DE102023002489A1 - Weather data-based predictive management of an electric vehicle charging station - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ladeanlage aufweisend zumindest eine mit einem Stromnetz (5) verbundene Ladesäule (1) zum Versorgen elektrischer Fahrzeuge (3) mit elektrischer Energie, einen mit dem Stromnetz (5) und der Ladesäule (1) verbundenen Energiespeicher (7), und eine Steuereinheit (9), wobei die Steuereinheit (9) dazu ausgeführt ist, durch Ausführung eines auf die individuelle Ladeanlage angepassten Maschinenlernmodells mit aktuellen und zukünftigen Wetterdaten aus einer Wettervorhersage sowie mit einem ermittelten aktuellen und zukünftigen zeitabhängigen Bedarf an Ladeenergiemenge und Ladeleistung für Fahrzeuge (3) als jeweilige Eingangsgröße des Maschinenlernmodells i) einen aktuellen und künftigen zeitabhängigen Stromnetz-Anteil und einen dazu komplementären Energiespeicher-Anteil des elektrischen Stroms der Ladesäule (1) für ein jeweiliges elektrisches Fahrzeug (3) sowie ii) eine aktuelle und künftige zeitabhängige Energiezustandserhöhung des Energiespeichers (7) durch Energieentnahme aus dem Stromnetz (5) zu bestimmen. The invention relates to a charging system comprising at least one charging station (1) connected to a power grid (5) for supplying electric vehicles (3) with electrical energy, an energy storage device (7) connected to the power grid (5) and the charging station (1), and a control unit (9), wherein the control unit (9) is designed to determine i) a current and future time-dependent power grid share and a complementary energy storage share of the electrical current of the charging station (1) for a respective electric vehicle (3) and ii) a current and future time-dependent energy state increase of the energy storage device (7) by drawing energy from the power grid (5) by executing a machine learning model adapted to the individual charging system with current and future weather data from a weather forecast and with a determined current and future time-dependent requirement for charging energy quantity and charging power for vehicles (3) as the respective input variable of the machine learning model.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ladeanlage aufweisend zumindest eine mit einem Stromnetz verbundene Ladesäule zum Versorgen elektrischer Fahrzeuge mit elektrischer Energie.The invention relates to a charging system comprising at least one charging station connected to a power grid for supplying electric vehicles with electrical energy.
Durch den breiten Ausbau der Elektromobilität und der entsprechenden Ladeinfrastruktur entstehen neue Probleme, z.B. dass bei der Errichtung eines neuen Ladeparks oder mehrerer benachbarter Ladesäulen durch den entsprechenden Leistungsbedarf hohe Kosten notwendig sind um z.B. über mehrere Kilometer neue Stromleitungen zu verlegen.The widespread expansion of electromobility and the corresponding charging infrastructure is giving rise to new problems, e.g. when setting up a new charging park or several neighboring charging stations, high costs are necessary due to the corresponding power requirements, for example to lay new power lines over several kilometers.
Bekannt sind Ladesäulen oder Ladeparks, welche über einen integrierten Stromspeicher verfügen oder Stromspeicher, in deren Nähe Ladesäulen angeordnet sind, um z.B. Peakleistungen abzudecken, wenn viele Fahrzeuge parallel mit hoher Leistung laden. Nachteilig an der bisher bekannten Kombination von Ladesäulen und in der Nähe angeordneten Stromspeichern ist, dass diese nur über einfache Regelungen verfügen, so dass es dennoch zu Situationen kommen kann, dass die erforderliche Peakleistung nicht abgedeckt werden kann oder anderseits die Anordnung stark überdimensioniert (im Sinne der installierten Speicherkapazität) ist, oder eine Erhöhung der Anschlussleistung erforderlich werden kann. Beides ist deswegen besonders nachteilig, da entweder die Ladeleistung bei nachgefragter Peakleistung gedeckelt wird, oder eine starke Überdimensionierung der installierten Kapazität oder der Anschlussleistung bereitgestellt werden muss. So können bisher typischerweise nur an Standorten Ladeparks oder Ladesäulen errichtet werden, an denen eine entsprechend hohe Anschlussleistung verfügbar ist oder zumindest in der Nähe bereitsteht. Oftmals fallen die Orte mit hoher verfügbarer Anschlussleistung nicht mit Orten zusammen, an dem ein entsprechendes Verkehrsaufkommen auftritt und ein entsprechender Bedarf an Ladeinfrastruktur vorherrscht. Hinzu kommt, dass immer mehr Fahrzeughersteller ihr eigenes Ladenetz aufbauen, insbesondere an Orten (z.B. Händler, Werkstätten) etc., die bereits im Besitz der Automobilhersteller sind oder in einer besonders lukrativen Gegend, in der Kunden der entsprechenden Hersteller einen besonderen Vorteil haben, weil sie sich dort ohnehin bevorzugt aufhalten. Auch hier stimmt oftmals der Bedarf und die verfügbare Anschlussleistung nicht überein.Charging stations or charging parks are known which have an integrated power storage unit or power storage units in the vicinity of which charging stations are arranged, for example to cover peak power when many vehicles are charging in parallel at high power. The disadvantage of the previously known combination of charging stations and power storage units arranged nearby is that they only have simple controls, so that situations can still arise where the required peak power cannot be covered or, on the other hand, the arrangement is greatly over-dimensioned (in terms of the installed storage capacity) or an increase in the connected load may be necessary. Both are particularly disadvantageous because either the charging power is capped when peak power is required, or a greatly over-dimensioned installed capacity or connected load must be provided. Up to now, charging parks or charging stations have typically only been set up at locations where a correspondingly high connected load is available or at least nearby. Often, the places with a high available connection capacity do not coincide with places where there is a corresponding volume of traffic and a corresponding need for charging infrastructure. In addition, more and more vehicle manufacturers are setting up their own charging network, especially in places (e.g. dealers, workshops) etc. that are already owned by the car manufacturers or in a particularly lucrative area where customers of the relevant manufacturers have a particular advantage because they prefer to stay there anyway. Here, too, the demand and the available connection capacity often do not match.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, das Betreiben einer Ladeanlage zum elektrischen Laden elektrischer Fahrzeuge flexibler angepasst an Nachfrage und Angebot von elektrischem Strom auszuführen.The object of the invention is to make the operation of a charging system for electrically charging electric vehicles more flexible and adapted to the demand and supply of electrical power.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and embodiments are the subject of the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladeanlage aufweisend zumindest eine mit einem Stromnetz verbundene Ladesäule zum Versorgen elektrischer Fahrzeuge mit elektrischer Energie, einen mit dem Stromnetz und der Ladesäule verbundenen Energiespeicher, und eine Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, durch Ausführung eines auf die individuelle Ladeanlage angepassten Maschinenlernmodells mit aktuellen Wetterdaten und zukünftigen Wetterdaten aus einer Wettervorhersage als Eingangsgröße des Maschinenlernmodells sowie aus einem ermittelten aktuellen und zukünftigen zeitabhängigen Bedarf an Ladeenergiemenge und Ladeleistung für Fahrzeuge als jeweilige Eingangsgröße des Maschinenlernmodells i) einen aktuellen und künftigen zeitabhängigen Stromnetz-Anteil und einen dazu komplementären Energiespeicher-Anteil des elektrischen Stromes der Ladesäule für ein jeweiliges elektrisches Fahrzeug sowie ii) eine aktuelle und künftige zeitabhängige Energiezustandserhöhung des Energiespeichers durch Energieentnahme aus dem Stromnetz zu bestimmen.A first aspect of the invention relates to a charging system having at least one charging station connected to a power grid for supplying electric vehicles with electrical energy, an energy storage device connected to the power grid and the charging station, and a control unit, characterized in that the control unit is designed to determine i) a current and future time-dependent power grid share and a complementary energy storage share of the electrical current of the charging station for a respective electric vehicle and ii) a current and future time-dependent energy state increase of the energy storage device by drawing energy from the power grid by executing a machine learning model adapted to the individual charging system with current weather data and future weather data from a weather forecast as an input variable of the machine learning model and from a determined current and future time-dependent requirement for charging energy quantity and charging power for vehicles as the respective input variable of the machine learning model.
Der Energiespeicher ist lokaler Teil der Ladeanlage und in einem engen Umfeld zur Ladesäule angeordnet, bevorzugt sind beide innerhalb eines Umkreises von 500 m, besonders bevorzugt innerhalb eines Umkreis von 50 m zueinander angeordnet. Das Stromnetz dagegen ist ein geographisch weit verzweigtes Netz. Der ermittelte aktuelle und zukünftige zeitabhängige Bedarf an Ladeenergiemenge und Ladeleistung für Fahrzeuge kann einerseits vom Maschinenlernmodell selbst auf Basis von vorgegebenen Randbedingungen und bekannten Informationen im Sinne einer Voraussage ermittelt werden um dann für die weitere Bestimmung von i) und ii) (und wenn wie weiter unten erläutert verwendet, auch iii)) verwendet zu werden, kann jedoch alternativ hierzu auch in einem separaten Modul ermittelt werden und als Eingangsgröße des Maschinenlernmodells zur Bestimmung von i) und ii) (und wenn wie weiter unten erläutert verwendet, auch iii)) verwendet werden.The energy storage device is a local part of the charging system and is located in close proximity to the charging station; preferably both are located within a radius of 500 m, particularly preferably within a radius of 50 m from each other. The power grid, on the other hand, is a geographically widely branched network. The determined current and future time-dependent requirement for charging energy quantity and charging power for vehicles can, on the one hand, be determined by the machine learning model itself on the basis of given boundary conditions and known information in the sense of a prediction in order to then be used for the further determination of i) and ii) (and if used as explained below, also iii)), but can alternatively also be determined in a separate module and used as an input variable of the machine learning model to determine i) and ii) (and if used as explained below, also iii)).
Die Steuereinheit ist insbesondere dazu ausgeführt i) und ii) (und wenn wie weiter unten erläutert verwendet, auch iii)) zu bestimmen, und zu bewirken, d. h. auszuführen. Die Steuereinheit weist dann zu diesem Zweck entsprechende Mittel auf, um die Flüsse von Energie, insbesondere von elektrischem Strom, zu regeln und zu begrenzen, jeweils gemäß ihrer bestimmten zeitlichen Verläufe. Dies geschieht vorteilhaft mit entsprechender Leistungselektronik der Steuereinheit.The control unit is designed in particular to determine i) and ii) (and if used as explained below, also iii)) and to bring about, i.e. to carry out. For this purpose, the control unit then has corresponding means to regulate and limit the flows of energy, in particular of electric current, in each case according to their specific temporal progressions. This is advantageously done with corresponding power electronics of the control unit.
Es können eine oder mehrere Ladesäulen für die Ladeanlage vorgesehen werden. An der oder den Ladesäulen, in der oder den jeweiligen Ladesäulen oder in unmittelbarer Nähe dazu ist ein Energiespeicher angeordnet. Hierbei kann ein einzelner Energiespeicher mit allen Ladesäulen verbunden werden, jede Ladesäule kann einzelne Energiespeicher-Module aufweisen, oder Ähnliches - die Topologie spielt hierbei eine untergeordnete Rolle. Vorteilhaft wird jedoch die Entfernung zwischen einer jeweiligen Ladesäule und einem Energiespeicher möglichst gering gehalten, um Überführungsverluste elektrischer Energie möglichst gering zu halten.One or more charging stations can be provided for the charging system. An energy storage device is arranged on the charging station(s), in the respective charging station(s) or in the immediate vicinity. A single energy storage device can be connected to all charging stations, each charging station can have individual energy storage modules, or something similar - the topology plays a subordinate role here. However, it is advantageous to keep the distance between a respective charging station and an energy storage device as small as possible in order to keep transfer losses of electrical energy as low as possible.
Die Lade- und Entladestrategie, d. h. der zeitliche Verlauf zur Erhöhung oder Verringerung des Speicherzustandes des Energiespeichers, sowie der zeitliche Verlauf der Entnahme elektrischer Energie aus dem generellen Stromnetz wird vom Maschinenlernmodell bestimmt. Das Maschinenlernmodell ist bevorzugt ein vorgegebener Algorithmus bzw. ein vortrainiertes künstliches neuronales Netz, welches zumindest die zukünftigen Wetterdaten als Eingangsgröße erhält. Diese zukünftigen Wetterdaten stellen den Mindestanteil einer Eingangsgröße, im Sinne eines Systemeingangs, für das Maschinenlernmodell dar. Die Ausgangsgröße des Maschinenlernmodells sind die zeitabhängigen Größen i) und ii) (und wenn wie weiter unten erläutert verwendet, auch iii)).The charging and discharging strategy, i.e. the time course for increasing or decreasing the storage state of the energy storage, as well as the time course of the withdrawal of electrical energy from the general power grid is determined by the machine learning model. The machine learning model is preferably a predefined algorithm or a pre-trained artificial neural network, which receives at least the future weather data as an input variable. This future weather data represents the minimum proportion of an input variable, in the sense of a system input, for the machine learning model. The output variable of the machine learning model are the time-dependent variables i) and ii) (and if used as explained below, also iii)).
Diese zukünftigen Wetterdaten und gegebenenfalls weitere Eingangsgrößen werden von dem Maschinenlernmodell berücksichtigt, um eine entsprechende Aktion (Laden bzw. Entladen bzw. mit welcher Leistung und zu welchen Zeitpunkten) des Energiespeichers vorzugeben. Ein Ziel kann dabei sein, elektrische Energie dann in den Energiespeicher zu laden, wenn diese sehr günstig ist (und in hohem Maße zur Verfügung steht) und dann aus dem Energiespeicher zur Ladung der Batteriefahrzeuge zur Verfügung zu stellen, wenn der elektrische Strom aus dem Stromnetz sehr teuer ist bzw. das Angebot an Strom knapp ist, wenn z.B. in dem Moment sehr wenig Energie aus Wind und Sonne in das Stromnetz eingespeist werden kann.This future weather data and, if necessary, other input variables are taken into account by the machine learning model in order to specify a corresponding action (charging or discharging, or with what power and at what times) of the energy storage system. One goal can be to charge electrical energy into the energy storage system when it is very cheap (and available in large quantities) and then to make it available from the energy storage system to charge the battery vehicles when electrical power from the power grid is very expensive or the supply of electricity is scarce, for example when very little energy from wind and solar power can be fed into the power grid at that moment.
Dass das Maschinenlernmodell auf die individuelle Ladeanlage angepasst ist, heißt insbesondere, dass für jede einzelne Ladeanlage individuelle Parameter des Maschinenlernmodells verwendet werden. Solche Parameter sind abhängig vom verwendeten Maschinenlernmodell intuitiv interpretierbar, wie die Anzahl der Ladesäulen oder die maximale Kapazität des Energiespeichers, können aber auch nicht intuitiv interpretierbar sein wie die trainierten Gewichte eines tiefen künstlichen neuronalen Netzes.The fact that the machine learning model is adapted to the individual charging system means in particular that individual parameters of the machine learning model are used for each individual charging system. Depending on the machine learning model used, such parameters can be interpreted intuitively, such as the number of charging stations or the maximum capacity of the energy storage system, but they can also not be interpreted intuitively, such as the trained weights of a deep artificial neural network.
Die individuelle Anpassung des Maschinenlernmodells spiegelt den durchschnittlichen Energiebedarf aufgrund z.B. von Verkehrsinfrastruktur, bzw. Anzahl der Fahrzeuge, des jeweiligen Standorts der Ladesäulen, wider, sowie die Verfügbarkeit von elektrischer Infrastruktur mit entsprechender Leistung. Mit den Wetterdaten wird zudem insbesondere die zeitabhängige Sonneneinstrahlung zur Nutzung von Photovoltaik und Windverhältnisse zu Nutzung von Windkraft berücksichtigt. Der Energiespeicher kann somit als Freiheitsgrad in der Optimierung des Energiemanagements durch das Maschinenlernmodell eingesetzt werden.The individual adaptation of the machine learning model reflects the average energy requirement based on, for example, the transport infrastructure or number of vehicles, the respective location of the charging stations, as well as the availability of electrical infrastructure with the corresponding power. The weather data also takes into account the time-dependent solar radiation for the use of photovoltaics and wind conditions for the use of wind power. The energy storage can thus be used as a degree of freedom in the optimization of energy management through the machine learning model.
Dadurch, dass der Energiespeicher nicht nur geregelt wird, sondern über den Einsatz von künstlicher Intelligenz des Maschinenlernmodells auch eine Ladeanlage-eigene sowie zeitabhängige energetische Randbedingungen in das Energiemanagement des Energiespeichers berücksichtigt wird, können hohe einzelne Peakleistungen vermieden und ideal geglättet werden, sodass die verfügbare Speicherkapazität optimal genutzt werden kann und auch möglicherweise auf eine gegebenenfalls nötige Erhöhung der Anschlussleistung eines Ladeparks verzichtet oder diese Erhöhung zumindest abgeschwächt werden kann.Because the energy storage system is not only regulated, but also the charging system's own and time-dependent energetic boundary conditions are taken into account in the energy management of the energy storage system through the use of artificial intelligence of the machine learning model, high individual peak powers can be avoided and ideally smoothed out so that the available storage capacity can be used optimally and a possibly necessary increase in the connected load of a charging park can be dispensed with or this increase can at least be mitigated.
Der Energiespeicher ist bevorzugt ein elektrischer Batteriespeicher, kann aber auch alternativ oder zusätzlich einen Schwungradspeicher, eine Redoxflowbatterie, eine Elektrolyseanlage mit Rückverstromung über Brennstoffzellen oder ähnliches aufweisen. Je nach Speichersystem ist jedoch der Wirkungsgrad im Energiemanagement sowie die maximale Stromflussleistung zu berücksichtigen.The energy storage system is preferably an electric battery storage system, but can alternatively or additionally have a flywheel storage system, a redox flow battery, an electrolysis system with re-conversion to electricity via fuel cells or similar. Depending on the storage system, however, the efficiency in energy management and the maximum current flow capacity must be taken into account.
Indem ein zeitlicher Verlauf von aktuellen Wetterdaten hin zu vorausgesagten zukünftigen Wetterdaten im Maschinenlernmodell berücksichtigt wird, sowie ein von aktuellen und zukünftigen Randbedingungen abhängiger Bedarf an totaler Energie, welche auf elektrische Fahrzeuge in einem vorgegebenen Zeitraum zu übertragen sein wird, sowie der Bedarf an Ladeleistung im vorgegebenen Zeitraum, und außerdem bereits in der einfachsten Ausführungsform nur eines Energiespeichers, verbunden mit der Ladesäule und mit dem Stromnetz, eine Vielzahl von Freiheitsgraden zur Verfügung steht (Zeitpunkte und Leistung der Energieabgabe des Energiespeichers an die Ladesäule oder zurück in Stromnetz, Zeitpunkte und Leistung einer Energieentnahme aus dem Stromnetz in den Energiespeicher oder direkt an die Ladesäule) kann erwartet werden, dass eine simple Steuerung abhängig von Grenzwerten bezüglich der Kosten aus dem Stromnetz oder einem Ladezustand des Energiespeichers noch nicht ein globales Optimum der Kostenoptimierung und/oder Optimierung weiterer Zielgrößen erreichen kann.By taking into account a temporal progression from current weather data to predicted future weather data in the machine learning model, as well as a requirement for total energy, which is dependent on current and future boundary conditions and which will have to be transferred to electric vehicles in a given period of time, as well as the requirement for charging power in the given period of time, and also even in the simplest embodiment of only one energy storage device, connected to the charging station and to the power grid, a large number of degrees of freedom are available (times and power of the energy output of the energy energy storage to the charging station or back into the power grid, times and performance of energy extraction from the power grid into the energy storage or directly to the charging station), it can be expected that a simple control depending on limit values regarding the costs from the power grid or a charge state of the energy storage cannot yet achieve a global optimum of cost optimization and/or optimization of other target variables.
Zu diesem Zweck wird das Maschinenlernmodell eingesetzt, welches die komplexen Zusammenhänge zwischen aktuellen und zukünftigen Wetterdaten, dem Bedarf und dem Spielraum in der Befriedigung des Bedarfs unter Berücksichtigung der lokalen Randbedingungen wie einer maximalen Ladeleistung einer jeweiligen Ladesäule, der Kapazität des Energiespeichers, der geographischen Entfernung von Solarparks und Windparks, und optional weiteren Randbedingungen berücksichtigt. Hierbei kann insbesondere ein lineares Modell angewendet werden, um den Einfluss der Wetterdaten auf den Überschuss bzw. Mangel elektrischer Energie im Stromnetz vorhersagen zu können, während das Maschinenlernmodell das lineare Modell berücksichtigt, aber auch weitere Zusammenhänge implementiert hält, die die oben genannten Randbedingungen berücksichtigen. Das Maschinenlernmodell ist vorteilhaft über die Betriebszeit der Ladeanlage anpassbar, sodass veränderte Randbedingungen und veränderter Bedarf wie durch die Evolution von elektrischen Fahrzeugen bedingt ebenfalls berücksichtigt werden können.For this purpose, the machine learning model is used, which takes into account the complex relationships between current and future weather data, the demand and the scope for meeting the demand, taking into account local boundary conditions such as the maximum charging power of a respective charging station, the capacity of the energy storage system, the geographical distance from solar parks and wind farms, and optionally other boundary conditions. In particular, a linear model can be used to predict the influence of the weather data on the surplus or shortage of electrical energy in the power grid, while the machine learning model takes the linear model into account, but also implements other relationships that take the above-mentioned boundary conditions into account. The machine learning model can be advantageously adapted over the operating time of the charging system, so that changed boundary conditions and changed demand, such as those caused by the evolution of electric vehicles, can also be taken into account.
Wird, wie weiter unten beschrieben, berücksichtigt, dass zunehmend batterieelektrische Fahrzeuge mit der Fähigkeit des bidirektionalen Ladens ausgestattet sind, d. h., dass sie in ihrer Batterie gespeicherte Energie an das Stromnetz über eine Ladesäule zurück speisen können, ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad für das Maschinenlernmodell, welches die Komplexität des Problems exponentiell weiter steigert.If, as described below, it is taken into account that battery-electric vehicles are increasingly equipped with the ability to charge bidirectionally, i.e. that they can feed energy stored in their battery back to the power grid via a charging station, this results in an additional degree of freedom for the machine learning model, which increases the complexity of the problem exponentially.
Die Werte der Freiheitsgrade i) und ii) (und optional im Falle der Berücksichtigung der Fähigkeit bidirektionalen Ladens batterieelektrischer Fahrzeuge auch iii)) werden von der Steuereinheit für einen aktuellen Zeitpunkt und künftige Zeitpunkte vorgegeben. Die Vorgabe bezieht sich insbesondere auf einen bestimmten, vordefinierten, Zeitraum, welcher jedoch auch variabel gewählt werden kann, beispielsweise abhängig von den Wahrscheinlichkeiten des tatsächlichen Eintretens der Wetterdaten. So kann ein Bewölkungsgrad mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit errechnet werden, ist diese sehr nahe bei 50 %, sind die Wetterdaten in ihrer Vorhersage als wenig zuverlässig zu betrachten und der Zeitraum zu verkürzen. In jedem Fall jedoch erfolgt auf Grundlage aktueller und zukünftiger Daten durch die Anwendung des Maschinenlernmodells die Bestimmung der Werte der Freiheitsgrade von zumindest i) und ii) (und ggf. iii)) ebenfalls im Voraus, um eine globale Optimierung über den vorgegebenen Zeitraum durchführen zu können. Dies steht im Gegensatz zu einer lokalen Optimierung, die insbesondere einen einzigen Zeitpunkt berücksichtigt, insbesondere die Gegenwart. Mit letzterem kann jedoch nur ein lokales Optimum gefunden werden, die globale Optimierung über den gesamten Zeitraum optimiert eine Zielgröße (siehe weiter unten) so, dass auf Basis der prädizierten Größen keine bessere Lösung gefunden werden kann (es gibt kein anderes lokales Minimum, dass das gefundene Minimum unterschreitet), es sei denn es tritt der Fall einer Paretooptimalität auf, in der Werte der Zielgrößen wechselseitig geändert werden können, ohne dass eine Änderung der Zielgröße stattfindet. Dies wird jedoch ebenfalls als globales Minimum gesehen.The values of the degrees of freedom i) and ii) (and optionally, if the ability of bidirectional charging of battery-electric vehicles is taken into account, also iii)) are specified by the control unit for a current point in time and future points in time. The specification refers in particular to a certain, predefined period of time, which can, however, also be selected variably, for example depending on the probabilities of the weather data actually occurring. For example, a degree of cloud cover can be calculated with a certain probability; if this is very close to 50%, the weather data is to be considered unreliable in its forecast and the period of time is to be shortened. In any case, however, the values of the degrees of freedom of at least i) and ii) (and possibly iii)) are also determined in advance on the basis of current and future data by applying the machine learning model in order to be able to carry out a global optimization over the specified period of time. This is in contrast to a local optimization, which in particular takes into account a single point in time, in particular the present. However, with the latter, only a local optimum can be found, while global optimization over the entire period optimizes a target variable (see below) in such a way that no better solution can be found on the basis of the predicted variables (there is no other local minimum that is lower than the minimum found), unless the case of Pareto optimality occurs, in which values of the target variables can be changed mutually without a change in the target variable. However, this is also seen as a global minimum.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, gezielt solche Wetterdaten als Eingangsgrößen des Maschinenlernmodells zu verwenden, die für Gebiete mit Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen in vorgegebener geographischer Nähe der Ladeanlage gelten.According to an advantageous embodiment, the control unit is designed to specifically use weather data as input variables of the machine learning model that apply to areas with wind turbines and/or photovoltaic systems in a predetermined geographical proximity to the charging system.
Je näher der Ort der Stromerzeugung am Verbrauchsort liegt, umso prinzipiell geringer sind die Übertragungsverluste zwischen Erzeuger und Empfänger. Durch entsprechend ausgebaute Stromnetze können gezielt Schaltungen von energetischen Angebotsquellen zu Nachfragesenken geschaltet werden. Somit wird die Eigenschaft von Windkraft und Photovoltaikanlagen berücksichtigt, ortsabhängig und wetterabhängig Strom zu erzeugen. Der Energiespeicher der Ladeanlage dient insbesondere dazu, einen Pufferspeicher für nahegelegene Windparks bzw. Photovoltaikanlagen darzustellen und die mangelnde Grundlastfähigkeit solcher Stromerzeuger besser ausgleichen zu können. Indem im Maschinenlernmodell gezielt Wetterdaten berücksichtigt werden, die sich auf eine Windkraftanlage und/oder eine Photovoltaikanlage in der Nähe der Ladeanlage beziehen, kann ein weiterer optimierter Einsatz des Energiespeichers in der Ladeanlage erfolgen, um Leistungsspitzen, die die technische Grenze der Ladeanlage erreichen, besser vermeiden zu können.The closer the location of electricity generation is to the place of consumption, the lower the transmission losses between the generator and the receiver are in principle. Appropriately developed power grids can be used to specifically switch energy supply sources to demand sinks. This takes into account the ability of wind power and photovoltaic systems to generate electricity depending on the location and weather. The energy storage system of the charging system serves in particular to provide a buffer storage for nearby wind farms or photovoltaic systems and to better compensate for the lack of base load capacity of such power generators. By specifically taking weather data relating to a wind turbine and/or a photovoltaic system near the charging system into account in the machine learning model, the energy storage system in the charging system can be used even more optimisedly in order to better avoid power peaks that reach the technical limits of the charging system.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, gewichtete Wetterdaten als Eingangsgrößen des Maschinenlernmodells zu verwenden, wobei Wetterdaten für Gebiete mit Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen in vorgegebener geographischer Nähe der Ladeanlage höher gewichtet werden als Wetterdaten für übrige Gebiete.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to use weighted weather data as input variables of the machine learning model, wherein weather data for areas with wind turbines and/or photovoltaic systems in a predetermined geographical proximity to the charging system are weighted higher than weather data for other areas.
Diese Gewichtung erlaubt es vorteilhaft, die Eigenschaft lokaler Stromnetze zu berücksichtigen, möglichst die Verbraucher durch nahegelegene Quellen zu versorgen. Da dies wie oben erläutert jedoch nicht immer möglich ist, wird dieser Umstand in einer Gewichtung berücksichtigt, da davon auszugehen ist, dass insbesondere in zukünftigen Stromnetzen zu einem Verbraucher näher gelegene Quellen einen höheren Stromanteil liefern werden als weiter entfernte Quellen.This weighting advantageously allows the property of local power grids to be taken into account, namely to supply consumers from nearby sources wherever possible. However, as explained above, this is not always possible, so this circumstance is taken into account in a weighting, as it can be assumed that, particularly in future power grids, sources closer to a consumer will supply a higher proportion of electricity than sources further away.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, in den Wetterdaten zumindest eines der folgenden zu berücksichtigen: Zeitlicher Verlauf der Sonneneinstrahlungsstärke, Temperatur, zeitlicher Verlauf der Windgeschwindigkeit, Varianz der Windgeschwindigkeit.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to take into account at least one of the following in the weather data: temporal progression of the solar radiation intensity, temperature, temporal progression of the wind speed, variance of the wind speed.
Die Wahl der Wetterdaten wird vorteilhaft an die Arten der Stromerzeuger angepasst. Da insbesondere Windkraft und Photovoltaik enorm wetterabhängig sind, werden hierbei insbesondere Wetterdaten über den Wind sowie über die Sonneneinstrahlung geliefert, es kann jedoch auch die aktuelle Temperatur berücksichtigt werden, um dem Umstand nachzukommen, dass Photovoltaikanlagen mit höheren Temperaturen durch Erhöhung des elektrischen Widerstands eine deutlich geringere Leistungsausbeute ermöglichen.The choice of weather data is advantageously adapted to the type of power generator. Since wind power and photovoltaics in particular are extremely dependent on the weather, weather data on the wind and solar radiation are provided in particular, but the current temperature can also be taken into account in order to take into account the fact that photovoltaic systems with higher temperatures enable a significantly lower power output due to an increase in electrical resistance.
Dies verbessert das Energiemanagement des Energiespeichers dahingehend, dass elektrische Energie besonders günstig einkauft wird (insbesondere um den Energiespeicher zu laden), wenn viel relativ kostengünstige Energie zur Verfügung steht, da beispielsweise Windkraftwerke relativ viel elektrische Leistung liefern und die gespeicherte Energie des Energiespeichers dann zum Laden eines jeweiligen elektrischen Fahrzeugs verwendet wird, wenn die sich im Energiespeicher befindliche Energie zu günstigerem Preis erhalten wurde, als zu dem sie im aktuellen Bedarfsmoment aus dem Stromnetz bezogen werden könnte. Hierdurch kann ein Ladeparkbetreiber einen höheren Gewinn erzielen oder auch den günstigen Strompreis an Kunden als Fahrer von Batteriefahrzeugen weitergeben. Zudem wird auch verhindert, dass der Ladesäulenbetreiber womöglich elektrischen Strom zu einem höheren Preis einkaufen muss als er ihn an der Ladesäule verkaufen muss.This improves the energy management of the energy storage system in that electrical energy is purchased particularly cheaply (especially to charge the energy storage system) when a lot of relatively inexpensive energy is available, since wind turbines, for example, provide a relatively large amount of electrical power and the energy stored in the energy storage system is then used to charge an electric vehicle if the energy in the energy storage system was obtained at a cheaper price than it could be obtained from the power grid at the current moment of need. This enables a charging park operator to make a higher profit or pass on the low electricity price to customers who drive battery-powered vehicles. It also prevents the charging station operator from having to buy electricity at a higher price than it has to sell at the charging station.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, durch Ausführung des Maschinenlernmodells i) und ii) so zu bestimmen, dass eine prädiktive Zielgröße auf Basis von monetären Kosten und/oder eines Mangels an zur Verfügung stehender elektrischer Energie für die zu ladenden Fahrzeuge und/oder einer Emission eines vorgegebenen Stoffes bei der Produktion des elektrischen Stroms in globaler Optimierung minimiert wird.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to determine, by executing the machine learning model i) and ii), such that a predictive target variable based on monetary costs and/or a lack of available electrical energy for the vehicles to be charged and/or an emission of a predetermined substance during the production of the electrical power is minimized in global optimization.
Damit wird eine Mehrzieloptimierung angewendet, wobei einzelne Ziele in einer gemeinsamen Kostenfunktion ausgedrückt werden, um den Funktionswert der Kostenfunktion zu minimieren. Selbstverständlich kann die Kostenfunktion auch in einer Gütefunktion formuliert werden, dessen Wert maximiert wird.This involves applying multi-objective optimization, whereby individual objectives are expressed in a common cost function in order to minimize the functional value of the cost function. Of course, the cost function can also be formulated in a quality function, the value of which is maximized.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, das Maschinenlernmodell über die Betriebszeiten der Ladeanlage hinweg durch Verstärkendes Lernen anzupassen.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt the machine learning model over the operating times of the charging system by means of reinforcement learning.
Das Verstärkende Lernen, auch genannt Bestärkendes Lernen (englisch „reinforcement learning“, abgekürzt RL) basiert insbesondere auf dem Konzept von Belohnungs- und Bestrafungsfunktionen, um Parameter des Maschinenlernmodells anpassen zu können. Wird beispielsweise ein künstliches neuronales Netz verwendet, welches eine extrem hohe Zahl von internen und nicht interpretierbaren Parametern aufweist, führt die Anpassung dieser Parameter zur einer optimierten Bestimmung von i) und ii) auf Grundlage der verfügbaren Daten, insbesondere Wetterdaten.Reinforcement learning, also called reinforcement learning (RL for short), is based in particular on the concept of reward and punishment functions in order to be able to adapt parameters of the machine learning model. For example, if an artificial neural network is used which has an extremely high number of internal and uninterpretable parameters, the adaptation of these parameters leads to an optimized determination of i) and ii) based on the available data, in particular weather data.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, im weiteren Verlauf des Betriebs der Ladeanlage einen aktualisierten Wert einer tatsächlichen Zielgröße zu bestimmen und mit dem zuvor ermittelten Wert der prädiktiven Zielgröße zu vergleichen, sowie eine Belohnungsfunktion für das Verstärkende Lernen dann zu aktivieren, wenn die tatsächliche Zielgröße so nahe an der zuvor ermittelten prädiktiven Zielgröße ist, dass eine vorgegebene Vergleichsbedingung erfüllt ist.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to determine an updated value of an actual target variable in the further course of operation of the charging system and to compare it with the previously determined value of the predictive target variable, and to activate a reward function for reinforcement learning when the actual target variable is so close to the previously determined predictive target variable that a predetermined comparison condition is met.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, in der Ausführung des Maschinenlernmodells mit den aktuellen Wetterdaten und zukünftigen Wetterdaten aus einer Wettervorhersage sowie mit dem ermittelten zeitabhängigen Bedarf an Ladeenergiemenge und Ladeleistung als jeweilige Eingangsgröße des Maschinenlernmodells iii) eine zeitabhängige Rückspeisung elektrischer Energie aus der Batterie eines elektrischen Fahrzeugs in das Stromnetz und/oder in den Energiespeicher zu bestimmen.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to determine, in the execution of the machine learning model with the current weather data and future weather data from a weather forecast as well as with the determined time-dependent requirement for charging energy quantity and charging power as the respective input variable of the machine learning model iii), a time-dependent feed-back of electrical energy from the battery of an electric vehicle into the power grid and/or into the energy storage device.
Dies ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, für Unternehmen (z.B. Logistikunternehmen) mit einem großen Fuhrpark relevant, welche über eine eigene Ladeanlage mit einer Vielzahl von Ladesäulen und eine relativ große Fahrzeugflotte verfügen. Oftmals werden diese Fahrzeuge (insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge) am Wochenende nicht genutzt. Diese an die Ladeanlage angeschlossenen Fahrzeuge können dann, wenn diese über die Funktion des bidirektionalen Ladens verfügen, als zusätzlicher Energiespeicher (zumindest am Wochenenden oder Sonntagen) eingesetzt werden, d.h. so dass eine Standardregelung der Ladeanlage mit einem Energiespeicher über normale Energiemanagement-Regelmechanismen geführt werden können, da z.B. der Anschluss der Fahrzeuge am Wochenende (die unterschiedlich sein kann) berücksichtigt werden muss, was zu einer komplexen Führung des Energiemanagements des Energiespeichers der Ladeanlage führen würde. Es ergibt sich somit ein weiterer Freiheitsgrad im Management der Ladeanlage: Sowohl das Stromnetz als auch der Energiespeicher als auch ein an der Ladeanlage angeschlossenes batterieelektrisches Fahrzeug mit der Möglichkeit des bidirektionalen Ladens sind jeweils prinzipiell dazu in der Lage, Energie abzugeben sowie zu einem anderen Zeitpunkt Energie zu empfangen. Damit existiert ein weiterer Energiestrom, der von der Steuereinheit zur globalen Optimierung herangezogen werden kann.This is particularly, but not exclusively, relevant for companies (e.g. logistics companies) with a large fleet of vehicles, which have their own charging facility with a large number of charging stations and a relatively large vehicle fleet. Often these vehicles (especially bat battery-electric vehicles) are not used at weekends. These vehicles connected to the charging system can then, if they have the bidirectional charging function, be used as additional energy storage (at least at weekends or Sundays), i.e. so that standard control of the charging system with an energy storage device can be carried out via normal energy management control mechanisms, since, for example, the connection of the vehicles at the weekend (which can vary) must be taken into account, which would lead to complex management of the energy management of the charging system's energy storage device. This results in a further degree of freedom in the management of the charging system: Both the power grid and the energy storage device as well as a battery-electric vehicle connected to the charging system with the option of bidirectional charging are each in principle able to emit energy and receive energy at a different time. This means that there is another energy flow that can be used by the control unit for global optimization.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, bei der Bestimmung von i), ii) und iii) zusätzlich zu den Wetterdaten zumindest eines der folgenden zu berücksichtigen:
- - Eine geplante Route eines jeweiligen mit der Ladeanlage aktuell oder künftig verbundenen elektrischen Fahrzeugs;
- - ein aktueller Ladezustand eines jeweiligen mit der Ladeanlage aktuell oder künftig verbundenen elektrischen Fahrzeugs;
- - eine Ladekurve einer Batterie eines jeweiligen mit der Ladeanlage aktuell oder künftig verbundenen elektrischen Fahrzeugs;
- - eine Temperatur einer Batterie eines jeweiligen mit der Ladeanlage aktuell oder künftig verbundenen elektrischen Fahrzeugs;
- - eine installierte Kapazität der Batterie eines jeweiligen mit der Ladeanlage aktuell oder künftig verbundenen elektrischen Fahrzeugs;
- - aktuelle Uhrzeit und/oder aktueller Wochentag und/oder aktueller Monat und/oder aktuelle Jahreszeit und/oder Ferienzeiten und/oder Feiertage;
- - A planned route of each electric vehicle currently or in the future connected to the charging station;
- - a current charge status of each electric vehicle currently or in the future connected to the charging system;
- - a charging curve of a battery of an electric vehicle currently or in the future connected to the charging system;
- - a temperature of a battery of an electric vehicle currently or in the future connected to the charging system;
- - an installed capacity of the battery of each electric vehicle currently or in the future connected to the charging station;
- - current time and/or current day of the week and/or current month and/or current season and/or holiday periods and/or public holidays;
Hiermit können auch die Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresbedarfe an Ladeleistung und Kapazität mitbetrachtet werden - über unterschiedliche Uhrzeiten kann der Bedarf stark schwanken. Hierbei werden z.B. Werktage und Samstage und Sonntage unterschieden, Ferienzeiten in Bundesländern oder im Ausland etc.; diese Information kann ebenfalls für eine genauere Bedarfsprognose der Ladeenergie herangezogen werden.This also allows the daily, weekly, monthly and annual requirements for charging power and capacity to be taken into account - the requirements can vary greatly at different times of the day. For example, a distinction is made between working days and Saturdays and Sundays, holiday periods in federal states or abroad, etc.; this information can also be used for a more precise forecast of the charging energy requirements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Maschinenlernmodell einen der folgenden: Künstliches neuronales Netz, A2C-Algorithmus, Q-Learning-Algorithmus, DQN- Algorithmus.According to a further advantageous embodiment, the machine learning model comprises one of the following: artificial neural network, A2C algorithm, Q-learning algorithm, DQN algorithm.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details emerge from the following description, in which - if necessary with reference to the drawing - at least one embodiment is described in detail. Identical, similar and/or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigt:
-
1 : Eine Ladeanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 : A charging system according to an embodiment of the invention.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.Although the invention has been illustrated and explained in detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exist. It is also clear that embodiments mentioned as examples really only represent examples that are not to be understood in any way as a limitation of the scope of protection, the possible applications or the configuration of the invention. Rather The foregoing description and the description of the figures enable the person skilled in the art to implement the exemplary embodiments in concrete terms, whereby the person skilled in the art, with knowledge of the disclosed inventive concept, can make a variety of changes, for example with regard to the function or arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, without departing from the scope of protection defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanations in the description.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LadesäuleCharging station
- 33
- FahrzeugeVehicles
- 55
- StromnetzPower grid
- 77
- EnergiespeicherEnergy storage
- 99
- SteuereinheitControl unit
- 11 1311 13
- Windkraftanlage PhotovoltaikanlageWind turbine Photovoltaic system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102019207128 A1 [0004]DE 102019207128 A1 [0004]
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| CN118868337A (en) * | 2024-09-26 | 2024-10-29 | 深圳市优力特技术有限公司 | Electric energy metering method and system applied to charging station |
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