AT528145A1

AT528145A1 - Ladestation zur gleichzeitigen Ladung mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge

Info

Publication number: AT528145A1
Application number: ATA50248/2024A
Authority: AT
Inventors: Schmidt Dr Ing Martin; Schmitt Dr Alexander
Original assignee: AVL SET GmbH
Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2025-10-15
Also published as: WO2025196269A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladestation (10) zum gleichzeitigen Laden mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge (14), umfassend: einen Gleichspannungszwischenkreis (22), mehrere an den Gleichspannungszwischenkreis (22) angeschlossene Basis-Wandler (1a-1h), die jeweils über eine Anschlussleitung (24a-24h) mit einem Ladeanschluss (4a-4h) schaltbar verbunden sind, einen an den Gleichspannungszwischenkreis (22) angeschlossenen Booster-Wandler (2a, 2b), der während eines Betriebs der Ladestation (10) über eine Boosterleitung (26a, 26b) und jeweils einen Zuschaltknoten (18a-18h) an verschiedene der Anschlussleitungen (24a- 24h) zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse (4a-4h) zuschaltbar ist, eine Fahrzeugkommunikationseinrichtung (31) zum Kommunizieren von Ladeinformationen zwischen der Ladestation (10) und den Fahrzeugen (14); eine Steuereinheit (27) zur Steuerung der Basis-Wandler (1a-1h) und des Booster-Wandlers (2a, 2b) entsprechend einem gewünschten Leistungstransfer; wobei jede Anschlussleitung (24a-24h) einen sicherheitsgerichteten Schalter (6a-6h) zwischen Ladeanschluss (4a-4h) und Zuschaltknoten (18a-18h) aufweist.

Description

Ladestation zur gleichzeitigen Ladung mehrerer elektrisch angetriebener

Fahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine Ladestation zur gleichzeitigen Ladung mehrerer elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, ein Verfahren zur Ladung von mehreren elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit einer solchen Ladestation, ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines solchen Verfahrens sowie einen

entsprechenden computerlesbaren Datenträger.

Der Bedarf an Ladestationen steigt derzeit aufgrund der Elektrifizierung des Verkehrssektors stark an. Ladestationen müssen dabei unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Die Ladestationen Übertragen elektrische Energie von einem Stromnetz zum Fahrzeug. Einige Ladestationen kommunizieren mit den angeschlossenen Fahrzeugen, um den Ladezustand der Batterie zu erkennen und den Ladevorgang entsprechend anzupassen. Diese Kommunikation gewährleistet eine optimale Ladung unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen jedes Fahrzeugs. Dabei ist sicherzustellen, dass jedes Fahrzeug mit einer optimalen Geschwindigkeit geladen wird, ohne die Gesamtkapazität der Ladestation oder des die Ladestation versorgenden Stromnetzes zu überschreiten. Hierzu kann eine Regulierung des Ladestroms vorgesehen sein, auch, um dem um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden und um die verfügbare Leistung effizient auf die angeschlossenen Fahrzeuge zu verteilen. Dies umfasst auch das Management von Spitzenlastzeiten und die Verteilung der Energie auf Basis der Priorität oder der Dringlichkeit des Ladebedarfs. Hierbei ist die Sicherheit während des Ladevorgangs jederzeit zu gewährleisten. Fehler wie Überhitzung, elektrische Fehlfunktionen oder physische Beschädigungen sind konstruktionsbedingt möglichst auszuschließen und im Fehlerfall

zu erkennen.

Der Ladevorgang von Elektrofahrzeugen erfolgt unter Realbedingungen jedoch unter verschiedenen Randbedingungen. Die maximale Ladeleistung von Elektrofahrzeugen wird nur unter idealen Bedingungen erreicht und setzt voraus, dass die Batterie einen niedrigen Ladezustand (State of Charge, SoC) hat. Außerdem muss die Batterie für das

Schnellladen vorkonditioniert sein, was jedoch lediglich bei entsprechend

ausgestatteten Fahrzeugen möglich ist. Die maximale Ladekapazität wird daher nur selten erreicht. Ferner unterscheiden sich maximale Ladekapazitäten stark in

Abhängigkeit unterschiedlicher Fahrzeugtypen.

Ein relevanter Ladeparameter ist die Zeit, die benötigt wird, um die Reichweite des Fahrzeugs (in km) aufzuladen. Häufig wird dabei ein Ladefenster zwischen 10 und 80 % SoC betrachtet, da dies von vielen Experten und Nutzern den bestmöglichen Ladevorgang darstellt. Die Ladedauer der Hersteller wird in der Regel auch für diesen

Bereich angegeben.

Ein Vergleich verschiedener Elektrofahrzeuge hat gezeigt, dass die von den Herstellern angegebene maximale Ladeleistung nur für wenige Minuten während des Ladevorgangs erreicht wird - und die fahrzeugspezifische Leistung stark variiert (Daake, C., Cammerer, M. (2023) „P3 Charging Index: Comparison of the Fast Charging Capability of Various Battery Electric Vehicles“, 23. Internationales Stuttgarter

Symposium. ISSYM 2023. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden).

Bei bekannten Ladestationen werden elektrische Wandler verwendet, um die erforderlichen Ladeleistungen bereitzustellen. In einigen Ladestationen ist jeweils ein Wandler mit einer Anschlusseinrichtung gekoppelt. Um den Leistungsbedarf jedes Fahrzeugs abzudecken, sind die Wandler dabei häufig auf die maximal an der jeweiligen Anschlusseinrichtung bereitzustellende Leistung ausgelegt. Derartige Wandler müssen also einen großen Leistungsumfang abdecken. Der maximale Leistungsumfang wird in vielen Anwendungsfällen jedoch aus den genannten Gründen für jeweils sehr kurze Zeiträume genutzt. Bei einer solchen eins-zu-eins-Kopplung zwischen Wandler und Anschlusseinrichtung ist eine ausschließliche Verwendung von effektiver nutzbaren Wandlern mit geringerem Leistungsumfang dennoch aufgrund des für eine schnelle Ladung des Fahrzeugs erwünschten Leistungsumfangs nicht möglich. Wandler mit hohem Leistungsumfang haben dagegen über den gesamten Ladezyklus gerechnet eine nicht unerhebliche Blindkapazität, die die Effizienz des Gesamtsystems senkt. Wandler mit geringerem Leistungsumfang führen zu einer geringeren Maximalladeleistung was zu längeren Ladezeiten und damit zu geringer Kapazität bei

gleicher Anzahl von Ladeanschlüssen führt.

Grundsätzlich ist nicht ausgeschlossen, dass eine Bedarfsleistung an einem Ladeanschluss von mehr als einem Wandler zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch könnte eine hohe Leistung innerhalb eines kurzen Zeitraums transferiert werden. Da bei Ladestationen jedoch die grundsätzliche Möglichkeit besteht, dass innerhalb eines kurzen Zeitraums eine hohe Leistung im Bereich von kW oder MW transferiert wird, sind hohe Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, die das Risiko einer fehlerhaften Schaltung

und einem daraus entstehenden Kurzschluss verhindern.

Beispielsweise offenbart die Patentanmeldung US 2021/0129701 A1 (US ’701) eine Ladestation für Elektrofahrzeuge. Die Ladestation umfasst mehrere Anschlüsse, die nebeneinander und neben Parkplätzen angeordnet sind. Zu den Anschlüssen gehören ein Versorgungsanschluss, Ladeanschlüsse und Hilfsstromanschlüsse. Der Versorgungsanschluss ist mit einer Versorgungseinrichtung verbunden und verteilt den Strom an die anderen Anschlüsse. Die Ladeklemmen werden zum Aufladen der Elektrofahrzeuge verwendet, und die Hilfsstromklemmen können zusätzlichen Strom liefern. Die Klemmen werden über strukturelle Verbindungsmittel wie Steckverbinder

miteinander verbunden, um eine modulare Struktur zu bilden.

Eine derartige einfache Kopplung von mehreren Wandlern, um bei Bedarf zusätzliche Leistung zu transferieren, führt jedoch schon bei wenigen Wandlern zu sehr komplexen Sicherheitssystemen, wobei eine hohe Komplexität aufgrund des damit einhergehenden Ausfallrisikos einzelner Teile nachteilig für die Sicherheit der Ladestation ist und zu häufigeren Reparaturen und damit einer reduzierten Betriebszeit führt. Die reduzierte Betriebszeit senkt die Gesamteffizienz der Ladestation. Die Sicherheitsaspekte sind insbesondere auch daher besonders relevant, da technische Laien die Ladestation sicher verwenden können müssen und manche Ladestationen in Bereichen installiert werden sollen, in denen sie von Wettereinflüssen nicht oder nur teilweise geschützt

sind.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Ladestation zur gleichzeitigen schnellen Ladung mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge bereitzustellen, die gegenüber

bestehenden Ladestationen effizienter betrieben werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Ladestation bereitzustellen, die den

Sicherheitsanforderungen für Ladestationen genügt.

Die Aufgabe wird durch eine Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Ladung von einem oder mehreren elektrisch angetriebenen Fahrzeugen nach Anspruch 17 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ladestation und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung eine Ladestation zum gleichzeitigen Laden mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge, umfassend: einen Gleichspannungszwischenkreis, mehrere an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Basis-Wandler, die jeweils über eine Anschlussleitung mit einem Ladeanschluss schaltbar verbunden sind, einen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Booster-Wandler, der während eines Betriebs der Ladestation über eine Boosterleitung und jeweils einen Zuschaltknoten an verschiedene der Anschlussleitungen zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse zuschaltbar ist, eine Fahrzeugkommunikationseinrichtung zum Kommunizieren von Ladeinformationen zwischen der Ladestation (10) und den Fahrzeugen (14), eine Steuereinheit zur Steuerung der Basis-Wandler und des Booster-Wandler entsprechend einem gewünschten Leistungstransfer; wobei jede Anschlussleitung einen

sicherheitsgerichteten Schalter zwischen Ladeanschluss und Zuschaltknoten aufweist.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die erfindungsgemäße Kombination aus Basis-Wandlern und Booster-Wandler die BasisWandler mit relativ geringerer Kapazität ausgelegt werden können, wobei der BoosterWandler lediglich dann zugeschaltet wird, wenn ein Ladeanschluss zur Aufnahme der durch den Booster-Wandler bereitstellbare Zusatzleistung zur Verfügung steht. Auf diese Weise können die Basis-Wandler über größere Ladezeiträume effizienter betrieben werden und lediglich in Fällen und an Ladeanschlüssen mit erhöhtem Kapazitätsbedarf der Booster-Wandler zugeschaltet werden. Hierdurch wird die

Lebensdauer und Betriebssicherheit der Wandler und damit der Ladestation erhöht und

Reparaturintervalle verlängert. Dies führt insgesamt zu einem effizienteren Betrieb der

Ladestation bei einem gleichzeitig erreichten hohen Level an Betriebssicherheit.

Als Ladestation wird eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Laden von mehreren elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verstanden. Insbesondere ist die Ladestation

dazu geeignet, Fahrzeuge mit deren maximal zulässiger Kapazität zu laden.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge können insbesondere elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge besonders bevorzugt PKW und/oder LKW sein. Die Vorteile der Erfindung sind besonders groß, wenn die Ladestation dazu eingerichtet ist, PKW und LKW gleichzeitig zu laden, da diese besonders große Unterschiede in ihrer maximalen

Ladeleistung aufweisen.

Ein Gleichspannungszwischenkreis ist ein Gleichspannungs-Schaltkreis, der dazu eingerichtet ist, elektrische Leistung zu und/oder zwischen unterschiedlichen Einheiten der Ladestationen zu übertragen. Die vom Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Spannung sollte auch unter Last möglichst konstant sein und kann beispielsweise bei 750V liegen. Der Gleichspannungszwischenkreis kann auch mehr als zwei Spannungsniveaus und damit eine Multi-Level-Topologie aufweisen. Anstelle von einem Gleichspannungszwischenkreis kann alternativ oder zusätzlich auch ein

Gleichstromzwischenkreis genutzt werden.

Ein Basis-Wandler bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt und dazu ausgelegt ist, über seinen Ausgang ein Basis-Spannungsniveau und/oder ein Basis-Leistungsniveau zu transferieren. Neben dem Anwendungsfall der Umwandlung einer Gleichspannung in einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung kann der Basis-Wandler grundsätzlich auch zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, einer Wechselspannung in eine andere Wechselspannung oder einer Gleichspannung in eine Wechselspannung ausgelegt sein. Die Umwandlung erfolgt mithilfe einer leistungselektronischen Schaltung und eines oder mehrerer Energiespeicher. Eine Basis-Versorgungsleistung kann beispielsweise zwischen 20 kW und 300 kW liegen. Basis-Wandler sind grundsätzlich dazu eingerichtet, elektrische Leistung bidirektional

zu wandeln.

Eine Anschlussleitung ist eine elektrische Leitung, die dazu eingerichtet ist, einen BasisWandler mit einem Ladeanschluss zu verbinden. Die Anschlussleitung ist vorzugsweise

mehrpolig ausgestaltet.

Ein Ladeanschluss ist eine Einrichtung, die dazu vorgesehen ist, an das elektrisch angetriebene Fahrzeug zum Laden angeschlossen zu werden. Der Ladeanschluss weist hierzu üblicherweise einen Ladestecker zum Anschluss an ein Fahrzeug auf. Der Ladestecker ist somit ein Fahrzeugladestecker und kann insbesondere den Typ-1-, den Typ-2- oder den Typ-3-Ladestecker, den CSS- oder Combo-Stecker, den ChademoStecker, den Tesla Supercharger oder den CEE-Stecker umfassen oder einer dieser

Stecker sein.

Ladeinformationen sind Informationen, die geeignet sind, einen Ladestrom festzulegen. Einige der Informationen sind in der Norm SAE J1772:2001 festgelegt. Insbesondere können Informationen über den Ladezustand des Fahrzeugs, den Fahrzeugtyp und/oder die Kompatibilität des Fahrzeugs mit einem Lademodus vom Fahrzeug an die Ladestation übertragen werden. Weiter können Informationen über den Betriebszustand der Ladestation, insbesondere ob diese Betriebsbereit ist, als Ladeinformation an das

Fahrzeug übertragen werden.

Ein Booster-Wandler bezeichnet ebenso wie der Basis-Wandler eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. BoosterWandler sind grundsätzlich ebenfalls dazu eingerichtet, elektrische Leistung bidirektional zu wandeln und können identisch zu den Basis-Wandlern ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind Booster-Wandler jedoch so ausgestaltet, dass sie an dessen Ausgang ein Leistungsniveau transferieren, das bei einem zum Basis-Wandler

passenden Spannungsniveau über dem Basis-Leistungsniveau liegt.

Unter einem Betrieb der Ladestation ist zu verstehen, dass ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug am Ladeanschluss der Ladestation angeschlossen ist und ein Ladevorgang des Fahrzeugs über die Ladestation durchgeführt wird. Hierbei kann ein Leistungstransfer zum Fahrzeug hin stattfinden oder die Ladestation befindet sich in einem Zustand, in dem kein Leistungstransfer zum Fahrzeug stattfindet. Der

Leistungstransfer ist grundsätzlich nicht konstant. Die Eigenschaft, dass ein Booster-

Wandler während des Betriebs der Ladestation zuschaltbar ist, umfasst somit auch notwendige Sicherheitseinrichtungen, die eine Zuschaltung und Abschaltung ermöglichen, ohne, dass das Ladestation oder ein Nutzer der Ladestation Schaden

nimmt.

Eine Boosterleitung ist eine von einem Booster-Wandler ausgehende elektrische Leitung. Mit der Boosterleitung sind mehrere Anschlussleitungen schaltbar verbunden. Die Boosterleitung kann aus mehreren, beispielsweise durch Knoten verbundenen, Teilstücken bestehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass lediglich Teilstücke der Boosterleitung mit den mehreren Anschlussleitungen schaltbar verbunden sind. Es ist darauf zu achten, dass im Betrieb der Ladestation jeweils nur eine oder keine Anschlussleitung an die Boosterleitung angeschlossen ist. Bei mehreren gleichzeitig im Betrieb der Ladestation an die Boosterleitung angeschlossenen Anschlussleitungen besteht die Gefahr eines ungewollten Spannungsübertrags, sofern unterschiedliche

Spannungen an den jeweils angeschlossenen Anschlussleitungen anliegen.

Ein Zuschaltknoten ist ein Punkt im elektrischen Netzwerk der Ladestation, an dem zwei Anschlüsse der Anschlussleitung und ein Anschluss der Boosterleitung zusammentreffen, wobei sich der Strom in diesem Punkt verzweigen kann. An dem Zuschaltknoten kann somit ein in der Anschlussleitung fließenden Strom mit einem in

der Boosterleitung fliekenden Strom überlagert werden.

Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Basis-Wandler und den oder die BoosterWandler zu steuern, also die von den Wandlern zu transferierende Leistung einzustellen. Hierzu ist die Steuereinheit mit den Wandlern signaltechnisch gekoppelt. Die Steuereinheit kennt den Inhalt der Speichereinheit und die Sollwerte für Strom und/oder Spannung und/oder Leistung und misst die dazugehörigen Ist-Werte oder sammelt diese ein. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, den aktuellen und/oder zukünftigen Leistungsbedarf eines Ladeanschlusses zu ermitteln. Hierzu kann die Steuereinrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein, ein Signal über die Kapazität einer Fahrzeugbatterie, ein Signal über den Ladezustand der Fahrzeugbatterie, ein Signal über den Typ des Fahrzeugs und/oder andere Signale zu

empfangen und/oder zu generieren.

Ein Leistungstransfer ist im Normalbetrieb der Ladestation positiv, führt also von der

Ladestation zum Fahrzeug hin.

Ein sicherheitsgerichteter Schalter ist ein Schalter, der nach sicherheitsgerichteten Konstruktionsprinzipien konstruiert ist, die eingehalten werden müssen, damit das Risiko einer Fehlfunktion minimiert werden kann. Sicherheitsgerichtete Schalter sind dazu eingerichtet, den eigenen Schaltzustand und/oder eine eigene Fehlfunktion zu detektieren oder detektierbar zu machen. Der Schaltzustand der sicherheitsgerichteten

Schalter kann im Betrieb regelmäßig an die Steuereinheit gesendet werden.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Ladestation der Gleichspannungszwischenkreis über einen Netzumrichter an ein Stromnetz

angeschlossen.

Der Netzumrichter wandelt eine an der Ladestation verfügbare Spannung, beispielsweise eine mehrphasige Netzspannung in eine Gleichspannung um, die als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird. Der Netzumrichter kann ein Gleichrichter (ACDC-Konverter, Active-Front-End-Konverter) sein, beispielsweise ein geschalteter Brückengleichrichter. Die Spannungsumwandlung erfolgt insbesondere bidirektional. Eine Umwandlung der AC-Spannung in eine DC-Spannung führt zu genaueren

Ansteuerungen, durch die eine glattere Eingangsspannung erreicht werden kann.

Ein Stromnetz ist ein Netzwerk zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Das Stromnetz ist vorzugsweise ein Wechselspannungsnetz, kann aber auch ein Gleichspannungsnetz sein. Sofern das Netz ein Gleichspannungsnetz ist, ist als Netzumrichter ein DC/DC-Konverter vorgesehen, der die Netzspannung in eine

zweckmäßige Zwischenkreisspannung umwandelt.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn die Ladestation ferner eine Speichereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, Leistung zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse oder von wenigstens einem der Ladeanschlüsse zu transferieren, wobei die Speichereinrichtung direkt oder über eine zusätzliche Leistungselektronik an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist. Mit der Speichereinrichtung kann eine zeitweise Erhöhung der Ladeleistung erreicht werden. Ferner kann mit der Speichereinrichtung ein günstigerer Betrieb der Ladestation erzielt werden, wenn diese

zu Zeiten von geringen Strompreisen, beispielsweise nachts, geladen und zu Zeiten von

hohen Strompreisen wieder entladen wird. Die Steuereinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Speichereinrichtung in Abhängigkeit des aktuellen

Strompreises zu betreiben.

Die Speichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie und kann Akkumulatoren, Superkondensatoren oder auch andere physikalische oder chemische Energiespeichereinrichtungen umfassen. Die Speichereinrichtung dient auch der Stabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises, insbesondere für Situationen,

in denen die Ladestation dem Gleichspannungszwischenkreis viel Leistung entnimmt. Weiter von Vorteil ist es, wenn die Speichereinrichtung einen Chopper umfasst.

Ein Chopper ist ein schaltbarer Widerstand, der bei Bedarf Leistung in Wärme umwandelt und so elektrische Leistung der Ladestation entnimmt. Der Chopper kann aktiv oder passiv gesteuert sein. Der Chopper kann bei Fehlfunktionen, die eine erhöhte Leistungsaufnahme zur Folge haben, diese wieder abgeben und so die elektrische

Sicherheit der Ladestation erhöhen.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn die Ladestation, ferner einen Active-Front-End-Wandler umfasst, der dazu eingerichtet ist, Leistung in das Stromnetz oder aus dem Stromnetz

zu transferieren.

Der Active-Front-End-Wandler ist ein steuerbarer Gleichrichter mit bidirektionalen Leistungstransfer zwischen Wechsel- und Gleichstrom und der Möglichkeit zur Rückspeisung von Leistung in das Stromnetz. Sofern die Ladestation derart mit einem Stromnetz verbunden ist, dass Strom von der Ladestation in das Stromnetz rückführbar ist, ist notwendig, dass die Ladestation einen aktiven Netzstromrichter (Active-Front-

End-Wandler) umfasst.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Basis-Wandler in einem ersten Leistungsbereich betreibbar ist und der Booster-Wandler in einem zweiten Leistungsbereich betreibbar ist und der erste Leistungsbereich kleiner ist als der zweite

Leistungsbereich.

In Ladestationen zur Ladung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann der erste

Leistungsbereich vorzugsweise Leistungen bis 100 kW, besonders bevorzugt bis 150

kW abdecken und der zweite Leistungsbereich vorzugsweise Leistungen bis 150 kW,

besonders bevorzugt bis 300 kW abdecken.

Weiter von Vorteil ist es, wenn das Verhältnis der Anzahl von Booster-Wandlern zur Anzahl von Basis-Wandlern im Ladestation zwischen 1/2 und 1/6, insbesondere

zwischen 1/3 und 1/5 beträgt.

Das Verhältnis der Anzahl von Booster-Wandlern zur Anzahl von Basis-Wandlern ist entsprechend der Auslastung der Booster-Wandler optimierbar. Hierzu sollte ein Booster-Wandler zur Verfügung stehen, wenn er zur Bereitstellung höherer Transferleistungen benötigt wird, aber geringe Standzeiten aufweisen, in denen nicht auf dessen Leistung zurückgegriffen werden muss. Das Verhältnis ist vom jeweiligen Einsatzzweck, Einsatzort und den Leistungsbereichen der Basis-Wandler und der Booster-Wandler abhängig. Bei Ladestationen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge kann ein Verhältnis von 4 Basis-Wandlern pro Booster-Wandler einen

betriebseffizienten Kompromiss darstellen.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn über jedem der sicherheitsgerichteten Schalter eine

Spanungsmesseinrichtung angeordnet ist.

Die Spannungsmesseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Spannung auf beiden Seiten eines Schalters zu messen, so dass ein Schließen des Schalters bei unerwünschten Spannungsdifferenzen auf beiden Seiten des Schalters verhindert werden kann. Diese Messung wird vorzugsweise bei allen Schaltern der Ladestation durchgeführt. Die von der Spannungsmessung aufgenommenen Daten werden an die Steuereinheit

übertragen.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn wenigstens einer der sicherheitsgerichteten

Schalter eine Parallelschaltung von mehreren Schaltern aufweist.

Die Parallelschaltung kann insbesondere aus einem widerstandsgekoppelten Schalter und einem widerstandsfreien Schalter aufweisen. Wird der widerstandsgekoppelte Schalter zuerst geschlossen, werden Spannungsdifferenzen auf beiden Seiten des sicherheitsgerichteten Schalters derart ausgeglichen, dass keine zu hohen Ströme fließen, die Schäden am Fahrzeug verursachen können. Über den anschließend zu schließenden widerstandsfreien Schalter wird in geschlossener Position der gesamten

Strom praktisch verlustfrei geleitet.

In dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der entsprechende sicherheitsgerichtete Schalter eine Parallelschaltung von mehreren Schaltern auf, wobei einer der Schalter der Parallelschaltung zur Leitung von Gleichstrom und ein anderer Schalter der Parallelschaltung zur Leitung von Wechselstrom ausgestaltet ist. In Ladestationen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind die zu transferierenden Ströme häufig von einem Wechselstrom oder Rippelstrom (AC-Anteil) überlagerte Gleichströme (DC-Anteil). Die Rippelströme können durch eine Modulation des Sollwerts des Booster-Wandlers erzeugt werden. Üblicherweise wird der Großteil der Leistung über den Gleichstrom übertragen, während ein betragsmäßig kleinerer Teil über den Wechselstrom bzw. Rippelstrom übertragen wird. Ein einfacher Schalter für hohe Leistungen ist grundsätzlich nicht dafür geeignet, derartige Überlagerungen von DC- und AC-Anteilen zu übertragen, da für die hohen Ströme des DC-Anteils Leitungen mit großem Leitungsdurchmesser benötigt werden und AC-Anteile des Stroms nur auf der Oberfläche solcher Leitungen fließen können. Durch eine Parallelschaltung eines AC-Schalters und eines DC-Schalters ist eine bessere Übertragung beider Anteile möglich. Wegen der unterschiedlichen Stromstärken der AC-Anteile und der DC-Anteile kann der AC-Schalter zur Durchleitung kleinerer Ströme als der DC-Schalter ausgestaltet sein. Insbesondere kann eine solche Parallelschaltung dazu eingerichtet sein, in einem Schaltprozess den AC-Schalter zuerst und anschließend den DC-

Schalter zu schließen.

Weiter vorzugsweise umfasst die Ladestation ferner eine Ladedatenerfassungseinrichtung zum Erfassen von Ladedaten über eine Vielzahl von Ladevorgängen. Mit der Ladedatenerfassungseinrichtung werden die Ladedaten der Ladestation, also insbesondere Daten zur Dauer der Ladevorgänge, übertragene Energiemenge pro Ladevorgang, maximaler Ladestrom, minimaler Ladestrom, Ladestromverlauf, Anzahl gleichzeitig ladender Fahrzeuge, etc. erfasst. Mit den Ladedaten kann eine Auswertung erfolgen, welche Hardware benötigt wird, um eine optimale Ladeversorgung der zu einem Zeitpunkt zu ladenden Fahrzeuge sicherzustellen. Durch die sich verändernde Anzahl der in einer Region im Betrieb befindlichen elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, Standortfaktoren und weitere Parameter ist eine Kapazitätsabschätzung zur Auslegung der Hardwarekomponenten

der Ladestation üblicherweise schwierig. Die Ladedatenerfassungseinrichtung

ermöglicht eine Bereitstellung und dadurch eine statistische Auswertung der Ladedaten von im Betrieb befindlichen Ladestationen über längere Zeiträume. Hierdurch wird eine Auslegung der Anzahl der benötigten Ladeplätze und der Kapazitäten der BasisWandler und Booster-Wandler künftiger Ladestation erleichtert. Die Ladestation kann

hierzu auch selbst eine Ladedatenauswerteeinrichtung aufweisen.

Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Speichereinrichtung einen schnellen Speicher mit schneller Zugriffszeit und einen langsamen Speicher mit langsamer Zugriffszeit umfasst, und der schnelle Speicher eine geringere Kapazität als

der langsame Speicher aufweist.

Die Kombination aus schnellem Speicher und langsamem Speicher ermöglicht eine weiter optimierte Nutzung des Speichersystems. Während schnelle Speicher kurzfristige Laständerungen aufnehmen und abgeben können, mit denen sich Spannungspeaks vermeiden lassen, ermöglichen langsame Speicher grundsätzlich eine verlustärmere Speicherung von größeren Mengen elektrischer Energie, wodurch ein Handel von elektrischer Energie vom/zum Stromnetz und/oder vom/zum Fahrzeug ermöglicht wird. Als schnelle Speicher kommen beispielsweise Superkondensatoren,

als langsame Speicher Akkumulatoren infrage.

Besonders bevorzugt umfasst die Boosterleitung einen Boosterschalter zum Zuschalten

einer Boosterleistung zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse.

Der Boosterschalter kann als ein Schütz-Schalter ausgestaltet sein, ist aber vorzugsweise ein Leistungselektronik-Halbleiterschalter wie etwa ein IGBT oder MOSFET. Der Leistungselektronik-Halbleiterschalter kann als Halbleitermaterial Si, GaN, SIiC oder auch andere Halbleitermaterialien umfassen. Beim Zuschalten der Boosterleistung zur Basisleistung ist eine geringe Schaltzeit hilfreich, um dem optimalen Ladeverlauf möglichst genau zu folgen und auch bei schnellen Änderungen einer zu transferierenden Leistung spannungsfrei schalten zu können, was das Ausfallrisiko senkt Aufgrund der schnellen Schaltzeiten eines Leistungselektronik-Halbleiterschalters wird ermöglicht, die Boosterleitung im Betrieb zu einem beliebigen Zeitpunkt, auch während Laständerungen, zu jeweils einer der mehreren Anschlussleitungen spannungsfrei zuzuschalten. Leistungselektronik-Halbleiterschalter erreichen eine

Schaltzeit im Bereich von Nanosekunden, wobei die Schaltzeiten von Schütz-Schaltern

etwa im Bereich von 10 Millisekunden liegen und damit deutlich langsamer sind. Um zu verhindern, dass mehrere Ladeanschlüsse über die Boosterleitung miteinander kurzgeschlossen werden, weisen die Boosterschalter vorzugsweise einen sicherheitsgerichteten Eingang auf. Der sicherheitsgerichtete Eingang kann verhindern oder erlauben, dass der Schaltzustand des Boosterschalters geändert wird. Ein solcher sicherheitsgerichteter Eingang kann auf einfache Weise analog zu einem Safe-TorqueOff-Schalter eines Antriebsstromrichters realisiert werden. Nur wenn der sicherheitsgerichtete Eingang eine Änderung des Schaltzustands erlaubt, kann der Schalter geschlossen oder geöffnet werden. Die Steuereinheit kann ferner so eingerichtet sein, dass lediglich ein Boosterschalter zu einem Zeitpunkt geschlossen werden darf. Ein Kanal würde somit erst zur Zuschaltung über den Boosterschalter freigegeben werden, wenn sichergestellt ist, dass kein weiterer Kanal zugeschaltet werden kann. Ein sicherheitsgerichteter Eingang verzögert grundsätzlich nicht die

Schaltzeit des Boosterschalters.

Weiter vorzugsweise weisen die Basis-Wandler und/oder der oder die Booster-Wandler jeweils Stützkondensatoren auf und eine Ausgangskapazität der Stützkondensatoren des Booster-Wandlers oder der Booster-Wandler kleiner ist als eine Ausgangskapazität

von Stützkondensatoren der Basis-Wandler.

Die Ausgangskapazitäten der Wandler stützen die Ausgangsspannung und halten sie stabil. Sollte jedoch einer der Basis-Wandler oder einer der Booster-Wandler zu einem Ladeanschluss nicht spannungsfrei zugeschaltet werden, fließt ein Strom zwischen Ladeanschluss und Stützkondensator. Die Stromstärke hängt von der Größe der zugeschalteten Ausgangskapazität ab. Solche Fehlschaltungen können insbesondere bei fehlerhaften Spannungsmessungen auftreten. Es ist daher vorteilhaft, die nicht direkt beim Ladeanschluss angeordneten Kapazitäten möglichst klein zu halten. Hierzu gehören insbesondere die Ausgangskapazitäten der regelmäßig zugeschalteten Booster-Wandler. Der Booster-Wandler kann auch einen Multi-Level-Konverter

umfassen. In diesem Fall kann auf eine Ausgangskapazität verzichtet werden.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn wenigstens einer der Basis-Wandler gegenüber dem

Gleichspannungszwischenkreis galvanisch getrennt ist.

Unter galvanischer Trennung wird das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen, verstanden. Bei galvanischer Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potenzialfrei. Vorzugsweise ist auch der Booster-Wandler gegenüber dem Gleichspannungszwischenkreis galvanisch getrennt. Besonders bevorzugt sind alle Basis-Wandler und/oder alle Booster-Wandler gegenüber dem Gleichspannungszwischenkreis galvanisch getrennt. Die galvanische Trennung bietet höhere Sicherheit, ermöglicht genauere Messungen der Spannung, unabhängig vom Gleichspannungszwischenkreis und verhindert elektromagnetische

Störungen sowie ungewollte Wechselwirkungen zwischen den Ladeanschlüssen.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn die sicherheitsgerichteten Schalter

signaltechnisch mit einem Safety-System verbunden sind.

Das Safety-System steuert insbesondere die sicherheitsgerichteten Schalter. Über einen Isolationsmonitor wird jeweils gemessen, ob eine vorgesehene galvanische Trennung von Basis-Wandlern und/oder Booster-Wandlern intakt ist. Wird eine Störung in Zusammenhang mit einer oder mehreren galvanischen Trennungen gemessen, Öffnet das Safety-System in Zusammenhang mit der Störung stehende sicherheitsgerichtete Schalter und/oder verhindert, dass diese geschlossen werden. Ferner ist die

Steuereinrichtung zur Steuerung der sicherheitsgerichteten Schalter eingerichtet.

Auch ist es denkbar, dass die Ladestation einen zweiten an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Booster-Wandler, der während eines

Betriebs der Ladestation zu der Boosterleitung zuschaltbar ist, umfasst.

Ein zweiter Booster-Wandler kann in gleicher oder unterschiedlicher Weise wie der erste Booster-Wandler ausgestaltet sein. Der zweite Booster-Wandler kann mit einer zweiten Boosterleitung verbunden sein, die wiederum über jeweils einen Zuschaltknoten an verschiedene der Anschlussleitungen zu wenigstens einem der Ladeanschluss zuschaltbar ist. Die Zuschaltung des zweiten Booster-Wandlers zu der Boosterleitung des ersten Booster-Wandlers kann über einen mit beiden Boosterleitungen in Verbindung stehenden Verbinderschalter erfolgen. Vor dem Zuschalten wird über dem Verbinderschalter die Spannung gemessen und sofern

notwendig, derart geregelt, dass die Zuschaltung spannungsfrei erfolgt. Neben einem

zweiten Booster-Wandler kann die Ladestation je nach Bedarf noch weitere BoosterWandler umfassen, die in gleicher Weise wie die ersten beiden Booster-Wandler

verbunden und zuschaltbar sein können.

Gemäß einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Laden von einem oder mehreren elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit einer Ladestation

insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend die Schritte:

a) Anschließen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an einem der Ladeanschlüsse,

b) Kommunizieren von Ladeinformationen zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug;

c) Starten eines Ladevorgangs an dem Fahrzeug,

d) Senden einer Leistungsanforderung für eine Anschlusseinrichtung an die Steuereinheit,

e) Überprüfen, ob die angeforderte Leistung betragsmäßig größer ist als die vom Basis-Wandler transferierbare Leistung,

f) Verbinden des Booster-Wandlers mit einem der Ladeanschlüsse, wenn die angeforderte Leistung betragsmäßig größer ist als die vom Basis-Wandler transferierbare Leistung, und

g) Transferieren der angeforderten Leistung über den Basis-Wandler und den

Booster-Wandler.

In einem Ladevorgang wird das elektrisch angetriebene Fahrzeug von einem ersten Ladezustand auf einen zweiten Ladezustand geladen, wobei der zweite Ladezustand höher ist als der erste Ladezustand. Die Abfolge der verschiedenen Ladeleistungen ist im durch den Initialen Ladezustand, den Fahrzeugtyp und/oder andere Eigenschaften festgelegt. Üblicherweise werden an der Ladestation mit mehreren Ladeanschlüssen mehrere unterschiedliche Ladevorgänge gleichzeitig durchgeführt und/oder oder in

Abständen nacheinander gestartet.

Die Steuereinheit kann durch Senden der Leistungsanforderung vor Bereitstellung der Leistung Spannungen zwischen zu schaltenden Teilen der Ladestation einander

angleichen und dadurch die Schaltvorgänge verbessern.

Ferner liefert die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das

Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18 auszuführen.

Schließlich liefert die Erfindung einen computerlesbaren Datenträger, auf dem das

Computerprogrammprodukt nach Anspruch 19 gespeichert ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für

sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

Figur 1 eine perspektivische Außenansicht einer erfindungsgemäßen Ladestation

zum gleichzeitigen Laden mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge;

Figur2 eine Auftragung der Ladeleistung in Abhängigkeit des Ladezustands für

unterschiedliche elektrisch angetriebene Fahrzeuge;

Figur3 eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Ladestation gemäß einer

besonderen Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Schaltskizze von Figur 3, auf dem

zusätzliche Details dargestellt sind.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ladestation 10 an der mehrere Fahrzeuge 14 gleichzeitig geladen werden können. In einem Gehäuse 5 sind alle zum Betrieb der Ladestation notwendigen Elemente integriert. An einer zu mehreren Stellplätzen 7 gerichteten Außenseite der Ladestation sind mehrere Ladeanschlüsse 4a-4d angeordnet. Die Ladeanschlüsse weisen Ladestecker 8a-8d zum Anschluss an ein batteriebetriebenes Fahrzeug 14 auf. Über Displays 15 können Ladeeinstellungen

gewählt und/oder ein aktueller Ladezustand angezeigt werden.

Figur 2 zeigt eine Auftragung der Ladeleistung in Abhängigkeit des Ladezustands für unterschiedliche elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Das Diagramm 200 wurde im Original publiziert in „P3 Charging Index: Comparison of the Fast Charging Capability of

Various Battery Electric Vehicles“ von Christian Daake and Marian Cammerer, ISSYM

2023. Die Figur zeigt Ladekurven von verschiedenen batteriebetriebenen Fahrzeugen. Die Ladekurve 202 des Porsche Taycan GTS, die Ladekurve 204 des Audi eTron GT quattro, die Ladekurve 206 des Mercedes EQS 450+, die Ladekurve 208 des BMW IX xDrive 50 und die Ladekurve 210 des Audi e-tron 55 quattro. Die Auftragung zeigt, dass die Ladeleistung aller Fahrzeuge bei höherem Ladezustand absinkt. In niedrigen Ladezuständen sind die Ladeleistungen konstant oder steigen leicht an. Ab etwa 45% Ladezustand zeigen fast alle Fahrzeuge dieser Auswahl einen deutlichen Rückgang der Ladleistung. Ferner unterscheiden sich die maximalen Ladeleistungen deutlich. Eine Ladestation, die die maximalen Ladeleistungen dieser exemplarischen Fahrzeugtypen abdecken soll, müsste daher am Ladeanschluss eine Ausgangsleistung von ca. 275 kW bereitstellen können. Bei den am schnellsten ladenden Fahrzeugtypen, dem Porsche Taycan GTS und dem Audi eTron GT ist der Bereich dieser hohen Ladeleistungen nur für etwa die Hälfte des Ladezustands erreichbar. Andere Fahrzeugtypen dieser Auswahl erreichen nur bis zu 200 kW, 180kW oder 140 kW maximaler Ladeleistung.

Die effiziente Auslegung der der Ladestation zugrunde liegender Hardware ist daher

nicht trivial, wenn Überkapazitäten vermieden werden sollen.

Figur 3 zeigt eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Ladestation 10 gemäß einer

besonderen Ausführungsform der Erfindung.

Die Ladestation 10 ist zum gleichzeitigen Laden mehrerer elektrisch angetriebener Fahrzeuge 14 eingerichtet. Hierzu weist die Ladestation mehrere Ladestecker 8a-8h

zum Anschluss an jeweils ein Fahrzeug 14 auf.

Die Ladestation umfasst einen Gleichspannungszwischenkreis 22 mit dem wesentliche Elemente der Ladestation 10 in Verbindung stehen. Der Gleichspannungszwischenkreis 22 ist zweipolig gestaltet. Weiterhin umfasst die Ladestation 10 mehrere an den Gleichspannungszwischenkreis 22 angeschlossene Basis-Wandler 1a-1h. Die BasisWandler 1a-1h sind jeweils über eine Anschlussleitung 24 an einen Ladeanschluss 4a4h anschließbar. Es besteht somit eine eins-zu-eins-Kopplung zwischen Basis-Wandler 1a-h und Ladeanschluss 4a-h. Jeder Ladeanschluss 4a-4h steht mit genau einem der Basis-Wandler 1a-1h in elektrischer Verbindung. Jeder Ladeanschluss 4a-4h ist an einen Ladestecker 8a-8h angeschlossen. Die Ladestecker 8a-8h sind hier als Typ-2Stecker dargestellt. Es können selbstverständlich auch andere Steckertypen

vorgesehen sein.

Neben den acht Basis-Wandlern 1a-1h umfasst die Ladestation 10 ferner einen an den Gleichspannungszwischenkreis 22 angeschlossenen ersten Booster-Wandler 2a und einen ebenfalls an den Gleichspannungszwischenkreis 22 angeschlossenen zweiten Booster-Wandler 2b. Die beiden Booster-Wandler 2a-2b sind jeweils über eine Boosterleitung 26a, 26b und jeweils einen Zuschaltknoten 18a-18h an verschiedene Anschlussleitungen 24 zu den Ladeanschlüssen 4a-4h zuschaltbar. Konkret erfolgt die Zuschaltung über Boosterschalter 16a-16h, mit denen eine Boosterleitung 26a, 26b mit mehreren Anschlussleitungen schaltbar verbunden ist. Die Anschlussleitungen 24 sind in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit einpolig dargestellt, sind jedoch grundsätzlich mindestens zweipolig ausgestaltet. Explizit ist der Booster-Wandler 2a über die Boosterleitung 26a zu den Ladeanschlüssen 4a-4d zuschaltbar und der Booster-Wandler 2b über die Boosterleitung 26b zu den Ladeanschlüssen 4e-4h zuschaltbar, zumindest sofern keine Kopplung der beiden Boosterleitungen 26a-26b

besteht, die im weiter unten diskutiert wird.

Jede Anschlussleitung 24a-24h weist einen sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h zwischen Ladeanschluss 4a-4h und Zuschaltknoten 18a-18h auf. Grundsätzlich ist jeder der sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h derart ausgestaltet, dass jede Einzelleitung der mehrpoligen Anschlussleitungen 24a-24h schaltbar ist. Die Position der sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h ist auf einer Anschlussleitung 24a-24h zwischen

Ladeanschluss 4a-4h und Zuschaltknoten 18a-18h angeordnet.

Während des Betriebs der Ladestation 10 ist der Booster-Wandler 2a über eine Boosterleitung 26a und jeweils einen Zuschaltknoten 18a-18d an jede der Anschlussleitungen 24a-24d und über diese zu den jeweiligen Ladeanschlüssen 4a-4d zuschaltbar. Entsprechend ist der Booster-Wandler 2b über die Boosterleitung 26b und die Zuschaltknoten 18e-18h an die Anschlussleitungen 24e-24h und über diese zu den jeweiligen Ladeanschlüssen 4e-4h zuschaltbar. Die Boosterleitungen 26a, 26b sind zwar mit mehreren der Anschlussleitungen 24a-24h verbindbar, um Kurzschlusse zwischen den Anschlussleitungen zu verhindern ist jedoch festgelegt, dass jede der Boosterleitungen 26a, 26b zu jedem Zeitpunkt mit jeweils nur einer der

Anschlussleitungen 24a-24h verbindbar ist.

Die Ladestation 10 ermöglicht durch die 2 Booster-Wandler 2a, 2b und die beiden

Boosterleitungen 26a, 26b die Versorgung von zwei separaten Ladeanschlüssen 4a-4h,

jeweils einen aus der Gruppe der Ladeanschlüsse 4a-4d und einen aus der Gruppe 4e4h. Die Boosterleitungen 26a, 26b sind über einen Kopplungsschalter 32 aber auch schaltbar miteinander verbunden und können durch diesen miteinander verbunden werden. Hierdurch wird ermöglicht, die Leistung eines Basis-Wandlers 1a-1h mit der Leistung des ersten Booster-Wandlers 2a und der Leistung des zweiten BoosterWandlers 2b zu kombinieren. Hierdurch können weiter erhöhte Leistungen zu oder von einem Ladeanschluss 4a-4h transferiert werden. Der Kopplungsschalter 32 ist ebenfalls mit dem Safety-System 9 verbunden, womit ebenfalls eine Kopplung von mehreren

Ladeanschlüssen 4a-4h miteinander über eine Boosterleitung 26a, 26b verhindert wird.

Die Ladestation 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 27 zur Steuerung der BasisWandler 1a-1h und der Booster-Wandler 2a, 2b entsprechend einem gewünschten Leistungstransfer. Hierzu ist die Steuereinheit 27 über eine erste Signalleitung 28a mit den Basis-Wandlern 1a-1h und den Booster-Wandlern 2a, 2b verbunden und über eine zweite Signalleitung 28b mit Spannungsmesseinrichtungen 30a-30h, welche dazu eingerichtet sind, die an den Ladeanschlüssen 4a-4h jeweils anliegende Spannungen zu messen. Die erste Signalleitung 28a ist dazu eingerichtet Steuerungssignale an die Basis-Wandler 1a-1h und die Booster-Wandler 2a, 2b zu senden. Über die zweite Signalleitung 28b wird jeweils eine am Ladeanschluss 4a-4h anliegende Spannung

gemessen. Die Signalleitungen 28a, 28b und 28c sind als gestrichelte Linien dargestellt.

Ferner umfasst die Ladestation 10 eine Fahrzeugkommunikationseinrichtung 31 zum Kommunizieren von Ladeinformationen zwischen der Ladestation 10 und einem zur Ladung angeschlossenen elektrisch angetriebenen Fahrzeug 14. Die Kommunikation kann vom Fahrzeug 14 zur Ladestation 10 oder auch von der Ladestation 10 zum Fahrzeug 14 erfolgen. Die Fahrzeugkommunikationseinrichtung 31 kann somit bidirektional Ladeinformationen mit dem Fahrzeug 14 austauschen. Auf Grundlage der Ladeinformationen kann der Ladestrom festgelegt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fahrzeugkommunikationseinrichtung 31 in der Steuereinheit

27 integriert.

Ferner steht die Steuereinheit 27 über eine Verbindungsleitung mit dem Safety-System 9 in Verbindung. Alternativ kann das Safety-System 9 auch direkt in der Steuereinheit 27 integriert sein. Das Safety-System 9 ist dazu eingerichtet, die Sicherheit der Nutzer

und die Sicherheit der an den Ladesteckern 8a-8h angeschlossenen Fahrzeuge 14 zu

gewährleisten. Es ist über Signalleitung 28c und einen Isolationsmonitor 11 mit den Anschlussleitungen 24a-24h verbunden. Der Isolationsmonitor 11 ist dazu eingerichtet, zyklisch zu messen, ob die galvanische Trennung der Basis-Wandler 1a-1h und der Booster-Wandler 2a, 2b zum Gleichspannungszwischenkreis funktioniert. Fehler in der galvanischen Trennung würden zur detektierbaren Schwankungen in den Anschlussleitungen 24a-24h führen. Weiter ist das Safety-System 9 über eine Signalleitung 28d mit den zwischen jeweils einem Ladeanschluss 4a-4h und einem Zuschaltknoten 18a-18h angeordneten sicherheitsgerichteten Schaltern 6a-6h verbunden. Die Schaltung der sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h erfolgt üblicherweise durch ein von der Steuereinheit 27 über die Verbindungsleitung 29 an das Safety-System 9 gesendetes Schaltsignal. Nach Prüfung und Freigabe durch das Safety-System 9 schaltet das Safety-System 9 anschließend den sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6d entsprechend dem empfangenen Schaltsignal. Davon unabhängig kann das Safety-System 9 jeden der sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h öffnen und so die elektrische Verbindung zu den Ladeanschlüssen 4a-4h und den Ladesteckern 8a-8h unterbrechen. Dies kann insbesondere notwendig sein, wenn ein Fehler in der Funktionsweise der galvanischen Trennung der Basis-Wandler 1a-1h und/oder der Booster-Wandler 2a, 2b detektiert wird.

Das Safety-System 9 ist über eine weitere Signalleitung (nicht dargestellt) außerdem mit den Boosterschaltern 18a-18h, die zum Zuschalten von Boosterleistung eingerichtet sind, verbunden. Das Safety-System 9 hat hierbei die Aufgabe, sicherzustellen, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt jeweils nur ein oder kein Ladeanschluss 4a-4h mit einer Boosterleitung 26a, 26b verbunden ist. Die Boosterschalter 16a-16h sind hierzu mit einem Safety-Torque-off-Schalter (STO-Schalter) ausgestattete Leistungshalbleiterschalter. Der STO-Schalter verzögert die sehr schnellen Schaltzeiten der Leistungshalbleiterschalter nicht, kann aber verhindern, dass der damit ausgestattete Boosterschalter 16a-16h überhaupt geschlossen werden kann. Das Safety-System kann zu jedem Zeitpunkt nur einen der STO-Schalter freigeben und dadurch verhindern, dass mehr als ein Boosterschalter 16a-16h pro getrennter Boosterleitung 26a, 26b geschlossen ist. Dies verhindert einen Kurzschluss zwischen

zwei Ladeanschlüssen 4a-4h und einen damit einhergehenden ungewollten

Leistungstransfer mit potenziellen Schäden an der Ladestation 10 und technischem

Personal.

Jede der Anschlussleitungen 24a-24h führt von jeweils einem Basis-Wandler 1a-1h zu jeweils einem Ladeanschluss 4a-4h und, über diesen, zu jeweils einem Ladestecker 8a8h. Jede Anschlussleitung 24a-24h weist einen sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h zwischen Ladeanschluss 4a-4h und Zuschaltknoten 18a-18h auf. Diese Anordnung erlaubt, sowohl durch die Basis-Wandler 1a-1h bereitgestellte Leistungen als auch durch die Booster-Wandler 2a, 2b verstärkte Leistungen sicherheitsgerichtet zu

schalten.

Der Gleichspannungszwischenkreis 22 ist über einen Netzumrichter 12 an ein dreiphasiges Stromnetz 13 angeschlossen, dass den Gleichspannungszwischenkreis 22 mit elektrischer Leistung versorgt und über das elektrische Leistung abgeführt werden kann. Hierzu kann der Netzumrichter 12 als Active-Front-End-Wandler ausgestaltet sein. Eine in Figur 3 dargestellte galvanische Entkopplung des Netzumrichters 12 ist bei galvanischer Entkopplung aller Basis-Wandler 1a-1h und aller

Booster-Wandler 2a, 2b nicht zwingend erforderlich.

Die Ladestation 10 umfasst ferner eine an den Gleichspannungszwischenkreis 22 angeschlossene Speichereinrichtung 3, die dazu eingerichtet ist, Energie zu speichern und Leistung über die Basis-Wandler 1a-1h und die Booster-Wandler 2a, 2b von und zu den Ladeanschlüssen 4a-4h zu transferieren. Die Speichereinrichtung kann eine

Batterie, einen Superkondensator und/oder einen Chopper umfassen.

In diesem Ausführungsbeispiel weist die Ladestation acht Basis-Wandler 1a-1h und zwei Booster-Wandler 2a, 2b auf. Das Verhältnis der Anzahl von Booster-Wandlern 2a,

2b zur Anzahl von Basis-Wandlern 1a-1h beträgt somit 1/4.

Zur Prüfung der fehlerfreien Funktionsweise der Ladestation 10 sind an verschiedenen Positionen elektrische Messgeräte angeordnet. Insbesondere bei Betrieb der Ladestation im Hochleistungsbereich ist über jedem Schalter eine Spannungsmessung durchzuführen, um abrupte Ausgleichsströme mit hohen Leistungen zu vermeiden. Hierzu ist über jedem der Schalter, insbesondere über jedem sicherheitsgerichteten Schalter 6a-6h, eine Spannungsmesseinrichtung 30a-30h vorgesehen, die dazu

eingerichtet ist, auf beiden Seiten des Schalter die Spannung zu messen und

sicherzustellen, dass beide Seiten des Schalters auf gleichem Potential liegen. Grundsätzlich kann an jeder Position, an der eine Spannungsmesseinrichtung 30a-30h vorgesehen ist, zusätzlich eine Strommesseinrichtung vorgesehen sein. Hierdurch wird zusätzlich eine Messung des Leistungstransfers an der jeweiligen Stelle ermöglicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Spannungsmesseinrichtungen 30a-30h in

Figur 3 eingezeichnet.

Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Schaltskizze von Figur 3, auf dem zusätzliche Details dargestellt sind. Wie in Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben, sind in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit einige Merkmale nicht im Detail dargestellt. Insbesondere zeigt Figur 4 im Detail, dass die von den Basis Wandlern 1a, 1b ausgehenden Anschlussleitungen 24a, 24b, ebenso wie der Gleichspannungszwischenkreis, zweiphasig ausgestaltet sind. Ferner ist im Detail dargestellt, dass die sicherheitsgerichteten Schalter 6a, 6b dazu eingerichtet sind, jede der Phasen der Anschlussleitungen 24a, 24b separat zu schalten. Weisen die sicherheitsgerichteten Schalter 6a, 6b eine Parallelschaltung von mehreren Schaltern auf, ist vorgesehen, dass jede der Phasen eine solche Parallelschaltung von mehreren Schaltern aufweist, wobei dies in der hier dargestellten besonderen Ausführungsform der Erfindung nicht dargestellt ist. Ferner ist die Boosterleitung 26a zweiphasig und die Boosterschalter 16a, 16b zum Schalten der mehrphasigen Boosterleitung ausgestaltet. Die Spannungsmesseinrichtungen 30a, 30b sind derart angeordnet, dass sie die Spannung zwischen den einzelnen Phasen des zweiphasigen Ladeanschluss messen. Die Ladestation 10 ist in dem nicht in Figur 4 dargestellten Ausschnitt in gleicher Weise

ausgestaltet, wie im in Figur 4 dargestellten Ausschnitt.

Die Figuren zeigen die Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste:

1a-1h Basis-Wandler

2a, 2b Booster-Wandler

3 Speichereinrichtung

4a-4h Ladeanschluss

6a-6h sicherheitsgerichteter Schalter 8a-8h Ladestecker

9 Safety-System

10 Ladestation

11 Isolationsmonitor

12 Netzumrichter

13 Stromnetz

14 Fahrzeug

16a-16h Boosterschalter

18a-18h Zuschaltknoten

22 Gleichspannungszwischenkreis 24a-24h Anschlussleitung

26a, 26b Boosterleitung

27 Steuereinheit

28a-28C Signalleitung

29 Verbindungsleitung

30a-30h Spannungsmesseinrichtung 31 Fahrzeugkommunikationseinrichtung 32 Kopplungsschalter

200 Diagramm

202 Ladekurve des Porsche Taycan GTS,

204 Ladekurve 204 des Audi eTron GT quattro 206 Ladekurve des Mercedes EQS 450+

208 Ladekurve des BMW iX xDrive 50

210 Ladekurve des Audi e-tron 55 quattro

Claims

Ansprüche:

1. Ladestation (10) zum gleichzeitigen Laden mehrerer elektrisch angetriebener

Fahrzeuge (14), umfassend: einen Gleichspannungszwischenkreis (22),

mehrere an den Gleichspannungszwischenkreis (22) angeschlossene BasisWandler (1a-1h), die jeweils über eine Anschlussleitung (24a-24h) mit einem

Ladeanschluss (4a-4h) schaltbar verbunden sind,

einen an den Gleichspannungszwischenkreis (22) angeschlossenen BoosterWandler (2a, 2b), der während eines Betriebs der Ladestation (10) über eine Boosterleitung (26a, 26b) und jeweils einen Zuschaltknoten (18a-18h) an verschiedene der Anschlussleitungen (24a-24h) zu wenigstens einem der

Ladeanschlüsse (4a-4h) zuschaltbar ist,

eine Fahrzeugkommunikationseinrichtung (31) zum Kommunizieren von

Ladeinformationen zwischen der Ladestation (10) und den Fahrzeugen (14),

eine Steuereinheit (27) zur Steuerung der Basis-Wandler (1a-1h) und des Booster-Wandlers (2a, 2b) entsprechend einem gewünschten Leistungstransfer,

wobei

jede Anschlussleitung (24a-24h) einen sicherheitsgerichteten Schalter (6a-6h)

zwischen Ladeanschluss (4a-4h) und Zuschaltknoten (18a-18h) aufweist.

2. Ladestation (10) Anspruch 1, wobei der Gleichspannungszwischenkreis (22)

über einen Netzumrichter (12) an ein Stromnetz (13) angeschlossen ist.

3. Ladestation (10) Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Speichereinrichtung (3), die dazu eingerichtet ist, Leistung zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse (4a-4h) oder von wenigstens einem der Ladeanschlüsse (4a-4h) zu transferieren, wobei die Speichereinrichtung (3) an den Gleichspannungszwischenkreis (22)

angeschlossen ist.

4. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Speichereinrichtung (3) einen Chopper umfasst.

5. Ladestation (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend einen Active-Front-End-Wandler, der dazu eingerichtet ist, Leistung in das Stromnetz

(13) oder aus dem Stromnetz (13) zu transferieren.

6. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der BasisWandler (1a-1h) in einem ersten Leistungsbereich betreibbar ist und der BoosterWandler (2a, 2b) in einem zweiten Leistungsbereich betreibbar ist und der erste

Leistungsbereich kleiner ist als der zweite Leistungsbereich.

7. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Anzahl von Booster-Wandlern (2a, 2b) zur Anzahl von BasisWandlern (1a-1h) in der Ladestation (10) zwischen 1/2 und 1/6, insbesondere

zwischen 1/3 und 1/5 beträgt.

8. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über jedem der sicherheitsgerichteten Schalter (6a-6h) eine Spanungsmesseinrichtung (30a-

30h) angeordnet ist.

9. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der sicherheitsgerichteten Schalter (6a-6h) eine Parallelschaltung von

mehreren Schaltern (6a-6h) aufweist.

10. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ladedatenerfassungseinrichtung zum Erfassen von Ladedaten über eine

Vielzahl von Ladevorgängen.

11. Ladestation (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Speichereinrichtung (3) einen schnellen Speicher mit schneller Zugriffszeit und einen langsamen Speicher mit langsamer Zugriffszeit umfasst, und der schnelle

Speicher eine geringere Kapazität als der langsame Speicher aufweist.

12. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Boosterleitung (26a, 26b) einen Boosterschalter (16a-16h) zum Zuschalten einer

Boosterleistung zu wenigstens einem der Ladeanschlüsse (4a-4h) umfasst.

13. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die BasisWandler (1a-1h) und/oder der oder die Booster-Wandler (2a, 2b) jeweils Stützkondensatoren aufweisen und eine Ausgangskapazität der Stützkondensatoren des Booster-Wandlers (2a, 2b) oder der Booster-Wandler (2a, 2b) kleiner ist als eine Ausgangskapazität von Stützkondensatoren der Basis-Wandler (1a-1h).

14. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Basis-Wandler (1a-1h) gegenüber dem Gleichspannungszwischenkreis

(22) galvanisch getrennt ist.

15. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sicherheitsgerichteten Schalter (6a-6h) signaltechnisch mit einem Safety-System

(9) verbunden sind.

16. Ladestation (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladestation (10) einen zweiten an den Gleichspannungszwischenkreis (22) angeschlossenen Booster-Wandler (2a, 2b), der während eines Betriebs der

Ladestation (10) zu der Boosterleitung (26a, 26b) zuschaltbar ist, umfasst.

17. Verfahren zum Laden von einem oder mehreren elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (20a-20h) mit einer Ladestation (10) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:

a) Anschließen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (14) an einer der Anschlusseinrichtungen (4a-4h),

b) Kommunizieren von Ladeinformationen zwischen der Ladestation (10) und dem Fahrzeug (14),

c) Starten eines Ladevorgangs an dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug (14);

d) Senden einer Leistungsanforderung für einen Ladeanschluss (4a-4h) an die Steuereinheit (27),

e) Überprüfen, ob die angeforderte Leistung betragsmäßig größer ist als die vom Basis-Wandler (1a-1h) transferierbare Leistung,

f) Verbinden des Booster-Wandlers (2a, 2b) mit einem der Ladeanschlüsse (4a4h), wenn die angeforderte Leistung betragsmäßig größer ist als die vom Basis-Wandler (1a-1h) transferierbare Leistung, und

g) Transferieren der angeforderten Leistung über den Basis-Wandler (1a-1h)

und den Booster-Wandler (2a, 2b) zum Fahrzeug (14).

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Leistungsanforderung wenigstens 11s, vorzugsweise wenigstens 100us vor Bereitstellung der Leistung an die

Steuereinheit (27) gesendet wird.

19. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach

einem der Ansprüche 17 oder 18 auszuführen.

20. Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogrammprodukt nach

Anspruch 19 gespeichert ist.