用于电动车辆的充电系统的制作方法

1.本发明涉及电动交通(electric mobility)领域。更具体地，本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统。


背景技术：

2.全世界电动车辆的数目正在迅速增加。随着电动车辆的数目的增加，存在对充电系统的不断增长的需求。在现有技术的充电系统中，通常使用ac/dc转换器，用于将由电力网络(power network)提供的ac电压转换为dc电压。由于不同的电动车辆需要不同的充电电压，因此通常不可以简单地使用此dc电压直接用于在不同的充电端口处同时为不同的车辆充电。相反，在常规的充电系统中，dc电压被供应给dc总线，并且在dc总线和每个单独的充电端口之间提供附加的dc/dc转换器，其中dc/dc转换器允许提供期望的充电电压。
3.这些现有技术的充电系统缺乏满足可能改变的充电需求的灵活性。即，dc/dc转换器被设计用于最大充电功率和用于最大充电电压。如果需要更高的充电电压或更高的充电功率的新类型的电动车辆变得可用，必须替换dc/dc转换器。另一方面，如果dc/dc转换器被过度设计以能够服务于所有类型的车辆，绝大部分时间硬件的使用效率低下。
4.对充电系统的需求增加的另一个困难是用来自电力网络的电力的本地供应。如果附加的中间电压网络必须被提供用于附加的充电系统的电源(power supply)，诸如提供大于例如lkv并且通常在10kv到50kv的范围内的电压的网络，提供附加的充电系统的成本显著增加。另一方面，具有小于1kv的电压的低电压电力电网尽管在许多地方可用，但是通常不提供足够的电力来同时以高充电功率为多个电动车辆充电。
5.us 2013/006 9592 a1公开了一种充电系统，该充电系统具有多个充电端口、用于将来自电力源(power source)的电力转换为用于为车辆充电的期望的规格的多个功率转换器、以及用于使至少一个功率转换器与至少一个充电端口连接的可切换的连接矩阵。


技术实现要素：

6.本发明的根本问题是提供一种用于电动车辆的充电系统，所述充电系统允许服务于具有不同的充电需求的不同类型的车辆，同时最佳地利用可用的硬件以及从诸如电力网络的电力源供应的可用电力。在一些实施方案中，所述电动车辆可以是电动汽车，并且在本文所描述的具体实施例中，出于例示目的，主要参考汽车。然而，本发明不限于此，而是总体上涉及任何类型的电动车辆，包括电动汽车、摩托车、小型摩托车、卡车、拖拉机、船或航空器。
7.此问题通过根据权利要求1所述的充电系统来解决。在从属权利要求中限定了有利的实施方案。此问题还通过根据权利要求30所述的运行充电系统的方法来解决。在对应的从属权利要求中限定了所述方法的有利的实施方案。
8.根据一方面，本发明提供了一种用于电动车辆的充电系统，包括：数目为n的充电端口，每个充电端口具有用于与电动车辆进行功率交换的接口，数目为m的模块化能量存储
直接转换器系统(mesdcs)，可切换的连接矩阵，以及控制系统。每个mesdcs包括转换器臂，所述转换器臂具有第一端和第二端并且包括多个顺序互连的模块，其中每个模块包括
[0009]-至少一个第一端子和至少一个第二端子，
[0010]-用于电能的存储元件，特别是电池，或能量转换元件，以及
[0011]-多个模块开关。
[0012]
在每两个相邻的模块中，一个模块的至少一个第一端子直接或经由中间部件连接到另一个模块的至少一个第二端子。所述多个模块开关至少允许：选择性地停用(deactivate)每个模块的存储元件或能量转换元件，以及使相邻的模块的存储元件或能量转换元件串联连接。注意，术语“停用”mesdcs的存储元件或能量转换元件具有广泛的含义，并且仅应指示相应的元件在其停用状态中对由mesdcs的转换器臂提供的电流或电压没有贡献。特别地，这可以意味着用于电能的存储元件或能量转换元件在通过mesdcs的电流流动中被旁路。例如，这可以涉及在相应的模块的至少一个第一端子和至少一个第二端子之间提供短路。换句话说，“停用的”能量存储装置或转换元件本身未被停用，但是从mesdcs的角度来看仅在非活动(non-active)状态中。
[0013]
此外，所述控制系统被配置为基于关于所述存储元件的当前电荷状态(charge state)或能量转换元件的电压或输出电力的信息并且通过根据此信息致动所述多个模块开关中的至少一部分来控制每个mesdcs的输出电压，使得所述转换器臂作为整体供应所述输出电压。所述可切换的连接矩阵被配置为在所述控制系统的控制下使一个或多个所选择的mesdcs与每个给定的充电端口连接，并且还被配置为使一个或多个所选择的mesdcs与电力源连接。
[0014]
在本文中，“电力源”通常可以是电力网络，诸如电网(grid)或干线网络，或微电网。然而，本发明不限于此，并且电力源可以例如是太阳能电站、一个或多个风力涡轮机等。
[0015]
控制系统可以由一个电子控制单元或多个互连的控制单元形成。每个控制单元可以包括一个或多个微处理器或asic。如本文所公开的控制系统的功能可以硬件、软件或二者来体现。
[0016]
本文所使用的通用术语“模块化能量存储直接转换器系统”源自以下事实：它因由模块集结而是“模块化的”、能够通过能量存储元件存储能量、并且是“直接转换器系统”——由于它被设计为根据存储元件的当前电荷状态(或根据能量转换元件的当前电力或电压)致动所述多个模块开关中的至少一部分，以这样的方式使得转换器臂作为整体已经供应期望的输出电压。实际上，mesdcs通常可以通过致动所述多个模块开关中的至少一部分来提供任意dc输出电压波形或ac输出电压波形。这样，当mesdcs被连接到充电端口时，它可以提供任何期望的充电电压，并且特别是dc电压和ac电压二者。此外，对于能量存储元件的充电，存在与输出电压相同的灵活性，能量存储元件可以用施加在转换器臂两端的几乎任何电压来充电，所述电压既包括dc电压又包括ac电压。因此，当一个或多个所选择的mesdcs与所述电力源连接时，其对应的能量存储元件可以由所述电力源充电。一种mesdcs被描述于wo2016/012247a1中。
[0017]
因此，mesdcs不仅允许将来自电力源的电压转换为充电端口处的期望的充电电压，还允许存储能量，使得它充当能量缓冲器。这允许：在车辆充电存在高需求的情况下，在多个充电端口处提供可能超过电力源可以提供的功率的高瞬时总充电功率，以及在充电端
口处存在较少充电需求时，重新填充能量存储元件。
[0018]
虽然在本文所描述的具体实施方案中，模块中的每个包括电池，但是应注意，本发明不限于此，因为本发明还可以应用于可以采用例如氧化还原液流电池或电容器的其他能量存储元件的系统，或应用于模块中的至少一部分包括诸如太阳能电池、燃料电池或热电偶元件的能量转换元件的系统。因此，无论在以下描述中何处对关于基于电池的系统进行解释，应理解，在适用的情况下，对应的公开内容应还涉及能量存储元件或能量转换元件的其他形式，而无需进一步提及。
[0019]
上文所定义的mesdcs具有许多重要优点。例如，由于与每个单独的能量存储元件/能量转换元件相关联的电压可以是相对低的，因此模块开关不必须切换高电压。例如，这允许使用标准低电压硅mosfet代替更昂贵的igbt或碳化硅mosfet。此外，通过模块开关来切换较低的电压允许更好的电磁兼容性和减少的总谐波失真。
[0020]
在优选的实施方案中，所述控制系统被配置为确保没有mesdcs同时连接到所述电力源的相(或“相导体”)和充电端口。这样，所述充电端口的电势可以与所述电力源的相的电势自动分离。然后可以容易地获得一方面所述电力源的电势和另一方面所述充电端口/电动车辆的电势的完全分离，例如通过确保：当使mesdcs与给定的充电端口连接时，它不同时与所述电力源的相同的接地连接。出于此目的，用于mesdcs的单独的接地可以被提供，并且当mesdcs与充电端口连接时直接或间接(例如经由另一个mesdcs)与mesdcs连接。相反，当mesdcs与电力源连接或更准确地与电力源的相或“相导体”连接时，它还可以直接或间接和与电力源相关联的接地连接。两个接地之间的切换同样可以由切换矩阵建立。
[0021]
因此，在一个优选的实施方案中，所述连接矩阵被配置为：在所述控制系统的控制下，当一个或多个所选择的mesdcs与所述电力源的相连接时，使所述一个或多个所选择的mesdcs直接或间接和与所述电力源相关联的接地连接，并且当所述一个或多个所选择的mesdcs与充电端口连接时，使所述一个或多个所选择的mesdcs与所述电力源的接地断开连接。在此情况下，所选择的mesdcs可以直接或间接连接到与充电端口相关联的接地，如将从下文的详细描述中变得明了的。
[0022]
为了在给定的充电端口处以期望的充电电压为电动车辆充电，在优选的实施方案中，所述控制系统被配置为建立以下充电状态中的至少两个并且优选地全部：
[0023]-单一充电状态，在所述单一充电状态中，所述控制系统控制一个所选择的mesdcs的输出电压以与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以仅使所述所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，
[0024]-并联充电状态，在所述并联充电状态中，所述控制系统控制至少两个所选择的mesdcs的输出电压以各自与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述至少两个所选择的mesdcs中的每个连接到所述给定的充电端口，以及
[0025]-串联充电状态，在所述串联充电状态中，所述控制系统控制一组两个或更多个所选择的mesdcs的输出电压使得它们的总和与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述组两个或更多个所选择的mesdcs串联连接并且以使串联连接的所述组连接到所述给定的充电端口。
[0026]
在本文中，并联充电状态允许比用单个mesdcs可能的充电电流高的充电电流，以
允许在所述给定的充电端口处特别快速的充电。此外，串联充电状态允许提供特别高的充电电压。在这两种情况下，单独的mesdcs不必须为特别高的输出电压或输出电流而定尺寸，相反，仅当存在对高电压和这样的高电流充电的对应的需求时，它们才可以在并联充电状态或串联充电状态中组合。
[0027]
注意，所述单一充电状态不排除连接到所述给定的充电端口的单个所选择的mesdcs也连接到另一个充电端口，在此情况下，所述给定的充电端口和所述另一个充电端口将被并联连接到所述单个所选择的mesdcs。然而，在优选的实施方案中，所述单一充电状态是有且仅有一个mesdcs连接到有且仅有一个充电端口的状态。在优选的实施方案中，所述控制系统被配置为同时为不同的充电端口建立所述单一充电状态、并联充电状态和串联充电状态中的不同的充电状态。
[0028]
在一个优选的实施方案中，所述控制系统被配置为建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，所述控制系统将一个或多个所选择的mesdcs的输出电压控制为比连接到给定的充电端口的电动车辆的电池的当前电压低的值，并且控制所述可切换的连接矩阵以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，使得用从连接到所述给定的充电端口的所述电动车辆的电池接收的电力为所述一个或多个所选择的mesdcs内的能量存储装置充电。用于反向充电的一个或多个所选择的mesdcs的输出电压的适当值取决于目前的阻抗并且可以被调整以建立期望的充电电流或充电功率。形象地说，在所述反向充电状态中，所述充电系统从车辆的电池“借入”能量，从而有效地将mesdcs固有的“缓冲容量”扩展到与充电端口连接的车辆。例如，当所述充电系统被用于使它连接到的电力源(例如干线网络)稳定时，这可以是有用的。
[0029]
优选地，所述控制系统被配置为建立电力源支持状态，在所述电力源支持状态中，所述控制系统将一个或多个所选择的mesdcs的输出电压控制为比所述电力源的电压高的值并且控制所述连接矩阵以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源。再次，用于所述电力源的一个或多个所选择的mesdcs的输出电压的适当值取决于目前的阻抗并且可以被调整以建立期望的电流或功率。在所述电力源支持状态中，能量从mesdcs提供给电力源。如果存在电力故障或停电的风险，并且在可以在电力源支持状态中由mesdcs稳定电力源(例如干线网络)的情况下，这可以是权宜之计。然而，从mesdcs向电力源馈送能量不仅对紧急情况有用，而且可以常规方式完成以补偿电力需求中的预期的峰。特别是，通过交替地采用反向充电状态和电力源支持状态，能量可以被有效地从车辆电池转移到电力源作为所述充电系统的常规运行的一部分，使得不仅mesdcs，而且车辆电池也充当用于所述电力系统的缓冲器。当所述充电系统被用于停放汽车时——其中充电不存在特定的时间需求，这是特别有用的。
[0030]
注意，上文所提及的特征——根据所述特征所述可切换的连接矩阵“被配置为在所述控制系统的控制下，使一个或多个所选择的mesdcs与每个给定的充电端口连接”可以涉及：使单个mesdcs与给定的充电端口连接，使两个或更多个mesdcs的并联连接与给定的充电端口连接，或使两个或更多个mesdcs的串联连接与给定的充电端口连接，如分别在单一充电状态、并联充电状态和串联充电状态中的情况。然而，也可以在反向充电状态中采用mesdcs与充电端口的相同的单一连接、并联连接和串联连接。特别地，当在反向充电状态中是两个或更多个mesdcs的串联连接与充电端口连接时，所述“一个或多个所选择的mesdcs
的输出电压”对应于串联连接的mesdcs的单独的电压的总和，并且然后此总电压可以被控制为比连接到所述充电端口的车辆的电池的电压低。换句话说，充电状态和反向充电状态之间的主要不同是能量的流动的方向，而可以由连接矩阵提供的连接在充电模式和反向充电模式下可以是相同的。
[0031]
类似地，上文所提及的特征——根据所述特征所述可切换的连接矩阵“被配置为在所述控制系统的控制下，使一个或多个所选择的mesdcs与电力源连接”可以涉及：使单个mesdcs与电力源(或其所选择的相)连接，使两个或更多个mesdcs的并联连接与电力源(或其所选择的相)连接，或使两个或更多个mesdcs的串联连接与电力源(或其所选择的相)连接。再次，这既适用于mesdcs将由电力源充电的情况，又适用于在电力源支持状态中mesdcs向电力源提供能量的情况。特别地，在电力源的电压高于或甚至远高于待被充电的电池的电压的情况下，使两个或更多个mesdcs的串联连接与电力源(或其所选择的相)连接的可能性可以是有利的。例如，考虑车辆的电池具有400v并且电力源具有2kv的情况。如果仅将单个mesdcs将与电力源连接，该mesdcs将也必须被设计为提供2kv的电压，即需要对应的数目的模块。如果仅需要400v用于充电，这将不是对硬件的高效使用。然而，当所述连接矩阵能够使比如五个mesdcs的串联连接与电力源连接时，所述mesdcs中的每个将仅接收400v，并且因此将mesdcs中的每个设计用于此较低的电压将是足够的，从而最佳地使用硬件。
[0032]
在优选的实施方案中，在所述电力源支持状态中使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源包括：使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源的给定的相，其中所述控制系统还控制所述一个或多个所选择的mesdcs的输出电压以跟随所述电力源相的时变相电压(time varying phase voltage)，使得其在每个时刻高于所述时变相电压，再次利用mesdcs的“直接转换器”能力来输出用于支持电力源的ac相的最佳电压波形。注意，“输出电压高于相电压”意味着其量值更高并且其极性与相电压的极性相同，使得mesdcs输出电压实际上始终支持电力源相电压。注意，如之前，mesdcs的输出电压被控制，使得获得期望的功率流(power flow)或能量交换。换句话说，虽然功率流是实际感兴趣的量，但是mesdcs的可控制的输出电压被调整以便获得这样的功率流，并且在此情况下，获得支持电力源的功率流。还注意，反向充电状态和电力支持状态二者可以被维持延长的时间段，即一分钟或更多，10分钟或更多、30分钟或更多、或甚至一小时或更多。然而，反向充电状态和电力支持状态的持续时间可以短得多，在数秒或甚至更低的数量级，并且它们可以根据技术需求而被间歇地建立。例如，当出于诸如调峰(peak shaving)的目的使用电力支持模式时，电力支持模式可以是相对短的，在数秒或数分钟的数量级，而出于诸如容量固定(capacity firming)或负载转移的目的，诸如以考虑由例如风或太阳生成的电力的波动，电力支持模式可以被建立更长的时间段，例如半小时或更长。
[0033]
当替换常规的发电站(power plant)的旋转转子的惯性(所谓的“旋转备用(spinning reserve)”)时，时间范围(time horizon)也是短的并且为数秒的量值。通常以15分钟为单位来供应频率调节或频率遏制备用(frequency containment reserve)，因为这是在支持电网频率(例如在欧洲50hz)的电网规范中定义的用于主要频率控制(其中通常采用电池存储系统)的时段。次要频率控制将具有更长的时间范围。电网干扰例如短时间帧中的电压降也可以被补偿(闪烁补偿、电压/电力质量)。通过提供或吸收无功功率(reactive power)以减少电力线上的视在功率(apparent power，表观功率)，所述系统还
可以被用来使功率因数(“cos phi”)移动到1(unity)，其在本领域中被称为“功率因数校正”。
[0034]
虽然如上文所描述的“电力源支持状态”通常被描述为从mesdcs向电力源供应电力的状态，但是这不应意味着暗示朝向电力源连续地供应电力。相反，电力源——诸如干线网络——也可以涉及时间相关的双向功率流的方式被支持。在“电力源支持状态”的一些实施方案中，所述控制系统被配置为控制所述一个或多个所选择的mesdcs的输出电压以导致充电系统和电力源之间的时间相关的双向功率流以便建立(但不限于)电网支持应用，例如调峰、负载均衡、闪烁补偿、功率因数校正、频率遏制备用、频率调节、容量固定、旋转备用和电力或电压质量增强。
[0035]
在一些实施方案中，所述可切换的连接矩阵具有第一部分，所述第一部分包括：n个第一端子，每个所述第一端子与所述n个充电端口中的对应的一个连接；以及m个第二端子，每个所述第二端子与对应的mesdcs的第一端连接，并且其中所述可切换的连接矩阵在所述控制系统的控制下可切换，以选择性地使所述第一端子中的每个与所选择的一个或多个第二端子连接。注意，所述第一端子中的每个可以被选择性地连接到所述第二端子中的每个是可能的、但不是必需的。虽然这将给出关于连接状态的最大的灵活性，但是在实际应用中这常常将不是必需的。然而，在本发明的优选的实施方案中，所述第一端子中的每个至少可以被选择性地与所述第二端子的子集连接。
[0036]
优选地，所述可切换的连接矩阵的所述第一部分还包括数目为l的第三端子，每个所述第三端子连接到所述电力源的对应的相或连接到接地，其中所述可切换的连接矩阵在所述控制系统的控制下可切换，以选择性地使所述第三端子中的每个与所选择的一个或多个第二端子连接。
[0037]
在优选的实施方案中，所述可切换的连接矩阵在所述控制系统(18)的控制下还可切换，以使两个第二端子互相连接，但是不与所述第一端子中的任一个连接。
[0038]
在一个优选的实施方案中，所述可切换的连接矩阵具有第二部分，其中所述可切换的连接矩阵的所述第二部分在所述控制系统的控制下可切换，以使两个所选择的mesdcs的所述第二端互相连接，或以使所选择的mesdcs的所述第二端连接到接地。
[0039]
在一个优选的实施方案中，所述电力源是具有最高达1500v的dc电压或最高达1000v的ac电压的低电压网络，并且特别是在美国惯用的230/400伏特网络或110伏特网络。这样的低电压网络是广泛可用的，使得根据此实施方案的充电系统可以被设置在各种各样的位置处，而不必须提供附加的或扩展现有的电力网络。虽然由于由mesdcs的能量存储元件提供的缓冲，在这样的低电压网络处可以提供的总功率是有限的，然而可以提供相当高的瞬时充电功率，并且在较低充电需求的时间重新填充能量存储元件，使得由低电压网络提供的有限的功率被最佳地用于高效充电。
[0040]
在替代的实施方案中，所述电力源是中间电压网络，具有在1kv和60kv之间、优选地在1kv和30kv之间的电压。
[0041]
在各实施方案中，充电端口的数目n是3或更多，优选地是5或更多，更优选地是10或更多，并且最优选地是50或更多。
[0042]
在一些实施方案中，所述充电系统被配置用于快速充电，并且在此情况下，mesdcs的数目m优选地大于充电端口的数目n，并且特别地m:n≥1.25，优选地m:n≥1.5，并且最优
选地m:n≥2.0。较高的比率m:n意味着存在较多的mesdcs可用于建立串联充电状态和并联充电状态，这进而允许较高的充电功率并且因此允许较短的充电时间。这对于在交通繁忙的道路——诸如高速公路或收费高速公路——的路边处设置的充电系统是特别有用的，在此大多数用户希望仅短暂停下进行充电。本发明的各实施方案允许50kw或更大、优选地150kw或更大或甚至300kw或更大的充电功率。由于使两个或更多个mesdcs并联连接和/或串联连接的可能性，因此在本发明的框架中可以容易地提供高充电功率。
[0043]
在替代的实施方案中，所述充电系统被设置在停车设施中，其中车辆将被停放可观的时间段，并且其中通常不需要快速充电。在此情况下，充电端口的数目n大于mesdcs的数目m，并且特别地n:m≥1.5，优选地n:m≥3.0，并且最优选地n:m≥5.0。这将允许以相对低数目的mesdcs向大数目的停放的车辆提供充电基础设施，并且因此允许充电系统的低成本。
[0044]
在优选的实施方案中，所述充电系统与能量消耗实体相关联，所述能量消耗实体特别是工厂、机场、火车站、医院、建筑物或一组建筑物，其中所述能量消耗实体具有本地供电网络(local electricity network)，在正常运行下，所述本地供电网络由电力源供应电功率，该电力源可以但不必是所述充电系统连接到的电力源相同的电力源，其中所述充电系统包括开关装置(switching arrangement)，所述开关装置允许将所述充电系统的mesdcs中的一些或全部与所述本地电网络(local electric network)耦合，以向所述本地电网络供应电功率，并且其中所述控制系统被配置为建立相关联的实体供应模式，在所述相关联的实体供应模式下，所述控制系统控制与所述本地电网络耦合的所述mesdcs的输出电压以向所述相关联的实体提供期望的电压的电力。
[0045]
在一个相关的实施方案中，允许将所述充电系统的mesdcs中的一些或全部与所述本地电网络耦合的所述开关装置由所述连接矩阵提供，并且所述耦合在所述控制系统的控制下并且特别是通过使所述第三端子中的所选择的一些或全部连接到所述本地电网络的对应的相来实施。在此实施方案中，例如在电力源支持状态中将被连接到电力网络的相的相同的第三端子因此可以被连接到所述本地电网络的相。在本文中，所述能量消耗实体可以包括允许将所述本地电气网络(local electrical network)与其电力源去耦合的开关装置，从而确保提供给所述本地电网络的能量不耗散到电力网络，特别是在电力网络发生故障的情形下。
[0046]
在优选的实施方案中，所述相关联的实体供应模式是以下中的一个：将在所述电力源中的电力故障的情况下启用(activate)的紧急备用模式，以及将在对所述相关联的实体的本地电网络中的高电力的瞬时需求的情况下启用的调峰模式。
[0047]
在所述相关联的实体供应模式期间，所述控制系统优选地被配置成为所选择的充电端口建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，用从连接到所述所选择的充电端口的电动车辆的电池接收的电力为所选择的mesdcs充电。这样，来自电动车辆的能量可以被转移到相关联的实体，从而通过当前连接到所述充电系统的车辆的电池的容量来有效地增加mesdcs的缓冲容量。
[0048]
在一个优选的实施方案中，通信接口与每个充电端口相关联，从而允许将充电参数传输到所述控制系统。在本文中，所述充电参数可以包括选自由以下组成的组的一个或多个参数：期望的充电电压，目标充电水平，充电速率，充电功率，最大充电时段，充电时间
的结束，关于支付模式、车辆标识和用户标识的信息。所述通信接口可以是当所述电动车辆电连接到所述充电端口时建立的基于导线的(wire based)接口。在特别优选的实施方案中，所述充电信息至少部分地由所述电动车辆自动提供。够自动提供所述充电信息的车辆在本文中也被称为“智能车辆”。
[0049]
在替代的实施方案中，所述通信接口是无线接口，或由诸如因特网的通信网络提供。在相关的实施方案中，所述控制系统被配置用于与将被安装在用户的便携式网络使能的设备(network enabled device)上的应用程序(app)通信，用于传输所述充电参数。在所述充电系统与停车设施相关联——即在电动车辆将在延长的时间段内连接到充电点——的情况下，这是特别有用的。例如，如果所述充电参数包括在中午时间充电时间的结束，但是车辆所有者改变计划并且决定仅在第二天早上取他的/她的汽车，他/她可以经由app传达这，并且这可以在由控制系统实施的充电策略中被考虑。例如，接近中午或在傍晚，其中存在对能量的高需求，车辆的电池中包含的能量可以被使用反向充电模式的mesdcs中的一个“借入”，并且可以在夜间时间被重新供应，其中存在对电力网络中的能量的较少需求，并且可以较低的价格获得功率。
[0050]
在一个优选的实施方案中，所述通信接口允许将关于充电过程的信息从所述控制系统传达到所述电动车辆或网络使能的设备，特别是所请求的充电速率、目标充电水平、最大充电时段或充电时间的结束中的一个或多个当前是否能够被提供的信息，并且如果情况不是如此，建议能够被提供的替代充电参数。
[0051]
在一个优选的实施方案中，所述控制系统被配置为经由与所述充电端口相关联的所述通信接口接收充电参数，并且基于接收到的所述充电参数建立充电策略，其中建立充电策略包括：为针对其已经接收到充电参数的所述端口中的每个选择充电状态或充电状态的时间序列，所述充电状态选自以下充电状态：
[0052]-空闲状态，在所述空闲状态中，无充电发生，
[0053]-单一充电状态，在所述单一充电状态中，所述控制系统控制一个所选择的mesdcs的输出电压以与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以仅使所述所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，
[0054]-并联充电状态，在所述并联充电状态中，所述控制系统控制至少两个所选择的mesdcs的输出电压以各自与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述至少两个所选择的mesdcs中的每个连接到所述给定的充电端口，
[0055]-串联充电状态，在所述串联充电状态中，所述控制系统控制一组两个或更多个所选择的mesdcs的输出电压使得它们的总和与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述组两个或更多个所选择的mesdcs串联连接，并且以使串联连接的所述组连接到所述给定的充电端口，以及
[0056]-反向充电状态，在所述反向充电状态中，所述控制系统将一个或多个所选择的mesdcs的输出电压控制为比连接到给定的充电端口的电动车辆的电池的当前电压低的值，并且控制所述可切换的连接矩阵以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，使得用从连接到所述给定的充电端口的所述电动车辆的电池接收的电力为所述一个或多个所选择的mesdcs内的能量存储装置充电。
[0057]
在优选的实施方案中，所述控制系统被配置为至少部分地基于对未来的充电需求
的预测建立所述充电策略。例如，可以基于统计和经验信息非常可靠地预测未来的充电需求。
[0058]
在一个优选的实施方案中，所述模块的所述多个模块开关还允许选择性地使相邻的模块的存储元件或能量转换元件反向串联(anti-series)连接。“反向串联连接”——与“串联连接”相反——意指具有相反相极性的连接。使单个模块反向串联连接的可能性例如可以有助于测量包括在所述模块中的电池的健康状态或电荷状态。然而，自由改变串联连接中的能量存储元件的其极性的能力暗示mesdcs作为整体的极性可以被改变，从而允许提供正输出电压和负输出电压。
[0059]
在优选的实施方案中，至少在所述mesdcs中的所述顺序互连中不是第一个和最后一个的模块每个包括至少两个第一端子和至少两个第二端子，其中在每两个相邻的模块中，一个模块的至少两个第一端子直接或经由中间部件连接到另一个模块的至少两个第二端子中的对应的一个，并且其中所述模块的所述多个模块开关还允许选择性地使相邻的模块的存储元件或能量转换元件并联连接。这样，可以减少能量存储直接转换器的内部电阻，并且因此可以减少内部损耗。
[0060]
在一个特别优选的实施方案中，所述mesdcs模块的多个模块开关允许选择性地使由具有停用的存储元件/转换元件的至少一个中间模块分离的模块的存储元件或能量转换元件并联和串联连接。此变体具有至少两个显著的优点。一个优点是，在所述模块中的一个或其能量存储装置是有缺陷的情况下，剩下的模块的运行不受损害。另一个优点是，即使非相邻的能量存储元件/转换元件可以被选择性地并联切换。这允许选择性地使具有相同的或至少类似的电压的能量存储装置/转换元件并联连接，以从而避免平衡能量源/转换元件之间的电流/电荷转移，这将仅导致内部损耗。
[0061]
本发明的另一方面涉及一种运行用于电动车辆的充电系统的方法，所述充电系统包括：
[0062]
数目为n的充电端口，每个充电端口具有用于与电动车辆进行功率交换的接口，
[0063]
数目为m的模块化能量存储直接转换器系统(mesdcs)，
[0064]
可切换的连接矩阵，以及
[0065]
控制系统，
[0066]
其中每个mesdcs包括转换器臂，所述转换器臂具有第一端和第二端并且包括多个顺序互连的模块，其中每个模块包括
[0067]-至少一个第一端子和至少一个第二端子，
[0068]-用于电能的存储元件，特别是电池，或能量转换元件，以及
[0069]-多个模块开关，
[0070]
其中在每两个相邻的模块中，一个模块的至少一个第一端子直接或经由中间部件连接到另一个模块的至少一个第二端子，
[0071]
其中所述多个模块开关至少允许：选择性地停用每个模块的存储元件或能量转换元件，以及使相邻的模块的存储元件或能量转换元件串联连接，
[0072]
其中所述方法包括：基于关于所述存储元件的当前电荷状态或能量转换元件的电压或输出电力的信息并且通过根据此信息致动所述多个模块开关中的至少一部分来控制每个mesdcs的输出电压，使得所述转换器臂作为整体供应所述输出电压，
[0073]
并且其中所述运行包括使一个或多个所选择的mesdcs与每个给定的充电端口连接，并且包括使一个或多个所选择的mesdcs与电力源连接。
[0074]
在一个优选的实施方案中，所述方法被实施使得总是避免任何一个mesdcs同时连接到所述电力源和充电端口，其中所述方法优选地还包括：当一个或多个所选择的mesdcs与所述电力源的相连接时，通过所述连接矩阵选择性地使所述一个或多个mesdcs直接或间接和与所述电力源相关联的接地连接，并且当所述一个或多个所选择的mesdcs与充电端口连接时，使所述一个或多个mesdcs与所述电力源的接地断开连接。
[0075]
在一个优选的实施方案中，为了在给定的充电端口处以期望的充电电压为电动车辆充电，所述方法包括建立以下充电状态中的至少两个并且优选地全部：
[0076]-单一充电状态，在所述单一充电状态中，所述控制系统控制一个所选择的mesdcs的输出电压以与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以仅使所述所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，
[0077]-并联充电状态，在所述并联充电状态中，所述控制系统控制至少两个所选择的mesdcs的输出电压以各自与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述至少两个所选择的mesdcs中的每个连接到所述给定的充电端口，以及
[0078]-串联充电状态，在所述串联充电状态中，所述控制系统控制一组两个或更多个所选择的mesdcs的输出电压使得它们的总和与所述给定的充电端口处的所述期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述组两个或更多个所选择的mesdcs串联连接并且以使串联连接的所述组连接到所述给定的充电端口。
[0079]
在一个优选的实施方案中，所述方法包括：同时为不同的充电端口建立所述至少两个、优选地三个充电状态中的不同的充电状态。
[0080]
在一个优选的实施方案中，所述方法还包括：建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，一个或多个所选择的mesdcs的输出电压被控制以呈现比连接到给定的充电端口的电动车辆的电池的当前电压低的值，并且所述可切换的连接矩阵被控制以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，使得用从连接到所述给定的充电端口的所述电动车辆的电池接收的电力为所述一个或多个所选择的mesdcs内的能量存储装置充电。
[0081]
在一个优选的实施方案中，所述方法还包括：建立电力源支持状态，在所述电力源支持状态中，一个或多个所选择的mesdcs的输出电压被控制以呈现比所述电力源的电压高的值并且所述连接矩阵被控制以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源。
[0082]
在一个优选的实施方案中，在所述电力源支持状态下使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源包括：使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述电力源的给定的相，其中所述方法还包括：控制所述一个或多个所选择的mesdcs的输出电压以跟随所述电力源相的时变相电压，使得其在每个时刻高于所述时变相电压。
[0083]
在一个优选的实施方案中，所述可切换的连接矩阵具有第一部分，所述第一部分包括：n个第一端子，每个所述第一端子与所述n个充电端口中的对应的一个连接；以及m个第二端子，每个所述第二端子与对应的mesdcs的第一端连接，并且其中所述可切换的连接矩阵在所述控制系统的控制下可切换，以选择性地使所述第一端子中的每个与所选择的一个或多个第二端子连接。
[0084]
在一个优选的实施方案中，所述可切换的连接矩阵的所述第一部分还包括数目为l的第三端子，每个所述第三端子连接到所述电力源的对应的相或连接到接地，其中所述包括：选择性地使所述第三端子中的每个与所选择的一个或多个第二端子连接。
[0085]
在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：使两个第二端子互相连接，但是不与所述第一端子中的任一个连接。
[0086]
在一个优选的实施方案中，所述可切换的连接矩阵具有第二部分，其中所述可切换的连接矩阵的所述第二部分在所述控制系统的控制下可切换，以使两个所选择的mesdcs的所述第二端互相连接，或以使所选择的mesdcs的所述第二端连接到接地。
[0087]
在一个优选的实施方案中，所述电力源是
[0088]-具有最高达1500v的dc电压或最高达1000v的ac电压的低电压网络，并且特别是230/400伏特网络或110伏特网络，或
[0089]-中间电压网络，具有在1kv和60kv之间、优选地在1kv和30kv之间的电压。
[0090]
在一个优选的实施方案中，充电端口的数目n是3或更多，优选地是5或更多，更优选地是10或更多，并且最优选地是50或更多。
[0091]
在一个优选的实施方案中，mesdcs的数目m大于充电端口的数目n，并且特别地m:n≥1.25，优选地m:n≥1.5，并且最优选地m:n≥2.0。
[0092]
在一个优选的实施方案中，所述充电系统被设置在停车设施中，并且其中充电端口的数目n大于mesdcs的数目m，并且特别地n:m≥1.5，优选地n:m≥3.0，并且最优选地n:m≥5.0。
[0093]
在一个优选的实施方案中，所述充电系统与能量消耗实体相关联，所述能量消耗实体特别是工厂、机场、火车站、医院、建筑物或一组建筑物，其中所述能量消耗实体具有本地供电网络，在正常运行下，所述本地供电网络由电力源供应电功率，其中所述充电系统包括开关装置，所述开关装置允许将所述充电系统的mesdcs中的一些或全部与所述本地电网络耦合，以向所述本地电网络供应电功率，并且其中所述方法包括：建立相关联的实体供应模式，在所述相关联的实体供应模式下，与所述本地电网络耦合的所述mesdcs的输出电压被控制以向所述相关联的实体提供期望的电压的电力。
[0094]
在一个优选的实施方案中，允许将所述充电系统的mesdcs中的一些或全部与所述本地电网络耦合的所述开关装置由所述连接矩阵提供，并且所述耦合在所述控制系统的控制下并且特别是通过使所述第三端子中的所选择的一些或全部连接到所述本地电网络的对应的相来实施。
[0095]
优选地，还包括以下步骤：将所述本地供电网络与其电力源去耦合。
[0096]
在一个优选的实施方案中，所述相关联的实体供应模式是以下中的一个：将在所述电力源中的电力故障的情况下启用的紧急备用模式，以及将在对所述相关联的实体的本地电网络中的高电力的瞬时需求的情况下启用的调峰模式。
[0097]
优选地，所述方法还包括：在所述相关联的实体供应模式期间，为所选择的充电端口建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，用从连接到所述所选择的充电端口的电动车辆的电池接收的电力为所选择的mesdcs充电。
[0098]
在一个优选的实施方案中，通信接口与每个充电端口相关联，其中将充电参数传输到所述控制系统，其中所述充电参数包括选自由以下组成的组的一个或多个参数：期望
的充电电压，目标充电水平，充电速率，充电功率，最大充电时段，充电时间的结束，关于支付模式、车辆标识和用户标识的信息。
[0099]
在一个优选的实施方案中，所述通信接口是当所述电动车辆电连接到所述充电端口时建立的基于导线的接口，其中优选地，所述充电信息至少部分地由所述电动车辆自动提供。
[0100]
在一个优选的实施方案中，所述通信接口是无线接口，或由诸如因特网的通信网络提供，并且其中特别地，所述方法包括以下步骤：所述控制系统与安装在用户的便携式网络使能的设备上的应用软件通信，用于传输所述充电参数。
[0101]
所述方法优选地还包括以下步骤：将关于充电过程的信息从所述控制系统传达到所述电动车辆或网络使能的设备，特别是所请求的充电速率、目标充电水平、最大充电时段或充电时间的结束中的一个或多个当前是否能够被提供的信息，并且如果情况不是如此，建议能够被提供的替代充电参数。
[0102]
所述方法优选地还包括以下步骤：经由与所述充电端口相关联的所述通信接口接收充电参数，并且基于接收到的所述充电参数建立充电策略，其中建立充电策略包括：为针对其已经接收到充电参数的所述端口中的每个选择充电状态或充电状态的时间序列，所述充电状态选自以下充电状态：
[0103]-空闲状态，在所述空闲状态中，无充电发生，
[0104]-单一充电状态，在所述单一充电状态中，所述控制系统控制一个所选择的mesdcs的输出电压以与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以仅使所述所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，
[0105]-并联充电状态，在所述并联充电状态中，所述控制系统控制至少两个所选择的mesdcs的输出电压以各自与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述至少两个所选择的mesdcs中的每个连接到所述给定的充电端口，
[0106]-串联充电状态，在所述串联充电状态中，所述控制系统控制一组两个或更多个所选择的mesdcs的输出电压使得它们的总和与给定的充电端口处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述组两个或更多个所选择的mesdcs串联连接，并且以使串联连接的所述组连接到所述给定的充电端口，以及
[0107]-反向充电状态，在所述反向充电状态中，所述控制系统将一个或多个所选择的mesdcs的输出电压控制为比连接到给定的充电端口的电动车辆的电池的当前电压低的值，并且控制所述可切换的连接矩阵以使所述一个或多个所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口，使得用从连接到所述给定的充电端口的所述电动车辆的电池接收的电力为所述一个或多个所选择的mesdcs内的能量存储装置充电。
[0108]
在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：至少部分地基于对未来的充电需求的预测建立所述充电策略。
[0109]
在一个优选的实施方案中，所述方法还包括以下步骤：至少部分地基于从所述电力源提供的电功率的可用性或价格或对其的预测建立所述充电策略。
[0110]
在一个优选的实施方案中，每个mesdcs的模块的所述多个模块开关还允许选择性地使相邻的模块的存储元件或能量转换元件反向串联连接。
[0111]
在一个优选的实施方案中，至少在所述顺序互连中不是第一个和最后一个的模块
每个包括至少两个第一端子和至少两个第二端子，其中在每两个相邻的模块中，一个模块的至少两个第一端子直接或经由中间部件连接到另一个模块的至少两个第二端子中的对应的一个，其中所述模块的所述多个模块开关还允许选择性地使相邻的模块的存储元件或能量转换元件并联连接，并且优选地允许选择性地使由具有停用的存储元件/转换元件的至少一个中间模块分离的模块的存储元件或能量转换元件并联和串联连接。
[0112]
在优选的实施方案中，使用根据上文所描述的实施方案中的任何一个的充电系统来实施本发明的方法。此外，本公开内容还涉及上文所记载的系统和方法的各实施方案的任何组合。
附图说明
[0113]
图1是根据本发明的一个实施方案的充电系统的示意性表示，其中建立了单一充电状态。
[0114]
图2是根据本发明的一个实施方案的充电系统的示意性表示，其中建立了单一充电状态和并联充电状态。
[0115]
图3是根据本发明的一个实施方案的充电系统的示意性表示，其中建立了单一充电状态、并联充电状态和串联充电状态。
[0116]
图4是根据本发明的一个实施方案的充电系统的示意性表示，其中建立了两个单一充电状态和一个串联充电状态。
[0117]
图5是根据本发明的一个实施方案的充电系统的示意性表示，其中电力源和充电端口互相电流隔离，并且其中所述充电系统与具有本地供电网络的医院相关联。
[0118]
图6是根据图5的充电系统的示意性表示，其中建立了实体供电模式，在所述实体供电模式下，从所述充电系统向医院供应电功率。
[0119]
图7是例示了使用图1至图4的系统的充电过程的流程图。
[0120]
图8是例示了使用图1至图4的系统的充电过程的另一个流程图。
[0121]
图9是mesdcs的示意性表示，
[0122]
图10和图11示出了可以在图9的mesdcs中使用的模块，
[0123]
图12是另一个mesdcs的示意性例示，
[0124]
图13至图16例示了可以在图12的mesdcs中使用的模块，
[0125]
图17示出了包含如图15中所示出的模块的mesdcs，
[0126]
图18示出了包含如图16中所示出的模块的mesdcs，
[0127]
图19是图17和图18的mesdcs中的电池的连接的示意性表示，以及
[0128]
图20是可切换的连接矩阵的示意性表示。
具体实施方式
[0129]
出于促进对本发明的原理的理解的目的，现在将参考附图中所例示的一优选的实施方案，并且将使用特定的语言来描述所述优选的实施方案。然而，应理解，不意在由此限制本发明的范围，与本发明相关的技术领域的技术人员现在或未来通常将设想到所例示的装置的这样的改变和进一步修改以及如其中所例示的本发明的原理的这样的进一步应用。
[0130]
图1例示了用于电动车辆12的充电系统10。在所示出的实施方案中，充电系统10具
有n＝8个充电端口lp1至lp8，每个充电端口具有用于与电动车辆12进行功率交换的接口14。此外，充电系统10还包括m＝5个模块化能量存储直接转换器系统(mesdcs)u1至u5和可切换控制矩阵16以及控制系统18。如本文所使用的，n和m分别是限定充电端口lpj(其中j＝1，....，n)和mesdcs ui(其中i＝1，....，m)的数目的整数。下文将参考图9至图19更详细地描述mesdcs u1至u5的结构和运行。
[0131]
可切换的连接矩阵16具有八个第一端子20，每个端口与所述八个充电端口lp1至lp8中的对应的一个连接。此外，可切换的连接矩阵16具有六个第二端子22，每个第二端子与对应的mesdcs ui(其中i＝1，....，5)的第一端24连接。在图1至图4中，第一端子20与第二端子22的连接由粗线指示。因此，在图1中所例示的可切换的连接矩阵16的切换状态中，与充电端口lp2相关联的第一端子20和与mesdcs u5的第一端24相关联的第二端子22连接，并且与充电端口lp7相关联的第一端子20和与mesdcs u2的第一端24相关联的第二端子22连接。如在本发明的“发明内容”部分中所提及的，可切换的连接矩阵16在控制系统18的控制下可切换，以选择性地使第一端子20中的每个与所选择的一个或多个第二端子22连接。在一些实施方案中，第一端子20中的每个可以被选择性地连接到第二端子22中的每个。这将允许最大种类的连接状态。然而，这在实际应用中不是必需的，并且在其他实施方案中，第一端子20中的每个仅可以被选择性地与所述第二端子22的子集连接。如从图1中所看到的，通过使第一端子20中的一个与第二端子22中的所选择的一个连接，对应的充电端口lpj(其中j＝i，....，8)与对应的mesdcs ui的第一端24连接。在图1的实施方案中，每个mesdcs ui的第二端26被连接到接地。
[0132]
如图1中所进一步示出的，连接矩阵16包括三个第三端子28，所述第三端子与电力网络30的对应的相30a至30c连接，该电力网络是在本发明的“发明内容”部分中提到的“电力源”的一个实施例。在控制系统18的控制下，所述第三端子28中的每个可以被选择性地与所选择的一个或多个第二端子28连接，使得每个mesdcs ui的第一端24可以被选择性地与电力网络30的相30a至30c连接，以从而为包括在相应的mesdcs ui中的能量存储元件充电，或以将能量从mesdcs ui的能量存储元件馈送回到电力网络30以使其稳定。
[0133]
重要地，在所示出的实施方案中，控制连接矩阵16的切换状态的控制系统18被配置为始终确保没有mesdcs ui同时连接到电力网络30和充电端口lpj。通过此切换约束，充电端口lp1至lp8始终与电力网络30分离。然而，由于一方面mesdcs ui和另一方面电力网络30连接到同一接地，因此在电力网络30和充电端口lpj之间尚未存在完全的电势分离。下文在图5和图6中示出了完全的电荷分离的实施方案。
[0134]
为了在给定的充电端口lpj处为电动车辆12充电，控制系统18被配置为建立各种充电状态。这些充电状态包括单一充电状态，在所述单一充电状态中，控制系统18控制一个所选择的mesdcs ui的输出电压以与所述给定的充电端口lpj处的期望的充电电压匹配，并且控制连接矩阵以仅使所述所选择的mesdcs连接到所述给定的充电端口。在图1中所指示的切换状态中，关于充电端口lp2、lp4、lp6和lp7示出了这样的单一充电状态中的四个。注意，“期望的充电电压”可以是一定量值的dc电压，但是也可以是ac电压。在控制系统18的控制下，mesdcs u1至u5能够产生几乎任何期望的dc或ac输出电压。
[0135]
此外，控制系统18被配置为建立并联充电状态，在所述并联充电状态中，控制系统控制至少两个所选择的mesdcs的输出电压以各自与给定的充电端口处的期望的充电电压
匹配，并且控制连接矩阵16以使至少两个所选择的mesdcs中的每个连接到所述给定的充电端口。这样的并联充电状态例如被例示在图2中，其中四个mesdcs u2至u5被连接到同一充电端口lp7。当使用并联充电状态时，与在单一充电状态中相比，可以提供更快速的充电，或换句话说，更大的充电功率。
[0136]
图3和图4示出了一个实施方案，在该实施方案中，除了单一充电状态和并联充电状态之外，串联充电状态也是可用的，在所述串联充电状态中，控制系统18控制一组两个或更多个所选择的mesdcs(图3中的mesdcs u4和u5，以及图7中的mesdcs u3、u4和u5)的输出电压，使得它们的总和与给定的充电端口(lp5)处的期望的充电电压匹配，并且控制所述连接矩阵以使所述组两个或更多个所选择的mesdcs(图3中的u4和u5；图4中的u3、u4和u5)串联连接，并且使此串联连接的组连接到给定的充电端口(lp5)。出于此目的，连接矩阵16包括：第一部分16a，该第一部分对应于如图1中所示出的切换矩阵16并且该第一部分包括第一端子20、第二端子22和第三端子28；以及第二部分16b，该第二部分在控制系统18的控制下可切换，以使所选择的mesdcs ui的第二端26互相连接，如图3和图4中的mesdcs u4和u5的第二端26的情况，或以使所选择的mesdcs的第二端28连接到接地，如图3和图4中的u1、u2和u3的情况。还可以看到，切换矩阵16的第一部分16a可切换，以使两个第二端子22互相连接，但是不与所述第一端子20中的任何一个连接。对于与在图4中所示出的mesdcs u3和u4相关联的第二端子22，情况是这样。在串联充电状态中，通过使几个mesdcs ui串联连接，与在单一充电状态或并联充电状态中相比，可以在给定的充电端口(图3和图4中的lp5)处生成更高的充电电压。
[0137]
如从示例性图1至图4明了的，控制系统18被配置为同时为不同的充电端口lp1至lp7建立单一充电状态、并联充电状态和串联充电状态中的不同的充电状态。例如，图3示出了为充电端口lp3建立单一充电状态、为充电端口lp7建立并联充电状态以及为充电端口lp5建立串联充电状态的情形。
[0138]
虽然在图1至图4的实施例中，mesdcs u1至u5和充电端口lp1至lp7之间的所例示的连接被建立用于在相应的充电端口lp1至lp7处为车辆12充电，但是相同的连接也可以被用来建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，能量从车辆12的电池传输到mesdcs ui的能量存储元件。出于此目的，控制系统18将一个或多个所选择的mesdcs ui的输出电压控制为比连接到给定的充电端口lpj的电动车辆12的电池的当前电压低的值，并且控制可切换的连接矩阵16、16a、16b以使一个或多个所选择的mesdcs ui连接到给定的充电端口lpj，使得一个或多个所选择的mesdcs ui内的能量存储装置用从连接到给定的充电端口lpj的所述电动车辆12的电池接收的电力来充电。在此反向充电状态中，充电系统10从车辆电池“借入”能量，该能量然后可以被提供给待由充电系统10充电的另一个车辆12，或被提供给电力网络30。
[0139]
在本发明的“发明内容”部分中提到的“电力源支持状态”中，可以从充电系统10向电力网络30提供电力，在“电力源支持状态”中，控制系统18将一个或多个所选择的mesdcs ui的输出电压控制为比电力源30的电压高的值，并且控制连接矩阵16、16a、16b以使所述一个或多个所选择的mesdcs ui连接到电力源30。如果存在电力网络的崩溃(breakdown)的风险，可以这样做以保护电力系统，诸如电力网络30。换句话说，充电系统10可以提供需要始终保持备用的电力安全裕度以防止电力网络30的崩溃。可以在不同的电网服务中采用电力
支持状态，上述电网服务包括但不限于频率调节(频率遏制备用)、调峰、旋转备用、容量片、负载均衡、电力质量、闪烁补偿、不间断电源、无功补偿等。
[0140]
然而，电力支持状态不仅对于避免电力故障是有用的，而且还可以计划的方式被使用以在预期的高电力需求时段内支持电力网络30。在充电系统10被设置在停车设施中的情况下，这是特别有用的，在该停车设施处车辆12将在整个停车时间期间连接到充电端口lp1到lp8，并且可以在整个停车时间期间提供车辆电池充当用于电力网络30的能量缓冲器，条件是车辆12的电池在停车结束时被充分地充电。在这样的应用中，将存在将由相对少数目的mesdcs ui服务的相对大数目的充电端口lpj。注意，向系统10添加附加的充电端口lpj同时维持mesdcs ui的数目相同不会显著系统10的成本，使得提供具有充电端口lpj的大数目的停车位实际是成本有效的，同时将mesdcs ui的数目选择为足够少使得它们在正常运行中将不是空闲的。
[0141]
虽然在图1至图4中未明确示出，但是其中所示出的系统10不仅允许使单个mesdcs与电力源30(或其所选择的相)连接，如例如对于图1中的mesdcs u1所示出的，而且还允许两个或更多个mesdcs ui与电力源30(或其所选择的相)的并联连接，或在图3和图4的系统的情况下，允许使两个或更多个mesdcs ui的串联连接与电力源30(或其所选择的相)连接。重要地，这既适用于mesdcs ui将由电力源30充电的情况，又适用于在电力源支持状态中mesdcs ui向电力源30提供能量的情况。如上文所提及的，在电力源30的电压相当多地高于待被充电的车辆12的电池的电压的系统中，使两个或更多个mesdcs ui的串联连接与电力源30(或其所选择的相)连接的可能性是特别有用的。其原因在于，在此串联连接中，mesdcs ui中的每个仅接收电力源30的电压的一小部分，使得单独的mesdcs ui不需要适应电压源30的(高)电压。还强调的是，连接矩阵16的第二部分16b可以大于图3和图4中所示出的，即可以包括更大数目的水平连接线，以从而便于串联连接更大数目的mesdcs ui并且使此串联连接与电力源30连接。此外，应理解，在实际限制中，mesdcs ui的数目可以远大于目前附图中所示出的，从而允许串联连接相当大数目的mesdcs。
[0142]
图5示出了类似于图4的充电系统的另一个充电系统10，该充电系统10主要在两方面不同。根据第一个不同，分别为电力网络30和充电端口lpj提供两个单独的接地35、36。通过矩阵16的第二部分16b，在mesdcs ui的第一端与电力网络30的相30a-30c连接的情况下，每个mesdcs ui的第二端26可以被选择性地和与电力网络30相关联的接地35连接。对于图5中的mesdcs u1，情况是这样，该mesdcs u1的第一端24与电力网络30的相30a连接，并且该mesdcs u1的第二端26与电力网络30的接地35连接。此外，当前与充电端口lpj连接的任何mesdcs ui——单独(如u2的情况)、串联连接(如u3、u4和u5的情况)或并联连接(图5中未示出)——直接或间接与单独的接地36连接，该接地36不同于电力网络30的接地35并且该接地36形成充电端口lpj的单独的接地电势。这样，通过连接矩阵16的设计和由控制系统18提供的控制，始终确保电力网络30和充电端口lpj之间的电流分离。
[0143]
第二个不同是图5的充电系统10与能量消耗实体相关联，该能量消耗实体在所示出的实施例中是医院37。医院37具有本地供电网络38，该本地供电网络在正常运行下也由电力网络30供应电功率。
[0144]
医院37包括允许将所述本地供电网络38与电力网络30去耦合的开关装置39。在图5中所示出的实施方案中，此开关装置39由三个功率开关形成，每个功率开关与电力网络30
的对应的相30a-30c相关联。因此，在电力网络30的故障的情况下，本地供电网络38可以与其分离并且可以至少部分地用存储在mesdcs ui和可能地存储在当前与充电系统10的充电端口lpj连接的车辆12的电池中的电力来维持，如下文将更详细地描述的。
[0145]
在图5中所示出的实施方案中，在本发明的“发明内容”部分中提到的“允许将充电系统10的mesdcs ui中的一些或全部与所述本地供电网络38耦合的开关装置”简单地由连接矩阵16形成，在控制系统18的控制下，如上文所描述的，连接矩阵16允许使一个或多个所选择的mesdcs ui与电力网络30的相30a-30c连接，并且从而也允许使其连接到本地供电网络38，如从图5看到的。控制系统18被配置为建立相关联的实体供应模式，在该关联的实体供应模式下，它控制与所述本地供电网络38耦合的所述mesdcs ui的输出电压以向所述医院37提供期望的电压的电力。通过此设置，“相关联的实体供应模式”与“电力源支持状态”非常类似，除了在前者下电力网络3与本地供电网络38分离，使得由充电系统10提供的电力由本地供电网络38接收，并且因此仅由医院37接收。对此的典型应用将是为电力网络30的电力故障的情况提供紧急备用，这在医院的情况下是特别重要的。
[0146]
在相关联的实体供应模式期间，控制系统18被配置成为所选择的充电端口lpj建立反向充电状态，在所述反向充电状态中，所选择的mesdcs ui用从连接到所述所选择的充电端口lpj的电动车辆12的电池接收的电力来充电。这被示出在图6中，其中医院37和充电系统10通过开关装置39与电力网络30分离，其中u1、u2和u4与本地供电网络38的对应的相连接，并且其中u3和u5分别与充电端口lp6和lp2连接，以在反向充电状态下从相关联的车辆12的电池“借入”能量。自然地，对目前与所选择的充电端口lpj连接以用于反向充电的mesdcs ui的选择和对目前与本地供电网络38的相连接的mesdcs ui的选择可以互换，使得单独的mesdcs ui的能量存储元件将被交替充电和放电。
[0147]
接下来，参考图7，描述了根据一个实施方案的图1至图4的充电系统10的运行。图7中概括的过程开始于步骤40处，在该步骤40处使电动车辆12连接到充电端口lp1至lp8中的一个。在该实施例中，车辆是“智能车辆”，其经由与充电端口lpj相关联的通信接口向控制系统18自动传输充电参数，诸如期望的充电电压和电压类型(dc或ac)和目标充电水平，以及与充电速率有关的某个参数，例如明确的充电速率、最大充电时段或类似地充电时间的结束，以及关于支付模式和车辆标识或用户标识的信息。该接口可以是当电动车辆12电连接到充电端口lpj时建立的基于导线的接口。附加地或替代地，充电参数也可以经由无线接口传输或经由如通过图1中的参考标记32所示出的通信网络传输。除了或替代由智能车辆12自动传输充电参数，可以使用安装在用户的便携式网络使能的设备——诸如智能电话34(参见图1)——上或安装在设置在每个充电端口lpj中或为一组充电端口lpj设置的终端上的应用程序将充电参数或附加的、更特定的充电参数传输到控制系统18。
[0148]
在步骤42中，控制系统18检查存储在可用的mesdcs ui中的可用的能量，并且确定可能的充电状态——诸如单一充电状态、并联充电状态和串联充电状态——所需的充电时间。
[0149]
接下来，在步骤44中，控制系统18确定将允许建立期望的充电状态的连接矩阵16、16a、16b的切换状态。在步骤46中，确定是否可以建立将满足所请求的充电参数的期望的充电状态。如果情况不是如此，在步骤48中，控制系统18基于可用的充电状态向车辆12或向网络使能的便携式设备34传输建议的充电场景(charging scenario)，从而馈送可以在期望
的时间内提供的可能的能量量，或用于原始请求的充电能量的可能的充电时间。关于充电参数的最终决定可以由用户做出，或作为智能车辆12和控制系统18之间协商的结果以自动方式做出。然而，如果足够的mesdcs资源可用于满足充电需求，过程进行到步骤50，在步骤50中，连接矩阵16、16a、16b被切换以使一个或多个所选择的mesdcs ui连接到充电端口lpj以建立所选择的充电状态(单一、并联或串联充电)。此外，虽然在图7中未明确示出，但是如果在步骤48中用户同意接收可能的能量/充电时间，过程同样进行到步骤50。
[0150]
在步骤52中，用所确定的能量为车辆12充电。在充电期间，定期检查充电状态(步骤54)，并且在步骤56中检查充电是否完成。如果充电未完成，过程移动到步骤58，在此检查mesdcs的可用性、存储在mesdcs内的可用的能量以及当前充电过程的优先级。然后，在步骤60中，检查所请求的充电资源的可用性是否存在改变。例如，如果在此期间具有高充电优先级的另一个车辆连接到另一个充电端口，例如为始终保证最大充电速率而支付额外费率的顾客，或在一个或多个所选择的mesdcs ui必须被切换到前面提及的电力源支持状态以使电力网络30稳定的情况下，可用性可以改变。如果确定没有改变，过程再次移动到步骤52。然而，如果存在改变，则过程进行到步骤48并且将更新的可能的能量或充电时间值传输到车辆12或顾客。如果不存在来自车辆12或用户的回答，在一个优选的实施方案中，充电系统10继续以下一个可用的最高可能速率充电。
[0151]
如果在步骤56中确定充电完成，这在步骤62中被记录，并且在随后的步骤64中，释放在此充电端口lpj的充电过程中所涉及的mesdcs ui和连接矩阵16、16a、16b中的对应的连接。注意，由于连接矩阵16中的组合的数目有限，用于为车辆12充电的mesdcs ui在该过程期间为了平衡它们的充电状态或如果需要它们来建立用于为另一个车辆12充电的所请求的配置或提供所请求的电网支持则可以改变。如果在充电过程期间当前使用的mesdcs被mesdcs的另一个子集替换，用户或智能车辆12将不被通知，并且充电过程将如步骤46中所指定的那样继续。
[0152]
图8示出了密切相关的过程，该过程主要不同在于用户与控制系统18通信的方式。具体地，步骤44至64与图7的步骤基本相同并且不需要再次被记载。系统开始于步骤66中，在步骤66中，使车辆12连接到充电端口lpj。在步骤68中，控制系统18仅检查充电电压和最大充电电流，而不检查另一些充电参数，诸如充电时间。相反，在步骤70中由用户选择另一些充电参数，诸如充电时间、期望的充电能量和/或充电电流，优选地经由安装在他的/她的网络使能的便携式设备34上的应用程序。然后，在步骤72中，控制系统18检查可用的电力和可能的充电时间。以下步骤44至64与图7中所描述的步骤大致相同，除了在步骤48a和54a中，将关于充电状态的报告和关于可能的能量量/充电时间的信息传达给用户。此实施方案在充电系统10与停车设施相关联的情况下是特别有用的，在该停车设施处用户在延长的时间段内留下他的/她的车辆。
[0153]
例如，充电系统可以被安装在机场处的停车场内。用户可以到达机场并且将他的/她的汽车留在停车设施中两天。然后，在步骤70中，用户可以选择48小时的停车时间，并且指定在此时间期间，他的电池应被充电最高达75％，使得他/她可以安全地从机场开车回家。由于在这样的场景中每个车的充电需求非常低，因此可以存在由相对小数目的mesdcs ui服务的大数目的充电端口lpj。此外，停放的汽车的电池可以被用作用于充电系统10以及用于整个电力网络30的能量缓冲器。在停车设施中的延长的停留期间，可能存在对电力网
络30的高电力需求的阶段，并且在此情况下，来自车辆电池的电力可以经由反向充电状态和电力源支持状态而被转移到电力网络30。在这些时间期间，车辆所有者可以将储存在他们的车辆电池中的能量出售给电力网络。相反，有时在电力网络30中存在过多的电力，并且顾客几乎免费获得电力，或甚至因消耗来自网络的电力而得到报酬。在此时段期间，mesdcs ui的能量存储元件和车辆12的电池将优选地被充电。
[0154]
此外，mesdcs ui的能量缓冲容量和连接到充电系统10的车辆12的电池的能量缓冲容量不仅可以被用来支持电力网络30，而且可以被用来支持与充电系统10相关联的能量消耗实体。这样的能源消耗实体的一个实施例可以是前一段中提到的机场，但是也可以是工厂、火车站、医院或更通常是建筑物或一组建筑物，其中能量消耗实体具有本地供电网络，在正常运行下，该本地供电网络由电力网络供应电功率。在此情况下，充电系统10以及当前连接到它的车辆12的电池可以在电力网络30的电力故障的情况下充当用于紧急备用的缓冲器，或在高电力需求的瞬态时间的情况下支持本地电网络。这样的瞬时电力需求峰可以例如发生在工厂中，在此某个机器比如一天仅启动一次，并且为此需要过量的能量，而一天的平均需求要少得多。在此情况下，在瞬时峰能量时段期间，本地电网络可以由充电系统10支持。这在本领域中也被称为“调峰”。
[0155]
对于此实施方案，充电系统10包括开关装置，该开关装置允许将充电系统10的mesdcs ui中的一些或全部与本地电网络耦合用于向所述本地电网络供应电功率。此外，控制系统18被配置为建立相关联的实体供应模式，在该实体供应模式下它控制与本地电网络耦合的mesdcs ui的输出电压以向所述相关联的实体提供期望的电压的电力。
[0156]
然后能量消耗实体具有允许将本地供电网络与电力网络30去耦合的开关装置。这样，可以确保在相关联的实体供应模式下提供的能量将仅被用于此实体，而不通过当前不运行的本地电网络30耗散。
[0157]
图9至图19例示了如图1至图4中所示出的mesdcs ui的各实施方案。关于mesdcs的背景被公开在通过引用并入本文的de102017 110 410、wo2016/012247a1和wo2018/122094a1中。
[0158]
图9示出了根据本发明的一个实施方案的mesdcs ui的一般结构。mesdcs ui包括具有第一端24和第二端26的转换器臂76并且该转换器臂76包括多个顺序互连的模块78。虽然在图9中，出于例示目的仅示出了三个示例性模块78，但是在实际的mesdcs中，模块78的数目可以是数十个或甚至数百个。在最简单的形式中，每个模块78仅具有一个第一端子80和一个第二端子82。这样的模块78的实施例被示出在图10和图11中。此外，每个模块78包括能量存储元件84或能量转换元件，为了简单起见，其在图10至图16的例示中由电容器符号表示。然而，在优选的实施方案中，元件84是电池。在模块78中可以使用不同类型的电池，例如锂nmc电池、lfp电池或lto电池。此外，每个模块78包括多个模块开关86。在转换器臂76中，在每两个相邻的模块78中，一个模块的第一端子80与另一个模块78的至少一个第二端子连接。
[0159]
开关86的通用符号可以类似于晶体管，特别是mosfet或双极晶体管、igbt或可切换的晶闸管。
[0160]
在图10中所示出的模块78中，通过操作开关86，电池84可以被停用或它可以与相邻的模块78的电池84串联连接。
[0161]
图10中所示出的模块78——其具有全桥拓扑——同样允许停用或“旁路”电池84并且使相邻的模块78的电池84串联连接，但是也允许在连接中反转电池84的极性，为了简单起见，这在本文中被称为“反向串联连接”。此“反向串联”连接允许改变整个转换器臂76作为整体的极性，这是处理ac电压所必需的，并且也是在图3的连接矩阵16、16a、16b中建立串联连接所必需的，其中例如mesdcs u4和u5的转换器臂76具有不同的极性。
[0162]
整个变换器臂76的电压，或换句话说，mesdcs ui的输出电压，对应于当前所选择的串联的电池84的电压的总和。通过停用(即，旁路)某些模块中的电池84，电压可以被减小，并且通过启用先前停用的电池84，电压可以被增加。由于模块78的数目是有限的，因此输出电压特别地仅获取离散的状态。然而，由于通常非常大数目的模块，输出电压对于充电或建立电力源支持状态或本地网络支持状态的目的是足够平滑的。此外，可以通过以类似脉宽调制(pwm)的方式快速地连接和停用模块78之一中的电池84来使有效电压平滑。请注意，虽然在附图中未详细示出，但是对于每个臂76，可以在端24和/或26处设置滤波器元件，诸如扼流电感或电容器。电容器允许使电压平滑，这在pwm运行中是特别有用的。扼流电感允许使电流平滑，这允许满足网络调节，并且还允许在失灵(malfunction)的情况下限制电流上升速率。典型的配置可以涉及l-滤波器、lc-滤波器或lcl滤波器。
[0163]
图12示出了另一个mesdcs ui的一个示意性实施例，该另一个mesdcs ui同样包括包含级联的模块78的转换器臂76，其中在此情况下，主要不同在于每个模块78具有两个第一端子80a、80b和两个第二端子82a，82b。
[0164]
在分别具有两个第一端子80a、80b和两个第二端子82a、82b的模块78中，电池84不仅可以被停用和被选择性地串联连接，而且可以被并联连接，从而与每个仅具有一个第一端子80和第二端子82的mesdcs相比限制了内部电阻并且因此限制了损耗。图13示出了模块78，该模块允许选择性地使相邻的模块78的电池84并联连接或串联连接，尽管它仅包括三个开关86。然而，此模块不允许改变电压的极性。图17示出了串联连接的图13的几个模块，其中提供了允许反转整个转换器臂76的极性的另一个开关装置88。因此，尽管图13的模块78的电池84不能够被“反向串联”连接，但是转换器臂76作为整体的极性可以被反转。这同样适用于图8的模块，该模块同样不能够被“反向串联”连接。代替提供用于反转转换器臂作为整体的极性的另一个开关装置88，可以提供包括互相连接的两个桥支路的转换器臂并且在连接点处提供端子，如在marquardt的开创性专利申请de10217889a1的图5中所示出的。
[0165]
图14示出了提供更高程度的灵活性的模块78。通过操作其开关86，相邻的模块78的电池84可以被选择性地串联、反向串联和并联连接。
[0166]
图15示出了图13的模块的一个变体，其中提供了附加的开关以在被并联切换时停用其电池84。类似地，图16的模块是图14的模块的一个改型，其中同样提供了允许停用其电池84的附加的开关。图15和图16的模块不仅允许使相邻的模块78并联连接，而且允许使由具有停用的电池84的任意数目的模块78分离的模块并联连接。因此，关于哪些电池84应被并联连接存在很大的自由度。这是重要的，因为人们希望仅使具有相等的电压或仅最低限度不同的电压的那些电池84并联连接，以避免在这些电池84之间平衡电流，这将导致不希望的损耗。控制系统18可以监测每个单独的电池84的电压并且可以确保电池84的电压通过它们在输出电压的生成中所采用的方式来平衡。例如，优选地将在能量输出模式下在串联连接中使用具有较高的充电状态并且因此具有较高的电压的电池84，所述能量输出模式诸
如充电状态、电力网络支持状态或本地网络支持状态中的一个。相反，在反向充电状态中，或当mesdcs被连接以由电力网络30的对应的相充电时，具有较低的充电水平并且因此具有较低的电压的电池优选地将被连接到充电，而具有较高的充电水平的电池将首先被停用。仅当两个电池达到相同或至少类似的电压时，它们将被并联连接。对于此切换策略，重要的是，模块76的不直接相邻而由具有停用的电池84的一个或多个模块76分离的电池84尽管如此可以被并联切换，这通过如图15和图16中所示出的模块78而成为可能。
[0167]
关于图15和图16的模块76，这被更详细地示出在图17、图18和图19中，其中级联连接中的第二模块和第四模块78被并联连接，其中具有停用的电池84的第三模块78在中间，并且然后此并联连接与第一模块78串联连接。
[0168]
最后，图20示意性地示出了切换矩阵16的原理，该所述切换矩阵中，可以使用合适的开关90在每个交叉点处选择性地连接交叉导体。如之前所提及的，在导体的每个交叉处设置这样的开关90是不可能的但是必需的。
[0169]
尽管在附图和前面的说明书中详细示出和指定了优选示例性实施方案，但是这些应被视为纯粹示例性的而不视为限制本发明。在这方面应注意，仅示出和指定了优选示例性实施方案，并且应保护目前或未来位于如权利要求所限定的本发明的保护的范围内的所有变化和改型。
[0170]
参考标记的列表
[0171]
10充电系统
[0172]
12电动车辆
[0173]
14接口
[0174]
16矩阵
[0175]
16a矩阵16的第一部分
[0176]
16b矩阵16的第二部分
[0177]
18控制系统
[0178]
20矩阵16的第一端子
[0179]
22矩阵16的第二端子
[0180]
24mesdcs的第一端
[0181]
26mesdcs的第二端
[0182]
28第三端子
[0183]
30电力网络
[0184]
30a、30b、30c电力网络30的相
[0185]
32网络
[0186]
34智能电话
[0187]
40至70过程步骤
[0188]
76转换器臂
[0189]
78模块
[0190]
80、80a、80b第一端子
[0191]
82、82a、82b第二端子
[0192]
84电池
[0193]
86模块开关
[0194]
88开关装置
[0195]
90开关
[0196]
ui模块化能量存储直接转换器(mesdcs)
[0197]
lpj充电点。