AT524928A1

AT524928A1 - Ladestation für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: AT524928A1
Application number: ATA50269/2021A
Authority: AT
Inventors: Bauer Dipl Ing Christoph; Mayer Ing Walter; Rothwangl Ing Hannes
Original assignee: Siemens Ag Oesterreich
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (2), mit einer Wandladestation (1) welche eine Steckverbindung für zumindest ein Ladekabel (5) und eine Verbindung zu einem Energieversorgungsnetz, sowie eine Kommunikationseinheit umfasst, wobei die Verbindung zwischen Wandladestation 10 und Energieversorgungsnetz mittels Schienenverteilersystem (3) erfolgt.

Description

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Beschreibung / Description

Bezeichnung der Erfindung / Title of the invention

Ladestation für Elektrofahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine Ladestation für Elektrofahrzeuge.

Zur Zeit sind Elektroautos gegenüber Autos mit konventionellen Verbrennungsmotoren noch in der Minderheit. Aus diesem Grund stehen derzeit noch wenige Lademöglichkeiten für Elektroautos in Parkgaragen zur Verfügung. In den nächsten Jahren wird jedoch ein starkes Wachstum der Elektromobilität erwartet, wodurch der Bedarf an Ladeinfrastruktur in Parkgaragen ebenfalls stark wachsen lassen wird. Vor allem für die Übergangszeit werden sich Autos mit Verbrennungsmotoren und Elektroautos die Parkgaragen teilen, Ladeinfrastruktur wird mit bekannten Lösungen wie Wandladestationen (Wallboxen) nur Schritt für Schritt installiert, was immer wieder bauliche Maßnahmen und - Je nach Eigentümerverhältnissen - lange und

mühsame Genehmigungen erforderlich macht.

Als Wandladestation (Wall Connector oder Wallbox) wird ein an einer Wand befestigtes Ladegerät zum Laden von Elektroautos bezeichnet. Die Wandladestation stellt dabei nicht nur die Steckverbindung für das Ladekabel und die Verbindung zum Wechselstromnetz zur Verfügung wie eine Steckdose, sondern auch zusätzliche Funktionen, insbesondere Kommunikation zur Stromstärke, die ansonsten bei Ladekabeln durch eine InKabel-Kontrollbox (ICCB) bereitgestellt wird.

Im Gegensatz zu Stromtankstellen sind Wandladestationen bei vergleichbarer technischer Funktionalität im Allgemeinen einfacher aufgebaut und für den Einsatz in Innenräumen oder dem geschützten Außenbereich wie einem Carport konzipiert. Sie sind vielfach nicht Öffentlich und bieten keine Bezahlmöglichkeit.

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Der Begriff ist allerdings nicht genormt und kann die gesamte Bandbreite von der Installation einer einfachen Kraftstromsteckdose in der Garage bis hin zum vernetzten Ladeanschluss, der mit der Heim- und Fahrzeugelektronik kommuni-

ziert, abdecken.

In der Regel stellt die „Wandladestation“ eine Anschlussmöglichkeit nach IEC 62196 zum Laden von Elektrofahrzeugen be-

reit.

Bei derzeit verfügbaren Elektrofahrzeugen kann die Traktionsbatterie auch über einphasige Niederspannungsnetz-Haushaltssteckdosen mit 230 V/ 10 A und 2,3 KW Leistung geladen wer-

den. Mit dieser geringen Leistung dauert allerdings der Ladevorgang je nach Akkukapazität zwischen 6 und 12 Stunden, sodass diese Lademöglichkeit manchmal auch als „Notladung“ be-

zeichnet wird.

Haushaltssteckdosen sind darüber hinaus nicht darauf ausgelegt, dauerhaft über mehrere Stunden mit sehr hohen Strömen belastet zu werden. Höhere Ladeleistungen bieten CEESteckverbinder nach IEC 60309. Weil es aber, je nach Leistung, verschiedene CEE-Steckverbinder gibt, müssen ältere

Elektrofahrzeuge mehrere Adapter mitführen.

Zur Vereinfachung des Ladevorgangs wurde daher in der europäischen Union der sogenannte Ladestecker Typ 2 als Standard eingeführt und alle Wandladestationen mit einem derartigen

Anschluss versehen.

Wandladestationen dienen auch als Kommunikationsschnittstelle zum Elektrofahrzeug. Diesem teilt die Box mit, mit welcher Stromstärke das Fahrzeug von der vorhandenen Stromquelle laden kann. Bei einer Ladung nach IEC 62196 Model-3 ist dabei das Ladegerät im Fahrzeug integriert. Die Wandladestation ist somit ein intelligenter Strom-Schalter mit mehreren Sicher-

heitsebenen.

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Wandladestationen für den privaten Bereich werden typisch an 400-V-/16-A-Drehstrom (11 kW maximale Ladeleistung) angeschlossen. Diese Anschlussmöglichkeit besitzt fast jeder Haushalt, da beispielsweise Elektroherde ebenfalls diese Anschlussstärke nutzen. Eine Nachladung mit 11 kW ermöglicht bei entsprechendem Ladegerät Ladezeiten (je nach Akkugröße) von ein bis zwei Stunden. Leistungsstärkere Lader werden automatisch entsprechend auf diesen Anschlusswert gedrosselt. Vorteilhaft ist der einfache Aufbau dieser Wandladestationen, da neben dem dreiphasigen Laden auch die standardmäßigen Bordladegeräte mit 230 V (max. 3,6 kW) ohne weitere Absiche-

rung auf einer Phase betrieben werden können.

Größere Wandladestationen werden beispielsweise an 400 V 32 A (22 kW) angeschlossen und ermöglichen bei Vorhandensein entsprechend leistungsstarker Ladegeräte deutlich kürzere Ladezeiten. Dabei bestimmt die Leistungsfähigkeit des eingebauten Bordladers letztlich die realisierbare Ladeleistung. Durch Kommunikation zwischen dem Elektroauto und dem Ladegerät ist die maximal erreichbare Ladeleistung festgelegt. Niedrigere Ladeleistungen können meist in den Einstellungen des Elektro-

autos gewählt werden.

In üblicher Weise erfolgt die Verbindung zwischen der Wandladestation und dem Energieversorgungsnetz mittels geeigneten Kabelverbindungen, die für die entsprechende Leitung ausgelegt und in bzw. an den Gebäuden mit Wandladestation instal-

liert werden.

Diese Kabelverbindungen sind aufwändig zu installieren und bei Änderungen in der Anordnung der Wandladestationen nur mit

erheblichem Aufwand anzupassen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ladesta-

tion anzugeben, welche einfach installiert und in das vorhan-

dene Energieversorgungsnetz eingefügt werden kann.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einer Wandladestation, welche eine Steckverbindung für zumindest ein Ladekabel und eine Verbindung zu einem Energieversorgungsnetz sowie eine Kommunikationseinheit umfasst, wobei die Verbindung zwischen Wandladestation und Energieversorgungsnetz mit-

tels Schienenverteilersystem erfolgt.

Unter Schienenverteilersystemen versteht man ortsfeste Installationen zur Stromverteilung und -übertragung: Hierbei sind in der Regel interne isolierte Stromleiter durch ein äuRBeres Gehäuse gegen Berührung und Beschädigung geschützt. Die technischen Anforderungen eines Schienenverteilersystems sind in der Norm DIN EN 61439 (Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen) definiert, wobei der Teil 6 (DIN EN 61439-6 / VDE 0660-600-6) explizit Definitionen, Betriebsbedingungen, Bauanforderungen, technische Merkmale und Anforderungen für

Nachweise für Schienenverteilersystem festlegt.

Typische Anwendung für Schienenverteilersysteme sind die Niederspannungs-Stromversorgungen in industriellen Anwendungen (z. B. Fertigungsstätten, Werkstätten) oder großflächigen Gebäuden (z. B. Hochhäuser, Flughäfen)

Schienenverteiler sind dafür bekannt, Strom effektiv, flexibel und sicher zu übertragen und zu verteilen. Bei Änderungen, wie beispielsweise die Erweiterung einer bestehenden Anlage um neue Anlagenteile, muss bei einer Kabellösung zunächst die Stromversorgung benachbarter Gerätschaften abgeschaltet werden. Erst danach können die aufwendigen Änderungen an der Kabelinstallation durchgeführt werden. Mit Schienenverteiler-Systemen können die Energieabgriffe bei Bedarf auch unter Spannung - vorbehaltlich nationaler Normen - ver-

ändert, ergänzt und ausgetauscht werden.

Eine vorteilhafte Lösung erhält man, wenn die Kommunikationseinheit Mittel zur Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug und Mittel zur Kommunikation mit Steuereinheiten des Energiever-

sorgungsnetzes umfasst.

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Durch die Kommunikation mit Fahrzeug und Energieversorgungsnetz kann beispielsweise mittels cloud-basierten Applikationen die Ladevorgänge so gesteuert werden, dass die Netzauslastung optimiert und die Kosten für den Nutzer minimiert

werden.

Günstig ist es weiterhin, wenn die Last der Elektrofahrzeuge beim Laden durch ein Lastmanagement, wie z.B. einem

Microgrid, verteilt wird.

Microgrids sind überall dort eine zuverlässige Alternative, wo entweder autarke Stromversorgung wie z.B. auf Inseln oder Optimierungen in Bezug auf überlagerte Netze oder Versorgungskosten gefragt sind. Im netzverbundenen Betrieb ermöglichen Microgrids die zuverlässige Energiebereitstellung aus erneuerbaren Quellen egal, ob zu Stark- oder Schwachlastzeiten. Darüber hinaus sind sie in der Lage, die Blindleistung zu beeinflussen und durch Regelung der maximalen Bezugsleistung Kosten zu sparen. Microgrids bieten ein hohes Maß an Verfügbarkeit und verbesserter Stromqualität. Außerdem können

sie unabhängig vom übergeordneten Netz arbeiten.

Die wichtigste Herausforderung beim stabilen Betrieb eines Microgrids ist seine zuverlässige Überwachung und Steuerung insbesondere der Hauptverbraucher. Elektrofahrzeuge können

dabei eine wichtige Rolle spielen.

Mit der erfindungsgemäßen Ladestation kann ihr Ladevorgang in Schwachlastzeiten bzw. in Zeiten erhöhter Stromerzeugung beispielsweise bei Starkwind oder Sonnenschein und dem Vorhandensein von Windkraft- bzw. Solaranlagen im Microgrid zu einer Stabilisierung und Optimierung der Netzauslastung genutzt

werden.

Mit anderen Worten, der Ladevorgang wird so gesteuert, dass

die Netzauslastung ein Optimum erreicht.

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Vorteilhaft ist es, wenn alternativ zur kabelgebundenen Datenverbindung die Kommunikationseinheit Mittel zur Datenübertragung auf Basis der Powerline- Technologie über die Sammel-

schienen umfasst.

Damit wird nicht nur der Strom über die Schienenverteiler übertragen, sondern auch die Daten. Die parallele Übertragung von Strom und Daten über ein System bringt weitere Vorteile bei der Installation mit sich: Ein zusätzliches Datenkabel ist nicht notwendig. Ladestationen mit Powerline-Technologie können Jederzeit an bestehende Systeme per Plug-and-Play angeschlossen werden. So entstehen keine Ausfallzeiten oder zusätzliche Montageaufwände. Die Energieversorgung lässt sich

flexibel an die entsprechenden Erfordernisse anpassen.

Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert, welche beispielhaft und schematisch den Einsatz erfindungsgemäßer

Ladestationen zeigt.

Die Figur zeigt eine Anordnung mit mehreren Wandladestationen 1l für Elektrofahrzeuge 2, wie sie typisch in Öffentlichen oder privaten Garagen vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind nun diese Wandladestationen 1 über ein Schienenverteilersystem 3 mit einem nicht dargestellten Energieversorgungsnetz

verbunden.

Als Schienenverteilersystem 3 kann beispielsweise Sivacon 8PS von Siemens vorgesehen werden. Schienenverteilersysteme sind in vielen Fällen eine technologisch und wirtschaftlich überlegene Alternative zu Kabelverbindungen. Sie nehmen weniger Raum ein und verlaufen konturengleich zum Gebäude. Außerdem können die Stromschienen schneller und einfacher installiert

sowie an geänderte Anforderungen angepasst werden.

Die erfindungsgemäße Kombination aus Stromschiene 3 zur Energieverteilung und Wandladestation 1 zum Laden von Elektroautos 2 ermöglicht eine flexibel erweiterbare Lösung. Ist die

Stromschiene in einer Garage einmal installiert, kann diese

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mit Wandladestationen 1 je nach Bedarf ergänzt werden und ist so flexibel erweiterbar. Die Montage und die elektrische Verbindung erfolgen durch das Aufstecken und das Fixieren der

Wandladestation auf der Stromschiene 3.

Daher sind keine zusätzlichen Bohr- oder Verlegearbeiten für

die Installation von Energieversorgungs-Leitungen notwendig.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Powerline-Technologie oder der kabelgebundenen Datenverbindung zur Kommunikation der Wandladestationen 1 mit Steuereinheiten 4 des Energieversorgungsnetzes, d.h. Automatisierungs- und Energiemanagementsystemen, wie den sogenannten Microgrid-Controllern, können die Wandladestationen bzw. die damit versorgten Elektrofahrzeuge zu einer Stabilisierung und optimalen Auslastung des

Energieversorgungsnetzes beitragen.

Erfolgt die Datenverbindung über die Powerline-Kommunikation direkt über die Stromschiene, sind auch keine weiteren Verle-

gearbeiten für die Daten-Kommunikation notwendig.

Die Powerline-Module sind in die Wandladestationen 1 zusammen mit kommunikationsfähigen Schutz-, Schalt- und Messgeräten integriert. Diese können damit per Plug-and-Play an das Schienensystem 3 angeschlossen werden. Messdaten wie Leistung, Strom und Diagnoseinformationen können dann z.B. über die Leiterbahnen der Schienenstränge an übergreifende Automatisierungs- und Energiemanagementsysteme 4 d.h. weitergegeben

werden.

Die Powerline-Technologie erlaubt eine hochzuverlässige Kom-

munikation über große Entfernungen.

Die Betreiber können den Stromverbrauch in Echtzeit überwachen, variable Tarifpläne implementieren und Grenzwerte für den Stromverbrauch festlegen, um Spitzenlasten besser verwal-

ten oder gar vermeiden zu können.

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Im Gegenzug können die Verbraucher die Ladezeiten der Elektrofahrzeuge 2 mittels eines Microgrids an günstige Tarife an-

passen und so die Kosten optimieren.

Bezugszeichenliste

1 Wandladestation

2 Elektrofahrzeug

3 Schienenverteilsystem

4 Steuereinheiten des Energieversorgungsnetzes

5 Ladekabel

Claims

15 20 25 30 35 202002139 Patentansprüche / Patent claims

1. Ladestation für Elektrofahrzeuge mit einer Wandladestation, welche eine Steckverbindung für zumindest ein Ladekabel und eine Verbindung zu einem Energieversorgungsnetz sowie eine Kommunikationseinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Wandladestation (1) und Energieversorgungsnetz mittels

Schienenverteilersystem (3) erfolgt.

2. Ladestation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit Mittel zur Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug (2) und - im Falle der Nutzung von Microgrids - Mittel zur Kommunikation mit Steuer-

einheiten (4) des Energieversorgungsnetzes umfasst.

3. Ladestation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungsnetz ein Lastmanagement, wie z.B. Microgrids, umfasst und dass der Ladevorgang der Elektrofahrzeuge (2) in Abhängigkeit von der Auslastung

des Lastmanagements gesteuert ist.

4. Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit Mittel zur Datenübertragung auf Basis der Powerline- Kommunikation über die Sammelschienen oder eine kabelgebundene

Kommunikation umfasst.

5. Ladestation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass zusätzlich eine 230V Schukosteck-

dose vorgesehen ist.

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