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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieverteilungsanordnung, die insbesondere darauf ausgerichtet ist, bestehende Energienetze zu erweitern, um sie an neue Anforderungen im Zusammenhang mit Elektromobilität anzupassen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ladestation für ein Elektromobil, insbesondere eine DC-Ladestation (Gleichspannungsladestation) für den Akkumulator eines Elektromobils.
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In jüngerer Zeit werden die Bestrebungen verstärkt, Fahrzeuge mit Elektroantrieb auch im Individualverkehr in größerem Umfang zu nutzen. Ein erhebliches Hemmnis bei der flächendeckenden Durchsetzung der Elektromobilität besteht weniger in der begrenzten Reichweite der durch Elektromotoren angetriebenen Fahrzeuge, denn diese ist für die häufigen täglichen Kurzstrecken gerade in Ballungsräumen bereits ausreichend, als vielmehr in der begrenzten Verfügbarkeit von Ladestationen (auch als Stromtankstelle bezeichnet), an denen die Hauptakkumulatoren der Elektromobile schnell wieder aufgeladen werden können. Solche Ladestationen müssen unmittelbar an Parkflächen bereitstehen und einen vergleichsweise hohen Ladestrom liefern, damit die Ladezeiten klein gehalten werden können.
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Nachfolgend werden unter Elektromobilen elektrisch angetriebene Individual-Kraftfahrzeuge (Personenfahrzeuge, Nutzfahrzeuge) verstanden, die einen Hauptakkumulator für Antriebszwecke umfassen, also insbesondere Kraftfahrzeuge die rein elektrisch angetrieben sind (Elektroautos) oder neben einem Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor als Antrieb nutzen (Hybridfahrzeuge), elektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, Krafträder usw.
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Die Installation von Ladestationen in größerem Umfang führt zu mehreren Problemen. Einerseits sind die Installationskosten im Vergleich zu den Herstellungskosten der Ladestation vergleichsweise hoch, sobald für den erforderlichen Anschluss an das öffentliche Energieversorgungsnetz Kabel über eine gewisse Distanz verlegt werden müssen, denn dann werden regelmäßig Erdbauarbeiten erforderlich. Dieses Problem tritt vor allem im öffentlichen Verkehrsraum und im Bereich öffentlicher Parkplätze auf, da dort zumeist keine Elektrokabel mit hinreichendem Leitungsquerschnitt verlegt sind. Andererseits sind derzeit die öffentlichen Energieversorgungsnetze häufig nicht für den Anschluss mehrerer, hochstromfähiger Ladestationen ausgelegt, insbesondere, wenn der Anschluss über den üblichen Hausanschluss in Wohngegenden realisiert werden soll. Dies führt beispielsweise dazu, dass in einem Straßenzug zwei oder drei Ladestationen über den Hausanschluss betrieben werden können, die Inbetriebnahme von zahlreichen Ladestationen aber daran scheitert, dass die Leitungsquerschnitte bis zur zugehörigen Mittelspannungs-Umspannstation des Energieversorgers die erforderlichen Ströme nicht zulassen.
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Bekannt ist aus praktischen Anwendungsfällen, dass die Elektromobile zum Aufladen direkt an die Niederspannung eines Hausanschlusses angeschlossen werden, unter Verzicht auf eine spezielle Ladestation. Damit ist der Ladestrom aber auf beispielsweise 16 A begrenzt.
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Ein anderer Lösungsansatz wird darin gesehen, die Ladestation mit einer Solarzelleneinheit zu verbinden, sodass das Elektrofahrzeug mit der von der Solarzelleneinheit gelieferten Energie, die ggf. in einem Pufferspeicher zwischengespeichert wurde, geladen werden kann. Solche Konstellationen sind aber stark abhängig von der verfügbaren Sonneneinstrahlung. So beschreibt die
DE 20 2012 101 518 U1 ein Solarcarport mit einer integrierten Ladestation, wobei eine Dachbaugruppe mehrere Solarmodule trägt und die Ladestation in einem Träger integriert ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird daher darin gesehen, eine verbesserte Energieverteilungsanordnung bereitzustellen, welchen die zuvor genannten Probleme umgeht und insbesondere im öffentlichen Verkehrsraum die Aufstellung zahlreicher Ladestationen für Elektromobile zu geringen Kosten und mit hohen verfügbaren Ladeströmen gestattet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energieverteilungsanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 erfüllt.
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Die erfindungsgemäße Energieverteilungsanordnung umfasst zunächst ein Gleichstromnetz mit einer Freileitung, die ein erstes Gleichspannungspotenzial führt und im öffentlichen Verkehrsraum z. B. an Leitungsmasten verlegt ist. Das Gleichstromnetz ist bevorzugt Bestandteil eines Oberleitungsnetzes, welches der elektrischen Energieversorgung eines öffentlichen Verkehrsmittels, insbesondere einer Straßenbahn oder eines O-Busses dient. Alternativ kann das Gleichstromnetz auch das Versorgungsnetz einer U-Bahn oder S-Bahn sein, wobei die Freileitung in diesem Fall z. B. als Stromschiene ausgebildet ist, die seitlich neben dem Gleisbett verlegt ist. Nachfolgend wird die Erfindung weitgehend mit Bezug zu Straßenbahnen und deren Oberleitungsnetz beschrieben, wobei gleichartige Netze elektrischer Linienfahrzeuge mit eingeschlossen sind.
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Die vorliegende Erfindung beruht u. a. auf der Erkenntnis, dass insbesondere die in mittelgroßen und größeren Städten vorhandenen Straßenbahn-Oberleitungsnetze (oder ähnliche Gleichstromnetze) mehrere Vorteile bieten, die sie für die Mitversorgung von Ladestationen für Elektromobile als besonders geeignet erscheinen lassen. Ein solches Oberleitungsnetz, d. h. die Freileitungen des Gleichstromnetzes, ist in verkehrswichtigen öffentlichen Räumen verlegt und wird durch eigene Umspannstationen versorgt, welche ein Gleichspannungspotenzial mit einer Spannung von zumeist 500 bis 1000 Volt in die Freileitung einspeisen. Der Abgriff elektrischer Leistung vom Gleichstromnetz führt somit nicht zu einer Überlastung der davon unabhängigen Leitungsnetze, welche Wohngebäude und Gewerbe mit der üblichen Niederwechselspannung versorgen.
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Die Freileitung bzw. Oberleitung befindet sich an vielen Stellen in unmittelbarer Nähe von Parkplätzen, die mit Ladestationen für Elektromobile ausgerüstet werden können. Der elektrische Anschluss einer Ladestation an die Freileitung kann mit sehr geringem baulichem Aufwand erfolgen.
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Das Gleichstromnetz einer Straßenbahn oder eines ähnlichen elektrischen Linienfahrzeugs ist für große Spitzenleistungen dimensioniert, da die Straßenbahnen o. ä. beim Anfahren eine mehrfaches an elektrischer Leistung aus dem Leitungsnetz abfordern als während des normalen Fahrbetriebs. Daher stehen entsprechend hoch dimensionierte Leitungsquerschnitte zur Verfügung, die den Ladestrom für zahlreiche Elektromobile ohne weiteres liefern können. Gerade in den Nachtstunden wird aufgrund der verringerten Fahrsequenz öffentlicher Verkehrsmittel keine oder nur sehr wenig Energie für den Straßenbahnbetrieb benötigt, sodass in diesem Zeitraum entsprechend mehr Leistung für das Aufladen der Elektromobile über die an die Freileitung angeschlossenen Ladestationen zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäße Energieverteilungsanordnung umfasst weiterhin mindestens einen Hauptspeiseknoten, an welchem der Freileitung das Gleichspannungspotenzial eingespeist wird. Regelmäßig sind mehrere solcher Hauptspeiseknoten vorgesehen, da insbesondere ausgedehnte Freileitungsnetze in mehrere Sektionen unterteilt sind. Der Hauptspeiseknoten umfasst üblicherweise eine Umspannstation, in welcher aus dem übergeordneten Energieversorgungsnetz die in die Freileitung einzuspeisende Gleichspannung erzeugt wird. Diese Art der Versorgung von Gleichstromnetzen zum Betrieb von Straßenbahnen oder dergleichen ist grundsätzlich bekannt, sodass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Energieverteilungsanordnung umfasst mindestens eine, vorzugsweise mehrere Ladestationen, die elektrisch an die Freileitung angeschlossen sind und einen Spannungsumsetzer aufweisen, welcher das erste Gleichspannungspotenzial in eine Ladespannung umwandelt. An die Ladestation können ein oder mehrere Elektromobile angeschlossen werden, die einen für Antriebszwecke konfigurierten Hauptakkumulator aufweisen, der während einer Ladezeit mithilfe der Ladespannung aufgeladen wird. Bevorzugt sind die Elektromobile für die Zeitspanne, in der sie an die Ladestation angeschlossen sind, ein Bestandteil der Energieverteilungsanordnung, sodass sie nicht nur geladen werden können sondern auch Energie aus ihrem Hauptakkumulator in das Gleichstromnetz zurückspeisen können, wenn beispielsweise beim Anfahren einer Straßenbahn in der Nähe der Ladestation kurzfristig eine hohe Leistung im Gleichstromnetz benötigt wird. Auf diese Weise kann das Gleichstromnetz insgesamt entlastet werden und auch die Hauptspeiseknoten können für geringere Spitzenlast dimensioniert werden.
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Die erfindungsgemäße Ladestation für ein Elektromobil zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie über ein vergleichsweise kurzes Versorgungskabel an eine Freileitung angeschlossen ist, die im öffentlichen Verkehrsraum verlegt ist und eine erste Gleichspannung führt. Die Ladestation besitzt dazu einen Spannungsumsetzer, welcher die erste Gleichspannung in eine Ladespannung umwandelt, die dem Elektromobil zuführbar ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Energieverteilungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Spannungsumsetzer mindestens einer der Ladestationen gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungen ausgestaltet ist: Der Spannungsumsetzer kann gebildet sein als ein unidirektionaler DC-DC-Umsetzer, der das erste Gleichspannungspotenzial der Freileitung in ein zweites Gleichspannungspotenzial umsetzt, welches dem an die Ladestation angeschlossenen Elektromobil als Ladespannung zugeführt wird. Der Vorteil besteht darin, dass eine Zwischenwandlung in eine Wechselspannung nicht erforderlich ist, da als Ladespannung ebenfalls eine Gleichspannung benötigt wird. Lediglich eine Anpassung von Strom- und Spannung muss vorgenommen werden, was den Schaltungsaufwand verringert und den Wirkungsgrad steigert.
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Alternativ ist der Spannungsumsetzer gebildet als ein bidirektionaler DC-DC-Umsetzer, der in einem Ladebetriebszustand das erste Gleichspannungspotenzial der Freileitung in ein zweites Gleichspannungspotenzial umsetzt, welches dem an die Ladestation angeschlossenen Elektromobil als Ladespannung zugeführt wird, und in einem Rückspeisezustand die vom Hauptakkumulator des Elektromobils gelieferte Energie in eine Rückspeisespannung umsetzt, welche in das Gleichstromnetz eingespeist wird. Durch diese Bauvariante wird das an die Ladestation angeschlossene Elektromobil zum integralen Bestandteil der Energieverteilungsanordnung, da ein bidirektionaler Energietransport ermöglicht ist. Die Hauptakkumulatoren zahlreicher Elektromobile können dabei als Pufferspeicher für das Gleichstromnetz dienen.
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In nochmals abgewandelter Bauform ist der Spannungswandler der Ladestation gebildet als ein unidirektionaler DC-AC-Umsetzer, der das erste Gleichspannungspotenzial der Freileitung in eine Wechselspannung, vorzugsweise mit einem Wert von 230 Volt umsetzt, welche dem an die Ladestation angeschlossenen Elektromobil als Ladespannung zugeführt wird. Der Vorteil ist dabei, dass unterschiedlichste Elektromobile an die Ladestation angeschlossen werden können, da heutzutage die meisten Elektromobile einen Anschluss an das herkömmliche Wechselspannungsnetz gestatten.
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In nochmals abgewandelter Form ist der Spannungsumsetzer gebildet als ein bidirektionaler DC-AC-Umsetzer, der in einem Ladebetriebszustand das erste Gleichspannungspotenzial der Freileitung in eine Wechselspannung umsetzt, welche dem an die Ladestation angeschlossenen Elektromobil als Ladespannung zugeführt wird, und in einem Rückspeisezustand die vom Hauptakkumulator des Elektromobils gelieferte Energie in eine Rückspeisespannung umsetzt, welche in das Gleichstromnetz eingespeist wird.
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Vorzugsweise besitzen die Spannungsumsetzer der Ladestationen geeignete Schaltungseinheiten, welche die teils starken Spannungsschwankungen, die auf der Freileitung des Oberleitungsnetzes auftreten können, ausgleichen, sodass die Ladespannung für das Elektromobil in der erforderlichen Gleichförmigkeit bereitgestellt wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieverteilungsanordnung umfasst eine Steuereinheit mit verteilt angeordneten Steuermodulen, wobei ein zentrales Steuermodul die im Gleichstromnetz verfügbare Energiemenge ermittelt und an mehrere dezentrale Steuermodule, die Bestandteil der Ladestationen sind, übermittelt. Die dezentralen Steuermodule steuern die jeweilige Ladestation, um in Abhängigkeit von der im Gleichstromnetz verfügbaren Energiemenge Ladeenergie an das angeschlossene Elektromobil zu liefern oder keine Ladeenergie zu liefern, d. h. die Ladespannung zu unterbrechen, oder den Rückspeisezustand zu aktivieren. Auf diese Weise lässt sich der Betrieb der Energieversorgungsanordnung optimieren und an den jeweiligen Bedarf, der im Gleichstromnetz herrscht, anpassen. Die mehreren Steuermodule der Steuereinheit kommunizieren miteinander, beispielsweise durch Signalübertragung über die Freileitung oder über eine Funkverbindung. So kann das zentrale Steuermodul an die verteilten Steuermodule der Ladestationen einen Befehl senden, die Bereitstellung von Ladespannung für einen bestimmten Zeitraum einzustellen, wenn z. B. beim Betrieb mehrerer Straßenbahnen die komplette Leistung im Gleichstromnetz dafür benötigt wird. Ebenso ist es möglich, dem Steuermodul einer spezifischen Ladestation einen Befehl zu senden, die Ladeenergie für ein angeschlossenes Elektromobil zu reduzieren, wenn beispielsweise in unmittelbarer Nähe das Anfahren einer Straßenbahn bevorsteht, sodass eine örtliche Überlastung der Freileitung durch zu hohe Ströme vermieden wird. Ebenso kann ein Befehl an die Steuermodule der Ladestationen gesendet werden, der das Rückspeisen von Elektroenergie aus den Hauptakkumulatoren in das Gleichstromnetz zur Folge hat, wenn dort für einen kurzen Zeitraum ein erhöhter Energiebedarf herrscht.
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Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieverteilungsanordnung umfasst mindestens einen Pufferspeicher, der Bestandteil einer der Ladestationen ist. Der Pufferspeicher wird mit der Ladespannung geladen, wenn Energiemenge im Gleichstromnetz dafür zur Verfügung steht, unabhängig davon, ob ein Elektromobil an der Ladestation angeschlossen ist. Der Pufferspeicher kann nachfolgend je nach Bedarf Energie an das Elektromobil zum Laden des Hauptakkumulators liefern und/oder in das Gleichstromnetz zurückspeisen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Energieverteilungsanordnung weiterhin mindestens eine, vorzugsweise zahlreiche Solarzelleneinheiten umfasst, die bei ausreichender Sonnenlichteinstrahlung elektrische Energie unmittelbar oder mittelbar über den Pufferspeicher in das Gleichstromnetz einspeisen. So ist es denkbar, die Parkplätze für die Elektromobile mit Dächern zu überdachen, auf denen Solarzellen angebracht sind. Soweit die Solarzelleneinheiten Energie liefern, kann diese in das geparkte Elektromobil eingespeist werden. Reicht die von den Solarzellen gelieferte Energie dafür nicht aus, wird gesteuert über das Steuermodul Energie aus dem Gleichstromnetz zum Laden des Hauptakkumulators des Elektromobils verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Energieverteilungsanordnung ist die Ladestation über ein Versorgungskabel an die Freileitung angeschlossen, welches bevorzugt nicht länger als 50 m, vorzugsweise nicht länger als 25 m ist. Andere Versorgungskabel sind selbstverständlich nicht ausgeschlossen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Versorgungskabel an einem Leitungsmast des Gleichstromnetzes angebracht ist und vorzugsweise ohne Erdberührung zur Ladestation geführt ist. Grundsätzlich müssen die Anschlussbedingungen den jeweils herrschenden baulichen und räumlichen Bedingungen angepasst und die geltenden Sicherheitsvorschriften eingehalten werden. Sofern genügend Parkflächen zur Verfügung stehen, können mehrere Ladestationen an einem Versorgungskabel angeschlossen werden.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform sind die Spannungsumsetzer (DC-DC/ DC-AC Module) und die Steuereinheiten der Ladestationen so beschaffen, dass sie auch zum Betrieb von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen geeignet sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung mit einem Gleichstromnetz und mehreren Ladestationen;
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2 eine symbolische Darstellung einer Ausführungsform der Energieversorgungsanordnung;
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3 eine prinzipielle Darstellung des Gleichstromnetzes der Energieverteilungsanordnung mit Ladestationen und Solarzelleneinheiten;
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4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Ladestation.
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung 01. Diese umfasst ein Gleichstromnetz mit einer Freileitung 02, insbesondere einer Oberleitung eines Straßenbahnnetzes. Die Freileitung kann in anderen Gleichstromnetzen z. B. eine starre Stromschiene sein, die neben dem Gleisbett einer S-Bahn oder dergleichen geführt ist. In an sich bekannter Weise sind in der Freileitung 02 Trenneinrichtungen 03 vorgesehen. Ebenso sind Rückleitungen 04 vorhanden, die den normalen Straßenbahnbetrieb sicherstellen. Die Freileitung 02 führt eine Gleichspannung von beispielsweise 500 bis 700 Volt, die an einem bzw. mehreren Hauptspeiseknoten 05 eingespeist werden. Dazu wird aus einem übergeordneten Energieversorgungsnetz über eine Transformatorstation 05a und einen Hauptumsetzer 05b die Gleichspannung bereitgestellt. Gegenüber bekannten Oberleitungsnetzen ist neuartig, dass an der Freileitung 02 mehrere Abgriffspunkte 06 vorgesehen sind, über welche stationäre Ladestationen 07 mit der Gleichspannung versorgt werden. Die Ladestationen 07 umfassen jeweils einen Spannungsumsetzer, der in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen DC-AC-Umsetzer 08 besitzt, welcher die Gleichspannung in eine Wechselspannung umsetzt.
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2 zeigt in einer stark vereinfachten symbolischen Darstellung eine Ausführungsform der Energieversorgungsanordnung 01. Die von der Freileitung 02 geführte Gleichspannung wird zunächst von einer Straßenbahn 10 abgegriffen. Gleichzeitig ist die Gleichspannung über ein Versorgungskabel 11 an die Ladestation 07 geführt, welche neben dem Spannungsumsetzer 08 ein verteiltes Steuermodul 12 besitzt. Sofern das Steuermodul einen Ladezustand gestattet, liefert die Ladestation eine Ladespannung über ein Ladekabel 13 an ein geparktes Elektromobil 14, um dessen Hauptakkumulator 15 zu laden. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt auch die Straßenbahn 10 ein mobiles Steuermodul, welches beispielsweise über eine Funkverbindung direkt oder indirekt über eine zentrales Steuermodul (nicht gezeigt) mit dem Steuermodul 12 der Ladestation 07 kommuniziert, um z. B. während des Anfahrens der Straßenbahn das Laden des Elektromobils zu unterbrechen, damit der über die Freileitung 02 fließende Strom nicht zu hoch wird.
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3 zeigt eine prinzipielle Darstellung des Gleichstromnetzes der Energieverteilungsanordnung 01 mit zwei Ladestationen 07. In diesem Fall umfassen die Ladestationen zusätzlich zu den oben bereits erläuterten Baueinheiten jeweils einen Pufferspeicher 17 sowie eine Solarzelleneinheit 18. Die von der Solarzelleneinheit bereitgestellte Energie kann entweder über das Ladekabel 13 dem angeschlossenen Elektromobil, dem Pufferspeicher 17 oder über eine Rückspeisung auch dem Gleichstromnetz über die Freileitung 02 zur Verfügung gestellt werden. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann der Pufferspeicher als ein mobiler Akkumulator ausgebildet sein, der automatisiert geladen wird, wenn Energie im Gleichstromnetz zur Verfügung steht, und der dann im Austausch für einen entleerten Akkumulator in ein Elektromobil eingesetzt werden kann. Auf diese Weise kann die Zeit, welche das Elektromobil an der Ladestation verbringen muss, minimiert werden.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Ladestation 07, die beispielsweise in Form einer Ladesäule ausgeführt sein kann, welche auf einem Fundament 20 befestigt ist. In dieser Ausführung ist als Spannungsumsetzer ein DC-DC-Modul 21 vorgesehen, welches in einem Leistungselektronikteil die von der Freileitung abgegriffene erste Gleichspannung in eine zum Laden des Hauptakkumulators des Elektromobils geeignete zweite Gleichspannung wandelt und am Ausgang bereitstellt. Weiterhin ist ein Kommunikationsmodul 22 vorgesehen, welches mit einem Chargecontroller sowie externen Einheiten kommuniziert, wie dies oben bereits erläutert wurde. Eine weitere Komponente ist durch ein Klimamodul 23 gebildet, welches der Klimatisierung der Ladesäule dient.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Energieversorgungsanordnung
- 02
- Freileitung / Oberleitung
- 03
- Trenneinrichtung
- 04
- Rückleitung
- 05
- Hauptspeiseknoten
- 05a
- Transformatorstation
- 05b
- Hauptumsetzer
- 06
- Abgriffspunkt
- 07
- Ladestation
- 08
- Spannungsumsetzer
- 09
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- 10
- Straßenbahn
- 11
- Versorgungskabel
- 12
- Steuermodul der Ladestation
- 13
- Ladekabel
- 14
- Elektromobil
- 15
- Hauptakkumulator
- 16
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- 17
- Pufferspeicher
- 18
- Solarzelleneinheit
- 19
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- 20
- Fundament
- 21
- DC-DC-Modul
- 22
- Kommunikationsmodul
- 23
- Klimamodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012101518 U1 [0006]