zur Ressourcenausnutzung
unterschiedlichster elektrischer Fahrzeuge und/oder sonstiger elektrischer Mobilitäts- und Arbeitsressourcen der oben aufgeführten Art Anwendung finden.
Die elektrischen Fahrzeuge und/oder sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen können dabei mittels
Batteriespeicher oder Hybridsystemen mit Energie versorgt werden. Die entsprechenden Batteriespeicher der Ressourcen können mit einem entsprechenden Smart Grid, z.B. im Haushalt, im Industrieunternehmen oder im landwirtschaftlichen
Unternehmen, so verbunden werden, dass die Batteriespeicher sich (außerhalb ihrer normalen Bestimmung) voll in das jeweilige lokale elektrische Versorgungsnetz integrieren und als Teil des stationären Energieversorgungssystems
bewirtschaftet werden können.
Die elektrischen Fahrzeuge und/oder sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen können auf drei
verschiedene Arten bidirektional mit dem lokalen Smart Grid verbunden werden:
1) Gleichstromverbindung kabelgeführt,
2) Wechselstromverbindung kabelgeführt,
3) Wechselfeldverbindung induktiv.
Das Batteriesystem/der Batteriespeicher für die elektrischen Fahrzeuge und/oder sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen kann ebenfalls auf drei verschiedene Arten aufgebaut sein:
1) Niederspannungsbatterie (Gleichspannung bis 60V),
2) Hochvoltbatterie (Gleichspannung zwischen 60V und 1500V), 3) Wechselspannungsbatterie (Gleich- und Wechselspannung bis
1500V) .
Somit ergeben sich für diese Anwendungen folgende mögliche Kombinationen :
1) Gleichstromverbindung kabelgeführt mit
Niederspannungsbatterie (z.B. kleine Fahrzeuge, Arbeitsgeräte oder sonstige Ressourcen mit einer Leistungsaufnahme bis zu 11 kW und einem Energiespeichersystem mit bis zu 20 kWh; z.B. Rasenmäher, Kleintraktor, innerbetriebliche
Transportlogistik) ,
2) Gleichstromverbindung kabelgeführt mit Hochvoltbatterie (elektrische Fahrzeuge, Arbeitsgeräte oder sonstige
Ressourcen, wie PKW, Reisemobile oder landtechnische
Fahrzeuge, mit einer Leistungsaufnahme von größer 5 kW und Energiespeichersystemen mit größer 10 kWh) ,
3) Wechselstromverbindung kabelgeführt oder
Wechselfeldverbindung induktiv in Verbindung mit einer
Wechselspannungsbatterie (prinzipiell für alle mobilen
Anwendungen und Ressourcen mit einer Leistung größer 5 kW und einem Energieinhalt größer 5 kWh) . Insbesondere die genannten Kombinationen 1) und 2) können mittels einer bidirektionalen Ladesäule der oben erläuterten Art oder einer Anordnung mit mehreren solcher Ladesäulen der oben erläuterten Art und/oder gemäß einem der oben erläuterten Verfahren realisiert werden. In der oder den Ladesäulen können das oder die Wandler-Module bzw. Wandler- Einheiten als mehrere resonant betriebene DC/DC-Wandler eingerichtet sein. Diese können z.B. ein vorzeichenbehaftetes Stromsignal über eine Kommunikationsschnittstelle erhalten und den gewünschten Lade-/Entladestrom einregeln. Die
genannten Kombinationen 1) und 2) können alternativ oder ergänzend auch über einen Multilevel-Stromrichter mit
galvanisch getrennten Einzelmodulen als entsprechende
Wandler-Module realisiert werden, die sowohl in Reihe als auch parallel verschaltet werden können. Die in den genannten Kombinationen 1) und 2) am Eingang zur Verfügung zu stellende Gleichspannung kann aus einem lokalen
Gleichspannungsnetz oder über ein Gleichspannungssystem gewonnen werden, das durch einen Stromrichter erzeugt wird.
Die genannte Kombination 3) kann mithilfe einer
Wechselspannungsbatterie im elektrischen Fahrzeug und/oder in der sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressource realisiert werden. Die Wechselspannungsbatterie kann dabei aus mehreren Batteriemodulen bestehen, die nach einer
bestimmten Schaltabfolge in Reihe, parallel oder in Bypass geschaltet werden können. Dadurch können sowohl
Gleichspannungen als auch Wechselspannungen direkt durch die Batterie stufenförmig erzeugt werden. Durch
Pulsweitenmodulation eines Batteriemoduls können die
Spannungsstufen und somit die Oberschwingungen deutlich reduziert werden. Eine solche Batterie kann direkt oder mittels einer oder mehrerer der oben erläuterten Ladesäulen, ggf- in Verbindung mit einem der oben erläuterten Verfahren, an ein Wechselspannungsnetz kabelgebunden angeschlossen werden. Eine solche Batterie ist ebenfalls in der Lage ein Wechselspannungssystem hoher Frequenz (größer 30.000 Hz) zu erzeugen und damit einen induktiven Energieübertrager (für eine kabellose Energieübertragung) zu speisen. Auf der stationären Seite könnte ein resonant betriebener
Stromrichter, ein Multilevel-Stromrichter oder eine
stationäre Wechselspannungsbatterie, ggf. jeweils in
Verbindung mit einer oder mehreren der erläuterten Ladesäulen und/oder Verfahren, eingesetzt werden. Bei Einsatz einer Wechselspannungsbatterie der erläuterten Art könnte ebenfalls auf einen Antriebsstromrichter im elektrischen Fahrzeug und/oder in der sonstigen elektrischen Mobilitäts- und
Arbeitsressource verzichtet werden.
Derartige Anwendungen der erläuterten Kombinationen 1) bis 3) haben den Vorteil, dass bisher ungenützte mobile
Energiespeichersysteme entsprechender Ressourcen in ein lokales Smart Grid eingebunden werden können, wodurch
zusätzliche Speicherkapazitäten erschlossen und die lokalen elektrischen Versorgungssysteme sicherer und effizienter werden. Die elektrischen Fahrzeuge und/oder sonstigen
elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen können
bidirektional in die jeweilige lokale elektrische
Energieversorgung (Smart Grid) eingebunden werden. Dies ermöglicht den vorteilhaften Umstieg von
Verbrennertechnologien auf Elektromobilität auch bei
elektrischen Fahrzeugen, die selten mobil genutzt werden, und schafft einen Mehrwert und einen finanziellen Anreiz auf diese neue Technologie umzusteigen.
Zur Regelung des Leistungsaustauschs in einem solchen Smart Grid wird ein einfacher Parameter, nämlich der Ladestrom, der bisher nur einen positiven Wertebereich für das Laden hatte, erweitert um einen negativen Wertebereich der das
bidirektionale Laden/Entladen ermöglicht. Elektrische Fahrzeuge und/oder sonstige elektrische
Mobilitäts- und Arbeitsressourcen, die bisher nur
gelegentlich genutzt wurden, können auf diese Weise
gewinnbringend in die lokale elektrische Energieversorgung integriert werden. Dadurch erhöht sich die Wertschöpfung der entsprechenden Ressourcen und neue ressourcen- und
umweltschonende Konzepte können realisiert werden. Zum Beispiel können Reisemobile auf diese Weise einfach und effizient in eine lokale Photovoltaikanlage integriert werden. Ein elektrisch angetriebenes Reisemobil mit einer Reichweite von 350 km ist für eine Reisetätigkeit
ausreichend. Parallel könnte das Reisemobil die viele
ungenutzte Zeit im lokalen Smart Grid als
Energiespeichersystem mit 40 bis 60 kWh integriert werden. Als weiteres Beispiel können landtechnische Selbstfahrer, die mit Hybridtechnologie ausgestattet sind, mit einem kleineren Dieselaggregat ausgestattet werden, da dieses nur auf die mittlere Leistung und nicht auf die Spitzenleistung ausgelegt werden muss. Dadurch kann etwa 10-15 % Diesel eingespart werden. Die Batterie einer solchen Ressource kann als
Pufferspeicher in den vielen Monaten des Nichteinsatzes während des Jahres in eine lokale Photovoltaik-/Biogasanlage integriert werden. Eine entsprechende Anbindung alldieser Ressourcen an das lokale Smart Grid kann über eine
bidirektionale Ladesäule der oben erläuterten Art oder über eine Anordnung mit mehreren solcher Ladesäulen der oben erläuterten Art und/oder gemäß einem der oben erläuterten Verfahren realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisierte Darstellung einer Ladesäule,
Figur 2 eine schematisierte Darstellung einer
Leistungselektronik innerhalb der Ladesäule gemäß Figur 1, Figur 3 mehrere Kennlinien eines Gesamtstromrippels über dem Schaltverhältnis innerhalb einer
Leistungselektronik gemäß Figur 2,
Figur 4 eine alternative Ausführungsform der
Leistungselektronik gemäß Figur 2, sowie
Figur 5 eine schematisierte Darstellung einer
Benutzerschnittstelle der Ladesäule gemäß Figur 1. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer Ladesäule 1 mit mehreren leitungselektronischen Wandler-Modulen 2. Die
Ladesäule 1 dient unter anderem zur Versorgung eines
elektrischen Fahrzeuges oder einer sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressource mit elektrischer Energie oder zur Entnahme von elektrischer Energie aus einer solchen Ressource und kann Anwendung in einem sogenannten lokalen Smart Grid (lokales elektrisches Netz mit verschiedenen
Teilnetzen, Topologien, Quellen und Senken) Anwendung finden, In der Ausführungsform gemäß Figur 1 weist die Ladesäule 1 insgesamt vier Leistungselektroniken mit Wandler-Modulen 2 auf. Die Leistungselektroniken sind als LEI bis LEm gekennzeichnet. In alternativen Ausführungsformen weist die Ladesäule 1 mehr oder weniger Leistungselektroniken LE auf.
Die Struktur und Funktion der einzelnen Leistungselektroniken LE wird weiter unten im Zusammenhang mit Figur 2 näher erläutert. Die einzelnen Wandler-Module 2 der
Leistungselektroniken LEI bis LEm sind jeweils einem
Gleichspannungs-Bus 4 und einem Verteiler-Modul 7 elektrisch zwischengeschaltet. Jedes Wandler-Modul 2 weist eine erste Anschlussseite 10 und eine zweite Anschlussseite 11 auf und ist mit seiner ersten Anschlussseite 10 an unterschiedliche Verteiler-Anschlussleitungen 12 des jeweiligen Verteiler- Moduls 7 geschaltet und mit seiner zweiten Anschlussseite 11 an Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 parallel
geschaltet bzw. mit einem Neutralleiter N verschaltet.
Der Gleichspannungs-Bus 4 ist ein Gleichspannungs-Bus hoher Gleichspannung, zum Beispiel einer Gleichspannung im Bereich zwischen 650 und 900 Volt DC . Der Gleichspannungs-Bus 4 umfasst in der Ausführungsform gemäß Figur 1 diverse
Busleitungen. Diese umfassen eine erste Busleitung DC+ für eine erste positive Gleichspannung, eine zweite Busleitung MP, die als Mittelpunktleiter fungiert, und eine dritte
Busleitung DC- für eine erste negative Gleichspannung. Der Mittelpunktleiter MP bildet somit quasi ein "Mitten- Potential" zwischen den beiden Gleichspannungsleitungen DC+ und DC- . Neben diesen Busleitungen weist der Gleichspannungs- Bus 4 noch eine vierte Busleitung DC+2 für eine zweite positive Gleichspannung und eine fünfte Busleitung DC-2 für eine zweite negative Gleichspannung auf. Die zweiten
positiven und negativen Gleichspannungen DC+2, DC-2 können den ersten positiven und negativen Gleichspannungen DC+, DC- jeweils entsprechen oder von diesen verschieden sein. Auch bezüglich der Gleichspannungen auf den vierten und fünften Busleitungen DC+2 und DC-2 verhält sich der Mittelpunktleiter MP als Mitten-Potential. Der Gleichspannungs-Bus 4 ist als eine Art Zwischenkreis zwischen den einzelnen Wandler-Modulen 2 der Ladesäule 1 eingerichtet, um die verschiedenen Wandler-Module 2 der
Ladesäule 1 miteinander zu verbinden. Die einzelnen Wandler- Module 2 können dabei über Schaltelemente 13 über
Anschlussleitungen an ihren zweiten Anschlussseiten 11 mit den verschiedenen Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 verbunden beziehungsweise von diesen getrennt werden. Die Schaltelemente 13 können mechanische, elektronisch
angesteuerte oder elektronische Schalter sein. In der
Ausführungsform gemäß Figur 1 ist ein Zustand dargestellt, bei dem die Wandler-Module 2 der Leistungselektroniken LEI und LE2 jeweils mit den Busleitungen DC+ und DC- des
Gleichspannungs-Busses 4 verschaltet sind, während die
Wandler-Module 2 der Leistungselektroniken LE3 und LEm mit den Busleitungen DC+2 und DC-2 des Gleichspannungs-Busses 4 verbunden sind . Andere Schaltverbindungen sind in der
Konfiguration gemäß Figur 1 entsprechend über Schaltelemente 13 geöffnet. In alternativen Betriebsmodi können die Wandler- Module 2 natürlich auch in anderer Weise mit diversen
Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 verbunden sein. Zum Beispiel können sämtliche Wandler-Module 2 sämtlicher
Leistungselektroniken LEI bis LEm mit sämtlichen Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 verbunden sein oder andere
Konstellationen von Teilzwischenkreisen als die in Figur 1 dargestellte angenommen werden. Allgemein sind die einzelnen Verbindungen zwischen den Wandler-Modulen 2 und den
Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 vermittels der Schaltelemente 13 einzeln zu- beziehungsweise abschaltbar. In der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist pro
Leistungselektronik LEI bis LEm ein Verteiler-Modul 7
eingerichtet. Das Verteiler-Modul 7 hat die Funktion, vermittels der Verteiler-Anschlussleitungen 12 einzelne
Anschlussleitungen diverser Gleichspannungs- Anschlussleitungen 5 beziehungsweise diverser
Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 mit der jeweiligen ersten Anschlussseite 10 der einzelnen Wandler-Module 2 der Leistungselektroniken LEI bis LEm zu verbinden oder davon zu trennen. In der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist ein jedes Verteiler-Modul 7 als Schaltmatrix beziehungsweise
Kreuzschienenverteiler zwischen dem jeweiligen Wandler-Modul 2 und den Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5
beziehungsweise den Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 eingerichtet. Vermittels verschiedener Schaltelemente 9 kann das Verteiler-Modul 7 einzelne Anschlussleitungen der
Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5 beziehungsweise der Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 mit den
Anschlussleitungen auf der ersten Anschlussseite 10 der jeweiligen Wandler-Module 2 der Leistungselektroniken LEI bis LEm verbinden oder davon trennen. Auf diese Weise können die jeweiligen Verteiler-Module 7 einzelne Verbindungen der
Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5 beziehungsweise der Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 zu den jeweiligen
Wandler-Modulen 2 einzeln zu- oder abschalten. Die
Schaltelemente 9 können mechanische, elektronisch
angesteuerte oder elektronische Schalter sein. Zwischen den jeweiligen Verteiler-Modulen 7 und den Wandler-Modulen 2 der Leistungselektroniken LEI bis LEm können weitere
Schaltelement (nicht in Figur 1 dargestellt) eingerichtet sein, um einzelne Verteiler-Anschlussleitungen 12 mit den ersten Anschlussseiten 10 der Wandler-Module 2 zu verbinden oder davon zu trennen. Ferner können diese Schaltelemente für eine Schutztrennung der Wandler-Module 2 der
Leistungselektroniken LEI bis LEm von den Anschlussleitungen 5 bzw. 6 ausgelegt sein. Hier können z.B. Überstrom- bzw. Überspannungsschutzschalter vorgesehen sein. Ferner können zwischen einzelnen Verteiler-Anschlussleitungen 12 und einzelnen oder mehreren der Anschlussleitungen 5 bzw. 6 Drosseln bzw. Filter (nicht in Figur 1 dargestellt)
eingerichtet sein, um Störsignale zwischen den einzelnen Anschlussleitungen zu minimieren.
In der Ausführungsform gemäß Figur 1 umfassen die
Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5 insgesamt vier
Anschlussleitungen zu Photovoltaik-Anlagen Solar_l bis
Solar_n. Die einzelnen Photovoltaik-Anlagen können einzelne Photovoltaik-Strings , parallel geschaltete Photovoltaik- Strings beziehungsweise aus Photovoltaik-Modulen aufgebaute Anlagen sein. Daneben umfassen die Gleichspannungs- Anschlussleitungen 5 gemäß Figur 1 zwei Gleichstromleitungen DC_Chargel und DC_Charge2 sowie zwei Anschlussleitungen zu entsprechenden Batteriesystemen Batl und Bat2. Die
Gleichstromleitungen, DC_Chargel und DC_Charge2 sind
beispielsweise Anschlussleitungen zu Gleichstromladesystemen für eine Anbindung von elektrischen Fahrzeugen an die
Ladesäule 1. Ein oder mehrere Leitungen für ein oder mehrere Bezugspotentiale der jeweiligen Gleichspannungs- Anschlussleitungen 5 sind nicht in Figur 1 dargestellt. Diese könnten aber z.B. das gleiche Bezugspotential aufweisen, wie eine oder mehrere der Busleitungen DC- oder DC-2 des
Gleichspanungs-Busses 4. Die Batteriesysteme Batl und Bat2 können z.B. stationäre Energiespeicher oder eingebundene Energiespeicher von elektrischen Fahrzeugen oder sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressourcen sein. Die Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 umfassen in der Ausführungsform gemäß Figur 1 die Phasen LI bis L3 eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes (öffentliches
Versorgungsnetz) sowie den entsprechenden Neutralleiter N.
Der Neutralleiter N der Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 kann elektrisch auf dem gleichen Bezugspotential liegen, wie der Mittelpunktleiter MP des Gleichspannungs-Busses 4
beziehungsweise wie der Neutralleiter N des jeweiligen
Anschlusses der einzelnen Wandler-Module 2 an deren zweiten Anschlussseiten 11. Es können hierfür jedoch auch
verschiedene Bezugspotentiale eingerichtet sein, dies je nach Anwendungsfall und Konfiguration der Ladesäule 1. In zur Figur 1 alternativen Ausführungsformen können die
Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 neben den Anschlüssen an das dreiphasige Wechselspannungsnetz noch eine oder mehrere zusätzliche Anschlussleitungen (nicht dargestellt) an Wechselspannungsnetze oder z.B. an Wechselspannungsbatterien elektrischer Fahrzeuge oder sonstiger elektrischer
Mobilitäts- und Arbeitsressourcen aufweisen. Letztgenannte Anschlussleitungen können in wiederum alternativen
Ausführungsformen auch anstelle der in Figur 1 dargestellten Anschlussleitungen an das dreiphasige Wechselspannungsnetz eingerichtet sein. Hier können sich verschiedene
Konfigurationen der Ladesäule 1 je nach Anwendungsfall ergeben .
Eine Hauptsteuerung 8 führt eine Steuerung der Ladesäule 1, das heißt sämtliche Module und Einheiten der Ladesäule 1, durch, wobei verschiedene Betriebsmodi eingenommen werden können. In den verschiedenen Betriebsmodi schalten die einzelnen Verteiler-Module 7 die jeweiligen Wandler-Module 2 mit einzelnen Anschlussleitungen der Gleichspannungs- Anschlussleitungen 5 beziehungsweise der Wechselspannungs- Anschlussleitungen 6 zusammen oder trennen diese. Die
Leistungselektroniken LEI bis LEm sind mit ihren Wandler- Modulen 2 jeweils als bidirektionale Leistungselektronik zwischen den Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5 und den Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 auf der ersten
Anschlussseite 10 der Wandler-Module 2 und dem
Gleichspannungs-Bus 4 auf der zweiten Anschlussseite der Wandler-Module 2 eingerichtet. Die einzelnen Wandler-Module 2 werden derart gesteuert, dass Energie zwischen einzelnen Anschlussleitungen der Anschlussleitungen 5 und 6 und
einzelnen Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4
ausgetauscht werden kann. Durch Einrichten der Verteiler-Module 7 innerhalb der
Ladesäule 1 kann die Ladesäule 1 flexibel an verschiedenste Anforderungen angepasst werden. Insbesondere ist die
Ladesäule 1 vorteilhaft einsetzbar, wenn zwei oder mehr unterschiedliche Aufgaben beziehungsweise Anforderungen gleichzeitig innerhalb des Smart Grids bewältigt werden müssen. Selbst in einem Fall, in dem deutlich mehr als zwei Anforderungen zur gleichen Zeit wahrgenommen werden müssen, kann die Ladesäule 1 sehr flexibel an die verschiedensten energetischen Bedürfnisse angepasst werden. Die verschiedenen Anforderungen können in unterschiedlichen Leistungsbereichen liegen. In der Regel gibt es in einem lokalen Smart Grid nur einige grundlegende Wandlungsanforderungen. Diese umfassen ein Wandeln einer Gleichspannung in eine höhere oder
geringere Gleichspannung beziehungsweise das Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung oder eine
Gleichspannung in eine Wechselspannung. Die Ladesäule 1 gemäß Figur 1 ermöglicht die Durchführung zweier oder mehrerer zeitparalleler Aufgaben dieser Art durch intelligente Verschaltung eines oder mehrerer der eingerichteten Wandler- Module 2 mit einzelnen der Anschlussleitungen 5 und 6 vermittels der einzelnen Verteiler-Module 7. Bereits ein einzelnes Wandler-Modul 2 ist eingerichtet, verschiedene Wandleraufgaben der oben genannten Art zeitparallel
durchzuführen. Eine Erläuterung hierzu findet sich im
Zusammenhang mit Figur 2 unten.
Naturgemäß hat jedes Wandler-Modul 2 eine begrenzte
Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit von den verwendeten leistungselektronischen Bauelementen und deren
Schaltungskonfiguration innerhalb jedes Wandler-Moduls 2. Benötigt man für eine Aufgabe eine Leistungsfähigkeit, die die Leistungsgrenze eines Wandler-Moduls 2 übersteigt, können mehrere Wandler-Module 2 der Ladesäule 1 gemäß Figur 1 entsprechend vermittels der Verteiler-Module 7 parallel geschaltet werden. Auf diese Weise stellt die Ladesäule 1 einen sehr flexiblen Wandlerpunkt innerhalb des Smart Grids bereit, der vielseitige Aufgaben sehr flexibel übernehmen kann .
Die einzelnen Photovoltaik-Anlagen Solar_l bis Solar_n der Anschlussleitungen 5 können über die Verteiler-Module 7 so mit einzelnen oder mehreren Wandler-Modulen 2 verschaltet werden, dass über eine oder mehrere Anschlussleitungen auf der ersten Anschlussseite 10 eines jeweiligen Wandler-Moduls 2 eine entsprechende Eingangsspannung (Gleichspannung der Photovoltaik-Anlagen) in eine höhere Ausgangsspannung auf Seiten des Gleichspannungs-Busses 4 gewandelt wird. Dabei ist die Implementierung eines sogenannten Maximal-Leistungspunkt- Trackings (sogenanntes Maximum Power Point Tracking, MPP- Tracking) vermittels der einzelnen Wandler-Module 2 möglich. Auf diese Weise können die Photovoltaik-Anlagen Solar_l bis Solar_n mittels eines oder mehrerer Wandlerzweige eines oder mehrerer der Wandler-Module 2 mit dem Gleichspannungssystem hoher Gleichspannung des Gleichspannungs-Busses 4 verbunden werden .
Hinsichtlich der weiteren Gleichstrom-Anschlussleitungen innerhalb der Anschlussleitungen 5 können die einzelnen
Wandlerzweige der Wandler-Module 2 als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller den Gleichspannungs-Bus 4 entsprechend mit Batteriesystemen Batl, Bat2 oder mit den
Gleichspannungssystemen DC_Chargel, DC_Charge2 mit im
Verhältnis zum Gleichspannungs-Bus 4 geringerer Spannung verbinden. Werden in diesen Fällen sehr hohe Leistungen benötigt, könnten mehrere Wandlerzweige eines einzelnen
Wandler-Moduls 2 beziehungsweise mehrere Wandler-Module 2 parallel betrieben werden.
Das dreiphasige Wechselspannungsnetz oder ein sonstiges Wechselspannungssystem der oben genannten Art, das über die Anschlussleitungen 6 vermittels der Verteiler-Module 7 mit den Wandler-Modulen 2 verbindbar ist, kann über die einzelnen Wandler-Module 2 direkt mit dem Gleichspannungs-Bus 4 verbunden werden, sodass in beiden Richtungen Energie
ausgetauscht werden kann. Das Wechselspannungsnetz oder das sonstige Wechselspannungssystem 6 kann zum Beispiel der
Netzanschlusspunkt der Ladesäule 1 sein. Es ist alternativ zur in Figur 1 dargestellten Ausführungsform denkbar, mehrere Wechselspannungsnetze oder sonstige Wechselspannungssysteme mit einzelnen Anschlüssen der Anschlussleitungen 6
vorzusehen. Hierbei können zwei Wandler-Module 2 der
Ladesäule 1 derart betrieben werden, dass jeweils ein
Wandler-Modul 2 mit jeweils einem der Wechselspannungsnetze oder sonstigen Wechselspannungssysteme verbunden ist. Auf diese Weise könnte durch Verschaltung der Wandler-Module 2 über den Gleichspannungs-Bus 4 eine Art Online- Unterbrechungsfreie-Spannungsversorgung (sogenannte USV- Anlage) realisiert werden, indem ein drittes Wandler-Modul 2 den Gleichspannungs-Bus 4 mit einem Energiespeicher (zum Beispiel Batl oder Bat2 der Anschlussleitungen 5) oder mit einem Elektrofahrzeug (zum Beispiel angebunden über
DC_Chargel oder DC_Charge2 der Anschlussleitungen 5) oder mit einer sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressource verbindet.
Weiterhin können einzelne Anschlussleitungen der jeweiligen Wandler-Module 2 auch dazu benutzt werden, aus einer
Gleichspannung auf Seiten des Gleichspannungs-Busses 4 eine oder mehrere Wechselspannungen zu erzeugen, die
beispielsweise in das Wechselspannungsnetz oder sonstiges Wechselspannungssystem der Anschlussleitungen 6 eingespeist werden. Diese Wechselspannungen könnten alternativ zum
Wechselspannungsladen eines Elektrofahrzeuges oder einer sonstigen elektrischen Mobilitäts- und Arbeitsressource verwendet werden, das oder die an eine oder mehrere Phasen der Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 oder anderer (nicht dargestellter) Wechselspannungsleitungen angebunden ist.
Überschreitet hierbei die erforderliche Ausgangsleistung die durch die einzelnen Wandlerstränge der Wandler-Module 2 bereitgestellte Teilleistung, können mehrere Wandlerstränge eines Wandler-Moduls 2 beziehungsweise mehrere Wandler-Module 2 parallel geschaltet werden. Man sieht also, dass die
Ladesäule 1 sehr flexibel an verschiedenste Anforderungen innerhalb des Smart Grids angepasst werden kann.
In Figur 1 ist eine konkrete Betriebssituation der Ladesäule 1 veranschaulicht. Das Wandler-Modul 2 der Leistungselekronik LEI ist hierbei an seiner ersten Anschlussseite 10 vermittels des Verteiler-Moduls 7 an einer ersten und zweiten
Anschlussleitung mit einer Photovoltaik-Anlage Solar_l bzw. Solar_2 verschaltet und an einer dritten Anschlussleitung mit einer Gleichspannungsleitung des Batteriesystems Batl
verschaltet. Dies ist dadurch veranschaulicht, dass innerhalb des Verteiler-Moduls 7 entsprechende Schaltelemente 9 (fett dargestellt) mit den entsprechenden Anschlussleitungen geschlossen dargestellt sind. Die anderen Schaltelemente 9 werden entsprechend offen gehalten, sodass andere
Verbindungen zu anderen Anschlussleitungen getrennt sind. Das Wandler-Modul 2 der Leistungselektronik LE2 ist dagegen mit ersten und zweiten Anschlussleitungen auf der ersten
Anschlussseite 10 mit der Gleichstrom-Anschlussleitung
DC_Chargel verschaltet und mit einer dritten Anschlussleitung mit separaten Gleichstrom-Anschlussleitung DC_Charge2
verschaltet. Beide Wandler-Module 2 der Leistungselektroniken LEI und LE2 sind auf Seiten des Gleichspannungs-Busses 4 vermittels der Schaltelemente 13 mit den Busleitungen DC+ und DC- verbunden. Auf diese Weise kann elektrische Energie aus den Photovoltaik-Anlagen Solar_l und Solar_2 über das
Wandler-Modul 2 von LEI über den Zwischenkreis des
Gleichspannungs-Busses 4 und das Wandler-Modul 2 von LE2 in die Gleichspannungs-Anschlussleitungen DC_Chargel und
DC_Charge2 eingespeist werden. Nachdem zwei
Anschlussleitungen des Wandler-Moduls 2 von LE2 mit der
Gleichspannungsleitung DC_Chargel verbunden sind und nur eine Anschlussleitung von LE2 mit der Gleichspannungsleitung
DC_Charge2 verbunden ist, kann eine höhere Leistung an
DC_Chargel abgegeben werden als an DC_Charge2. Es ist
beispielsweise denkbar, ein Schnellladen eines
Elektrofahrzeuges oder einer sonstigen elektrischen
Mobilitäts- und Arbeitsressource an DC_Chargel durchzuführen, während ein weiteres Elektrofahrzeug oder eine sonstige elektrische Mobilitäts- und Arbeitsressource an DC_Charge2 langsamer geladen wird. Das Batteriesystem Batl, das über eine Anschlussleitung mit dem Wandler-Modul 2 von LEI verschaltet ist, kann in dieser Konstellation entweder als Energiequelle oder als Energiesenke betrieben werden. Dies hängt vom Leistungsbedarf auf Seiten des Wandler-Moduls 2 von LE2 ab. Ist dieser Leistungsbedarf höher, als die elektrische Leistung, die über die Photovoltaik-Anlagen Solar_l und
Solar_2 bereitgestellt werden kann, so kann das
Batteriesystem Batl als zusätzliche Energiequelle fungieren. Ist jedoch die Leistung, die über die Photovoltaik-Anlagen Solar_l und Solar_2 bereitgestellt wird, höher als die auf Seiten des Wandler-Moduls 2 von LE2 benötigte Leistung, so kann überschüssige Leistung der Photovoltaik-Anlagen Solar_l und Solar_2 in das Batteriesystem Batl als Energiesenke eingespeist werden. Letzteres geschieht dann ohne Zutun des Wandler-Moduls 2 von LE2, sondern ausschließlich durch entsprechende Verschaltung der Wandlerzweige des Wandler- Moduls 2 von LEI.
In der Konstellation gemäß Figur 1 arbeitet das Wandler-Modul 2 von LEI als Hochsetzsteller zwischen Gleichspannungen aus Solar_l und Solar_2 und dem Gleichspannungs-Bus 4 und
parallel als Hochsetzsteller bzw. Tiefsetzsteller zwischen Gleichspannungen des Batteriesystems Batl und dem
Gleichspannungs-Bus 4, je nachdem, ob Energie aus Batl in den Gleichspannungs-Bus 4 oder vom Gleichspannungs-Bus 4 in Batl transferiert wird (siehe obige Erläuterungen) . Das Wandler- Modul 2 von LE2 arbeitet in der Konstellation gemäß Figur 1 als Tiefsetzsteller zwischen Gleichspannungen des
Gleichspannungs-Busses 4 und den Gleichspannungsleitungen DC_Chargel und DC_Charge2. Das Wandler-Modul 2 von LE3 ist gemäß Figur 1 mit seinen drei Anschlussleitungen jeweils mit einer der drei Phasen LI bis L3 des Wechselspannungsnetzes 6 verbunden. Andere
Verbindungen sind im Verteiler-Modul 7 zu LE3 getrennt. Das Wandler-Modul LEm ist vermittels seines Verteiler-Moduls 7 mit einer ersten Anschlussleitung an das
Gleichspannungssystem DC_Chargel angebunden, während es mit den anderen Anschlussleitungen jeweils mit dem Batteriesystem Batl beziehungsweise Bat2 verschaltet ist. Beide Wandler- Module 2 von LE3 und LEm sind über Schaltelemente 13 mit den Busleitungen DC+2 und DC-2 des Gleichspannungs-Busses 4 verschaltet. In dieser Konstellation von LE3 und LEm ist beispielsweise eine Einspeisung elektrischer Energie aus dem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 6 vermittels LE3 in den Gleichspannungs-Bus 4 und eine entsprechende Abgabe der
Energie aus dem Gleichspannungs-Bus 4 vermittels LEm an die entsprechenden Gleichspannungsleitungen DC_Chargel
beziehungsweise Batl und Bat2 möglich. Beispielsweise kann ein mit DC_Chargel verbundenes Elektrofahrzeug oder eine damit verbundene sonstige elektrische Mobilitäts- und
Arbeitsressource aus dem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 6 geladen werden, während überschüssige Energie in den
Batteriesystemen Batl beziehungsweise Bat2 gespeichert wird. Hierbei sind die Batteriesysteme Batl und Bat2 Energiesenken. Im Falle einer sehr hohen Leistungsanforderung an der
Anschlussleitung DC_Chargel könnten die Batteriesysteme Batl und Bat2 jedoch zusätzlich zum dreiphasigen
Wechselspannungsnetz 6 als Energiequellen Energie
bereitstellen, die vermittels der Verschaltung von LEm über den Gleichspannungs-Bus 4 direkt an die Anschlussleitung DC_Chargel abgegeben wird. Alternativ könnte auch eine
Einspeisung von Energie aus DC Chargel, Batl und Bat2 über LEm und den GLeichspannungs-Bus 4 vermittels LE3 in das dreiphasige Wechselspannungsnetz 6 erfolgen. Je nach
Betriebssituation arbeitet LE3 gemäß Figur 1 dann als
Gleichrichter oder Wechselrichter, während LEm parallel als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller arbeitet.
Alternativ zur Situation gemäß Figur 1 können einzelne oder mehrere Wandler-Module 2 vermittels ihrer Verteiler-Module 7 auch derart intelligent verschaltet werden, dass
beispielsweise ein DC-Schnellladen oder -Entladen über die
Anschlussleitungen DC_Chargel und DC_Charge2 realisiert wird. Alternativ ist auch ein Energieaustausch zwischen einer oder beiden der Anschlussleitungen DC_Chargel und DC_Charge2 und einer oder mehreren Batteriesystemen Batl und Bat2 vermittels eines oder mehrerer entsprechend verschalteter Wandler-Module 2 möglich. Hier könnte beispielsweise ein DC-Schnellladen aus stationären Batterien realisiert werden. Weiter alternativ ist auch ein Energieaustausch zwischen einem Energiespeicher Batl beziehungsweise Bat2 und dem Gleichspannungssystem hoher Spannungs des Gleichspannungs-Busses 4 möglich. Aufgrund einer Verschaltmöglichkeit der einzelnen Wandler-Module 2 der Leistungeselektroniken LEI bis LEm der Ladesäule 1 vermittels der jeweiligen Verteiler-Module 7 ist somit eine hohe Anzahl an verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten des
Energieaustausches zwischen den einzelnen Teilnetzen des lokalen Smart Grids möglich. Eine Umverteilung elektrischer Energie (Ein- und Ausspeisen) wird jedes Mal über den
Gleichspannungs-Bus 4 als Zwischenkreis durchgeführt. Durch Anbinden der verschiedenen Wandler-Module 2 an den
Gleichspannungs-Bus 4 ergibt sich somit eine bidirektionale Energieumverteilung zwischen den verschiedenen
Anschlussleitungen 5 und 6 als Energiequellen beziehungsweise Energiesenken. Die Topologie in Figur 1 stellt somit eine Ring-Topologie dar, die eine flexible Energieverteilung ermöglicht. Eine Steuerung der Ladesäule 1 erfolgt in den verschiedenen Betriebsmodi durch die Hauptsteuerung 8. Diese steuert die einzelnen Wandler-Module 2 der
Leistungselektroniken LEI bis LEm derart, dass diese jeweils wechselweise in den verschiedenen Betriebsmodi arbeiten. Ein Verbinden bzw. Trennen der einzelnen Wandler-Stränge der Wandler-Module 2 erfolgt gesteuert über die Verteiler-Module 7.
Eine Anwendung der Ausführungsform der Ladesäule 1 gemäß Figur 1 kann z.B. eine Einbindung eines elektrischen
Kleintraktors zum Rasenmähen als elektrische Arbeitsressource vorsehen. Der Kleintraktor kann z.B. als Energiespeicher (Quelle oder Senke) in Form eines Batteriesystems Batl oder Bat2 vorgesehen sein. Der Kleintraktor ist z.B. mit einer Niederspannungsbatterie und einem elektrischen Antrieb ausgestattet. Dieses Fahrzeug wird im Sommer in der Regel etwa alle zehn Tage benutzt. Während der restlichen Zeit kann das Fahrzeug über eine Gleichstromverbindung 5, z.B. Solar_l, mit einer Photovoltaikanlage und mit dem lokalen Stromnetz verbunden sein, die tagsüber erzeugte elektrische Energie Zwischenspeichern und in Zeiten mit geringer
Photovoltaikstromerzeugung das lokale Smart Grid (z.B. eine Hausanlage) mit elektrischer Energie versorgen.
Eine weitere Anwendung der Ausführungsform der Ladesäule 1 gemäß Figur 1 kann z.B. eine Einbindung eines Reisemobils mit elektrischem oder Hybridantrieb vorsehen. Dieses wird in der Regel nur wenige Wochen im Jahr genutzt. Das Reisemobil kann mit dem lokalen Smart Grid über eine Gleichstrom- oder
Wechselstromverbindung 5, 6 verbunden sein. Im mobilen
Energiespeicher des Reisemobils kann somit überschüssige elektrische Energie, z.B. Photovoltaikenergie, gespeichert und in Zeiten geringer Energieerzeugung wieder genutzt werden . Eine weitere Anwendung der Ausführungsform der Ladesäule 1 gemäß Figur 1 kann z.B. eine Einbindung eines landtechnischen Selbstfahrers mit mobilem Energiespeicher in das Smart Grid eines landwirtschaftlichen Betriebes vorsehen. Dabei kann ein solcher Selbstfahrer außerhalb der Arbeitssaison mit einer Photovoltaikanlage verbunden werden und die erzeugte Energie zwischengespeichert werden bis der Betrieb einen höheren Bedarf hat als die Eigenstromerzeugung liefern kann. In diesem Fall kann mittels des mobilen Energiespeichers das lokale Smart Grid gestützt werden und der Fremdbezug
verringert werden.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines Wandler-Moduls 2 einer entsprechenden Leistungselektronik LE, wie sie in Figur 1 Anwendung findet. Die Leistungselektronik LE weist neben dem Wandler-Modul 2 eine Steuerung 3 zur Steuerung des
Wandler-Moduls 2 auf. Das Wandler-Modul 2 umfasst in der Ausführungsform gemäß Figur 2 eine sogenannte B6- Brückenschaltung mit drei Wandler-Einheiten 2a, 2b und 2c, die jeweils einen Brückenzweig der B6-Brückenschaltung umfassen. Die Wandler-Einheiten 2a, 2b und 2c weisen jeweils eine erste Anschlussseite 10a, 10b und 10c auf, die jeweils mit einer Verteiler-Anschlussleitung 12 des jeweiligen
Verteiler-Moduls 7 gemäß Figur 1 verbunden sind. Ferner sind gemäß Figur 2 Leitungen einer zweiten Anschlussseite 11 der jeweiligen Wandler-Einheiten 2a bis 2c aus der
Leistungselektronik LE herausgeführt, die mit entsprechenden Busleitungen des Gleichspannungs-Busses 4 gemäß Figur 1 bzw. mit einem Neutralleiter N verschaltbar sind. Konkret umfassen die Anschlussleitungen der zweiten Anschlussseite 11 zwei Anschlussleitungen, die jeweils mit den Busleitungen DC+, DC- beziehungsweise DC+2 und DC-2 des Gleichspannungs-Busses 4 (vergleiche Figur 1) verbindbar sind und eine
Anschlussleitung 11, die als Neutralleiter N eingerichtet ist und als Bezugspotential für die Leistungselektronik LE gemäß Figur 2 dient. Der Neutralleiter N ist über zwei Ausgangs- Kapazitäten 14a und 14b von den beiden anderen
Anschlussleitungen der zweiten Anschlussseite 11 abgegrenzt, sodass sich verschiedene Potentiale an den entsprechenden
Anschlussleitungen der zweiten Anschlussseite 11 bilden. Die Wandler-Einheiten 2a bis 2c sind an ihren zweiten
Anschlussseiten 11 entsprechend parallel geschaltet. Jede Wandlereinheit 2a bis 2c umfasst an ihrer ersten
Anschlussseite 10a bis 10c jeweils eine Induktivität 17a, 17b und 17c, die den jeweiligen Brückenzweig der B6- Brückenschaltung vorgeschaltet ist. Ein jeder Brückzweig umfasst Parallelschaltungen aus Schaltelementen 15a
beziehungsweise 15b und Gleichrichterelementen 16a
beziehungsweise 16b, die in der Ausführungsform gemäß Figur 2 als Dioden ausgeführt sind. Durch entsprechendes Steuern der Schaltelemente 15a und 15b in den entsprechenden
Brückenzweigen der jeweiligen Wandler-Einheiten 2a bis 2c vermittels der Steuerung 3 können verschiedene Schaltpfade in den jeweiligen Brückenzweigen zwischen den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a bis 10c und der zweiten Anschlussseite 11 gebildet werden. Die Wandler-Einheiten 2a bis 2c sind auf diese Weise bidirektional zwischen den ersten Anschlussseiten 10a bis 10c und den zweiten Anschlussseiten 11 steuerbar. So kann eine jede Wandler-Einheit 2a bis 2c durch ständiges Offenhalten des Schaltelementes 15a und gesteuertes Öffnen beziehungsweise Schließen des Schaltelementes 15b als Hochsetzsteller zwischen der jeweiligen ersten Anschlussseite 10a bis 10c und der zweiten Anschlussseite 11 betrieben werden, wobei sich Schaltpfade zwischen der jeweiligen
Induktivität 17a bis 17c über die Diode 16a beziehungsweise über das Schaltelement 15b hin zu den Anschlussleitungen der zweiten Anschlussseite 11 ergeben. Die Wandler-Einheiten 2a bis 2c sind auf diese Weise steuerbare Hochsetzsteller zwischen den ersten Anschlussseiten 10a bis 10c und der zweiten Anschlussseite 11, wobei das Schaltelement 15b vermittels der Steuerung 3 zum Beispiel über ein pulsweiten moduliertes (PWM) Schaltsignal, gegebenenfalls in Verbindung mit einer bestimmten Schaltfrequenz und/oder einer bestimmten Schalttotzeit, angesteuert wird. Umgekehrt ist duch ständiges Offenhalten des Schaltelementes 15b und ein gesteuertes
Öffnen und Schließen des Schaltelementes 15a ein
Tiefsetzstellerbetrieb einer jeden Wandler-Einheit 2a bis 2c zwischen der zweiten Anschlussseite 11 und den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a bis 10c realisierbar, wobei sich Schaltpfade zwischen der jeweiligen Induktivität 17a bis 17c und der Diode 16b beziehungsweise dem Schaltelement 15a hin zu den Anschlussleitungen der zweiten Anschlussseite 11 ergeben. Auch hier kann das Schaltelement 15a vermittels der Steuerung 3 durch ein PWM-Steuersignal , gegebenenfalls in Verbindung mit einer bestimmten Schaltfrequenz und/oder
Schalttotzeit, angesteuert werden, sodass die Wandler- Einheiten 2a bis 2c als gesteuerte Tiefsetzsteller betrieben werden können.
Darüber hinaus können die Wandler-Einheiten 2a bis 2c jeweils derart betrieben werden, dass beide Schaltelemente 15a und 15b im jeweiligen Brückenzweig mit einem bestimmten
Schaltverhältnis bei einer bestimmten Schaltfrequenz und/oder einer bestimmten Schalttotzeit zum Öffnen beziehungsweise Schließen angesteuert werden. In diesem Betrieb ist keines der Schaltelemente 15a beziehungsweise 15b dauerhaft
geöffnet. Hierbei können die Wandler-Einheiten 2a bis 2c jeweils entweder als Wechselrichter zwischen der zweiten Anschlussseite 11 und den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a bis 10c oder als Gleichrichter zwischen den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a bis 10c und der zweiten
Anschlussseite 11 arbeiten. Die verschiedenen Spannungen an den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a bis 10c ergeben entsprechende Spannungen an den jeweiligen Gleichspannungs- Anschlussleitungen 5 beziehungsweise Wechselspannungs- Anschlussleitungen 6 bei entsprechendem Verschalten
vermittels der Verteiler-Module 7 gemäß Figur 1. Die
jeweiligen Spannungen an der zweiten Anschlussseite 11 ergeben die entsprechenden Spannungen des Gleichspannungs- Busses 4.
Auf diese Weise ist eine Leistungselektronik LE durch
gesteuertes Schalten der Wandler-Einheiten 2a bis 2c in den jeweiligen Brückenzweigen der B6-Brückenschaltung vermittels der Steuerung 3 bidirektional als Hochsetzsteller,
Tiefsetzsteller, Wechselrichter oder Gleichrichter zwischen den ersten Anschlussseiten 10a bis 10c und der zweiten
Anschlussseite 11 betreibbar. In alternativen
Ausführungsformen zu Figur 2 weist das Wandler-Modul 2 weniger als drei oder mehr als drei Wandler-Einheiten auf, je nach Anwendungsfall und Konfiguration der Leistungselektronik LE . Figur 3 zeigt verschiedene Kennlinien I bis III eines
Gesamtstromrippels AI_ges über dem Schaltverhältnis D bezogen auf die Leistungselektronik LE gemäß Figur 2. Die Kennlinien gemäß Figur 3 beschreiben jeweils ein Rippeistrom-Verhalten der Leistungselektronik LE in einem Gleichstromsteller- Betrieb, das heißt in einem Betrieb als Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller. Die Kennlinie I beschreibt das Rippelstrom- Verhalten bei Betrieb einer einzelnen der Wandler-Einheiten 2a bis 2c, die Kennlinie II beschreibt das Rippelstrom- Verhalten bei parallelem Betrieb von zwei der Wandler- Einheiten 2a bis 2c, und die Kennlinie III beschreibt das Rippelstrom-Verhalten bei parallelem Betrieb der drei
Wandler-Einheiten 2a bis 2c. Ein Betrieb von jeweils einer, zwei oder allen drei Wandler-Einheiten gemäß Figur 2 können sich ergeben, je nachdem wie viel Leistung und welches
Schaltverhalten von der Steuerung 3 vorgegeben wird. Dadurch kann der Wirkungsgrad (Ausnutzung) und der Rippel-Strom der Leistungselektronik LE gemäß Figur 2 optimiert werden. Figur 3 veranschaulicht, dass der Gesamtstromrippel AI_ges durch eine intelligente Ansteuerung der jeweiligen Wandler- Einheiten bei einm bestimmten Schaltverhältnis D reduziert werden kann. Idealerweise werden die einzelnen Wandler- Einheiten um jeweils 360° / Anzahl der parallel betriebenen Wandler-Einheiten versetzt angesteuert. Bei Betrieb nur einer Wandler-Einheit bedeutet dies, dass diese einfach über ein Steuersignal angesteuert wird, das sich periodisch nach 360° wiederholt. Ein Minimum des Gesamtstromrippels AI_ges ergibt sich für einen solchen Betrieb lediglich bei einem
Schaltverhältnis D = 0 (Schaltelemente dauerhaft geöffnet) beziehungsweise D = 1 (Schaltelemente dauerhaft geschlossen) , siehe Kennlinie I in Figur 3. Bei einem parallelen Betrieb von zwei Wandler-Einheiten erfolgt eine Ansteuerung der
Wandler-Einheiten mit 50 % der Leistung pro Wandler-Einheit und zwei um 180° zu einander versetzten Steuersignalen. Dabei kann der Gesamtstromrippel AI_ges zusätzlich zu den
Randminima bei D = 0 und D = 1 auch bei einem
Schaltverhältnis D = 0,5 minimiert werden, siehe Kennlinie II in Figur 3. Bei einem parallelen Betrieb von allen drei Wandler-Einheiten erfolgt eine Ansteuerung der Wandler- Einheiten mit jeweils 33 % der Gesamtleistung pro Wandler- Einheit und mit drei Steuersignalen, die jeweils um 120° zueinander versetzt sind. Hierbei ergibt sich eine
Reduzierung des Gesamtstromrippels AI_ges zusätzlich zu den Randminima bei D = 0 und D = 1 auch bei einem
Schaltverhältnis D = 0,33 beziehungsweise D = 0,66, siehe Kennlinie III in Figur 3.
Auf diese Weise können je nach Leistungsbedarf die einzelnen Wandler-Einheiten mit zueinander versetzten Steuersignalen angesteuert werden, sodass der Gesamstromrippel AI_ges gemäß Figur 3 bei geeignet gewähltem Schaltverhältnis D reduziert werden kann und somit die Leistungselektronik LE gemäß Figur 2 in einem Gleichstromstellerbetrieb optimal betrieben werden kann .
Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Leistungselektronik LE gemäß Figur 2. Sämtliche Komponenten entsprechen den zu Figur 2 erläuterten, mit Ausnahme einer zusätzlichen Induktivität 18, die dem jeweiligen Induktivitäten 17a, 17b und 17c an den jeweiligen ersten Anschlussseiten 10a, 10b und 10c
(vergleiche Figur 2) vorgeschaltet ist. Die Konfiguration gemäß Figur 4 kann in einem Gleichstromstellerbetrieb der Leistungselektronik LE Anwendung finden. Durch eine
entsprechende Ausführung der Induktivitäten 17a bis 17c und 18 kann eine Reduktion der energetischen Verluste und einer Baugröße jeweils auf etwa 50 % erzielt werden. In einer derartigen Konfiguration könnten die Induktivitäten 17a bis 17c auch über einen oder mehrere Magnetkerne gekoppelt sein. Die Induktivität 18 kann zu- oder wegschaltbar eingerichtet sein . Figur 5 zeigt eine schematisierte Darstellung einer
intelligenten Benutzerschnittstelle 19 zur Steuerung einer Ladesäule 1 gemäß Figur 1 über eine Hauptsteuerung 8. Die Ladesäulen-Benutzerschnittstelle 19 gemäß Figur 5 ermöglicht die Berücksichtigung verschiedenster Parameter zur Steuerung der Ladesäule 1 gemäß Figur 1. Über ein BUS-System können sämtliche Ladesäulen, Energieerzeugungsanlagen, Messgeräte und Energieverbraucher miteinander kommunizieren, dadurch ist eine sinnvolle Energieflussaufteilung möglich. Die
Benutzerschnittstelle 19 gemäß Figur 5 umfasst verschiedene Schnittstellen, unter anderem (auf der linken Seite) eine Bus-Schnittstelle an das lokale Smart Grid, Eingangsparameter von Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen, einen Signaleingang eines lokalen Strompreissignals, das zum Beispiel über
Internet bezogen werden kann, Eingangsparameter eines C02- Signals, eines Strompreises (übergeordnet beziehungsweise kumuliert) und von Wetterdaten (zum Beispiel zur
Berücksichtigung von Photovoltaik-Energie) sowie einen übergeordneten Steuerbus, der beispielsweise mit der
Hauptsteuerung 8 gemäß Figur 1 verbunden sein kann. Auf der rechten Seite weist die Benutzerschnittstelle 19 Anschlüsse zu Busleitungen für eine Steuerung 3 der einzelnen
Leistungselektroniken LE gemäß Figur 2, eine oder mehrere Busleitungen für ein Stromsignal (zum Beispiel Steuersignal) sowie eine oder mehrere Busleitungen für ein Vorzeichensignal (ebenfalls zur Steuerung) auf. Die Bussignale beziehungsweise die Busleitungen können Bestandteil eines oder mehrerer
Steuerbusse, zum Beispiel eines CAN-Busses oder eines PLC- Busses sein. Die Benutzerschnittstelle 19 gemäß Figur 5 kann beispielsweise ein Display aufweisen (nicht dargestellt) , über das ein Benutzer Informationen ablesen beziehungsweise Daten und Parameter eingeben kann. Eine entsprechende Steuerung erfolgt im Zusammenspiel mit einer Hauptsteuerung 8 gemäß Figur 1.
Auf diese Weise kann eine Ladesäule 1 gemäß Figur 1 unter Berücksichtigung verschiedener Steuerparameter, Variablen und Eingangsdaten gezielt gesteuert werden, sodass verschiedene Betriebsmodi optimal ausgenutzt werden können. Ergeben beispielsweise Eingangsparameter über Wetterdaten, dass
Photovoltaik-Anlagen nur unzureichend elektrische Energie liefern, kann beispielsweise eine Steuerung der Ladesäule 1 gemäß Figur 1 derart erfolgen, dass eines oder mehrere
Wandler-Module 2 neben den Photovoltaik-Anlagen, zum Beispiel Solar_l bis Solar_n, auch mit einem oder mehreren
Batteriespeichern Batl oder Bat2 über entsprechende
Verteiler-Module 7 verschaltet werden, um ausreichend
Leistung innerhalb der Ladesäule 1 bereitstellen zu können. Andererseits kann zum Beispiel ein Eingangsparameter über ein lokales oder kumuliertes Strompreis-Signal herangezogen werden, um eine Verschaltung der Ladesäule 1 über die
einzelnen Wandler-Module 2 mit einem öffentlichen
dreiphasigen Wechselspannungsnetz (siehe Wechselspannungs- Anschlussleitungen 6 gemäß Figur 1) zu unterbinden oder zu begünstigen. Man sieht, dass durch eine intelligente
Benutzerschnittstelle 19 gemäß Figur 5 die einzelnen
Betriebsmodi, wie sie zu Figur 1 erläutert worden sind, optimal gesteuert werden können.
Über eine intelligente Steuerung vermittels der
Benutzerschnittstelle 19, ggf. in Zusammenspiel mit einer Hauptsteuerung 8 (siehe Figur 1) können mehrere verschiedene Lade-/Entlademodi der Ladesäule 1 für ein elektrisches
Fahrzeug angeboten werden. Bei einer Schnellladeoption (FAST) wird mit der maximal zur Verfügung stehenden Leistung der für das Fahrzeug maximal mögliche Strom geliefert. Bei der Option ECO-Charge wird so geladen das das Fahrzeug einen gewünschten Ladezustand zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht. Dabei wird die Leistungselektronik LE so gesteuert das diese nach ökonomischen und ökologischen Regeln den Energietransfer regelt. Dabei werden zunächst die lokalen, dann die
regionalen und zuletzt überregionale Kennwerte
berücksichtigt. Liefert zum Beispiel eine Photovoltaikanlage Solar_l bis Solar_n lokal soviel Energie, dass diese ins Netz 6 eingespeist werden müsste, wird der Ladestrom erhöht. Gibt es keinen lokalen und regionalen Energieertrag wird ein C02- Signal für die Steuerung verwendet. Wenn der C02-Ausstoß des Energiemixes pro elektrischer Energie gering ist, wird der Ladestrom erhöht, ansonsten wird dieser vermindert.
Wetterdaten können als entsprechende Prognosedaten über den gewünschten Ladezeitraum genutzt werden.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind ledigleich beispielhaft gewählt. In alternativen
Ausführungsformen kann eine Ladesäule 1 gemäß Figur 1 weniger oder mehr der dargestellten Wandler-Module 2 aufweisen. Es ist beispielsweise denkbar, dass eine Ladesäule 1
ausschließlich ein Wandler-Modul 2 umfasst. In bestimmten Ausführungsformen können auch mehrere Ladesäulen 1 gemäß Figur 1 über den Gleichspannungs-Bus 4 oder einen sonstigen Steuer-Bus (vgl. Beschreibung zu Figur 5 oben) zu einer
Anordnung zusammengefasst sein. Ferner ist denkbar, dass eine einzelne Leistungselektronik LE gemäß Figur 2 weniger oder mehr der dargestellten Wandler-Einheiten 2a bis 2c umfasst. Die in Figur 2 dargestellte B6-Brückenschaltung stellt eine Möglichkeit eines einfachen Aufbaus eines Wandler-Moduls 2 dar. Hier können auch verschiedene andere Schaltungstopologien für bidirektionale Wandler-Einheiten eingesetzt werden.
Eine Ladesäule und entsprechende Betriebsverfahren der erläuterten Art bieten den Vorteil einer sehr flexiblen
Energieverteilung zwischen verschiedenen Teilnetzen innerhalb eines lokalen Smart Grids . Die Ladesäule wird dabei zum zentralen Punkt. Einzelne Wandler-Module 2 beziehungsweise Wandler-Einheiten 2a bis 2c können verschiedenste Aufgaben innerhalb der Ladesäule 1 übernehmen und in Abhängigkeit von einem bestimmten Betriebsmodus mit einzelnen
Anschlussleitungen von Gleichspannungs-Anschlussleitungen 5 beziehungsweise Wechselspannungs-Anschlussleitungen 6 verschaltet werden. Eine entsprechende Steuerung erfolgt über die einzelnen Verteiler-Module 7. Durch eine Ladesäule 1 der erläuterten Art und ein entsprechendes Betriebsverfahren einer Ladesäule beziehungsweise einer Anordnung mehrerer Ladesäulen der erläuterten Art ist quasi eine Ring-Topologie zwischen einzelnen elektrischen Teilnetzen, elektrischen Erzeugern und elektrischen Verbrauchern innerhalb eines lokalen Smart Grids möglich, wodurch ein dezentrales sehr flexibles Energiemanagement durchgeführt werden kann.
Verschiedenste elektrische Fahrzeuge oder sonstige
elektrische Mobilitäts- und Arbeitsressourcen können dadurch effizient und umweltschonend genutzt und als Energiequellen oder Energiesenken in das lokale Smart Grid eingebunden werden . Bezugs zeichenliste
1 Ladesäule
2 Wandlermodul
2a, 2b, 2c Wandler-Einheit
3 Steuerung
4 Gleichspannungs-Bus
5 Gleichspannungs-Anschlussleitungen 6 Wechselspannungs-Anschlussleitungen 7 Verteiler-Modul
8 HauptSteuerung
9 Schaltelernent
10 erste Anschlussseite
10a, 10b, 10c erste Anschlussseiten
11 zweite Anschlussseite
12 Verteiler-Anschlussleitung
13 Schaltelernent
14a, 14b Ausgangs-Kapazitäten
15a, 15b Schaltelernent
16a, 16b Diode
17a, 17b, 17c Induktivität
18 Induktivität
19 Benutzerschnittstelle
LE Leistungselektronik
LEI bis LEn Leistungselektronik
DC+, DC- Busleitungen
DC+2, Dc-2 Busleitungen
CD_Chargel Gleichspannungs-Anschlussleitung DC_Charge2 Gleichspannungs-Anschlussleitung Batl, Bat2 Gleichspannungs-Anschlussleitungen LI, L2, L3 Wechselspannungs- Anschlussleitungen MP Mittelpunktleiter
N Neutralleiter Solar_l
Solar_2 Gleichspannungs-Anschlussleitung Solar_3 Gleichspannungs-Anschlussleitung Solar_n Gleichspannungs-Anschlussleitung AI_ges Gesamtstromrippel
I, II, III Kennlinien

Claims

Patentansprüche
1. Ladesäule (1) aufweisend:
- wenigstens ein leistungselektronisches Wandler-Modul (2) zum Wandeln elektrischer Energie,
- eine Steuerung (3) zum Steuern des Wandler-Moduls (2),
- einen Gleichspannungs-Bus (4),
- wenigstens ein Verteiler-Modul (7),
- eine oder mehrere Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) sowie
- eine oder mehrere Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6), wobei das Wandler-Modul (2) dem Gleichspannungs-Bus (4) und dem Verteiler-Modul (7) elektrisch zwischengeschaltet ist und das Verteiler-Modul (7) eingerichtet ist, einzelne
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) jeweils mit dem Wandler-Modul (2) zu verbinden oder vom Wandler-Modul (2) zu trennen,
wobei das Wandler-Modul (2) vermittels der Steuerung (3) derart steuerbar ist, dass das Wandler-Modul (2) alternativ als Gleichspannungswandler, Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet .
2. Ladesäule (1) nach Anspruch 1, wobei das Verteiler-Modul (7) ein oder mehrere Schaltelemente (9) aufweist zum
jeweiligen Verbinden oder Trennen einzelner
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) mit oder vom Wandler-Modul (2) .
3. Ladesäule (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der
Gleichspannungs-Bus (4) eine erste Busleitung (DC+, DC+2) für eine positive Gleichspannung, eine zweite Busleitung (MP) als Mittelpunktleiter und eine dritte Busleitung (DC-, DC-2) für eine negative Gleichspannung aufweist.
4. Ladesäule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wandler-Modul (2) eine Mehrzahl von Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) aufweist,
wobei jede Wandler-Einheit (2a, 2b, 2c) eine erste
Anschlussseite (10a, 10b, 10c) und eine zweite Anschlussseite (11) aufweist und die Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) mit ihren ersten Anschlussseiten (10a, 10b, 10c) an
unterschiedliche Verteiler-Anschlussleitungen (12) des
Verteiler-Moduls (7) geschaltet sind und mit ihren zweiten Anschlussseiten (11) an einer oder mehreren Busleitungen des Gleichspannungs-Busses (4) parallel geschaltet sind, und wobei das Verteiler-Modul (7) eingerichtet ist, vermittels der Verteiler-Anschlussleitungen (12) einzelne
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) bzw. der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) mit der jeweiligen ersten Anschlussseite (10a, 10b, 10c) der
einzelnen Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler-Moduls (2) zu verbinden oder davon zu trennen.
5. Ladesäule (1) nach Anspruch 4, wobei jede Wandler- Einheit (2a, 2b, 2c) vermittels der Steuerung (3) derart steuerbar ist, dass die Wandler-Einheit (2a, 2b, 2c)
alternativ als
- Hochsetzsteller zwischen der ersten Anschlussseite (10a, 10b, 10c) und der zweiten Anschlussseite (11),
- Tiefsetzsteller zwischen der zweiten Anschlussseite (11) und der ersten Anschlussseite (10a, 10b, 10c), - Gleichrichter zwischen der ersten Anschlussseite (10a, 10b, 10c) und der zweiten Anschlussseite (11), oder
- Wechselrichter zwischen der zweiten Anschlussseite (11) und der ersten Anschlussseite (10a, 10b, 10c) arbeitet.
6. Ladesäule (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Wandler- Modul (2) drei Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) aufweist, die als B6-Brückenschaltung zwischen drei Verteiler- Anschlussleitungen (12) des Verteiler-Moduls (7) und einer oder mehreren Busleitungen des Gleichspannungs-Busses (4) verschaltet sind, wobei jeweils eine Wandler-Einheit (2a, 2b, 2c) einen Brückenzweig der B6-Brückenschaltung bildet.
7. Anordnung mit mehreren Ladesäulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ladesäulen (1) über den
Gleichspannungs-Bus (4) miteinander verbunden sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, aufweisend eine oder mehrere Hauptsteuerungen (8) zur Steuerung der Ladesäulen (1), insbesondere zur Steuerung verschiedener Betriebsmodi der
Ladesäulen (1), wobei in jedem Betriebsmodus zumindest zwei Ladesäulen (1) zusammenwirken und die eine oder mehreren Hauptsteuerungen (8) eingerichtet sind für jeden
Betriebsmodus spezifische Verschaltungen der Wandler-Module (2) der Ladesäulen (1) mit einzelnen oder mehreren der
Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) sowie der
Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) vermittels der jeweiligen Verteiler-Module (7) der Ladesäulen (1)
vorzugeben .
9. Verfahren zum Betreiben einer Ladesäule (1), die nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist, wobei das
wenigstens eine Wandler-Modul (2) wechselweise in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird und wobei
a) im ersten Betriebsmodus folgende Maßnahmen durchgeführt werden :
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) vermittels des Verteiler-Moduls (7) vom Wandler-Modul (2),
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) vermittels des Verteiler-Moduls (7) mit dem Wandler-Modul (2),
- Steuern des Wandler-Moduls (2) als Gleichspannungswandler zwischen den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) und dem Gleichspannungs-Bus (4); und
b) im zweiten Betriebsmodus folgende Maßnahmen durchgeführt werden :
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) vermittels des Verteiler-Moduls (7) vom Wandler-Modul (2),
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) vermittels des Verteiler-Moduls (7) mit dem Wandler-Modul (2),
- Steuern des Wandler-Moduls (2) als Gleichrichter zwischen den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) und dem
Gleichspannungs-Bus (4) oder als Wechselrichter zwischen dem Gleichspannungs-Bus (4) und den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs- Anschlussleitungen (6).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Ladesäulen (1) gemäß einer Anordnung nach Anspruch 7 oder 8 betrieben werden, wobei gleichzeitig jeweils ein oder mehrere Wandler- Module (2) einer oder mehrerer erster Ladesäulen (1) im ersten Betriebsmodus und jeweils ein oder mehrere Wandler- Module (2) einer oder mehrerer zweiter Ladesäulen (1) im zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
11. Verfahren zum Betreiben einer Ladesäule (1), die nach einem der Ansprüche 4 bis 6 ausgeführt ist, umfassend die folgenden Maßnahmen:
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) vermittels des Verteiler-Moduls (7) jeweils von einer oder mehreren ersten Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler-Moduls (2),
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) vermittels des Verteiler-Moduls (7) jeweils mit der einen oder den mehreren ersten Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler- Moduls (2),
- Steuern der einen oder der mehreren ersten Wandler- Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler-Moduls (2) als
Gleichspannungswandler zwischen den einzelnen
Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) und dem
Gleichspannungs-Bus (4);
- Trennen sämtlicher Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Gleichspannungs-Anschlussleitungen (5) vermittels des Verteiler-Moduls (7) jeweils von einer oder mehreren zweiten Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler-Moduls (2) ,
- Verbinden einzelner Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) vermittels des Verteiler-Moduls (7) jeweils mit der einen oder den mehreren zweiten Wandler-Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler- Moduls (2), - Steuern der einen oder der mehreren zweiten Wandler- Einheiten (2a, 2b, 2c) des Wandler-Moduls (2) als
Gleichrichter zwischen den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) und dem Gleichspannungs-Bus (4) bzw. als Wechselrichter zwischen dem Gleichspannungs-Bus (4) und den einzelnen Anschlussleitungen der einen oder der mehreren
Wechselspannungs-Anschlussleitungen (6) .
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