DE102022201140A1

DE102022201140A1 - Gleichstrom-Ladestation, Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation und Wechselstrom-Ladestation

Info

Publication number: DE102022201140A1
Application number: DE102022201140.6A
Authority: DE
Inventors: Henning Sebastian Vogt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-02-03
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Ladestation (1), umfassend mindestens ein Gleichspannungs-Modul (2), mindestens einen Ausgangsanschluss (4) für Gleichspannung und ein Steuergerät (8), wobei die Gleichstrom-Ladestation (1) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2) aufweist, denen Schaltelemente (6) zugeordnet sind, wobei das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, über mindestens ein Schaltelement (6) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2) in Reihe schalten zu können, sowie ein zugehöriges Verfahren und eine Wechselstrom-Ladestation (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Ladestation, ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation und eine Wechselstrom-Ladestation.
Zum Laden von beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Plug-In-Hybridfahrzeugen sind Gleichstrom- und Wechselstrom-Ladestationen bekannt. Im einfachsten Fall weist eine Gleichstrom-Ladestation einen Netzanschluss und einen Gleichrichter auf, um am Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung zu stellen. Bei einer Wechselstrom-Ladestation kann die Netzwechselspannung im einfachsten Fall einfach durchgeschaltet werden. Darüber hinaus sind Gleichstrom- und Wechselstrom-Ladestationen mit Pufferbatterien bekannt. Bei Wechselstrom-Ladestationen wird hierzu die Netzspannung zunächst mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet, um die Pufferbatterie zu laden. Die Spannung der Pufferbatterie wird dann mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung gewandelt, die dann am Ausgang der Ladestation zur Verfügung steht. Bei einer Gleichstrom-Ladestation liegt zwischen dem Ausgang der Ladestation und der Pufferbatterie ein DC/DC-Wandler anstelle des Wechselrichters.
Aus der US 2018/0205235 A1 ist ein Leistungsverteilungs-System bekannt, das eine Vielzahl von Gleichspannungs-Modulen aufweist, die durch ein Spannungsnetz geladen werden. Weiter weist das Leistungsverteilungs-System eine Vielzahl von Parkplätzen auf, an denen jeweils ein Elektrofahrzeug geladen werden kann. Dabei kann durch Schaltelemente jedem Parkplatz eines der Gleichstrom-Module zugeordnet werden, sodass dieses Gleichstrom-Modul zum Laden eines Elektrofahrzeugs auf dem jeweiligen Parkplatz verwendet werden kann. Dabei fragt das System die Spannungslage der Elektrofahrzeuge ab und ordnet mittels der Schaltelemente das Gleichstrom-Modul dem Elektrofahrzeug zu, das am besten zu der Spannungslage des Elektrofahrzeugs passt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine verbesserte Gleichstrom-Ladestation zu schaffen sowie ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Problem ist die Schaffung einer alternativen Wechselstrom-Ladestation.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Gleichstrom-Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie eine Wechselstrom-Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Gleichstrom-Ladestation mindestens zwei Gleichspannungs-Module, mindestens einen Ausgangsanschluss für Gleichspannung und ein Steuergerät, wobei den Gleichspannungs-Modulen Schaltelemente zugeordnet sind, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, über mindestens ein Schaltelement mindestens zwei Gleichspannungs-Module in Reihe schalten zu können. Hierdurch kann bedarfsweise eine höhere Spannung am Ausgangsanschluss bereitgestellt werden bzw. zunächst mit einer niedrigeren Ladespannung geladen werden und dann anschließend durch die Reihenschaltung die Ladespannung erhöht werden, sodass der Ladestrom begrenzt wird. Je nach Konzept kann dabei die Anzahl der Gleichspannungs-Module variieren, was später noch näher erläutert wird. Ein besonderer Vorteil ist, dass die Gleichstrom-Ladestation keinen Netzanschluss benötigt, sodass die Gleichstrom-Ladestation auch in Gebieten mit geringer Netzinfrastruktur aufgestellt werden kann. Die Gleichspannungs-Module können beispielsweise Batterien oder Generatoren mit nachgeschaltetem Gleichrichter sein oder aber eine Kombination von Generator, Gleichrichter und Batterie. Die Generatoren werden dabei beispielsweise mechanisch von einem Verbrennungsmotor, durch Wind oder Wasser angetrieben. Vorzugsweise sind die Gleichspannungs-Module als Brennstoffzellen oder Brennstoffzellen-Stapel ausgebildet. Weiter ist es möglich, dass alle Gleichspannungs-Module gleicher Bauart sind (z.B. alle Gleichspannungs-Module sind Brennstoffzellen). Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, wo die verschiedenen Technologien gemischt werden. Vorzugsweise weist die Gleichspannungs-Ladestation einen Anschluss für ein Medium (z.B. Wasserstoff) auf, um die Brennstoffzellen zu betreiben.
In einer Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, die Spannungslage einer zu ladenden Batterie zu erfassen und in Abhängigkeit der Spannungslage die Schaltelemente anzusteuern. Vorzugsweise existiert hierzu eine Kommunikationsverbindung zwischen der Einheit (z.B. ein Kraftfahrzeug) mit der Batterie und der Gleichstrom-Ladestation. Die Einheit kann dann die Spannungslage an das Steuergerät übermitteln. Die Kommunikationsverbindung kann dabei drahtlos oder leitungsgebunden sein, wobei eine separate Kommunikationsleitung vorgesehen sein kann. Es kann aber auch eine Powerline-Kommunikation erfolgen. In Abhängigkeit der übermittelten Spannungslage schaltet dann das Steuergerät die Schaltelemente an, sodass ein Gleichspannungs-Modul oder mehrere in Reihe geschaltete Gleichspannungs-Module mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind, sodass die Ausgangsspannung an die Spannungslage der zu ladenden Batterie optimal angepasst ist. Das Steuergerät ist vorzugsweise derart ausgebildet, die Gleichspannungs-Module auch ohne angeschlossene zu ladende Batterie ein- und ausschalten zu können. Das Steuergerät kann auch die Brennstoffzellen steuern, sodass diese beispielsweise erst aktiviert werden, wenn Strombedarf angemeldet wird.
In einer Ausführungsform sind die Nennspannungen der Gleichspannungs-Module unterschiedlich. Hierdurch kann die Anzahl der notwendigen Gleichspannungs-Module reduziert werden. Dabei kann ein Grundmodul vorgesehen sein, das eine im Vergleich zu den anderen Gleichspannungs-Modulen erhöhte Nennspannung aufweist. Die anderen Gleichspannungs-Module können dann wieder alle die gleiche Nennspannung oder aber auch unterschiedliche Nennspannungen aufweisen.
Die Nennspannung der Gleichspannungs-Module können dabei auch unterschiedliche Zweier-Potenzen aufweisen (1 V, 2 V, 4 V, 8 V, 16 V, 32 V, ...), sodass jede Ausgangsspannung auf 1 V genau eingestellt werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass ein Grundmodul mit einer Nennspannung von z.B. 300 V existiert, wobei die anderen Gleichspannungs-Module eine Nennspannung der unterschiedlichen Zweier-Potenzen aufweisen. Hierdurch kann man mit dem einen Grundmodul in den Bereich der Spannungslage geschaltet werden, wobei über die Gleichspannungs-Module mit den Zweier-Potenzen als Nennspannung die Feinabstimmung erfolgt.
In einer alternativen Ausführungsform weisen alle Gleichspannungs-Module die gleiche Nennspannung auf, was den Aufbau und Service vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Schaltelemente derart ausgebildet, dass die Gleichspannungs-Module in Reihe geschaltet werden können oder aber überbrückt werden können. Dabei kann aber auch vorgesehen sein, dass ein Grundmodul stets zugeschaltet ist und nur die anderen Gleichspannungs-Module in Reihe geschaltet oder überbrückt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Ausgangsanschluss und den Gleichspannungsmodulen mindestens eine Induktivität angeordnet. Hierdurch kann der Stromgradient beim Zuschalten von Gleichspannungs-Modulen begrenzt werden.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird eine Wechselstrom-Ladestation zur Verfügung gestellt. Dabei wird der zuvor beschriebene Gleichstrom-Ladestation ein Wechselrichter zusätzlich zugeordnet, der zwischen dem Ausgangsanschluss und den Gleichspannungs-Modulen angeordnet ist. So kann eine Wechselstrom-Ladestation zur Verfügung gestellt werden, ohne dass ein Netzanschluss vorhanden sein muss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Gleichstrom-Ladestation in einer ersten Ausführungsform im Leerlauf,
2 ein schematisches Blockschaltbild der Gleichstrom-Ladestation gemäß 1 in einem ersten Schaltzustand,
3 ein schematisches Blockschaltbild der Gleichstrom-Ladestation gemäß 1 in einem zweiten Schaltzustand,
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Gleichstrom-Ladestation gemäß einer zweiten Ausführungsform,
5 eine Wechselstrom-Ladestation,
6 eine Gleichstrom-Ladestation gemäß dem Stand der Technik und
7 eine Wechselstrom-Ladestation gemäß dem Stand der Technik.

In der 1 ist eine Gleichstrom-Ladestation 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Gleichstrom-Ladestation 1 umfasst die Gleichspannungs-Module 2, die vorzugsweise als Brennstoffzelle 3 bzw. Stapel von Brennstoffzellen 3 ausgebildet sind. Weiter weist die Gleichstrom-Ladestation 1 einen ersten Ausgangsanschluss 4 für Gleichspannung und einen zweiten Ausgangsanschluss 5 für die Gleichspannung auf. Den Gleichspannungs-Modulen 2 sind Schaltelemente 6 zugeordnet, die beispielsweise als Relais ausgebildet sind. Zwischen dem Ausgangsanschluss 4 für Gleichspannung und den Gleichspannungs-Modulen 2 ist eine Induktivität 7 angeordnet. Weiter weist die Gleichstrom-Ladestation 1 ein Steuergerät 8 auf, das die Schaltelemente 6 ansteuert, sowie einen Anschluss 9 für ein Betriebsmittel der Brennstoffzellen 3 (z.B. einen Wasserstoff-Anschluss). Die Gleichstrom-Ladestation 1 dient beispielsweise zum Laden einer Batterie 11 eines Elektrofahrzeugs 10, wobei das Elektrofahrzeug 10 ein Steuergerät 12 aufweist, das eine Kommunikationsverbindung mit dem Steuergerät 8 der Gleichstrom-Ladestation 1 aufbauen kann. Die Elemente der Gleichstrom-Ladestation 1 sind vorzugsweise alle in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet. In der dargestellten Schaltposition der Schaltelemente 6 befindet sich die Gleichstrom-Ladestation 1 im Leerlauf, d.h. alle Gleichspannungs-Module 2 sind vom Ausgangsanschluss 4 entkoppelt, der spannungsfrei ist.
Wird dann das Elektrofahrzeug 10 mittels eines Ladekabels mit der Gleichstrom-Ladestation 1 verbunden, so übermittelt das Steuergerät 12 die Spannungslage der Batterie 11 an das Steuergerät 8. Das Steuergerät 8 entscheidet dann, ob nur ein Gleichspannungs-Modul 2 oder mehrere Gleichspannungs-Module 2 in Reihe zugeschaltet werden sollen.
Sei nun angenommen, dass das unterste Gleichspannungs-Modul 2 eine Nennspannung von 300 V und die beiden anderen Gleichspanungs-Module 2 eine Nennspannung von 100 V aufweisen, so können am Ausgangsanschluss 4 300 V, 400 V und 500 V zur Verfügung gestellt werden. Sei nun unterstellt, das Steuergerät 12 übermittelt eine Spannungslage von 280 V an das Steuergerät 8, so wird zunächst nur das unterste Gleichspannungs-Modul 2 mit 300 V zuschaltet, was in 2 dargestellt ist.
Erhöht sich dann die Spannungslage der Batterie 11 auf 300 V, so schaltet das Steuergerät 8 das mittlere Gleichspanungs-Modul 2 in Reihe, sodass sich die Ausgangsspannung auf 400 V erhöht, wobei die Induktivität 7 den Stromgradienten begrenzt. Die Reihenschaltung ist in 3 dargestellt, wobei schließlich bei Spannungslagen ab 400 V das oberste Gleichspannungs-Modul 2 zusätzlich in Reihe geschaltet wird.
Hinsichtlich der Anzahl der Gleichspannungs-Module 2 sowie deren Nennspannungen sind die verschiedensten Ausführungen möglich. So kann die Nennspannung aller Gleichspannungs-Module 2 gleich sein oder aber es gibt ein Grundmodul (z.B. 300 V) sowie weitere Zusatz-Module mit gleichen oder ungleichen Nennspannungen, die kleiner als die Nennspannung des Grundmoduls sind.
Die Gleichstrom-Ladestation 1 benötigt dabei keinen Netzanschluss an eine Stromversorgung.
In der 4 ist eine alternative Ausführungsform für eine Gleichstrom-Ladestation 1 dargestellt, wobei aus Übersichtsgründen nur die Gleichspannungs-Module 2 und die Schaltelemente 6 dargestellt sind. Dabei sind jedem Gleichspannungs-Modul 2 zwei Schaltelemente 6 zugeordnet, wobei die dargestellte Schaltlage den Leerlauf darstellt. In dieser Konfiguration kann jedes der Gleichspannungs-Module 2 alleine sowie jede beliebige Kombination aus Reihenschaltungen an den Ausgangsanschluss 4 geschaltet werden. In der gestrichelten Schalterposition wird beispielsweise das mittlere Gleichspannungs-Modul 2 überbrückt und die Reihenschaltung des unteren und oberen Gleichspannungs-Moduls 2 an den Ausgangsanschluss 4 angelegt.
In der 5 ist eine Wechselstrom-Ladestation 20 dargestellt, die ebenfalls ohne Netzanschluss ausgebildet ist. Die Wechselstrom-Ladestation 20 ist wie die Gleichstrom-Ladestation 1 gemäß 1 aufgebaut, wobei der einzige Unterschied ist, dass die Induktivität 7 durch einen Wechselrichter 21 ersetzt ist, wobei die Induktivitäten des Wechselrichters 21 den Stromgradienten begrenzen. Es kann jedoch zusätzlich eine separate Induktivität vorgesehen sein.
In der 6 ist stark vereinfacht eine Gleichstrom-Ladestation 30 gemäß Stand der Technik dargestellt. Die Gleichstrom-Ladestation 30 weist einen Netzanschluss 31, einen Gleichrichter 32, ein Gleichspannungs-Modul 33 in Form einer Batterie und einen DC/DC-Wandler 34 auf, wobei dann am Ausgangsanschluss 4 eine Gleichspannung anliegt.
In der 7 ist stark vereinfacht eine Wechselstrom-Ladestation 40 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Wechselstrom-Ladestation 40 weist einen Netzanschluss 41, einen Gleichrichter 42, ein Gleichspannungs-Modul 43 in Form einer Batterie und einen DC/AC-Wechselrichter 44 auf, wobei dann am Ausgangsanschluss 4 eine Wechselspannung anliegt.
Bezugszeichenliste

1: Gleichstrom-Ladestation
2: Gleichspannungs-Modul
3: Brennstoffzelle
4: Ausgangsanschluss
5: Ausgangsanschluss
6: Schaltelement
7: Induktivität
8: Steuergerät
9: Anschluss
10: Elektrofahrzeug
11: Batterie
12: Steuergerät
13: Gehäuse
20: Wechselstrom-Ladestation
21: Wechselrichter
30: Gleichstrom-Ladestation
31: Netzanschluss
32: Gleichrichter
33: Gleichspannungs-Modul
34: DC/DC-Wandler
40: Wechselstrom-Ladestation
41: Netzanschluss
42: Gleichrichter
43: Gleichspannungs-Modul
44: Wechselrichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0205235 A1 [0003]

Claims

Gleichstrom-Ladestation (1), umfassend mindestens ein Gleichspannungs-Modul (2), mindestens einen Ausgangsanschluss (4) für Gleichspannung und ein Steuergerät (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstrom-Ladestation (1) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2) aufweist, denen Schaltelemente (6) zugeordnet sind, wobei das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, über mindestens ein Schaltelement (6) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2) in Reihe schalten zu können.
Gleichstrom-Ladestation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, die Spannungslage einer zu ladenden Batterie (11) zu erfassen und in Abhängigkeit der Spannungslage die Schaltelemente (6) anzusteuern.
Gleichstrom-Ladestation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennspannungen der Gleichspannungs-Module (2) unterschiedlich sind.
Gleichstrom-Ladestation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennspannungen der Gleichspannungs-Module (2) unterschiedliche Zweier-Potenzen aufweisen.
Gleichstrom-Ladestation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennspannung aller Gleichspannungs-Module (2) gleich ist.
Gleichstrom-Ladestation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (6) derart ausgebildet sind, dass ein Gleichspannungs-Modul (2) in Reihe geschaltet werden kann oder überdrückt werden kann.
Gleichstrom-Ladestation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gleichspannungs-Modul (2) eine Brennstoffzelle (3) oder ein Stapel von Brennstoffzellen (3) ist.
Gleichstrom-Ladestation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgangsanschluss (4) und den Gleichspannungs-Modulen (2) mindestens eine Induktivität (7) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation (1), wobei die Ladestation (1) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2), mindestens einen Ausgangsanschluss (4) für Gleichspannung und ein Steuergerät (8) aufweist, wobei den Gleichspannungs-Modulen (2) Schaltelemente (6) zugeordnet sind, wobei das Steuergerät (8) die Schaltelemente (6) derart steuert, dass Gleichspannungs-Module (2) einzeln oder in Reihe zum Ausgangsanschluss geschaltet werden.
Wechselstrom-Ladestation (20), umfassend mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2), mindestens einen Ausgangsanschluss (4) für Wechselspannung, einen Wechselrichter (21) und ein Steuergerät (8), wobei den Gleichspannungs-Modulen (2) Schaltelemente (6) zugeordnet sind, wobei das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, über mindestens ein Schaltelement (6) mindestens zwei Gleichspannungs-Module (2) in Reihe zu schalten.