Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden von Elektrofahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit der zunehmenden Durchsetzung von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen im weltweiten Kraftfahrzeugmarkt steigen auch die technischen Anforderungen an die Betrei ber von Stromversorgungsnetzen und insbesondere von öffentlichen oder privaten Ladesta tionen. Stromversorgungsnetze bzw. Elektrizitätsversorgungsnetze sind empfindliche Ge bilde, die der Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie dienen und dabei Kraft werke und andere Energieumwandler miteinander verbinden. Durch exakte Überwachung von Angebot und Nachfrage wird versucht, Netzverluste zu verringern, wobei die Netzfre quenz von 50 Hz in Europa bei einer Netzspannung von 230 V eingehalten wird.

Um bei den begrenzten Ressourcen der Energieversorgungsunternehmen ein effizientes Lastmanagement zu ermöglichen, verlangen immer mehr Energieversorgungsunternehmen die Möglichkeit, Ladestationen von Elektrofahrzeugen oder sogar einzelne für Elektrofahr zeuge dedizierte Steckdosen vom Stromversorgungsnetz abzukoppeln. Dieser Vorgang wird auch als Lastabwurf bezeichnet.

Eine Möglichkeit des Ab- und Anschaltens von bestimmten elektrischen Verbrauchern wie z. B. elektrische Boileranlagen oder Fotovoltaikanlagen stellt die sogenannte Rundsteuer technik dar, bei der es sich um eine Fernsteuerung über das vorhandene Stromversor gungsnetz handelt. Dabei werden Steuersignale über das Stromnetz ausschließlich von einem zentralen Rundsteuersender an dezentrale Rundsteuerempfänger übermittelt. Die Übertragung der Steuerbefehle erfolgt durch Impulsfolgen im Niederfrequenzbereich, die der normalen Netzspannung mit einer vorbestimmten Amplitude überlagert werden, wobei durch das Senden von bestimmten Codes ein Impulstelegramm entsteht.

Ein solches abruptes Abschalten mittels der oben genannten Rundsteuertechnik von La destationen und oder Steckdosen unter Volllast würde bei den relativ hohen Strömen, die zum Laden von Elektrofahrzeugen erforderlich sind, zu gefährlichen Lichtbögen in den me chanischen Schaltelementen und folglich möglicherweise zu Beschädigungen der Leiter- kontakte oder anderen Bauteilen in den Ladestationen oder gar in den Elektrofahrzeugen selbst führen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Laden von Elektrofahrzeugen bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet und einen möglichst beschädigungsfreien, kontrollierten und im Wesentlichen risikolosen Lastabwurf und ein optimiertes Lastmanagement beim Laden von Elektrofahr zeugen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Laden von Elektrofahrzeugen bereitgestellt, die einen Anschluss an ein Stromversorgungsnetz, mindestens einen Ladeanschluss für mindestens ein Elektrofahrzeug, eine zentrale Verarbeitungseinheit, eine Empfängereinrich tung, die als Rundsteuerempfänger ausgebildet und dazu eingerichtet ist, ein niederfre quentes Rundsteuersignal eines Rundsteuersenders in einem Stromversorgungsnetz (6) zu empfangen, und ein Relaiselement aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal der Empfängereinrichtung zu verarbeiten und an die zentrale Verarbeitungseinheit weiterzuge ben, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein wahlweises Reduzie ren des Ladestroms eines an dem mindestens einen Ladeanschluss angeschlossenen Elektrofahrzeugs innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer zu bewirken. Damit ist ein be sonders schonendes, kontrolliertes, lastfreies und damit optimiertes Abschalten bzw. vom Netz Nehmen der zu ladenden Elektrofahrzeuge möglich. Durch das Verzichten auf das abrupte Abwerfen kann den Elektrofahrzeugen speziell und schonend signalisiert werden, dass sie nun interne Maßnahmen, die mit dem Reduzieren bzw. Abschalten des Lade stroms einhergehen, einleiten können. Des Weiteren können durch den Einsatz von be währten Signalisierungstechnologien Kosten reduziert werden. Eine besondere Installation von zusätzlichen Kommunikationsgeräten ist damit nicht erforderlich.

Vorteilhafterweise erfolgt das Reduzieren des Ladestroms für jedes an dem mindestens einen Ladeanschluss angeschlossene Elektrofahrzeug unterschiedlich. Damit wird ein kas kadenartiges Herunterfahren der Ladestationen ermöglicht, was die Gefahr von Beschädi gungen weiter reduziert. Dabei kann im Rahmen eines optimierten Lastmanagements ins- besondere auf die unterschiedlichen vorhandenen Ladeströme Rücksicht genommen wer den.

Mit besonderem Vorteil ist das Relaiselement ein Halbleiterrelais. Halbleiterrelais (solid- state relays; SSR) haben gegenüber elektromechanischen Relais (EMRs) den Vorteil, dass sie kleiner sind, wodurch sich eine deutliche Platzeinsparung aufgedruckten Leiterplatten ergibt, dass sie aufgrund der fehlenden beweglichen Bauteile eine bessere Systemzuver lässigkeit aufweisen, dass sie keine Anforderungen an die Ansteuerelektronik stellen und prellfrei schalten und insbesondere dass sie geringere Ausgangsspannungen aufweisen. Denn beispielsweise können mit elektromechanischen Relais zuverlässig nur Spannungen von größer als 10 V geschaltet werden.

Mit weiterem Vorteil ist die zentrale Verarbeitungseinheit ein Mikrocontroller. Derartige Bauelemente sind flexibel programmierbar, gut verfügbar und günstig.

Bevorzugt stellt die Empfängereinrichtung einen potentialfreien Kontakt bereit, der eindeutig eine positive oder negative Signalisierung angibt, d.h. ob ja oder nein, ob 0 oder 1. Die Empfängereinrichtung kann weiterhin ein Rundsteuerempfänger sein, der zusätzlich dazu eingerichtet ist, ein kabelgebundenes Steuersignal über ein Leitungsnetz gemäß einer Trä gerfrequenztechnik wie Powerline Communication (PLC) zu empfangen, oder der zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet sein, ein kabelloses Steuersignal über ein Funknetz zu empfangen. Das Steuersignal kann beispielsweise ein niederfrequentes Rundsteuersignal im Frequenzbereich von 110 Hz bis etwa 2000 Hz im Stromversorgungsnetz sein. In die sem Frequenzbereich existiert eine Vielzahl von vorbestimmten Impulsfolgen, die bei spielsweise in entsprechenden Bibliotheken vorhanden und bei den meisten Energiever sorgungsunternehmen verfügbar sind.

Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Ausgangssignal des Relaiselements eine Spannung von 3,5 V nicht überschreitet. Für die Ansteuerung von Halbleiterbauelementen wie dem bevor zugten Mikrocontroller mit den üblichen Steuerspannungen von 3 V ist deshalb kein weite res Bauelement notwendig, wodurch die Kosten für die Vorrichtung niedrig gehalten werden können. Mit Vorteil ist die zentrale Verarbeitungseinheit räumlich getrennt von dem mindestens ei nen Ladeanschluss ausgebildet und/oder ist der mindestens eine Ladeanschluss als Wall box ausgebildet. Damit muss nicht jede einzelne Ladestation bzw. jede einzelne Aufladedo se eine eigene zentrale Verarbeitungseinheit aufweisen, sondern es reicht pro Gebäude eine zentrale Verarbeitungseinheit aus, die für das Strommanagement sämtlicher ange schlossener Energieverbraucher und Energieerzeuger verantwortlich ist. Ein anschauliches Beispiel dafür ist eine Park- oder Tiefgarage mit einer Mehrzahl von Ladestationen für ent sprechend viele Elektrofahrzeuge als Energieverbraucher und optional einer auf dem Dach vorhandenen Fotovoltaikanlage.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den Ladestrom an jedem Ladean schluss innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer geordnet auf Null zu reduzieren. Das voll ständige Reduzieren entspricht einem kontrollierten Lastabwurf, es ist allerdings auch mög lich, den Ladestrom je nach Anforderung des Lastmanagements auf einen vorbestimmten Restladestrom herunter zu regeln. Mit der vollständigen Reduktion des Ladestroms auf Null ist ein schonendes, lastfreies Abschalten der Elektrofahrzeuge vom Stromversorgungsnetz möglich. Eine Beschädigung der beteiligten Kontakt- und Schaltelemente ist damit weitge hend ausgeschlossen.

Die Aufgabe des Lastmanagements kann von der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbe sondere dann übernommen werden, wenn die zentrale Verarbeitungseinheit dazu einge richtet ist, weitere Energieverbraucher und/oder Energieerzeuger zu steuern. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, beispielsweise Boileranlagen oder Fotovoltaik anlagen kontrolliert herunter zu regeln oder auch vom Stromnetz zu nehmen.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den bei gefügten Figuren von Ausführungsbeispielen, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 einen detaillierten Ausschnitt der Darstellung nach Fig. 1 zeigt. Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden von Elektrofahr zeugen in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine zentrale Verarbeitungseinheit 3, die in der dargestellten Ausführungsform als Mikrocontroller ausgebildet ist, eine Empfängereinrichtung, die als Rundsteuerempfänger 4 ausgebildet ist, und ein hier als Halbleiterrelais ausgebildetes Relaiselement 5 angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Mehrzahl von Ladeanschlüssen 7 (hier drei Ladeanschlüsse), die außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sind. In der hier darge stellten Ausführungsform sind die Ladeanschlüsse 7 als Wallboxen ausgebildet, die über Typ-2-Stecker 9 jeweils zum Anschluss einen ein Elektrofahrzeug 10 verfügen. Es versteht sich, dass die Ladeanschlüsse 7 auch innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein können. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn sich die erfindungsgemäße Vorrichtung als Einzelinstallation mit einem Ladeanschluss für nur ein Elektrofahrzeug in der Garage eines Einfamilienhauses befindet. Die hier dargestellte Ausführungsform orientiert sich je doch an dem Beispiel einer Park- oder Tiefgarage, die eine Ladestation mit einer großen Mehrzahl von Ladeanschlüssen 7 zum Aufladen einer entsprechenden Anzahl von Elektro fahrzeugen 10 aufweist.

Der Rundsteuerempfänger 4 ist mit dem Stromversorgungsnetz 6 eines Energieversor gungsunternehmens verbunden, das einen (nicht dargestellten) Rundsteuersender auf weist, der zur Steuerung des Stromversorgungsnetzes 6 ein niederfrequentes Rundsteuer signal aussendet. Der Rundsteuerempfänger 4 leitet die Steuerinformationen des Rundsteuersenders durch Filterung des als Impulstelegramm geschickten Rundsteuersig nals ab und gibt ein Steuersignal aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Empfängereinrich tung auch eine Trägerfrequenzeinrichtung sein, die beispielsweise ein PLC-Signal über das Stromnetz empfängt und ein Steuersignal an einem potentialfreien Kontakt ausgibt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Empfängereinrichtung das Signal von außen über ein Funknetz empfängt wie z.B. 4G, LTE, 5G, WLAN oder dergleichen.

Zwischen Empfängereinrichtung 4 und zentraler Verarbeitungseinheit 3 ist das Relaisele ment 5 angeordnet, das in der hier dargestellten Ausführungsform als Halbleiterrelais aus gebildet ist. Das Relaiselement 5 verarbeitet das von der Empfängereinrichtung 4 ausgege bene Steuersignal und signalisiert wiederum so der zentralen Verarbeitungseinheit 3, dass der Ladestrom für die an den entsprechenden Ladeanschlüssen 7 angeschlossenen Elekt rofahrzeuge 10 zu reduzieren ist. Das Steuersignal aus der Empfängereinrichtung 4 kann unterschiedliche Impulsfolgen bzw. Codes enthalten, nicht nur den Code für den sofortigen Lastabwurf, also das Herunterfahren bzw. Abschalten aller Ladevorgänge, sondern bei spielsweise für das Reduzieren oder Erhöhen der beziehbaren Leistung auf einen bestimm ten Wert. Dazu kann in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Rundsteu ersender aus dem Stromversorgungsnetz 6 unterschiedliche Signale auf verschiedenen Frequenzen aussenden, die in einer entsprechenden Bibliothek definiert sind und die ent sprechend nach Filterung durch den Rundsteuerempfänger 4 als Impulsfolgen in dem Re laiselement 5 ausgewertet und in geeigneter Weise an die zentrale Verarbeitungseinheit weitergeleitet werden.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist beispielhaft der Anwendungsfall beschrie ben, bei dem der Rundsteuersender das Signal zum sofortigen Lastabwurf aller ange schlossenen Verbraucher aussendet. Dies wird über den potentialfreien Kontakt am Aus gang des Rundsteuerempfängers ausgegeben, d. h. dass entweder das volle Versorgungs signal anliegt und damit das normale Laden angezeigt ist, oder dass kein Signal anliegt und damit angezeigt ist, dass das Laden nicht (mehr) erlaubt ist und entsprechend alle Ladean schlüsse auf Null reduziert werden sollen.

In der als Mikrocontroller ausgebildeten zentralen Verarbeitungseinheit 3 erfolgt die Verar beitung des beispielhaften Signals für den sofortigen Lastabwurf derart, dass nun die Aus gänge bzw. Leitungen 8 zu den Ladeanschlüssen 7 mit entsprechenden Signalen belegt werden, so dass jeder Ladestrom pro Ladeanschluss 7 innerhalb einer bestimmten Zeit dauer, z. B. 10 Sekunden, bis auf Null reduziert wird. Damit ist ein kontrollierter Lastabwurf gewährleistet, weil in den Wallboxen 7 bzw. Ladesteckern keine Lichtbögen an den mecha nischen Schaltern oder Kontakten entstehen und somit Schäden an den Bauelementen vermieden werden.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung aus Fig. 1 , wobei der Rundsteuerempfänger 4, das Relaiselement 5 sowie der Anschluss an die zentrale Verarbeitungseinheit 3 ausführli cher abgebildet sind. Der Rundsteuerempfänger 4 fungiert als eine Art Schalter, der die Impulsfolge des Rundsteuersignals an seinen potentialfreien Ausgängen ausgibt, im vorlie genden Fall also volles Signal oder Null. A1 und A2 sind Eingänge des Halbleiterrelais 5, das in der hier dargestellten Ausführungsform ein Produkt der Fa. Omron mit der Bezeich nung G3RV-SR500-D AC230 ist. Die Kennung D AC230 in der Produktbezeichnung zeigt an, dass es sich um einen Gleichstromausgang (DC Output) bei einer Eingangswechsel spannung von bis 230 V handelt. Am Relaiskontakt A1 liegt folglich das volle 230 V- Wechselstromsignal des Rundsteuerempfängers 4 an, auf den Eingang A2 ist der Neutral leiter geschaltet.

Innerhalb des Relaiselements 5 sind elektronische Bauelemente dargestellt, wobei die hier abgebildeten nur eine symbolische Auswahl bilden. In Fig. 2 sind lediglich die hier wesentli chen Ausgänge 13 und 14 des Halbleiterrelais 5 gezeigt, die mit dem durch PI N_1 und PIN_2 repräsentierten Logikeingang des Mikrocontrollers bzw. der zentralen Verarbei tungseinheit verbunden sind. Damit ergibt sich folgende Schaltlogik für den beispielhaften Lastabwurf:

Diese 0/1 -Entscheidung für den Lastabwurf kann auch mit einer anderen Programmierung in der zentralen Verarbeitungseinheit 3 umgesetzt werden, d. h. die Erfindung ist nicht auf das hier dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann mehr als ein Logikeingang des Mikrocontrollers beschältet werden. So können andere Signalfolgen als Ausgangssignal der Empfängereinrichtung 4 über das Relaiselement 5 in die zentrale Ver arbeitungseinheit 3 gelangen und dort verarbeitet werden, z. B. eine Lasthalbierung, ein Neustart, ein gleichmäßiges Hochfahren von Ladeströmen mit jeweils unterschiedlichen Zeitdauern oder dergleichen mehr.

Alternativ zu dem in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Halbleiterrelais 5 der Fa. Omron können auch andere gleichartige Halbleiterbauelemente verwendet werden, um die Signale der Empfängereinrichtung 4 auszuwerten und entsprechende Steuersignale an die zentrale Verarbeitungseinheit 3 weiterzuleiten.

Die Ladeanschlüsse 7, die in der hier dargestellten Ausführungsform über die Leitungen 8 mit der zentralen Verarbeitungseinheit 3 verbunden sind, werden von dieser derart ange steuert, dass sie den Ladestrom für die angehängten Elektrofahrzeuge 10 für ca. zehn Se kunden geordnet auf Null herunter regeln und die Relaiskontakte der drei Phasen und des Nullleiters nachfolgend öffnen. Dadurch wird das Entstehen eines Lichtbogens wie beim abrupten Abschalten z. B. durch einen Schütz vermieden. Die mechanischen Kontakte der Ladeanschlüsse 7 oder der verbundenen Elektrofahrzeuge nehmen damit keinen Schaden. Mit dem Gegenstand der Erfindung wurde eine Vorrichtung zum Laden von Elektrofahrzeu gen bereitgestellt, die einen beschädigungsfreien, kontrollierten und im Wesentlichen risiko losen Lastabwurf und damit ein optimiertes Lastmanagement beim Laden von Elektrofahr zeugen ermöglicht.