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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen mit einer übergeordneten Steuerungseinheit zur Ansteuerung von Leistungselektronikmodulen.
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Der Elektromobilität ist in den letzten Jahren eine immer größer werdende Bedeutung zugekommen. Um die Verbreitung von Elektrofahrzeugen voranzubringen, ist es wünschenswert, dass der Ladevorgang eines Elektrofahrzeuges schnell, unkompliziert und jederzeit möglich ist. Heutzutage können moderne Elektrofahrzeugen mit Ladeleistungen jenseits von 100 kW mit Ladeströmen im Bereich von 300 Ampere und mehr geladen werden. Die Leistungselektronik in der Ladestation führt die Umformung des Stroms und der Spannung aus einem Netzanschluss durch, so dass der Strom und die Spannung an den Ladesteckern die geeignete Form (DC oder AC) und Größe aufweisen, um ein Elektrofahrzeug aufladen zu können.
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Bei den zum Laden von Elektrofahrzeugen bekannten Ladestationen werden verschiedenste Schalttopologien für die darin zum Einsatz kommende Leistungselektronik verwendet. Die verschiedenen Schalttopologien können insbesondere länderspezifische Anforderungen und/oder die unterschiedlichen Lademodi wiederspiegeln (z.B. ein bis dreiphasiges Wechselstromladen oder Gleichstromladen). Die meisten heutzutage anzutreffenden Ladestationen bzw. Ladesäulen weisen einen Aufbau auf, der auf einer zentralen Leistungselektronik basiert, welche als im Wesentlichen einteiliges Bauteil die gesamte Ladeleistung der Ladestation erzeugt, d.h. die zum Laden der Elektrofahrzeuge erforderlichen Ladeströme bereitstellt. Solche Ladestationen weisen dann auch nur einen integrierten Leistungselektronikcontroller auf, welcher Reglungsaufgaben bezüglich der Leistungsbereitstellung übernimmt. Bei Aufteilung der Leistungsbereitstellung auf mehrere zusammen agierende Untereinheiten der Leistungselektronik kann deren Zusammenspiel durch die Controller der einzelnen Untereinheiten realisiert werden.
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So ist beispielsweise in Druckschrift
CN 107031449 eine kompakte Ladevorrichtung offenbart. Aus den Druckschriften
CN205168222 und
US 2013/169227 sind Ladestationen bekannt, welche eine entnehmbare Ladeeinheit aufweisen. In den Druckschriften
US 2015/180252 und
US 2015/210176 sind modular aufgebaute Ladevorrichtungen offenbart.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine Ladestation mit einem kompakten Aufbau der Leistungselektronik bereitzustellen, so dass beispielsweise im Falle einer Wartung oder eines Funktionsfehlers oder Funktionsausfalls eine einfache Wiederinstandsetzung der Leistungselektronik möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Ladestation gemäß Patentanspruch 1 und das dazugehörige Verfahren zum Betreiben der Ladestation gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der beiliegenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird eine Ladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt, welche mindestens eine Ladesäule mit mindestens einem Ladestecker, an welchem ein Ladestrom zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitstellbar ist, mindestens zwei Leistungselektronikmodule, wobei jedes Leistungselektronikmodul eingerichtet ist, eine Energiewandlung vorzunehmen, so dass ein Eingangsstrom einer ersten Art mit einer ersten Spannung und einer ersten Stromstärke in einen Ausgangsstrom einer zweiten Art mit einer zweiten Spannung und einer zweiten Stromstärke umgewandelt wird, und eine übergeordnete Steuerungseinheit aufweist, welche mit den Leistungselektronikmodulen gekoppelt ist und eingerichtet ist, die in den Leistungselektronikmodulen stattfindende Energiewandlung derart anzusteuern, dass im Ladefall (d.h. während einer Ladephase mindestens eines Elektrofahrzeugs an der Ladestation) auf Basis des Ausgangsstroms mindestens eines Leistungselektronikmoduls ein gewünschter Ladestrom bereitgestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Ladestation weist demnach einen modularen Aufbau der Leistungselektronik auf, bei dem mindestens zwei Leistungselektronikmodule zur Bereitstellung des Ladestroms bereitgestellt sind und von einer zentralen, übergeordneten Steuerungseinheit (Leistungselektronikcontroller) angesteuert werden. Die übergeordnete Steuerungseinheit übernimmt die anfallende Hauptrechenleistung und führt im Betrieb übergeordnete Funktionen aus, also beispielsweise solche Funktionen, die das Ensemble der Leistungselektronikmodule betreffen, etwa deren Zusammenspiel im Hinblick auf die Bereitstellung des Ladestroms. Die übergeordnete Steuerungseinheit übernimmt Steuerungs- und/oder Regelungsaufgaben, ohne dabei selbst aktiv an der Strom- bzw. Spannungswandlung beteiligt zu sein. Das heißt, dass die Komponenten der Steuerungseinheit nicht vom Strom durchflossen werden, welcher von den Leistungselektronikmodulen als Ausgangsstrom zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt wird. Die elektrische Kopplung zwischen der übergeordneten Steuerungseinheit und den Leistungselektronikmodulen dient der Ansteuerung der Leistungselektronikmodule. Die übergeordnete Steuerungseinheit kann als übergeordnete Steuerungs- und Regelungseinheit betrachtet werden, welche Management- und Überwachungs- bzw. Sicherheitsfunktionen evtl. der gesamten Ladestation ausführt. Insgesamt wird das Energiemanagement der gesamten Leistungselektronik von der übergeordneten Steuerungseinheit durchgeführt. Die modular aufgebaute Leistungselektronik kann ferner derart eingerichtet sein, dass nach einem Entfernen bzw. Herausnehmen eines von mehreren Leistungselektronikmodulen zwar die maximal bereitstellbare Ladeleistung verringert wird, jedoch die Leistungselektronik insgesamt weiter einsatzfähig bleibt. Anders ausgedrückt stellen die Leistungselektronikmodule eine partitionierte Leistungselektroniklandschaft dar, deren Steuerung und/oder Regelung durch die übergeordnete Steuerungseinheit erfolgt. Durch den Zusammenschluss mehrerer Leistungselektronikmodule kann eine größere Ladeleistung abgegeben werden, wobei jedoch jedes Leistungselektronikmodul für einen Bruchteil der abgegebenen Gesamtleistung der Ladestation ausgelegt werden muss. Eine Veränderung der Anzahl der zusammengeschalteten Leistungselektronikmodule verändert die durch die Leistungselektronik maximal bereitstellbare Ladeleistung, die Funktionsweise bleibt jedoch bezüglich des Funktionsumfangs gleich.
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Die Leistungselektronikmodule können vorwiegend elektrotechnische Bauteile aufweisen, die üblicherweise zur Umformung eines Stroms verwendet werden, welcher beispielsweise aus dem Stromnetz bezogen wird. Somit können die Leistungselektronikmodule Transistoren, Wechselrichter, Umrichter und dergleichen sowie weitere übliche elektronische Bauelemente aufweisen, die zur Umformung elektrischer Energie verwendet werden. Jedes Leistungselektronikmodul ist also in der Lage, die Stromart (DC oder AC), die Spannung und die Stromstärke des an ihm anliegenden Eingangsstroms zu verändern und diesen veränderten Eingangsstrom als Ausgangsstrom auszugeben. Die Gesamtheit aus Steuerungseinheit und Leistungselektronikmodulen - die zusammenfassend als Leistungselektronik bezeichnet wird - regelt damit die Stromwandlung zwischen Stromnetz und dem (den) Ladestecker(n) der Ladestation.
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Die Leistungselektronikmodule können zur Bereitstellung gleicher oder unterschiedlicher maximaler Ausgangsleistungen eingerichtet sein. Je nach Ladeszenario können unterschiedliche Betriebskonstellationen der Leistungselektronikmodule realisiert werden. So können die Ausgangsströme der vorhandenen Leistungselektronikmodule zu gleichen oder unterschiedlichen Teilen auf einen oder mehrere Ladestecker der Ladestation geschaltet werden. Es können auch Leistungselektronikmodule abwechselnd (d.h. abwechselnde Last- und Ruhephasen) oder mit variierenden Ausgangsleistungen betrieben werden zur gezielten Herbeiführung von Kühlungsphasen bzw. zwecks genereller Schonung ihrer Bauteile. Insgesamt können in Abhängigkeit von der Anzahl und dem Ladestand der zu einem Zeitpunkt an die Ladestation angeschlossenen Elektrofahrzeuge Leistungselektronikmodule bedarfsgerecht angesteuert werden, um die entsprechenden Ladeströme bereitzustellen.
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Durch den modularen Aufbau der Leistungselektronik kann eine kompakte Bauweise mit einem einfachen Austausch der einzelnen Module und auch der übergeordneten Steuerungseinheit vereint werden. Insbesondere kann die übergeordnete Steuerungseinheit bzgl. ihres Anschlusses einfach zu entfernen sein und durch eine andere, baugleiche Steuerungseinheit ersetzt werden. Durch Verlagerung des Hauptrechenaufwandes auf die Steuerungseinheit kann die Komplexität von (untergeordneten) Controllern der einzelnen Leistungselektronikmodule reduziert werden, da diese nunmehr zur Umsetzung der vom Leistungselektronikcontroller erhaltenen Anweisungen ausgelegt werden können und im Prinzip nur den ordnungsgemäßen Betrieb des dazugehörigen Leistungselektronikmoduls gewährleisten müssen. Damit kann einerseits der Programmieraufwand bei der Herstellung der Leistungselektronikmodule und ihr Rechenaufwand während ihres Betriebs reduziert werden.
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Ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen modularen Aufbaus der Leistungselektronik kann darin gesehen werden, dass der Verkabelungsaufwand reduziert werden kann. Da der übergeordnete Leistungselektronikcontroller als zentrale Schnittstelle zwischen allen bereitgestellten Leistungselektronikmodulen agiert, kann die Kommunikation unter den Leistungselektronikmodulen über den übergeordneten Leistungselektronikcontroller abgewickelt werden. Folglich kann jedes Leistungselektronikmodul mit jedem anderen in dem Zusammenschluss kommunizieren, ohne dass entsprechende Datenleitungen zwischen allen Paaren von Leistungselektronikmodulen bereitgestellt werden müssen. Der modulare Aufbau der Leistungselektronik ermöglicht auch eine einfache Erweiterung der Ladestation um weitere Leistungselektronikmodule, ohne dass die gesamte Ladestation stillgelegt werden muss oder, dass ihre gesamte Leistungselektronik ausgetauscht werden muss. Beispielsweise durch Einstecken weiterer Leistungselektronikmodule in ein Rack oder eine schaltschrankähnliche Struktur, welche den übergeordneten Leistungselektronikcontroller und die Leistungselektronikmodule aufweist, kann die Ladestation für die Bereitstellung höherer Leistung, einer weiteren Ladesäule oder weiterer Ladestecker hardwaremäßig vorbereitet werden und bietet damit eine gute Skalierbarkeit.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Ladestation kann jedes Leistungselektronikmodul eine untergeordnete Steuerungseinheit aufweisen, deren Rechenleistung geringer ist als die Rechenleistung der übergeordneten Steuerungseinheit. Wie bereits geschildert, ist in den Leistungselektronikmodulen nur ein Mindestmaß an Rechenkapazität notwendig, um primär ihren eigenen Betrieb zu gewährleisten, da alle übergeordneten Aufgaben von der übergeordneten Steuerungseinheit übernommen werden. Beispielsweise kann die modulare Leistungselektroniktopologie so eingerichtet sein, dass kein Austausch von Steuerungssignalen unter den Leistungselektronikmodulen stattfindet, sondern die Aufgabe der Steuerung und der Regelung des Zusammenspiels der einzelnen Leistungselektronikmodule der übergeordneten Steuerungseinheit obliegt. Eine solche Infrastruktur kann Programmieraufwand einsparen. Die Befehle/Anweisungen, welche von der Steuerungseinheit an die Leistungselektronikmodule übermittelt werden, können in der Hierarchie über den Befehlen/Anweisungen eines untergeordneten Controllers eines Leistungselektronikmoduls liegen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Ladestation können die Leistungselektronikmodule bezüglich ihrer Ansteuerbarkeit durch die übergeordnete Steuerungseinheit untereinander auswechselbar sein. Insbesondere kann der Funktionsumfang der Leistungselektronikmodule gleich und/oder genormt sein, so dass keinem Leistungselektronikmodul eine besondere Rolle innerhalb des Ensembles der Leistungselektronikmodule zukommt. Die Leistungselektronikmodule können aus der Sicht der übergeordneten Steuerungseinheit als untereinander austauschbare, hierarchisch untergeordnete Einheiten betrachtet werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Ladestation können die Leistungselektronikmodule bezüglich ihres Anschlusses an die übergeordnete Steuerungseinheit untereinander auswechselbar ein. Anders ausgedrückt kann die kommunikative Koppelung zwischen den Leistungselektronikmodulen und der übergeordneten Steuerungseinheit gleich ausgebildet sein. Dies gewährleistet einen problemlosen Austausch und ermöglich bei Bedarf ein Umstecken/Umordnen der Leistungselektronikmodule innerhalb der Verkabelungsstruktur der Leistungselektronik.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Ladestation einen Baugruppenträger aufweisen, wobei die übergeordnete Steuerungseinheit und die Leistungselektronikmodule als herausnehmbare Baugruppen in dem Baugruppenträger angeordnet sind. Bei dem Baugruppenträger kann es sich beispielsweise um einen Schaltschrank oder eine schaltschrankähnliche Struktur oder um eine Rahmenstruktur samt Verkabelung handeln, in welcher die übergeordnete Steuerungseinheit und die Leistungselektronikmodule als jeweils einsteckbare/einschiebbare Module angeordnet sind. Jedes der Module kann, beispielsweise im Falle eines Defekts, einfach ausgebaut und durch ein neues Modul ersetzt werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen bereitgestellt, wobei die Ladestation mindestens eine Ladesäule mit einem Ladestecker, an welchem ein Ladestrom zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereitstellbar ist, mindestens zwei Leistungselektronikmodule, wobei jedes Leistungselektronikmodul eingerichtet ist, eine Energiewandlung vorzunehmen, so dass ein Eingangsstrom einer ersten Art mit einer ersten Spannung und einer ersten Stromstärke in einen Ausgangsstrom einer zweiten Art mit einer zweiten Spannung und einer zweiten Stromstärke umgewandelt wird, und eine übergeordnete Steuerungseinheit aufweist, welche mit den Leistungselektronikmodulen gekoppelt ist. Bei der Ladestation kann es sich also insbesondere um die im Vorfeld beschriebene Ladestation für Elektrofahrzeuge handeln. Das Verfahren weist Steuern der von den Leistungselektronikmodulen vorgenommenen Energiewandlung auf, um auf Basis der Ausgangsströme der Leistungselektronikmodule einen gewünschten Ladestrom bereitzustellen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ladestation gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
- 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungselektronik.
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In 1 ist eine schematische Ansicht einer Ladestation 1 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt. Im gezeigten Beispiel weist die Ladestation 1 eine erste Ladesäule 2 sowie eine zweite Ladesäule 3 auf, wovon jede einen Ladestecker umfasst. Die Anzahl der Ladesäulen sowie die Anzahl der Ladestecker pro Ladesäule kann nach Bedarf im Rahmen der Erfindung angepasst werden. Die Ladestation 1 weist ferner eine Leistungselektronik 4 auf, die mit den Ladesäulen 2, 3 gekoppelt ist und zur Anpassung der bereitgestellten Ladeströme eingerichtet ist. Die Leistungselektronik 4 weist drei Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 auf, wobei auch die Anzahl der Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 nach Bedarf gewählt werden kann. Jedes Leistungselektronikmodul 6, 7, 8 ist schaltungstechnisch zwischen einem Stromnetzanschluss der Ladestation 1 (nicht explizit gezeigt) und den Ladesäulen 2, 3 angeordnet und zur Leistungswandlung eingerichtet. Ein am Eingang eines jeweiligen Leistungselektronikmoduls anliegender Eingangsstrom wird bezüglich Stromart, Spannung und Stromstärke angepasst und als Ausgangsstrom ausgegeben. Die Ausgangsströme der Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 können anschließend in nach Bedarf variabel einstellbaren Anteilen einer der Ladesäulen 2, 3 zugeteilt werden, wobei die Ansteuerung der Leistungsabgabe eines einzelnen Leistungselektronikmoduls 6, 7, 8 und ggfs. auch dessen Zuordnung durch die übergeordnete Steuerungseinheit 5 erfolgt. Zusätzlich ist jedes Leistungselektronikmodul 6, 7, 8 mit der übergeordneten Steuerungseinheit 5 gekoppelt, so dass die Steuerungseinheit 5 jedes der Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 individuell ansteuern kann und so die gesamte Leistungsbereitstellung der Ladestation 1 regeln kann.
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Die Baugruppen der Leistungselektronik 4 können als Steckmodule oder Einschubmodule ausgebildet sein und alle in einem Halterahmen angeordnet sein. Die Leistungselektronik 4 kann allgemein so innerhalb der Ladestation 1 angeordnet sein, dass sie zwecks Wartungsarbeiten gut zugängig ist und jede Einheit, also sowohl die übergeordnete Steuerungseinheit 5 als auch die Leistungstechnikmodule 6, 7, 8, einfach herausnehmbar sind.
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Eine beispielhafte modulare Ausführungsform der Leistungselektronik 4 ist in 2 veranschaulicht. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Leistungselektronik 4 die übergeordnete Steuerungseinheit 5 auf sowie eine Anzahl von Leistungselektronikmodulen 6, 7, 8 (wobei nur die untersten drei mit einem Bezugszeichen gemäß 1 versehen sind). Im Sockel der Leistungselektronik ist ferner ein Anschlussmodul 10 vorgesehen, welches beispielsweise die DC-Schütze und eine Schaltung aufweisen kann, welche die Ladeströme der Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 auf eine der Ladesäulen 2, 3 schaltet. In dem Anschlussmodul 10 kann auch die Gesamtstrommessung stattfinden. Alle Module bzw. Einheiten der Leistungselektronik 4 können in einem Halterahmen oder einem Schaltschrank angeordnet sein. Aufgrund des modularen Aufbaus der Leistungselektronik 4 kann jedes der Module bzw. Einheiten im Bedarfsfall aus der Anordnung herausgenommen werden und beispielsweise im Defektfall oder bei einer Revision durch ein anderes ersetzt werden. Jedes der Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 ist an eine Datenleitung 9 gekoppelt, welche wiederum an die übergeordnete Steuerungseinheit 5 angeschlossen ist und somit alle diese Komponenten miteinander verbindet. Bei der Datenleitung 9 kann es sich z.B. um einen CAN-Bus handeln. Über entsprechende Schnittstellen 12 sind die Leistungselektronikmodule 6, 7, 8 und die übergeordnete Steuerungseinheit 5 lösbar an die Datenleitung 9 gekoppelt. An den Leistungselektronikmodulen 6, 7, 8, an der übergeordneten Steuerungseinheit 5 und an dem Anschlussmodul 9 ist jeweils ein Griff angeordnet, welcher das Herausnehmen der entsprechenden Einheit aus der Anordnung vereinfacht. Ferner weist die Leistungselektronik 4 eine Kühleinheit 11 auf, welche mittels entsprechender Kühlleitungen mit jedem einzelnen Leistungselektronikmodul 6, 7, 8 lösbar, besonders geeignet gesteckt lösbar, gekoppelt ist. Dadurch kann jedes einzelne Leistungselektronikmodul 6, 7, 8 bedarfsgerecht gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 107031449 [0004]
- CN 205168222 [0004]
- US 2013169227 [0004]
- US 2015180252 [0004]
- US 2015210176 [0004]
