WO2014048463A1

WO2014048463A1 - Vorrichtung mit stationären pufferbatterie zum laden elektrischer energiespeicher und verfahren

Info

Publication number: WO2014048463A1
Application number: PCT/EP2012/068966
Authority: WO
Inventors: Dominic BUCHSTALLER; Johannes Reinschke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Laden elektrischer Energiespeicher, insbesondere elektrischer Energiespeicher in Elektrofahrzeugen, mit einer stationären Pufferbatterie, mit einer Modellbildungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein physikalisches Modell der stationären Pufferbatterie bereitzustellen und/oder zu berechnen, mit einer Energieübertragungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zwischen einem elektrischen Versorgungsnetzwerk und/oder der stationären Pufferbatterie und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher zu übertragen, und mit einer Ladesteuerung, welche dazu ausgebildet ist, die Energieübertragungsvorrichtung entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physikalischen Modell der Pufferbatterie basierenden Zielfunktion optimiert zu betreiben. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG MIT STATIONÄREN PUFFERBATTERIE ZUM LADEN ELEKTRISCHER ENERGIESPEICHER UND VERFAHREN

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden elektrischer Energiespeicher und ein entsprechendes Verfah- ren.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Die vorliegende Erfindung wird im folgendem hauptsächlich in Bezug auf eine Ladevorrichtung für Energiespeicher in Elekt- rofahrzeugen beschrieben. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt sondern kann in jedem System eingesetzt werden, welches das Laden von elektrischen Energiespeichern zum Gegenstand hat.

Der Einsatz wiederaufladbarer Batterien nimmt stetig zu. Dabei kommen solche Batterien z.B. in Hybridfahrzeugen oder auch Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterien zum Einsatz. Wiederaufladbare Batterien können aber z.B. auch als Energie- Speicher für regenerative Energien oder als Pufferspeicher in Stromversorgungsnetzwerken eingesetzt werden, um Lastspitzen abzufangen .

Um elektrische Energie in wiederaufladbaren Batterien spei- ehern zu können, müssen diese zuerst geladen werden. Wird den Batterien daraufhin elektrische Energie entnommen, werden diese dabei wieder entladen.

Die Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie wird dabei maßgeblich auch von der Anzahl und der Tiefe bzw. Geschwindigkeit der Lade- und Entladezyklen beeinflusst. Um die Lade- und Entladezyklen möglichst optimal zu gestalten, ist es üblich bestimmte heuristische Parameter für die Lade- und Entladezyklen festzulegen, die Rahmenbedingungen für die einzelnen Lade- und Entladezyklen vorgeben.

Dabei können z.B. maximale oder minimale Lade- bzw. Entlade- ströme bzw. bestimmte Ladezustände, auch SOC oder State of Charge genannt, vorgegeben werden. Die Vorgabe fester Parameter für das Laden bzw. Entladen von

Batterien verhindert eine dynamische Anpassung des Lade- bzw.

Entladevorgangs an unterschiedliche Anwendungsfälle bzw. unterschiedliche Zielvorgaben. Ferner sind Systeme bekannt, die das Laden- bzw. Entladen von Batterien im Zusammenhang mit größeren elektrischen Installationen in Gebäuden oder z.B. Kraftwerken für regenerative Energien durchführen bzw. steuern. Ein solches System ist z.B. in der US 8,019,445 B2 offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, ei- ne Möglichkeit zum flexiblen Laden elektrischer Energiespeicher bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Vorrichtung zum Laden elektrischer Energiespeicher, insbesondere elektrischer Energiespeicher in Elektrofahr- zeugen, mit einer stationären Pufferbatterie, mit einer

Modellbildungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein physikalisches Modell der stationären Pufferbatterie bereitzustellen und/oder zu berechnen, mit einer Energie- Übertragungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zwischen einem elektrischen Versorgungsnetzwerk und/oder der stationären Pufferbatterie und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher zu übertragen, und mit einer Ladesteuerung, welche dazu ausgebildet ist, die Energieübertragungsvorrichtung entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physikalischen Modell der Pufferbatterie basierenden Zielfunktion optimiert zu betreiben.

Ein Verfahren zum Laden elektrischer Energiespeicher, insbesondere elektrischer Energiespeicher in Elektrofahr zeugen, mit den Schritten Berechnen eines physikalischen Modells einer stationären Pufferbatterie, Optimieren einer Strategie zum Übertragen der elektrischen Energie entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physikalischen Modell der Pufferbatterie basierenden Zielfunktion, und Übertragen elektrischer Energie zwischen einem elektrischen Versorgungsnetzwerk und/oder einer stationären Puf ferbatterie und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher gemäß der optimierten Strategie.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es in üblichen Systemen oder Verfahren zum laden elektrischer Energiespeicher schwer ist, das Ladenbzw. Entladen der jeweiligen Energiespeicher flexibel an unterschiedliche Bedingungen anzupassen.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee be- steht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Vorrichtung vorzusehen, die eine Möglichkeit bietet, das Laden bzw. Entladen elektrischer Energiespeicher basierend auf einer sog. Zielfunktion zu optimieren. Dazu sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Laden elektrische Energiespeicher vor, wobei die Vorrichtung eine Pufferbatterie und Energieübertragungsvorrichtung aufweist . Erfindungsgemäß wird die Energieübertragungsvorrichtung von einer Ladesteuerung gesteuert, die die Ansteuerung der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer vorgegebenen Zielfunktion realisiert. Ein grundlegender Bestandteil der Zielfunktion ist dabei ein Modell der stationären Pufferbatterie .

Unter einer Zielfunktion ist hier eine mathematische Funktion zu verstehen, die für gegebene Randbedingungen beim Ladenbzw. Entladen eines elektrischen Energiespeichers die „Kosten" für eine bestimmte Lade- bzw. Entladestrategie angibt. Dabei gehen in die Zielfunktion unterschiedliche Überlegungen, z.B. über die physikalischen Eigenschaften der Puffer- batterie oder der Energieübertragungsvorrichtung ein.

Unter dem Begriff „Kosten" ist in diesem Zusammenhang nicht der klassische Begriff der finanziellen Kosten zu verstehen. Unter den durch die Zielfunktion angegebenen Kosten ist viel- mehr eine virtuelle Einheit zu verstehen, die sozusagen eine nachteilige Wirkung innerhalb der Vorrichtung quantifiziert.

Je nach Ausgestaltung der Zielfunktion kann dabei ein höherer Kosten-Wert eine größere nachteilige Wirkung oder eine gerin- gere nachteilige Wirkung quantifizieren.

Die Verwendung eines Modells der stationären Pufferbatterie erlaubt es dabei insbesondere die optimale Ladestrategie nicht nur unter Berücksichtigung der jeweiligen elektrischen Energiespeicher z.B. von Elektrofahrzeugen zu bestimmen.

Vielmehr wird es durch die vorliegende Erfindung möglich, die gesamte Vorrichtung in die Auswahl einer optimalen Ladestrategie mit einzubeziehen . Insbesondere die stationäre Pufferbatterie hat bei der Auswahl der optimalen Ladestrategie ei- nen großen Einfluss, da diese ebenso wie die elektrischen

Energiespeicher von Elektrofahrzeugen eine Alterung bzw. Degradation erfährt, die von einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen abhängig ist. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Datenerfassungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist physikalische Daten innerhalb der Vorrichtung in Echtzeit zu erfassen. Dabei können die physikalischen Daten Ströme und Span- nungen an beliebigen Knotenpunkten in der Vorrichtung sein. Die physikalischen Daten können aber auch Temperaturdaten, Daten über das zu erwartende Wetter, statistische Verbrauchsdaten, statistische Daten über das Kundenverhalten oder dergleichen sein.

Werden solche Daten in der Vorrichtung in Echtzeit erfasst, wird es möglich das Laden der elektrischen Energiespeicher sehr genau zu steuern. Ferner kann dadurch die optimale Ladestrategie besser bestimmt werden, da z.B. die aktuelle Belas- tung der stationären Pufferbatterie sehr exakt bestimmt werden kann .

In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Da- tenprädiktionseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist phy- sikalische Daten innerhalb der Vorrichtung vorherzusagen. Können z.B. zukünftig erwartete Erträge aus regenerativen Energieerzeugern, z.B. Wind oder Solaranlagen, welche in der Vorrichtung vorhanden sein können, oder das Verhalten von Kunden vorher bestimmt werden, kann bereits im Voraus eine optimale Ladestrategie bestimmt werden. Beispielsweise kann ein vorhergesagtes sonniges Wetter bedeuten, dass mehr Kunden ihr Fahrzeug z.B. für einen Ausflug, aufladen werden. Wird dies im Voraus erkannt, kann z.B. die stationäre Pufferbatterie auf Ihren maximalen Ladezustand aufgeladen werden, um die erwartete hohe Nachfrage Puffern zu können.

In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Modell - anpassungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, das phy- sikalische Modell der stationären Pufferbatterie während dem Betrieb der Vorrichtung an das reale Verhalten der stationären Pufferbatterie anzupassen. Ein Modell der stationären Pufferbatterie bildet einen angenommenen Zustand der Puffer- batterie, z.B. in einem neuwertigen Zustand, ab. Die Eigenschaften der stationären Pufferbatterie sind aber nicht über die gesamte Lebensdauer der stationären Pufferbatterie konstant. Daher verschlechtert sich ohne eine Anpassung des Modells der stationären Pufferbatterie an die sich veränderten Eigenschaften der realen stationäre Pufferbatterie die Qualität der mittels der Zielfunktion optimierten Energieübertragung von der erfindungsgemäßen Vorrichtung an die elektrischen Energiespeicher. Wird das physikalische Modell der stationären Pufferbatterie kontinuierlich an das reale Verhalten der stationären Pufferbatterie angepasst wird dadurch eine weitere Verbesserung des Ladevorgangs hinsichtlich der vorgegebenen Zielfunktion erreicht.

In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Opti- mierungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, für den Betrieb der Energieübertragungsvorrichtung die Zielfunktion zu maximieren oder zu minimieren. Je nach Anwendungsfall kann es von Interesse sein, ein Maximum oder ein Minimum der Ziel- funktion zu bestimmen. Dies ermöglicht es, die vorliegende Erfindung an unterschiedliche Aufgabenstellungen und Rahmenbedingungen anzupassen.

In einer Ausführungsform ist die Optimierungseinrichtung dazu ausgebildet, die Zielfunktion basierend auf mindestens einer Randbedingung zu maximieren oder zu minimieren. Werden neben der Zielfunktion Randbedingung definiert, wird eine sehr feine Einstellung bzw. Definition der Ziele der Ladestrategie möglich. Der Ladevorgang kann dadurch besser an die Wünsche bzw. Vorgaben des Nutzers der erfindungsgemäßen Vorrichtung angepasst werden.

In einer Ausführungsform kennzeichnet die mindestens eine vorgegebene Randbedingung die Effizienz der Vorrichtung und/oder die Energieabgabe der Vorrichtung an die elektrischen Energiespeicher und/oder die Lebensdauer der stationären Pufferbatterie und/oder die Energieaufnahme der Vorrichtung aus dem öffentlichen Versorgungsnetzwerk und/oder der Ladezustand der stationären Pufferbatterie. Weitere für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung relevante Randbedingungen sind ebenfalls möglich.

In einer Ausführungsform ist die Optimierungseinrichtung als eine programmgesteuerte Einrichtung ausgebildet, welche einen Lösungsalgorithmus zur Lösung von Optimierungsproblemen ausführt. Dies ermöglicht es, eine optimale Ladestrategie sehr einfach mit bekannten mathematischen Mitteln zu bestimmen. In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Kommunikationsschnittstelle auf. Ferner ist die Datenprädiktion- seinrichtung dazu ausgebildet, die physikalischen Daten über die Kommunikationsschnittstelle abzurufen. Dies ermöglicht es, z.B. Wetterdaten über ein Datennetzwerk, z.B. das Inter- net, von einem Server abzurufen. Dadurch kann die Vorrichtung auf eine Vielzahl unterschiedlicher Datenquellen zugreifen und so den Ladevorgang besser optimieren.

In einer Ausführungsform weist die Ladesteuerung eine Benut- zerschnittsteile auf, wobei Parameter der Ladesteuerung über die Benutzerschnittstelle veränderbar sind. Dies ermöglicht es einem Betreiber oder Benutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für den Betrieb der Vorrichtung notwendigen Einstellung auf sehr einfache Art vorzunehmen.

In einer Ausführungsform weist die Energieübertragungsvorrichtung eine Spannungswandelvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische WechselSpannung des elektrischen Versorgungsnetzes in eine elektrische Gleichspannung der sta- tionären Pufferbatterie oder eine elektrische Gleichspannung mindestens eines der elektrischen Energiespeicher zu wandeln. Zusätzlich oder alternativ ist die Spannungswandelvorrichtung dazu ausgebildet, eine elektrische Gleichspannung der statio- nären Pufferbatterie in eine elektrische Gleichspannung mindestens eines der elektrischen Energiespeicher zu wandeln. Dadurch wird es möglich, elektrische Energie zwischen den un terschiedlichen Energiespeichern, Energiequellen und Energie Verbrauchern in dem System effizient zu transferieren.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierun gen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer er findungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird unter einem elektrischen Energiespeicher ein Speicher verstanden, der elektrische Energie dauerhaft z.B. auf Basis elektrochemischer Vor- gänge speichert. Der elektrische Energiespeicher muss dabei lediglich dazu geeignet sein, elektrische Energie zu speichern. Dabei kann es sich also z.B. auch um einen Speicher handeln, der elektrische in mechanische Energie wandelt und umgekehrt. Beispielsweise kann der elektrische Energiespei- eher ein Speicher sein, der Schwungräder bzw. Schwungmassen zum Speichern der elektrischen Energie in Form von kinetischer Energie aufweist.

Unter einem Elektrofahrzeug ist im Rahmen dieser Anmeldung jedes Fahrzeug zu verstehen, dass einen Elektromotor aufweist, der zumindest teilweise zur Fortbewegung des Fahrzeugs beiträgt. Ein entsprechendes Elektrofahrzeug kann z.B. ein Elektroauto, ein (Plug-in) Hybridfahrzeug oder dergleichen sein .

Die stationäre Pufferbatterie der vorliegenden Patentanmeldung ist eine Batterie, die ortsfest in der Vorrichtung installiert ist und nicht der Fortbewegung eines Fahrzeugs sondern dem Abfangen von Leistungsspitzen in der Vorrichtung dient. Wird beispielsweise von einem Elektrofahrzeug eine Ladeleistung von 100kW angefordert und ist die Vorrichtung nur über eine 50kW Leitung mit dem öffentlichen Versorgungsnetzwerk gekoppelt, muss die fehlende Leistung von 50kW durch die stationäre Pufferbatterie bereitgestellt werden.

Die Modellbildungseinrichtung gemäß der vorliegenden Patentanmeldung ist eine Einrichtung, die dazu in der Lage ist, ein physikalisches Modell der Pufferbatterie bereitzustellen und zu berechnen. Bereitstellen und Berechnen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Modellbildungseinrichtung charakteristische Kenngrößen der Pufferbatterie für unterschiedliche Ausgangs- und Rahmenbedingungen berechnen und bereitstellen kann . Das physikalische Modell der stationären Pufferbatterie ist eine mathematische Beschreibung der Pufferbatterie, die von einer erfindungsgemäßen Modellbildungseinrichtung genutzt werden kann, um das Verhalten der stationären Pufferbatterie vorherzusagen bzw. zu berechnen.

Die Energieübertragungsvorrichtung der vorliegenden Patentanmeldung ist eine Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, elektrische Spannungen bzw. Ströme gleichzurichten bzw. wechselzurichten und von dem elektrischen Versorgungsnetzwerk an die stationäre Pufferbatterie oder die elektrischen Energiespeicher bzw. von der stationären Pufferbatterie an die elektrischen Energiespeicher zu übertragen. In einer Ausfüh- rungsform ist die Energieübertragungsvorrichtung ferner dazu ausgebildet elektrische Gleichspannungen bzw. Gleichströme von der stationären Pufferbatterie oder den elektrischen Energiespeichern wechselzurichten und in das elektrische Versorgungsnetzwerk einzuspeisen.

Die Ladesteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine Steuereinrichtung dar, die die Energieübertragungsvorrichtung gemäß vorgegebener Kriterien steuert. Dabei werden die Kriterien in Form einer Zielfunktion und z.B. entsprechender Randbedingungen formuliert. Die Zielfunktion basiert dabei auf dem physikalischen Modell der stationären Batterie, da diese maßgeblich den Betrieb der Vorrichtung beeinflusst.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laden elektrischer Energiespeicher 2 z.B. von Elektrofahrzeugen 3. Die Vorrichtung 1 in Fig. 1 weist eine stationäre Pufferbatterie 4 auf, die mit einer Energieübertragungsvorrichtung 5 gekoppelt ist. Die Energieübertragungsvorrichtung 5 ist ferner mit einem elektrischen Versorgungsnetzwerk 6 und mit ei- nem elektrischer Energiespeicher 2 in einem Elektrofahrzeug 3 gekoppelt .

Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Ladesteuerung 7 auf, die die Energieübertragungsvorrichtung 5 steuert und mit einer Modellbildungseinrichtung 12 gekoppelt ist, die ein physikalisches Modell 13 der stationären Pufferbatterie 4 für die Ladesteuerung 7 berechnet und bereitstellt. Die Energieübertragungsvorrichtung 5 in Fig. 1 ist erfindungsgemäß dazu in der Lage elektrische Energie zwischen dem elektrischen Versorgungsnetzwerk 6, der stationären Pufferbatterie 4 und dem elektrischen Energiespeicher 2 zu übertragen. Dabei wird die Übertragung der elektrischen Energie durch die Ladesteuerung 7 gesteuert.

Die stationäre Pufferbatterie 4 ist in einer Ausführungsform als elektrochemische Pufferbatterie 4 ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist die stationäre Pufferbatterie als mechanische Pufferbatterie 4, z.B. mit Schwungmassen, oder dergleichen ausgeführt .

Die Ladesteuerung 7 ist in einer Ausführungsform als Steuercomputer ausgebildet, der mit der Energieübertragungsvorrich- tung 5 über eine digitale Schnittstelle gekoppelt ist und der Energieübertragungsvorrichtung 5 über diese digitale Schnittstelle befehle übermittelt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Ladesteuerung 7 als Bestandteil der Energieübertragungsvorrichtung 5 ausgeführt. In noch weiteren Ausführungs- formen sind die Ladesteuerung 7 und die Modellbildungseinrichtung 12 in einer Recheneinrichtung angeordnet, die sowohl das physikalische Modell 13 als auch die Steuer- bzw. Regelalgorithmen für die Energieübertragungsvorrichtung 5 berechnet .

In Fig. 1 ist lediglich ein Elektrofahrzeug 3 mit einem elektrischen Energiespeicher 2 dargestellt. In weiteren Aus- führungsformen sind aber auch weitere Elektrofahrzeuge 3 mit jeweils einem elektrischen Energiespeicher 2 möglich.

Das elektrische Versorgungsnetzwerk 6 in Fig. 1 ist als Wolke 6 dargestellt. Diese Darstellung soll verdeutlichen, dass das elektrische Versorgungsnetzwerk 6 jede mögliche Art der Energieversorgung einschließt. Das elektrische Versorgungsnetzwerk 6 kann z.B. das öffentliche Stromversorgungsnetzwerk 6 eines Stromanbieters sein. Das elektrische Versorgungsnetz - werk 6 kann aber auch Erzeuger für regenerative Energien aufweisen, wir z.B. Solarzellen oder Windräder.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem ersten Schritt Sl des erfindungsgemäßen Verfahrens- wird ein physikalisches Modell 13 der stationären Pufferbatterie 4 berechnet . Anschließend sieht ein zweiter Schritt S2 das Optimieren S2 einer Strategie zum Übertragen der elektrischen Energie entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physikalischen Modell 13 der Pufferbatterie 4 basierenden Zielfunktion 8 vor. Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 elektrische Energie zwischen einem elektrischen Versorgungsnetzwerk 6 und/oder einer stationären Pufferbatterie 4 und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher 2 gemäß der optimierten Strategie übertragen.

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass physikalische Daten 10 innerhalb der Vorrichtung in Echtzeit er- fasst werden. In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass für die Energieübertragung relevante physikalische Daten 10 vorhergesagt werden. Dies kann auch das Abrufen der physikali- sehen Daten von einem Server, z.B. einem Wetterdatenserver, einschließen .

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass die Ladesteuerung 7 eine Modellanpassungseinrichtung 14 aufweist, die dazu ausgebildet ist, das physikalische Modell 13 der stationären Pufferbatterie 4 während dem Betrieb der Vorrichtung an das reale Verhalten der stationären Pufferbatterie 4 anzupassen .

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass beim Optimieren die Zielfunktion 8 maximiert oder minimiert wird.

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass die Zielfunktion 8 basierend auf mindestens einer Randbedingung 16 maximiert oder minimiert wird.

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass die mindestens eine vorgegebene Randbedingung 16 die Effizienz der Vorrichtung 1 und/oder die Energieabgabe der Vorrichtung 1 an die elektrischen Energiespeicher 2 und/oder die Lebensdauer der stationären Pufferbatterie 4 kennzeichnet.

In einer Ausführungsform sieht das Verfahren vor, dass zum Optimieren ein Lösungsalgorithmus zur Lösung von Optimierungsproblemen ausgeführt wird.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.

In Fig. 3 weist die Ladesteuerung 7 einen oder mehrere Prozessoren 20 auf, die mit einem RAM-Speicher 21 gekoppelt sind und das in dem RAM-Speicher 21 angeordnete Echtzeitbetriebssystem 25 ausführen. Ferner ist in der Ladesteuerung 7 ein Flash-Speicher 22 als nichtflüchtiger Speicher vorgesehen.

Der Flash-Speicher 22 kann in weiteren Ausführungsformen auch ein Festplattenspeicher 22, eine EPROM 22, ein USB-Speicher 22 oder dergleichen sein. Das Echtzeitbetriebssystem 25 ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt und weist eine Vielzahl von Komponenten auf. Das Betriebssystem 25 ist mit einer Benutzerschnittstelle 23 gekop- pelt, über die ein Benutzer die Zielfunktion 8 und die Randbedingungen 16 eingeben kann. Ferner kann ein Benutzer über die Benutzerschnittstelle 23 ein anfängliches physikalisches Modell 13 für die Pufferbatterie 4 wählen. Das Echtzeitbetriebssystem 25 ist ferner mit einer Kommunikationsschnittstelle 24 gekoppelt, über welche das Echtzeitbetriebssystem 25 eine Ladestrategie 30 an die Energieübertragungsvorrichtung 5 übermitteln kann, welche mit der stationären Pufferbatterie 4 gekoppelt ist und diese daraufhin lädt. Über die Kommunikationsschnittstelle 24 fragt das Echtzeitbetriebssystem 25 ferner die physikalischen Daten 10 ab. Dabei kann es sich bei den physikalischen Daten 10 um Echtzeitdaten, statistische Daten oder dergleichen handeln. Beispielsweise können die physikalischen Daten 10 angeben, welche Spannungen oder Ströme momentan an unterschiedlichen Punkten der Vorrichtung 1 anliegen. Die physikalischen Daten 10 können aber auch angeben, welche Temperaturen herrschen oder welche Absatzmenge an elektrischer Energie für einen vorgegebenen Zeitraum erwartet wird.

Zur Berechnung der Ladestrategie 30 ist weist das Echtzeitbetriebssystem 25 in Fig. 3 die Datenprädiktionseinrichtung 11 auf, die mit einer Datenbank 26 gekoppelt ist. Mittels der Daten der Datenbank 26, die auch die Daten der Datenprädiktionseinrichtung 11 aufweist, wird das physikalische Modell 13 der stationären Pufferbatterie 4 aktualisiert und an das reale Verhalten der Pufferbatterie 4 angepasst. Aus dem ange- passten physikalische Modell 13, der Zielfunktion 8, Daten der Datenbank 26 und den Randbedingungen 16 berechnet eine

Optimierungseinrichtung 15 die Ladestrategie 30 und gibt diese über die Kommunikationsschnittstelle 24 aus. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Datenbank 26 und die Datenprädiktionseinrichtung 11 als Bestandteile des Echtzeitbetriebssystems 25 ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform können die Datenbank 26 und die Datenprädik- tionseinrichtung 11 extern zu dem Betriebssystem 25 angeordnet sein. Dabei können die Datenbank 26 und die Datenprädiktionseinrichtung 11 als Programmmodule oder als Hardware ausgebildet sein. Im Folgenden werden das Laden von elektrischen Energiespeichern 2 in Elektrofahrzeugen 3 mit einer Elektrofahrzeugtank- stelle erläutert.

Dabei weist die Elektrotankstelle sechs Ladesäulen auf, von denen zwei jeweils bis zu 100kW und vier jeweils bis zu 50kW elektrischer Leistung bereitstellen können. Die Elektrotankstelle ist dabei über einen 200kW Anschluss mit dem elektrischen Versorgungsnetzwerk 6 gekoppelt. Der 200kW Anschluss wurde gewählt, da bekannt ist, dass die durchschnittliche La- deleistung 150kW beträgt und ein 50kW Sicherheitsabstand gewählt wurde.

In einer solchen Anordnung berechnet die Ladesteuerung 7 die Steuerbefehle für die Energieübertragungsvorrichtung 5 in ge- wissen zeitlichen Abständen, z.B. 1, 2, 5, 10, 15, 20 oder 25 Sekunden. Im Folgenden bezieht sich „k" auf einen aktuellen Berechnungsschritt und z.B. „k+1" auf den darauf folgenden Berechnungsschritt . In einer solchen Ausführungsform kann die Zielfunktion 8 z.B. wie folgt definiert sein:

Dabei stellt der Term 1 den durch den Verkauf elektrischer Leistung erzielten Ertrag dar, der an den zwei 100kW Ladesäu- len erzielt wird. Der Term 2 stellt denjenigen Ertrag dar, der durch die an den vier 50kW Ladesäulen abgegeben Leistung erzielt wird. Der Term 3 stellt die Kosten für die vom elektrischen Versorgungsnetzwerk 6 eingekaufte Energiemenge dar. Basieren auf dem physikalische Modell der Batterie 13, stellt der Term 4 die Kosten, die durch die Nutzung der stationären Pufferbatterie 4 entstehen, dar, welche in dieser Ausführungsform als Funktion des Ladezustands SOC_B der Batterie und der in die Batterie hinein oder aus der Batterie herausflie- Senden Energiemenge E_B ausgebildet ist. Schließlich stellt der Term 5 die Kosten dar, die verursacht werden, wenn ein Kunde auf eine freie Ladesäule warten muss und eventuell in Zukunft diese Tankstelle meidet. In einer weiteren Ausführungsform gehen die Verluste innerhalb der Vorrichtung 1 ebenfalls in die Zielfunktion 8 mit ein. Beispielsweise können in einer Ausführungsform Verluste von 10% beim Laden und von 10% beim Entladen der Pufferbatterie 4 auftreten.

Mit „E" wird in der oben dargestellten Gleichung eine Energiemenge bezeichnet und mit Q die jeweiligen Kosten bzw. Gewinne bezeichnet . In weiteren Ausführungsformen kann z.B. das physikalische Modell 13 auch von weiteren Parametern, wie z.B. der Umgebungstemperatur, der Batterietemperatur oder dergleichen abhängen.

Zu der oben angegebenen Zielfunktion 8 können die folgenden Randbedingungen definiert werden:

RB1 bedeutet, dass die Energiemenge, die den Kunden bereitgestellt wird, gleich der Energiemenge sein muss, die durch die stationäre Pufferbatterie 4 und das elektrische Versorgungsnetzwerk 6 bereitgestellt wird. RB2 stellt dar, dass der Ladezustand, SOC, der stationären

Pufferbatterie 4 in Abhängigkeit von der entnommen bzw. zugeführten Energiemenge variiert.

RB3 bedeutet, dass der SOC der stationären Pufferbatterie 4 durch deren Kapazität begrenz ist. In diesem Fall 50kW.

RB4 bedeutet für Zeitschritt „k" von 5 Sekunden, dass aus dem elektrischen Versorgungsnetzwerk 6 nicht mehr als die von dem Netz bereitgestellten 200kW entnommen werden können: 200kW * 5s = 0.28kWh. RB5 gibt an, dass die einzelnen Ladestationen eine Leistung von 100kW bzw. 50kW nicht überschreiten dürfen: 100kW * 5s = 0,14kWh, 50kW * 5s = 0,07kWh. RB6 gibt an, dass ein Kunde entweder mit Energie versorgt wird oder warten muss.

Schließlich gibt RB7 an, dass Fahrzeuge nur kontinuierlich geladen werden können, also ein Ladevorgang nicht unterbro- chen wird.

Erfindungsgemäß wird das oben beschriebene Optimierungsproblem der Optimierungseinrichtung 15 zugeführt, die für die Zielfunktion 8 unter den gegebenen Randbedingungen RB1 - RB7 ein Maximum bestimmt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 im Sinne einer Tankstelle/Ladestelle für Elektrofahrzeuge .

In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 weist die Ladesteuerung 7 eine Kommunikationsschnittstelle 24 auf. Die Funktion der Ladesteuerung 7 wird in Fig. 4 nicht näher beschrieben. Für weitere Erklärungen zu der Funktion der Ladesteuerung 7 wird an dieser Stelle auf die Ausführungen unter Fig. 3 verwiesen.

Über die Kommunikationsschnittstelle 24 erhält die Ladesteuerung 7 die Zielfunktion 8, die Randbedingungen 16 und die physikalischen Daten 10, die insbesondere auch statistische Daten 10 über den Verbrauch elektrischer Energie und ein Benutzerverhalten aufweisen können.

Über ein Kommunikationsnetzwerk 27 ist die Ladesteuerung 7 mit der Energieübertragungsvorrichtung 5 und der stationären Pufferbatterie 4 gekoppelt. Dabei ist die Energieübertragungsvorrichtung 5 in Fig. 4 nicht als eine einzelne Komponente 5 dargestellt. Vielmehr besteht die Energieübertra- gungsvorrichtung 5 in Fig. 4 aus einer Vielzahl von Komponenten 5-1 - 5-4. Die Komponenten 5-1, 5-3 und 5-4 sind dabei als netzwerkfähige DC/DC-Wandler ausgebildet und die Komponente 5-2 ist als netzwerkfähiger AC/DC-Wandler ausgebildet. Netzwerkfähig bedeutet dabei, dass die Wandler 5-1 - 5-4 über das Kommunikationsnetzwerk 27 angesteuert werden können bzw. über dieses Steuerbefehle empfangen können.

In Fig. 4 ist ferner ein Energienetz 28 dargestellt, welches ein elektrisches Versorgungsnetz 6 mit dem AC/DC-Wandler 5-2 koppelt. Ferner koppelt das Energienetz 28 den AC/DC-Wandler 5-2 mit den DC/DC-Wandlern 5-1, 5-3 und 5-4.

Der DC/DC-Wandler 5-1 ist ferner mit der stationären Puffer- batterie 4 gekoppelt. Schließlich sind die DC/DC-Wandler 5-3 und 5-4 jeweils mit einer Ladestation 29 gekoppelt, die wiederum jeweils mit einem Elektrofahrzeug 3 gekoppelt sind.

Die DC/DC-Wandler 5-3 und 5-4 sind jeweils mit einer der La- destationen 29 und einem Elektrofahrzeug 3 in einem gestrichelt dargestellten Quadrat zusammengefasst und Stellen jeweils eine Ladesäule der Vorrichtung für jeweils ein Fahrzeug dar . Zwischen den zwei Ladesäulen sind mit drei Punkten eine beliebige Anzahl weiterer Ladesäulen angedeutet.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Laden elektrischer Energiespeicher (2), insbesondere elektrischer Energiespeicher (2) in Elektrofahr- zeugen (3) , mit einer stationären Pufferbatterie (4); mit einer Modellbildungseinrichtung (12), die dazu ausgebil- det ist, ein physikalisches Modell (13) der stationären Pufferbatterie (4) bereitzustellen und/oder zu berechnen; mit einer Energieübertragungsvorrichtung (5) , welche dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zwischen einem elektri- sehen Versorgungsnetzwerk (6) und/oder der stationären Pufferbatterie (4) und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher (2) zu übertragen; und mit einer Ladesteuerung (7) , welche dazu ausgebildet ist, die Energieübertragungsvorrichtung (5) entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physikalischen Modell (13) der Pufferbatterie (4) basierenden Zielfunktion (8) optimiert zu betreiben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ladesteuerung (7) eine Datenerfassungseinrichtung

(9) aufweist, die dazu ausgebildet ist physikalische Daten

(10) innerhalb der Vorrichtung in Echtzeit zu erfassen.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ladesteuerung (7) eine Datenprädiktionseinrichtung

(11) aufweist, die dazu ausgebildet ist physikalische Daten (10) innerhalb der Vorrichtung vorherzusagen.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Ladesteuerung (7) eine Modellanpassungseinrichtung (14) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das physikalische Modell (13) der stationären Pufferbatterie (4) während dem Betrieb der Vorrichtung an das reale Verhalten der stationä- ren Pufferbatterie (4) anzupassen.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ladesteuerung (7) eine Optimierungseinrichtung (15) aufweist, die dazu ausgebildet ist, für den Betrieb der Energieübertragungsvorrichtung (5) die Zielfunktion (8) zu maxi- mieren oder zu minimieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Optimierungseinrichtung (15) dazu ausgebildet ist, die Zielfunktion (8) basierend auf mindestens einer Randbedingung (16) zu maximieren oder zu minimieren, wobei die mindestens eine vorgegebene Randbedingung (16) die Effizienz der Vorrichtung und/oder die Energieabgabe der Vorrichtung an die elektrischen Energiespeicher (2) und/oder die Lebensdauer der stationären Pufferbatterie (4) kennzeichnet.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,

dass die Optimierungseinrichtung (15) als eine programmgesteuerte Einrichtung ausgebildet ist, welche einen Lösungsalgorithmus zur Lösung von Optimierungsproblemen ausführt.

8. Verfahren zum Laden elektrischer Energiespeicher (2), insbesondere elektrischer Energiespeicher (2) in Elektrofahrzeugen (3), mit den Schritten:

Berechnen (Sl) eines physikalischen Modells (13) der statio- nären Pufferbatterie (4); und

Optimieren (S2) einer Strategie zum Übertragen der elektrischen Energie entsprechend einer vorgegebenen, auf dem physi- kaiischen Modell (13) der Pufferbatterie (4) basierenden Zielfunktion (8) ;

Übertragen (S3) elektrischer Energie zwischen einem elektri- sehen Versorgungsnetzwerk (6) und/oder einer stationären Pufferbatterie (4) und/oder mindestens einem der elektrischen Energiespeicher (2) gemäß der optimierten Strategie.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass physikalische Daten (10) innerhalb der Vorrichtung in Echtzeit erfasst werden.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet,

dass für das Übertragen (S3) relevante physikalische Daten (10) innerhalb der Vorrichtung vorhergesagt werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

dass die Ladesteuerung (7) eine Modellanpassungseinrichtung (14) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das physikalische Modell (13) der stationären Pufferbatterie (4) während dem Betrieb der Vorrichtung an das reale Verhalten der stationä- ren Pufferbatterie (4) anzupassen.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

dass beim Optimieren die Zielfunktion (8) maximiert oder mi- nimiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Zielfunktion (8) basierend auf mindestens einer Randbedingung (16) maximiert oder minimiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine vorgegebene Randbedingung (16) die Effizienz der Vorrichtung und/oder die Energieabgabe der Vorrichtung an die elektrischen Energiespeicher (2) und/oder die Lebensdauer der stationären Pufferbatterie (4) kennzeichnet.

15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

dass zum Optimieren ein Lösungsalgorithmus zur Lösung von Optimierungsproblemen ausgeführt wird.