Induktives Auf- und Entladen von Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen

Stromnetz. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm, eine Ladestation sowie ein System, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet sind.

Das Konzept der Elektromobilität erfordert einen Ausbau von Ladestationen, über die Batterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie Elektro- oder Hybridfahrzeugen, aus einem externen Stromnetz geladen werden können. Beispielsweise kann das Laden aus einer Ladestation kabelgebunden über eine Steckverbindung oder kabellos über Induktionsspulen erfolgen. Weiterhin sind Möglichkeiten bekannt, Elektro- oder Hybridfahrzeuge mit Batterien als Energiespeicher in externe Stromnetzte einzubinden.

DE 10 2010 043 752 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines lokalen

Energienetzes, das eine begrenzte Netzauslastung hat und in dem mehrere

Verbraucher über ein Stromnetz angeschlossen sind. Dabei wird die

Energieanforderung jedes Verbrauchers erfasst und in Abhängigkeit von der maximalen Auslastung des Energienetzes die zur Verfügung stehende Energie priorisiert verteilt.

Aus DE 10 2010 027 050 A1 ist ein multifunktionales modulares Anschluss- und Ladesystem für das Laden von Elektrofahrzeugen bekannt, wobei das Aufladen als wohnungsnahe Nachtaufladung im öffentlichen Raum ausgestaltet ist. Mit einem derartigen Netz von Ladestationen zur Nachtaufladung wird ein technisches Basisnetz eines Speicherkraftwerks/Pufferspeichers gebildet, das zur Netzstabilisierung vor allem bei Überlast-Windstrom beiträgt. Hierbei kann neben einer kabelgebundenen

Ladetechnik auch eine Induktionsladung zum Einsatz kommen. DE 10 2008 044 526 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum

ortsunabhängigen Strombezug und/oder zur ortsunabhängigen Stromeinspeisung einer mobilen Speicher- und Verbrauchseinheit an einer ortsfesten Stromtankstelle. Dabei kann auch vom Elektrofahrzeug elektrische Energie in ein Netz eingespeist werden, wobei insbesondere Überschüsse einer Vorrichtung zur Energiegewinnung, wie einer Photovoltaikanlage auf dem Dach des Fahrzeuges, eingespeist werden können.

Durch die Einbindung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen in ein externes Stromnetz können intelligente Stromnetze aufgebaut werden, die flexibel auf unterschiedliche Auslastungen reagieren können. Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, die Möglichkeiten der Einbindung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen weiter auszubauen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen Stromnetz vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst: a) Erfassen einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem

elektrisch angetriebenen Fahrzeug in Fahrsituationen,

b) Bereitstellen einer Auslastung eines externen Stromnetzes,

c) Bereitstellen eines Ladezustandes der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges,

d) Ausspeisen von elektrischer Energie aus dem externen Stromnetz und Laden der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, wenn das externe Stromnetz eine erste Auslastungsgrenze unterschreitet und der Ladezustand der Batterie eine erste vorgegebene Schwelle unterschreitet,

oder

Entladen der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und Einspeisen der elektrischen Energie in das externe Stromnetz, wenn das externe Stromnetz eine zweite Auslastungsgrenze überschreitet und der Ladezustand der Batterie eine zweite vorgegebene Schwelle überschreitet. Dabei bezeichnet eine Fahrsituation eine Situation, in der sich das elektrisch angetriebene Fahrzeug in einer Verkehrssituation im Straßenverkehr befindet.

Beispielsweise kann sich das Fahrzeug vor einer Ampelanlage befinden oder ein Gefälle befahren.

Weiterhin bezeichnet ein externes Stromnetz ein öffentliches Stromnetz oder ein lokales Stromnetz, aus dem mehrere Verbraucher versorgt werden. Je nach

Energiebedarf der an das externe Stromnetz angeschlossenen Verbraucher können diese mit elektrischer Energie versorgt werden.

In einer Ausführungsform kann die Fahrsituation einen Anhaltevorgang oder einen Beschleunigungsvorgang an einer Ampelanlage umfassen. Weiterhin kann die Fahrsituation das Befahren einer Gefällestrecke umfassen.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Auslastung des externen Stromnetzes erfasst werden, indem die Auslastung des externen Stromnetzes der Ladestation, insbesondere einem Steuergerät der Ladestation, von einem Netzmanagementsystem bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Auslastung über eine kabellose

Datenverbindung, wie das Internet oder eine Cloud, von einem

Netzmanagementsystem, etwa dem eines Netzbetreibers, bereitgestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Ladezustand der Batterie der Ladestation, insbesondere einem Steuergerät der Ladestation, von einem Steuergerät des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bereitgestellt. Beispielsweise kann auf einem Steuergerät der Batterie ein Batteriemanagementsystem implementiert sein, das den Ladezustand der Batterie aus Zustandsparametern der Batterie ermittelt und über eine kabellose Datenverbindung, wie einer Bluetoothverbindung oder einer

Internetverbindung, an das Steuergerät der Ladestation überträgt.

Die erste Auslastungsgrenze des externen Stromnetzes, ab der die Batterie geladen wird, kann beispielsweise 50 bis 90 %, bevorzugt 60 bis 80 %, der Gesamtauslastung des externen Stromnetzes betragen. Die zweite Auslastungsgrenze des externen Stromnetzes, ab der die Batterie entladen wird, kann beispielsweise 80 bis 100 %, bevorzugt 85 bis 95 %, der Gesamtauslastung des externen Stromnetzes betragen. Die erste vorgegebene Schwelle für den Ladezustand der Batterie, ab der die Batterie geladen wird, kann 10 bis 80 %, bevorzugt 20 bis 70 %, der Gesamtladekapazität der Batterie betragen. Die zweite vorgegebene Schwelle für den Ladezustand der Batterie, ab der die Batterie entladen wird, kann 60 bis 100 %, bevorzugt 70 bis 100 %, der Gesamtladekapazität der Batterie betragen.

In einer weiteren Ausführungsform wird elektrische Energie, die zum Beschleunigen des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges an Ampelanlagen oder zum Befahren einer ansteigenden Gefällestrecke benötigt wird, aus dem externen Stromnetz ausgespeist, um die Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges zu laden.

In einer weiteren Ausführungsform wird elektrische Energie, die während eines

Anhaltevorganges an einer Ampelanlage durch Rekuperation oder bei einem Befahren einer abfallenden Gefällestrecke durch Rekuperation aus Bremsenergie gewonnen wird, in das externe Stromnetz eingespeist.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges zusätzlich in stationären Situationen als Pufferspeicher genutzt. Dabei bezeichnet die stationäre Situation eine Situation, in der sich das elektrisch

angetriebene Fahrzeug im Ruhezustand befindet. Solche Situationen sind zum Beispiel gegeben, wenn das elektrisch angetriebene Fahrzeug auf einem Stellplatz etwa in einer Garage oder in einem Parkhaus abgestellt ist oder wenn das elektrisch angetriebene Fahrzeug aufgrund einer Panne oder eines Unfalls liegen geblieben ist. So kann die Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges in stationären

Situationen bei geringer Auslastung des externen Stromnetzes geladen werden und bei erhöhter Auslastung des externen Stromnetzes entladen werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Lade- oder Entladevorgang

fahrerspezifisch angepasst. So kann der Fahrer über eine Mensch-Maschine- Schnittstelle, wie einem Touchscreen oder einer Tastatur, eine Restlademenge und/oder eine Standzeit festlegen, an die der Lade- oder Entladevorgang angepasst werden kann.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur

Implementierung einer Ladestation handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem

permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-ROM, DVD, einer Blu-ray-Disc oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder einem Cloudsystem zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.

Weiter erfindungsgemäß wird eine Ladestation zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen Stromnetz vorgeschlagen, die folgende Einheiten umfasst: a. eine Einheit zum Erfassen einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug in Fahrsituationen,

b. eine Einheit zum Bereitstellen einer Auslastung eines externen Stromnetzes, c. eine Einheit zum Bereitstellen eines Ladezustandes der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges,

d. eine Einheit zum Ausspeisen von elektrischer Energie aus dem externen

Stromnetz und Laden der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, wenn das externe Stromnetz eine erste Auslastungsgrenze unterschreitet und der Ladezustand der Batterie eine erste vorgegebene Schwelle unterschreitet, oder

Entladen der Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und Einspeisen der elektrischen Energie in das externe Stromnetz, wenn das externe Stromnetz eine zweite Auslastungsgrenze überschreitet und der Ladezustand der Batterie eine zweite vorgegebene Schwelle überschreitet.

Bevorzugt ist die Ladestation zur Durchführung des vorstehend beschriebenen

Verfahrens ausgebildet. Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten dementsprechend auch für die Ladestation. Umgekehrt gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Ladestation beschrieben sind, auch für das Verfahren.

In einer Variante umfasst die Ladestation ein Steuergerät, eine Kommunikationseinheit und wenigstens eine Induktionsspule. Dabei kann das Steuergerät mit der

Kommunikationseinheit verbunden sein, um Daten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges zu empfangen. Weiterhin kann das Steuergerät mit dem externen

Stromnetz und der wenigstens einen Induktionsspule verbunden sein, um das Ein- oder Ausspeisen beziehungsweise den Lade- oder Entladevorgang zu steuern.

In einer weiteren Variante ist die Ladestation als stationäre Ladestation ausgebildet. Beispielsweise kann die Ladestation in eine Fahrbahn integriert sein. Alternativ kann die Ladestation als mobile Ladestation ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Ladestation in eine Matte integriert sein, die unter ein elektrisch angetriebenes

Fahrzeug gelegt werden kann.

Weiter erfindungsgemäß wird ein System zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen Stromnetz vorgeschlagen, das die vorstehend beschriebene Ladestation umfasst. Hierbei kann die Ladestation im Haltebereich einer Ampelanlage, vor oder hinter einer Gefällestrecke oder an Stellplätzen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge vorgesehen.

Vorteile

Durch die Abstimmung des Lade- oder Entladevorganges der Batterie mit der

Auslastung des externen Stromnetzes kann ein intelligentes Stromnetz aufgebaut werden, in dem das elektrisch angetriebene Fahrzeug auch während der Fahrt und nicht nur im stationären Zustand als Puffer agiert. So kann der Ladevorgang zu Zeiten mit hoher Stromeinspeisung erfolgen, während Verbrauchsspitzen durch eine gezielte Entladung und Rückspeisung in das Stromnetz ausgeglichen werden können. Dadurch wird die Einbindung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen flexibler gestaltet.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein System zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer

Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen Stromnetz, und

Figur 2 ein Steuergerät einer Ladestation, das zum Übertragen von elektrischer

Energie zwischen einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und einem externen Stromnetz ausgebildet ist.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser

Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein System 10 zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen einer Batterie 12 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 und einem externen Stromnetz 16.

Zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 und dem externen Stromnetz 16 umfasst das System 10 eine Ladestation 18. Die Ladestation 18 ist an das externe Stromnetz 16 und an das elektrisch angetriebene Fahrzeug 14 gekoppelt. Weiterhin ist die Ladestation 18 mit einem Netzmanagementsystem 17 verbunden, das drahtlos Daten, wie die Auslastung des externen Stromnetzes 16, an die Ladestation 18 überträgt.

Für die Kopplung an das elektrisch angetriebene Fahrzeug 14 umfassen sowohl das elektrisch angetriebene Fahrzeug 14 als auch die Ladestation 18 jeweils eine

Induktionsspule 20, 22. Durch die Induktionsspulen 20, 22 wird elektrische Energie berührungslos zwischen dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14 und der

Ladestation 18 übertragen. Dabei wird mit Hilfe einer der Induktionsspulen 20, 22 ein Induktionsfeld 32 erzeugt, das von der gegenüberliegenden Induktionsspule 20, 22 empfangen wird. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Induktionsspulen 20, 22 so gestaltet sind, dass möglichst viele Feldlinien des Induktionsfeldes 32 die

Induktionsspulen 20, 22 durchfluten. Dazu kann beispielsweise der Abstand zwischen den Induktionsspulen 20, 22 möglichst gering gewählt werden. So kann die

Induktionsspule 22 am Unterboden des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 angebracht sein, und die Induktionsspule 20 der Ladestation 18 kann in eine Fahrbahn eingelassen sein oder in eine Matte, die unter dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14 positioniert wird, integriert sein. Durch ein aufeinander abgestimmtes Paar von Induktionsspulen 20, 22 und die Verwendung einer geeigneten Übertragungsfrequenz kann die elektrische Energie nahezu verlustfrei übertragen werden.

Die Induktionsspulen 20, 22 sind jeweils mit einem Steuergerät 24, 26 verbunden, das ladestationsseitig oder fahrzeugseitig die Übertragung von elektrischer Energie steuert. Das Steuergerät 24 der Ladestation 18 ist mit dem externen Stromnetz 16, der Induktionsspule 20 und einer Kommunikationseinheit 28 verbunden und regelt den Lade- oder Entladevorgang aus dem externen Stromnetz 16. Das Steuergerät 26 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 ist mit der Batterie 12, der Induktionsspule 22 und einer Kommunikationseinheit 30 verbunden und regelt den Lade- und

Entladevorgang fahrzeugseitig.

Die Kommunikationseinheit 28 kommuniziert mit der fahrzeugseitigen

Kommunikationseinheit 30. Die Kommunikation zwischen den

Kommunikationseinheiten 28, 30 findet kabellos, etwa über eine Internetverbindung oder eine Bluetoothverbindung, statt. Dabei können Daten, wie eine Identifizierung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14, eine übertragene Strommenge oder ein Ladezustand der Batterie 12, übertragen werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Datenübertragung auch durch Überlagerung in eine Trägerfrequenz des Induktionsfeldes 32 integriert werden. In diesem Fall entfallen die zusätzlichen

Kommunikationseinheiten 28, 30.

Figur 2 zeigt das Steuergerät 24 der Ladestation 18, das zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Batterie 12 des elektrisch angetriebenen

Fahrzeuges 14 und dem externen Stromnetz 16 ausgebildet ist. Das Steuergerät 24 umfasst dazu eine Einheit 34 zum Erfassen einer induktiven Kopplung zwischen der Ladestation 18 und dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14 in Fahrsituationen. Beispielsweise weist die Induktionsspule 20, die der Ladestation 18 zugeordnet ist, zum Erfassen der induktiven Kopplung zwischen der Ladestation 18 und dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14 einen dauerhaften Stromfluss auf, der von der Induktionsspule 22, die dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14 zugeordnet ist, erfasst wird. Der dauerhafte Stromfluss kann dabei von einem Strom von 1 nA - 400 A, vorzugsweise zwischen 5 mA und 500 mA erzeugt werden, wodurch ein Induktionsfeld 32 der Induktionsspule 20 der Ladestation 18 erzeugt wird, das von der Induktionsspule 22 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 erfasst werden kann, sobald die Induktionsspulen 20, 22 übereinanderliegend angeordnet sind. Wird eine induktive Kopplung durch die Induktionsspule 22 des elektrisch angetriebenen

Fahrzeuges 14 erfasst, kann dies dem Steuergerät 24 der Ladestation 18 übermittelt werden, wodurch die Ladestation 18 die induktive Kopplung erfasst. In alternativen Ausführungsformen können auch Sensoren, die der Ladestation 18 zugeordnet sind, die Anwesenheit des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 erfassen.

Weiterhin umfasst das Steuergerät 24 eine Einheit 36 zum Erfassen einer Auslastung des externen Stromnetzes 16. Die Auslastung des externen Stromnetzes 16 wird der Ladestation 18 von dem Netzmanagementsystem 17 bereitgestellt. Eine Einheit 38 zum Bereitstellen eines Ladezustandes stellt einen Ladezustand der Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 bereit. Dabei wird der Ladezustand der Batterie 12 der Ladestation 18 von dem Steuergerät 26 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 bereitgestellt.

Weiterhin umfasst das Steuergerät 24 eine Einheit 40 zum Bereitstellen

fahrerspezifischer Daten, die fahrerspezifische Daten, wie einen Restlademenge und/oder eine Standzeit, bereitstellt, an die der Lade- oder Entladevorgang angepasst werden kann.

Wird eine Kopplung erkannt, werden die Auslastung, der Ladezustand und die fahrerspezifischen Daten einer Einheit 42 zum Auswerten der Auslastung, des

Ladezustands und der fahrerspezifischen Daten bereitgestellt. Unterschreitet das externe Stromnetz 16 eine erste Auslastungsgrenze und der Ladezustand der Batterie 12 eine erste vorgegebene Schwelle, wird elektrische Energie durch die Einheit 44 zum Ausspeisen von elektrischer Energie aus dem externen Stromnetz 16 ausgespeist und die Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 geladen. Beispielsweise wird elektrische Energie, die zum Beschleunigen des elektrisch angetriebenen

Fahrzeuges 14 an Ampelanlagen benötigt wird oder die zum Befahren einer ansteigenden Gefällestrecke benötigt wird, aus dem externen Stromnetz 16

ausgespeist, um die Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 zu laden.

Überschreitet das externe Stromnetz 16 eine zweite Auslastungsgrenze und der Ladezustand der Batterie 12 eine zweite vorgegebene Schwelle, wird die Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 entladen und die elektrische Energie durch die Einheit 46 zum Einspeisen von elektrischer Energie in das externe Stromnetz 16 eingespeist. Beispielsweise wird elektrische Energie, die während eines

Anhaltevorganges an einer Ampelanlage durch Rekuperation aus Bremsenergie gewonnen wird oder die bei einem Befahren einer abfallenden Gefällestrecke durch Rekuperation aus Bremsenergie gewonnen wird, in das externe Stromnetz 16 eingespeist.

Die Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 wird zusätzlich in stationären Situationen als Pufferspeicher genutzt. So kann die Batterie 12 des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 14 in stationären Situationen bei geringer Auslastung des externen Stromnetzes 16 geladen werden oder bei erhöhter

Auslastung des externen Stromnetzes 16 entladen werden.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.