DE102022109086A1

DE102022109086A1 - Ladestation und verfahren zum betreiben einer ladestation

Info

Publication number: DE102022109086A1
Application number: DE102022109086.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ortner
Original assignee: Keba Energy Automation GmbH
Current assignee: Keba Energy Automation GmbH
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2023-10-19
Also published as: WO2023198370A1

Abstract

Es wird eine Ladestation (1) zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers (2) eines Elektrofahrzeuges (3) mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation (1) koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes (7) vorgeschlagen. Die Ladestation (1) hat ein Gehäuse (8) umfassend einen Innenraum (9), in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (200 - 700), eine Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) und eine Steuereinheit (11) zum Steuern der Kühlvorrichtung (10) angeordnet sind. Dabei ist die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) in Abhängigkeit eines Modells (M) zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1) zu steuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System mit einer Mehrzahl von solchen Ladestationen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum Betreiben einer solchen Ladestation.
STAND DER TECHNIK
Das vorliegende technische Gebiet betrifft das Laden eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges. Hierzu beschreibt beispielsweise das Europäische Patent EP 2 882 607 B1 der Anmelderin eine Ladestation für Elektrofahrzeuge, mit wenigstens einer Eingangsschnittstelle zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einem ortsfesten Stromversorgungsnetz in die Ladestation, mit einer Anschlussbuchse zum Verbinden eines Ladesteckers eines Elektrofahrzeuges zur gesteuerten Abgabe von elektrischer Energie an das Elektrofahrzeug, mit einer Mehrzahl von elektrotechnischen Komponenten umfassend eine elektronische Steuervorrichtung zum Schalten, Messen oder Überwachen der aufgenommenen und/oder der abgegebenen elektrischen Energie, und mit einem die elektrotechnischen Komponenten umschließenden Gehäuse.
Bei Elektrofahrzeugen sind unterschiedliche Ladeverfahren bekannt, so gibt es Schnellladeverfahren, bei welchen die Ladestation dem Elektrofahrzeug Gleichspannung /-strom (DC) zur Verfügung stellt, oder aber auch Wechselstromladeverfahren, wobei dem Elektrofahrzeug einphasig oder mehrphasig, insbesondere zweiphasig oder dreiphasig, Wechselstrom (AC) zur Verfügung gestellt wird, welchen das ladende Fahrzeug mittels einem eingebauten AC/DC Wandler in Gleichstrom für den zu ladenden Energiespeicher umwandelt. Bei den Wechselstromladeverfahren kontrolliert eine Ladelogik des Fahrzeugs oder des Energiespeichers den Ladevorgang.
Weitere herkömmliche Ladestationen sind aus den Dokumenten EP 3 664 244 A1 , EP 3 729 593 A1 , DE 11 2013 007 137 T5 , EP 2 465 176 B1 , DE 10 2016 212 135 A1 , DE 10 2017 100 138 A1 , WO 2020/167132 A1 und DE 10 2009 060 364 A1 bekannt.
Im Betrieb einer Ladestation, beispielsweise einer DC-Ladestation, entwickeln die verbauten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten eine nicht unwesentliche Abwärme. Jede Abweichung der Temperatur in einem definierten Bereich reduziert aber die Lebensdauer der jeweiligen Komponente.
Zum Kühlen der in dem Innenraum verbauten Komponenten kann eine Ladestation eine Kühleinheit aufweisen, welche aktiviert wird, wenn Temperatursensoren das Überschreiten einer definierten Grenztemperatur messen. Bis die Temperatur jedoch den Temperatursensor erreicht hat, ist die Quelle der Temperaturerwärmung, beispielsweise eine bestimmte elektrische Komponente, bereits wesentlich wärmer. Bis nun die aktivierte Kühlung zu wirken beginnt und die Überschusswärme aus den besonders erwärmten Zonen, insbesondere im Bereich der Quelle, ausgebracht sind, kann bereits eine gewisse Schädigung erfolgt sein. Bei fortschreitender Nutzungsdauer führt diese Schädigung nachteiligerweise wiederum zu einer Reduktion der Lebensdauer der Ladestation.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges zu schaffen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 12, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes vorgeschlagen. Die Ladestation umfasst ein Gehäuse umfassend einen Innenraum, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten, eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums und eine Steuereinheit zum Steuern der Kühlvorrichtung angeordnet sind. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums in Abhängigkeit eines Modells zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation zu steuern.
Durch die Verwendung des vorliegenden Modells, welches die Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers modelliert, können der Innenraum des Gehäuses und damit die darin verbauten Komponenten derart vortemperiert werden, dass die Lebensdauer der verbauten Komponenten verlängert wird. Durch die höhere Lebensdauer von Einzelkomponenten der Ladestation ergibt sich in weiterer Folge auch eine höhere Lebensdauer des Gesamtsystems Ladestation. Des Weiteren können die verbauten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten vorzugsweise teilweise kleiner dimensioniert werden. Durch den optimierten Einsatz der Kühlvorrichtung unter Verwendung des vorliegenden Modells werden auch die Betriebskosten der Ladestation veringert. Durch die Verwendung des vorliegenden Modells kann auch die bei der Kühlung und/oder beim Betrieb der Ladestation entstehende Geräuschkulisse reduziert werden.
Insbesondere kann die Kühlvorrichtung unter Verwendung des vorliegenden Modells schon dann aktiviert werden, bevor das Überschreiten einer definierten Grenztemperatur im Innenraum des Gehäuses tatsächlich gemessen wird. Bis die gemessene Temperatur tatsächlich den Temperatursensor erreicht, ist die Quelle der Wärmeentwicklung, besonders bei hohen Lasten, bereits wesentlich wärmer. Würde man erst dann die Kühlvorrichtung aktivieren, um das Kühlen zu beginnen, könnte bereits eine gewisse Schädigung von Komponenten erfolgen, insbesondere über die Zeit. Dies wird vorteilhafterweise vorliegend verhindert.
Die Ladestation kann auch als Ladeanschlussvorrichtung bezeichnet werden. Die Ladestation ist insbesondere als Wallbox ausgebildet. Die Ladestation ist zum Aufladen bzw. Regenerieren des Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges geeignet, indem die Ladestation über ihre Anschlussbuchse und den Ladestecker des Elektrofahrzeuges mit dem Energiespeicher bzw. der Ladeelektronik des Elektrofahrzeuges elektrisch verbunden wird. Die Ladestation agiert dabei als Bezugsquelle für elektrische Energie für das Elektrofahrzeug, wobei die elektrische Energie in einen Energiespeicher des Elektrofahrzeuges mittels Anschlussbuchse und Ladestecker übertragen werden kann. Die Ladestation kann auch als intelligente Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge bezeichnet werden.
Das Gehäuse ist insbesondere ein wasserdichtes Gehäuse. Beispiele für die in dem Innenraum des Gehäuses angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der Ladestation umfassen Schütz, AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler, Allstromsensitiver-Schutzschalter, Gleich-, Über- und Fehlerstrom-Überwachungsvorrichtung, Relais, Anschlussklemme, elektronische Schaltkreise und eine Steuervorrichtung, beispielsweise umfassend eine Leiterplatte, auf welcher eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen zum Steuern und/oder Messen und/oder Überwachen der Energiezustände an der Ladestation bzw. im verbundenen Elektrofahrzeug angeordnet sind. Die Steuereinheit zum Steuern der Kühlvorrichtung ist vorzugsweise Teil der Steuervorrichtung.
Der AC/DC-Wandler kann auch als Umrichter bezeichnet werden. Der AC/DC-Wandler ist insbesondere zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung eingerichtet. Die Ladestation umfasst insbesondere einen dem Umrichter nachgeschalteten Zwischenkreis mit einer Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren, die mit einem Zwischenkreismittelpunkt verbunden sind.
Das ein- oder mehrphasige Netz ist beispielsweise ein mehrphasiges Teilnehmernetz. Das ein- oder mehrphasige Netz kann auch ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz sein. Das mehrphasige Netz hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise L1, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter (auch bezeichnet mit N).
Es sei angemerkt, dass das „Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers“ sowohl ein Zuführen von elektrischer Energie als auch ein Entnehmen von elektrischer Energie umfasst. Das heißt, dass der Energiespeicher als Verbraucher oder als Erzeuger in dem Teilnehmernetz wirken kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Speichereinheit zum Speichern des Modells zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation. Die Speichereinheit kann beispielsweise einen RAM-Speicher, einen ROM-Speicher und/oder einen EEPROM-Speicher aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums in Abhängigkeit des Modells zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation proaktiv mittels des Modells anzusteuern.
Durch das proaktive Ansteuern der Kühlvorrichtung wird erreicht, dass schon frühzeitig der Innenraum des Gehäuses vortemperiert wird, um so die Lebensdauer der in dem Innenraum verbauten Komponenten zu optimieren. Proaktiv heißt in diesem Zusammenhang insbesondere bevor eine bestimmte Grenztemperatur einer verbauten Komponente überschritten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Anzahl von Temperatursensoren zum jeweiligen Bereitstellen eines für eine Temperatur in dem Innenraum indikativen Temperaturwerts. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums in Abhängigkeit des Modells und zumindest eines bereitgestellten Temperaturwerts anzusteuern.
Durch die Verwendung aktueller Temperaturen, gemessen insbesondere an verschiedenen Orten in dem Innenraum des Gehäuses, und des vorliegenden Modells wird die Vortemperierung in dem Innenraum der Ladestation optimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das in der Speichereinheit gespeicherte Modell in Abhängigkeit einer Mehrzahl von bereitgestellten Temperaturwerten der Anzahl von Temperatursensoren zu ändern.
Gemäß dieser Ausführungsform hat die Steuereinheit die Eignung, das gespeicherte Modell zu ändern beziehungsweise über die Zeit anzupassen. Hierbei kann insbesondere auch von einem dynamisch anpassbaren Modell zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation gesprochen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anzahl von Temperatursensoren eine erste Anzahl von in dem Innenraum des Gehäuses angeordneten Temperatursensoren und/oder eine zweite Anzahl von außen an dem Gehäuse angebrachten Temperatursensoren. Bei dieser Ausführungsform können nicht nur Temperaturen innerhalb des Gehäuses und Temperaturen außerhalb des Gehäuses, sondern auch Temperaturgradienten zwischen innen und außen berücksichtigt werden, so dass die Vortemperierung in dem Innenraum für die verbauten Komponenten weiter optimiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform modelliert das Modell zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation eine Wärmeentwicklung zumindest einer Teilmenge der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der Ladestation unter Verwendung von Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten beim Laden und/oder Entladen.
Bei dieser Ausführungsform werden bei dem Modell insbesondere die Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten beim Laden und/oder Entladen durch die Ladestation berücksichtigt. Aus der jeweiligen Stromkurve der elektrischen Ströme ist eine entsprechende Wärmeentwicklung der entsprechenden Komponente ableitbar, so dass das Modell weiter optimiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform modelliert das Modell zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation eine Wärmeentwicklung zumindest einer Teilmenge der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der Ladestation unter Verwendung von Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten beim Laden und/oder Entladen und unter Verwendung einer aus einer Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug abgeleiteten Ladedauer oder Entladedauer.
Bei dieser Ausführungsform berücksichtigt das Modell nicht nur die Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten beim Laden und/oder Entladen, sondern auch eine aktuelle Ladedauer oder Entladedauer, abgeleitet aus der Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug. Durch die Implementierung der ISO 15118 kennt die Ladestation auf der Basis der Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug die anstehende Ladedauer oder Entladedauer. Hierdurch und mit Hilfe zusätzlicher Temperatursensoren, insbesondere auch für die Außentemperatur, kann zusätzlich abgeleitet werden, wie sehr sich die Komponenten in dem Innenraum der Ladestation erwärmen. Um dieser Erwärmung entgegenzuwirken, kann bereits frühzeitig begonnen werden, durch Aktivierung der Kühlvorrichtung den Innenraum zu kühlen, insbesondere bevor die Erwärmung der Komponenten tatsächlich eintritt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung ein flüssiges Kühlmittel und eine Kühlmediumspumpe zur Zirkulation des flüssigen Kühlmittels. Zum Beispiel ist der gesamte Innenraum der Ladestation mit dem flüssigen Kühlmittel befüllt und die Zirkulation wird durch eine Umwälzpumpe realisiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung einen Ventilator und eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Gehäuse.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung ein Kühlaggregat aufweisend ein bestimmtes Kühlmittel. Das Kühlmittel ist insbesondere gasförmig oder flüssig und zum Abtransport von Wärme geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung einen Ventilator, eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Gehäuse sowie ein Kühlaggregat aufweisend ein bestimmtes Kühlmittel.
Die Steuereinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardware-technischen Implementierung kann die Steuereinheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor oder als Steuervorrichtung ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Steuereinheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ladestation eine transformatorlose Ladestation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind eine EMV-Filtereinrichtung und eine der EMV-Filtereinrichtung nachgeschaltete LCL-Filtereinrichtung zwischen drei netzseitigen Anschlussklemmen für die drei Phasen des mehrphasigen Netzes und dem AC/DC-Wandler gekoppelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Anschlussbuchse mit einer Anzahl von Kopplungspunkten zum Anschließen eines Ladekabels. Das Ladekabel verbindet insbesondere das Elektrofahrzeug oder den Energiespeicher des Elektrofahrzeuges mit der Anschlussbuchse und ist zum Übertragen des Ladestroms eingerichtet.
Die Anschlussbuchse kann weitere Kopplungspunkte aufweisen, beispielsweise um einen Schutzleiter und/oder einen oder mehrere Signal- oder Datenübertragungs-Leiter zu verbinden. Die Anschlussbuchse kann derart ausgestaltet sein, dass diese mit unterschiedlichen Spezifikationen kompatibel ist, insbesondere kann die Anschlussbuchse abwärtskompatibel sein, das heißt, dass sie beispielsweise mit einem Ladekabel zum einphasigen, zweiphasigen oder auch dreiphasigen Laden koppelbar ist. In Ausführungsformen kann die Ladestation mehrere Anschlussbuchsen für unterschiedlich ausgestaltete Ladekabel aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladestation ein Kommunikationsmodul, welches dazu eingerichtet ist, gemäß einer High-Level-Communication, insbesondere gemäß dem ISO 15118 Standard oder einem vergleichbaren Kommunikationsverfahren, mit dem Elektrofahrzeug zu kommunizieren. Das Kommunikationsmodul ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen Ladeplan mit einer Ladeelektronik des mit der Ladestation gekoppelten Elektrofahrzeuges auszuhandeln.
Das Aushandeln erfolgt beispielsweise wie in der ISO 15118 beschrieben. Beispielsweise fragt die Ladeelektronik des Energiespeichers eine bestimmte Ladeleistung über das Kommunikationsmodul bei der Ladestation an und die Ladestation, beispielsweise eine Steuervorrichtung der Ladestation, ermittelt, ob die angefragte Ladeleistung bereitstellbar ist. Hierbei werden insbesondere ein aktueller Zustand des Teilnehmernetzes und/oder des Energieversorgungsnetzes berücksichtigt. Wenn die angefragte Ladeleistung nicht bereitstellbar ist, kann die Ladestation über das Kommunikationsmodul einen „Gegenvorschlag“ machen, welcher von der Ladeelektronik des Energiespeichers angenommen werden kann oder aber die Ladeelektronik stellt erneut eine eigene Anfrage. Auf diese Weise kommunizieren die Ladestation und die Ladeelektronik, bis der Ladeplan ausgehandelt ist. Das Aushandeln des Ladeplans kann Teil des Kopplungsvorgangs sein, wenn ein Energiespeicher neu mit der Ladestation verbunden wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Leistungsschaltvorrichtung zum sicheren Trennen der Anzahl von Ausgangsleitern von dem mehrphasigen Teilnehmernetz. Die Leistungsschaltvorrichtung kann als ein elektro-mechanisches Element, wie beispielsweise ein Schütz oder ein Vierphasen-Relais, ausgebildet sein. Die Leistungsschaltvorrichtung kann individuell für eine jeweilige Phase des mehrphasigen Teilnehmernetzes und/oder für einen jeweiligen Ausgangsleiter der Schaltmatrix ausgebildet und ansteuerbar sein, so dass sich beispielsweise einzelne Zuordnungen mittels der Leistungsschaltvorrichtung unterbrechen lassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein System mit einer Mehrzahl N von Ladestationen vorgeschlagen (mit N >_ 2), wobei die jeweilige Ladestation gemäß dem ersten Aspekt oder einer der Ausführungsformen des ersten Aspekts ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung sind die N Ladestationen mittels einer Sternschaltung mit einem einzigen Leitungsschutzschalter verbunden, welcher mit dem Netzanschlusspunkt gekoppelt ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes vorgeschlagen. Dabei umfasst die Ladestation ein Gehäuse mit einem Innenraum, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten, eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums und eine Steuereinheit zum Steuern der Kühlvorrichtung angeordnet sind. Bei dem Verfahren wird die Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums in Abhängigkeit eines Modells zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums der Ladestation gesteuert.
Dieses Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, die zu der Ladestation gemäß dem ersten Aspekt erläutert sind. Die für die vorgeschlagene Ladestation beschriebenen Ausführungsformen gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend. Weiterhin gelten die Definitionen und Erläuterungen zu der Ladestation auch für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
„Ein“ ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl von Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer ersten Ausführungsform einer Ladestation und einem Elektrofahrzeug;
2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges;
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges;
4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges; und
5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer ersten Ausführungsform einer Ladestation 1 und einem elektrischen Energiespeicher 2 eines Elektrofahrzeuges 3. Die Ladestation 1 kann als AC-Ladestation oder als DC-Ladestation ausgebildet sein.
In dem Beispiel der 1 ist ein mehrphasiges Teilnehmernetz 4 mittels eines Netzanschlusspunktes 6 an ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz 7 angeschlossen. Das mehrphasige Teilnehmernetz 4 hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise L1, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter. Es handelt sich in diesem Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils um dreiphasige Stromnetze. Das Elektrofahrzeug 2 ist mittels eines Ladekabels 5, das mit einer Anschlussbuchse (nicht gezeigt) der Ladestation 1 verbunden ist, mit der Ladestation 1 gekoppelt.
Die Ladestation 1 kann eine Anzahl elektrischer und/oder elektronischer Komponenten aufweisen (nicht dargestellt in 1, siehe zum Beispiel in 2) und ist zum Laden und/oder Entladen des Energiespeichers 2 des Elektrofahrzeuges 3 mit elektrischer Energie mittels des mit der Ladestation 1 gekoppelten mehrphasigen Teilnehmernetzes 4 eingerichtet.
Außerdem umfasst die Ladestation 1 vorzugsweise ein Kommunikationsmodul (nicht gezeigt). Das Kommunikationsmodul ist dazu eingerichtet ist, gemäß einer High-Level-Communication, insbesondere gemäß dem ISO 15118 Standard, mit dem Elektrofahrzeug 3 zu kommunizieren. Das Kommunikationsmodul ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen Ladeplan mit einer Ladeelektronik des mit der Ladestation 1 gekoppelten Elektrofahrzeuges 3 auszuhandeln.
Das Aushandeln erfolgt beispielsweise wie in der ISO 15118 beschrieben. Beispielsweise fragt die Ladeelektronik des Energiespeichers 2 eine bestimmte Ladeleistung über das Kommunikationsmodul bei der Ladestation 1 an und die Ladestation 1 ermittelt, ob die angefragte Ladeleistung bereitstellbar ist. Hierbei werden insbesondere ein aktueller Zustand des Teilnehmernetzes 4 und/oder des Energieversorgungsnetzes 7 berücksichtigt. Wenn die angefragte Ladeleistung nicht bereitstellbar ist, kann die Ladestation 1 über das Kommunikationsmodul einen „Gegenvorschlag“ machen, welcher von der Ladeelektronik des Energiespeichers 2 angenommen werden kann oder aber die Ladeelektronik stellt erneut eine eigene Anfrage. Auf diese Weise kommunizieren die Ladestation 1 und die Ladeelektronik des Energiespeichers 2, bis der Ladeplan ausgehandelt ist. Das Aushandeln des Ladeplans kann Teil des Kopplungsvorgangs sein, wenn ein Energiespeicher 2 neu mit der Ladestation 1 verbunden wird.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Ladestation 1 zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers 2 eines Elektrofahrzeuges 3. Die zweite Ausführungsform der 2 umfasst alle Merkmale der ersten Ausführungsform nach 1.
Die Ladestation 1 der 2 hat drei Anschlussklemme 101, 102, 103 für die drei Phasen L1, L2, L3 des mehrphasigen Netzes 4. Insbesondere hat die Ladestation 1 auch eine weitere Anschlussklemme (nicht gezeigt) für den Neutralleiter.
Die Ladestation 1 der 2 umfasst ferner ein Gehäuse 8 aufweisend einen Innenraum 9, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 200 - 700, eine Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen des Innenraums 9 und eine Steuereinheit 11 zum Steuern der Kühlvorrichtung 10 angeordnet sind.
Eine der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 200 - 700 ist eine EMV-Filtervorrichtung 200, welche den Anschlussklemmen 101, 102, 103 nachgeschaltet ist. Des Weiteren umfassen die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 200 - 700 der 2 eine der EMV-Filtervorrichtung 200 nachgeschaltete LCL-Filtervorrichtung 300, einen AC/DC-Wandler 400, einen Zwischenkreis 500, einen DC/DC-Wandler 600 sowie einen Ausgangszwischenkreis 700, an dem ein negativer Ausgangspotenzialabgriff 701 und ein positiver Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sind.
Insbesondere kann eine EMV-Filtereinrichtung (nicht gezeigt) zwischen dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sein.
Die Kühlvorrichtung 10 der 2 umfasst beispielsweise einen Ventilator 13 und eine Mehrzahl von Öffnungen 14 in dem Gehäuse 8. Insbesondere sind mehrere Öffnungen 14 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 8 angeordnet, und der Ventilator 13 ist zwischen diesen Öffnungen 14 angeordnet, so dass sich ein geeigneter Luftstrom zur Kühlung ausbilden kann.
Die Steuereinheit 11 ist dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen des Innenraums 9 mittels eines Steuersignals S in Abhängigkeit eines Modells M zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums 9 der Ladestation 1 anzusteuern. Hierzu umfasst die Ladestation 1 der 2 eine Speichereinheit 12, welche dazu eingerichtet ist, das Modell M zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums 9 zu speichern. Insbesondere ist die Steuereinheit 11 dabei dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen des Innenraums 9 in Abhängigkeit des Modells M proaktiv mittels des Modells M anzusteuern.
Dabei modelliert das Modell M zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums 9 der Ladestation 1 vorzugsweise eine Wärmeentwicklung zumindest einer Teilmenge der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten 200 - 700 der Ladestation 1. Hierbei werden insbesondere die Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten 200 - 700 beim Laden und/oder Entladen verwendet. Das Modell M verwendet vorzugsweise die Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten 200 - 700 beim Laden und/oder Entladen und zusätzlich eine aus einer Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug 3 abgeleitete Ladedauer oder Entladedauer.
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer Ladestation 1. Die dritte Ausführungsform der 3 umfasst alle Merkmale der zweiten Ausführungsform nach 2 und zusätzlich eine Anzahl von Temperatursensoren 15 zum jeweiligen Bereitstellen eines für eine Temperatur in dem Innenraum 9 indikativen Temperaturwerts T. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit zeigt die 3 einen Temperatursensor 15. Selbstverständlich können in dem Innenraum 9 des Gehäuses 8 mehrere Temperatursensoren 15 an mehreren Stellen des Innenraums 9 angeordnet sein, wobei der jeweilige Temperatursensor 15 einen jeweiligen Temperaturwert T bereitstellt. Dabei ist die Steuereinheit 11 dazu eingerichtet, die Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen des Innenraums 9 in Abhängigkeit des Modells M und des zumindest einen bereitgestellten Temperaturwerts T anzusteuern.
Insbesondere umfasst die Anzahl von Temperatursensoren 15 eine erste Anzahl von in dem Innenraum 9 des Gehäuses 8 angeordneten Temperatursensoren und eine zweite Anzahl von außen an dem Gehäuse 8 angebrachten Temperatursensoren (nicht gezeigt).
Insbesondere kann die Steuereinheit 11 auch dazu eingerichtet sein, das in der Speichereinheit 12 gespeicherte Modell M in Abhängigkeit einer Mehrzahl von bereitgestellten Temperaturwerten T der Anzahl von Temperatursensoren 15 zu ändern beziehungsweise über die Zeit anzupassen. Damit kann das Modell M auch als ein über die Zeit dynamisch anpassbares Modell M ausgebildet werden.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer Ladestation 1. Die vierte Ausführungsform nach 4 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen in der Ausgestaltung der Kühlvorrichtung 10. Die Kühlvorrichtung 10 der 4 umfasst ein Kühlaggregat 16, welches ein bestimmtes Kühlmittel aufweist. Das Kühlmittel ist insbesondere gasförmig oder flüssig und zum Abtransport von Wärme geeignet. Außerdem ist es möglich, eine Kühlvorrichtung 10 einzusetzen, welche sowohl einen Ventilator 13 mit einer Mehrzahl zugeordneter Öffnungen 14 in dem Gehäuse 8 als auch ein Kühlaggregat 16 umfasst.
Ferner zeigt die 5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Ladestation 1 zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers 2 eines Elektrofahrzeuges 3 mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation 1 koppelbaren mehrphasigen Netzes 4. Die Ladestation 1 ist beispielsweise wie in den vorstehenden Figuren erläutert ausgebildet.
Im Schritt S1 wird die Ladestation 1 zum Laden und/oder Entladen des Energiespeichers 2 des Elektrofahrzeugs 3 betrieben.
In Schritt S2 wird die Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen des Innenraums 9 in Abhängigkeit eines Modells M zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums 9 der Ladestation 1 gesteuert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Ladestation
2: Energiespeicher
3: Elektrofahrzeug
4: Teilnehmernetz
5: Ladekabel
6: Netzanschlusspunkt
7: Energieversorgungsnetz
8: Gehäuse
9: Innenraum
10: Kühlvorrichtung
11: Steuereinheit
12: Speichereinheit
13: Ventilator
14: Öffnung im Gehäuse
15: Temperatursensor
16: Kühlaggregat mit Kühlmittel
101: Anschlussklemme
102: Anschlussklemme
103: Anschlussklemme
200: EMV-Filtervorrichtung
300: LCL-Filtervorrichtung
400: AC/DC-Wandler
500: Zwischenkreis
600: DC/DC-Wandler
700: Ausgangszwischenkreis
701: Ausgangspotentialabgriff
702: Ausgangspotentialabgriff
M: Modell
S: Steuersignal
S1: Verfahrensschritt
S2: Verfahrensschritt
T: Temperaturwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2882607 B1 [0002]
EP 3664244 A1 [0004]
EP 3729593 A1 [0004]
DE 112013007137 T5 [0004]
EP 2465176 B1 [0004]
DE 102016212135 A1 [0004]
DE 102017100138 A1 [0004]
WO 2020/167132 A1 [0004]
DE 102009060364 A1 [0004]

Claims

Ladestation (1) zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers (2) eines Elektrofahrzeuges (3) mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation (1) koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes (7), mit: einem Gehäuse (8) umfassend einen Innenraum (9), in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (200 - 700), eine Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) und eine Steuereinheit (11) zum Steuern der Kühlvorrichtung (10) angeordnet sind, wobei die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, die Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) in Abhängigkeit eines Modells (M) zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1) zu steuern.
Ladestation nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Speichereinheit (12) zum Speichern des Modells (M) zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1).
Ladestation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, die Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) in Abhängigkeit des Modells (M) zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1) proaktiv mittels des Modells (M) anzusteuern.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Temperatursensoren (15) zum jeweiligen Bereitstellen eines für eine Temperatur in dem Innenraum (9) indikativen Temperaturwerts (T), wobei die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, die Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) in Abhängigkeit des Modells (M) und zumindest eines bereitgestellten Temperaturwerts (T) anzusteuern.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, das in der Speichereinheit (12) gespeicherte Modell (M) in Abhängigkeit einer Mehrzahl von bereitgestellten Temperaturwerten (T) der Anzahl von Temperatursensoren (15) zu ändern.
Ladestation nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Temperatursensoren (15) eine erste Anzahl von in dem Innenraum (9) des Gehäuses (8) angeordneten Temperatursensoren und/oder eine zweite Anzahl von außen an dem Gehäuse (8) angebrachten Temperatursensoren (15) umfasst.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (M) zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1) eine Wärmeentwicklung zumindest einer Teilmenge der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (200 - 700) der Ladestation (1) unter Verwendung von Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten (200 - 700) beim Laden und/oder Entladen modelliert.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (M) zur Modellierung der Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1) eine Wärmeentwicklung zumindest einer Teilmenge der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (200 - 700) der Ladestation (1) unter Verwendung von Stromkurven der elektrischen Ströme der Komponenten (200 - 700) beim Laden und/oder Entladen und unter Verwendung einer aus einer Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug (3) abgeleiteten Ladedauer oder Entladedauer modelliert.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Kommunikationsmodul, welches dazu eingerichtet ist, gemäß einer High-Level-Communication, insbesondere gemäß dem ISO 15118 Standard, mit dem Elektrofahrzeug (3) zu kommunizieren, insbesondere einen Ladeplan mit einer Ladeelektronik des mit der Ladestation (1) gekoppelten Elektrofahrzeuges (3) auszuhandeln.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) einen Ventilator (13) und eine Mehrzahl von Öffnungen (14) in dem Gehäuse (8) umfasst.
Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (10) ein Kühlaggregat (16) aufweisend ein bestimmtes Kühlmittel umfasst.
System mit einer Mehrzahl N von Ladestationen (1), wobei die jeweilige Ladestation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Ladestation (1) zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers (2) eines Elektrofahrzeuges (3) mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation (1) koppelbaren ein- oder mehrphasigen Netzes (7), wobei die Ladestation (1) ein Gehäuse (8) umfassend einen Innenraum (9) aufweist, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (200 - 700), eine Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) und eine Steuereinheit (11) zum Steuern der Kühlvorrichtung (10) angeordnet sind, mit: Steuern (S2) der Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen des Innenraums (9) in Abhängigkeit eines Modells (M) zur Modellierung einer Temperatur-Entwicklung des Innenraums (9) der Ladestation (1).
Computerprogrammprodukt, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13 veranlasst.