DE102022131125A1 - Flexible splittable DC charging system - Google Patents

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Klaus-Dieter Kleibaumhüter
Jochen Bechtler
Frank Heynig
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsladesystem (1) für elektrische Fahrzeuge, wobei das Gleichspannungsladesystem eingangsseitig einen Anschluss an ein Wechselspannungsnetz (4) aufweist und ausgangsseitig einen Gleichspannungsanschluss zum Laden der elektrischen Fahrzeuge aufweist, wobei aus der netzseitigen Wechselspannung mittels eines Gleichrichters (2) und eines Gleichspannungswandlers (3) ausgangsseitig eine Gleichspannung erzeugt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Gleichspannungswandler (3) und der Gleichrichter (2) als separate Einheiten in separaten Gehäusen untergebracht sind und dass die separaten Gehäuse des separaten Gleichspannungswandlers (8) und des separaten Gleichrichters (7) über einen Gleichspannungsanschluss verfügen, über den der separate Gleichrichter (7) und der separate Gleichspannungswandler (8) mit einem Kabel verbindbar sind.The invention relates to a DC charging system (1) for electric vehicles, wherein the DC charging system has a connection to an AC voltage network (4) on the input side and a DC voltage connection on the output side for charging the electric vehicles, the AC voltage being drawn from the network side by means of a rectifier (2) and a DC voltage converter (3) a direct voltage is generated on the output side. The invention is characterized in that the DC-DC converter (3) and the rectifier (2) are accommodated as separate units in separate housings and that the separate housings of the separate DC-DC converter (8) and the separate rectifier (7) have a DC voltage connection, via which the separate rectifier (7) and the separate DC-DC converter (8) can be connected with a cable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichspannungsladesystem für elektrische Fahrzeuge, wobei das Gleichspannungsladesystem eingangsseitig einen Anschluss an ein Wechselspannungsnetz aufweist und ausgangsseitig einen Gleichspannungsanschluss zum Laden der elektrischen Fahrzeuge aufweist und wobei aus der netzseitigen Wechselspannung mittels eines Gleichrichters und eines Gleichspannungswandlers ausgangsseitig eine gewünschte Gleichspannung erzeugt wird.The present invention relates to a DC charging system for electric vehicles, wherein the DC charging system has a connection to an AC voltage network on the input side and a DC voltage connection on the output side for charging the electric vehicles, and a desired DC voltage is generated on the output side from the AC voltage on the network side by means of a rectifier and a DC voltage converter.

Derartige Gleichspannungsladesysteme für elektrische Fahrzeuge kommen immer dann zum Einsatz, wenn ein elektrisches Fahrzeug, dessen Akku und elektrisches Antriebssystem mit Gleichspannung arbeitet, mit elektrischer Energie versorgt werden soll, welche einem Wechselspannungsnetz entnommen wird. Ein derartiges Gleichspannungsladesystem insbesondere im privaten Raum wie in Häusern und in Bürogebäuden wird üblicherweise als DC-Wallbox bezeichnet und dient dazu, aus der netzseitigen Wechselspannung eine gewünschte ausgangsseitige Gleichspannung zu erzeugen. Dazu sind in der DC-Wallbox ein Gleichrichter vorhanden, welcher aus der netzseitigen Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, sowie ein Gleichspannungswandler, welcher die gewünschte Gleichspannung ausgangsseitig erzeugt. Der Gleichspannungswandler hat dabei die Wirkung, das Elektroauto während des Ladevorgangs vom Potenzial des Wechselspannungsnetzes zu entkoppeln. Der Gleichrichter und der Gleichspannungswandler sind dabei auf die maximale Abgabeleistung ausgelegt, welche die DC-Wallbox in der Lage ist abzugeben. Bei einem Bürogebäude oder einem Parkplatz, bei dem mehrere DC-Wallboxen aufgestellt sind, um mehrere Elektrofahrzeuge mit Gleichspannung zu laden, führt dies dazu, dass sämtliche DC-Wallboxen auf die maximale Abgabeleistung in allen ihren Komponenten ausgelegt sind, obwohl dies gar nicht erforderlich ist, da die maximale Abgabeleistung für alle DC-Wallboxen immer unter der maximalen Abgabeleistung des Netzanschlusses an das Wechselspannungsnetzes liegen muss. Sobald diese maximale Abgabeleistung des Wechselspannungsnetzes erreicht ist, muss bei mehreren DC-Wallboxen über ein Lastmanagementsystem sichergestellt werden, dass die Abgabeleistung sämtlicher DC-Wallboxen nicht über der maximalen, vertraglich geregelten Abgabeleistung des Wechselspannungsnetzes liegt. Dies schreiben die Energieversorger vor, um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden.Such DC charging systems for electric vehicles are always used when an electric vehicle, whose battery and electric drive system works with DC voltage, is to be supplied with electrical energy which is taken from an AC voltage network. Such a DC charging system, particularly in private spaces such as houses and office buildings, is usually referred to as a DC wallbox and is used to generate a desired output DC voltage from the AC voltage on the network side. For this purpose, the DC wallbox contains a rectifier, which generates a DC voltage from the AC voltage on the mains side, and a DC-DC converter, which generates the desired DC voltage on the output side. The DC-DC converter has the effect of decoupling the electric car from the potential of the AC voltage network during the charging process. The rectifier and the DC-DC converter are designed for the maximum output power that the DC wallbox is capable of delivering. In an office building or a parking lot where several DC wallboxes are set up to charge several electric vehicles with DC voltage, this means that all DC wallboxes are designed for the maximum output power in all their components, even though this is not necessary , because the maximum output power for all DC wallboxes must always be below the maximum output power of the mains connection to the AC voltage network. As soon as this maximum output power of the AC voltage network has been reached, if there are several DC wallboxes, a load management system must be used to ensure that the output power of all DC wallboxes does not exceed the maximum, contractually regulated output power of the AC voltage network. The energy suppliers stipulate this in order to avoid overloading the network.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Gleichspannungsladesystem für elektrische Fahrzeuge zu schaffen, welches kostengünstiger aufgebaut ist, wenn mehrere Abgabepunkte zur Ladung mehrerer elektrischer Fahrzeuge vorhanden sind.Against this background, the task is to create a DC charging system for electric vehicles, which is constructed more cost-effectively if there are several delivery points for charging several electric vehicles.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved according to the invention by patent claim 1. Advantageous embodiments of the present invention result from the dependent claims, the description and the figures.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Gleichspannungswandler und der Gleichrichter als separate Einheiten in separaten Gehäusen untergebracht sind und dass die separaten Gehäuse des separaten Gleichspannungswandlers und des separaten Gleichrichters über einen Gleichspannungsanschluss verfügen, über den der separate Gleichrichter und der separate Gleichspannungswandler mit einem Kabel verbindbar sind. Auf diese Art und Weise sind der Gleichspannungswandler und der Gleichrichter auftrennbar ausgeführt, und bei mehreren DC-Wallboxen ist es möglich, mit einem Gleichrichter bei mehreren Gleichspannungswandlern auszukommen, da die maximale Abgabeleistung vom Wechselspannungsnetz vorgegeben ist. Hier machen insbesondere die elektrischen Energieversorger klare Vorgaben, folglich muss hier nur der Gleichrichter einmal auf die maximale vertraglich zugesicherte Abgabeleistung des Netzes ausgelegt werden und ansonsten sind für die Ladepunkte der elektrischen Fahrzeuge ausschließlich Gleichspannungswandler vorhanden, welche alle an den einen Gleichrichter angeschlossen sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo für jeden Ladepunkt eines elektrischen Fahrzeugs eine komplette DC-Wallbox aus Gleichspannungswandler und Gleichrichter vorhanden ist, können so hier viele Gleichrichter eingespart werden, da ein Gleichrichter ausreicht, der mehrere Gleichspannungswandler versorgt. Diese Aufteilung hat weiterhin den Vorteil, dass zwischen den Gleichspannungswandlern und dem Gleichrichter Kabel mit Gleichspannung verlegt werden, welche eine geringere Verlustleistung haben als Kabel mit Wechselspannung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Ladepunkt in seiner Bauraumgröße reduziert ist, da dort nur noch der Gleichspannungswandler verbaut werden muss.The present invention is characterized in that the DC-DC converter and the rectifier are housed as separate units in separate housings and that the separate housings of the separate DC-DC converter and the separate rectifier have a DC voltage connection via which the separate rectifier and the separate DC-DC converter are connected to one another Cables can be connected. In this way, the DC-DC converter and the rectifier are designed to be separable, and with several DC wallboxes it is possible to get by with one rectifier for several DC-DC converters, since the maximum output power is specified by the AC voltage network. The electrical energy suppliers in particular provide clear specifications, so only the rectifier has to be designed for the maximum contractually guaranteed output power of the network and otherwise only DC voltage converters are available for the charging points of the electric vehicles, which are all connected to the one rectifier. In contrast to the state of the art, where there is a complete DC wallbox consisting of a DC-DC converter and a rectifier for each charging point of an electric vehicle, many rectifiers can be saved here, as one rectifier is sufficient to supply several DC-DC converters. This division also has the advantage that cables with DC voltage are laid between the DC-DC converters and the rectifier, which have a lower power loss than cables with AC voltage. Another advantage of the present invention is that the installation space of the charging point is reduced, since only the DC-DC converter needs to be installed there.

In einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse des separaten Gleichspannungswandlers ein Hochfrequenztransformator zur Potenzialtrennung vorhanden ist. Durch den Hochfrequenztransformator wird jeder separate Gleichspannungswandler potenzialmäßig vom Wechselspannungsnetz getrennt, was aufgrund von Norm- und Sicherheitsanforderungen nötig ist.In a first embodiment of the present invention it is provided that a high-frequency transformer for electrical isolation is present in the housing of the separate DC-DC converter. The high-frequency transformer isolates each separate DC-DC converter from the AC voltage network, which is necessary due to standard and safety requirements.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem separaten Gleichrichter und dem separaten Gleichspannungswandler eine weitere bauliche Einheit über ein Gleichspannungskabel verbindbar ist, welche einen Hochfrequenztransformator zur Potenzialtrennung enthält. In diesem Fall stellen Gleichrichter, Gleichspannungswandler und Hochfrequenztransformator drei separate Einheiten dar, welche einen noch flexibleren Aufbau eines Gleichspannungsladesystems mit mehreren Ladepunkten für mehrere elektrische Fahrzeuge erlauben. Davon ausgehend ist es möglich, den Gleichrichter und den Hochfrequenztransformator in einem Gehäuse unterzubringen.In an alternative embodiment of the invention it is provided that between the separate Rectifier and the separate DC-DC converter, a further structural unit can be connected via a DC cable, which contains a high-frequency transformer for electrical isolation. In this case, the rectifier, DC-DC converter and high-frequency transformer represent three separate units, which allow an even more flexible design of a DC charging system with multiple charging points for multiple electric vehicles. Based on this, it is possible to accommodate the rectifier and the high-frequency transformer in one housing.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass an das Gehäuse des separaten Gleichrichters mehrere separate Gleichspannungswandler über Kabelverbindungen anschließbar sind. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kommt der eigentliche Vorzug besonders gut zur Geltung, da hier nur ein einzelner separater Gleichrichter benötigt wird, um mehrere Ladepunkte für mehrere Elektroautos mit separaten Gleichspannungswandlern mit elektrischer Gleichspannung zu versorgen. Auf diese Art und Weise genügt ein einzelner Gleichrichter, um viele Ladepunkte z. B. auf einem Parkplatz oder in einem Bürogebäude oder größeren Wohngebäude mit elektrischer Energie zu versorgen.In a particularly advantageous embodiment of the present invention, it is provided that several separate DC-DC converters can be connected to the housing of the separate rectifier via cable connections. In this embodiment of the invention, the actual advantage comes into its own particularly well, since only a single, separate rectifier is required to supply several charging points for several electric cars with separate DC-DC converters with DC electrical voltage. In this way, a single rectifier is sufficient to charge many charging points, e.g. B. to supply electrical energy in a parking lot or in an office building or larger residential building.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein elektronisches Lastmanagementsystem vorhanden ist, welches den Ausgangsstrom der ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandler mit einem maximal zulässigen Eingangsstrom des Netzanschlusses des separaten Gleichrichters vergleicht und so eine Überlastung des Netzes und des Gleichrichters verhindert. Wenn mehrere elektrische Fahrzeuge gleichzeitig laden, kann der gesamte Ladestrom der belasteten Gleichspannungswandler den maximal zulässigen Eingangsstrom des Netzanschlusses und den maximal zulässigen Ausgangsstrom des separaten Gleichrichters überschreiten. Dies führt zu einer übermäßigen Belastung des Gleichrichters und des Stromnetzes und muss daher vermieden werden. Dies geschieht über ein elektronisches Lastmanagementsystem, welches z. B. in den separaten Gleichrichter integriert ist und die Ausgangsströme zu den Gleichspannungswandlern ständig überwacht. Wenn die Summe der Ausgangsströme zu den Gleichspannungswandlern die zulässige Höchstgrenze erreicht hat, regelt das elektronische Lastmanagementsystem die Ströme der Gleichspannungswandler so weit herunter, dass der Gesamtstrom, welcher von den separaten Gleichspannungswandlern bezogen wird, nicht über dem zulässigen maximalen Strom des separaten Gleichrichters liegt. Auf diese Art und Weise kann ein sicherer Betrieb des separaten Gleichrichters mit mehreren separaten Gleichspannungswandlern sichergestellt werden und trotzdem kann jederzeit die maximal zulässige höchste Leistung aus dem jeweiligen Gleichspannungswandler bezogen werden, wenn z. B. nur ein Elektroauto lädt.In a further embodiment of the present invention, it is provided that an electronic load management system is present which compares the output current of the one or more separate DC-DC converters with a maximum permissible input current of the network connection of the separate rectifier and thus prevents overloading of the network and the rectifier. If several electric vehicles are charging at the same time, the total charging current of the loaded DC-DC converters can exceed the maximum permissible input current of the mains connection and the maximum permissible output current of the separate rectifier. This puts excessive strain on the rectifier and the power grid and must therefore be avoided. This is done via an electronic load management system, which e.g. B. is integrated into the separate rectifier and the output currents to the DC-DC converters are constantly monitored. When the sum of the output currents to the DC-DC converters has reached the maximum permissible limit, the electronic load management system regulates the currents of the DC-DC converters so low that the total current drawn by the separate DC-DC converters does not exceed the maximum permissible current of the separate rectifier. In this way, safe operation of the separate rectifier with several separate DC-DC converters can be ensured and the maximum permissible power can still be obtained from the respective DC-DC converter at any time, for example. B. only charges one electric car.

Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass die Kabelverbindung zwischen dem separaten Gleichrichter und den ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandlern einen weiteren Anschluss für elektrische Gleichspannungsgeräte aufweist. In diesem Fall können in die Gleichspannungsebene zwischen dem separaten Gleichrichter und den ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandlern weitere elektrische Gleichspannungsgeräte integriert werden. Dabei kann es sich insbesondere um Solarmodule mit einer Gleichspannungsausgangsspannung oder einen Akku zur Speicherung von elektrischer Energie handeln. Da Solarmodule eine Gleichspannung erzeugen und Akkus auch mit Gleichspannung betrieben werden, können diese so einfach in das Gleichspannungsleitsystem integriert werden und elektrische Energie aus Sonne oder Akku einspeisen, welche dann zu den separaten Gleichspannungswandlern geführt werden kann, um so elektrische Fahrzeuge mit elektrischer Energie aus dem Solarmodul oder dem Akku zu versorgen. Auf diese Art und Weise fällt der Wechselrichter einer Solaranlage weg, welcher bei einer Verbindung mit dem Wechselspannungsnetz sonst nötig wäre.It is also advantageously provided that the cable connection between the separate rectifier and the one or more separate DC-DC converters has a further connection for electrical DC devices. In this case, further electrical DC devices can be integrated into the DC voltage level between the separate rectifier and the one or more separate DC voltage converters. This can in particular be solar modules with a DC output voltage or a battery for storing electrical energy. Since solar modules generate a DC voltage and batteries are also operated with DC voltage, they can be easily integrated into the DC voltage control system and feed in electrical energy from the sun or battery, which can then be fed to the separate DC-DC converters in order to power electric vehicles with electrical energy from the solar module or the battery. In this way, the inverter of a solar system, which would otherwise be necessary when connected to the AC voltage network, is no longer required.

Vorteilhafter Weise ist außerdem vorgesehen, dass der separate Gleichrichter ausgangsseitig über ein Gleichspannungskabel mit einem potenzialtrennenden Hochfrequenztransformator verbunden ist und dass der potenzialtrennende Hochfrequenztransformator ausgangsseitig mit mehreren potenzialbehafteten Gleichspannungswandlern verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform wird nur ein separater Gleichrichter und ein potenzialtrennender Hochfrequenztransformator benötigt, so dass die Gleichspannungswandler noch kostengünstiger aufgebaut sein können, weil nicht in jedem Gleichspannungswandler ein potenzialtrennender Hochfrequenztransformator vorhanden sein muss. Dies führt zu einem noch kostengünstigeren effizienteren System. Ein Hochfrequenztransformator besteht aus einer Leistungselektronik, welche die eingangsseitige Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, welche dann transformiert wird. Ausgangsseitig wird dann über einen sekundärseitigen Gleichrichter wieder Gleichspannung erzeugt.It is also advantageously provided that the separate rectifier is connected on the output side to a potential-isolating high-frequency transformer via a DC voltage cable and that the potential-isolating high-frequency transformer is connected on the output side to several potential-affected DC-DC converters. In this embodiment, only a separate rectifier and an electrically isolating high-frequency transformer are required, so that the DC-DC converters can be constructed even more cost-effectively because an electrically-isolating high-frequency transformer does not have to be present in every DC-DC converter. This results in an even more cost-effective, efficient system. A high-frequency transformer consists of power electronics that convert the input direct voltage into alternating voltage, which is then transformed. DC voltage is then generated again on the output side via a secondary-side rectifier.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der separate Gleichrichter bidirektional aufgebaut ist und einen elektrischen Energiefluss vom Wechselspannungsnetz in die ausgangsseitige Gleichspannungsebene und umgekehrt in das Wechselspannungsnetz ermöglicht. In diesem Fall kann elektrische Energie aus der Gleichspannungsebene zwischen dem separaten Gleichrichter und den ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandlern nicht nur zum Laden von Elektrofahrzeugen genutzt werden, sondern es kann auch Energie zurück in das Wechselspannungsnetz gespeist werden, wenn in die Gleichspannungsebene z. B. eine Solaranlage und/oder ein Akku integriert sind. Ebenso könnte von einem Elektroauto elektrische Energie über den Gleichspannungswandler des Ladepunkts in die Gleichspannungsebene zwischen separatem Gleichrichter und Gleichspannungswandler sowie vom bidirektionalen separaten Gleichrichter selbst in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden. Dies erlaubt ein besonders flexibles Gleichspannungsladesystem, bei dem die elektrische Energie beliebig zwischen den angeschlossenen Komponenten und elektrischen Fahrzeugen hin und her verteilt werden kann. Auf diese Art und Weise kann auch zur Netzstabilisierung beigetragen werden, da bei einer besonders hohen Belastung des Wechselspannungsnetzes gezielt elektrische Energie aus der Gleichspannungsebene in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden kann. Dieser Gesichtspunkt wird umso wichtiger, je mehr Ladestationen für elektrische Fahrzeuge und elektrische Solaranlagen verbreitet sind und so eine Stabilität des Wechselspannungsnetzes immer schwieriger wird.Furthermore, it can be provided that the separate rectifier is constructed bidirectionally and enables an electrical energy flow from the AC voltage network into the output-side DC voltage level and vice versa into the AC voltage network. In this case, electrical energy can come from the DC voltage level between the separate rectifier and the one or more separate DC-DC converters can not only be used to charge electric vehicles, but energy can also be fed back into the AC voltage network if, for example, in the DC voltage level. B. a solar system and/or a battery are integrated. Likewise, electrical energy could be fed from an electric car via the DC-DC converter of the charging point into the DC voltage level between the separate rectifier and the DC-DC converter, and from the bidirectional separate rectifier itself into the AC voltage network. This allows for a particularly flexible DC charging system in which the electrical energy can be distributed back and forth as desired between the connected components and electric vehicles. In this way, grid stabilization can also be contributed, since when the AC voltage network is under particularly high load, electrical energy can be specifically fed from the DC voltage level into the AC voltage network. This aspect becomes all the more important as charging stations for electric vehicles and electric solar systems become more widespread and stability of the alternating voltage network becomes increasingly difficult.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine DC-Wallbox aus dem Stand der Technik,
  • 2 eine Ladeinfrastruktur mit mehreren DC-Wallboxen aus dem Stand der Technik,
  • 3 ein erfindungsgemäßes Gleichspannungsladesystem mit einem Ladepunkt,
  • 4 ein erfindungsgemäßes Gleichspannungsladesystem mit mehreren Ladepunkten,
  • 4a ein erfindungsgemäßes Gleichspannungsladesystem mit mehreren Ladepunkten und zusätzlich angeschlossenen Gleichspannungsgeräten,
  • 5 ein erfindungsgemäßes Gleichspannungsladesystem mit einem integrieren Hochfrequenztransformator und
  • 6 ein erfindungsgemäßes Gleichspannungsladesystem mit mehreren Ladepunkten und einem separaten Hochfrequenztransformator.
The present invention is described and explained in more detail below with reference to several figures. Show it:
  • 1 a DC wallbox from the state of the art,
  • 2 a charging infrastructure with several state-of-the-art DC wallboxes,
  • 3 a DC charging system according to the invention with a charging point,
  • 4 a DC charging system according to the invention with several charging points,
  • 4a a DC charging system according to the invention with several charging points and additionally connected DC devices,
  • 5 a DC charging system according to the invention with an integrated high-frequency transformer and
  • 6 a DC charging system according to the invention with several charging points and a separate high-frequency transformer.

Die 1 zeigt eine DC-Wallbox 1 aus dem Stand der Technik. Die DC-Wallbox 1 verfügt in einem Gehäuse über einen Gleichrichter 2 und einen Gleichspannungswandler 3 mit integriertem Hochfrequenztransformator 10 zur Potenzialtrennung. Die DC-Wallbox 1 ist eingangsseitig dreiphasig an ein Wechselspannungsnetz 4 mit üblicherweise 400 Volt Drehstrom angeschlossen, während der Gleichspannungswandler 3 ausgangsseitig eine Gleichspannung meist zwischen 400 und 800 Volt abgibt, mit der ein Elektroauto geladen werden kann. Diese DC-Wallbox 1 wird vom Hersteller in sämtlichen Komponenten auf die maximale Ladeleistung ausgelegt, da mit dieser DC-Wallbox 1 nur ein Elektroauto geladen werden kann.The 1 shows a DC wallbox 1 from the prior art. The DC wallbox 1 has a rectifier 2 and a DC-DC converter 3 with an integrated high-frequency transformer 10 for electrical isolation in a housing. The DC wallbox 1 is connected on the input side in three phases to an AC voltage network 4 with usually 400 volts three-phase current, while the DC-DC converter 3 outputs a DC voltage usually between 400 and 800 volts on the output side, with which an electric car can be charged. All components of this DC wallbox 1 are designed by the manufacturer for maximum charging power, as this DC wallbox 1 can only be used to charge one electric car.

In 2 ist ein Gleichspannungsladesystem aus dem Stand der Technik abgebildet, welches bei dem Aufbau einer Ladeinfrastruktur mit mehreren Ladepunkten zum Einsatz kommt. Eine derartige Ladeinfrastruktur mit mehreren Ladepunkten ist häufig auf Parkplätzen, in Hotelgaragen, bei Mehrfamilienhäusern oder Bürogebäuden anzutreffen, wo mehrere Ladepunkte zum gleichzeitigen Laden mehrerer Elektroautos bereitgestellt werden sollen. Dabei wird vom Wechselspannungsnetz 4 jede DC-Wallbox 1 mit der vertraglich zugesicherten maximalen Abgabeleistung über einen Spannungsverteiler 5 mit Wechselspannung versorgt, wobei diese Wechselspannung ein- oder dreiphasig geführt werden kann. Dabei ist die maximal vom Wechselspannungsnetz 4 zur Verfügung gestellte Abgabeleistung deutlich geringer als die summierte maximale Abgabeleistung der angeschlossenen DC-Wallboxen 1. Dies hat zur Folge, dass mit einem Lastmanagementsystem 6 sichergestellt werden muss, dass die von den DC-Wallboxen 1 abgegebene Leistung die vom Wechselspannungsnetz 4 abgegebene zulässige Leistung insgesamt nicht überschreiten darf. Werden mehrere Elektroautos gleichzeitig geladen, so regelt das Lastmanagement 6 die Leistung der DC-Wallboxen 1 so weit herunter, dass die Gesamtleistung der DC-Wallboxen 1 die maximal zulässige vom Wechselspannungsnetz 4 abgegebene Leistung nicht überschreiten. Der Nachteil dieser Lösung aus dem Stand der Technik ist, dass die Gesamtleistung aller Gleichrichter 2 deutlich überdimensioniert ist, da alle Gleichrichter 2 der DC-Wallboxen 1 nur höchst selten mit ihrer maximalen Leistung betrieben werden können, da sonst die maximale Abgabeleistung des Wechselspannungsnetzes 4 überschritten würde. Diese Überdimensionierung der Gleichrichter 2 verursacht unnötige Kosten. Wenn z. B. eine Ladeinfrastruktur mit 10 DC-Wallboxen 1 aufgebaut ist, wobei jede DC-Wallbox 1 eine maximale Abgabeleistung von 50 kW hat und die maximale Abgabeleistung des Netzanschlusspunktes 4 maximal 200 kW beträgt, so sind die Gleichrichter 2 insgesamt zweieinhalbfach überdimensioniert. In 2 A DC charging system from the prior art is shown, which is used when setting up a charging infrastructure with several charging points. Such a charging infrastructure with multiple charging points is often found in parking lots, in hotel garages, in apartment buildings or office buildings, where multiple charging points are to be provided for charging several electric cars at the same time. Each DC wallbox 1 is supplied with alternating voltage from the alternating voltage network 4 with the contractually guaranteed maximum output power via a voltage distributor 5, whereby this alternating voltage can be carried in one or three phases. The maximum output power provided by the AC voltage network 4 is significantly lower than the summed maximum output power of the connected DC wallboxes 1. This means that a load management system 6 must ensure that the power output by the DC wallboxes 1 The total permissible power delivered by the AC voltage network 4 must not be exceeded. If several electric cars are charged at the same time, the load management 6 regulates the power of the DC wallboxes 1 so low that the total power of the DC wallboxes 1 does not exceed the maximum permissible power output by the AC voltage network 4. The disadvantage of this solution from the prior art is that the total power of all rectifiers 2 is significantly oversized, since all rectifiers 2 of the DC wallboxes 1 can only very rarely be operated at their maximum power, otherwise the maximum output power of the AC voltage network 4 would be exceeded would. This oversizing of the rectifier 2 causes unnecessary costs. If e.g. B. a charging infrastructure is set up with 10 DC wallboxes 1, whereby each DC wallbox 1 has a maximum output power of 50 kW and the maximum output power of the grid connection point 4 is a maximum of 200 kW, the rectifiers 2 are two and a half times oversized.

Denn alle 10 DC-Wallboxen 1 zusammen dürfen nicht mehr als 200 kW dem Wechselspannungsnetz 4 entnehmen.Because all 10 DC wallboxes 1 together may not draw more than 200 kW from the AC voltage network 4.

Um den Nachteil aus dem Stand der Technik zu beseitigen, wird nun ein Gleichspannungsladesystem 1 eingesetzt, bei dem gemäß 3 der Gleichrichter 7 und der Gleichspannungswandler 8 in separaten Gehäusen untergebracht sind. Auf diese Art und Weise lässt sich die Anzahl der verbauten separaten Gleichrichter 7 minimieren, da an jedem Ladepunkt nur noch ein separater Gleichspannungswandler 8 vorhanden sein muss, aber kein separater Gleichrichter 7, da der separate Gleichrichter 7 wie in 4 zu sehen, nur einmal ausgeführt werden muss. Dabei ist der separate Gleichrichter 7 auf die vom Wechselspannungsnetz 4 maximal zulässig abgegebene Leistung ausgelegt, während die separaten Gleichspannungswandler 8 auf die jeweils zulässige maximale Ladeleistung für ein Elektrofahrzeug ausgerichtet sind. Der separate Gleichrichter 7 und die separaten Gleichspannungswandler 8 sind dabei über eine 760-Volt-Gleichspannungsleitung miteinander verbunden. Weiterhin ist auch hier ein Lastmanagement 6 vorhanden, welches sicherstellt, dass die von den separaten Gleichspannungswandlern 8 angeforderte Ladeleistung die maximal abgegebene Leistung des separaten Gleichrichters 7 und damit des Wechselspannungsnetzes 4 nicht überschreitet. Anhand der 4 ist zu erkennen, dass hier nur ein separater Gleichrichter 7 benötigt wird und so eine Vielzahl von Gleichrichtern eingespart werden kann. Die Ladeleistung der Anordnung in Bild 4 und die Ladeleistung der Anordnung in Bild 2 ist jedoch identisch.In order to eliminate the disadvantage of the prior art, a DC voltage charger is now used system 1 used, in which according to 3 the rectifier 7 and the DC-DC converter 8 are housed in separate housings. In this way, the number of separate rectifiers 7 installed can be minimized, since there only needs to be a separate DC-DC converter 8 at each charging point, but no separate rectifier 7, since the separate rectifier 7 is as in 4 to see, only needs to be executed once. The separate rectifier 7 is designed for the maximum permissible power delivered by the AC voltage network 4, while the separate DC-DC converters 8 are designed for the maximum permissible charging power for an electric vehicle. The separate rectifier 7 and the separate DC-DC converters 8 are connected to one another via a 760-volt DC line. Furthermore, load management 6 is also present here, which ensures that the charging power required by the separate DC-DC converters 8 does not exceed the maximum output power of the separate rectifier 7 and thus of the AC voltage network 4. Based on 4 It can be seen that only a separate rectifier 7 is required here and a large number of rectifiers can be saved. However, the charging power of the arrangement in Figure 4 and the charging power of the arrangement in Figure 2 are identical.

4a zeigt einen weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung, in dem in die Gleichspannungsebene zwischen dem separaten Gleichrichter 7 und den separaten Gleichspannungswandlern 8 weitere elektrische Geräte wie eine Solaranlage 14 mit Gleichspannungswandler oder ein Akku 13 eingebunden werden können. Auch weitere elektrische Zusatzgeräte mit Gleichspannung 12 können so einfach und effizient eingebunden werden. Insbesondere kann so der Akku 13 und die Solaranlage 14 deutlich verlustärmer elektrische Energie zu den separaten Gleichspannungswandlern 8 schicken und so die Elektroautos an den Ladepunkten der separaten Gleichspannungswandler 8 effizienter mit elektrischer Energie versorgen. Insbesondere belastet so die vom Akku 13 oder der Solaranlage 14 bereitgestellte elektrische Energie nicht wie beim Stand der Technik den separaten Gleichrichter 7, da die Solaranlage 14 keine Wechselspannung erzeugt. Der separate Gleichrichter 7 muss daher keine von dem Akku 13 oder der Solaranlage 14 bereitgestellte elektrische Energie übertragen und kann ausschließlich auf die maximale Abgabeleistung des Wechselspannungsnetzes 4 gemäß den Vorgaben des elektrischen Energieversorgers dimensioniert werden. 4a shows a further advantage of the present invention, in which further electrical devices such as a solar system 14 with a DC voltage converter or a battery 13 can be integrated into the DC voltage level between the separate rectifier 7 and the separate DC-DC converters 8. Other electrical additional devices with direct voltage 12 can also be integrated easily and efficiently. In particular, the battery 13 and the solar system 14 can send electrical energy to the separate DC-DC converters 8 with significantly less loss and thus supply the electric cars with electrical energy more efficiently at the charging points of the separate DC-DC converters 8. In particular, the electrical energy provided by the battery 13 or the solar system 14 does not load the separate rectifier 7 as in the prior art, since the solar system 14 does not generate any alternating voltage. The separate rectifier 7 therefore does not have to transmit any electrical energy provided by the battery 13 or the solar system 14 and can only be dimensioned to the maximum output power of the AC voltage network 4 in accordance with the specifications of the electrical energy supplier.

In 5 ist eine weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der zu erkennen ist, dass in dem separaten Gleichspannungswandler 8 ein potenzialbehafteter Gleichspannungswandler 11 und ein Hochfrequenztransformator 10 vorhanden ist. Wenn man den Hochfrequenztransformator 10 aus dem separate Gleichspannungswandler 8 entfernt, kann man bei einer Ladeinfrastruktur mit mehreren Ladepunkten weitere Kostenvorteile gewinnen. Bei einer Ladeinfrastruktur gemäß 6 ist zu erkennen, dass jetzt neben dem einen separaten Gleichrichter 7 auch ein Hochfrequenztransformator 10 ausreicht, um mehrere potenzialbehaftete Gleichspannungswandler 11 mit Gleichspannung zu versorgen. Da der Hochfrequenztransformator 10 sämtliche potenzialbehaftete Gleichspannungswandler 11 potenzialmäßig vom Wechselspannungsnetz 4 trennt, ist die Sicherheit der Anordnung in 6 ebenfalls ausreichend gegeben, obwohl nur ein einziger Hochfrequenztransformator 10 zum Einsatz kommt. Zu beachten dabei ist lediglich, dass der Hochfrequenztransformator 10 in diesem Fall nicht auf die maximale Ladeleistung eines potenzialbehafteten Gleichspannungswandlers 11 an einem Ladepunkt für das jeweilige Elektrofahrzeug dimensioniert werden muss, sondern auf die maximal abgegebene Ladeleistung des separaten Gleichrichters 7. Dies hat im Zweifel eine größere Dimensionierung des Hochfrequenztransformators 10 zur Folge, spart aber auf der anderen Seite den Einsatz der integrierten Hochfrequenztransformatoren in den separaten Gleichspannungswandlern 8 gemäß 4. Dieser dreistufige Aufbau des Gleichspannungsladesystems gemäß der 5 und 6 erlaubt somit eine besonders kostengünstige Ladeinfrastruktur bei vielen Ladepunkten.In 5 A further embodiment of the present invention is shown, in which it can be seen that in the separate DC-DC converter 8 there is a potential DC-DC converter 11 and a high-frequency transformer 10. If you remove the high-frequency transformer 10 from the separate DC-DC converter 8, you can gain further cost advantages in a charging infrastructure with multiple charging points. With a charging infrastructure in accordance with 6 It can be seen that in addition to a separate rectifier 7, a high-frequency transformer 10 is now sufficient to supply several potential DC-DC converters 11 with DC voltage. Since the high-frequency transformer 10 isolates all potential DC-DC converters 11 from the AC voltage network 4, the safety of the arrangement is in 6 also sufficient, although only a single high-frequency transformer 10 is used. The only thing to note is that in this case the high-frequency transformer 10 does not have to be dimensioned to the maximum charging power of a potential DC-DC converter 11 at a charging point for the respective electric vehicle, but rather to the maximum charging power delivered by the separate rectifier 7. In case of doubt, this has a larger one Dimensioning of the high-frequency transformer 10 results, but on the other hand saves the use of the integrated high-frequency transformers in the separate DC-DC converters 8 4 . This three-stage structure of the DC charging system according to the 5 and 6 This allows a particularly cost-effective charging infrastructure with many charging points.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
DC-WallboxDC wallbox
22
Gleichrichterrectifier
33
GleichspannungswandlerDC-DC converter
44
WechselspannungsnetzAC voltage network
55
Wechselspannungsverteiler mit AbsicherungAC voltage distributor with fuse
66
LastmanagementsystemLoad management system
77
separater Gleichrichterseparate rectifier
88th
separater Gleichspannungswandlerseparate DC-DC converter
99
Gleichspannungsverteiler mit AbsicherungDC voltage distributor with fuse
1010
HochfrequenztransformatorHigh frequency transformer
1111
potenzialbehafteter Gleichspannungswandlerpotential DC-DC converter
1212
elektrische Zusatzgeräteadditional electrical devices
1313
Akkubattery pack
1414
Solaranlage mit GleichspannungswandlerSolar system with DC-DC converter

Claims (10)

Gleichspannungsladesystem (1) für elektrische Fahrzeuge, wobei das Gleichspannungsladesystem eingangsseitig einen Anschluss an ein Wechselspannungsnetz (4) aufweist und ausgangsseitig einen Gleichspannungsanschluss zum Laden der elektrischen Fahrzeuge aufweist, wobei aus der netzseitigen Wechselspannung mittels eines Gleichrichters (2) und eines Gleichspannungswandlers (3) ausgangsseitig eine Gleichspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (3) und der Gleichrichter (2) als separate Einheiten in separaten Gehäusen untergebracht sind und dass die separaten Gehäuse des separaten Gleichspannungswandlers (8) und des separaten Gleichrichters (7) über einen Gleichspannungsanschluss verfügen, über den der separate Gleichrichter (7) und der separate Gleichspannungswandler (8) mit einem Kabel verbindbar sind.DC charging system (1) for electric vehicles, wherein the DC charging system has a connection to an AC voltage network (4) on the input side and a DC voltage connection on the output side for charging the electric vehicles, with the AC voltage on the network side being used on the output side by means of a rectifier (2) and a DC voltage converter (3). a DC voltage is generated, characterized in that the DC-DC converter (3) and the rectifier (2) are accommodated as separate units in separate housings and that the separate housings of the separate DC-DC converter (8) and the separate rectifier (7) have a DC voltage connection , via which the separate rectifier (7) and the separate DC-DC converter (8) can be connected with a cable. Gleichspannungsladesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse des separaten Gleichspannungswandlers (8) ein Hochfrequenztransformator (10) zur Potenzialtrennung vorhanden ist.DC charging system (1). Claim 1 , characterized in that a high-frequency transformer (10) for electrical isolation is present in the housing of the separate DC-DC converter (8). Gleichspannungsladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem separaten Gleichrichter (7) und dem separaten Gleichspannungswandler (8) eine weitere bauliche Einheit über ein Gleichspannungskabel verbindbar ist, welche einen Hochfrequenztransformator (10) zur Potenzialtrennung enthält.DC charging system Claim 1 , characterized in that between the separate rectifier (7) and the separate DC-DC converter (8) a further structural unit can be connected via a DC cable, which contains a high-frequency transformer (10) for electrical isolation. Gleichspannungsladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gehäuse des separaten Gleichrichters (7) mehrere separate Gleichspannungswandler (8) über Kabelverbindungen anschließbar sind.DC charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that several separate DC-DC converters (8) can be connected to the housing of the separate rectifier (7) via cable connections. Gleichspannungsladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Lastmanagementsystem (6) vorhanden ist, welches den Ausgangsstrom der ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandler (8) mit einem maximal zulässigen Eingangsstrom des Netzanschlusses (4) des separaten Gleichrichters (7) vergleicht und so eine Überlastung des Netzes (4) verhindert.DC charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an electronic load management system (6) is present, which combines the output current of the one or more separate DC-DC converters (8) with a maximum permissible input current of the mains connection (4) of the separate rectifier (7 ) compares and thus prevents overloading of the network (4). Gleichspannungsladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung zwischen dem separaten Gleichrichter (7) und den ein oder mehreren separaten Gleichspannungswandlern (8) einen weiteren Anschluss für elektrische Gleichspannungsgeräte (12, 13, 14) aufweist.DC charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cable connection between the separate rectifier (7) and the one or more separate DC-DC converters (8) has a further connection for electrical DC devices (12, 13, 14). Gleichspannungsladesystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Gleichspannungsgeräte (12) ein Solarmodul mit einer Gleichspannungsausgangsspannung (14) oder einen Akku (13) zur Speicherung von elektrischer Energie umfassen.DC charging system (1). Claim 6 , characterized in that the electrical DC devices (12) comprise a solar module with a DC output voltage (14) or a battery (13) for storing electrical energy. Gleichspannungsladesystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Gleichrichter (7) ausgangsseitig über ein Gleichspannungskabel mit einem potenzialtrennenden Hochfrequenztransformator (10) verbunden ist und dass der potenzialtrennende Hochfrequenztransformator (10) ausgangsseitig mit mehreren potenzialbehafteten Gleichspannungswandlern (8) verbunden ist.DC charging system (1). Claim 3 , characterized in that the separate rectifier (7) is connected on the output side to a potential-isolating high-frequency transformer (10) via a DC voltage cable and that the potential-isolating high-frequency transformer (10) is connected on the output side to several potential-affected DC-DC converters (8). Gleichspannungsladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Gleichrichter (7) bidirektional aufgebaut ist und einen elektrischen Energiefluss vom Wechselspannungsnetz (4) in die ausgangsseitige Gleichspannungsebene und umgekehrt in das Wechselspannungsnetz (4) ermöglicht.DC charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the separate rectifier (7) is constructed bidirectionally and enables an electrical energy flow from the AC voltage network (4) into the output-side DC voltage level and vice versa into the AC voltage network (4). Gleichspannungsladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Gleichspannungswandler (8) bidirektional aufgebaut sind und einen elektrischen Energiefluss vom elektrischen Fahrzeug in die Gleichspannungsebene und umgekehrt ermöglichen.DC charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the separate DC-DC converters (8) are constructed bidirectionally and enable a flow of electrical energy from the electric vehicle into the DC voltage level and vice versa.
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