WO2012149965A1 - Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung elektrischer energie - Google Patents

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WO2012149965A1
WO2012149965A1 PCT/EP2011/057114 EP2011057114W WO2012149965A1 WO 2012149965 A1 WO2012149965 A1 WO 2012149965A1 EP 2011057114 W EP2011057114 W EP 2011057114W WO 2012149965 A1 WO2012149965 A1 WO 2012149965A1
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WO
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charging
charging station
master
station
capacity
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PCT/EP2011/057114
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Kolja Eger
Alexander Kepka
Andreas Zwirlein
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for providing electrical energy.
  • Electromobility requires an infrastructure that allows electric vehicles to be recharged from a power grid. These preferably are charging stations vorgese ⁇ hen, where the electric vehicles can be connected to load. Furthermore, there are additional components or functions for authentication, billing or monitoring of the loading processes.
  • At least one charging station transmits a status change to a charging system;
  • the charging system determines a load distribution and transmitted to the (at least one) charging station;
  • the (at least one) charging station provides the elekt ⁇ cal energy according to the transmitted load distribution.
  • the charging system may be a hardware component and / or software functionality.
  • the charging ⁇ system can be implemented on different units as software functionality.
  • the La desystem may be part of the charging station or part of another charging station or part of a central component.
  • the approach presented thus enables load management for a charging system, including e.g. several charging stations, which are for example part of a public charging station.
  • the load management determines a load distribution in compliance with various conditions, which can be both economic and (network) technical. For example, this can avoid network bottlenecks and, at the same time, can ensure that charging is done with an environmental power (eg, a power coming from renewable energy sources).
  • the load management can regulate the maximum charge current or the maximum power consumption at the individual charging stations, thus guaranteeing a form of fairness between the charging processes (also in compliance with, for example, priorities or contractual characteristics).
  • the central load management can be either directly or mithil- fe other components in the overall system make the charging stations corresponding specifications and rela ⁇ hen of these statuses.
  • the centralized approach has the advantage that centralized authentication can be easily provided. Another advantage is that information about the The customer, for example, are not stored on a card that is used to store, present in the central In ⁇ substance and can be used in accordance with Contract. Furthermore, a decentralized load management is proposed, which can use the same methods for determining the load distribution as the central load management, but does not require an operation center or control system. The load management is carried out decentrally, ie the loading processes or charging stations organize themselves independently. Preferably, a central component is ⁇ scheduled for an initial setting or parameter setting of the charging stations or loading operations. A development is that the load distribution is determined based on at least one constraint and / or a number of connected or active charging stations.
  • the constraint comprises at least one of the specifications:
  • the maximum permissible capacity comprises at least one of the following possibilities:
  • the charging system is a central charging system. Furthermore, it is a development that the charging system is provided by a master charging station.
  • the master charging station is determined by means of an identifier.
  • the charging station can be selected with the smallest amount of identifier.
  • a next development consists in that a configuration or a parameterization of the charging station is carried out on the basis of a central component.
  • One embodiment is to determine (e.g., in advance) at least one backup master cradle.
  • the at least one backup master cradle can be determined by its identifier. For example, that of La ⁇ destation with the second smallest identifier, the first backup master charging station, etc.,.
  • the Mas ⁇ ter-charging station transmits any status change to the at least one back-up master charging station and the at least one Backup Master Cradle determines the load distribution based on the status changes.
  • a next embodiment is that the master loading station transmits the specific load distribution to the at least one backup master base station.
  • each of the backup master cradles is able to replace the master station based on the load distribution available locally at the backup master cradle. It is also possible that the master charging station, e.g. at predetermined times or on occasion, which transmits information on the current load distribution to the at least one backup master charging station.
  • next backup master charging station is activated or activated itself.
  • a development consists in that a reactivated former master charging station is not initially used again as the master charging station.
  • the charging system is provided decentralized by each charging station, wherein the electrical energy is adjusted by the charging station based on information or messages from other charging stations. This approach is also referred to as "gossiping" and is particularly suitable for large networks where central processing is too costly.
  • Ladesta ⁇ tions can be used as a peer-to-peer (P2P) network with each other Exchange messages, for example, based on such messages different estimates are determined regarding, for example, energy consumption in the P2P network. Based on these estimates decides a load management component of the charging station via the SET ⁇ development of the charging current.
  • P2P peer-to-peer
  • Another embodiment is, that is loaded on the basis of Train ⁇ set electric power at least one electric vehicle (or at least one battery of the electric vehicle).
  • the above object is also achieved by a device for providing electrical energy with a processing unit which is set up such that
  • a status change can be transmitted to a charging system
  • the charging system may be a hardware component or a function (such as software) that may be part of the device, part of a (different) charging station or part of a central unit.
  • the processing unit may be a processor unit and / or an at least partially hard-wired or logical circuit arrangement which is set up, for example, such that the method can be carried out as described herein.
  • Said processing unit (/ output interface memory, input ⁇ , input-output devices, etc.) any type of processor or computer or computer with correspondingly necessary periphery be or include.
  • the above explanations regarding the method apply to the device accordingly.
  • the device may be implemented in one component or distributed in several components. In particular, can also be a part of the apparatus via a network interface to be angebun ⁇ (eg, the Internet).
  • the device has a ⁇ La is as destation out in particular for charging an electric vehicle from ⁇ .
  • Fig. 1 is a schematic diagram for charging electric vehicles via a power grid
  • FIG. 2 is a schematic architecture of a distributed load management that the approach 'choice of a master, "he ⁇ enables or supports;
  • FIG. 3 shows an exemplary state diagram for a Ladesta ⁇ tion.
  • Each loading session can be assigned by ID (also referred to as identification or identifier) a charging device (eg a charging station) and eg based on a type of contract of a user or to be loaded Fahr ⁇ zeugs a group or more groups; - a group of a capacity, for example, a charging capacity ⁇ dictated or otherwise determined to be;
  • a limit of a charging current can be specified for a charging process or for each charging process
  • Each charging process for example, can be supplied with a base charging current or a minimum charging current
  • a local area network station for example, has a multi ⁇ plurality of outlets for the low-voltage network having a plurality of connection points via which, for example, a charging operation of a vehicle can be carried out by means of a charging station.
  • a local network station is connected via (at least) one transformer to a power grid on the medium voltage level.
  • the transformer provides a given maximum charge capacity. This maximum load capacity is to be maintained by the on ⁇ connection points.
  • the power grid can provide different types of power through the transformer, eg, a cheap electricity and an ecologically-derived electricity (hereinafter referred to as "ecological electricity").
  • the types of electricity can be linked to different prices.
  • a customer may, for example, be assigned to a group which exclusively or preferably carries out charging processes with ecological power (the type of contract may be linked to the group membership).
  • Fig.l shows a transformer 101, which can be powered by a power grid with ecological power 102 and 103 with favorable current.
  • the transformer 101 is beispielswei ⁇ se part of a local network station.
  • the transformer 101 is connected via a line with three outlets 117, 118 and 119.
  • the outlet 117 is connected via a connection point 104 to a charging station 109, at which an electric vehicle 113 is charged.
  • the outlet 117 is further connected via a connection point 105 to a charging station 110, at which an electric vehicle 114 is charged.
  • the outlet 119 is connected to the connection points 106 to 108, wherein the connection point 106 is connected to a charging station 111, at which an electric vehicle 115 is charged and the connection point 108 is connected to a charging station 112, on which an electric vehicle 116 is loaded.
  • both the transformer 101 in the local network station and each of the outgoing circuits 117 to 119 provide a maximum capacity which may not be exceeded.
  • an identifier In a (centralized or decentralized) charging system, an identifier (ID) is managed for each charging process.
  • the charging process for an electric vehicle further has a maximum admissible ⁇ gen charging current I MAX. This maximum permissible charging current results, for example, as a minimum of the variables limiting the charging process. For example, the maximum charging current is limited by
  • a (temporary) charging is assigned exactly to a contract.
  • the contract specifies whether eg ökolo ⁇ gic power or effective power to be used.
  • mixed forms of types of current are possible.
  • a contract may have a quota linked to the maximum permissible load capacity.
  • the charging system may receive one profile per group per day, for example, a plurality of values per unit time (e.g., 96 quarter-hourly values per day) may be provided or predetermined.
  • a plurality of values per unit time e.g., 96 quarter-hourly values per day
  • the electric vehicle 113 receives an identifier ID1 for the charging process
  • the electric vehicle 114 receives an identifier ID2 for the charging process
  • the electric vehicle 115 receives an identifier ID3 for the charging process
  • the electric vehicle 116 receives an identifier ID4 for the charging process.
  • the electric vehicles 113 and 115 with the identifiers ID1 and ID3 are to be charged with ecological electricity 102 and the electric vehicles 114 and 116 with the IDs ID2 and ID4 with favorable electricity 103.
  • GAbg3 ⁇ 3, 4 ⁇
  • the curly brackets ⁇ ... ⁇ contain the identifiers of the electric vehicles 113 to 116 affected for the respective group. Alternatively, it is also possible to draw the identifiers ID1 to ID4 as identifiers for the loads to be ⁇ .
  • Each group or a selection of groups for example has a capacity constraint C Gro up ⁇
  • the charging system determines, for example, a parameter Tar Q et r ⁇ er ⁇ -i_ e maximum power consumption (current) determined per charging or charging station.
  • the charging system may be operated in accordance with or based on the IEC 61851 standard.
  • the charging system may provides an interface umfas ⁇ sen, the (implemented for example as a function call) the following functions:
  • the load distribution can be carried out as follows:
  • a charging station informs the (central) charging system via a status change, eg by means of the above-mentioned functions energyRequest (), sessionEnd (), ses ⁇ sionUpdate).
  • the charging system determines a load distribution for each status change and transmits it to the charging station (s). Fair weighted load distribution
  • the total capacity C is given, there is only a single group and the number of times n is known.
  • a Ge ⁇ weighting factor for prioritization is defined.
  • the load distribution can be in the form of a vector be determined
  • the charging current can be individually limited to a maximum charging current I MAX for each charging process s:
  • the load distribution can be effected, for example, by means of a so-called “Max-Min Flow Control” method (cf.: D. Bertsekas, R. Gallager: “Data Networks", 2nd Edition, Prentice-Hall, 1992, pages 527, 528).
  • Each loading process can be assigned to different groups by an identifier of the charging station and by a contract type. For each group, a maximum capacity de ⁇
  • the charging current can be determined according to the relationship be limited. Furthermore, it can be determined that each La ⁇ destation at least one base current receives. For a charge is a weighting factor for a priority
  • Example Based on the example shown in FIG. 1, there are six more to the illustrated four charging processes
  • the vector indicates that the loads 6 to 10 are powered by the outlet 119.
  • Outgoing 118 does not charge in this example.
  • the vector indicates that the trans ⁇
  • Formator 101 supplies all charging operations 1 to 10.
  • the vector indicates that Charges 1, 3, 5, 7, and 9 are performed with ecological current and the vector indicates that Charges 2, 4, 6, 8, and 10 are being done on low power.
  • the vector C results in:
  • An advantage of the approach presented here is that a maximum charge current for multiple loads, e.g. for multiple charging stations and / or electric vehicles, centralized or decentralized can be coordinated in compliance with predetermined versatile adjustable side conditions.
  • the secondary conditions may include economic requirements and / or technical specifications.
  • the decentralized load management can in different ways he ⁇ follow. In the following, two possibilities will be explained by way of example.
  • the charging stations or the charging processes which are, for example, executable functions in a component, select a master that determines the load distribution.
  • a master that determines the load distribution.
  • several charging stations act as peers (communicating compo ⁇ components or functions) and organize themselves. This approach is also possible for functions (such as charging processes) which are executed on one or more compo nents ⁇ .
  • the charging stations form a peer-to-peer (P2P) network and communicate with other loading stations (peers), that are selected, for example, random (or pseudozuembl ⁇ lig) or after a predetermined scheme.
  • P2P peer-to-peer
  • a load management component of the charging station decides autonomously on the charge current to be specified .
  • the load management is distributed (eg by means of a distributed algorithm).
  • Step must be done again for each algorithm.
  • the gossiping method is suitable for large networks where central processing is too time-consuming or where the coordination of central processing alone would lead to a high traffic load.
  • Figure 2 shows an example of an architecture of a distributed load management, which made the approach 'choice of a master " ⁇ light or supported.
  • a program is used in the charging stations, which follows the decentralized approach described here.
  • one and the same program run on meh ⁇ eral charging stations, as so each loading station (as nodes of a P2P network) is able to take over the function of the master.
  • the program can use different communication channels, eg wireless or wired communication.
  • Example ⁇ can as the charging stations on the Ethernet 201 and / or via a cellular network 202 (for example, GSM, UMTS, LTE, etc.) communicate with each other using TCP / IP 203rd
  • an overlay network 204 is shown, which manages the logical network above the IP network.
  • a large number of peers In a P2P network, a large number of peers
  • the overlay network 204 can be structured by means of distributed hash tables (so-called “distributed hash tables").
  • distributed hash tables distributed hash tables
  • a management of the overlay network 204 in a configuration phase can be supported by a central component, ie each peer (charging station). of the P2P network gets a complete list of all peers (charging stations) when it is configured.
  • the choice of master 205 is made in each of the charging stations.
  • the assumption is made that the lists of peers consignment ⁇ stent. In the case of inconsistent peer lists, these are synchronized.
  • the master is selected based on a peer ID assigned by the central instance. For example, that charging station is selected as the master, which has the smallest peer ID.
  • a charging station If a charging station has determined itself to be the master, it activates a master mode and initializes a load management 206, eg by activating a load management algorithm.
  • the necessary parameters can be set by the central component and may correspond to the Pa ⁇ rametern of the central load management.
  • the master uses for example, the same interface of ⁇ len calls, such as in the central case, for example:
  • FIG. 3 shows an exemplary state diagram for a La ⁇ destation.
  • a transition to a state 302 for initializing the charging station takes place.
  • the overlay network is initialized and in a subsequent state 304, the choice of the master takes place.
  • the master is out ⁇ selects a branch is made to a query 305th
  • the current Charging station itself was selected as the master is branched to a state 306, there is an initialization (or conversion) of the current charging station as a master.
  • a branch is made to a state 307 in which the charging station (as master or normal peer) is active.
  • An abort causes a change to a state 308, in which the charging station logs off and goes into a final state 309 (eg for switching off or for the maintenance of the charging station).
  • the decentralized load management may initially configured ⁇ to. Before a charging station becomes active in a decentralized load management, a connection is made to the central component. For example, an installer after setting up the charging station via a laptop by means of the central component to perform the parameterization of the charging station. For example, a charging station at the central
  • the installer can now set (set or update) necessary parameters. This type of parameterization is comparable to the scenario of central load management. Also, groups with capacity limitations can be set and charging stations can be grouped (added to groups or deleted from groups). After entering the information, the charging station is set by, for example, all parameters are summarized for setting in a file and transmitted to the La ⁇ destation.
  • the backup master can be determined by its peer ID (for example, the second smallest peer ID is used for the backup master).
  • This approach can be applied by analogy for several backup master: To select multiple failures of masters to ausglei ⁇ chen, a list of a variety of backup masters may be used wherein a master every message from a loading station and to the backup master forwards. This ensures that the state of the master is also replicated to the backup masters.
  • the latter can determine the backup masters themselves based on the transmitted information.
  • a failure of the master can be detected by the first uneantwor ⁇ tete request a charging station.
  • the requesting charging station then contacts the (first) backup master and sends the unanswered request to it.
  • the backup master requests from the master a so-called "heartbeat" message (ie an information that indicates that the master is still active and can communicate).
  • the backup master receives the "Heartbeat" message of the Masters, the An ⁇ ask is not edited by the charging station, but to the actual master reference (this can also be done by no action is taken by the backup master, because the Backup master assumes that the master will answer the request of the charging station).
  • the backup master can not reach the master either (ie if there is no "heartbeat” message), it is assumed that the master has failed and the backup master activates its master mode and processes the request for the charging station.
  • Charging station whose request remains unanswered by the original master, contacted the new master (before ⁇ times: Backup Master) processing the request of the charging station directly.
  • the status and for load management (list with load distributions) übertra ⁇ gen are.
  • the complete state for the load management can be transmitted to it or it can contact all other charging stations and query their status. (b) failure of a charging station
  • the failure of the charging station has a cause that is indistinguishable from a monitoring: For example, it can not be distinguished whether there is only a communication problem or if the charging station has failed. If only the communication to the charging station has failed, it could carry out a charging process unchanged. In this case, the resources allocated to this charging station can not be redistributed.
  • One option is not to monitor the charging stations, especially if resource redistribution is to remain unchanged. Thus, an error treatment for the failure of a charging station depending on the application also be omitted.
  • a former master becomes active again after his failure, it is preferable to ensure that no conflicts and / or inconsistencies occur. For example, it is a possibility to assume that a failure of the master is an indication of further failures. It could be provided that the former Mas ⁇ ter not assume its master role again.
  • the former master's peer ID can be changed.
  • the peer ID can be extended by a version number, for example, preceded by the version number prefix the peer ID. The choice of the master continues to be based on the smallest peer ID considering this prefix.
  • the aforementioned peer list is ver ⁇ spent. Accordingly, this peer list should be kept consistent.
  • the number of charging stations (for example, within a cluster) is small (for example, comprising about 32 La ⁇ destationen) be.
  • Each charging station stores the peer list with the peer IDs of all other charging stations.
  • the peer list can be parameterized by the central component.
  • the peer list is parameterised on the basis of the central component.
  • the new charging station receives the Update ⁇ te peer list and knows all charging stations on the network, but the charging stations know - first of all - not this new Charging station.
  • a synchronization of the peer list on the charging stations is required. Such synchronization can be performed in different ways.
  • the new charging ⁇ station initially not come as a master in question; this can be ensured by ascending peer IDs, for example, with the new charging station receives the highest ever peer ID and thus currently hardly be a master ⁇ will be selected.
  • the new charging station logs on (e.g., by means of a j oin message) to all other charging stations.
  • the peer list can be updated at each charging station; the recipient adds his peer list to the peer ID and the IP address of the new charging station

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Abstract

Die vorliegende Lösung schlägt insbesondere ein Lademanagement für Elektro-Fahrzeuge vor, wobei ein maximaler Ladestrom für mehrere Ladevorgänge, z.B. für mehrere Ladestationen und/oder Elektro-Fahrzeuge, zentral oder dezentral koordiniert werden kann unter Einhaltung vorgegebener vielseitig einstellbarer Nebenbedingungen. Vorteilhaft können die Nebenbedingungen wirtschaftliche und/oder technische Vorgaben umfassen. Neben dem zentralen Lastmanagement wird auch ein dezentrales Lastmanagement vorgestellt, wobei die Lastverteilung über eine Master-Ladestation oder autonom von jeder Ladestation selbst durchgeführt wird. Falls die Master-Ladestation ausfällt, wird auf eine Backup-Master-Ladestation umgeschaltet. Die Erfindung kann z.B. in der Elektromobilität, insbesondere der Elektrifizierung des Individualverkehrs, eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie.
Für die Elektromobilität ist eine Infrastruktur erforderlich, die ein Aufladen von Elektro-Fahrzeugen aus einem Stromnetz ermöglicht. Hierzu sind vorzugsweise Ladestationen vorgese¬ hen, an denen die Elektro-Fahrzeuge zum Laden angeschlossen werden können. Weiterhin gibt es zusätzliche Komponenten bzw. Funktionen zur Authentifizierung, Abrechnung oder Überwachung der Ladevorgänge.
Hierbei ist es problematisch, bei einer Vielzahl von Ladevorgängen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten initiiert werden, die verfügbare elektrische Energie effizient und fair zu verteilen. Ein weiteres Problem besteht darin, in solch einer Lastverteilungssituation vorgegebene Bedingungen, z.B. "Laden mit ökologischem Strom" bzw. Kapazitätsgrenzen von Ladestationen, Leitungen oder Transformatoren einzuhalten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend ge¬ nannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein effizientes und faires Lastmanagement zum Laden von Elektro-Fahr¬ zeugen anzugeben. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie angegeben,
- bei dem mindestens eine Ladestation eine Status- Änderung an ein Ladesystem übermittelt; - bei dem das Ladesystem eine Lastverteilung bestimmt und an die (mindestens eine) Ladestation übermittelt;
- bei dem die (mindestens eine) Ladestation die elekt¬ rische Energie gemäß der übermittelten Lastverteilung bereitstellt.
Bei dem Ladesystem kann es sich um eine Hardware-Komponente und/oder um eine Software-Funktionalität handeln. Das Lade¬ system kann auf unterschiedlichen Einheiten als Software- Funktionalität implementiert sein. Insbesondere kann das La desystem Teil der Ladestation oder Teil einer anderen Ladestation oder Teil einer zentralen Komponente sein.
Der vorgestellte Ansatz ermöglicht somit ein Lastmanagement für ein Ladesystem umfassend z.B. mehrere Ladestationen, die beispielsweise Teil einer öffentlich zugänglichen Stromtankstelle sind. Das Lastmanagement bestimmt eine Lastverteilung unter Einhaltung verschiedener Bedingungen, die sowohl wirtschaftlicher als auch (netz- ) technischer Art sein können. Beispielsweise können so Netzengpässe vermieden werden und gleichzeitig kann sichergestellt werden, dass ein Ladevorgang mit einem ökologischen Strom (also z.B. einem Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen stammt) durchgeführt wird. Zur Einhaltung der Bedingungen kann das Lastmanagement den maximalen Ladestrom bzw. die maximale Leistungsaufnahme an den einzelnen Ladestationen regeln und garantiert so eine Form von Fairness zwischen den Ladevorgängen (auch unter Einhaltung von z.B. Prioritäten oder Vertragseigenschaften).
Das zentrale Lastmanagement kann entweder direkt oder mithil- fe anderer Komponenten im Gesamtsystem den Ladestationen entsprechende Vorgaben machen und von diesen Statuswerte bezie¬ hen .
Der zentralisierte Ansatz hat den Vorteil, dass eine zentrale Authentifizierung einfach bereitgestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Informationen über die Vertragsart des Kunden, die z.B. nicht auf einer Karte, die zu Laden benutzt wird, gespeichert sind, in der zentralen In¬ stanz vorliegen und entsprechend genutzt werden können. Weiterhin wird ein dezentrales Lastmanagement vorgeschlagen, das die gleichen Verfahren zur Bestimmung der Lastverteilung verwenden kann wie das zentrale Lastmanagement, aber kein Operation Center oder Leitsystem benötigt. Das Lastmanagement wird dezentral durchgeführt, d.h. die Ladevorgänge oder Lade- Stationen organisieren sich selbständig. Vorzugsweise wird für eine initiale Einstellung bzw. Parametrierung der Ladestationen oder Ladevorgänge eine zentrale Komponente einge¬ setzt . Eine Weiterbildung ist es, dass die Lastverteilung bestimmt wird anhand mindestens einer Nebenbedingung und/oder einer Anzahl der angeschlossenen oder aktiven Ladestationen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Nebenbedingung mindestens eine der Vorgaben umfasst:
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität;
- ein Gewichtungsfaktor oder eine Priorisierung;
- ein maximal zulässiger Ladestrom insbesondere pro La¬ devorgang oder pro Basisstation oder pro Elektro- Fahrzeug.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die maximal zu¬ lässige Kapazität mindestens eine der folgenden Möglichkeiten umfasst :
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität der La¬ destation;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Kabels ;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Transformators;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität einer Ortsnetzstation; - eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität gemäß Vereinbarung oder Vertrag;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Elektro-Fahrzeugs ,
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität einer
Energiequelle,
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines virtuellen Kraftwerks (Virtual Power Plant) (umfas¬ send z.B. Aggregation von einer Vielzahl von Energie- quellen) .
Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Ladesystem ein zentrales Ladesystem ist. Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Ladesystem von einer Master-Ladestation bereitgestellt wird.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Master- Ladestation anhand einer Kennung ermittelt.
Beispielsweise kann als Master-Ladestation die Ladestation mit der betragsmäßig kleinsten Kennung selektiert werden.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass eine Konfigu- ration oder eine Parametrierung der Ladestation anhand einer zentralen Komponente durchgeführt wird.
Eine Ausgestaltung ist es, dass (z.B. vorab) mindestens eine Backup-Master-Ladestation bestimmt wird.
Die mindestens eine Backup-Master-Ladestation kann anhand ihrer Kennung bestimmt werden. Beispielsweise ist diejenige La¬ destation mit der zweitkleinsten Kennung die erste Backup- Master-Ladestation, usf.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Mas¬ ter-Ladestation jede Status-Änderung an die mindestens eine Backup-Master-Ladestation übermittelt und die mindestens eine Backup-Master-Ladestation die Lastverteilung anhand der Status-Änderungen bestimmt.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Master-Lade- Station die bestimmte Lastverteilung an die mindestens eine Backup-Master-Basisstation übermittelt .
So ist jede der Backup-Master-Ladestationen in der Lage, die Master-Station zu ersetzen basierend auf der lokal bei der Backup-Master-Ladestation verfügbaren Lastverteilung. Auch ist es möglich, dass die Master-Ladestation, z.B. zu vorgegebenen Zeitpunkten oder auf Veranlassung, die Information zur aktuellen Lastverteilung an die mindestens eine Backup- Master-Ladestation übermittelt.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass bei einem Ausfall der Master-Ladestation die nächste Backup-Master-Ladestation aktiviert wird bzw. sich selbst aktiviert. Eine Weiterbildung besteht darin, dass eine reaktivierte ehe¬ malige Master-Ladestation zunächst nicht wieder als Master- Ladestation genutzt wird.
Dies kann z.B. sichergestellt werden, indem die Kennung der ehemaligen Master-Ladestation entsprechend modifiziert wird, so dass sie nicht das Kriterium zur Selektion als Master- Ladestation erfüllt. Beispielsweise kann hierfür die Kennung um eine Versionsnummer ergänzt werden. Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass das Ladesystem dezentral von jeder Ladestation bereitgestellt wird, wobei die elektrische Energie von der Ladestation eingestellt wird basierend auch auf Informationen oder Nachrichten anderer Ladestationen. Dieser Ansatz wird auch als "Gossiping-Verfah- ren" bezeichnet und eignet sich insbesondere für große Netze, bei denen eine zentrale Verarbeitung zu aufwändig ist. Die Koordinierung erfolgt ohne zentrales Ladesystem, die Ladesta¬ tionen können als ein Peer-to-Peer (P2P)-Netz miteinander Nachrichten austauschen, wobei basierend auf solchen Nachrichten z.B. verschiedene Schätzwerte ermittelt werden betreffend beispielsweise einen Energieverbrauch in dem P2P- Netz. Basierend auf diesen Schätzwerten entscheidet eine Lastmanagement-Komponente der Ladestation über die Einstel¬ lung des Ladestroms.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass anhand der bereitge¬ stellten elektrischen Energie mindestens ein Elektro-Fahrzeug (bzw. mindestens eine Batterie des Elektro-Fahrzeugs ) geladen wird .
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie mit einer Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass
- eine Status-Änderung an ein Ladesystem übermittelbar ist ;
- wobei eine von dem Ladesystem ermittelte Lastvertei¬ lung empfangen oder insbesondere lokal bereitgestellt wird;
- die elektrische Energie gemäß der Lastverteilung be¬ reitstellbar ist.
Das Ladesystem kann eine Hardware-Komponente oder eine Funk- tion (z.B. als Software) sein, die Teil der Vorrichtung, Teil einer (anderen) Ladestation oder Teil einer zentralen Einheit sein kann.
Die Verarbeitungseinheit kann insbesondere eine Prozessorein- heit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnitt¬ stellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen. Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Insbesondere kann auch ein Teil der Vorrichtung über eine Netzwerkschnittstelle (z.B. das Internet) angebun¬ den sein.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Vorrichtung als eine La¬ destation insbesondere zum Laden eines Elektro-Fahrzeugs aus¬ geführt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 ein schematisches Schaubild zum Laden von Elektro- Fahrzeugen über ein Energienetz;
Fig.2 eine schematische Architektur eines dezentralen Lastmanagements, das den Ansatz "Wahl eines Masters" er¬ möglicht bzw. unterstützt;
Fig.3 ein beispielhaftes Zustandsdiagramm für eine Ladesta¬ tion.
Es wird vorgeschlagen, eine Lastverteilung zu optimieren, d.h. z.B. eine effiziente und/oder faire Lastverteilung bereitzustellen, und dabei insbesondere verschiedene Randbedin¬ gungen einzuhalten. Als Randbedingungen wird beispielsweise mindestens eine der folgenden Maßgaben berücksichtigt:
- jede Ladesession kann durch eine ID (auch bezeichnet als Identifikation oder Kennung) eine Ladeeinrichtung (z.B. einer Ladestation) und z.B. anhand einer Vertragsart eines Nutzers oder eines zu ladenden Fahr¬ zeugs einer Gruppe oder mehreren Gruppen zugeordnet werden; - für eine Gruppe kann eine Kapazität, z.B. eine Lade¬ kapazität, vorgegeben oder auf andere Art bestimmt sein;
- eine Begrenzung eines Ladestroms kann für einen Lade- Vorgang oder für jeden Ladevorgang vorgegeben werden;
- jeder Ladevorgang kann beispielsweise mit einem Basis-Ladestrom oder einem Mindest-Ladestrom versorgt werden;
- für jeden Ladevorgang kann ein Gewichtungsfaktor im Hinblick auf eine Priorisierung des Ladevorgangs be¬ stimmt werden.
Eine Ortsnetzstation verfügt beispielsweise über eine Viel¬ zahl von Abgängen zum Niederspannungsnetz mit einer Vielzahl von Anschlusspunkten, über die beispielsweise ein Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Ladestation erfolgen kann. Eine Ortsnetzstation ist über (mindestens) einen Transformator mit einem Energienetz auf der Mittelspannungsebene verbunden. Der Transformator stellt eine vorgegebene maximale Ladekapazität bereit. Diese maximale Ladekapazität soll durch die An¬ schlusspunkte eingehalten werden. Weiterhin kann das Energienetz über den Transformator unterschiedliche Stromarten, z.B. einen günstigen Strom und einen ökologisch gewonnenen Strom (nachfolgend bezeichnet als "ökologischer Strom"), bereit- stellen. Die Stromarten können mit unterschiedlichen Preisen verknüpft sein. Beispielsweise kann es eine Maßgabe eines Kunden sein, dass der Ladevorgang ZU X "6 (mit x=0...100) mit ökologischen Strom erfolgen soll. Dies kann z.B. vertraglich geregelt sein und bei dem Ladevorgang entsprechend berück- sichtigt werden. Auch ist es möglich, diese Maßgabe als
Wunsch zu behandeln und, sofern der Wunsch nicht erfüllt werden kann, auf eine Alternative (hier z.B. den günstigen
Strom) auszuweichen. Insoweit kann ein Kunde beispielsweise einer Gruppe zugeordnet sein, die ausschließlich oder vor- zugsweise Ladevorgänge mit ökologischem Strom durchführt (die Vertragsart kann mit der Gruppenzugehörigkeit verknüpft sein) . Fig.l zeigt einen Transformator 101, der von einem Energienetz mit ökologischen Strom 102 und mit günstigem Strom 103 versorgt werden kann. Der Transformator 101 ist beispielswei¬ se Teil einer Ortsnetzstation.
Der Transformator 101 ist über eine Leitung mit drei Abgängen 117, 118 und 119 verbunden. Der Abgang 117 ist über einen Anschlusspunkt 104 mit einer Ladestation 109 verbunden, an der ein Elektro-Fahrzeug 113 geladen wird. Der Abgang 117 ist weiterhin über einen Anschlusspunkt 105 mit einer Ladestation 110 verbunden, an der ein Elektro-Fahrzeug 114 geladen wird. Beispielhaft ist ferner der Abgang 119 mit den Anschlusspunkten 106 bis 108 verbunden, wobei der Anschlusspunkt 106 mit einer Ladestation 111 verbunden ist, an der ein Elektro-Fahr- zeug 115 geladen wird und wobei der Anschlusspunkt 108 mit einer Ladestation 112 verbunden ist, an der ein Elektro-Fahrzeug 116 geladen wird.
Beispielsweise stellt sowohl der Transformator 101 in der Ortsnetzstation als auch jeder der Abgänge 117 bis 119 eine maximale Kapazität bereit, die nicht überschritten werden darf .
In einem (zentralen oder dezentralen) Ladesystem wird für je- den Ladevorgang eine Kennung (ID) verwaltet. Der Ladevorgang für ein Elektro-Fahrzeug weist ferner einen maximal zulässi¬ gen Ladestrom IMAX auf. Dieser maximal zulässige Ladestrom ergibt sich z.B. als ein Minimum der den Ladevorgang begrenzenden Größen: Beispielsweise ist der maximale Ladestrom be- grenzt durch
- eine maximal zulässige Ladekapazität des Kabels zwi¬ schen dem Elektro-Fahrzeug und der Ladestation,
- eine maximal zulässige Ladekapazität der Ladestation,
- eine maximal zulässige Ladekapazität des Kabels zwi- sehen der Ladestation und dem Abgang. Die kleinste der maximal zulässigen Ladekapazitäten (anschaulich: das schwächste Glied der Kette) ist ausschlaggebend für den maximal zulässigen Ladestrom iMAX. Vorzugsweise wird ein (zeitlich begrenzter) Ladevorgang genau einem Vertrag zugeordnet. Der Vertrag gibt an, ob z.B. ökolo¬ gischer Strom oder günstiger Strom verwendet werden soll. Auch Mischformen aus Stromarten sind möglich. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass in dem Beispiel der Anschaulichkeit halber nur zwei Stromarten unterschieden werden. Entsprechend sind viele unterschiedliche Stromarten, z.B. von unterschied¬ lichen Anbietern, ggf. mit unterschiedlichen Preisen, möglich. Mit einem Vertrag kann ein Kontingent in Bezug auf die maximal zulässige Ladekapazität verknüpft sein.
Das Ladesystem kann ein Profil pro Gruppe und Tag erhalten, beispielsweise können eine Vielzahl von Werten pro Zeiteinheit (z.B. 96 Viertelstundenwerte pro Tag) bereitgestellt oder vorgegeben werden.
Nachfolgend wird im Hinblick auf Fig.l ein Beispiel darge¬ stellt :
Das Elektro-Fahrzeug 113 erhält eine Kennung ID1 für den La- devorgang, das Elektro-Fahrzeug 114 erhält eine Kennung ID2 für den Ladevorgang, das Elektro-Fahrzeug 115 erhält eine Kennung ID3 für den Ladevorgang und das Elektro-Fahrzeug 116 erhält eine Kennung ID4 für den Ladevorgang. Die Elektro- Fahrzeuge 113 und 115 mit den Kennungen ID1 und ID3 sollen mit ökologischem Strom 102 und die Elektro-Fahrzeuge 114 und 116 mit den Kennungen ID2 und ID4 mit günstigem Strom 103 geladen werden.
Es ergeben sich somit beispielhaft die folgenden Gruppen:
- Gruppe Gök, die mit ökologischem Strom geladen
wird/werden soll:
Gök = { 1 3 } ; - Gruppe Ggünst, die mit günstigem Strom geladen
wird/werden soll:
Ggünst = { 2 , 4 } ;
- Gruppe GAbgi/ die an dem Abgang 117 geladen
wird/werden soll:
GA gi = { 1 2 } ;
- Gruppe GAbg2, die an dem Abgang 118 geladen
wird/werden soll:
GAbg2 = { } Ί
- Gruppe GAbg3, die an dem Abgang 119 geladen
wird/werden soll:
GAbg3 = { 3 , 4 } ;
- Gruppe GTrafo/ die an dem Transformator geladen werden (sollen) :
^Trafo — {1, 2, 3, 4}.
In den geschweiften Klammern {...} sind die Kennungen der für die jeweilige Gruppe betroffenen Elektro-Fahrzeuge 113 bis 116 enthalten. Alternativ ist es ebenso möglich, die Kennungen ID1 bis ID4 als Kennungen für die Ladevorgänge zu be¬ zeichnen .
Jede Gruppe oder eine Auswahl der Gruppen hat beispielsweise eine Kapazitätsbeschränkung CGruppe ·
Nachfolgend wird beispielhaft ein zentrales oder auch dezen¬ trales (siehe dazu weiter unten) Ladesystem (auch bezeichnet als "Lastmanagement") unter Berücksichtigung z.B. einer entsprechenden Lastverteilung beschrieben. Die Lastverteilung erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung vorgegebener Nebenbedingungen. Das Ladesystem ermittelt beispielsweise einen Parameter TarQet r ^er ^-i_e maximale Leistungsaufnahme (Strom) pro Ladevorgang bzw. Ladestation bestimmt. Das Ladesystem kann beispielsweise gemäß oder basierend auf der Norm IEC 61851 betrieben werden. Beispielshaft kann das Ladesystem eine Schnittstelle umfas¬ sen, das die folgenden Funktionen (z.B. realisiert als Funktionsaufrufe) bereitstellt:
- energyRequest ( ) : Mitteilung an das Lastmanagement über einen weiteren (neuen) Ladevorgang;
- sessionEndO : Ende eines Ladevorgangs;
- sessionUpdate ( ) : Aktualisierung von Statuswerten eines Ladevorgangs;
- energySet() : Setzen des Parameters iTarget als ein
Sollwert durch das Ladesystem.
Hierbei sei erwähnt, dass der Ladevorgang auch als eine Sit¬ zung (oder als eine "Session") bezeichnet werden kann.
Nachfolgend wird ein beispielhafter Ansatz erläutert, der über die Steuerung des Parameters iTarget beispielsweise eine effiziente und faire Verteilung der Gesamtkapazität ermög¬ licht .
Faire Lastverteilung der Gesamtkapazität
In diesem Szenario ist eine Gesamtkapazität C vorgegeben. Weiterhin gibt es nur eine einzelne Gruppe und die Anzahl der Ladevorgänge n ist bekannt. Der Sollwert iTarget für die Lastverteilung ergibt sich zu:
Figure imgf000014_0001
Die Lastverteilung kann wie folgt durchgeführt werden:
(a) Eine Ladestation informiert das (zentrale) Ladesystem über eine Status-Änderung, z.B. mittels der vorstehend genannten Funktionen energyRequest () , sessionEnd (), ses¬ sionUpdate) .
(b) In einem nächsten Schritt ermittelt das Ladesystem bei jeder Status-Änderung eine Lastverteilung und übermittelt diese an die Ladestation (en) . Faire gewichtete Lastverteilung
Auch in diesem Szenario ist die Gesamtkapazität C vorgegeben, es gibt nur eine einzelne Gruppe und die Anzahl der Ladevor- gänge n ist bekannt. Für einen Ladevorgang
Figure imgf000015_0005
wird ein Ge¬ wichtungsfaktor für eine Priorisierung definiert. Die Lastverteilung kann in Form eines Vektors
Figure imgf000015_0001
bestimmt werden,
Der Sollwert der Lastverteilung
Figure imgf000015_0004
pro Ladevorgang ergibt sich zu:
Figure imgf000015_0003
Die Lastverteilung erfolgt analog den Schritten des vorste¬ hend erläuterten Szenarios "Faire Lastverteilung der Gesamtkapazität" . Beispiel: Mit einer Gesamtkapazität C=100 und n=10 Ladevor¬ gängen sowie einer Gewichtung der 10 Ladevorgänge gemäß dem folgenden Vektor w folgt daraus der Lastverteilungsvektor
Figure imgf000015_0002
Faire Lastverteilung mit zwei Nebenbedingungen
Auch in diesem Szenario ist die Gesamtkapazität C vorgegeben, es gibt nur eine einzelne Gruppe und die Anzahl der Ladevor- gänge n ist bekannt. Der Ladestrom kann für jeden Ladevorgang s einzeln auf einen maximalen Ladestrom IMAX begrenzt sein:
Figure imgf000016_0002
Die Lastverteilung kann beispielsweise mittels eines soge- nannten "Max-Min Flow Control"-Verfahrens erfolgen (vgl.: D. Bertsekas, R. Gallager: "Data Networks", 2nd Edition, Prenti- ce-Hall, 1992, Seiten 527, 528) .
Beispiel: Mit einer Gesamtkapazität C=100 und n=10 Ladevor- gängen sowie einer Begrenzung des Ladestroms pro Ladevorgang ergibt sich daraus ein Lastverteilungsvektor
Figure imgf000016_0003
zu:
Figure imgf000016_0001
Faire gewichtete und proportionale Lastverteilung
Jeder Ladevorgang kann durch eine Kennung der Ladestation und durch eine Vertragsart verschiedenen Gruppen zugeordnet werden. Für jede Gruppe kann eine maximale Kapazität de¬
Figure imgf000016_0005
finiert werden. Für jeden Ladevorgang kann der Ladestrom ge- mäß der Beziehung
Figure imgf000016_0004
begrenzt werden. Weiterhin kann bestimmt sein, dass jede La¬ destation wenigstens einen Basis-Strom
Figure imgf000017_0002
erhält. Für einen Ladevorgang
Figure imgf000017_0004
wird ein Gewichtungsfaktor für eine Prio-
Figure imgf000017_0005
risierung definiert.
Damit ergibt sich das folgende Maximierungsproblem:
Figure imgf000017_0001
mit den Nebenbedingungen:
Figure imgf000017_0003
wobei R eine Matrix mit den Ladevorgängen und deren Kapazitätsbegrenzungen, C ein Vektor mit allen Kapazitätsbegrenzungen und
Figure imgf000017_0006
den Lastverteilungsvektor darstellen.
Anstatt der Logarithmus-Funktion kann eine beliebige konkave Funktion verwendet werden.
Beispiel: Basierend auf dem in Fig.1 gezeigten Beispiel seien zu den dargestellten vier Ladevorgängen noch sechs weitere
Ladevorgänge gegeben. In Summe ergeben sich somit n=10 Lade¬ vorgänge. Zusätzlich sind die folgenden maximalen Kapazitäten vorgegeben :
- für den ökologischen Strom: Cök = 45;
- für den günstigen Strom: Cgünst = 200;
- für den Transformator CTrafo = 100;
- für den Abgang 117: CAbg1 = 40;
- für den Abgang 118: CAbg2 = 100;
- für den Abgang 119: CAbg3 = 100;
Für die Ladevorgänge 1 bis 10 werden die folgenden maximalen Ladeströme vorgegeben:
Figure imgf000018_0001
Als Mindeststrom pro Ladevorgang sei
Figure imgf000018_0003
vorgegeben
Hieraus folgt die Matrix
Figure imgf000018_0002
wobei die Spalten der Matrix R die Ladevorgänge 1 bis 10 kennzeichnen. Der Vektor gibt an, dass die Ladevorgänge
Figure imgf000018_0004
1 bis 5 von dem Abgang 117 versorgt werden, der Vektor
Figure imgf000018_0005
gibt an, dass die Ladevorgänge 6 bis 10 von dem Abgang 119 versorgt werden. Der Abgang 118 versorgt in diesem Beispiel keinen Ladevorgang. Der Vektor gibt an, dass der Trans¬
Figure imgf000018_0007
formator 101 alle Ladevorgänge 1 bis 10 versorgt. Der Vektor gibt an, dass die Ladevorgänge 1, 3, 5, 7 und 9 mit öko- logischem Strom durchgeführt werden und der Vektor
Figure imgf000018_0006
gibt an, dass die Ladevorgänge 2, 4, 6, 8 und 10 mit günstigem Strom durchgeführt werden. Der Vektor C ergibt sich zu:
Figure imgf000019_0001
Hieraus folgt für den Lastverteilungsvektor
Figure imgf000019_0002
In diesem Beispiel sind die limitierenden Nebenbedingungen die maximal zulässigen Ströme für die Ladevorgänge 6, 9 und 10, die maximal zulässige Kapazität des Abgangs 117 (CAbgi = 40), die maximal zulässige Kapazität des Transformators 101 (CTrafo = 100) sowie der maximal zulässige (oder mögliche) ökologische Strom (Cök = 45) .
Ferner ist es auch möglich, dass die einzelnen Ladevorgänge zusätzlich eine Priorisierung mittels des Gewichtungsfaktors •«'s erhalten. Diese Priorisierung kann zusätzlich zu den oben genannten Vorgaben bei der Bestimmung des Lastverteilungsvektors berücksichtigt werden:
Figure imgf000020_0001
Ein Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes besteht darin, dass ein maximaler Ladestrom für mehrere Ladevorgänge, z.B. für mehrere Ladestationen und/oder Elektro-Fahrzeuge, zentral oder dezentral koordiniert werden kann unter Einhaltung vorgegebener vielseitig einstellbarer Nebenbedingungen. Die Nebenbedingungen können wirtschaftliche Vorgaben und/oder technische Vorgaben umfassen.
Beispiel: Dezentrales Lastmanagement
Das dezentrale Lastmanagement kann auf verschiedene Arten er¬ folgen. Nachfolgend werden beispielhaft zwei Möglichkeiten erläutert .
(1) Wahl eines Masters:
Hierbei können die Ladestationen oder die Ladevorgänge, die z.B. in einer Komponente ablauffähige Funktionen sind, einen Master auswählen, der die Lastverteilung ermittelt. Nachfolgend wird beispielhaft angenommen, dass mehrere Ladestationen als Peers (kommunizierende Kompo¬ nenten oder Funktionen) agieren und sich selbst organisieren. Dieser Ansatz ist ebenso möglich für Funktionen (z.B. Ladevorgänge), die auf einer oder mehreren Kompo¬ nenten ablauffähig sind.
Fällt der Master aus, erkennen dies die anderen Ladesta¬ tionen, es wird ein neuer Master bestimmt. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass das Lastmanagement nicht für den dezentralen Ansatz angepasst werden muss, sondern ohne Änderungen aus dem zentralen Lastmanagement übernommen werden kann. Die Komplexität, welche durch eine dezen¬ trale Umsetzung entsteht, liegt außerhalb der Lastmana¬ gementkomponente und kann von anderen Komponenten bereitgestellt werden.
(2) Kommunikation ohne Master (auch bezeichnet als "Gossi- ping-Verfahren" ) :
Hierbei wird eine Koordinierung ohne eine zentrale In¬ stanz durchgeführt. Die Ladestationen bilden ein Peer- to-Peer (P2P)-Netz und kommunizieren mit anderen Ladestationen (Peers), die z.B. zufällig (oder pseudozufäl¬ lig) oder nach einem vorgegebenen Schema ausgewählt werden .
Hierbei können verschiedene Schätzwerte ermittelt wer¬ den, z.B. über den derzeitigen Gesamtverbrauch im P2P- Netz. Basierend auf diesen Schätzwerten entscheidet eine Lastmanagement-Komponente der Ladestation autonom über den vorzugebenden Ladestrom
Figure imgf000021_0001
. Bei dem Gossiping- Verfahren wird das Lastmanagement verteilt (z.B. mittels eines verteilten Algorithmus) durchgeführt. Dieser
Schritt muss für jeden Algorithmus erneut durchgeführt werden .
Das Gossiping-Verfahren eignet sich für große Netze, bei denen eine zentrale Verarbeitung zu aufwändig ist bzw. allein die Koordination einer zentralen Verarbeitung zu einer hohen Verkehrslast führen würde.
Nachfolgend wird der Ansatz (1) "Wahl eines Masters" näher beschrieben. Vor allem für eine kleine Anzahl von Ladestationen (z.B. ca. 32) ist der Verarbeitungsaufwand für den Master unkritisch und beeinträchtigt nicht die Leistungsfähigkeit der Komponenten. Hierbei ist es von Vorteil, dass ein deterministisches Last¬ management erreicht werden kann, bei dem keine Schwankungen durch ein Konvergenzverhalten entstehen.
Beispiel für ein dezentrales Lastmanagement mit "Wahl eines Masters "
Fig.2 zeigt beispielhaft eine Architektur eines dezentralen Lastmanagements, das den Ansatz "Wahl eines Masters" ermög¬ licht bzw. unterstützt.
Vorzugsweise wird in den Ladestationen ein Programm eingesetzt, das den hier beschriebenen dezentralen Ansatz ver- folgt. Beispielsweise kann ein und dasselbe Programm auf meh¬ reren Ladestationen ablaufen, da so jede Ladestation (als Knoten eines P2P-Netzwerks) in der Lage ist, die Funktion des Masters zu übernehmen. Das Programm kann unterschiedliche Kommunikationswege nutzen, z.B. drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation. Beispiels¬ weise können die Ladestationen über das Ethernet 201 und/oder über ein Mobilfunknetzwerk 202 (z.B. GSM, UMTS, LTE, etc.) mittels TCP/IP 203 miteinander kommunizieren.
In der Protokollarchitektur von Fig.2 ist oberhalb der TCP/ IP-Schicht 203 ein Overlay-Netzwerk 204 dargestellt, das das logische Netz oberhalb des IP-Netzes verwaltet. In einem P2P-Netzwerk können eine große Anzahl von Peers
(hier im Beispiel: Ladestationen) mit signifikanter Dynamik (Änderungen über die Zeit) vorhanden sein. Das Overlay- Netzwerk 204 kann mittels verteilter Hashtabeilen (sogenannte: "Distributed Hash Tables") strukturiert sein. In dem hier beschriebenen Beispiel kann eine Verwaltung des Overlay- Netzwerks 204 in einer Konfigurationsphase (auch bezeichnet als Engineeringphase oder Parametrierung) von einer zentralen Komponente unterstützt werden, d.h. jeder Peer (Ladestation) des P2P-Netzwerks erhält eine vollständige Liste aller Peers (Ladestationen) bei dessen Konfiguration.
Basierend auf der Liste aller Peers erfolgt die Wahl des Mas- ters 205 in jeder der Ladestationen. In einem ersten Schritt wird die Annahme getroffen, dass die Listen der Peers konsi¬ stent sind. Bei inkonsistenten Peer-Listen werden diese synchronisiert. Der Master wird anhand einer von der zentralen Instanz vergebenen Peer-ID ausgewählt. Beispielsweise wird diejenige Ladestation als Master gewählt, die die kleinste Peer-ID aufweist.
Falls eine Ladestation sich selbst als Master bestimmt hat, aktiviert sie einen Master-Modus und initialisiert ein Last- management 206, z.B. durch Aktivierung eines Lastmanagement- Algorithmus. Die hierfür notwendigen Parameter können durch die zentrale Komponente festgelegt werden und können den Pa¬ rametern des zentralen Lastmanagements entsprechen. Der Master bedient beispielsweise die gleichen Schnittstel¬ len-Aufrufe wie im zentralen Fall, z.B.:
- energyRequest ( ) für neue Anfragen,
- sessionEndO für das Beenden eines Ladevorgangs,
- sessionUpdate ( ) für die Aktualisierung von Statuswer- ten,
- energySet() setzen des Sollwerts einer Ladestation.
Für die Schnittstellen-Aufrufe können für den dezentralen Fall z.B. entsprechende XML-Nachrichten definiert und verwen- det werden.
Fig.3 zeigt ein beispielhaftes Zustandsdiagramm für eine La¬ destation. Zunächst erfolgt von einem initialen Zustand 301 ein Übergang in einen Zustand 302 zur Initialisierung der La- destation. In einem nachfolgenden Zustand 303 wird das Overlay-Netzwerk initialisiert und in einem anschließenden Zustand 304 erfolgt die Wahl des Masters. Ist der Master ausge¬ wählt wird zu einer Abfrage 305 verzweigt. Falls die aktuelle Ladestation selbst als Master ausgewählt wurde, wird zu einem Zustand 306 verzweigt, es erfolgt eine Initialisierung (oder Umstellung) der aktuellen Ladestation als Master. Nachfolgend oder wenn die Abfrage 305 ergibt, dass die aktuelle Ladesta- tion nicht als Master ausgewählt wurde, wird in einen Zustand 307 verzweigt, in dem die Ladestation (als Master oder als normaler Peer) aktiv ist. Ein Abbruch bedingt einen Wechsel in einen Zustand 308, in dem sich die Ladestation abmeldet und in einen finalen Zustands 309 (z.B. zum Abschalten oder zur Wartung der Ladestation) übergeht.
Das dezentrale Lastmanagement kann initial parametriert wer¬ den. Bevor eine Ladestation in einem dezentralen Lastmanagement aktiv wird, erfolgt eine Verbindung zu der zentralen Komponente. Zum Beispiel kann ein Installateur nach dem Aufstellen der Ladestation über einen Laptop mittels der zentralen Komponente die Parametrierung der Ladestation durchführen . Beispielsweise kann sich eine Ladestation bei der zentralen
Komponente anmelden und erhält die Peer-Liste der verfügbaren Ladestationen. Der Installateur kann nun notwendige Parameter einstellen (setzen oder aktualisieren) . Diese Art der Parametrierung ist vergleichbar zu dem Szenario des zentralen Lastmanagements. Auch können Gruppen mit Kapazitätsbeschränkungen eingestellt werden und es können Ladestationen zu Gruppen zugeordnet (in Gruppen aufgenommen oder aus Gruppen gelöscht) werden. Nach Eingabe der Informationen wird die Ladestation eingestellt, indem beispielsweise alle Parameter zur Einstellung in einer Datei zusammengefasst und an die La¬ destation übertragen werden.
Fehlerbehandlung Im Folgenden sind beispielhaft Fehlerfälle aufgeführt und es wird jeweils eine entsprechende Fehlerbehandlung vorgeschla¬ gen . (a) Ausfall des Masters
Ein Ausfall des Masters ist ein kritischer Fehler, und eine entsprechende Fehlerbehandlung ist für eine fortge¬ setzte Funktion in einem dezentralen Szenario notwendig, da ohne Master die Lastverteilung nicht möglich ist.
Beim Ausfall des Masters soll die Funktion des Masters von einer anderen Ladestation übernommen werden. Vorzugsweise werden hierfür die folgenden Schritte durchge¬ führt :
(i) Wahl eines Backup-Masters sowie redundante Spei¬ cherung der Lastverteilung vor dem Ausfall des Masters ;
(ii) Erkennung des Ausfalls des Masters;
(iii) Wahl eines neuen Masters unter den anfragenden
Ladestationen .
Um eine aktuelle Lastverteilung durch den Ausfall des Masters nicht zu verlieren, wird diese z.B. bei einem vorab zu bestimmenden Backup-Master gespeichert. Der Backup-Master kann anhand seiner Peer-ID bestimmt werden (z.B. wird die zweitkleinste Peer-ID für den Backup- Master verwendet) .
Dieser Ansatz kann für mehrere Backup-Master analog angewandt werden: Um mehrere Ausfälle von Mastern ausglei¬ chen zu können, kann eine Liste mit einer Vielzahl von Backup-Mastern verwendet werden, wobei ein Master jede Nachricht von einer Ladestation auch an die Backup- Master weiterleitet. Somit kann sichergestellt werden, dass der Zustand beim Master auch bei den Backup-Mastern repliziert ist.
Hierbei ist es eine Option, dass nur die Nachrichten und nicht die komplette Lastverteilungsinformation weiterge¬ leitet wird. Letztere können die Backup-Master anhand der übermittelten Informationen selbst bestimmen. Ein Ausfall des Masters kann durch die erste unbeantwor¬ tete Anfrage einer Ladestation detektiert werden. Daraufhin kontaktiert die anfragende Ladestation den (ers- ten) Backup-Master und sendet an diesen die unbeantwortete Anfrage. Der Backup-Master fordert von dem Master eine sogenannte "Heartbeat "-Nachricht an (also eine In¬ formation, die anzeigt, dass der Master noch aktiv ist und kommunizieren kann) . Falls der Backup-Master die "Heartbeat "-Nachricht des Masters erhält, wird die An¬ frage von der Ladestation nicht bearbeitet, sondern auf den eigentlichen Master verwiesen (dies kann auch geschehen, indem von dem Backup-Master nichts unternommen wird, weil der Backup-Master davon ausgeht, dass der Master die Anfrage der Ladestation beantworten wird) .
Falls auch der Backup-Master den Master nicht erreichen kann (also im Falle einer ausbleibenden "Heartbeat"- Nachricht) , wird angenommen, dass der Master ausgefallen ist und der Backup-Master aktiviert seinen Master-Modus und bearbeitet die Anfrage der Ladestation. Eine weitere
Ladestation, deren Anfrage von dem ursprünglichen Master unbeantwortet bleibt, kontaktiert den neuen Master (vor¬ mals: Backup-Master), der die Anfrage der Ladestation direkt bearbeitet.
Vorzugsweise kann, um den Backup-Master als neuen Master zu initialisieren, an diesen der komplette Zustand für das Lastmanagement (Liste mit Lastverteilungen) übertra¬ gen werden.
Alternativ zur redundanten Speicherung kann, um den Backup-Master als neuen Master zu initialisieren, an diesen der komplette Zustand für das Lastmanagement (Liste mit Lasterverteilungen) übertragen werden oder dieser kann alle anderen Ladestationen kontaktieren und deren Zustand abfragen. (b) Ausfall einer Ladestation
Falls eine Ladestation, die nicht der Master ist, aus¬ fällt, können zwei Situationen unterschieden werden:
(i) Die ausgefallene Ladestation hatte keinen aktiven
Ladevorgang;
(ii) Die ausgefallene Ladestationen war in einem aktiven Ladevorgang.
Im dem ersten Fall (i) hat der Ausfall keine Auswirkungen auf das Lastmanagement und kann somit unbehandelt bleiben .
Im dem zweiten Fall (ii) könnte der Ausfall der Ladesta¬ tion Auswirkungen auf das Lastmanagement haben und somit eine Überwachung von Ladestationen erfordern.
Auch ist es möglich, dass der Ausfall der Ladestation eine Ursache hat, die von einer Überwachung nicht unterscheidbar sind: Beispielsweise kann nicht unterschieden werden, ob nur ein Kommunikationsproblem vorliegt oder ob die Ladestation ausgefallen ist. Wenn nur die Kommunikation zu der Ladestation ausgefallen ist, könnte diese unverändert einen Ladevorgang durchführen. In diesem Fall können die dieser Ladestation zugewiesenen Ressourcen nicht umverteilt werden.
Eine Option besteht darin, keine Überwachung der Ladestationen durchzuführen, insbesondere falls eine Umverteilung der Ressourcen unverändert bleiben soll. Somit kann eine Fehlerbehandlung für den Ausfall einer Ladestation je nach Anwendungsfall auch unterbleiben.
(c) Wiedereintritt eines vormaligen Masters
Falls ein ehemaliger Master nach seinem Ausfall wieder aktiv wird, ist vorzugsweise sicherzustellen, dass keine Konflikte und/oder Inkonsistenzen auftreten. Beispielsweise ist es eine Möglichkeit, anzunehmen, dass ein Ausfall des Masters ein Indiz für weitere Ausfälle ist. So könnte vorgesehen sein, dass der vormalige Mas¬ ter seine Master-Rolle nicht wieder einnimmt. Um dies sicherzustellen, kann die Peer-ID des ehemaligen Masters geändert werden. Beispielsweise kann die Peer-ID um eine Versionsnummer erweitert werden, wobei z.B. die Versionsnummer als Präfix der Peer-ID vorangestellt wird. Die Wahl des Masters basiert weiterhin auf der kleinsten Peer-ID unter Berücksichtigung dieses Präfixes.
Für andere Ladestationen ist der ehemalige Master entweder als inaktiv markiert oder bei erneuter Anfrage ant¬ wortet dieser mit einer Aktualisierung seiner Peer-ID (umfassend die neuen Versionsnummer) . Damit ist für die anfragende Ladestation bestimmbar, dass der ehemalige Master nicht mehr der aktuelle Master ist.
Inkonsistente Peer-Listen
Um den Master eindeutig über alle Ladestation ermitteln zu können, wird die vorstehend genannte Peer-Liste ver¬ wendet. Entsprechend ist diese Peer-Liste konsistent zu halten .
Vorzugsweise kann die Anzahl der Ladestationen (z.B. innerhalb eines Clusters) klein (umfassend z.B. ca. 32 La¬ destationen) sein. Jede Ladestation speichert die Peer- Liste mit den Peer-IDs aller anderen Ladestationen. Die Peer-Liste kann durch die zentrale Komponente paramet- riert werden.
Wenn eine Ladestation nachträglich hinzugefügt wird, wird die Peer-Liste anhand der zentralen Komponente pa- rametriert. Die neue Ladestation erhält die aktualisier¬ te Peer-Liste und kennt alle Ladestationen im Netz, die Ladestationen kennen aber - zunächst - nicht diese neue Ladestation. Vorzugsweise ist eine Synchronisation der Peer-Liste auf den Ladestationen erforderlich. Eine solche Synchronisation kann auf unterschiedliche Arten durchgeführt werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die neue Lade¬ station zunächst nicht als Master in Frage kommt; dies kann z.B. durch aufsteigende Peer-IDs sichergestellt werden, wobei die neue Ladestation die bisher höchste Peer-ID erhält und somit aktuell kaum als Master ausge¬ wählt werden wird.
Zur Synchronisation der Peer-Listen, meldet sich die neue Ladestation (z.B. mittels einer j oin-Nachricht ) be allen anderen Ladestation an. Basierend auf dieser Anmeldung kann die Peer-Liste bei jeder Ladestation aktua lisiert werden; der Empfänger ergänzt seine Peer-Liste um die Peer-ID und die IP-Adresse der neuen Ladestation

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie,
- bei dem mindestens eine Ladestation eine Status- Änderung an ein Ladesystem übermittelt;
- bei dem das Ladesystem eine Lastverteilung bestimmt und an die mindestens eine Ladestation übermittelt;
- bei dem die mindestens eine Ladestation die elektri¬ sche Energie gemäß der übermittelten Lastverteilung bereitstellt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lastverteilung bestimmt wird anhand mindestens einer Nebenbedingung und einer Anzahl der angeschlossenen oder aktiven Ladestationen .
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Nebenbedingung mindestens eine der Vorgaben umfasst:
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität;
- ein Gewichtungsfaktor oder eine Priorisierung;
- ein maximal zulässiger Ladestrom insbesondere pro La¬ devorgang oder pro Basisstation oder pro Elektro- Fahrzeug .
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die maximal zulässige Kapazität mindestens eine der folgenden Möglichkeiten umfasst :
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität der La¬ destation;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Kabels ;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Transformators ;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität einer Ortsnetzstation;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität gemäß Vereinbarung oder Vertrag; - eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines Elektro-Fahrzeugs ;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität einer Energiequelle ;
- eine vorgegebene maximal zulässige Kapazität eines virtuellen Kraftwerks (Virtual Power Plant) (Aggrega¬ tion von einer Vielzahl von Energiequellen) .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ladesystem ein zentrales Ladesystem ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ladesystem von einer Master-Ladestation bereitgestellt wird .
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Master- Ladestation anhand einer Kennung ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem eine Konfiguration oder eine Parametrierung der Ladestation anhand einer zentralen Komponente durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem mindestens eine Backup-Master-Ladestation bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Master- Ladestation jede Status-Änderung an die mindestens eine Backup-Master-Ladestation übermittelt und die mindestens eine Backup-Master-Ladestation die Lastverteilung anhand der Status-Änderungen bestimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die Master-Ladestation die bestimmte Lastverteilung an die mindestens eine Backup-Master-Basisstation übermit telt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem bei einem Ausfall der Master-Ladestation die nächste Backup- Master-Ladestation aktiviert wird.
13 Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem eine reaktivierte ehemalige Master-Ladestation zunächst nicht wieder als Master-Ladestation genutzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ladesystem dezentral von jeder Ladestation bereitgestellt wird, wobei die elektrische Energie von der Lade¬ station eingestellt wird basierend auf Schätzungen, die aufgrund von Informationen oder Nachrichten anderer Ladestationen ermittelt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der bereitgestellten elektrischen Energie mindestens ein Elektro-Fahrzeug geladen wird.
16. Vorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie mit einer Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass
- eine Status-Änderung an ein Ladesystem übermittelbar ist ;
- wobei eine von dem Ladesystem ermittelte Lastvertei¬ lung empfangen oder insbesondere lokal bereitgestellt wird;
- die elektrische Energie gemäß der Lastverteilung be¬ reitstellbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Vorrichtung als eine Ladestation insbesondere zum Laden eines
Elektro-Fahrzeugs ausgeführt ist.
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