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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zur Ladung eines elektrischen Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Als Folge einer Verknappung des Rohstoffes Erdöl und der bei der Verbrennung daraus gewonnener Kraftstoffe in Fahrzeugmotoren erzeugten Schadstoffemissionen wird in naher Zukunft eine massive Einführung von Elektrofahrzeugen prognostiziert. Dies erfordert eine Anpassung der Verkehrs- und Energie-Infrastruktur, da die Reichweite von Elektrofahrzeugen beim aktuellen technologischen Stand von Energiespeichern wesentlich geringer ist, als bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen. Dies erfordert ein engmaschiges Netz von Ladestationen, an welchen Führer von Elektrofahrzeugen Energiespeicher aufladen können.
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Aus der DE-Produktschrift „Elektroladesystem Sitraffic Epos: Die intelligente Lösung fürs Stromladen”, herausgegeben 2010 von der Siemens AG, Bestell-Nr. E10003-A800-A112-V1, ist eine Stromladestation mit einer Ladesäule als Zentraleinheit und wahlweise mehreren zugehörigen Ladesatelliten bekannt. Die Ladesäule umfasst die Bedienelemente, die elektronischen Komponenten zur Steuerung optionaler Satelliten und bis zu vier Ladeabgänge zum Aufladen von elektrischen Fahrzeugen. Die elektrischen Leistungskomponenten, wie Schütze, Schutzschalter und dergleichen, der Ladestation sind zentral in der Ladesäule oder einem separaten straßenseitigen Gehäuse angeordnet. Diese Anordnung kostet zusätzlichen Bauraum und Material und erfordert gegebenenfalls auch zusätzliche Schachtarbeiten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ladesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches ein modulares Satellitenkonzept mit geringem Material- und Arbeitsaufwand verwirklicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes Ladesystem mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen. Demnach weist eine der Ladestationen einen Zentralrechner auf, der zur nutzerseitigen Bedienung der Ladestationen sowie zur automatisierten Steuerung von Ladevorgängen an den Ladestationen ausgebildet ist, und mit den anderen Ladestationen über die Versorgungsleitung in Kommunikationsverbindung steht. Durch den zunehmenden Bedarf an Lademöglichkeiten werden vereinzelte Ladestationen künftig Ladesystemen weichen, die eine Mehrzahl an räumlich einander zugeordneten Ladestationen aufweisen. Die räumliche Zuordnung kann durch die Anordnung von Fahrzeugstellplätzen in Parkhäusern, an Einkaufszentren, auf Firmengeländen, in Flottenzentralen oder im öffentlichen Straßenraum entstehen. Die Ladestationen des Ladesystems weisen Anschlüsse für fest installierte und/oder für mobile, vom Nutzer mitzuführende Ladekabel auf. Durch den modularen Aufbau kann die Ladestation mit dem Zentralrechner allein stehen und bei Bedarf beliebig um andere, als Satelliten ausgebildete Ladestationen erweitert werden, die über die Energieversorglungsleitung in Form einer sogenannten Power-Line-Communication in Kommunikationsverbindung mit dem Zentralrechner stehen, wodurch gesonderte Kommunikationsleitungen eingespart werden. Mit Vorteil können Ladesysteme, die entlang eines Straßenzuges errichtet werden sollen, der bereits durch eine im Erdreich verlaufende Versorgungsleitung erschlossen ist, mit sehr begrenzten Aufschachtungsarbeiten installiert werden. Es muss lediglich punktuell an den Standorten der Ladesäulen aufgeschachtet werden, um die Versorgungsleitung auftrennen und ein Steuer- und Schaltmodul zwischenschalten zu können. Die Steuer- und Schaltmodule der Ladesäulen sind über die als Kommunikationsleitung verwendete Versorgungsleitung mit dem Zentralrechner verbunden, der zum Beispiel sicherstellt, dass bei parallel laufenden Ladevorgängen die maximal zulässige elektrische Gesamtleistung nicht überschritten wird, indem die einzelnen Einspeisevorgänge ausgeregelt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems ist die Kommunikationsverbindung durch einen nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Datenbus gebildet, bei welchem die den Zentralrechner aufweisende Ladestation als Bus-Master und die anderen Ladestationen als Bus-Slave ausgebildet sind. Diese Art von Datenbus unterstützt die zentrale Steuerungsrolle der Ladestation mit dem Zentralrechner, über die der Ladevorgang durch Identifikation eines Nutzers unabhängig davon initiiert wird, an welcher der Ladestationen er laden möchte. Hierfür ist der Zentralrechner mit einer Identifikationsschnittstelle verbunden, über die sich ein Nutzer als zum Bezug von Energie berechtigt identifizieren kann. Über eine ebenfalls mit dem Zentralrechner verbundene Ein-/Ausgabeeinheit kann der Nutzer die Ladesäule und die Art des Ladevorgangs wählen. Ist das Ladekabel angeschlossen, so wird über den Datenbus ein Startsignal an das Steuer- und Schaltmodul der betreffenden Ladestation gesandt. Die Topologie des Datenbusses kann dabei mit Vorteil an die Gegebenheiten der Versorgungsleitung und die Aufstellorte angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladesystems sind der Zentralrechner und die anderen Ladesäulen zum zyklischen Austausch von Testsignalen zur Überprüfung der Funktionsbereitschaft der Kommunikationsverbindung ausgebildet. Bei dieser sogenannten Heartbeat-Überwachung benachrichtigen sich die Steuer- und Schaltmodule der Ladestationen in vorgebbaren Zeitabständen über ihre Funktionsbereitschaft, wodurch die Kommunikationsverbindung ständig überprüft wird. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des erfindungsgemäßen Ladesystems.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems weist jede Ladestation eine elektrisch ansteuerbare Schalteinrichtung auf, mittels welcher der wenigstens eine Anschluss für das Ladekabel mit der Versorgungsleitung verbindbar bzw. von dieser trennbar ist. Empfängt das Steuer- und Schaltmodul über den Datenbus ein Startsignal für den Ladevorgang, so wird die als Schütz ausgeführte Schalteinrichtung betätigt, wodurch eine leitende Verbindung von der Versorgungsleitung des Energieversorgungsnetzes, über das Ladekabel zum Energiespeicher des Elektrofahrzeugs hergestellt wird. Ist der Ladevorgang beendet, so fällt das Schutz in den inaktiven Zustand zurück. In diesem Grundzustand führt der Ladeanschluss und dessen Zuleitung keine Spannung – die Ladestation befindet sich in einem sicheren Zustand.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladesystems weist jede Ladestation eine elektrische Schutzeinrichtung zur Begrenzung eines Fehlerstroms auf, die zur Rückstellung nach Ansprechen ansteuerbar ausgebildet ist. Die Schutzreinrichtung zielt auf eine nach Stromstärke und Stromdauer gerichtete Begrenzung eines im Fehlerfall, insbesondere bei einem Erdschluss, durch einen Körper einer Person fließenden Stromes ab. Die als sogenannter FI-Schalter ausgebildete Schutzeinrichtung schützt gegen das Bestehenbleiben eines unzulässig hohen Berührungsstromes. Trennt die Schalteinrichtung den überwachten Stromkreis ab, so wird dies über den Datenbus an den Zentralrechner gemeldet. Nach Beseitigung der Störung kann dann vom Bus-Master aus zentral die elektrische Schutzeinrichtung zurückgesetzt werden.
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Vorzugsweise weist jede Ladestation des erfindungsgemäßen Ladesystems eine Kommunikationseinrichtung auf, die beim Ladevorgang mit fahrzeugseitigen Kommunikationsmitteln wechselwirkt, um ein Unterbrechen einer Erdungsleitung in der Verbindung von Ladestation über Ladekabel zum Elektrofahrzeug zu erfassen. Diese weitere Schutzfunktion verwirklicht die sogenannte Pilotfunktion nach dem Standard IEC 61851, die bei an das Elektrofahrzeug angeschlossenem Ladekabel eine gesicherte Erdung in der Verbindung gewährleisten soll.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems weist jede Ladestation eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Zeitdauer und Stromstärkeverlauf eines Ladevorgangs auf. Die Messeinrichtung kann als geeichter Stromzähler ausgeführt sein, der über den elektrischen Leistungsverlauf während des Ladevorgangs die übertragene und gebührenpflichtige Menge an elektrischer Energie bestimmt. Diese wird über den Datenbus an den Zentralrechner übermittelt, der zu Zwecken der Gebührenentrichtung mit einer Bezahlschnittstelle der zentralen Ladesäule verbunden ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladesystems weist jede Ladestation ein Steuer- und Schaltmodul auf, in welches die Schutzeinrichtung, die Schalteinrichtung, die Kommunikationseinrichtung und die Messeinrichtung der Ladestation integriert sind und welches unter Flurniveau angeordnet ist. Indem die Leistungskomponenten in einem gemeinsamen Steuer- und Schaltmodul integriert sind, kann dieses ohne großen Aufwand unter der Erdoberfläche installiert werden. Hierdurch ist ein sicheres Abschalten des über Flur angeordneten Teils der Ladesäule möglich, so dass bei einer Kollision eines Fahrzeugs mit der Ladesäule keine Strom führenden Leitungen offen liegen und berührt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladesystems ist jede Ladestation durch ein auf ein Fundament aufstellbares Gehäuse zum Schutz gegen Berührung, gegen Fremdkörper und gegen Wasser gekapselt. Mit Vorteil erlaubt das integrierte Steuer- und Schaltmodul eine Kapselung der Ladesäule durch ein Gehäuse mit einer den äußeren Einflüssen des jeweiligen Aufstellortes widerstehenden Schutzklasse. So kann das Gehäuse beispielsweise in Schutzklasse IP54 ausgeführt sein, um Schutz gegen den Zugang mit einem Draht, staubgeschützt und gegen allseitiges Spritzwasser zu gewährleisten. Das Gehäuse kann beispielsweise in Edelstahl ausgeführt sein, um eine gewisse Sicherheit gegen Vandalismus zu bieten. Eine zusätzliche Pulverbeschichtung des Gehäuses ermöglicht effektiven Schutz gegen Rost und Graffiti. Das im Erdreich versenkte Fundament aus Beton weist Ausnehmungen für die Versorgungsleitung und das Steuer- und Schaltmodul auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems weist die Ladestation mit dem Zentralrechner eine Kommunikationseinheit auf, die zur Datenfernübertragung zwischen dem Zentralrechner und einer Betreiberzentrale und/oder einer Informationszentrale und/oder einer Verkehrsmanagementzentrale und/oder einer Energiemanagementzentrale ausgebildet ist. Die Datenfernübertragung kann drahtlos über Mobilfunk nach dem Standard GSM (Global System for Mobile Communications), insbesondere paketvermittelt nach dem Datenübertragungsverfahren GPRS (General Packet Radio Service), oder UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), insbesondere nach dem Datenübertragungsverfahren HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) erfolgen, wofür die zentrale Ladesäule eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle aufweist. Damit ist eine Kommunikation zwischen dem Zentralrechner des Ladesystems und einer Überwachungszentrale des Betreibers möglich. Das Ladesystem kann hierüber Statusmeldungen über den aktuellen Belegungszustand seiner Ladesäulen und Datenmeldungen über den Kassenstand und Einnahmestatistiken übertragen, um Auslastung und Verfügbarkeit des Ladesystems zu überprüfen. Umgekehrt können Aktualisierungen der Ladetarife zentral von einer Überwachungszentrale an die zugehörigen Ladesysteme übertragen werden. Durch Verbindung mit einer Informationszentrale können Stadtinformationen, touristische Ziele, Hotels und Restaurants in der Nähe des Ladesystems über die Ein-/Ausgabeeinheit der zentralen Ladestation abgerufen werden. Kommuniziert das Ladesystem mit einer Verkehrsmanagementzentrale, so können über die Ein-/Ausgabeeinheit der zentralen Ladestation sogar lokale Verkehrsinformationen abgerufen werden; umgekehrt kann die Verkehrsmanagementzentrale von den Ladesystemen Standortinformationen und Belegungszustände erhalten, um diese anderen Verkehrsinformations- und Routenplanungsplattformen zur Verfügung zu stellen. Schließlich können die aktuellen Nutzungsinformationen eines Ladesystems an eine Energiemanagementzentrale übertragen werden, um den aktuellen Energiebedarf aus dem Energieversorgungsnetz zu ermitteln.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Ladesystems ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben wird, in deren einziger Figur ein erfindungsgemäßes Ladesystem schematisch veranschaulicht ist.
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Gemäß der einzigen Figur stellt ein erfindungsgemäßes Ladesystem einen Teil der Infrastruktur für ein Elektrofahrzeug 10 bereit, um dessen Energiespeicher 11 mit elektrischer Energie aufladen zu können. Während des Ladevorganges verbindet ein Ladekabel 12, welches einer Ladestation 20 bzw. 20' zugeordnet ist, einen Anschluss 21 der Ladestation 20 bzw. 20' mit dem zu betankenden Elektrofahrzeug 10. Das Ladesystem umfasst mehrere Ladesäulen 20 bzw. 20', beispielsweise neun Ladesäulen, die aufgrund ihrer Aufstellungsorte einander räumlich zugeordnet sind; beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Ladesystem in einem Parkhaus oder an Parkbuchten im öffentlichen Straßenraum installiert sein.
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Eine zentrale Ladestation 20 weist einen Zentralrechner 30 auf, der zur Bedienung der Ladestationen 20 bzw. 20' durch einen Nutzer und zur automatischen Steuerung der anderen Ladestationen 20' ausgebildet ist. Die Bedienung einer Ladestation 20 bzw. 20' beginnt mit einer Feststellung, ob der Nutzer zur Nutzung des Ladesystems berechtigt ist. Hierfür ist der Zentralrechner 30 mit einer Identifikationsschnittstelle 31 der Ladestation 20 verbunden, die als Lesegerät für eine durch den berechtigten Nutzer mitzuführende Identifikationskarte ausgebildet ist, beispielsweise durch kontaktloses Auslesen eines RFID-Transponders. Die Bedienung wird unterstützt durch eine Ein-/Ausgabeeinheit 33 der Ladestation 20, die mit dem Zentralrechner 30 verbunden und als druckempfindlicher Bildschirm ausgebildet ist. Eine Menüführung ist mit nur wenigen Bildschirm-Tasten möglich, die von einem Betreiber des Ladesystems mit verschiedenen Funktionen belegt werden können. Auf dem als Touchscreen ausgeführten Bildschirm kann beispielsweise der Ladestatus angezeigt werden. Zum Bezahlen der für die bezogene Energiemenge fälligen Gebühr weist die zentrale Ladestation 20 eine mit dem Zentralrechner 30 verbundene Bezahlschnittstelle 32 auf, die einen Kartenleser für Kredit- oder andere Geldkarten sowie Noten- oder Münzannahmen für Bargeldbezahlung umfassen.
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Zur Übertragung von Steuersignalen und Datentelegrammen weist jede Ladestation 20 bzw. 20' ein Steuer- und Schaltmodul 22 auf, die über einen nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Datenbus 51 in Kommunikationsverbindung stehen. Das Steuer- und Schaltmodul 22 der zentralen Ladestation 20 ist auch mit dem Zentralrechner 30 verbunden und bildet den Bus-Master, während die Steuer- und Schaltmodule 22 der anderen Ladestationen 20' als Bus-Slave arbeiten. Als Datenleitung für den Bus 51 wird erfindungsgemäß eine Versorgungsleitung 50 eines Energieversorgungsnetzes genutzt, in die am Aufstellungsort einer Ladestation 20 bzw. 20' deren Steuer- und Schaltmodul 22 zwischengeschaltet ist. In jedes Steuer- und Schaltmodul 22 sind eine elektrisch ansteuerbare Schalteinrichtung 24 zur Verbindung des Ladeanschlusses 21 mit der Versorgungsleitung 50 während des Ladevorganges, eine elektrische Schutzeinrichtung 23 zur Begrenzung eines Fehlerstroms, eine Kommunikationseinrichtung 25 zur Überprüfung der Schutzerdung in der bestehenden Ladeverbindung und eine Messeinrichtung 26 zur Ermittlung von Zeitdauer und Stromstärkeverlauf des Ladevorgangs integriert. Die Steuer- und Schaltmodule 22 bilden über den Datenbus 51 ein über die Versorgungsleitung 50 realisiertes lokales Netzwerk. Durch Einsatz eines solchen Energie- und Datenbusses sind Aufschachtarbeiten nur lokal an den Standorten der Ladestationen 20 bzw. 20' erforderlich, wenn die Standorte im Bereich bereits im Erdreich verlegter Versorgungsleitungen 50 gewählt werden können. Außerdem wird Materialaufwand für gesonderte Datenleitungskabel und für zusätzliche Versorgungsstichleitungen eingespart.
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Im Vergleich zum Stand der Technik sind die elektrischen Leistungskomponenten für die Ladestationen 20 bzw. 20' dezentral in den Steuer- und Schaltmodulen 22 integriert, wodurch Bauraum in der zentralen Ladesäule 20 eingespart wird. Durch Integration der Leistungskomponenten in die Steuer- und Schaltmodule 22 können diese unter Flurniveau angeordnet werden, beispielsweise in einer Ausnehmung eines ins Erdreich eingelassenen Fundaments, auf dem ein Gehäuse 27 bzw. 27' der Ladestation 20 bzw. 20' aufgestellt ist. Das Gehäuse 27 bzw. 27' ist in Edelstahl ausgeführt und kapselt die Ladestation 20 bzw. 20' mit geforderter Schutzart für Berührungs- und Fremdkörperschutz bzw. für Wasserschutz, beispielsweise IP54, das heißt geschützt gegen den Zugang mit einem Draht, staubgeschützt und geschützt gegen allseitiges Spritzwasser. Durch die Unterfluranordnung der Steuer- und Schaltmodule 22 kann ein sicheres Abschalten der Überflur geführten elektrischen Leitungen der Ladestationen 20 bzw. 20' gewährleistet werden. Bei An- oder Umfahren einer Ladestation 20 bzw. 20' können hierdurch auch keine Strom führenden Leitungen freigelegt werden.
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Zur Kommunikation mit übergeordneten Zentraleinrichtungen weist die Ladestation 20 mit dem Zentralrechner 30 eine Kommunikationseinheit 34 auf, die zur Datenfernübertragung 70 zwischen dem Zentralrechner 30 und der Zentraleinrichtung ausgebildet ist. Bei der Zentraleinrichtung kann es sich um eine Betreiberzentrale 60 und/oder eine Informationszentrale 61 und/oder eine Verkehrsmanagementzentrale 62 und/oder eine Energiemanagementzentrale 63 handeln. Die Datenfernübertragung 70 erfolgt zum Beispiel drahtlos nach dem GPRS-Standard, kann aber auch nach einem anderen Mobilfunkstandard oder über ein leitungsgebundenes oder drahtloses Kommunikationsnetzwerk stattfinden. Das Ladesystem kann hierüber Status- und Datenmeldungen an den Betreiber senden und aktualisierte Ladetarife von der Betreiberzentrale 60 empfangen. Über die Informationszentrale 61 touristische Informationen der näheren städtischen Umgebung abgerufen werden. Kommuniziert das Ladesystem mit einer Verkehrsmanagementzentrale 62, so können sogar lokale Verkehrsinformationen abgerufen werden. Schließlich können die aktuellen Nutzungsinformationen eines Ladesystems an eine Energiemanagementzentrale 63 übertragen werden, um den aktuellen Energiebedarf aus dem Energieversorgungsnetz zu ermitteln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard IEC 61851 [0010]
