Titel

Verfahren zum Ermitteln eines Sollwerts einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mittels einer Ladeeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Sollwerts einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mittels einer Ladeeinrichtung, eine Recheneinheit, eine Ladeeinrichtung und ein System, sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein Speichermedium.

Stand der Technik

Im Jahr 2020 hat sich herausgestellt, dass ca. 89 Prozent der Hausdächer in Deutschland noch nicht mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet sind. Um dieses Potenzial zur Erzeugung von regenerativen Energien stärker auszunutzen, plant der Gesetzgeber, dass man sowohl bei Neubauten als auch bei Sanierungen von Altbauten zwingend eine Photovoltaikanlage einplanen muss. Außerdem hat der Gesetzgeber in den vergangenen Jahren mehrere hundert Millionen Euro an Zuschüssen an private Haushalte bezahlt, damit im privaten Umfeld entsprechende Ladeeinrichtungen (sogenannte Wallboxen) für batterieelektrische Fahrzeuge entstehen. Beide Maßnahmen sind ein wesentlicher Bestandteil beim Umbau der Mobilität und helfen dabei, die Abhängigkeit von fossilen Kraftstoffen zu verringern. Für den gemeinsamen Betrieb von Photovoltaikanlagen, Ladestationen und batterieelektrischen Fahrzeugen sollte man in diesem Zusammenhang dafür sorgen, dass ein hoher Anteil der verfügbaren Sonnenenergie auch tatsächlich durch das Fahrzeug oder weitere elektrische Geräte im Privathaushalt verbraucht wird und nicht unnötig viel Energie vom Stromnetz zugekauft werden muss. Entsteht dennoch ein sogenannter Überschuss an elektrischer Leistung, so wird diese Leistung wiederum in das Stromnetz eingespeist und vergütet.

Geht man davon aus, dass das batterieelektrische Fahrzeug die im Tagesverlauf erzeugte Solarenergie aufnehmen kann, so bieten sich unterschiedliche Strategien zum Betrieb der Wallbox an, die sich in ihrer Komplexität, im Aufwand zur Implementierung und letztendlich auch in den Anschaffungskosten unterscheiden. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine zeitbasierte Steuerung, bei der die Ladeeinrichtung zu einer bestimmten Uhrzeit angeschaltet und einige Stunden später wieder abgeschaltet wird. Während dieser Zeitspanne wird die Batterie im Fahrzeug mit einer konstanten elektrischen Leistung aufgeladen. Dabei kann es natürlich vorkommen, dass Schwankungen in der erzeugten Solarleistung nicht berücksichtigt werden und z.B. bei Einbrüchen durch Wolkenbildung entsprechend elektrische Leistung zugekauft werden muss. Außerdem kann ein Überschuss an Solarenergie nicht von der Batterie des Fahrzeugs aufgenommen werden. Hat man zusätzlich eine Messeinrichtung zur Verfügung, mit der man die erzeugte Solarenergie und die ins Stromnetz eingespeiste Energie bestimmen kann, so lässt sich die Ladeleistung für das batterieelektrische Fahrzeug sehr gut anpassen und es kann dann dafür gesorgt werden, dass der Eigenverbrauch optimiert wird. Allerdings führt die neue Messeinrichtung bei diesem geregelten Ansatz zu einer deutlich höheren Systemkomplexität und deutlich höheren Anschaffungskosten.

DE 10 2013 002 078 Al offenbart ein Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs. Hierbei wird der Energiespeicher mit einer Ladevorrichtung gekoppelt. Zumindest ein Ladeprofil wird in Abhängigkeit von Nutzer-Vorgaben und Randbedingungen ermittelt und eingestellt. Erfindungsgemäß wird der Energiespeicher zumindest mit mittels einer Solaranlage der Ladevorrichtung aus solarer Strahlung erzeugter elektrischer Solarenergie geladen, wobei bei der Ermittlung und Einstellung des Ladeprofils zumindest eine vom Nutzer vorgegebene Abfahrtszeit und als Randbedingung eine verfügbare Menge der Solarenergie berücksichtigt werden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Sollwerts einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mittels einer Ladeeinrichtung gemäß dem Anspruch 1. Hierbei ist die die Ladeeinrichtung mit einem Photovoltaiksystem und einem Verbrauchersystem elektrisch verbindbar, insbesondere elektrisch verbunden.

Das Verfahren umfasst einen Schritt des Einlesens einer Leistungsinformation, welche eine Differenz zwischen Istwerten einer von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie einer mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und einer mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung repräsentiert. Das heißt, mit anderen Worten, die Leistungsinformation repräsentiert eine Differenz zwischen einem Istwert der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie einem Istwert der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und einem Istwert der mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung.

Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Ermittelns des Sollwerts der Ladeleistung basierend auf der Leistungsinformation unter Verwendung eines Regelalgorithmus mittels einer Recheneinheit, wobei der ermittelte Sollwert der Ladeleistung einen Überschuss an der bereitgestellten Leistung repräsentiert, um die Batterie des Fahrzeugs mit dem Sollwert der ermittelten Ladeleistung mittels der Ladeeinrichtung zu laden.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Recheneinheit zum Ermitteln einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mittels einer Ladeeinrichtung gemäß dem Anspruch 7.

Gemäß einem dritten Aspekt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Ladeeinrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Anspruch 8.

Gemäß einem vierten Aspekt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein System zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Anspruch 9.

Gemäß einem weiteren Aspekt sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.

Das Fahrzeug umfasst eine Batterie, die ausgebildet ist, eine Antriebseinheit, insbesondere einen Elektromotor, des Fahrzeugs zumindest teilweise mit elektrischer Energie zu versorgen. Denkbar ist, dass das Fahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug ist. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Bspw. ist das Fahrzeug ein PKW, ein LKW, ein E-Bike, ein elektrisch angetriebener Hubschrauber oder ein elektrisch angetriebenes Boot. Das Fahrzeug umfasst eine Ladeschnittstelle, welche mit einer Ladeschnittstelle der Ladeeinrichtung elektrisch verbindbar ist, um die Batterie des Fahrzeugs zu laden oder zu entladen.

Die Ladeeinrichtung umfasst zumindest eine weitere Ladeschnittstelle, um die Ladeeinrichtung mittelbar oder unmittelbar mit dem Photovoltaiksystem und/oder dem Verbrauchersystem zu verbinden. Die Ladeeinrichtung ist bevorzugt als Wallbox ausgebildet. Denkbar ist, dass die Ladeeinrichtung an einem Infrastrukturelement oder einem Gebäude angeordnet ist.

Das Photovoltaiksystem umfasst ein oder mehrere Photovoltaikmodule und einen Wechselrichter. Die Photovoltaikmodule sind bspw. auf einem Dach eines Gebäudes angeordnet. Das Photovoltaiksystem ist ausgebildet, von den Photovoltaikmodulen erzeugte und mittels des Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelte elektrische Leistung bereitzustellen. Das Photovoltaiksystem kann auch ein oder mehrere elektrische Speichereinheiten, bspw. Batteriespeicher, umfassen, die ausgebildet sind, insbesondere von Photovoltaikmodulen des Photovoltaiksystems bereitgestellte Leistung aufzunehmen bzw. abzunehmen und temporär zu speichern. Die Speichereinheit des Photovoltaiksystems ist ausgebildet, die gespeicherte elektrische Energie der Ladeeinrichtung bereitzustellen.

Das Verbrauchersystem umfasst ein oder mehrere, von dem Fahrzeug verschiedene, Verbraucher, welche bevorzugt an oder in dem Gebäude angeordnet sind. Das Verbrauchersystem kann auch ein oder mehrere elektrische Speichereinheiten, bspw. Batteriespeicher, umfassen, die ausgebildet sind, insbesondere von dem Photovoltaiksystem bereitgestellte Leistung aufzunehmen bzw. abzunehmen und zu speichern. Die Speichereinheit des Verbrauchersystems ist ausgebildet, die gespeicherte elektrische Energie der Ladeeinrichtung bereitzustellen.

Bevorzugt sind die Ladeeinrichtung, das Photovoltaiksystem und das Verbrauchersystem mittels einer, insbesondere an oder in dem Gebäude angeordneten, Verteilereinheit mittelbar miteinander elektrisch verbindbar oder verbunden. Unter einem Istwert einer Leistung kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein aktueller bzw. momentaner bzw. derzeitiger Wert der Leistung verstanden werden. Unter einem Sollwert einer Leistung kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein ermittelter Wert der Leistung verstanden werden, in welchen der Istwert der Leistung übergeführt werden soll oder übergeführt wird, insbesondere im Sinne einer Regelung.

Dem Einlesen der Leistungsinformation geht bevorzugt ein Schritt eines sensorischen Erfassens bzw. Messens der Differenz zwischen den Istwerten der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und der mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung voraus.

Denkbar ist, dass die Differenz bspw. an einer Schnittstelle zu einem elektrischen Versorgungsnetz erfasst bzw. gemessen wird. Bspw. kann die Differenz als eine an das elektrische Versorgungsnetz abgegebene oder von dem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellte Leistung erfasst werden. Denkbar ist auch, dass zunächst die Istwerte separat bzw. einzeln erfasst werden und anschließend die Differenz basierend auf den separat bzw. einzeln erfassten Istwerten ermittelt wird. Das Erfassen bzw. Messen der Leistungen bzw. der Leistungsdifferenz kann bspw. mittels einer elektrischen Leistungsmesseinheit erfolgen.

Die Leistungsinformation ist insbesondere ein digitales oder analoges Signal, welches die Differenz zwischen den Istwerten der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und der mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung repräsentiert.

Das Einlesen der Leistungsinformation kann ein Einlesen bzw. Auslesen der Leistungsinformation aus einem, insbesondere temporären, Speichermedium umfassen.

Das Ermitteln des Sollwerts der Ladeleistung basierend auf der eingelesenen Leistungsinformation unter Verwendung eines Regelalgorithmus ist bevorzugt ein Berechnen der Ladeleistung in Abhängigkeit der Differenz zwischen den Istwerten. Abhängig von einer Güte des Regelalgorithmus kann die ermittelte Ladeleistung von einem tatsächlich vorliegenden Überschuss an Leistung abweichen. Unter einem Überschuss an bereitgestellter Leistung kann eine Differenz zwischen der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung und der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung verstanden werden, wobei die Differenz bevorzugt positiv ist.

Der Regelalgorithmus ist eingerichtet, die Differenz zwischen den Istwerten der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und der mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung auf einen vorgegebenen Sollwert, bevorzugt null, zu regeln, um möglichst keine Leistung aus einem Versorgungsnetz zum Laden der Batterie des Fahrzeugs zu importieren.

Vorteilhaftweise umfasst der Regelalgorithmus einen Regler mit Integral-Anteil. Bspw. kann der Regler ein Integral-Regler, ein Proportional-Integral-Regler oder ein Proportional-Integral-Differential-Regler sein. Dadurch ist der Regelalgorithmus eingerichtet, möglichst exakt auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln.

Die Recheneinheit kann ein oder mehrere Hardware- und/oder Software- Schnittstellen aufweisen, um die Leistungsinformation zu einzulesen bzw. zu empfangen. Die Recheneinheit kann ein oder mehrere Hardware- und/oder Software-Module aufweisen, um den Sollwert der Ladeleistung zu ermitteln bzw. zu berechnen. Die Recheneinheit kann eine Hardware- und/oder Software- Schnittstelle aufweisen, um ein Signal mit einer Information bezüglich des ermittelten Sollwerts der Ladeleistung auszugeben.

Die Recheneinheit kann an der Ladeeinrichtung angeordnet, insbesondere in die Ladeeinrichtung integriert sein. Die Recheneinheit kann auch abseits der Ladeeinrichtung, bspw. innerhalb eines Gebäudes, angeordnet oder Teil einer Cloud-Computing-Umgebung sein. Die abseits der Ladeeinrichtung angeordnete Recheneinheit ist drahtlos oder drahtgebunden mit der Ladeeinrichtung verbunden, um ein analoges oder digitales Signal mit einer Information bezüglich des ermittelten Sollwerts der Ladeleistung an die Ladeeinrichtung zu übertragen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Recheneinheit ist es nunmehr möglich, eine Ladestrategie zum Laden einer Fahrzeugbatterie bereitzustellen, gemäß welcher eine tatsächlich überschüssige Leistung eines Photovoltaiksystems für das Laden verwendet wird. Der vorliegende Ansatz erlaubt es, die mittels eines Photovoltaiksystems bereitgestellte Leistung bestmöglich auszunutzen und zusätzliche Leistungsaufnahmen aus einem Versorgungsnetz oder zusätzliche Einspeisungen in das Versorgungsnetz zu minimieren.

Vorteilhaft ist es, wenn der Regelalgorithmus eingerichtet ist, den Sollwert der Ladeleistung unter Berücksichtigung zumindest einer Ladeeigenschaft der Ladeeinrichtung ermittelt wird, wobei die zumindest eine Ladeeigenschaft ausgewählt ist aus: Maximale Ladeleistung der Ladeeinrichtung, vorgegebene Ladeleistungsstufen der Ladeeinrichtung. Bevorzugt werden beim Ermitteln der Ladeleistung sowohl die maximale Ladeleistung der Ladeeinrichtung als eine erste Ladeeigenschaft und vorgegebene Ladeleistungsstufen der Ladeeinrichtung als eine zweite Ladeeigenschaft berücksichtigt. Das Berücksichtigen der maximalen Ladeleistung der Ladeeinrichtung kann ein Reduzieren der ermittelten Ladeleistung auf die maximale Ladeleistung umfassen, wenn die ermittelte Ladeleistung größer als die maximale Ladeleistung ist. Das Berücksichtigen der vorgegebenen Ladeleistungsstufen der Ladeeinrichtung kann ein Erhöhen oder Reduzieren der ermittelten Ladeleistung auf diejenige der vorgegebenen Ladeleistungsstufen umfassen, die positiv oder negativ minimal von der ermittelten Ladeleistung abweicht. Durch diese Ausgestaltung können bereits beim Ermitteln des Sollwerts der Ladeleistung typische nichtlineare Merkmale der Ladeeinrichtung wie bspw.

Leistungsbeschränkungen sowie Quantisierungsschritte für Spannung und Ladestrom berücksichtigt werden.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Regelalgorithmus ein Ladeeinrichtungs-Modell mit einer Anti-Wind-up-Rückführung umfasst, um die zumindest eine Ladeeigenschaft der Ladeeinrichtung beim Ermitteln des Sollwerts der Ladeleistung zu berücksichtigen. Die Anti-Wind-up-Rückführung ist bevorzugt eingerichtet, eine Differenz zwischen einer Eingangsgröße eines die zumindest eine Ladeeigenschaft der Ladeeinrichtung repräsentierenden Ladeeinrichtungs- Modells und einer Ausgangsgröße des Ladeeinrichtungs-Modells von einer Eingangsgröße eines Reglers des Regelalgorithmus abzuziehen. Durch diese Ausgestaltung können die Regelgüte signifikant verbessert und Leistungsimporte/-exporte aus dem Versorgungsnetz weiter reduziert werden.

Vorteilhaft ist es zudem, wenn der Regelalgorithmus eingerichtet ist, beim Ermitteln des Sollwerts der Ladeleistung eine, insbesondere mittels eines Verbrauchermodells, bereitgestellte weitere Leistungsinformation zu berücksichtigen, welche eine, insbesondere voraussichtlich, abgenommene Leistung für ein oder mehrere Verbraucher des Verbrauchersystems repräsentiert.

Das Verbrauchermodell kann voraussichtliche aufgenommene Leistungen für einzelne Verbraucher für vorgegebene Zeitpunkte bzw. Uhrzeiten oder Zeitfenster, insbesondere an vorgegebenen Wochentagen, optional zu vorgegebenen Monaten oder Jahreszeiten aufweisen.

Die von dem Verbrauchermodell umfassten voraussichtlich aufgenommenen Leistungen können auf ein oder mehreren Nutzereingaben von ein oder mehreren Nutzern basieren. Denkbar ist, dass mittels einer Benutzerschnittstelle Leistungswerte für verschiedene Uhrzeiten, Tage, Monate eingegeben werden, bspw. basierend auf Schätzwerten für die jeweilige Leistungsaufnahme des Verbrauchers (z.B. Maximalwerte für die Leistung gemäß einem Datenblatt des Verbrauchers).

Alternativ zu einem Verbrauchermodell kann auch ein sensorisches Erfassen bzw. Messen einer tatsächlich mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung vorgesehen sein. Gemäß einer weiteren Alternative kann für ein oder mehrere Verbraucher des Verbrauchersystems eine mittels dieser Verbraucher aufgenommene Leistung sensorisch erfasst und für ein oder mehrere weitere Verbraucher des Verbrauchersystems mittels dieser Verbraucher aufgenommene Leistung unter Verwendung eines Verbrauchermodells ermittelt werden.

Das Verbrauchermodell kann eine Lookup-Tabelle umfassen oder auf einem datenbasierten Modell wie bspw. Multilayer Perceptron basieren. Die Lookup- Tabelle weist eine besonders hohe Nutzfreundlichkeit auf.

Das Verbrauchermodell kann Teil eines Software- und/oder Hardwaremoduls der Recheneinheit sein. Denkbar ist auch, dass das Verbrauchermodell abseits der Recheneinheit implementiert ist, bspw. in einer Cloud-Computing-Umgebung. In diesem Fall wird die mittels des Verbrauchermodells ermittelte Leistung an die Recheneinheit übertragen. Aufgrund der durch die Cloud-Computing-Umgebung erhöhten Speicherressourcen können auch zeitlich hochauflösende Verbrauchermodelle realisiert werden.

Durch diese Ausgestaltung können reproduzierbare Vorgänge bei elektrischen Verbrauchern insbesondere in Privathaushalten beim Photovoltaik- Überschussladen berücksichtigt werden, wodurch eine Güte der Regelung erhöht wird.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Verfahren einen Schritt des Ladens der Batterie des Fahrzeugs mit dem Sollwert der ermittelten Ladeleistung mittels der Ladeeinrichtung umfasst, wobei, insbesondere nur dann, der Ladeeinrichtung zusätzliche Leistung mittels einer Leistungsversorgungseinheit bereitgestellt wird, wenn der Sollwert der ermittelten Ladeleistung größer ist als eine Differenz zwischen der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung und der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung, oder einer Leistungsabnahmeeinheit zusätzliche Leistung mittels der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, wenn der Sollwert der ermittelten Ladeleistung kleiner ist als die Differenz zwischen der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung und der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung.

Das heißt, mit anderen Worten, für den Fall, dass der Sollwert der ermittelten Ladeleistung, welcher einen rechnerisch ermittelten zur Verfügung stehenden Überschuss an von dem Photovoltaiksystem bereitgestellter Leistung repräsentiert, von dem tatsächlich zur Verfügung stehenden Überschuss abweicht, oder überhaupt kein Überschuss vorliegt, kann entweder zusätzliche Leistung von der Leistungsversorgungseinheit an die Ladeeinrichtung bereitgestellt werden oder Leistung von der Ladeeinrichtung an die Leistungsabnahmeeinheit bereitgestellt werden. Die Leistungsaufnahmeeinheit und/oder Leistungsabnahmeeinheit kann eine lokale Speichereinheit, bspw. ein elektrischer Speicher wie eine Batterie, sein. Denkbar ist auch, dass die Leistungsaufnahmeeinheit und/oder Leistungsabnahmeeinheit als ein elektrisches Versorgungsnetz, gespeist durch ein oder mehrere Kraftwerke, ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung ist sichergestellt, dass das Fahrzeug tatsächlich mit dem Sollwert der ermittelten Ladeleistung geladen wird, unabhängig davon, ob der tatsächliche Überschuss an Leistung mit dem ermittelten Überschuss an Leistung übereinstimmt.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte der Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer bzw. einer Recheneinheit ausgeführt wird.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Dazu zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Netzes zu einem Photovoltaik-Überschussladen eines Fahrzeugs;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regelstrecke;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Regelkreises gemäß einer

Ausführungsform;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Regelkreises gemäß einer alternativen Ausführungsform;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer

Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Netzes, welches ein Photovoltaik-Überschussladen eines batterieelektrischen Fahrzeugs 30 bspw. an einem Wohngebäude 10 ermöglicht. An dem Wohngebäude 10 ist eine als Wallbox 12 ausgebildete Ladeeinrichtung 12, ein Photovoltaiksystem 14 mit Photovoltaikmodulen 16 und einem Wechselrichter 18, sowie ein Verbrauchersystem 20 mit ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern angeordnet. Ferner umfasst das Wohngebäude 10 eine elektrische Verteilereinheit 22.

Das Photovoltaiksystem 14 ist ausgebildet, von den Photovoltaikmodulen 16 erzeugte und mittels des Wechselrichters 18 in Wechselstrom umgewandelte elektrische Leistung an das Verbrauchersystem 20, die Ladeeinrichtung 12 und/oder an ein das Wohngebäude 10 mit einem Kraftwerk elektrisch verbindendes Versorgungsnetz 26 bereitzustellen. Hierzu umfasst die Verteilereinheit 22 mehrere elektrische Schnittstellen, die ausgebildet sind, eine elektrische Verbindung zwischen der Verteilereinheit 22 und dem Wechselrichter 18, zwischen der Verteilereinheit 22 und dem Verbrauchersystem 20, zwischen der Verteilereinheit 22 und der Ladeeinrichtung 12 sowie zwischen der Verteilereinheit 22 und dem Versorgungsnetz 26 zu ermöglichen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ladeeinrichtung 10 mit dem Photovoltaiksystem 14 und dem Verbrauchersystem 20 mittelbar über die Verteilereinheit 22 elektrisch verbunden.

Der Ladeeinrichtung 12 ist eine Recheneinheit 28 zugeordnet, welche an der Ladeeinrichtung 12 angeordnet, insbesondere in die Ladeeinrichtung 12 integriert, sein kann. Denkbar ist auch, dass die Recheneinheit 28 abseits der Ladeeinrichtung 12, bspw. innerhalb des Wohngebäudes angeordnet ist oder Teil einer Cloud-Computing-Umgebung ist.

Die Recheneinheit 28 ist eingerichtet, einen Sollwert einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie 32 des Fahrzeugs 30 mittels der Ladeeinrichtung 12 zu ermitteln. Hierzu umfasst die Recheneinheit 28 einen Prozessor, ein Speichermedium mit einem Computerprogramm, sowie mindestens eine Kommunikationsschnittstelle. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bei der Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass ein Sollwert einer Ladeleistung für ein Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren ermittelt wird. Hierzu ist die Recheneinheit 28 eingerichtet, eine Leistungsinformation bezüglich einer Differenz eines Istwerts einer von dem Photovoltaiksystem 14 bereitgestellten Leistung sowie eines Istwerts einer mittels des Verbrauchersystems 20 abgenommenen Leistung und eines Istwerts einer mittels der Ladeeinrichtung 12 für das Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 bereitgestellten Ladeleistung einzulesen. Weiter ist die Recheneinheit 28 eingerichtet, den Sollwert der Ladeleistung basierend auf der eingelesenen Leistungsinformation unter Verwendung eines Regelalgorithmus zu ermitteln. Hierbei repräsentiert der ermittelte Sollwert der Ladeleistung einen Überschuss an der bereitgestellten Leistung, um die Batterie 32 des Fahrzeugs 30 mit der ermittelten Ladeleistung mittels der Ladeeinrichtung 12 zu laden.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer dem Laden des Fahrzeugs 30 mit der ermittelten Ladeleistung zu Grunde liegenden Regelstrecke 34. Der Regelstrecke 34 ist als Stellgröße bzw. Stelleingriff die mittels der Recheneinheit 28 ermittelte Ladeleistung P _batt:re f und als Regelgröße eine dem Versorgungsnetz 26 bereitgestellte bzw. eine mittels des Versorgungsnetzes abgenommene bzw. in das Versorgungsnetz exportierte Leistung P _grid zugeordnet.

Hierbei entspricht die Leistung P _grid , die in das Versorgungsnetz 26 exportiert oder aus dem Versorgungsnetz 26 importiert wird, vereinfacht einer Differenz aus einer von dem Photovoltaiksystem 16 bereitgestellten Leistung P _{so iar} und der Ladeleistung P _batt , mittels welcher die Batterie 32 des Fahrzeugs 30 geladen wird, sowie der von dem Verbrauchersystem 20 abgenommenen Leistung Pconsumer> die dem aktuellen Verbrauch aller weiteren elektrischen Geräte des Wohngebäudes 10 entspricht:

Pgrid Psoiar Pbatt Pconsumer

Ferner berücksichtigt die Regelstrecke 34 eine erste Ladeeigenschaft 36 der Ladeeinrichtung 12 und eine zweite Ladeeigenschaft 38 der Ladeeinrichtung 12.

Die erste Ladeeigenschaft 36 repräsentiert eine maximale Ladeleistung der Ladeeinrichtung 12, welche von der Ladeeinrichtung 12 zum Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 maximal bereitstellbar ist, bspw. 11 kW. Die Ladeeinrichtung 12 ist eingerichtet, die Batterie 32 des Fahrzeugs 30 mit der maximalen Ladeleistung zu laden, wenn die ermittelte Ladeleistung P _batt:re f die maximale Ladeleistung überschreitet. Denkbar ist auch, dass die erste Ladeeigenschaft 36 zusätzlich eine maximale negative Ladeleistung der Ladeeinrichtung 12 repräsentiert, welche mittels der Ladeeinrichtung 12 von der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 maximal aufnehmbar und an das Verbrauchersystem 20 bereitstellbar ist. Auf diese Weise kann unter Verwendung des vorgestellten Regelalgorithmus eine von dem Verbrauchersystem 20 abgenommene Leistung alternativ oder zusätzlich zu dem Photovoltaik-System 14 auch aus der Batterie 32 des Fahrzeugs gedeckt werden, wenn nicht genügend Solarleistung zur Verfügung steht.

Die zweite Ladeeigenschaft 38 repräsentiert vorgegebene Ladeleistungsstufen der Ladeeinrichtung 12, gemäß derer die zum Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 bereitstellbare Ladeleistung diskretisiert ist, bspw. 1,4 kW, 3.7 kW, 7,4 kW, 11 kW. Die Ladeeinrichtung 12 ist eingerichtet, die Batterie 32 des Fahrzeugs 30 mit einer Ladeleistung zu laden, welche von der ermittelten Ladeleistung betragsmäßig oder positiv oder negativ minimal abweicht.

Das heißt, mit anderen Worten, die Regelstrecke 34 berücksichtigt typische nichtlineare Merkmale der Ladeeinrichtung 12 wie z.B. Leistungsbeschränkungen sowie Quantisierungsschritte für Spannung und Ladestrom. Die nichtlinearen Eigenschaften der Ladeeinrichtung 12 bzw. Wallbox 12 umfassen bevorzugt eine Quantisierung des Ladestroms bzw. der Ladeleistung und eine untere Begrenzung bei null (d.h. keine Rückspeisung aus dem Fahrzeug 30 in die Ladeeinrichtung 12 bzw. in ein elektrisches Netz des Wohngebäudes 10) sowie eine obere Begrenzung, die durch eine elektrische Auslegung der Ladeeinrichtung 12 gegeben ist.

Eine im Allgemeinen nichtlineare Abhängigkeit der Ladeleistung P _batt von Ladeleistung P _batt:re f kann mathematisch als eine Funktion

Pbatt ~ Q ( Pbatt, re f) dargestellt werden, wobei die im Allgemeinen nichtlineare Funktion Q die Eingangsgröße P _batt:re f auf die Ausgangsgröße P _batt abbildet.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises gemäß einer Ausführungsform. Der Regelkreis ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 40 versehen und umfasst einen bspw. als Software implementierbaren Regelalgorithmus 42 und die Regelstrecke 34 gemäß Fig. 2. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der Regelalgorithmus 42 einen Integralregler. Denkbar ist auch, dass der Regelalgorithmus 42 einen alternativen Regler mit einem Integralanteil, bspw. einen Proportional-Integral-Regler (PI- Regler) oder einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) umfasst.

Der Regelalgorithmus 42 ist eingerichtet, die Regelgröße Pg _rid auf einen vorgegebenen Sollwert, insbesondere Pg _rid = 0 zu regeln, um möglichst keine Leistung aus dem Versorgungsnetz 26 zukaufen zu müssen.

Denkbar ist auch, dass die Regelgröße Pg _rid mittels des Regelalgorithmus 42 auf einen vorgegebenen Sollwert Pg _rid > 0 geregelt wird. Dadurch kann die nächsthöhere Leistungsstufe der Ladeeinrichtung 12 angewählt werden, so dass die mittels des Photovoltaiksystems 14 bereitgestellte Solarleistung durch geringe Mengen aus dem Versorgungsnetz 26 zugekaufter Leistung vollständig für das Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs 30 genutzt werden kann.

Der Regelalgorithmus 42 umfasst weiter ein Ladeeinrichtungs-Modell 44 mit einer Anti-Wind-up-Rückführung. Das Ladeeinrichtungs-Modell 44 repräsentiert zumindest eine Ladeeigenschaft der Ladeeinrichtung 12, bevorzugt die erste Ladeeigenschaft 36 und die zweite Ladeeigenschaft 38. Bspw. kann das Ladeeinrichtungs-Modell 44 die vorstehend beschriebene Funktion Q umfassen bzw. eingerichtet sein, eine mathematische Abbildung gemäß der vorstehend beschriebenen Funktion Q auszuführen.

Die Anti-Wind-up-Rückführung ist eingerichtet, eine Differenz zwischen einer Eingangsgröße des Ladeeinrichtungs-Modells 44 und einer Ausgangsgröße des Ladeeinrichtungs-Modells 44 von einer Eingangsgröße des Integralreglers abzuziehen. Das heißt, mit anderen Worten, ein Ausgang des Ladeeinrichtungs- Modells 44 wird von einem Eingang des Ladeeinrichtungs-Modells 44 abgezogen und dann wieder negativ auf einen Eingang des Integrators aufgeschaltet.

Also können, typische, insbesondere nichtlineare, Eigenschaften bzw. Merkmale der Ladeeinrichtung 12 mittels des Ladeeinrichtungs-Modells 44 und der Anti- Wind-up-Rückführung bereits im Regelalgorithmus 42 explizit berücksichtigt werden. Dadurch wird verhindert, dass der Integralanteil im Regler nicht weiterläuft, wenn sich die Ladeeinrichtung 12 bspw. an ihrer Leistungsgrenze befindet. Ebenso wird es dadurch möglich, dass kein Schaltvorgang von einer ersten auf eine zweite Leistungsstufe der Ladeeinrichtung 12 auftritt, wenn ein Wert der Stellgröße zwischen zwei Leistungsstufen liegt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises gemäß einer alternativen Ausführungsform. Der Regelkreis ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 40‘ versehen und umfasst einen bspw. als Software implementierbaren Regelalgorithmus 42‘ und die Regelstrecke 34 gemäß Fig. 2.

Der Regelalgorithmus 42‘ repräsentiert eine zeitdiskrete Umsetzung und Bedatung des Regelalgorithmus 42 gemäß Fig. 3, ferner ergänzt um ein Verbrauchermodell.

In dieser zeitdiskreten Umsetzung ergibt sich nach einem Abtastschritt bzw. ersten Schritt einer Ausführung des Regelalgorithmus 42‘

Pgrid Pconsumer Psolar Q Pgrid + Pconsumer Psolar) mit der vorstehend beschriebenen Funktion Q und P _batt = Q (P _ba tt,ref)-

In dieser zeitdiskreten Umsetzung ist der Regelalgorithmus 42‘ eingerichtet, eine Differenz zwischen einer aus dem Versorgungsnetz 26 aufgenommenen bzw. zugekauften Leistung P _grid und einem Sollwert der aus dem Versorgungsnetz 26 aufgenommenen Leistung P _grid unter Berücksichtigung der Ladeeigenschaften der Ladeeinrichtung 12 zu minimieren. Für den Fall, dass die Leistungsstufen der Ladeeinrichtung 12 bezüglich der in der jeweiligen Leistungsstufe bereitgestellten Ladeleistung sehr geringe Abstände aufweisen und ferner die ermittelte Ladeleistungen innerhalb von Leistungsgrenzen der Ladeeinrichtung 12 liegt, gilt näherungsweise

Q (Pgrid "F Pconsumer P olar) ~ Pgrid + Pconsumer Psolar- Folglich gilt mit obiger Gleichung nach dem Abtastschritt P _grid = P _grid .

Weiter gilt dann P _batt = p _rid - P _consU mer + Psolar, so dass für einen bevorzugten Sollwert P _grid = 0 die mittels des Photovoltaiksystems 14 bereitgestellte Leistung abzüglich der mittels des Verbrauchersystems 20 aufgenommenen Leistung zum Laden der Batterie 32 des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Das Verbrauchermodell umfasst für ein oder mehrere Verbraucher des Verbrauchersystems 20 eine, insbesondere für ein oder mehrere vorgegebene Zeitpunkte voraussichtlich, abgenommene Leistung. Das Verbrauchermodell umfasst eine Information bezüglich einer, insbesondere voraussichtlich, abgenommenen Leistung P _CO nsumer,prci der ein oder mehreren, insbesondere einer Gesamtheit, der Verbraucher des Verbrauchersystems für ein oder mehrere vorgegebene Zeitpunkte oder Zeitfenster bzw. Zeiträume. Hierzu umfasst das Verbrauchermodell bspw. eine Lookup-Tabelle. Die Lookup-Tabelle kann voraussichtlich aufgenommene Leistungen für einzelne Verbraucher, wie bspw. Wärmepumpe, Herd, Backofen, Spülmaschine etc. für vorgegebene Zeitpunkte bzw. Uhrzeiten oder Zeitfenster aufweisen. Derartige Großverbraucher in einem Haushalt weisen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine reproduzierbare Leistungsaufnahme bzw. Leistungsanforderung zu bestimmten Uhrzeiten auf.

Weiter kann die Lookup-Tabelle voraussichtlich aufgenommene Leistungen für einzelne oder alle Verbraucher für vorgegebene Zeitpunkte bzw. Uhrzeiten oder Zeitfenster an vorgegebenen Wochentagen aufweisen. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass sich Leistungsaufnahme bzw. Leistungsanforderung bspw. zwischen Werktagen und Wochenendtagen unterscheiden kann.

Ferner kann die Lookup-Tabelle voraussichtlich aufgenommene Leistungen für einzelne oder alle Verbraucher für vorgegebene Zeitpunkte bzw. Uhrzeiten oder Zeitfenster an vorgegebenen Wochentagen zu vorgegebenen Monaten oder Jahreszeiten aufweisen. Dadurch können saisonale Unterschiede berücksichtigt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die mittels des Verbrauchersystems tatsächlich abgenommene Leistung aus einer Messung der aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommenen bzw. an das elektrische Versorgungsnetz abgegebenen Leistung P _grid , bspw. an einem Hausanschlusspunkt, ermittelt werden. Hierzu wird die gemäß dem vorliegenden Ermittlungsverfahren ermittelte Ladeleistung P _batt und die mittels des Photovoltaiksystems bereitgestellte Leistung P _soiar von der Leistung P _grid abgezogen. Es ist dann möglich, die mittels des Verbrauchersystems abgenommene Leistung P _consU mer = Psoiar ~ Pbatt ~ Pgrid bzw. eine Differenz aus Verbraucherleistung und Solarleistung P _consumer ~ Psoiar = -Pbatt ~ Pgria zu berechnen, sofern P _{so iar} nicht bekannt ist.

Im Falle eines adaptiven Verbrauchermodells werden bestehende Werte in einzelnen Zellen einer Lookup-Tabelle durch neue Werte ersetzt, wenn bspw. zu einer bestimmten Uhrzeit ein neuer Leistungswert P _con sumer bzw. ein neuer Wert für eine Leistungsdifferenz P _con sumer ~ Psoiar ermittelt worden ist. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Verbrauchermodell, insbesondere die Lookup- Tabelle, voraussichtlich auftretende Leistungsdifferenzen zwischen der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung P _con sumer und der mittels des Photovoltaiksystems bereitgestellten Leistung P _{so iar} . Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die voraussichtliche Leistung des Verbrauchersystems nicht oder kaum bekannt ist, bspw. weil ein Verbraucherverhalten eines das Verbrauchersystem benutzenden Verbrauchers nicht bekannt ist.

Eine zugehörige Adaptionsgeschwindigkeit des Ersetzens alter durch neuer Leistungswerte kann derart gewählt werden, dass Leistungsaufnahmen, welche insbesondere auf reproduzierbaren Vorgängen in einem Haushalt basieren, zuverlässig erfasst werden können.

Denkbar ist weiter, dass das, insbesondere adaptive, Verbrauchermodell eine Differenz P _con sumer ~ Psoiar zwischen Verbraucherleistung und Solarleistung repräsentiert. In diesem Fall werden bestehende Werte für die Differenz Pconsumer ~ Psoiar ' ⁿ einzelnen Zellen einer Lookup-Tabelle durch neue Werte für die Differenz P _con sumer ~ Psoiar ersetzt, wenn bspw. zu einer bestimmten Uhrzeit ein neuer Leistungswert P _con sumer ~ Psoiar ermittelt worden ist. Dadurch werden nicht nur typische Verbrauchsverläufe über Uhrzeit, Tag, Monat etc. abgebildet, sondern direkt die Differenz aus Verbraucherleistung und Solarleistung.

Mittels des, insbesondere adaptiven, Verbrauchermodells können tatsächliche Störeinflüsse in der Regelstrecke durch eine zusätzliche Softwarefunktion kompensiert werden, sodass eine Regelung des Sollwerts der Ladeleistung mit höherer Güte erfolgt.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zum Ermitteln eines Sollwerts einer Ladeleistung für ein Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mittels einer Ladeeinrichtung. Die Ladeeinrichtung ist hierbei mit einem Photovoltaiksystem und einem Verbrauchersystem elektrisch verbindbar, insbesondere verbunden.

In Schritt 110 wird eine Leistungsinformation eingelesen, welche eine Differenz zwischen Istwerten einer von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung sowie einer mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung und einer mittels der Ladeeinrichtung für das Laden der Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Ladeleistung repräsentiert.

In Schritt 120 wird der Sollwert der Ladeleistung basierend auf der Leistungsinformation unter Verwendung eines Regelalgorithmus mittels einer Recheneinheit, wobei der ermittelte Sollwert der Ladeleistung einen Überschuss an der bereitgestellten Leistung repräsentiert.

In Schritt 130 wird die Batterie des Fahrzeugs mit dem ermittelten Sollwert der Ladeleistung mittels der Ladeeinrichtung geladen. Insbesondere wird hierbei der Ladeeinrichtung zusätzliche Leistung mittels einer Leistungsversorgungseinheit bereitgestellt, wenn der Sollwert der ermittelten Ladeleistung größer ist als eine Leistungsdifferenz zwischen einer von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung und einer mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung. Alternativ wird einer Leistungsabnahmeeinheit zusätzliche Leistung mittels der Ladeeinrichtung bereitgestellt, wenn der ermittelte Sollwert der Ladeleistung kleiner ist als die Leistungsdifferenz zwischen der von dem Photovoltaiksystem bereitgestellten Leistung und der mittels des Verbrauchersystems abgenommenen Leistung.