Stationärspeicher

Die Erfindung betrifft einen Stationärspeicher zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie in einem elektrischen Versorgungsnetz. Zu der Erfindung gehören auch ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines solchen Stationärspeichers sowie ein Nachrüstmodul, das in einem herkömmlichen Stationärspeicher installiert werden kann.

Ein Stationärspeicher kann z.B. in einem Versorgungsnetz nahe an einem elektrischen Verbraucher oder elektrischen Erzeuger installiert oder angeschlossen werden, um hierdurch z.B. vermeiden zu können, dass bei Leistungsspitzen elektrische Energie über eine große Strecke durch das Versorgungsnetz transportiert werden muss. Sie kann stattdessen in dem Stationärspeicher vor Ort gepuffert werden. Eine andere Bezeichnung für ein Versorgungsnetz ist auch Drehstromnetz oder Übertragungsnetz.

Ein beispielhafter Anwendungsfall ist der Betrieb einer Ladestation oder Ladesäule für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (Elektrof ahrzeug oder hybrid-betriebenes Kraftfahrzeug) mit einer externen Ladeschnittstelle (sogenannte Plugin-Variante). Notwendig für dessen E-Mobilität ist das Laden mit hohen elektrischen Leistungen. Da die Anzahl der verwendeten Elektrofahrzeuge und deren technisch mögliche Ladeleistung kontinuierlich zunehmen, ist es für die Stabilität und Wirtschaftlichkeit eines Versorgungsnetzes zunehmend schwierig, diese hohen Leistungen an den Ladesäulen bereitzustellen. Dies ist insbesondere bei zunehmender Gleichzeitigkeit von Ladevorgängen mit immer höheren Leistungen der Fall, wenn also beispielsweise mehrere Elektrofahrzeuge auf einem Parkplatz aufgeladen werden sollen.

Um das örtliche Verteilen der elektrischen Leistung im Versorgungsnetz zeitlich vorlagern zu können und somit Netzengpässe zu vermeiden, kann ein elektrischer Stationärspeicher allgemein in einem Gebiet an das Versorgungsnetz angeschlossen werden, in welchem elektrische Leistungen als Leistungsspitzen oder Peaks auftreten können, um hierdurch das sogenannte Peak-Shaving bereitstellen zu können. Dies kann die Degradation der Ladeleistung aufgrund eines Netzengpasses vermeiden. Im Falle von Ladestationen sind im besagten geographischen Bereich also sowohl zumindest ein elektrischer Stationärspeicher als auch zumindest eine elektrische Ladestation an das Versorgungsnetz anzuschließen, um ein Elektrof ahrzeug mit einer vorgegebenen elektrischen Leistung aufladen zu können. Dies ist beispielhaft in Fig. 1 veranschaulicht. Dargestellt ist ein 3-Phasen-Versorgungsnetz 10, an das eine Ladestation 1 1 und ein elektrischer Stationärspeicher 12 angeschlossen sein können. Über die Ladestation 1 1 kann ein Elektrofahrzeug 13 mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Hierzu ist das Elektrofahrzeug 13 an eine Anschlusseinrichtung 14 der Ladestation 1 1 angeschlossen. Um elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz 10 zu der Anschlusseinrichtung 15 zu übertragen, können ein Transformator 16, ein AC-DC-Wandler 17 (AC - Alternating Current, DC - Direct Current), ein DC-DC-Wandler 18 (Gleichspannungswandler) vorgesehen sein. Beispielhaft sind in Fig. 1 Angaben zur Übertragungsleistung (100 kW) und Spannungspegel (600 V, 400 V) angegeben. Ein Ladesteuergerät 15 kann über eine Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug beispielsweise eine benötigte Ladespannung und/oder eine übertragbare Ladeleistung aus dem Kraftfahrzeug in bekannter Weise abfragen oder ermitteln. Der Leistungspfad zum Übertragen von Ladeenergie verläuft aber nur über folgende Komponenten: Transformator, AC-DC-Wandler, DC-DC-Wandler und Anschlusseinrichtung.

Der Stationärspeicher 12 kann Speichereinheiten 19 umfassen, bei denen es sich jeweils beispielsweise um einen elektrochemischen Akkumulator (Batterie) handeln kann. Um die Speichereinheiten 19 mit dem elektrischen Versorgungsnetz 10 zu verbinden, können ein Transformator 20 und ein AC-DC-Wandler 21 vorgesehen sein. Der AC-DC-Wandler 21 kann die erzeugte Gleichspannung bei einem vorgegebenen Spannungsniveau (in Fig. 1 beispielhaft 800 V) an einem DC-Bus 22 bereitstellen, an welchen die Speichereinheiten 19 angeschlossen sein können. Der DC-Bus 22 kann beispielsweise auf der Grundlage von Stromschienen oder Kabeln gebildet sein. In Fig. 1 ist nicht dargestellt, dass die Speichereinheiten 19 mit dem DC-Bus 22 über einen jeweiligen DC-DC-Wandler angeschlossen sein können, um den Leistungsfluss zwischen DC-Bus 22 und der jeweiligen Speichereinheit 19 einstellen zu können.

Die elektrische Energie kann somit lokal von dem Stationärspeicher 12 über das Versorgungsnetz 10 in der Ladesäule 1 1 bereitgestellt werden oder an diese übertragen werden. Aus Fig. 1 geht aber hervor, dass zum Versorgen des Elektrofahrzeugs 13 mit der gewünschten elektrischen Leistung und einem hierbei benötigten örtlichen Puffern der elektrischen Energie im Stationärspeicher 12 eine erhebliche Anzahl an elektrischen Geräten nötig ist, was den Ladevorgang entsprechend unwirtschaftlich macht. Aus der US 201 1/0204720 A1 ist eine Ladestation bekannt, in die eine stationäre Batterie integriert ist, von welcher eine Fahrzeugbatterie direkt geladen werden kann, sodass kein elektrischer Strom aus dem Versorgungsnetz für den Ladevorgang benötigt wird. Die Batterie einer Ladestation kann auch in das Versorgungsnetz entladen werden, um dieses zu stützen. Allerdings erfolgen das Aufladen eines Kraftfahrzeugs einerseits und das Stützen des Versorgungsnetzes andererseits abwechselnd. So kann eine solche Ladestation nur eine dieser Funktionen zurzeit bereitstellen.

Aus der DE 10 2010 015 758 A1 ist eine Ladestation zum Laden eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs beschrieben, die eine große elektrische Leistung mittels Doppelschicht-Kondensatoren an ein Kraftfahrzeug abgeben kann, wobei die abgegebene elektrische Leistung größer ist als eine von einem Versorgungsnetz bereitstellbare elektrische Leistung.

Aus der DE 10 2012 210 284 A1 ist eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug bekannt, die an ein Wechselstrom-Versorgungsnetz eines Haushalts angeschlossen werden kann. Während ein Elektrofahrzeug geladen wird, wird die Ladestation vom Versorgungsnetz getrennt. Somit blockiert also ein Ladevorgang den Zugang zum Versorgungsnetz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch während eines Ladevorgangs oder Entladevorgangs eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs Netzdienstleistungen (z.B. eine Frequenzregelung wie eine Primärregelleistungsbereitstellung) zur Verbesserung der Netzstabilität in einem elektrischen Versorgungsnetz zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.

Durch die Erfindung ist ein Stationärspeicher zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie in einem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt. Ein solcher Stationärspeicher kann zum Beispiel als Pufferspeicher an einem elektrischen Kraftwerk oder an einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einer Industrieanlage oder einem Induktion- Schmelzofen, oder in einem Areal mit Fahrzeug-Ladestationen bereitgestellt sein. Der Stationärspeicher kann für das beschriebene Peak-Shaving oder zum Bereitstellen von sogenannter Regelleistung im Versorgungsnetz oder für beides gleichzeitig vorgesehen sein. Zum Zwischenspeichern der Energie weist der Stationärspeicher mindestens eine elektrische Speichereinheit auf. Jede Speichereinheit ist mittels eines jeweiligen DC-DC- Wandlers an einen gemeinsamen DC-Bus angeschlossen. Der Stationärspeicher weist zudem einen bidirektional betreibbaren AC-DC-Wandler auf, der dazu eingerichtet ist, den DC-Bus an das Versorgungsnetz anzukoppeln. Insbesondere ist der DC-Bus ausschließlich über den AC-DC-Wandler mit dem Versorgungsnetz gekoppelt. Optional kann ein Transformator in der beschriebenen Weise dem AC-DC-Wandler netzseitig vorgeschaltet sein. Mittels des bidirektional betreibbaren AC-DC-Wandlers kann elektrische Energie gesteuert nach einem vorgegebenen Bedarf an elektrischer Leistung abwechselnd aus dem Versorgungsnetz aufgenommen und in das Versorgungsnetz abgegeben werden. Der Stationärspeicher kann hierzu fernsteuerbar ausgestaltet sein, um von einer zentralen Leitstelle aus gesteuert werden zu können. Die beschriebene Anordnung aus dem zumindest einen elektrischen Energiespeicher, dem DC-Bus und dem AC-DC-Wandler stellt insbesondere sicher, dass stets oder dauerhaft mindestens eine elektrische Speichereinheit mit dem Versorgungsnetz gekoppelt ist. Hierdurch steht die Funktionalität des Stationärspeichers für das Versorgungsnetz dauerhaft oder durchgehend zur Verfügung. Die Verfügbarkeit des Stationärspeichers für das Versorgungsnetz ist somit durchgehend gewährleistet.

Um mit geringem Bauteilaufwand nun mittels des Versorgungsnetzes auch ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie aufladen und/oder aus dem Kraftfahrzeug elektrische Energie (z.B. für einen Energieverkauf) entnehmen zu können, ist bei dem Stationärspeicher vorgesehen, dass dieser zum Aufladen und/oder Entladen eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs eine Ladeeinrichtung aufweist. Entscheidend ist nun, wie diese Ladeeinrichtung in dem Stationärspeicher verschaltet ist. Die Ladeeinrichtung weist eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen des Kraftfahrzeugs für einen Ladevorgang oder Entladevorgang auf. Des Weiteren weist die Ladeeinrichtung ein Ladesteuergerät zum Steuern des Ladevorgangs oder Entladevorgangs auf. Zudem ist eine Koppeleinrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, die Anschlusseinrichtung zumindest für die Dauer des Ladevorgangs und/oder Entladevorgangs über einen oder mehr als einen DC-DC-Wandler mit dem DC-Bus elektrisch zu verbinden. Im Folgenden sind ein Ladevorgang und ein Entladevorgang einheitlich als Energieaustausch bezeichnet. Die elektrische Energie zum Aufladen oder Entladen des Kraftfahrzeugs wird also über den DC-Bus, die Koppeleinrichtung und über die Anschlusseinrichtung, an welcher das Kraftfahrzeug angeschlossen ist, übertragen. Soll nun Energie zwischen dem Versorgungsnetz und dem Kraftfahrzeug ausgetauscht werden, so kann hierzu der bereits vorhandene AC-DC-Wandler genutzt werden. Es muss also kein eigener AC-DC-Wandler für die Anschlusseinrichtung vorgesehen werden. Des Weiteren kann auch elektrische Energie aus zumindest einer elektrischen Speichereinheit direkt von deren DC-DC- Wandler, über den DC-Bus und die Koppeleinrichtung an die Anschlusseinrichtung übertragen werden. Dies erfordert keinen Wandlungsschritt über einen AC-DC-Wandler.

Das Ladesteuergerät (Kommunikationssteuergerät) der Ladeeinrichtung selbst kann hierbei in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Es kann sich zum Beispiel um eine Steuereinrichtung einer Standard-DC-Schnelladesäule handeln und übernimmt die Datenkommunikation zu dem Kraftfahrzeug, um zum Beispiel die benötigte Ladespannung und/oder die übertragbare Ladeleistung zu ermitteln. Zu beachten ist, dass es sich bei der Ladefunktion insbesondere um DC-Laden handelt. Wallboxen für AC-Laden sind bevorzugt nicht oder nur mit einem eigenen DC-AC-Wandler vorgesehen.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass aufbauend auf einem Stationärspeicher mit geringem Bauteilaufwand eine Funktionalität einer Ladesäule ergänzt oder hinzugefügt wird. Durch die Vereinigung der Ladestation mit dem Stationärspeicher zu einer technischen Einheit lassen sich Komponenten synergetisch nutzen, indem die Anschlusseinrichtung für das Kraftfahrzeug und die zumindest eine elektrische Speichereinheit DC-seitig über den DC-Bus eine Einheit bilden und somit der elektrische Ladestrom unter Umgehung einer AC-DC-Wandlung direkt aus einer Speichereinheit zu dem Kraftfahrzeug übertragen werden kann. Insbesondere ist somit bei einem Ladevorgang, bei welchem Energie aus zumindest einer Speichereinheit an das Kraftfahrzeug übertragen wird, kein Wandlungsschritt einer AC-DC-Wandlung (AC zu DC und/oder DC zu AC) eines oder mehrerer AC-DC-Wandler vorgesehen. Der Ladevorgang kann also vollständig DC-seitig in dem Stationärspeicher erfolgen.

Um die Anschlussvorrichtung mit dem DC-Bus zu verbinden oder zu koppeln, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Koppeleinrichtung einen zusätzlichen, eigenen DC-DC-Wandler umfasst, über welchen die Anschlussvorrichtung (wie eine Speichereinheit) mit dem DC-Bus verschaltet ist. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass dauerhaft jede Speichereinheit mit dem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt bleibt. Insbesondere kann hiermit auch ein Stationärspeicher für den Energieaustausch genutzt werden, der nur eine einzige Speichereinheit aufweist, die über einen DC-DC-Wandler mit dem DC-Bus verschaltet ist.

Um zusätzliche Synergie in der Zusammenwirkung von Bauteilen zu erhalten, ist aber besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Stationärspeicher zwei oder mehr als zwei Speichereinheiten aufweist und die Koppeleinrichtung eine Schalteinrichtung vorsieht, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal den DC-DC-Wandler einer der Speichereinheiten für den Energieaustausch des Kraftfahrzeugs mit der Anschlusseinrichtung zu verbinden. Die Ladeeinrichtung kann damit ohne eigenen oder zusätzlichen DC-DC-Wandler bereitgestellt werden. Durch die Koppeleinrichtung wird stattdessen eine Speichereinheit von ihrem DC-DC-Wandler entkoppelt und der so freigewordene DC-DC-Wandler dazu genutzt, die Anschlusseinrichtung mit dem DC-Bus zu koppeln. Da zumindest eine weitere Speichereinheit bereitsteht, bleibt der Stationärspeicher dauerhaft für das Versorgungsnetz verfügbar und es kann zusätzlich aus der zumindest einen weiteren Speichereinheit elektrische Energie über den DC-Bus auch an die Anschlusseinrichtung übertragen werden.

Die Schalteinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass ein einzelner DC-DC-Wandler dazu genutzt wird, die Anschlusseinrichtung mit dem DC-Bus zu verbinden. Dann bleibt aber zwangsläufig die Energie aus der zugehörigen Speichereinheit unbenutzt für den Energieaustausch. Bevorzugt ist deshalb vorgesehen, dass die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, während des Energieaustauschs in Abhängigkeit von dem Schaltsignal von dem DC-DC-Wandler der einen Speichereinheit auf den DC-DC-Wandler einer anderen der Speichereinheiten umzuschalten. Hierdurch können alle Speichereinheiten für den Energieaustausch nutzbar gemacht werden, selbst wenn nur zwischen zwei DC-DC- Wandlern umgeschaltet wird.

Eine geeignete Schalteinrichtung zum Umschalten eines DC-DC-Wandlers von einer Speichereinheit auf eine Anschlusseinrichtung kann insbesondere auf der Grundlage zumindest eines steuerbaren Schaltelements bereitgestellt werden, wobei jedes Schaltelement ein Schaltschütz und/oder einen Leistungstransistor umfasst. Ein Leistungstransistor kann z.B. ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sein. Ein Schaltelement ist steuerbar, falls es mittels des genannten Schaltsignals dahingehend gesteuert werden kann, dass ein Schaltzustand des Schaltelements verändert wird. So kann das zumindest eine steuerbare Schaltelement beispielsweise durch das Ladesteuergerät oder eine andere Steuerung des Stationärspeichers geschaltet oder gesteuert werden. Ein Schaltelement kann ein Wechselschalter, der zwischen zwei DC-DC- Wandlern umschalten kann, oder ein einfacher Schalter (z.B. ein Schütz) sein, welcher die Schaltzustände offen und geschlossen bereitstellt.

Um den Energieaustausch besonders effizient zu gestalten, ist es vorgesehen, dass die Anschlusseinrichtung ein Ladekabel zum galvanischen Verbinden des Kraftfahrzeugs umfasst. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Anschlusseinrichtung zum Beispiel eine elektrische Primärspule für einen induktiven Energieaustausch aufweist. Hierfür würde man wieder eine DC-AC-Wandlung benötigen oder eine Primärspule, welche direkt mit DC betrieben werden kann (z.B. durch Schalten des Stromes). Im ersten Fall wäre die DC-AC-Wandlung Teil der Primärspule (z.B. in einer sog. Ground-Plate).

Um in einer Speichereinheit ausreichend elektrische Energie speichern zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass jede Speichereinheit jeweils einen oder mehrere elektrochemische Akkumulatoren, d.h. einen oder mehrere Batterien, umfasst. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Speichereinheit zumindest einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschicht-Kondensator aufweisen.

Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des beschriebenen Stationärspeichers bereitgestellt, um mittels des Stationärspeichers ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie aufzuladen. Hierbei kann zeitweise oder durchgehend zumindest eine Speichereinheit des Stationärspeichers über einen DC- DC-Wandler der Speichereinheit, einen mit dem DC-DC-Wandler verbundenen DC-Bus und einen an den DC-Bus angeschlossenen AC-DC-Wandler mit einem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt gehalten werden. Zumindest eine Speichereinheit des Stationärspeichers bleibt also durchgehend mit dem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt. Aus Sicht des Versorgungsnetzes ist also der Stationärspeicher in Bezug auf seine Funktionalität als Energiepuffer dauerhaft oder durchgehend verfügbar. Während des Energieaustauschs wird die Anschlusseinrichtung mit dem DC-Bus elektrisch verbunden gehalten. Die Anschlusseinrichtung kann mittels der beschriebenen Koppeleinrichtung dauerhaft mit dem DC-Bus gekoppelt sein (mittels eines eigenen DC-DC-Wandlers) oder bedarfsweise gekoppelt werden (mittels der beschriebenen Schalteinrichtung zum Umschalten eines DC-DC-Wandlers von einer Speichereinheit zu der Anschlusseinrichtung). Die Anschlusseinrichtung überträgt elektrische Energie aus dem DC-Bus zu einer Anschlusseinrichtung, über welche das Kraftfahrzeug mit der Anschlusseinrichtung verbunden ist. Die Anschlusseinrichtung kann zum Beispiel das beschriebene Ladekabel sein.

Besonders bevorzugt ist, dass zum Verbinden der Anschlusseinrichtung mit dem DC-Bus für den Energieaustausch eine von mehreren Speichereinheiten des Stationärspeichers von ihrem DC-DC-Wandler entkoppelt und der DC-DC-Wandler mit der Anschlusseinrichtung gekoppelt wird. Dies kann mittels der beschriebenen Schalteinrichtung durchgeführt werden. Um jede Speichereinheit des Stationärspeichers für den Energieaustausch nutzen zu können, wird bevorzugt während des Energieaustauschs die entkoppelte Speichereinheit wieder mit ihrem DC-DC-Wandler gekoppelt und eine andere der Speichereinheiten von ihrem DC-DC-Wandler entkoppelt und dieser DC-DC-Wandler mit der Anschlusseinrichtung gekoppelt. Dies kann mittels der beschriebenen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung durchgeführt werden. Nach dem Energieaustausch kann dann jede Speichereinheit wieder mit ihrem DC-DC-Wandler gekoppelt werden, wodurch die Anschlusseinrichtung von dem DC-Bus entkoppelt ist.

Die Erfindung stellt auch ein Nachrüstmodul bereit, um in einem Stationärspeicher die zusätzliche Funktion einer Kraftfahrzeug-Ladestation verwirklichen oder bereitstellen zu können. Das Nachrüstmodul für einen solchen Stationärspeicher weist eine Ladeeinrichtung zum Aufladen eines elektrischen betreibbaren Kraftfahrzeugs auf, wobei die Ladeeinrichtung die beschriebene Anschlusseinrichtung zum Anschließen des Kraftfahrzeugs für einen Energieaustausch sowie ein Ladesteuergerät zum Steuern des Energieaustauschs umfasst. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass eine Koppeleinrichtung bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, die Anschlusseinrichtung zumindest für den Energieaustausch mit einem DC-Bus des Stationärspeichers elektrisch zu verbinden. Hierzu kann die Koppeleinrichtung in der beschriebenen Weise zum Beispiel einen DC-DC-Wandler zum Verbinden der Anschlusseinrichtung mit dem DC-Bus vorsehen.

Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung eine Schalteinrichtung umfasst, wobei die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von einem Schaltsignal einen DC-DC- Wandler einer Speichereinheit des Stationärspeichers von der Speichereinheit entkoppelt und mit der Anschlusseinrichtung elektrisch verbindet.

Um jede Speichereinheit für den Energieaustausch zu nutzen, ist insbesondere vorgesehen, dass die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von dem Schaltsignal zwei DC-DC- Wandler von ihren Speichereinheiten abwechselnd entkoppelt und bei entkoppelter Speichereinheit den DC-DC-Wandler mit der Anschlusseinrichtung elektrisch verbindet.

Bevorzugt wird der Energieaustausch durch das Ladesteuergerät gesteuert. Hierzu ist das Ladesteuergerät insbesondere dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, also insbesondere das Schaltsignal für die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von einem Verlauf des Energieaustauschs zu erzeugen. Das Ladesteuergerät kann hierzu einen Mikroprozessor oder einen MikroController aufweisen, wobei in einem Datenspeicher ein Programmcode bereitgestellt sein kann, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch den Mikroprozessor oder den MikroController die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Das Ladesteuergerät kommuniziert mit dem Kraftfahrzeug und einer Steuerung des Stationärspeichers. Diese Steuerung stellt dann die Verschaltung ein und stellt auch in Abstimmung mit dem Ladesteuergerät die DC-seitigen Spannungssollwerte und/oder Stromsollwerte ein.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ladestation und eines

Stationärspeichers gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stationärspeichers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stationärspeichers; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Stationärspeichers von Fig. 3 während eines Ladebetriebs.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, um die funktionale Entsprechung dieser Elemente zu verdeutlichen.

Fig. 2 zeigt einen Stationärspeicher 23, der an ein Versorgungsnetz 10 angeschlossen sein kann, das beispielsweise in der gezeigten Art drei Phasen mit einer Effektivspannung von beispielsweise 400 V umfassen kann. Zum Puffern oder Zwischenspeichern von elektrischer Energie kann der Stationärspeicher 23 eine oder bevorzugt mehr als eine Speichereinheit 19 aufweisen. Eine Speichereinheit 19 kann beispielsweise auf der Grundlage einer Batterie oder mehrerer Batterien und/oder eines Doppelschichtkondensators oder mehrerer Doppelschichtkondensatoren gebildet sein. Jede Speichereinheit 19 kann über einen DC-DC-Wandler 18' mit einem DC-Bus 22 gekoppelt sein. Der DC-Bus 22 kann beispielsweise auf der Grundlage von Stromschienen und/oder Kabeln gebildet sein. In dem DC-Bus 22 kann eine elektrische Spannung mit gleichbleibendem Vorzeigen bereitgestellt sein. Der DC-Bus 22 kann über einen AC-DC- Wandler 17' und optional einen Transformator 16' mit dem Versorgungsnetz 10 in bekannter Weise verschaltet sein.

Zusätzlich kann an dem Stationärspeicher 23 auch ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 13 mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Hierzu kann das Kraftfahrzeug 13 mit einer Ladeeinrichtung 24 des Stationärspeichers 23 mittels einer Anschlusseinrichtung 14 gekoppelt werden. Die Anschlusseinrichtung 14 kann beispielsweise ein elektrisches Kabel umfassen. Das Übertragen der elektrischen Energie an das Kraftfahrzeug 13 kann mittels einer durch das Ladesteuergerät 15 der Ladeeinrichtung 24 durchgeführten Kommunikation in aus dem Stand der Technik bekannter Weise gesteuert werden.

Die Ladeeinrichtung 24 kann als ein Nachrüstmodul 25 in den Stationärspeicher 23 eingebaut worden sein. Um die Anschlusseinrichtung 14 mit dem DC-Bus 22 koppeln zu können, kann die Anschlusseinrichtung 14 zum Beispiel mittels eines eigenen DC-DC- Wandlers 18 mit dem DC-Bus 22 verschaltet sein.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass statt des DC-DC-Wandlers 18 eine Schalteinrichtung 27 vorgesehen ist, die zumindest ein steuerbares Schaltelement 28 aufweist, wobei jedes Schaltelement 28 dazu eingerichtet ist, abwechselnd einen der DC-DC-Wandler 18' jeweils entweder mit einer der Speichereinheiten 19 oder mit der Anschlusseinrichtung 14 elektrisch zu verbinden. Alternativ kann auch die Anschlusseinrichtung 14 durch das Schaltelement 28 elektrisch verbunden oder getrennt werden. Eine Wechselschaltung ist nicht zwingend erforderlich. In Fig. 2 ist der Schaltzustand dargestellt, in welchem die oben dargestellte Speichereinheit 19 mit ihrem DC-DC-Wandler 18' gekoppelt ist und die Anschlusseinrichtung 14 von diesem DC-DC-Wandler 18' entkoppelt ist, während die unten dargestellte Energiespeichereinheit 19 von ihrem DC-DC-Wandler 18' entkoppelt und dieser DC-DC-Wandler 18' mit der Anschlusseinrichtung 14 gekoppelt ist. Durch ein Schaltsignal 29, das beispielsweise durch das Ladesteuergerät 15 erzeugt werden kann, kann in einem Umschaltvorgang 30 zwischen den DC-DC-Wandlern 18' derart gewechselt werden, dass die unten dargestellte Speichereinheit 19 mit ihrem DC-DC-Wandler 18' gekoppelt und der oben dargestellte andere DC-DC-Wandler 18' mit der Anschlusseinrichtung 14 gekoppelt und entsprechend von seiner Speichereinheit 19 entkoppelt wird. Jedes Schaltelement 28 kann beispielsweise für einen oder für jeden Pol ein jeweiliges Schaltschütz und/oder einen jeweiligen Leistungstransistor, beispielsweise einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder IGBT vorsehen. Der Umschaltvorgang 30 kann z.B. durch das Ladesteuergerät 15 mittels eines Schaltsignals 29 bewirkt werden.

Der DC-DC-Wandler 18 oder alternativ die Schalteinrichtung 27 stellt jeweils eine Koppeleinrichtung K zum Koppeln der Anschlusseinrichtung 14 mit dem DC-Bus 22 dar.

Aus Fig. 2 geht durch die beispielhaften Angaben einer übertragenen elektrischen Leistung hervor, dass der Transformator 16' und der AC-DC-Wandler 17' eine geringere Übertragungsleistung aufweisen können als die DC-DC-Wandler 18'. Grund dafür ist, dass bei einem Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 13 mit einer elektrischen Leistung, die größer als die Übertragungsleistung des AC-DC-Wandlers ist, die benötigte elektrische Leistung aus mindestens einer Speichereinheit 19 mittels dessen DC-DC-Wandlers 18' auf dem DC- Bus 22 bereitgestellt werden kann.

Da der Stationärspeicher 23 zum Bereitstellen der Funktion der Ladestation für das Kraftfahrzeug 13 nur ein kleines technisches Update benötigt und hierzu wenige zusätzliche Komponenten nötig sind, insbesondere die Schalteinrichtung 27 sowie die Installation des Ladesteuergeräts 15 und der Anschlusseinrichtung 14, kann die Ladeeinrichtung 24 als das Nachrüstmodul 25 für einen handelsüblichen Stationärspeicher vorgesehen werden. Zusätzlich kann eine solche Ladeeinrichtung 24 zumindest eine elektrische Sicherung (zum Beispiel Schmelzsicherung) und/oder einen Bedienungsbildschirm zum Bedienen des Ladesteuergeräts 15 umfassen.

Die Ladeeinrichtung 24 ist insbesondere für ein DC-Schnellladen vorgesehen, d.h. für eine Lade-Leistung größer als 10 kW, insbesondere größer als 20 kW.

Zusätzliche Komponenten einer Ladestation, wie ein eigener Inverter (AC-DC-Wandler), ein Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) und ein Transformator entfallen bzw. sind im Vornherein im schon bereitgestellten Stationärspeicher enthalten. Mittels des Nachrüstmoduls 25 wird somit ein Stationärspeicher 23 zusätzlich mit der Funktion einer Ladestation oder Ladesäule ergänzt oder ertüchtigt.

Fig. 3 beschreibt eine alternative Ausgestaltung des Stationärspeichers 23 mit eingesetztem Nachrüstmodul 25. Elemente, die funktionsgleich mit dem Stationärspeicher 23 von Fig. 2 sind, sind in Fig. 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen wie das korrespondierende Element aus Fig. 2 bezeichnet.

In Fig. 3 ist zusätzlich veranschaulicht, wie auf der Grundlage von Kommunikationsschnittstellen COM das Ladesteuergerät 15 über Kommunikationspfade oder Kommunikationsverbindungen 31 die Speichereinheiten 19 sowie die DC-DC-Wandler 18, 18' für einen Ladevorgang steuern kann. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine einzelne Kommunikationsverbindung 31 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Kommunikationsverbindungen 31 sind durch gestrichelt gezeichnete Linien repräsentiert. Die Kommunikationsverbindungen 31 können beispielsweise kabelgebunden, zum Beispiel mittels eines Kommunikationsbusses, realisiert sein.

Über eine Kommunikationsverbindung 31 kann das Ladesteuergerät 15 auch aus dem Kraftfahrzeug 13 die besagten Ladedaten, zum Beispiel die benötigte Ladespannung und/oder die zugelassene Ladeleistung, ermitteln. Die Kombinationsverbindung 31 kann über die Anschlusseinrichtung 14 in an sich bekannter Weise geführt oder realisiert sein.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform können die Schaltelemente 28 der Schalteinrichtung 27 als einfache Schalter zum Wechseln zwischen einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand ausgestaltet sein, also zum Beispiel als Schütze. Um für einen Ladevorgang einen DC-DC-Wandler 18' einer Speichereinheit 19 mit der Anschlusseinrichtung 14 durch Schließen eines der Schaltelemente 28 verbinden zu können, kann die zugehörige Speichereinheit 19 von ihrem DC-DC-Wandler 18' durch Öffnen eines Schalters 28' der Schalteinheit 19 selbst oder eines (nicht dargestellten) vorgelagerten Schalters elektrisch getrennt werden. Dies kann durch das Ladesteuergerät 15 über die Kommunikationsverbindungen 31 gesteuert werden. Die von dem DC-DC- Wandler 18' breitzustellende elektrische Spannung kann dann ebenfalls durch das Ladesteuergerät 15 vorgegeben werden.

Innerhalb des Kraftfahrzeugs 13 kann durch einen Schalter 28" eine elektrische Verbindung zwischen der Anschlusseinrichtung 14 und einer Traktionsbatterie 32 des Kraftfahrzeugs 13 bereitgestellt werden. Fig. 4 veranschaulicht einen Vergleich zwischen einem Ladevorgang eines Kraftfahrzeugs 13 an einer herkömmlichen Ladesäule 1 1 (wie in Fig. 1 beschrieben) und einem Ladevorgang eines weiteren Kraftfahrzeugs 13 an dem Stationärspeicher 23 mit seinem Nachrüstmodul 25.

Dargestellt ist zum einen der Energiefluss 33 von einer Speichereinheit 19 hin zum Kraftfahrzeug 13 an der Ladesäule 1 1 . Es ergeben sich hierbei sechs Wandlungsschritte.

Im Vergleich dazu ist der Energiefluss 34 dargestellt, wie er sich beim Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 13 an der Ladeeinrichtung 24 des Stationärspeichers 23 ergibt. Bei diesem Ladevorgang ergeben sich nur zwei Wandlungsschritte, es werden also vier Wandlungsschritte im Vergleich zur Verwendung einer herkömmlichen Ladesäule 1 1 eingespart. Dies verringert die Verlustleistung beim Ladevorgang.

Durch die Beispiele ist gezeigt, wie durch die Erfindung ein stationärer Batteriespeicher mit einer DC-Schnellladefunktionalität bereitgestellt werden kann.

Bezugszeichenliste

Versorgungsnetz

Ladestation

Stationärspeicher

Elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug

Anschlusseinrichtung

Ladesteuergerät

Transformator

' Transformator

AC-DC-Wandler

' AC-DC-Wandler

DC-DC-Wandler

' DC-DC-Wandler

Speichereinheit

Transformator

AC-DC-Wandler

DC-Bus

Stationärspeicher

Ladeeinrichtung

Nachrüstmodul

Eingangsleitung

Schalteinrichtung

Schaltelement

' Schalter

" Schalter

Schaltsignal

Umschaltvorgang

Kommunikationsverbindungen

Traktionsbatterie