DE102019120916A1 - DC charging station for electrically powered vehicles - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen enthaltende Gleichstrom-Ladestation und ein Verfahren zum Betreiben der Ladestation.The invention relates to a direct current charging station containing fuel cells and to a method for operating the charging station.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen enthaltende Gleichstrom-Ladestation für Elektrofahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben der Ladestation.The invention relates to a direct current charging station containing fuel cells for electric vehicles and a method for operating the charging station.

Die meisten heute installierten Ladestationen für Elektrofahrzeuge sind für Wechselstrom laden ausgelegt. Gleichstrom-Ladestationen bieten jedoch höhere Ladeleistungen, was die Ladezeiten erheblich verkürzt. Für CHAdeMO und CCS sind dort derzeit Ladeleistungen von bis zu 50 kW üblich. Seit März 2018 werden auch Ladeleistungen von bis zu 350 kW angeboten. Die Tesla Supercharger bieten meist Ladeleistungen von 135 kW an. Beim Gleichstromladen wird Gleichstrom über ein leistungsstarkes Ladegerät in der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist. Im Fahrzeug befindet sich nur ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladesäule kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei vollem Akku abzuschalten. Die Leistungselektronik befindet sich in der Ladesäule. Die elektrische Energie der Ladestation wird entweder durch das Stromnetz oder von großen Pufferakkus an Solartankstellen bereitgestellt. Es wurde bereits vorgeschlagen, in Ladestationen für Elektrofahrzeuge als Energiequelle Brennstoffzellensysteme einzusetzen.Most of the charging stations for electric vehicles installed today are designed for AC charging. However, DC charging stations offer higher charging capacities, which significantly shortens charging times. For CHAdeMO and CCS, charging capacities of up to 50 kW are currently common. Charging capacities of up to 350 kW have also been offered since March 2018. The Tesla Superchargers usually offer charging capacities of 135 kW. With direct current charging, direct current is fed directly into the vehicle via a powerful charger in the charging station. There is only one battery management system in the vehicle that communicates with the charging station in order to adjust the current strength or to switch it off when the battery is full. The power electronics are located in the charging station. The electrical energy of the charging station is provided either by the power grid or by large buffer batteries at solar filling stations. It has already been proposed to use fuel cell systems as an energy source in charging stations for electric vehicles.

Aus der US 2017 / 203 659 A1 ist ein Brennstoffzellengeneratorsystem zum Laden eines Elektrofahrzeugs bekannt, das ein Brennstoffzellensystem, einen DC/DC-Wandler und einen Router umfasst. Das Brennstoffzellensystem erzeugt ein Gleichstromsignal, das von dem DC/DC-Wandler auf das Spannungsniveau der Batterie eines Elektrofahrzeugs konvertiert wird. Der Router leitet wenigstens einen Teil des konvertierten Gleichstromsignals einer Ladestation zum Laden des Elektrofahrzeugs zu.From US 2017/203 659 A1 a fuel cell generator system for charging an electric vehicle is known, which comprises a fuel cell system, a DC / DC converter and a router. The fuel cell system generates a direct current signal that is converted by the DC / DC converter to the voltage level of the battery of an electric vehicle. The router forwards at least part of the converted direct current signal to a charging station for charging the electric vehicle.

Die US 2012 / 326 668 A1 schlägt ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs vor, das ein Brennstoffzellensystem nutzt. Mehrere Ladesysteme für Batterien von Elektrofahrzeugen werden von einem Leistungsmodul mit elektrischer Energie versorgt. Das System enthält ein Segment mit Leistungsmodulen, ein Input/Output-Modul (IOM), und ein nicht abschaltbares Leistungsmodul (UPM), wobei das IOM und das UPM mit dem Wechselstromnetz verbunden sind, und der Verbraucher an das UPM angeschlossen ist. Das System nutzt ein Brennstoffzellensystem als zusätzliche Energiequelle für das UPM.US 2012/326 668 A1 proposes a method for charging an electric vehicle that uses a fuel cell system. Several charging systems for batteries in electric vehicles are supplied with electrical energy from a power module. The system contains a segment with power modules, an input / output module (IOM), and a non-switchable power module (UPM), the IOM and the UPM being connected to the AC mains and the consumer being connected to the UPM. The system uses a fuel cell system as an additional source of energy for the UPM.

Die US 2010/231 175 A1 offenbart eine Energieversorgungsschaltung, die Energie an eine Ladesteuerschaltung liefert, die eine Sekundärbatterie eines elektronischen Geräts lädt. Die Stromversorgungsschaltung enthält eine Gleichstromversorgung, die konfiguriert ist, um eine vorbestimmte Spannung zu erzeugen und auszugeben; und einen DC-DC-Wandler, der konfiguriert ist, um die Spannung der Sekundärbatterie zu erfassen, die vorgegebene Spannung, die von der Gleichstromversorgung eingegeben wird, in eine Spannung gemäß der erfassten Spannung der Sekundärbatterie umzuwandeln und die umgewandelte Spannung an die Sekundärbatterie auszugeben. Die Gleichstromversorgung enthält ein Brennstoffzellensystem.The US 2010/231 175 A1 discloses a power supply circuit that supplies power to a charge control circuit that charges a secondary battery of an electronic device. The power supply circuit includes a DC power supply configured to generate and output a predetermined voltage; and a DC-DC converter configured to detect the voltage of the secondary battery, convert the predetermined voltage input from the DC power supply into a voltage according to the detected voltage of the secondary battery, and output the converted voltage to the secondary battery. The DC power supply includes a fuel cell system.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Hochvolt-Topologie für eine Brennstoffzellen enthaltende Gleichstrom-Ladestation für Elektrofahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben der Ladestation bzw. für das Laden von Elektrofahrzeugen mit der Ladestation bereitzustellen.The present invention has set itself the task of providing a high-voltage topology for a direct current charging station containing fuel cells for electric vehicles and a method for operating the charging station or for charging electric vehicles with the charging station.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved according to the invention by a device with the features of claim 1 and a method with the features of claim 8. Refinements and developments of the invention emerge from the dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV). Die Ladestation umfasst einen Hauptstromkreis, an den

  1. a) mindestens eine Brennstoffzelle über einen Gleichstromwandler angeschlossen ist;
  2. b) mindestens eine HV-Batterie über Schaltelemente angeschlossen ist;
  3. c) Nebenaggregate der mindestens einen Brennstoffzelle angeschlossen sind; und
  4. d) ein Hoch-/Tiefsetzsteller angeschlossen ist, der über DC-Ladeschütze mit einem Ladekabel mit CCS-Stecker verbunden ist.
The invention relates to a charging station for an electric vehicle, in particular a battery-electric vehicle (BEV). The charging station includes a main circuit to which
  1. a) at least one fuel cell is connected via a direct current converter;
  2. b) at least one HV battery is connected via switching elements;
  3. c) auxiliary units of the at least one fuel cell are connected; and
  4. d) a step-up / step-down converter is connected, which is connected to a charging cable with a CCS plug via DC charging contactors.

An den Hauptstromkreis der Ladestation sind als Energiequellen mindestens eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenstapel und mindestens eine HV-Batterie angeschlossen. Ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) am Ausgang der mindestens einen Brennstoffzelle regelt das Ausgangsspannungsniveau der mindestens einen Brennstoffzelle.At least one fuel cell or a fuel cell stack and at least one HV battery are connected as energy sources to the main circuit of the charging station. A DC voltage converter (DC / DC converter) at the output of the at least one fuel cell regulates the output voltage level of the at least one fuel cell.

Mindestens eine HV-Batterie ist über Schaltelemente an den Hauptstromkreis angeschlossen, so dass die HV-Batterie nach Bedarf mit dem Hauptstromkreis verbunden oder von diesem getrennt werden kann.At least one HV battery is connected to the main circuit via switching elements, so that the HV battery can be connected to or separated from the main circuit as required.

In einer Ausführungsform der Ladestation sind die Schaltelemente zwischen Hauptstromkreis und HV-Batterie als elektromechanische Schütze ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Schütze Gleichstromschütze.In one embodiment of the charging station, the switching elements between the main circuit and the HV battery are designed as electromechanical contactors. In a further embodiment, the contactors are direct current contactors.

In einer anderen Ausführungsform der Ladestation sind die Schaltelemente zwischen Hauptstromkreis und HV-Batterie als Halbleiterschalter ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Halbleiterschalter jeweils mindestens einen IGBT oder MOS-FET.In another embodiment of the charging station, the switching elements between the main circuit and the HV battery are designed as semiconductor switches. In a further embodiment, the semiconductor switches each comprise at least one IGBT or MOS-FET.

Die Nebenaggregate der mindestens einen Brennstoffzelle sind ebenfalls an den Hauptstromkreis angeschlossen und werden aus diesem mit elektrischer Energie versorgt. Zu den Nebenaggregaten zählen beispielsweise Pumpen und Kompressoren zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff und Oxidationsmittel und Aggregate zur Regelung der Temperatur in der mindestens einen Brennstoffzelle, z.B. Ventilatoren und Heizelemente.The auxiliary units of the at least one fuel cell are also connected to the main circuit and are supplied with electrical energy from this. The auxiliary units include, for example, pumps and compressors for supplying the fuel cell with fuel and oxidizing agent and units for regulating the temperature in the at least one fuel cell, e.g. fans and heating elements.

An den Hauptstromkreis ist ein Hoch-/Tiefsetzsteller angeschlossen, der über DC-Ladeschütze mit einem Ladekabel mit CCS-Stecker verbunden ist. Die DC-Ladeschütze sind Gleichspannungsschütze, die das Ladekabel nach Bedarf mit dem Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers und damit der Stromversorgung verbinden oder davon trennen. Der Hoch-/Tiefsetzsteller wird so angesteuert, dass ein Ladevorgang entsprechend einem vorgegebenen Ladestandard durchgeführt wird.A step-up / step-down converter is connected to the main circuit, which is connected to a charging cable with a CCS plug via DC charging contactors. The DC charging contactors are DC voltage contactors that connect or disconnect the charging cable to the output of the step-up / step-down converter and thus the power supply as required. The step-up / step-down converter is controlled in such a way that a charging process is carried out in accordance with a specified charging standard.

Die Steuereinheit des Hoch-/Tiefsetzstellers ist dafür eingerichtet, mit einem an die Ladestation angeschlossenen Elektrofahrzeug Daten auszutauschen Die Steuereinheit des Hoch-/Tiefsetzstellers kommuniziert hierfür mit dem an die Ladestation angeschlossenen Elektrofahrzeug und steuert den Hoch-/ Tiefsetzsteller entsprechend den vom Elektrofahrzeug übermittelten Parametern.The control unit of the step-up / step-down converter is set up to exchange data with an electric vehicle connected to the charging station.The control unit of the step-up / step-down converter communicates with the electric vehicle connected to the charging station and controls the step-up / step-down converter according to the parameters transmitted by the electric vehicle.

In der vorliegenden Anmeldung wird eine Hochvolt-Topologie einer Brennstoffzellen-DC-Ladestation vorgestellt. Wird der mit der Ladestation verbundene Ladestecker mit einem zu ladenden Batterie-elektrischen Fahrzeug (BEV) verbunden, startet die übliche Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation entsprechend dem jeweiligen Ladestandard.In the present application, a high-voltage topology of a fuel cell DC charging station is presented. If the charging plug connected to the charging station is connected to a battery-electric vehicle (BEV) to be charged, the usual communication between the vehicle and the charging station starts according to the respective charging standard.

Das Steuergerät des Hoch-/Tiefsetzstellers der Ladestation ist dafür eingerichtet, einen Ladevorgang einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs gemäß vom Elektrofahrzeug übermittelten Parametern entsprechend einem vorgegebenen Ladestandard durchzuführen.The control device of the step-up / step-down converter of the charging station is set up to carry out a charging process of a traction battery of the electric vehicle according to parameters transmitted by the electric vehicle in accordance with a predetermined charging standard.

Als Standard für das Schnellladen mit Gleichstrom ist in der Europäischen Union das Combined Charging System (CCS) eingeführt. Andere in Europa verbreitete Gleichstrom-Schnellladesysteme sind der aus Japan stammende CHAdeMO-Standard und das von dem Elektrofahrzeugbauer Tesla betriebene Supercharger-System.The Combined Charging System (CCS) has been introduced in the European Union as the standard for fast charging with direct current. Other DC fast charging systems widespread in Europe are the CHAdeMO standard from Japan and the supercharger system operated by the electric vehicle manufacturer Tesla.

Der Ladevorgang wird so gesteuert, dass die Traktionsbatterie eines angeschlossenen Elektrofahrzeugs gemäß einer vorgegebenen Spezifikation geladen wird. In einer Ausführungsform ist das Steuergerät dafür eingerichtet, einen Ladevorgang gemäß IEC 61851 durchzuführen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät dafür eingerichtet, einen Ladevorgang gemäß SAE J1772 und IEC 62196-2 oder IEC 62196-3 durchzuführen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät dafür eingerichtet, einen Ladevorgang gemäß GB/T 20234.3-2015 durchzuführen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät dafür eingerichtet, einen Ladevorgang gemäß dem CHAdeMO Standard (ISO/IEC 61851-23 und -24) durchzuführen.The charging process is controlled in such a way that the traction battery of a connected electric vehicle is charged according to a given specification. In one embodiment, the control device is set up to carry out a charging process in accordance with IEC 61851. In a further embodiment, the control device is set up to carry out a charging process in accordance with SAE J1772 and IEC 62196-2 or IEC 62196-3. In a further embodiment, the control device is set up to carry out a charging process in accordance with GB / T 20234.3-2015. In a further embodiment, the control device is set up to carry out a charging process in accordance with the CHAdeMO standard (ISO / IEC 61851-23 and -24).

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Ladestation. Das Verfahren umfasst das Anschließen des Ladekabels der Ladestation durch Einstecken des CCS-Steckers des Ladekabels in eine entsprechende Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs; das Verbinden der HV-Batterie mit dem Hauptstromkreis der Ladestation durch Schließen der Schaltelemente zwischen HV-Batterie und Hauptstromkreis; das Starten der mindestens einen Brennstoffzelle; das Schließen der Ladeschütze der Ladestation und entsprechender Ladeschütze im angeschlossenen Elektrofahrzeug; die Durchführung des Ladevorgangs entsprechend gewähltem Ladestandard und gemäß den Anforderungen des angeschlossenen Elektrofahrzeugs, das Öffnen der Ladeschütze im Elektrofahrzeug und in der Ladestation, das Abschalten der mindestens einen Brennstoffzelle, das Trennen der HV-Batterie vom Hauptstromkreis der Ladestation durch Öffnen der Schaltelemente zwischen HV-Batterie und Hauptstromkreis, und Ausstecken des CCS-Steckers des Ladekabels der Ladestation aus der Ladebuchse des Elektrofahrzeugs.The invention also relates to a method for charging a traction battery of an electric vehicle with the charging station according to the invention. The method comprises connecting the charging cable of the charging station by inserting the CCS plug of the charging cable into a corresponding charging socket of an electric vehicle; connecting the HV battery to the main circuit of the charging station by closing the switching elements between the HV battery and the main circuit; starting the at least one fuel cell; closing the charging contactors of the charging station and the corresponding charging contactors in the connected electric vehicle; carrying out the charging process according to the selected charging standard and according to the requirements of the connected electric vehicle, opening the charging contactors in the electric vehicle and in the charging station, switching off the at least one fuel cell, disconnecting the HV battery from the main circuit of the charging station by opening the switching elements between HV Battery and main circuit, and unplugging the CCS plug of the charging cable of the charging station from the charging socket of the electric vehicle.

Nach dem Zuschalten der HV-Batterie innerhalb der Ladestation über das Schließen der dargestellten Schaltelemente erfolgt der Start des Brennstoffzellen-Systems. Dabei werden die Nebenaggregate und der DC/DC-Wandler der mindestens einen Brennstoffzelle aktiviert.After the HV battery has been switched on within the charging station by closing the switching elements shown, the fuel cell system is started. The ancillary units and the DC / DC converter of the at least one fuel cell are activated.

In einer Ausführungsform erfolgt nach Aktivieren des Hoch-/Tiefsetzstellers und Schließen der DC-Ladeschütze innerhalb der Ladestation zunächst eine Überprüfung der Ladeverbindung, ein sogenannter „Cable-Check“, durch Hochrampen der Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers bei gleichzeitiger Stromüberwachung. Nach erfolgreichem „Cable-Check“ wird die Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers wieder abgebaut.In one embodiment, after activating the step-up / step-down converter and closing the DC charging contactors within the charging station, the charging connection is first checked, a so-called “cable check”, by ramping up the output voltage of the step-up / step-down converter with simultaneous current monitoring. After a successful cable check, the output voltage of the step-up / step-down converter is reduced again.

Vor Beginn des Ladevorgangs wird die Ausgangsspannung des Hoch-/ Tiefsetzstellers auf den durch das Fahrzeug angeforderten Spannungswert eingestellt. Der Ladevorgang beginnt nach Zuschalten der DC-Ladeschütze im angeschlossenen Elektrofahrzeug. Während des Ladevorgangs wird der Ladestrom durch den Hoch-/Tiefsetzsteller auf einen gewünschten Wert erhöht bei gleichzeitigem Betrieb des Brennstoffzellen-Systems im optimalen Arbeitspunkt (Betriebspunkt BZ, DC/DC-Wandler und BZ Nebenaggregate). Der Ladevorgang wird entsprechend gewähltem Ladestandard und gemäß den Anforderungen des angeschlossenen Elektrofahrzeugs (Strom und Spannung) durchgeführt. Nach Abschluss des Ladevorgangs wird der Ladebetrieb beendet durch Herunterfahren der Ladeleistung am Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers und Öffnen der DC-Ladeschütze im Fahrzeug und in der Ladestation.Before the start of the charging process, the output voltage of the step-up / step-down converter is set to the voltage value requested by the vehicle. The charging process begins after switching on the DC charging contactors in the connected electric vehicle. During the charging process, the boost / buck converter increases the charging current to a desired value while the fuel cell system is operating at the optimum operating point (operating point FC, DC / DC converter and FC auxiliary units). The charging process is carried out in accordance with the selected charging standard and the requirements of the connected electric vehicle (current and voltage). When the charging process is complete, the charging mode is ended by reducing the charging power at the output of the step-up / step-down converter and opening the DC charging contactors in the vehicle and in the charging station.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die HV-Batterie in der DC-Ladestation durch das Brennstoffzellen-System anschließend auf einen gewünschten Ziel-Ladezustand (SOC, „State Of Charge“) aufgeladen, bevor das Brennstoffzellen-System heruntergefahren, die Schaltelemente zwischen HV-Batterie und Hauptstromkreis geöffnet und die Ladestation abgeschaltet wird.In one embodiment of the method, the HV battery in the DC charging station is then charged by the fuel cell system to a desired target state of charge (SOC, "State Of Charge") before the fuel cell system is shut down, the switching elements between HV The battery and main circuit are opened and the charging station is switched off.

Durch die erfindungsgemäße Hochvolt-Topologie und das erfindungsgemäße Verfahren ist die Realisierung von Brennstoffzellenbetriebenen DC-Ladestationen möglich. Als Brennstoffzellensysteme können für den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen entwickelte, kommerziell verfügbare Einheiten verwendet werden. Es muss dann lediglich noch ein zusätzlicher Hoch-/Tiefsetzsteller zur Realisierung der Zusatzfunktionen für die verschiedenen DC-Ladestandards bereitgestellt werden.The high-voltage topology according to the invention and the method according to the invention enable fuel cell-operated DC charging stations to be implemented. Commercially available units developed for use in fuel cell vehicles can be used as fuel cell systems. An additional step-up / step-down converter then only needs to be provided to implement the additional functions for the various DC charging standards.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladesäule mit angeschlossenem Elektrofahrzeug.
The invention is shown schematically on the basis of an embodiment in the drawing and is described further with reference to the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the charging station according to the invention with a connected electric vehicle.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-DC-Ladestation 10 mit einem daran angeschlossenen batterieelektrischen Fahrzeug (BEV) 20. Die Ladestation 10 umfasst als Energiequellen einen Brennstoffzellenstapel 11 und eine HV-Batterie 14. Der Brennstoffzellenstapel 11 ist über einen DC/DC-Wandler 12 mit einem Stromkreis 15 verbunden, über den auch Nebenaggregate 13 des Brennstoffzellenstapels mit Energie versorgt werden. Die HV-Batterie 14 ist über Schaltelemente 16 an den Stromkreis 15 angebunden. An den Stromkreis angeschlossen ist ein Hoch-/Tiefsetzsteller 17, der über DC-Ladeschütze mit einem Ladekabel 19 mit CCS-Stecker verbunden ist. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the fuel cell DC charging station according to the invention 10 with a battery electric vehicle (BEV) connected to it 20th . The charging station 10 comprises a fuel cell stack as energy sources 11 and an HV battery 14th . The fuel cell stack 11 is via a DC / DC converter 12 with a circuit 15th connected, via which also ancillary units 13 of the fuel cell stack are supplied with energy. The HV battery 14th is about switching elements 16 to the circuit 15th tied up. A step-up / step-down converter is connected to the circuit 17th that uses DC charging contactors with a charging cable 19th is connected to the CCS connector.

In der Zeichnung ist ein BEV 20 an die Ladestation 10 angeschlossen. Der CCS-Stecker des Ladekabels 19 ist in eine CCS-Ladebuchse 21 des BEV 20 eingesteckt. Die CCS-Ladebuchse 21 ist über DC-Ladeschütze 22 mit dem HV-System 23 des BEV 20 verbunden.In the drawing is a BEV 20th to the charging station 10 connected. The CCS plug of the charging cable 19th is in a CCS charging socket 21st of the BEV 20th plugged in. The CCS charging socket 21st is via DC charging contactors 22nd with the HV system 23 of the BEV 20th connected.

Ein typischer Ablauf eines Ladevorgangs der HV-Batterie des BEV 20 unter Verwendung des CCS-Standards läuft wie folgt ab:

  1. 1. Die HV-Batterie 14 der Ladestation 10 wird durch das Schließen der Schaltelemente 16 mit dem Schaltkreis 15 verbunden;
  2. 2. Das Brennstoffzellen-System 11 wird mit Hilfe der BZ-Nebenaggregate 13 und des DC/DC-Wandlers 12 gestartet;
  3. 3. Der Hoch-/Tiefsetzsteller 17 wird aktiviert;
  4. 4. Die DC-Ladeschütze 18 werden geschlossen;
  5. 5. Die Ladeverbindung wird durch Hochrampen der Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers 17 bei gleichzeitiger Stromüberwachung überprüft („Cable Check“);
  6. 6. Nach erfolgreichem „Cable Check“ wird die Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers 17 wieder abgebaut;
  7. 7. Die Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers 17 wird auf den durch das BEV 20 angeforderten Spannungswert eingestellt („Hochrampen“);
  8. 8. Die DC-Ladeschütze 22 im BEV 20 werden geschlossen;
  9. 9. Der Hoch-/Tiefsetzsteller 17 erhöht den Ladestrom auf den gewünschten Wert („Hochrampen“) bei gleichzeitigem Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 11 im optimalen Arbeitspunkt (Betriebspunkt BZ-DC/DC 12 und BZ Nebenverbraucher 13);
  10. 10. Der Ladevorgang wird gemäß den Anforderungen (Strom und Spannung) des BEV 20 durchgeführt;
  11. 11. Nach Abschluss des Ladevorgangs wird der Ladebetrieb durch Herunterfahren der Ladeleistung am Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers 17 beendet;
  12. 12. Die DC-Ladeschütze 22 im BEV 20 und die DC-Ladeschütze 18 in der Ladestation 10 werden geöffnet;
  13. 13. Gegebenenfalls wird die HV-Batterie 14 der Ladestation 10 durch das Brennstoffzellen-System 11 auf einen gewünschten Ziel-SOC (Ladezustand) nachgeladen;
  14. 14. Das Brennstoffzellen-System 11 wird heruntergefahren;
  15. 15. Die Schaltelemente 16 der HV-Batterie werden geöffnet und die Ladestation 10 wird abgeschaltet.
A typical sequence of charging the BEV's HV battery 20th using the CCS standard works as follows:
  1. 1. The HV battery 14th the charging station 10 is by closing the switching elements 16 with the circuit 15th connected;
  2. 2. The fuel cell system 11 is made with the help of the FC ancillary units 13 and the DC / DC converter 12 started;
  3. 3. The boost / buck converter 17th is activated;
  4. 4. The DC charging contactors 18th will be closed;
  5. 5. The charging connection is established by ramping up the output voltage of the step-up / step-down converter 17th checked with simultaneous current monitoring ("Cable Check");
  6. 6. After a successful "Cable Check", the output voltage of the step-up / step-down converter 17th dismantled again;
  7. 7. The output voltage of the step-up / step-down converter 17th is based on the BEV 20th requested voltage value set ("ramp up");
  8. 8. The DC charging contactors 22nd in the BEV 20th will be closed;
  9. 9. The boost / buck converter 17th increases the charging current to the desired value ("ramping up") while operating the fuel cell system 11 at the optimal operating point (operating point BZ-DC / DC 12 and BZ secondary consumers 13 );
  10. 10. The charging process is carried out according to the requirements (current and voltage) of the BEV 20th carried out;
  11. 11. When the charging process is complete, the charging mode is started by shutting down the Charging power at the output of the step-up / step-down converter 17th completed;
  12. 12. The DC charging contactors 22nd in the BEV 20th and the DC charging contactors 18th in the charging station 10 are opened;
  13. 13. If necessary, the HV battery 14th the charging station 10 through the fuel cell system 11 reloaded to a desired target SOC (state of charge);
  14. 14. The fuel cell system 11 will be shut down;
  15. 15. The switching elements 16 the HV battery are opened and the charging station 10 is switched off.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Brennstoffzellen-DC-LadestationFuel cell DC charging station
1111
Brennstoffzellenstapel (BZ)Fuel cell stack (BZ)
1212
DC/DC-WandlerDC / DC converter
1313
Nebenaggregate der BZAncillary units of the BZ
1414th
HV-BatterieHV battery
1515th
StromkreisCircuit
1616
SchaltelementeSwitching elements
1717th
Hoch-/TiefsetzstellerBoost / buck converter
1818th
DC-LadeschützeDC charging contactors
1919th
Ladekabel und CCS-SteckerCharging cable and CCS plug
2020th
Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV)Battery electric vehicle (BEV)
2121st
CCS-LadebuchseCCS charging socket
2222nd
DC-LadeschützeDC charging contactors
2323
HV-SystemHV system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2010231175 A1 [0005]US 2010231175 A1 [0005]

Claims (10)

Ladestation (10) für ein Elektrofahrzeug (20), umfassend einen Hauptstromkreis (15), an den a) mindestens eine Brennstoffzelle (11) über einen Gleichstromwandler (12) angeschlossen ist; b) mindestens eine HV-Batterie (14) über Schaltelemente (16) angeschlossen ist; c) Nebenaggregate (13) der mindestens einen Brennstoffzelle (11) angeschlossen sind; und d) ein Hoch-/Tiefsetzsteller (17) angeschlossen ist, der über DC-Ladeschütze (18) mit einem Ladekabel (19) mit CCS-Stecker verbunden ist.Charging station (10) for an electric vehicle (20), comprising a main circuit (15) to which a) at least one fuel cell (11) is connected via a direct current converter (12); b) at least one HV battery (14) is connected via switching elements (16); c) auxiliary units (13) of the at least one fuel cell (11) are connected; and d) a step-up / step-down converter (17) is connected, which is connected to a charging cable (19) with CCS plug via DC charging contactors (18). Ladestation (10) nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (16) als Schütze ausgeführt sind.Charging station (10) Claim 1 , in which the switching elements (16) are designed as contactors. Ladestation (10) nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (16) Halbleiterschalter sind.Charging station (10) Claim 1 , in which the switching elements (16) are semiconductor switches. Ladestation (10) nach Anspruch 3, bei der die Halbleiterschalter jeweils mindestens einen IGBT oder MOS-FET umfassen.Charging station (10) Claim 3 , in which the semiconductor switches each comprise at least one IGBT or MOS-FET. Ladestation (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine Steuereinheit des Hoch-/Tiefsetzstellers (17) dafür eingerichtet ist, mit einem an die Ladestation (10) angeschlossenen Elektrofahrzeug (20) Daten auszutauschen.Charging station (10) after one of the Claims 1 to 4th , in which a control unit of the step-up / step-down converter (17) is set up to exchange data with an electric vehicle (20) connected to the charging station (10). Ladestation (10) nach Anspruch 5, bei der das Steuergerät dafür eingerichtet ist, einen Ladevorgang einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs (20) gemäß vom Elektrofahrzeug (20) übermittelten Parametern entsprechend einem vorgegebenen Ladestandard durchzuführen.Charging station (10) Claim 5 , in which the control device is set up to carry out a charging process of a traction battery of the electric vehicle (20) according to parameters transmitted by the electric vehicle (20) in accordance with a predetermined charging standard. Ladestation (10) nach Anspruch 6, bei der das Steuergerät dafür eingerichtet ist, einen Ladevorgang gemäß IEC 61851 durchzuführen.Charging station (10) Claim 6 , in which the control unit is set up to carry out a charging process in accordance with IEC 61851. Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs (20) mit einer Ladestation (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Anschließen des Ladekabels (19) der Ladestation durch Einstecken des CCS-Steckers des Ladekabels (19) in eine entsprechende Ladebuchse (21) des Elektrofahrzeugs (20); b) Verbinden der HV-Batterie (14) mit dem Hauptstromkreis (15) der Ladestation (10) durch Schließen der Schaltelemente (16) zwischen HV-Batterie (14) und Hauptstromkreis (15); c) Starten der mindestens einen Brennstoffzelle (11); d) Schließen der Ladeschütze (18) der Ladestation (10) und entsprechender Ladeschütze (22) im angeschlossenen Elektrofahrzeug (20); e) Durchführung des Ladevorgangs entsprechend gewähltem Ladestandard und gemäß den Anforderungen des angeschlossenen Elektrofahrzeugs (20), f) Öffnen der Ladeschütze (18, 22) im Elektrofahrzeug (20) und in der Ladestation (10), g) Abschalten der mindestens einen Brennstoffzelle (11), h) Trennen der HV-Batterie (14) vom Hauptstromkreis (15) der Ladestation (10) durch Öffnen der Schaltelemente (16) zwischen HV-Batterie (14) und Hauptstromkreis (15), i) Ausstecken des CCS-Steckers des Ladekabels (19) der Ladestation (10) aus der Ladebuchse (21) des Elektrofahrzeugs (20).A method for charging a traction battery of an electric vehicle (20) with a charging station (10) according to one of the preceding claims, comprising the steps: a) connecting the charging cable (19) of the charging station by inserting the CCS plug of the charging cable (19) into a corresponding charging socket (21) of the electric vehicle (20); b) connecting the HV battery (14) to the main circuit (15) of the charging station (10) by closing the switching elements (16) between the HV battery (14) and the main circuit (15); c) starting the at least one fuel cell (11); d) closing the charging contactors (18) of the charging station (10) and corresponding charging contactors (22) in the connected electric vehicle (20); e) Carrying out the charging process in accordance with the selected charging standard and the requirements of the connected electric vehicle (20), f) opening the charging contactors (18, 22) in the electric vehicle (20) and in the charging station (10), g) switching off the at least one fuel cell (11), h) disconnecting the HV battery (14) from the main circuit (15) of the charging station (10) by opening the switching elements (16) between the HV battery (14) and the main circuit (15), i) Unplugging the CCS plug of the charging cable (19) of the charging station (10) from the charging socket (21) of the electric vehicle (20). Verfahren nach Anspruch 8, worin nach Schließen der Ladeschütze (18) der Ladestation und vor Schließen der Ladeschütze (22) im angeschlossenen Elektrofahrzeug (20) eine Überprüfung der Ladeverbindung durch Hochrampen der Ausgangsspannung des Hoch-/Tiefsetzstellers (17) bei gleichzeitiger Stromüberwachung erfolgt.Procedure according to Claim 8 wherein after closing the charging contactors (18) of the charging station and before closing the charging contactors (22) in the connected electric vehicle (20), the charging connection is checked by ramping up the output voltage of the step-up / step-down converter (17) with simultaneous current monitoring. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin nach dem Öffnen der Ladeschütze (18) der Ladestation (10) und vor dem Abschalten der mindestens einen Brennstoffzelle (11), die HV-Batterie (14) der Ladestation (10) durch die mindestens eine Brennstoffzelle (11) auf einen gewünschten Ziel-Ladezustand aufgeladen wird.Procedure according to Claim 8 or 9 , wherein after opening the charging contactors (18) of the charging station (10) and before switching off the at least one fuel cell (11), the HV battery (14) of the charging station (10) through the at least one fuel cell (11) to a desired Target charge level is charged.
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