EP3729593A1

EP3729593A1 - Ladestation für elektrofahrzeuge sowie verfahren zum betreiben einer ladestation

Info

Publication number: EP3729593A1
Application number: EP18786285.9A
Authority: EP
Inventors: Christian Müller-Winterberg; Christian Rauscher; Thorbjörn Siaenen; Jürgen WAFFNER
Original assignee: Innogy SE
Current assignee: CCS Abwicklungs AG
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-10-28
Also published as: DE102017131109A1; WO2019120671A1

Abstract

Ladestation für Elektrofahrzeuge mit einem Netzanschluss eingerichtet zum Anschluss an ein Energieversorgungsnetz, einem Ladeanschluss eingerichtet zum Anschluss an ein Elektrofahrzeug, einem parallel zwischen dem Netzanschluss und dem Ladeanschluss angeordneten Energiespeicher.

Description

Ladestation für Elektrofahrzeuge sowie Verfahren zum Betreiben einer

Ladestation

Der Gegenstand betrifft eine Ladestation für Elektrofahrzeuge sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation.

Die zunehmende Verbreitung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, beispielsweise Plug-in-Hybridfahrzeuge (PEHV) sowie rein batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV) führt zu einem zunehmenden Bedarf an Schnellladestationen. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Gleichstromladung (DC Charging) für das schnelle Laden geeignet ist. Bei den DC Chargern ist ein Gleichrichter im Fahrzeug nicht notwendig, was von der Automobilindustrie bevorzugt ist.

Ein schnelles Laden erfolgt mit mehreren 100 kW, beispielsweise mit

Spitzenleistungen von 350 kW und mehr. Solch hohe Ladeleistungen führen zu kurzzeitigen Spitzenlasten im die Ladestation versorgenden elektrischen

Versorgungsnetz. Die sehr hohen Ladeleistungen von 350 kW und gegebenenfalls mehr werden in der Regel nur in den ersten Minuten des Ladevorgangs abgerufen, insbesondere wenn die Speicherbatterie des Fahrzeugs leer ist. Mit zunehmender Ladung der Speicherbatterie wird die Ladeleistung heruntergefahren. Das bedeutet, dass die Spitzenlasten nur sehr kurzzeitig auftreten, die Netzbetreiber jedoch vor enorme Probleme stellt. Netzseitig müssen die kurzzeitigen Spitzenlasten getragen werden, was zu einem enormen Bedarf an Netzausbau führt und enorme Kosten produziert. Versorgungsnetze sind in der Regel auf einen homogenen Verbrauch ausgelegt und derartige Spitzenlasten, wie sie beim Schnellladen entstehen, sind in bisherigen Versorgungsnetzen nicht vorgesehen. Aus diesem Grunde lag dem Gegenstand die Aufgabe zugrunde, eine Ladestation sowie ein Verfahren zum Laden zur Verfügung zu stellen, welches den Bedarf an

Netzinfrastruktur reduziert.

Diese Aufgabe wird durch eine Ladestation nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.

Es ist erkannt worden, dass durch den Einsatz eines Energiespeichers innerhalb der Ladestation sowohl die Lastspitzen abgeschwächt werden können, als auch

netzdienliche Dienste zur Verfügung gestellt werden können. Eine Ladestation ist über einen Netzanschluss mit einem Energieversorgungsnetz verbunden und lässt sich über einen Ladeanschluss mit einem Elektrofahrzeug verbinden. Das

Energieversorgungsnetz ist dabei bevorzugt ein dreiphasiges Wechselstromnetz.

Zwischen dem Netzanschluss und dem Ladeanschluss wird ein Energiespeicher angeordnet. Dieser Energiespeicher hat bevorzugt eine Speicherkapazität von zumindest 10 kWh, bevorzugt zwischen 50 und 200 kWh, insbesondere zwischen 70 und 150 kWh. Es hat sich herausgestellt, dass die Speicherkapazität einerseits zum Abdämpfen der Spitzenlasten beim Laden genutzt werden kann und andererseits netzdienlich eingesetzt werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, dass der

Energiespeicher über einen Stromrichter mit dem Netzanschluss verbunden ist derart, dass Wirkleistung und Blindleistung bidirektional regelbar zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher übertragbar sind. Somit ist es möglich, Wirkleistung als auch Blindleistung von dem Energiespeicher in das Netz

einzuspeisen oder auch aus dem Netz aufzunehmen. Diese Übertragung von Blind- und/oder Wirkleistung ist im Stromrichter variabel einstellbar, so dass abhängig von einem Regelparameter zwischen 0% und 100% der Nennleistung sowohl betreffend Wirkleistung als auch betreffend Blindleistung in beide Richtungen übertragbar ist.

Die Ladestation kann somit nicht nur Wirkleistung aus dem Netz entnehmen oder Wirkleistung in das Netz einspeisen, sondern auch Blindleistung aus dem Netz entnehmen und in das Netz einspeisen. Für die Einspeisung von Blindleistung ist der Stromrichter an dem Netzanschluss entsprechend eingestellt. Mit Hilfe des

Energiespeichers lässt sich somit das elektrische Versorgungsnetz stabilisieren und während eines Schnellladevorgangs lassen sich die Lastspitzen über den

Energiespeicher ausgleichen.

Der zwischen dem Energiespeicher und dem Netzanschluss angeordnete Stromrichter kann sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter eingerichtet sein. Somit kann vom Netzanschluss in Richtung des Energiespeichers ein Gleichrichter angeordnet sein und vom Energiespeicher in Richtung Netzanschluss ein

Wechselrichter. Hierdurch lässt sich der Stromrichter bidirektional betreiben und der Leistungsfluss regeln.

Auch wird vorgeschlagen, dass eine Leistungsflussrichtung durch den zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher angeordneten Stromrichter regelbar ist. Damit ist der Stromrichter dazu eingerichtet, entweder eine elektrische Leistung in das Energieversorgungsnetz einzuspeisen oder eine elektrische Leistung aus dem Energieversorgungsnetz zu entnehmen. Richtung Energieversorgungsnetz wird der Wechselrichter entsprechend eingestellt und insbesondere lässt sich auch der Phasenwinkel von Strom und Spannung auf jeder einzelnen Phase einstellen, so dass zusätzlich auch eingestellt werden kann, welche Blindleistung und welche

Wirkleistung eingespeist wird. Bei der Entnahme kann der Gleichrichter entsprechend eingerichtet sein, um auch auf jeder einzelnen Phase den Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung einzustellen und somit das Verhältnis zwischen Blind- und Wirkleistung einzustellen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Ladeanschluss ein Gleichstromanschluss ist und dass zwischen dem Energiespeicher und dem

Ladeanschluss ein Gleichstromsteller angeordnet ist. ln der Regel wird der

Energiespeicher auf einem anderen Spannungsniveau betrieben, als dies für das Laden an dem Elektrofahrzeug notwendig ist. Es werden bereits Ladespannungen von bis zu 800V vorgeschlagen. Um diese Spannungen zu erreichen, ist der Gleichstromsteller vorgesehen, um mit dessen Hilfe die Spannung an den Abgriffen des Energiespeichers auf die notwendige Spannung für das Laden anzuheben oder abzusenken.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Netzanschluss ein Mittelspannungsanschluss ist und dass zwischen dem Netzanschluss und dem

Energiespeicher ein Transformator angeordnet ist. Ein unmittelbarer Abgriff an dem Mittelspannungsanschluss über den Transformator ermöglicht es, hohe Leistungen mittelspannungsseitig abzugreifen, als auch hohe Leistungen mittelspannungsseitig einzuspeisen. Hierdurch lässt sich eine Netzstabilisierung auf der

Mittelspannungsebene realisieren. Außerdem lässt sich hierüber der Energiespeicher sehr schnell laden. Auch ein Entladen des Energiespeichers im netzdienlichen Betrieb mit Leistungen von über 100 kW ist möglich und insbesondere in der

Mittelspannungsebene notwendig.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass zwischen dem

Stromrichter und dem Energiespeicher ein Gleichstromsteller angeordnet ist.

Der Stromrichter verfügt über einen Gleichrichter. Dieser muss nicht zwingend dazu eingerichtet sein, ausgangsseitig die Spannung einzustellen, die für den

Energiespeicher notwendig ist. Hierzu wird ein Gleichstromsteller vorgesehen, der den Gleichstromausgang des Stromrichters abgreift und eine entsprechende

Spannung für den Energiespeicher einstellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass ein zentraler Controller in Wirkverbindung mit zumindest dem Stromrichter und/oder zumindest einem der Gleichstromsteller ist. Mit Hilfe des zentralen Controllers lässt sich eine integrierte Steuerung der Ladestation realisieren. Abhängig von beispielsweise einem

Steuersignal des Netzbetreibers und/oder eines Steuersignals des Elektrofahrzeugs lassen sich Stromrichter und/oder Gleichstromsteller einstellen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass eine

Fotovoltaikanlage über einen Gleichstromsteller mit dem Energiespeicher verbunden ist. Hierüber lässt sich unmittelbar an der Ladestation ein Laden des Energiespeichers unabhängig vom Energieversorgungsnetz realisieren. Da Ladestationen durchaus lange Zeit ungenutzt sind, kann ein Laden des Energiespeichers über die

Fotovoltaikanlage sinnvoll sein. Ein vollgeladener Energiespeicher lässt sich insbesondere zur Abfederung von Lastspitzen während des Ladens mit hohen Leistungen nutzen.

Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren nach Anspruch 8. Mit dem gegenständlichen Verfahren lässt sich der Leistungsfluss zwischen einem Netzanschluss und einem Energiespeicher unabhängig von einem Ladevorgang an einem Ladeanschluss steuern. Somit ist es möglich, Wirk- als auch Blindleistung in das

Energieversorgungsnetz einzuspeisen oder aus dem Energieversorgungsnetz zu entnehmen. Darüber hinaus kann der Energiespeicher zum Laden eines

Elektrofahrzeugs genutzt werden.

Soll der Energiespeicher netzdienlich sein, so kann es sinnvoll sein, Wirkleistung oder Blindleistung in das Energieversorgungsnetz einzuspeisen oder Wirkleistung oder Blindleistung aus dem Energieversorgungsnetz zu entnehmen. Der hiermit verbundene Wirkleistungsfluss/Blindleistungsfluss lässt sich abhängig von einem externen Steuersignal oder abhängig von einer Kennlinie einstellen. Die Kennlinie kann beispielsweise die Leistung über die Netzfrequenz angeben. Auch kann die Kennlinie die Leistung über die Netzspannung angeben. Schließlich ist es möglich, die Kennlinie über den Leistungsfaktor im Energieversorgungsnetz anzugeben, d.h.

abhängig vom Phasenwinkel des Energieversorgungsnetzes.

Entsprechend lässt sich auch der Blindleistungsfluss einstellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass zwischen dem

Energiespeicher und dem Netzanschluss fließende Blindleistung bis zur

Leistungsbemessungsgrenze einstellbar ist. Das bedeutet, dass der Stromrichter so eingerichtet sein kann, dass ausschließlich Blindleistung aus dem

Energieversorgungsnetz entnommen werden kann oder ausschließlich Blindleistung in das Energieversorgungsnetz gespeist werden kann. Eine reine

Blindleistungsentnahme, ohne dass Wirkleistung entnommen wird, kann vorteilhaft sein.

Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert ln der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge;

Fig. 2a eine Kennlinie zur Einstellung der Wirkleistung abhängig von der

Netzspannung;

Fig. 2b eine Kennlinie zur Einstellung der Blindleistung abhängig von der

Netzspannung;

Fig. 3a eine Kennlinie zur Einstellung der Wirkleistung abhängig von der

Netzfrequenz;

Fig. 3b eine Kennlinie zur Einstellung der Blindleistung abhängig von der

Netzfrequenz;

Fig. 4a eine Kennlinie zur Einstellung der Wirkleistung abhängig von dem

Leistungsfaktor im Energieversorgungsnetz;

Fig. 4b eine Kennlinie zur Einstellung der Blindleistung abhängig von dem

Leistungsfaktor im Energieversorgungsnetz. Fig. 1 zeigt eine Ladestation 2 mit einem Anschluss 4 an ein Energieversorgungsnetz 5 sowie einen Ladeanschluss 6. Zwischen dem Anschluss 4 und dem Anschluss 6 ist ein Energiespeicher 8 angeordnet.

Der Anschluss 4 kann ein mehrphasiger Anschluss insbesondere an ein

Mittelspannungsnetz sein. An dem Anschluss 4 kann ein Transformator 10

vorgesehen sein, der in oder an der Ladestation 2 angeordnet sein kann. Der

Transformator 10 kann vor oder hinter dem Anschluss 4 angeordnet sein. Über den Transformator 10 lässt sich die Mittelspannung, insbesondere eine Spannung über 10 kV abgreifen und einem Stromrichter 12 zur Verfügung stellen. Der Stromrichter 12 ist bidirektional und verfügt einerseits über einen Gleichrichter und andererseits über einen Wechselrichter. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, eine von dem Anschluss 4 abgegriffene Spannung (mittelbar über einen Gleichstromsteller 16 oder

unmittelbar) in eine Ladespannung für den Energiespeicher 8 umzuwandeln. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, eine Spannung des Energiespeichers 8 (mittel über einen Gleichstromsteller 16 oder unmittelbar) in eine Wechselspannung umzuwandeln, um diese über den Anschluss 4 in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Sowohl der Gleichrichter als auch der Wechselrichter des Stromrichters 12 sind regelbar über eine zentrale Steuerung 14. Hierdurch lässt sich einstellen, welche Wirkleistung und/oder welche Blindleistung von dem Anschluss 4 abgegriffen wird oder an dem Anschluss 4 abgegeben wird. Dazu lässt sich der Leistungsfluss, insbesondere die Leistungsflussrichtung durch den Stromrichter 12 abhängig von der zentralen Steuerung 14 einstellen.

Es kann sein, dass der Gleichrichter in dem Stromrichter 12 eine Spannung ausgibt, die nicht der Ladespannung des Energiespeichers 8 entspricht. Für diesen Fall kann ein Gleichstromsteller 16 vorgesehen sein, um die Spannung zwischen dem

Stromrichter 12 und dem Energiespeicher 8 entsprechend umzuwandeln. Auch der Gleichstromsteller 16 kann über die zentrale Steuerung 14 gesteuert sein und insbesondere Spannungen, Leistungsflussrichtungen, Leistungsfaktoren und dergleichen können eingestellt werden.

Der Energiespeicher 8 ist parallel zu der Verbindung zwischen dem Gleichstromsteller 16 und einem Gleichstromsteller 18 angeordnet. Über den Gleichstromsteller 18 lässt sich die Ausgangsspannung des Energiespeichers 8 auf ein Spannungsniveau verändern, welches notwendig ist, um an dem Ladeanschluss 6 einen Ladevorgang vorzunehmen. Auch der Gleichstromsteller 18 ist mit der zentralen Steuerung 14 verbunden und eignet sich zur Einstellung der Ladespannung beispielsweise abhängig von einem Steuersignal, welches über den Ladeanschluss 6 empfangen wird.

Der Ladeanschluss kann beispielsweise ein Combo 1, Combo 2 oder ein CHAdeMO- Anschluss sein. Die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug über den Ladeanschluss 6 und der zentralen Steuerung 14 kann insbesondere gemäß 1SO 15118 erfolgen.

Zur Versorgung des Energiespeichers 8 unabhängig von dem Energieversorgungsnetz kann eine Fotovoltaikanlage 20 über einen Gleichstromsteller 22 parallel an den Energiespeicher 8 angeschlossen werden. Auch der Gleichstromsteller 22 lässt sich über die zentrale Steuerung 14 ansteuern.

Ausgehend von einem Steuersignal, welches beispielsweise von einem Backend 24 stammt, kann die zentrale Steuerung 14 den Stromrichter 14 sowie die

Gleichstromsteller 16, 18, 22 ansteuern. Die Ansteuerung kann insbesondere abhängig von Netzdaten, wie beispielsweise Netzspannung, Leistungsfaktor, Netzfrequenz oder dergleichen sein. Hierüber ist es möglich, Wirkleistung als auch Blindleistung aus dem Versorgungsnetz 5 zu entnehmen und in das Versorgungsnetz 5 einzuspeisen.

Bei einem Ladevorgang wird über den Energiespeicher 8 eine Lastspitze, welche über den Anschluss 6 abgegriffen wird, ausgeglichen, so dass an dem Anschluss 4 nur eine geringere Leistung abgegriffen werden muss, als dies an dem Anschluss 6 zur

Verfügung gestellt wird. Unabhängig von diesem Ladevorgang kann auch durch entsprechende Einstellung über die zentrale Steuerung 14 der Energiespeicher 8 netzdienlich eingesetzt werden und Blind- und/oder Wirkleistung an dem Anschluss 4 in das Versorgungsnetz einspeisen oder an dem Anschluss 4 aus dem

Versorgungsnetz entnehmen.

Fig. 2a zeigt eine Kennlinie 26 zur Einstellung einer Wirkleistung am Anschluss 4. Zu erkennen ist, dass bei einer Nennspannung 26a im Netz 5, beispielsweise 400V, die Wirkleistung auf einen Nennwert 26b eingestellt ist. Mit steigender Spannung steigt der Wirkleistungsbezug rampenförmig an. Ab einer unteren Grenzspannung sinkt der Wirkleistungsbezug rampenförmig ab.

Fig. 2b zeigt die Einstellung der Blindleistung am Anschluss 4 über die Spannung am Anschluss 4. Beim Überschreiten einer oberen Grenzspannung wird Blindleistung bezogen, wie in dem rampenförmigen Anstieg der Kennlinie 28 erkennen ist.

Unterhalb einer unteren Grenzspannung wird Blindleistung abgegeben, wie in der Kennlinie 28 an der linken, abfallenden Rampe zu erkennen ist.

Fig. 3a zeigt eine Kennlinie 30 zur Einstellung der Wirkleistung abhängig von einer Netzfrequenz am Anschluss 4. Oberhalb einer oberen Grenzfrequenz 30a,

beispielsweise 50, 2Hz, steigt der Wirkleistungsbezug über einen Nennwert 30c. Unterhalb einer unteren Grenzfrequenz 30b sinkt der Wirkleistungsbezug unter den Nennwert 30c.

Fig. 3b zeigt die Einstellung der Blindleistung abhängig von der Netzfrequenz am Anschluss 4. Wie der Kennlinie 32 zu entnehmen ist, erfolgt eine

Blindleistungsentnahme oberhalb der oberen Grenzfrequenz 30 und es erfolgt eine Blindleistungsabgabe unterhalb der unteren Grenzfrequenz 30b.

Fig. 4a zeigt die Einstellung der Wirkleistung abhängig vom Leistungsfaktor am Anschluss 4. Bei Leistungsfaktoren unter 1,0 ist die Kennlinie 34 abhängig davon, ob kapazitiv oder induktiv Wirkleistung bezogen wird. Ein Anstieg des Wirkleistungsbezugs unterhalb des Leistungsfaktors von 1,0 ist beim kapazitiven Wirkleistungsbezug angezeigt, ein abfallender Wirkleistungsbezug unterhalb eines Leistungsfaktors von 1,0 ist beim induktiven Wirkleistungsbezug angezeigt. Fig. 4b zeigt den Blindleistungsbezug über den Leistungsfaktor am Anschluss 4. Die Kennlinie 36a zeigt einen induktiven Blindleistungsbezug und die Kennlinie 36b zeigt einen kapazitiven Blindleistungsbezug am Anschluss 4.

Bezugszeichenliste

2 Ladestation

4 Versorgungsnetzanschluss

6 Ladeanschluss

8 Energiespeicher

10 Transformator

12 Stromrichter

14 Zentrale Steuerung

16 Gleichstromsteller

18 Gleichstromsteller

20 Fotovoltaikanlage

22 Gleichstromsteller

24 Backend

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Ladestation für Elektrofahrzeuge mit

einem Netzanschluss eingerichtet zum Anschluss an ein Energieversorgungsnetz, einem Ladeanschluss eingerichtet zum Anschluss an ein Elektrofahrzeug, einem parallel zwischen dem Netzanschluss und dem Ladeanschluss

angeordneten Energiespeicher,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Energiespeicher über einen Stromrichter mit dem Netzanschluss verbunden ist, derart, dass Wirkleistung und Blindleistung bidirektional regelbar zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher übertragbar ist.

2. Ladestation nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Leistungsflussrichtung durch den zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher angeordneten Stromrichter regelbar ist.

3. Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet,

dass der Ladeanschluss ein Gleichstromanschluss ist und dass zwischen dem Energiespeicher und dem Ladeanschluss ein Gleichstromsteller angeordnet ist.

4. Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet,

dass der Netzanschluss ein Mittelspannungsanschluss ist und dass zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher ein Transformator angeordnet ist.

5. Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen dem Stromrichter und dem Energiespeicher ein Gleichstromsteller angeordnet ist.

6. Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet,

dass ein zentraler Controller in Wirkverbindung mit zumindest dem Stromrichter und/oder zumindest einem der Gleichstromsteller ist.

7. Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Fotovoltaikanlage über einen Gleichstromsteller mit dem

Energiespeicher verbunden ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Ladestation, insbesondere einer Ladestation nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

ein Leistungsfluss zwischen einem Netzanschluss und einem Energiespeicher unabhängig von einem Ladevorgang an einem Ladeanschluss steuerbar ist, so dass ein Blindleistungsfluss und/oder eine Wirkleistungsfluss bidirektional zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher einstellbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Wirkleistungsfluss abhängig von einem externen Steuersignal oder abhängig von einer Kennlinie über die N etzfrequenz, die N etzspannung oder den

Leistungsfaktor einstellbar ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen,

dadurch gekennzeichnet, dass der Blindleistungsfluss abhängig von einem externen Steuersignal oder abhängig von einer Kennlinie über die Netzfrequenz, die Netzspannung oder den Leistungsfaktor einstellbar ist.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zwischen dem Energiespeicher und dem Netzanschluss fließende Blindleistung bis zur Leistungsbemessungsgrenze einstellbar ist.