DE102019112228A1 - Vorrichtung, Verfahren und Kabel zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energienetz auf Basis eines mobilen Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energienetz, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen einer Energie von einer ersten Energiequelle und einer Energie aus einem mobilen Energiespeicher umzuschalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energienetz auf Basis eines Energiespeichers, ein Kabel zum Verbinden eines mobilen Energiespeichers mit einem Energienetz und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
  • Batteriespeichersysteme, die in externen Energienetzen, z.B. in Ein- und Mehrfamilienhäusern oder Gewerbebetrieben, eingesetzt werden können, sind als Komplettsysteme erhältlich und müssen fest im Haus oder dem Betrieb installiert werden. Mobile Batteriespeichersysteme, wie sie zum Beispiel in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, werden oft nicht für ihre Primäraufgabe verwendet. Dann sind sie praktisch ungenutzt. Demgegenüber ergibt sich die Aufgabe eine verbesserte Integration von mobilen Energiespeicher und externen Energienetzten zu ermöglichen.
  • Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen entsprechende Weiterbildungen.
  • Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energienetz, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen einer Energie von einer ersten Energiequelle und einer Energie aus einem mobilen Energiespeicher umzuschalten.
  • Ein Ziel der Erfindung ist die zusätzliche Verwendung eines mobilen Energiespeichers in einem externen Energienetz. Ein weiteres Ziel ist der Ersatz eines stationären Energiespeichers mit einem mobilen Energiespeicher.
  • Teilweise werden mobile Energiespeicher nur wenige Stunden am Tag genutzt. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein mobiler Energiespeicher in einem elektrischen Fahrzeug angeordnet ist. Dann ist das Potenzial für die Nutzung des mobilen Energiespeichers in einem externen Energienetz hoch. Allerdings sind mobile Energiespeicher heutzutage nicht dafür eingerichtet in einem externen Energienetz, d.h. außerhalb des Stromkreises, den sie primär zu versorgen haben, zum Beispiel ein Fahrzeugstromkreis, eingesetzt zu werden. Insbesondere können dafür Standardisierungen und Zertifizierungen erforderlich sein, die mobile Energiespeicher nicht aufweisen. Viele externe Energienetze weisen dagegen bereits Komponenten auf, die benötigt werden, um mit einem mobilen Energiespeicher betrieben zu werden. Insbesondere ist das der Fall, wenn das externe Energienetz bereits von einer dezentralen Energiequelle gespeist wird. Insbesondere kann das Energienetz bereits über einen Wechselrichter einen Gleichstromanschluss und/oder entsprechende Sicherheitseinrichtungen verfügen.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, Energie in ein Niederspannungsnetz, insbesondere ein Heimnetz, einzuspeisen.
  • Niederspannungsnetze dienen der Verteilung der elektrischen Energie an den elektrischen Endverbraucher und zur Versorgung von Niederspannungsgeräten. Sie werden daher insbesondere über Transformatoren aus einem übergeordneten Mittelspannungsnetz gespeist.
  • Niederspannungsnetze können als Drei-, oder Vierleitersysteme aufgebaut sein. Insbesondere dienen sie dazu eine Versorgung einphasiger Verbraucher zu ermöglichen. Sie werden insbesondere mit einer Netzspannung von 100V bis 1000V betrieben. Die Spannungen einzelner Niederspannungsnetze können bei 250, 400, 630 oder 1000 kVA liegen. Außerhalb von Europa können auch andere Formen und Betriebsspannungen üblich sein.
  • Niederspannungsnetze können insbesondere auch auf einen Ort begrenzt sein, z.B. kann ein Niederspannungsnetz ein Heimnetz eines Einfamilienhauses oder eines Mehrfamilienhauses sein und/oder einer oder mehrerer Wohnungen. Ein Niederspannungsnetz kann auch ein Energienetz eines Bootes sein. Ein Niederspannungsnetz kann ein Heimnetz eines privaten Verbrauchers sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet Energie von einer ersten Energiequelle umzuschalten, die eine dezentrale Energiequelle ist.
  • Eine dezentrale Energiequelle ist eine Energiequelle, die nicht vom öffentlichen Energienetz umfasst ist. Insbesondere kann eine dezentrale Energiequelle eine private Energiequelle sein, insbesondere eine Windenergiequelle, eine Solarenergiequelle, zum Beispiel eine Photovoltaikanlage, und/oder eine Wasserenergiequelle. Auch Inselnetze, d.h. die Zusammenschaltung kleiner, weniger Stromerzeuger, insbesondere an abgelegenen Orten, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, stellen dezentrale Energiequellen im Sinn der Erfindung dar. Ebenso werden Windparks und Solarparks im Sinn der Erfindung zu dezentralen Energiequellen hinzugezählt. Insbesondere kann die Vorrichtung auch Teil der ersten Energiequelle sein und/oder auf der gleichen Plattform wie die erste Energiequelle angeordnet sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet von einen Hochvoltspeicher als mobilen Energiespeicher Energie in das Energienetz einzuspeisen.
  • Ein Hochvoltspeicher im Sinn der Erfindung kann eine Batterie mit einer Klemmspannung größer als 40V, insbesondere größer als 60V Gleichspannung sein. Ein Hochvoltspeicher kann auch ein Energiespeicher sein, der zum Antrieb von Elektrofahrzeugen eingerichtet ist. Ein Hochvoltspeicher kann aus mehreren zusammengeschalteten Speichereinheiten bestehen. Auch Superkondensatoren und/oder mechanische Schwungradspeicher können Hochvoltspeicher sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, von einem mobilen Energiespeicher, der in einem Fahrzeug angeordnet ist, Energie in das Energienetz zu speisen.
  • Ein Fahrzeug im Sinne der Erfindung kann beispielsweise ein Personenkraftwagen (Pkw), ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Motorrad sein, welches mit einem mobilen elektrischen Energiespeicher ausgestattet ist. Alternativ kann ein Fahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein Boot sein, welches über einen mobilen elektrischen Energiespeicher verfügt. Insbesondere kann die Vorrichtung auch Teil des mobilen Energiespeichers sein und/oder auf der gleichen Plattform, insbesondere auf einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung erfolgt das Umschalten auf Basis eines vorgegebenen Parameters, insbesondere zeit-, kapazitäts-, und/oder lastabhängig.
  • Die Vorrichtung kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass zeitabhängig tagsüber die Energie der ersten Energiequelle in das Energienetz eingespeist wird. Zum Beispiel kann tagsüber eine Photovoltaikanlage als erste Energiequelle Energie an das Energienetz liefern. Nachts kann die Vorrichtung dann so konfiguriert sein, dass sie Energie des mobilen Energiespeichers in das Energienetz einspeist. Denn, wenn zum Beispiel die erste Energiequelle eine Photovoltaikanlage ist, dann kann diese nachts normalerweise keine nennenswerte Energie zur Versorgung des Energienetzes bereitstellen. Das Energienetz muss dann meistens aus einer anderen Energiequelle versorgt werden. Selbstverständlich kann auch eine andere Zeitabhängigkeit definiert werden, in der von der ersten Energiequelle auf den mobilen Energiespeicher umgeschaltet wird.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Umschalten kapazitätsabhängig erfolgen. Beispielsweise kann das Umschalten abhängig sein von der Fähigkeit der ersten Energiequelle Energie zu liefern und/oder von der Fähigkeit des mobilen Energiespeichers Energie zu liefern. Insbesondere kann von einer Photovoltaikanlage als ersten Energiespeicher auf den mobilen Energiespeicher umgeschaltet werden, wenn die Sonneneinstrahlung zu niedrig ist und deswegen die Photovoltaikanlage nicht genügend Energie liefern kann.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Umschalten auch lastabhängig erfolgen. Insbesondere wenn vom Energienetz entsprechend wenig Energie benötigt wird, kann eine Umschaltung auf den mobilen Energiespeicher erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung auch dazu eingerichtet sein, Energie aus der ersten Energiequelle und aus dem mobilen Energiespeicher an das Energienetz zu liefern. Dies kann insbesondere nützlich sein, wenn der Energiebedarf des Energienetzes, also die Last, nicht alleine von der ersten Energiequelle und/oder dem mobilen Energiespeicher gedeckt werden kann.
  • Zusätzlich oder alternativ kann eine Umschaltung auf einen mobilen Energiespeicher und demzufolge eine Versorgung des Energienetzes mit Energie aus dem mobilen Energiespeicher so lange erfolgen, bis der mobile Energiespeicher nur noch einen vorgegebene Ladezustand aufweist. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um ein Heimnetz über den mobilen Energiespeicher eines elektrischen Kraftfahrzeugs zu betreiben, solange sichergestellt ist, dass mit dem Fahrzeug noch eine vorgegebene Zeit bzw. eine vorgegebene Distanz auf Basis der in dem mobilen Energiespeicher enthaltenen Energie zurückgelegt werden kann.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung, dazu eingerichtet, einen vorgegebenen Zustand des mobilen Energiespeichers zu vermeiden.
  • Die Vorrichtung nicht in einem vorgegebenen Zustand zu betreiben kann insbesondere aus Sicherheitsgründen erfolgen. Dabei kann es sein, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet, ist aus dem mobilen Energiespeicher nicht mehr als eine vorgegebene Energie zu entnehmen, insbesondere nicht mehr als einen vorgegebenen Strom aus dem mobilen Energiespeicher oder in den mobilen Energiespeicher zuzulassen. Insbesondere kann die Vorrichtung einen Schütz umfassen. Der Schütz kann dazu eingerichtet sein, einen Kurzschluss zu vermeiden, insbesondere wenn eine Verbindung zwischen der Vorrichtung und dem mobilen Energiespeicher hergestellt oder getrennt wird. Wie oben bereits erwähnt kann ein vorgegebener Zustand auch umfassen, eine gewisse Ladekapazität des mobilen Energiespeichers zu unterschreiten. Insbesondere kann ein vorgegebener Zustand auch eine Spannung oder ein Spannungsberiech der mobilen Energiequelle sein, die nicht unterschritten werden soll.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den mobilen Energiespeicher in einem vorgegebenen Zustand, insbesondere einem optimalen Zustand, zu betreiben.
  • Die Vorrichtung kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, den Energiespeicher so zu betreiben, dass eine maximale Energie und/oder Leistung bzw. eine Energie (bzw. Leistung), die ungefähr einer maximalen Energie (bzw. Leistung) entspricht, aus dem mobilen Energiespeicher entnommen wird. Insbesondere kann dies auf Basis eines Spannung-Strom Kennlinienverlaufs erfolgen (U-I-Kennlinie). Handelsübliche Wechselrichter orientieren sich zum Beispiel oft an einem Spannung-Strom-Verlauf einer solaren Energiequelle oder eines stationären Energiespeichers. Damit wird sichergestellt, dass eine große Menge Energie aus der Energiequelle oder dem Energiespeicher entnommen werden kann ohne, dass es zu einem Zusammenbruch der Energiequelle kommt und/oder die Energiequelle bzw. der Energiespeicher beschädigt wird. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Vielzahl von verschiedenen Spannung-Strom-Verläufen umfassen, welche verschiedenen Energiequellen bzw. verschiedenen Energie speichern zugeordnet sind. Sodann kann beim Anschluss eines bestimmten Energiespeichers bzw. einer bestimmten Energiequelle der passende Spannung-Strom-Verlauf ausgewählt werden, insbesondere bevor die Belastung der Energiequelle bzw. des Energiespeichers erfolgt. Eine solche Auswahl kann insbesondere auch automatisch erfolgen, beispielsweise indem die Vorrichtung Informationen über die angeschlossene mobile Energiequelle erhält.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, Informationen mit einer externen Vorrichtung auszutauschen.
  • Die Vorrichtung kann dazu eine übliche Kommunikationsschnittstelle, drahtlos und/oder drahtgebunden, umfassen. Eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle kann auf Basis von WiFi, Bluetooth, Zigbee, und/oder einer 2G, 3G, 4G, 5G und/oder einer ähnlichen Mobilfunkkommunikation erfolgen. Eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle kann auf Basis von Ethernet und/oder einem professionellen Bussystem, zum Beispiel Profibus und/oder Canbus implementiert sein. Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein mit dem Energienetz und/oder dem mobilen Energiespeicher zu kommunizieren, um beispielsweise Informationen über eine Ansteuerung, insbesondere Informationen über eine U-I-Kennlinie und/oder andere Betriebsparameter, auszutauschen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, mit dem Heimnetz zu kommunizieren, insbesondere um eine Information über den vom Heimnetz erforderlichen Energiebedarf zu erhalten.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, eine vorgegebene Leistungsvariable aus dem mobilen Energiespeicher zu entnehmen.
  • Eine Leistungsvariable im Sinn der Erfindung kann eine Leistung, einen Strom, eine Spannung, einen Widerstand und/oder eine Energie betreffen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, den mobilen Energiespeicher so zu betreiben, dass eine für das Heimnetz erforderliche Leistungsvariable nicht überschritten wird. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Information über das Energienetz zu erhalten, beispielsweise auf Basis eines Sensors des Energienetzes und/oder eine geschätzte Information, und die Leistungsvariable des mobilen Energiespeichers auf Basis der erhaltenen Information entsprechend zu steuern bzw. zu regeln.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mit einem Wechselrichter zusammenzuwirken, insbesondere diesen zu aktivieren.
  • Die Vorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein mit dem Wechselrichter verbunden zu sein. Wechselrichter können so ausgebildet sein, dass sie erst aktiviert werden müssen, bevor sie mit ihrem Betrieb beginnen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, um unnötige Verluste an elektrischer Energie zu vermeiden, wenn der Wechselrichter nicht gebraucht wird. In einem solchen Fall kann es sein, dass ein Wechselrichter mit einem entsprechenden Signal, zum Beispiel einen vorgegebenen Strom bzw. einer vorgegebenen Spannung, aktiviert werden muss. Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein ein solches Aktivierungssignal an einen Wechselrichter bereitzustellen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Signal zum Aktivieren eines Wechselrichters, welches beispielsweise normalerweise von einer Photovoltaikanlage kommt, entsprechend zu emulieren, so dass der Wechselrichter beim Erhalten des Signals einen Betrieb aufnimmt, auch wenn die Energie vom mobilen Energiespeicher bereitgestellt wird. Dies kann vorteilhaft sein, weil dann ein Wechselrichter mit der Vorrichtung verwendet werden kann, der eigentlich zum Betrieb mit der ersten Energiequelle vorgesehen ist. Beispielsweise kann dies ein handelsüblicher Wechselrichter sein, der für einen Betrieb mit einer Photovoltaikanlage eingerichtet ist und dementsprechend auch dazu eingerichtet ist von dieser Photovoltaikanlage ‚aufgeweckt‘ zu werden.
  • Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein mit einem handelsüblichen Wechselrichter zusammenzuwirken. Ein solcher Wechselrichter kann ein für das Betreiben des Energienetzes zertifizierter Wechselrichter sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Wechselrichter zum Verarbeiten von Leistung aus einer ersten Energiequelle, insbesondere einer Photovoltaikanlage, zertifiziert sein.
  • Insbesondere kann die Vorrichtung auch Teil eines Wechselrichters sein und/oder auf der gleichen Plattform wie der Wechselrichter angeordnet sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den mobilen Energiespeicher durch die erste Energiequelle und/oder das Energienetz zu laden.
  • Da mobile Energiespeicher, insbesondere eine Batterie eines Elektroautos Gleichstrom speichern, ist eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom notwendig, wenn eine Energiequelle, wie zum Beispiel ein öffentliches Energienetz, nur Wechselstrom bereitstellt. Dafür gibt es für elektrische Fahrzeuge im Stand der Technik zwei Möglichkeiten: Entweder das On-Board-Ladegerät im Fahrzeug (AC-Laden) übernimmt die Umwandlung in Gleichstrom und lädt die Batterie auf. Oder ein Gleichrichter in der Ladestation (DC-Laden) wandelt den Strom direkt um und lädt anschließend die Batterie des Elektroautos. Je nach Ladeart können sich auch die Stecker und Steckdosen unterscheiden.
  • Viele mobile Energiespeicher, zu Beispiel Batterien in einem Elektroauto, sind dafür geeignet, mit Wechselstrom geladen zu werden. Das On-Board-Ladegerät des Fahrzeugs wandelt hierfür den Wechselstrom in Gleichstrom um. Je nach verbautem Ladegerät kann die AC-Ladeleistung variieren. Zur Absicherung und Kommunikation mit dem Fahrzeug benötigt man nun noch eine AC-Ladestation. Diese gewährleistet meist zuhause oder an halböffentlichen Plätzen - etwa einem Firmengelände oder Parkhäusern - eine sichere und komfortable Aufladung von Elektroautos. Die Steckertypen für AC-Laden können insbesondere geeignet sein für Haushaltssteckdosen, CEE Steckdosen oder Typ-1-Stecker oder Typ-2-Stecker sein.
  • Bei mobilen Energiespeichern, insbesondere bei manchen Elektroautos, gibt es eine schnellere Alternative zum AC-Laden: die Gleichstrom- oder auch DC-Ladestation. Der Strom wird hier direkt in die Batterie geladen. Wenn die Energie von einer AC-Quelle bereitgestellt wird, ist der Gleichrichter in einer Ladestation verbaut. Teilweise ermöglichen diese Ladestationen hohe Ladeleistungen, bis zu 250kW. Allerdings sind DC-Ladestationen deutlich teurer als AC-Ladestationen und werden daher hauptsächlich im öffentlichen Bereich eingesetzt. Die Steckertypen für DC-Ladestationen können beispielsweise CHAdeMO-Stecker, CCS-Stecker (Combo-2-Stecker) oder ein Stecker für den Tesla Supercharger sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann eine nicht benötigte Leistung der ersten Energiequelle dazu verwendet werden, den mobilen Energiespeicher aufzuladen, insbesondere wenn die Leistung, welche von der ersten Energiequelle bereitgestellt werden kann, nicht vollständig benötigt wird, um das Energienetz zu versorgen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn durch die erste Energiequelle ein Gleichstrom geliefert wird, denn dann kann eine zusätzliche Gleichrichtung von Wechselstrom auf Gleichstrom, wie sie in einem typischen Ladegerät für den mobilen Energiespeicher erfolgt, vermieden werden. In diesem Fall wird die Leistung der ersten Energiequelle direkt an den mobilen Energiespeicher übertragen. Diese Ladeart ist auch unter dem Begriff ,DC-Laden‘ bekannt.
  • Insbesondere kann eine Aufteilung der Energie erfolgen, die von der ersten Energiequelle bereitgestellt wird, so dass ein Teil zum DC-Laden verwendet wird und ein Teil über die Vorrichtung in das Energienetz eingespeist wird.
  • Die Aufteilung kann insbesondere auf Basis eines oder mehrerer vorgegebener Parameter erfolgen. Beispielsweise kann die Aufteilung so erfolgen, dass so viel Energie zum Laden des mobilen Energiespeichers aufgewendet wird, sodass dieser optimal, insbesondere zeitoptimal aufgeladen wird. Die verbleibende Energie kann zur Speisung des Energienetzes eingesetzt werden.
  • Insbesondere kann der DC-Anschluss der Vorrichtung zum Speisen von Energie aus dem mobilen Energiespeicher und/oder zum Laden des mobilen Energiespeichers aus der ersten Energiequelle zusammengefasst sein mit dem AC-Anschluss zum Laden des mobilen Energiespeichers aus dem Energienetz.
  • Insbesondere kann ein Stecker und/oder eine Steckdose zum Anschluss der Vorrichtung auf einem der o.g. Stecker und/oder Steckdosen basieren.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, eine Rückspeisung des mobilen Energiespeichers in die erste Energiequelle zu vermeiden.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, zu steuern, ob der mobile Energiespeicher geladen oder entladen wird.
  • Die Steuerung kann zum einen die DC-Ladung bzw. die Versorgung des Energienetzes mit Energie aus dem mobilen Energiespeicher betreffen und damit die Steuerung der Energie aus der ersten Energiequelle und/oder des mobilen Energiespeichers.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerung die Ladung über das Energienetz betreffen, insbesondere über den Wechselrichter des Energienetzes. Dies kann insbesondere eine AC-Ladung sein.
  • Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, an einen Schütz eines mobilen Energiespeichers angeschlossen zu werden.
  • Insbesondere kann dafür die Vorrichtung ein Kabel umfassen, welches auf einem der o.g. Stecker und/oder Steckdosen basiert. Insbesondere kann das Kabel zusätzlich einen Kommunikationskanal nach einem oder mehreren der o.g. drahtgebundenen Kommunikationsverfahren umfassen.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung betrifft die Vorrichtung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder einer der Ausführungsformen des ersten Aspekts.
  • Nach einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kabel zum Verbinden eines mobilen Energiespeichers mit einem Energienetz und einer ersten Energiequelle. Das Kabel kann die Verbindung insbesondere über eine Vorrichtung nach dem ersten Aspekt oder einer Ausführungsform des ersten Aspekts herstellen.
  • Insbesondere kann das Kabel auf einem der o.g. Stecker und/oder einer der o.g. Steckdosen basieren. Insbesondere kann das Kabel drei Adern aufweisen für ein AC-Laden und zwei Adern für ein DC-Laden und/oder ein Speisen des Energienetzes mit Energie aus dem mobilen Energiespeicher. Zusätzlich oder alternativ kann das Kabel einen Kommunikationskanal aufweisen, um eine drahtgebundene Kommunikation zu ermöglichen.
    • 1 - zeigt ein Blockschaltbild, welches den Betrieb einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
    • 2. - zeigt eine Anordnung zur Veranschaulichung des Betriebs einer Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und eines Kabels nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild, welches den Betrieb eines Systems mit einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform 102 der Erfindung veranschaulicht. Das System 100 umfasst eine Photovoltaikanlage 101, welche normalerweise einen Gleichstrom U1_DC an den Wechselrichter 103 liefert. Der Gleichstrom D1_DC wird durch den Wechselrichter in einen Wechselstrom U_AC umgewandelt und in ein Niederspannungsnetz, in diesem Fall das Heimnetz 104 eingespeist. Das Heimnetz ist zusätzlich an ein öffentliches Energienetz 105 angeschlossen, wobei insbesondere vom Heimnetz nicht benötigte Energie U2_AC aus der Photovoltaikanlage in das öffentliche Netz zurückgespeist werden kann. Selbstverständlich kann aus dem öffentlichen Energienetz auch Energie zur Speisung des Heimnetzes verwendet werden, wenn die Energie der Photovoltaikanlage nicht ausreicht, um den Energiebedarf des Heimnetzes zu decken.
  • Um die Energie aus der Photovoltaikanlage noch besser zu nutzen, kann ein Energiespeicher verwendet werden, der im Heimnetz fest angeordnet ist und in welchen Energie der Photovoltaikanlage gespeichert wird, wenn diese vom Heimnetz benötigt wird. Allerdings sind solche Energiespeicher teuer.
  • Eine Alternative dazu ist es, einen mobilen Energiespeicher zu verwenden. Dieser kann, wie in 1 gezeigt, ein mobiler Energiespeicher sein, welcher in einem Fahrzeug 107 angeordnet ist, um dieses elektrisch zu betreiben. Ein solches Fahrzeug kann, wie hier gezeigt, auch über das Heimnetz 104 aufgeladen werden. Zum Beispiel kann dies durch den Wechselstrom U1_AC des Heimnetzes erfolgen, wobei dann ein im Fahrzeug angeordneter Gleichrichter den aus dem Heimnetz bereitgestellten Wechselstrom U1_AC in einen Gleichstrom U3_DC umwandelt. Der Gleichrichter kann im vorliegenden Beispiel durch den Block 108 repräsentiert sein, wobei dieser dann im Fahrzeug 107 angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann bereits im Heimnetz oder durch einen am Heimnetz angeschlossenen Gleichrichter, welcher nicht zum Fahrzeug gehört, den vom Heimnetz bereitgestellten Wechselstrom U1_AC in einen Gleichstrom U1_DC zum Laden des mobilen Energiespeichers eingesetzt werden.
  • Um den mobilen Energiespeicher 107 des Fahrzeugs effizienter zu nutzen, insbesondere auch dann, wenn das Fahrzeug nicht benötigt wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung 102 eingesetzt. An die Vorrichtung kann sowohl der mobile Energiespeicher 107 angeschlossen werden als auch die Photovoltaikanlage 101. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet zwischen dem Gleichstrom U1_DC aus der Photovoltaikanlage sowie dem Gleichstrom U2_DC aus dem mobilen Energiespeicher umzuschalten und jeweils eine der Energien aus der Photovoltaikanlage und des mobilen Energiespeichers zum Speisen des Heimnetzes 104 zu verwenden. Zusätzlich können auch die Energien aus der Photovoltaikanlage 101 und aus dem mobilen Energiespeicher 107 gemeinsam durch die Vorrichtung 102 in das Heimnetz 104 gespeist werden. Die Vorrichtung 102 ist dazu eingerichtet einen Gleichstrom U_DC an dem bereits im Heimnetz befindlichen Wechselrichter 103 bereitzustellen. Der Wechselrichter transformiert die Energie, unabhängig davon, ob diese von der Photovoltaikanlage oder dem mobilen Energiespeicher kommt, in die Wechselspannung U_AC für das Heimnetz.
  • Um den Wechselrichter betreiben zu können, kann die Vorrichtung 102 ein Wecksignal emulieren, um den Wechselrichter von einem standby-Modus in einen Betriebsmodus zu überführen. Dieses Signal kommt normalerweise direkt von der Photovoltaikanlage, wenn diese nicht über die Vorrichtung 102 an den Wechselrichter 103 angeschlossen wird.
  • Darüber hinaus kann die Vorrichtung 102 Information zur Energieentnahme aus dem mobilen Energiespeicher 107 an den Wechselrichter 103 kommunizieren. Eine optimale Energieentnahme aus dem mobilen Energiespeicher 107 kann sich unterscheiden von einer optimalen Energie Entnahme aus der Photovoltaikanlage 101. Insbesondere können sich die Spannung-Strom-Kennlinien unterscheiden. Da der Wechselrichter 103 auf die Photovoltaikanlage eingerichtet ist, umfasst er allein Informationen zur Energieentnahme aus der Photovoltaikanlage, aber keine Information zum Betrieb des mobilen Energiespeichers 107. Diese Information wird von der Vorrichtung 102 bereitgestellt.
  • Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 102 eine Kommunikationsschnittstelle zum Empfang einer Sensorinformation SENSOR vom Heimnetzwerk104. Die Sensorinformation umfasst Information zum aktuellen Energiebedarf des Heimnetzwerkes 104. Mittels dieser Information kann die Vorrichtung 102 die Energieentnahme aus dem mobilen Energiespeicher so einstellen, dass genügend Energie aber nicht zu viel Energie aus dem mobilen Energiespeicher 107 des Kraftfahrzeugs entnommen wird, um das Heimnetzwerk 104 zu betreiben.
  • 2 zeigt eine Anordnung 200 zur Veranschaulichung des Betriebs einer Vorrichtung 202 nach einer Ausführungsform der Erfindung sowie eines Kabels 204 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Zunächst ist ein Set-up 200 eines modernen Haushalts dargestellt. Ein elektrisches Fahrzeug 206 ist über eine Wallbox 202 per Kabel 204 an ein Einfamilienhaus 203 angeschlossen und wird normalerweise durch das elektrische Netz des Einfamilienhauses geladen. Das Einfamilienhaus weist eine Photovoltaikanlage 201 auf, die Energie U1_DC für den elektrischen Energiebedarf des Einfamilienhauses 203 bereitstellt. Das Einfamilienhaus ist zusätzlich an ein öffentliches elektrisches Energienetz (nicht dargestellt) angeschlossen, in welches nicht benötigte Energie der Photovoltaikanlage eingespeist werden kann und zusätzlich Energie zum Speisen des elektrischen Energienetzes des Einfamilienhauses bereitgestellt wird, z.B. wenn die Photovoltaikanlage zu wenig Energie zur Deckung dieses Energiebedarfs liefert.
  • Nach der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung 202 als Wallbox ausgeführt. Die Vorrichtung 202 ist über das elektrische Energienetz des Einfamilienhauses an die Photovoltaikanlage sowie das öffentliche Energienetz angeschlossen und dazu eingerichtet, über das Kabel 204 einen Wechselstrom U1_AC oder einen Gleichstrom U3_DC zum Laden des mobilen Energiespeichers des Fahrzeugs 206 bereitzustellen.
  • Zusätzlich ist die Vorrichtung 202 dazu eingerichtet, Energie aus dem mobilen Energiespeicher des Fahrzeugs 206 zu entnehmen und diese über den Wechselrichter (nicht dargestellt) der Photovoltaikanlage in das Energienetz des Einfamilienhauses einzuspeisen. Diese Energie ist in diesem Fall der Gleichstrom U2_DC, der von dem mobilen Energiespeicher, in diesem Falle der Batterie des Fahrzeuges 206, bereitgestellt wird. Die Darstellung zeigt, dass mit nur einem einzigen Kabel Energie U2_DC aus dem mobilen Energiespeicher des Fahrzeugs 206 an das elektrische Energienetz des Einfamilienhauses bereitgestellt werden kann und zusätzlich Energie aus der Photovoltaikanlage direkt (DC-Laden) verwendet werden kann, um den mobilen Energiespeicher zu laden. Weiterhin kann über das Kabel das Fahrzeug aus dem Heimnetz geladen werden (DC-Laden oder AC-Laden), zum Beispiel mit Energie aus der Photovoltaikanlage, die zuvor durch ein Wechselrichter in einen Wechselstrom für das elektrische Energienetz des Einfamilienhauses umgewandelt wurde, oder mit Energie aus dem öffentlichen elektrischen Energienetz. Zusätzlich kann über das Kabel Information COM zwischen dem Heimnetz 203, dem nicht dargestellten Wechselrichter und/oder der Photovoltaikanlage 201 und dem mobilen Energiespeicher des Fahrzeugs 206 ausgetauscht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 200
    Betriebsumgebung der Erfindung
    101, 201
    Photovoltaikanlage
    102, 202
    Vorrichtung (Ausführungsform der Erfindung)
    103
    Wechselrichter
    104, 203
    Heimnetzwerk
    105
    öffentliches Energienetz
    107, 206
    Fahrzeug mit mobilem Energiespeicher
    108
    Ladegerät für den mobilen Energiespeicher
    204
    Kabel (Ausführungsform der Erfindung)
    205
    Signal und Energiekanäle des Kabels

Claims (17)

  1. Vorrichtung (102) zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energienetz (104), wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen einer Energie von einer ersten Energiequelle (101) und einer Energie aus einem mobilen Energiespeicher (107) umzuschalten.
  2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Energienetz (104) ein Niederspannungsnetz, insbesondere ein Heimnetz, ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Energiequelle (101) eine dezentrale Energiequelle ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mobile Energiespeicher (107) ein Hochvoltspeicher ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mobile Energiespeicher (107) in einem Fahrzeug angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Umschalten auf Basis eines vorgegebenen Parameters erfolgt, insbesondere zeit-, kapazitäts-, und/oder lastabhängig.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet einen vorgegebenen Zustand des mobilen Energiespeichers (107) zu vermeiden.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet den mobilen Energiespeicher (107) in einem vorgegebenen Zustand, insbesondere einem optimalen Zustand, zu betreiben.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet Informationen mit einer externen Vorrichtung, insbesondere dem Energienetz (104), der ersten Energiequelle (101) und/oder des mobilen Energiespeichers (107), auszutauschen.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet eine vorgegebene Leistungsvariable aus dem mobilen Energiespeicher (107) zu entnehmen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet mit einem Wechselrichter (103) zusammenzuwirken, insbesondere diesen zu aktivieren.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet den mobilen Energiespeicher (107) durch die erste Energiequelle (101) und/oder das Energienetz (104) zu laden.
  13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet eine Rückspeisung des mobilen Energiespeichers (107) in die erste Energiequelle (101) zu vermeiden.
  14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet zu steuern, ob der mobile Energiespeicher (107) geladen oder entladen wird.
  15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dazu eingerichtet an einen Schütz eines mobilen Energiespeichers (107) angeschlossen zu werden.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
  17. Kabel (204) zum Verbinden eines mobilen Energiespeichers (107) mit einem Energienetz (104) und einer ersten Energiequelle, insbesondere über eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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