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Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Austausch von Energie zwischen einer Batterie eines Elektrofahrzeugs und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur, wobei zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur eine erste Datenverbindung und eine elektrische Ladeverbindung aufgebaut wird, wobei anhand der ersten Datenverbindung das Elektrofahrzeug in einen Energieaustauschmodus versetzt wird, in welchem zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie für einen Ladevorgang oder Entladevorgang ein Energiefluss erfolgt.
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Beim Laden von Elektrofahrzeugen können durch fahrzeugseitige Verbraucher, deren Betrieb insbesondere für eine Steuerung des Ladevorgangs benötigt wird, Verluste in nicht vernachlässigbarem Umfang entstehen. Solche Verbraucher sind z.B. durch zentrale Fahrzeugsteuerungen gegeben, welche neben dem generellen Energiemanagement und somit einer Steuerung des Energieflusses beim Laden abhängig von Batterieparametern auch noch deutlich mehr Funktionen bereitstellen bzw. wahrnehmen. Gerade bei Ladevorgängen mit vergleichsweise niedriger Leistung werden hierdurch bei Ladevorgängen über einen längeren Zeitraum (z.B. eine Nacht lang) die angesprochenen Verluste relevant.
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Infolge der Energiewende gewinnen Ladevorgänge mit niedrigen Leistungen zusehends an Bedeutung (z.B. durch das Laden eines vor einem Privathaus geparkten Elektrofahrzeugs mit überschüssigem Strom einer Solaranlage auf dem Hausdach). Gleiches gilt zudem für Entladevorgänge des Elektrofahrzeugs, in welchen z.B. aus einem Elektrofahrzeug elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird (sog. „Vehicle-to-grid“, V2G), um etwa Leistungsspitzen der Nachfrage besser abzufangen. Auch hier können unter den genannten Bedingungen die angesprochenen Leistungsverluste auftreten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen ein Energieaustausch zwischen einem Elektrofahrzeug und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur auch bei niedrigen Leistungen möglichst verlustarm erfolgen kann. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Elektrofahrzeug anzugeben, welches sich über eine Ladeinfrastruktur auch bei niedrigen Leistungen möglichst verlustarm laden oder entladen lässt.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Austausch von Energie zwischen einer Batterie eines Elektrofahrzeugs und einer zugehörigen Ladeinfrastruktur, wobei zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur eine erste Datenverbindung und eine elektrische Ladeverbindung aufgebaut wird, wobei über die erste Datenverbindung Ladesteuerdaten vom Elektrofahrzeug an die Ladeinfrastruktur übertragen werden, und wobei anhand der ersten Datenverbindung das Elektrofahrzeug in einen Energieaustauschmodus versetzt wird, in welchem im Elektrofahrzeug eine Energiestrecke zwischen der Batterie und der Ladeverbindung zur Ladeinfrastruktur aktiviert ist.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass im Energieaustauschmodus die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur ausgesetzt wird, dass weiter zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie für einen Ladevorgang oder Entladevorgang ein Energiefluss erfolgt, und dass eine Anzahl an elektrischen Verbrauchern des Elektrofahrzeugs, welche jeweils nicht unmittelbar an einer Steuerung und/oder Durchführung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs beteiligt sind, in einen inaktiven Zustand versetzt werden. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrofahrzeug umfassend eine Batterie, Mittel zum Aufbau einer ersten Datenverbindung zwischen dem Elektrofahrzeug insbesondere einer zentralen Steuereinheit des Elektrofahrzeugs, und einer für ein Laden der Batterie eingerichteten Ladeinfrastruktur, und Mittel zum Aufbau einer Ladeverbindung zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur, welche einen Anschlusspunkt sowie eine aktivierbare, insbesondere schaltbare Energiestrecke vom Anschlusspunkt zur Batterie umfassen. Hierbei ist das Elektrofahrzeug mittels einer ersten Steuereinheit dazu eingerichtet ist, über die erste Datenverbindung Ladesteuerdaten an die Ladeinfrastruktur zu übertragen, wobei das Elektrofahrzeug mittels der ersten Steuereinheit und/oder einer zweiten Steuereinheit dazu eingerichtet ist, anhand der ersten Datenverbindung in einen Energieaustauschmodus versetzt zu werden, in welchem die Energiestrecke aktiviert ist, und wobei das Elektrofahrzeug im Energieaustauschmodus dazu eingerichtet ist, die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur auszusetzen, und für einen über die Ladeverbindung erfolgenden Ladevorgang der Batterie durch die Ladeinfrastruktur oder Entladevorgang der Batterie in die Ladeinfrastruktur eine Anzahl an elektrischen Verbrauchern des Elektrofahrzeugs, welche jeweils nicht unmittelbar an einer Steuerung und/oder Durchführung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs beteiligt sind, in einen inaktiven Zustand zu versetzen.
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Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug teilt die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Austausch von Energie. Die für besagtes Verfahren und für seine Weiterbildungen angegebenen Vorteile können sinngemäß auf das Elektrofahrzeug übertragen werden.
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Unter Energie ist hierbei für -austausch und -fluss sowie im Folgenden generell elektrische bzw. elektromagnetische Energie umfasst, sodass der Begriff der Energie insbesondere nicht auf eventuelle zusätzliche thermischen Effekte zu beziehen ist.
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Unter einem Elektrofahrzeug ist hierbei bevorzugt jedwedes elektrisch betriebene Kraftfahrzeug (Kfz) umfasst. Das Elektrofahrzeug ist dabei insbesondere gegeben durch ein rein batterieelektrisch betriebenes Kfz, also ohne einen Verbrennungsmotor für einen Hybridbetrieb. Das Elektrofahrzeug kann jedoch auch durch einen sog. Plug-in-Hybrid gegeben sein. Unter einer Ladeinfrastruktur ist hierbei jedwede Vorrichtung oder Anordnung zu verstehen, welche ihrer Ausgestaltung nach dazu vorgesehen und eingerichtet ist, ein Batterie eines Elektrofahrzeugs elektrisch zu laden, und/oder der Batterie eines Elektrofahrzeugs elektrische Energie zu entnehmen (z.B. für V2G). Insbesondere kann die Ladeinfrastruktur gegeben sein durch eine dedizierte Ladestation, welche bspw. an einem öffentlichen Parkplatz oder einem überirdischen Firmenstellplatz o.ä. angeordnet sein kann, oder durch eine Installation an einem Privathaushalt (z.B. auf einem Privatparkplatz vor/neben einem Wohngebäude oder in einer Garage).
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Unter einer Batterie des Elektrofahrzeugs ist generell jedwede wieder aufladbare elektrische Energiequelle zu verstehen, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, im Elektrofahrzeug die für den Fahrbetrieb benötigte Energie bereitzustellen. Eine Batterie kann dabei insbesondere aus einer Mehrzahl oder einer Vielzahl an einzelnen Batteriezellen gebildet werden, wobei unter dem Begriff der „Batterie“ insbesondere eine Gesamtheit an miteinander verschalteten Batteriezellen eines Elektrofahrzeugs umfasst ist, aus welchen durch einen einzelnen Anschluss Energie entnommen werden kann. Gemäß dieser Definition weist ein Elektrofahrzeug dabei bevorzugt nur eine Batterie eine oder eine geringe Anzahl an Batterien auf. Etwaige sonstige Energiequellen in einem Elektrofahrzeug, z.B. selbständige Energiequellen eines Steuergerätes o.ä., sind demnach nicht vom Begriff der Batterie umfasst.
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Die erste Datenverbindung wird dabei bevorzugt über ein Ladekabel aufgebaut, über welches auch die Ladeverbindung aufgebaut wird, und welches zum Laden bzw. Entladen der Batterie über einen Ladestecker mit einer entsprechenden Steckdose des Elektrofahrzeugs verbunden wird. Die Steckdose weist dabei insbesondere einen Anschlusspunkt für die Ladeverbindung auf, etwa in Form entsprechender Kontakte für Stecker-Pins, wobei die Kontakte die Endpunkte einer vorzugsweise schaltbaren Energiestrecke im Elektrofahrzeug bilden, deren anderes Ende an der Batterie verortet ist. Der besagte Ladestecker und die Steckdose können dabei nach einem bestehenden Standard für Elektrofahrzeuge ausgestaltet sein CCS („Combined Charging System“) oder auch Chademo bzw. einem vergleichbaren Standard. Die erste Datenverbindung kann dabei aufgebaut werden gemäß einem Protokoll wie z.B. PLC, CP oder CAN.
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Bevorzugt wird über die erste Datenverbindung zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur zusätzlich ein Lademodus vereinbart, welcher insbesondere beinhalten kann, anhand welcher Ladesteuerdaten der Ladevorgang zu steuern ist, und wann diese Ladesteuerdaten zu übertragen sind. Die Ladesteuerdaten umfassen insbesondere einen Istwert und/oder einen Sollwert und/oder einen Grenzwert für wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen: Energie, Leistung, Spannung, Strom, Ladung.
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Die Kommunikation mit der Ladeinfrastruktur sowie einzelne Vorgänge für den Energieaustauschmodus werden im Elektrofahrzeug bevorzugt durch eine oder mehrere entsprechende Steuereinheiten umgesetzt. Bevorzugt weist das Elektrofahrzeug ein Batteriemanagement auf, welches als ein Steuergerät der Batterie unmittelbar zugeordnet ist (vorzugsweise durch entsprechende Verschaltung), und welches dazu eingerichtet und vorgesehen ist, bei einem Energiefluss in die Batterie oder einer Energieentnahme eine gleichmäßige Beladung bzw. Belastung der einzelnen Batteriezellen sicherzustellen, und dabei zudem auch noch das Einhalten aller relevanten Grenzwerte für Spannungen, Ströme und ggf. Temperaturen überwacht. Insbesondere weist das Batteriemanagement im Wesentlichen nur Funktionen auf, welche unmittelbar für den Betrieb der Batterie bzw. ihr Laden/Entladen erforderlich sind. Die Ladesteuerdaten können dann insbesondere durch das Batteriemanagement vorgegeben werden.
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Insbesondere weist das Elektrofahrzeug weiter eine zentrale Steuereinheit auf, welche gegeben ist durch jedwede Form einer Recheneinrichtung, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, sämtliche grundlegenden Funktionen des Elektrofahrzeugs (Antrieb der einzelnen Radmotoren, Bordelektronik, Beleuchtung, Temperaturregelung, etc.) anzusteuern, und dabei insbesondere gegeben sein kann durch einen Fahrzeugserver. Im Fall, dass das Elektrofahrzeug keinen übergeordneten Fahrzeugserver aufweist, durch welchen alle grundlegenden Funktionen ansteuerbar sind, sondern für unterschiedliche Funktionen einzelne, voneinander physikalisch getrennte Steuereinheiten vorgesehen und eingerichtet sind, ist die zentrale Steuereinheit insbesondere gegeben durch diejenige Steuereinheit, welche eine Leistungsabgabe aus der Batterie für den Fahrbetrieb und eine Leistungsaufnahme beim Laden regelt. Die zentrale Steuereinheit lässt sich in letztgenanntem Fall sowie generell vom Batteriemanagement dadurch abgrenzen, dass die zentrale Steuereinheit dabei, anders als das Batteriemanagement, keinen Zugriff auf die Energie- und Spannungsverteilung der einzelnen Batteriezellen innerhalb der Batterie hat, sondern lediglich den Energiefluss bis hin zum Anschluss der Batterie steuert. Die Übertragung der durch das Batteriemanagement vorgegebenen Ladesteuerdaten an die Ladeinfrastruktur kann dann insbesondere durch die zentrale Steuereinheit oder eine von dieser abhängigen, dedizierten Kommunikations-Steuereinheit (etwa einem Communication Gateway) gesteuert werden.
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Das Elektrofahrzeug wird nun anhand der ersten Datenverbindung, insbesondere durch die zentrale Steuereinheit, in den Energieaustauschmodus versetzt. In diesem sind insbesondere seitens der Ladeinfrastruktur alle Freigaben zur Energieübertragung erteilt, und auf Seite des Elektrofahrzeugs die Energiestrecke aktiviert (also insbesondere zugeschaltet). Unter dem Energieaustauschmodus ist hierbei für das Elektrofahrzeug insbesondere umfasst, dass eine Energieübertragung vom Ladestecker, welcher in die des Elektrofahrzeugs gesteckt ist, zur Batterie direkt und unmittelbar möglich ist (und insbesondere keine weiteren Schalt- und/oder Schützkontakte geschlossen werden müssen). Der Energieaustauschmodus soll dabei insbesondere auch zum Entladen des Elektrofahrzeugs im Rahmen von V2G eingerichtet sein.
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Das Versetzen in den Energieaustauschmodus anhand der ersten Datenverbindung kann hierbei insbesondere derart erfolgen, dass nach einer Übertragung der Ladesteuerdaten vom Elektrofahrzeug an die Ladeinfrastruktur diese eine Bestätigung oder ein vergleichbares Signal zur Vorbereitung des Energieaustausches (Ladevorgang oder Entladevorgang) über die erste Datenverbindung an das Elektrofahrzeug sendet. Bei Empfang dieser Bestätigung bzw. dieses Signals wird das Elektrofahrzeug dann durch die zuständige Steuereinheit in den Energieaustauschmodus versetzt. Das Versetzen in den Energieaustauschmodus anhand der ersten Datenverbindung kann aber auch unmittelbar nach einem Versenden der Ladesteuerdaten über die erste Datenverbindung erfolgen, ohne dass es einer Bestätigung bedarf.
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Im Energieaustauschmodus wird die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur ausgesetzt, was z.B. derart erfolgen kann, dass das Elektrofahrzeug (etwa durch einen Befehl der zentralen Steuereinheit) bei der Ladeinfrastruktur bevorzugt eine erste Kommunikationspause bei aktivierter Energiestrecke anfordert. Weiter wird im Energieaustauschmodus eine Anzahl an elektrischen Verbrauchern, wie z.B. Lüfter, Kühler, aber auch Steuereinheiten, welche jeweils nicht unmittelbar an einer Steuerung und/oder Durchführung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs beteiligt sind (also etwa die zentrale Steuereinheit), in einen inaktiven Zustand versetzt.
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Unter einem solchen inaktiven Zustand für einen elektrischen Verbraucher ist dabei insbesondere ein Zustand oder Modus umfasst, in welchem die bestimmungsgemäßen Aufgaben des jeweiligen Verbrauchers vollständig ausgesetzt sind, und allenfalls ein Minimalbetrieb aufrecht erhalten wird, dessen einzige Funktion die Möglichkeit zur beschleunigten Rückkehr in den vollständigen Betrieb bildet (also ohne Notwendigkeit eines vollständigen Neustarts, im Fall einer Steuereinheit ggf. mit erneutem Hochfahren eines Betriebssystems etc.). Dies kann insbesondere in einem Standby-Modus, einen Sleep-Modus, einem ausgeschalteten Zustand oder einen gänzlich spannungsfreien Zustand der Fall sein. Das Aussetzen der Kommunikation kann insbesondere auch durch einen inaktiven Zustand der zuständigen Steuereinheit (zentrale Steuereinheit oder dedizierte Kommunikations-Steuereinheit) bewirkt werden.
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Unter einem Verbraucher, welcher unmittelbar an einer Steuerung und/oder Durchführung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs beteiligt ist, sind hierbei insbesondere für den Energieaustausch zwingend erforderliche Gleich- und/oder Wechselrichter, Strom-/Spannungs-Steller und ggf. das Batteriemanagement umfasst (wenn letzteres den an der Batterie fließenden Lade- bzw. Entladestrom misst und überwacht).
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Der Energiefluss zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur (also ein Laden oder Entladen) erfolgt nun im Energieaustauschmodus ohne jegliche Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeinfrastruktur, lediglich anhand der vorab vorgegebenen Ladesteuerdaten. Hierdurch kann bereits die für eine Kommunikation (und entsprechende Steuergeräte seitens des Elektrofahrzeugs) erforderliche Energie eingespart werden. Zudem können weiter möglichst viele, bevorzugt alle elektrischen Verbraucher, welche jeweils nicht unmittelbar an einer Steuerung und/oder Durchführung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs beteiligt sind (also insbesondere die zentrale Steuereinheit bzw. der Fahrzeugserver) in den inaktiven Zustand versetzt werden, wodurch eine weitere Einsparung an Energie bewirkt wird, und das Laden bzw. Entladen besonders energieeffizient ausgestaltet ist. Der Energieaustausch selbst kann dabei durch einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom erfolgen.
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Bevorzugt wird, insbesondere über die erste Datenverbindung, als ein Lademodus ein durch die Ladeinfrastruktur gesteuerter Ladevorgang bzw. Entladevorgang vereinbart. Dies bedeutet insbesondere, das auf eine entsprechende Anfrage des Elektrofahrzeugs hin über die erste Datenverbindung die Ladeinfrastruktur bestätigt, die Steuerung des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgang zu übernehmen, und somit ein Einstellen eines Ladestromes mit einer vorgegebenen Spannung und/oder durch die Ladesteuerdaten vorgegebenen Leistung durch die Ladeinfrastruktur sichergestellt wird. Insbesondere erfolgt dies ohne eine weitere Regelung durch das Elektrofahrzeug, d.h., das Elektrofahrzeug sendet während des Energieflusses keinerlei Istwerte von Ladestromgrößen und/oder Aktualisierungen der Ladesteuerdaten.
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Vorteilhafterweise wird das Laden bzw. Entladen einzelner Batteriezellen auf der Seite des Elektrofahrzeugs nur durch das besagte Batteriemanagement gesteuert. Dies umfasst insbesondere, dass der Lade- bzw. Entladevorgang an sich durch die Ladeinfrastruktur gesteuert wird, da diese den Lade- bzw. Entladestrom vorgibt. Auf der Seite des Elektrofahrzeugs muss jedoch dieser besagte Strom in die einzelnen Batteriezellen (bzw. aus diesen heraus) geführt werden. Dieser Vorgang wird dann bevorzugt nur durch das Batteriemanagement gesteuert. Ggf. kann das Batteriemanagement hierfür (mittels einer entsprechend eingerichteten Messvorrichtung) zugehörige Messwerte des Stroms erheben. Bevorzugt sind dann während der Energieübertragung im Energieaustauschmodus alle elektrischen Verbraucher des Elektrofahrzeugs mit Ausnahme des Batteriemanagements und ggf. erforderlicher Umrichter im inaktiven zustand.
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Vorteilhafterweise wird somit etwa im Fall, dass der Energiefluss zwischen der Ladeinfrastruktur und der Batterie mittels eines Wechselstroms erfolgt, ein entlang der Energiestrecke angeordneter Eingangs-Gleichrichter des Elektrofahrzeugs (welcher beim Laden den ankommenden Wechselstrom vor der Batterie gleichrichtet) bzw. Ausgangs-Wechselrichter des Elektrofahrzeugs (welcher beim Entladen den aus der Batterie bezogenen Gleichstrom im Wechselstrom umwandelt) im Energieaustauschmodus nicht einen inaktiven Zustand versetzt. In diesem Fall eines Energieaustausches mittels eines Wechselstroms wird bevorzugt die Kommunikation bei einer Änderung eines Sollwertes reaktiviert, und nach Übermittlung der besagten Änderung vom Elektrofahrzeug an die Ladeinfrastruktur wieder ausgesetzt. Der Sollwert kann sich dabei während einer vorgegebenen Zeitspanne an einer minimierten Anzahl an Zeitpunkten ändern.
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Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn im Elektrofahrzeug ein Abbruchkriterium einer Kommunikationspause überprüft wird, und bei Erfüllung des Abbruchkriteriums die Kommunikation mit der Ladeinfrastruktur wieder aufgenommen wird. Als Abbruchkriterium kann hierbei insbesondere ein Einhalten von Ist- und/oder Grenzwerten für einen Strom, eine Leistung und/oder eine Energiemenge überprüft werden, vorzugsweise mittels des Batteriemanagements. Wird der betreffende Grenz- bzw. Istwert überschritten, so wird die Kommunikation mit der Ladeinfrastruktur wieder aufgenommen (also die Kommunikationspause beendet), um bevorzugt Ladesteuerdaten (ggf. aktualisierte) zu übertragen und hierdurch die Grenz- bzw. Istwerte wieder an zugehörige Sollwerte heranzuführen, oder auch, um ggf. den Ladenvorgang zu beenden.
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Soll die wieder aufgenommene Kommunikation dazu genutzt werden, um vom Elektrofahrzeug (ggf. aktualisierte) Ladesteuerdaten an die Ladeinfrastruktur zu übertragen, und anschließend den Lade- bzw. Entladevorgang fortzusetzen, kann die Energiestecke vorübergehend für die Zeit der Kommunikation deaktiviert werden, und bei einer Wiederaufnahme der Energieübertragung die Kommunikation erneut ausgesetzt werden. Insbesondere kann hierbei auch ein zyklisches Wiederholen von Kommunikationspausen mit aktiver Energiestrecke (und Energieübertragung) und kurzen Kommunikationsfenstern (ggf. mit ausgesetzter Energieübertragung) erfolgen.
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Günstigerweise umfassen die Ladesteuerdaten einen Istwert und/oder einen Sollwert und/oder einen Grenzwert für wenigstens eine der folgenden elektrischen Größen: Energiemenge, Leistung, Spannung, Strom. Vor dem Wechsel in den Energieaustauschmodus werden zwischen Elektrofahrzeug und Ladeinfrastruktur Ladesteuerdaten der genannten Art vom Elektrofahrzeug an die Ladeinfrastruktur übermittelt. Auf Basis von für die Batterie und/oder für das Elektrofahrzeug ermittelten Istwerten, z.B. insbesondere eines Ladezustands der Batterie oder eines maximalen Ladestroms und von Sollwerten, welche sich z.B. aus Vorgaben durch einen Fahrer des Elektrofahrzeugs (als Kunden der Ladeinfrastruktur) oder durch technische Grenzwerte ergeben können, wird dann der Energiefluss durch die Ladeinfrastruktur eingestellt, während durch das Elektrofahrzeug keine weiteren Ladesteuerdaten oder sonstigen Daten mehr übertragen werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einem Blockschaltbild ein Elektrofahrzeug, welches mit einer Ladestation verbunden ist,
- 2 in einem Blockdiagramm den Ablauf eines Verfahrens zum Laden des Elektrofahrzeugs an der Ladestation nach 1, und
- 3. in einem Blockschaltbild eine alternative Ausgestaltung zum in 1 dargestellten Elektrofahrzeug.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind schematisch in einem Blockschaltbild ein Elektrofahrzeug 1 und eine Ladeinfrastruktur 2 dargestellt. Das Elektrofahrzeug 1kann dabei gegeben sein durch ein rein batteriebetriebenes Kfz ohne Verbrennungsmotor für einen Hybrid-Betrieb, oder auch durch ein sog. Plug-in-Hybrid, welches neben einem Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor mit einer von außen aufladbaren Batterie aufweist. Das Elektrofahrzeug 1 weist dabei als Energiequelle eine Batterie 4 auf. Der Batterie 4 ist ein Batteriemanagement 6 zugeordnet, welches insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Energiefluss in die Batterie 4 beim Laden sowie aus der Batterie 4 heraus beim Entladen (z.B. im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs 1) zu steuern, und dabei u.a. auch eine gleichmäßige Beladung bzw. Belastung der einzelnen Zellen (nicht dargestellt) der Batterie 4 sicherzustellen. Das Batteriemanagement 6 ist hierfür insbesondere mit der Batterie 4 zum Austausch entsprechender Steuerwerte datentechnisch verbunden, und bezieht bevorzugt auch seine Betriebsenergie aus der Batterie 4 (über entsprechende, nicht dargestellte Leiter bzw. Kontakte).
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Die Ladeinfrastruktur 2 ist vorliegend gegeben durch eine dedizierte Ladestation 8, welche bspw. an einem öffentlichen Parkplatz oder einem überirdischen Firmenstellplatz o.ä. angeordnet sein kann. Alternativ dazu kann die Ladeinfrastruktur auch durch eine Installation (nicht dargestellt) an einem Privathaushalt gegeben sein.
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Das Elektrofahrzeug 1 ist mit der Ladestation 8 über ein aus dieser führendes Ladekabel 10 verbunden, wobei für die Verbindung ein am Ende des Ladekabels 10 angeordneter Ladestecker 12 in einen als Steckdose 14 ausgebildeten Anschlusspunkt 13 des Elektrofahrzeugs 1 gesteckt ist. Der Ladestecker 12 und die Steckdose 14 können dabei nach einem bestehenden Standard für Elektrofahrzeuge ausgestaltet sein, z.B. CCS („Combined Charging System“) oder auch Chademo bzw. einem vergleichbaren Standard. Im vorliegenden Fall sind durch das Ladekabel 10 eine als Stromleitung 16 ausgebildete elektrische Ladeverbindung 17 und eine Datenleitung 18 geführt, welche über entsprechende, nicht näher dargestellte Kontakte im Ladestecker 12 und in der Steckdose 14 mit einer entsprechenden fahrzeugseitigen Energiestrecke 20 bzw. fahrzeugseitigen Datenleitung 22 verbunden sind, die jeweils in den Kabelbaum (nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 1 integriert sind. Die Stromleitung 16 und die Datenleitung 18 sind in der Ladestation 8 mit einer Leistungsquelle bzw. einem Steuerrechner (jeweils nicht dargestellt) verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ladestation für eine Energieübertragung zur bzw. von der Batterie 4 eingerichtet, welche hier mittels Gleichstrom (DC) erfolgt. Entsprechend weisen die Stromleitung 16 und die fahrzeugseitige Energiestrecke 20 jeweils einen Leiter für das positive Potential E+ und einen Leiter für das negative Potential E- auf (jeweils nicht dargestellt).
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Die fahrzeugseitige Datenleitung 22 ist verbunden mit einer zentralen Steuereinheit 24 des Elektrofahrzeugs, welche dazu eingerichtet ist, sämtliche grundlegenden Funktionen des Elektrofahrzeugs (Antrieb der einzelnen Radmotoren, Bordelektronik, Beleuchtung, Temperaturregelung, etc.) anzusteuern, und vorliegend gegeben ist durch einen Fahrzeugserver. Im Fall, dass das Elektrofahrzeug keinen Fahrzeugserver aufweist, durch welchen alle grundlegenden Funktionen ansteuerbar sind, sondern für unterschiedliche Funktionen einzelne, voneinander physikalisch getrennte Steuereinheiten vorgesehen und eingerichtet sind, ist die zentrale Steuereinheit insbesondere gegeben durch diejenige Steuereinheit, welche eine Leistungsabgabe aus der Batterie 4 für den Fahrbetrieb und eine Leistungsaufnahme beim Laden regelt. Die zentrale Steuereinheit 24 ist datentechnisch mit dem Batteriemanagement 6 verbunden.
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Die fahrzeugseitige Energiestrecke 20 ist über das Batteriemanagement 6 mit der Batterie 4 verbunden, und weist zudem einen Schalter 26 auf, durch welchen die Verbindung zum Ladekabel 10 auch bei in die Steckdose 14 eingestecktem Stecker 12 unterbrochen werden kann.
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Soll nun die Batterie 4 durch die Ladestation 8 geladen werden, oder soll für einen V2G-Betrieb Energie der Batterie 4 über die Ladestation 8 in das angeschlossene Stromnetz (nicht dargestellt) eingespeist werden, so wird zunächst zwischen der zentralen Steuereinheit 24 und der Ladestation 8 über die Datenleitung 18 und die fahrzeugseitige Datenleitung 22 eine erste Datenverbindung 27 aufgebaut, um die Energieübertragung zwischen der Batterie 4 und der Ladestation 8 vorzubereiten. Die erste Datenverbindung 27 kann dabei aufgebaut werden gemäß einem Protokoll wie z.B. PLC, CP oder CAN. In einer in 1 nicht dargestellten Alternative kann die erste Datenverbindung 27 auch über WLAN oder eine Funkverbindung aufgebaut werden. Für die erste Datenverbindung 27 kann die zentrale Steuereinheit 24 ein zusätzliches Communication Gateway (nicht dargestellt) umfassen; falls die zentrale Steuereinheit keine derartige dedizierte Kommunikationsinfrastruktur beinhaltet, wird die erste Datenverbindung 27 von der Ladestation 8 zur zentralen Steuereinheit 24 über ein zusätzliches, mit letzterer verbundenes Gateway aufgebaut.
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Beispielhaft wird anhand eines Blockdiagramms in 2 der Ablauf eines solchen Ladevorgangs des Elektrofahrzeugs nach 1 beschrieben. Der Ablauf eines Entladevorgangs verläuft, mutatis mutandis, analog hierzu. In einem ersten Schritt S1 wird zwischen der zentralen Steuereinheit 24 (hier nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 1 und der Ladestation 8 über die kabel- und die fahrzeugseitige Datenleitung 18, 22 die erste Datenverbindung 27 aufgebaut.
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Weiter wird mittels des Ladekabels 10 eine elektrische Ladeverbindung 17 zwischen dem Anschlusspunkt 13 (hier nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 1 und der Ladestation 8 aufgebaut. In einem Schritt S2 wird anschließend zwischen dem Elektrofahrzeug 1 und der Ladestation 8 als Lademodus (nicht dargestellt) ein durch die Ladestation 8 gesteuertes Laden vereinbart, und hierfür vom Batteriemanagement 6 des Elektrofahrzeugs 1 über die erste Datenverbindung 27 Ladesteuerdaten 40 an die Ladestation 8 übertragen. Die Ladestation 8 kann dem Elektrofahrzeug 1 (insbesondere seiner zentralen Steuereinheit (24) über die erste Datenverbindung 27 den Empfang der Ladesteuerdaten 40 bestätigen. Die Ladesteuerdaten 40 können dabei z.B. gegeben sein durch Soll-, Ist- und/oder Grenzwerte für elektrische Größen wie Strom, Spannung, Energiemenge und/oder Leistung. So werden bevorzugt Sollwerte für einen Ladestrom, z.B. für ein effizientes Laden, und/oder für eine Energiemenge, z.B. durch Kundenvorgabe) und/oder Grenzwerte für Leistung, Spannung und/oder Strom, z.B. aus Sicherheitsgründen, vom Elektrofahrzeug 1 an die Ladestation 8 übermittelt.
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Mittels der ersten Verbindung 27, insbesondere nach Übermitteln der Ladesteuerdaten 40, wird das Elektrofahrzeug 1 in einem dritten Schritt S3 einen Energieaustauschmodus 36 versetzt, d.h., anhand des Austausches der für die Energieübertragung relevanten und insbesondere vorbereitenden Informationen wie z.B. Bereitschaft und Freigaben etc., wird das Elektrofahrzeug 1 in den Energieaustauschmodus 36 versetzt und dabei insbesondere die Energiestrecke 20 zugeschaltet (also die zum Laden im Elektrofahrzeug 1 angeordneten und vorgesehenen Stromkreise sowie der Schalter 26 geschlossen).
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In Schritt S4 wird nun im Energieaustauschmodus 36 zunächst die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug 1 und der Ladestation 8 ausgesetzt (symbolisiert in 2 mittels der durchgestrichenen Linie der ersten Datenverbindung 27, auch wenn das Aussetzen sämtliche Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug 1 und der Ladestation 8 betrifft, also auch solche, die ggf. über eine andere als die erste Datenverbindung 27 läuft). Weiter werden sämtliche elektrischen Verbraucher 30 des Elektrofahrzeugs 1 mit Ausnahme des Batteriemanagements 6, also insbesondere die zentrale Steuereinheit 24 und etwaige weitere Steuereinheiten bzw. - geräte sowie ggf. sonstige Verbraucher, in einen inaktiven Zustand 38 versetzt (z.B. einen Standby-Modus, einen Sleep-Modus, einen ausgeschalteten Zustand oder einen gänzlich spannungsfreien Zustand o.ä.). Weiter wird in Schritt S4 anhand der in Schritt S3 übertragenen Ladesteuerdaten 40 mittels Gleichstrom ein Energiefluss 42 von der Ladestation 8 in die Batterie 4 geführt, um diese zu laden. Durch das Aussetzen der Kommunikation und das Deaktivieren (inaktiver Zustand 38) aller elektrischen Verbraucher 30 kann der so dargestellte Ladevorgang besonders energieeffizient durchgeführt werden, da energetische Betriebsverluste durch das Elektrofahrzeug 1 in größtmöglichem Umfang vermieden werden.
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In 3 ist in einem Blockschaltbild eine alternative Ausgestaltung des Elektrofahrzeugs 1 nach 1 dargestellt. Das Elektrofahrzeug 1 nach 3 ist dazu eingerichtet, durch die Ladestation 8 mit Wechselstrom geladen zu werden, welcher dem Elektrofahrzeug 1 über die elektrische Ladeverbindung 17 zugeführt wird, und weist demnach entlang der Energiestrecke 20 zudem einen Gleichrichter 50 auf, sodass ein Ladestrom (Wechselstrom) die Batterie 4 als Gleichstrom laden kann. Die Abläufe der Ladekommunikation und -steuerung verlaufen ansonsten im Wesentlichen gemäß der Darstellung nach 2. Bei einer Änderung eines Sollwertes kann eine Kommunikation vom Elektrofahrzeug 1 zur Ladestation 8 zur Übermittlung des besagten Sollwertes wiederaufgenommen werden, um anschließend unmittelbar wieder ausgesetzt zu werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt; andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrofahrzeug
- 2
- Ladeinfrastruktur
- 4
- Batterie
- 6
- Batteriemanagement
- 8
- Ladestation
- 10
- Ladekabel
- 12
- Ladestecker
- 13
- Anschlusspunkt
- 14
- Steckdose
- 16
- Stromleitung (des Ladekabels)
- 17
- elektrische Ladeverbindung
- 18
- Datenleitung (des Ladekabels)
- 20
- (fahrzeugseitige) Energiestrecke
- 22
- fahrzeugseitige Datenleitung
- 24
- zentrale Steuereinheit
- 26
- Schalter
- 27
- erste Datenverbindung
- 30
- elektrische Verbraucher
- 36
- Energieaustauschmodus
- 38
- inaktiver Zustand
- 40
- Ladesteuerdaten
- 42
- Energiefluss
- S1 - S4
- Verfahrensschritte