CN109747456A - 移动能量存储设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种移动能量存储设备，其被布置成在公共交通中自主地行驶到所请求的位置并且在停放时间期间向停放的电动机动车辆供应能量。能量存储设备包括用于氢气的存储设备和燃料电池，并且布置成利用由燃料电池从存储的氢气产生的电流对停放的机动车辆充电。还提供了一种使用移动能量存储设备对车辆充电的方法。

Description

移动能量存储设备

技术领域

各种实施例涉及一种移动能量存储设备，该移动能量存储设备设置为在公共交通中自动行驶到所请求的位置，并在停车时间内为在该处停放的电动机动车辆提供能量，此外，还涉及一种通过移动能量存储设备为停放的电动机动车辆充电的方法。

背景技术

电动机动车辆都需要相应的充电基础设施，其在此应理解为不仅包括纯电池供电的电动车辆，而且还包括所有类型的配有额外的内燃机的混合动力电动车辆，包括插电式混合动力车辆。然而，由于对于足够数量的充电站的有限的空间和有限的财政资源(尤其是在公共区域)，以排放保护为目的的电动车推广受到挑战。例如，在急需减排的城市，许多车主依赖于将车辆停放在公共停车场，通常是在路边。基于相关费用和有限的空间，给无排放或低排放车辆提供足够的充电站可能是一个缓慢的过程。

例如，2015年在德国，每个公共充电站大约有7辆电动机动车辆，并且预计这种不匹配只会随着电动机动车辆数量的增加而增加。为了使少数公共充电站不会被不必要地占用，公共充电站的允许停车时间目前是有限的，并且在这些公共充电站的长时间停放和过夜停车不容易实现或者不成比例地昂贵。这些情况可能会阻止在路边停车的车主操作或购买电动机动车辆。

DE 10 2015 225 789 A1公开了一种形式的移动能量存储设备和方法。根据要求，能量存储设备可以在公共交通中自主地从一个充电站行驶到有能源需求的地方，例如，到电动机动车辆停留的地方。存储设备是蓄电池，或者是用于例如氢或乙醇的能量承载介质的罐。具有蓄电池的自行式能量存储设备可以对停放的电动机动车辆的蓄电池充电，并且具有氢储存器的自行式能量存储设备可以为停放的氢动力机动车辆提供氢气。移动能量存储设备适用于补充各种公共固定充电站的电力和氢气，并促进无排放机动车辆的使用。

发明内容

本公开的各种实施例涉及移动能量存储设备的设计，从而进一步推广特别是一般的电动车辆。

根据一个实施例，提供了一种移动能量存储系统，其被布置成在公共交通中自主地行驶到所请求的位置并且在停放时间期间向停放的电动机动车辆供应能量。能量存储设备包括用于氢气的存储装置和燃料电池，并且布置成利用由燃料电池从存储的氢气产生的电流对停放的机动车辆充电。

根据另一实施例，提供了一种借助于移动能量存储设备对停放的电动机动车辆的蓄电池进行充电的方法。移动能量存储设备被控制从而在公共交通中自主地行驶到所请求的位置。用电流对车辆的蓄电池充电，该电流从安装在移动能量存储设备中的燃料电池由移动能量存储设备携带的氢气产生。

根据各种示例，以机器人车辆的形式设计的能量存储设备不仅包括储氢设备，而且包括燃料电池，并且被设置为利用由燃料电池从存储的氢气产生的电流对停放的机动车辆充电。

也就是说，停放的机动车辆的蓄电池由内置于移动能量存储设备的燃料电池从氢气产生的电流充电，该氢气由移动能量存储设备携带。

氢储存器的能量密度比蓄电池高很多倍。因此，根据本公开的移动能量存储设备，即使它另外包含燃料电池，也可以比已知的具有相同储能容量的具有蓄电池的移动能量存储设备更为紧凑地构建，其中燃料电池应理解为整个相应的系统，尤其是氢-氧-燃料电池系统。

以这种方式，可以实现更紧凑的移动能量存储设备，因此可以找到靠近停放在道路侧面或另一个确认的停车区域中的电动机动车辆的空间。此外，尽管紧凑，这样的移动能量存储设备仍可以为多个机动车辆一个接一个充电，而不必在此期间返回氢气填充站。

虽然这些优点也存在于已知的移动能量存储设备中，该能量存储设备包含可以为氢动力车辆加气的氢储存器，但是在这些移动能量存储设备中，将其以处理氢气所需的精度和准确度与待加气的机动车辆自动连接是非常困难和复杂的。

相比之下，在根据本公开的移动能量存储设备中，能量存储设备和待充气的机动车辆之间的电连接可以更容易且更安全地自动进行。

此外，带有蓄电池的电动机动车辆比氢动力汽车更容易被公众接受或更可能被广泛采用，因此通过本公开的移动能量设备促进无排放机动车辆的推广，因为电动机动车辆可以简单地停放在道路侧面或类似地方的任何地方并且在那里自动充电。

由于氢储存器的高能量密度，与这些设备仅配备蓄电池相比，非常少数量的移动能量存储设备足以满足充电需求。此外，燃料电池/氢储存器系统的能量转换效率通常优于发电机/蓄电池电力储存系统的能量转换效率。

在各种实施例中，移动能量存储设备携带一个小得多的、通过电缆连接的道路车辆，或无人机车辆，其设置成从靠近机动车辆停放的能量存储设备自主行驶到该机动车辆并通过电缆为该机动车辆从移动能量存储设备充电。

在这种情况下，移动能量存储设备例如在移动能量存储设备底部的可下降平台上携带这种小型的电缆连接的道路车辆。

这种小型电缆连接的道路车辆可以具有低轮廓或是扁平的，使得其可以在停放的机动车辆下方行驶并且可以具有感应充电区域和/或CCS(联合充电系统，CombinedCharging System)充电连接器，以及用于向机动车辆的方向提升感应充电区域和/或CCS-充电连接器以进行充电的装置。

通过牵引装置，如独立驱动的麦克纳姆(Mecanum)轮和/或履带(以便更好地在路沿边缘上行驶)，实现了电缆连接的道路车辆的扁平设计，其同时实现了电缆连接的道路车辆的全方位性移动，而为此无需经典转向系统。

在一个示例中，移动能量存储设备优选地与典型中级轿车相比，大约是其一半长、一半宽，并至少等高，并且可以以这样的尺寸运输至少约六十千克的氢气。

氢气的储存装置可以包括一个或多个加压储氢罐、液氢储存罐、金属氢化物储存罐和/或LOHC(液体有机氢载体，Liquid Organic Hydrogen Carriers)罐。

附图说明

图1示出通过充电机器人为机动车辆充电到给充电机器人再次加气的循环；

图2A、2B和2C示出充电机器人在不同操作阶段的示意性剖视图；

图3A、3B和3C示出充电时机动车辆与充电机器人之间可能存在的若干相对位置关系；

图4A和4B示出充电机器人的纵截面及横截面；和

图5A、5B、5C和5D示出机动车辆及其充电接口的示意性剖视图和俯视图。

具体实施方式

根据需要，本文提供了本公开的详细实施例；然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且可以以各种和替代的形式实施。这些附图不一定按比例；某些特征可能被夸大或最小化以显示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。

参考图1，停放在通过公共道路可到达的位置的电动机动车辆2的车主1请求由自动行驶的充电机器人3对车辆2进行充电，例如，车主在其智能手机或其他设备上安装由充电机器人3的生产商提供的app或应用程序，通过该应用程序可指示他希望何时驶离以及应该给车辆充多少电，例如，充满或充半满。

智能手机通过蜂窝连接4向控制中心5或中央服务器发送信息，该控制中心5通过蜂窝连接6和安装在车辆2中的GPS(全球定位系统，Global Positioning System)来定位车辆2。控制中心5也可以检查车辆2的荷电状态和蓄电池类型，以及是否可以充电。车辆蓄电池可以由牵引电池或另一能量存储设备提供。车辆2的控制器可以检查车辆下方是否有足够的空间留给以下所描述的充电机器人，并且也可以检查车辆的位置和荷电状态，并可以直接将自行确认的数据通过无线通信网络发送给控制中心5。

控制中心5使用云和智能分配及调度算法处理充电请求，以计算充电机器人3应遵循的轨迹或路径，并计算基于充电请求的时间优先级的充电服务的顺序。

充电机器人3或机器人车辆是能够在公共交通中自动行驶的轮式车辆，并携带氢气，该氢气以气态形式和/或以液态形式或通过化学反应可逆地在例如液态有机氢载体(LOHC)的储存介质中储存。充电机器人3可以在氢气填充站7由服务人员或自动地加气，它也可以在该处停留。或者，充电机器人也可以通过运输车辆/运输拖车从分散式氢气填充站运送到市中心收集点(“HUB”)并停放在那里以供下次使用。在充电结束之后，充电机器人3行驶回到收集点并且再次通过运输车辆从那里返回到分散式氢气填充站以进行加气。

充电机器人3通过蜂窝或其它无线连接8受到指示向待充电车辆2行驶。一旦它到达待充电车辆2，充电机器人3通过车辆至车辆通信进入与车辆2的所谓的“握手模式”，将自身定位在其附近，并释放小型电缆连接的道路车辆，下文中称其为无人机10(见图2A-2C)。无人机10的最大高度小于传统乘用车辆的离地间隙，例如高度小于约二十厘米。因此无人机10能够在车辆2下方行驶，并且无人机可以将电缆9拖曳在其后方。通过使用环境传感器可以在车辆2和在充电机器人3及无人机10上自动执行这些过程。

无人机10行驶到车辆2下方在车辆2底部的毗邻感应充电区域和/或例如根据联合充电系统(Combined Charging System，CCS)标准的标准化的机电充电连接器的位置。在该处，无人机10自主进行适当的电连接，并通过电缆9和电连接给车辆2的蓄电池或电池充电。

如果车辆中有合适的充电设备，则根据车辆2是否具有感应充电区域或机电充电连接器，或者两个接口中的哪一个允许更快的充电，快速直流(DC)充电、2级三相充电、或感应充电通过无人机10上的直交流转换器进行。

图2A-2C示出了上述各操作阶段中的充电机器人3和无人机10。如在图2A中，无人机10通常位于充电机器人3底部的可下降平台13上。平台13可在存储位置和降低位置之间移动。在待充电的车辆2的位置处，平台13下降到道路水平面，如图2B所示，并且无人机10驶下平台13并在车辆2下行驶，使得无人机10上的感应充电区域11或CCS充电连接器12可以与其在车辆2上的相应匹配块配合工作，如图2C所示。无人机10和车辆2各包括传感器系统，该传感器系统，例如，感应地或通过红外线或超声波工作，用以检测彼此，使得无人机10自身可以向车辆2定向。

无人机10配备至少一对牵引设备，如麦克纳姆轮(Mecanum wheel)，每个麦克纳姆轮由一个小型电动马达驱动，以此无人机10可以进行全向行驶操作而无需机械转向系统。例如，在DE 2 354 404A1中描述了麦克纳姆轮。

通过将高压直流电转换为低压直流电的方式，无人机10从通过电缆9供应的充电电压获取它的驱动能量。在无人机10找到车辆2下方的正确位置之后，它提升感应充电区域11和CCS充电连接器12，并根据车辆2上存在所述两个接口中的哪一个或哪一个更适合来与车辆底部的感应充电区域或CCS充电连接器建立连接。

充电机器人3中的燃料电池系统随后工作并开始产生电流，并且通过充电机器人3中的直流变压器为车辆2的蓄电池充电。氢气中储存的能量向电能的转换及之后的反向过程不会产生除了无害的水蒸气之外的任何其他排放，这就是这里描述的移动能量存储设备或充电机器人3以及相关的为车辆充电的方法尤其适合于要求无排放交通或无排放区的城市或其他区域的原因。

当车辆2充电结束后，无人机10断开与车辆2的连接，返回充电机器人3并再次被提升到充电机器人3中如图2A所示的位置。随后充电机器人3向下一个待充电车辆或必要时向氢气填充站7行驶。

取决于所携带的氢的量，充电机器人3可具有各种尺寸。在一个示例中，充电机器人3可以是中型乘用车的大约一半到大约全长的长度并且是其大约一半的宽度并具有相似的高度或更高。通过这样的尺寸，充电机器人3通常可以位于车辆2的前方、旁边或后方任何位置，在该位置它可以足够长时间的停留而基本上不妨碍其他交通。充电时车辆2和充电机器人3之间的若干可能相对位置在图3A-3C中示出。此时，车辆2本身可以例如相对道路纵向、倾斜或横向停放，如相应的在图3A、3B和3C中所示。

计算表明，具有上述尺寸的充电机器人3足够大以储存和运输完全充满大约十辆具有100kWh电池的电池电动车辆、33辆具有30kWh电池的电池电动车辆、100辆具有10kWh插电式电池的插电式电动车辆或如果不必充满时相应的更多车辆所需的氢气量。充电机器人3可以允许快速充电，其通常情况下持续最多大约一小时，从而使得充电机器人3可以在夜间一个接一个为大约10辆车完全充电，之后才必须返回氢气填充站7。

在典型的真实场景中并考虑到在待充电车辆之间的行驶时间，本公开提供五十个这样的充电机器人就足以一天中服务一个城市中的大约2500辆电动车辆以及混杂的具有非常大和中等存储电池的电池车辆和插电式混合动力车辆。

图4A和4B以纵截面和横截面示出了根据实施例的充电机器人3。在该例中，充电机器人3包括六个标准加压储氢罐14，用于约六十千克700巴的氢气，罐14通过公共压力控制阀15和加气口16相连接。

压力线从压力控制阀15通过分离阀17通向燃料电池18(即，燃料电池系统)，该燃料电池可以在由氢气和氧气转化为水时产生由燃料电池的极化曲线给出的电压下的电流。

燃料电池18的电输出经由蓄电池直流变压器19电连接到高压蓄电池20，其在使用设备3对车辆2充电时提供用于峰值负载的二次电源。燃料电池18还可以在充电机器人从一个位置行驶向另一个位置期间工作对高压蓄电池20充电。

另外，作为主充电电流源的燃料电池18的电输出通过快速充电直流变压器21与无人机10电连接。无人机10收纳在无人机壳22中。

充电机器人3具有牵引装置，例如车轮，以在下面的表面上推进充电机器人。充电机器人3的两个车轮或者所有四个车轮借助轮毂马达23单独驱动，并且充电机器人3的两个或者所有四个车轮可通过转向马达24各自转向。

充电机器人3设置有传感器系统，如自动驾驶必需的，例如用于充电机器人3位置的高分辨率测量的激光雷达、雷达、摄像机、高分辨率GPS(Global Positioning System，全球定位系统)和测距传感器。充电机器人3的轮毂马达23和转向马达24可以从所载的低压电系统供应低压电，该低压电系统由来自高压蓄电池20的变压器供电，并且还向所有必需的传感器和其他电子设备供电。

代替加压储氢罐14，还可以使用其他已知类型的储氢装置。

因此，例如具有一个或多个真空隔热罐的液态储氢系统可用于低温液态氢。在提取期间，罐中的温度保持恒定，同时氢气连续释放。在这种情况下，充电机器人3还必须附加地包括用于加热被释放氢气的蒸发及加热单元。

作为另一种示例，可以使用金属氢化物储氢系统代替储氢罐，其中在氢和金属或合金之间形成化学键。例如，在多孔管中压缩的氢化镁粉末在环境温度和低压下储存氢气。在这种情况下，充电机器人3可以包含另一个电加热设备或者热交换器，以便更快地从储存材料中释放所储存的氢气。

在另一种示例中，氢储存在液态有机氢载体(LOHC)中可以在移动充电设备3上使用。液态有机氢载体的罐包含分离膜，该膜将未使用的LOHC和使用过的LOHC分离。由于其储存能力，二苄基甲苯(Didenzyltoluol)尤其适合作为LOHC。在这种情况下，充电机器人3还必须包括LOHC系统的不同部件，尤其是反应器系统、止回阀、燃料泵、电加热单元、压力控制阀、分离阀、燃料电池的冷却剂管线以及所使用的LOHC的灌注口。

如上所述并在图5A-5D中示出，车辆2具有安装在车辆底部或底盘的充电接口系统25以及标准化的车辆-充电站通信系统，该充电接口系统具有感应充电区域26和/或CCS充电连接器27。

感应充电区域26通过交直流转换器28连接到车辆2的高压蓄电池30或电池30的蓄电池连接及管理系统29。CCS充电连接器27直接连接到高压蓄电池30的接口29。当CCS充电连接器27的充电接口组件升高时，CCS充电连接器27上的保护罩32由无人机10上的CCS充电连接器12打开。与在无人机10上一样，在充电接口系统25上也有位置传感器32和/或执行器，借助于它们，无人机10可以正确地在车辆2下定位并与之连接。

这里描述的移动能量存储设备或充电机器人3和所描述的方法使得车主不用每日为电动机动车辆寻找未占用的充电站。如果时间合适，他们可以让他们的车辆充电，而不必在充电完成后驶离或挪车。

此外，所需的公共充电站的数量可以大大减少，这节省了充电基础设施的高投资成本。移动能量存储设备或充电机器人3和所描述的方法还减少了与访问固定充电站相关联的运输，因为充电机器人3由于氢气能量载体可以储存的能量是相应重量大小的蓄电池所能储存的能量的数倍，因此每个充电机器人3可以为更多的机动车辆充电并且可以在其必须再次填充氢气之前采取优化的路线。

更进一步电源系统或电网上的峰值负载可以降低，因为充电在时间上与电源系统上的电流负载分离。氢气可以从可再生能源中产生，尤其例如从风力涡轮机和太阳能系统发生特别大量的发电。因此，大量充电机器人3作为能量存储设备可以在发电和功耗之间形成时间缓冲。

充电机器人3也可以被请求给由于充电不足而停留下的电动车辆进行快速充电，如果有适当的接口，它也可以用来为氢动力车辆加气。充电机器人3也可以被请求用于房地产的临时电力供应，例如在由于建筑施工或自然灾害导致的电力故障的情况下，或者例如用于建筑机械的临时电力供应。

虽然以上描述了各种实施例，但并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能形式。而，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以组合各种实现实施例的特征以形成另外的实施例。

Claims (20)

1.一种移动能量存储系统，包括：

机器人车辆，所述机器人车辆被配置为自主地行驶到与停放的电动机动车辆相关联的请求位置并且与所述机动车辆电连接；

储氢设备，所述储氢设备由所述机器人车辆支撑；和

燃料电池，所述燃料电池连接到所述储氢设备并由所述机器人车辆支撑，其中所述燃料电池从所述储氢设备中储存的氢气产生电流；

其中所述机器人车辆使用来自所述燃料电池的所述电流供应电能从而对所述机动车辆充电。

2.根据权利要求1所述的移动能量存储系统，进一步包括道路车辆，所述道路车辆通过电缆连接到所述机器人车辆，当所述机器人车辆停放在所述机动车辆附近时，所述道路车辆从所述机器人车辆驶向所述机动车辆，所述道路车辆经由所述电缆用来自所述机器人车辆的所述电流对所述机动车辆充电。

3.根据权利要求2所述的移动能量存储系统，其中所述机器人车辆具有可从存储位置移动到降低位置的平台，所述平台用于在所述机器人车辆运动时携带所述道路车辆。

4.根据权利要求2所述的移动能量存储系统，其中当停放在平坦表面上时，所述道路车辆的最大高度小于所述机动车辆下方的间隙，使得所述道路车辆可在所述机动车辆下方行驶。

5.根据权利要求2所述的移动能量存储系统，其中所述道路车辆包括感应充电区域和/或联合充电系统(CCS)充电连接器。

6.根据权利要求2所述的移动能量存储系统，其中所述道路车辆具有至少两个独立驱动的麦克纳姆轮和/或履带。

7.根据权利要求1所述的移动能量存储系统，其中所述储氢设备具有至少六十千克氢的储存容量；和

其中所述机器人车辆具有长度范围从中型乘用车的一半长度到全长的长度、所述中型乘用车宽度的一半的宽度、以及至少是所述中型乘用车高度的高度。

8.根据权利要求1所述的移动能量存储系统，其中所述储氢设备具有存储氢的容量，以在具有蓄电池的电动车辆上执行十次连续充电过程。

9.根据权利要求1所述的移动能量存储系统，其中所述储氢设备包括加压储氢罐、液氢储存罐、金属氢化物储存罐和/或液体有机氢载体(LOHC)罐。

10.一种方法，包括：

自动地行驶机器人车辆至与停放的电动机动车辆相关联的请求位置；

使用连接到储氢设备的燃料电池在所述机器人车辆上产生电流；

使用来自所述燃料电池的所述电流为所述机动车辆的能量存储设备充电。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述自动地行驶机器人车辆进一步包括从控制中心的数据库接收指示所述机动车辆的位置和电池状态的信号，所述信号由所述机器人车辆的控制器接收。

12.一种移动充电系统，包括：

机器人车辆，所述机器人车辆具有控制器，用于自动行驶至停放的电动机动车辆；

燃料电池系统和相应的储氢设备，所述燃料电池系统和所述储氢设备由所述机器人车辆支撑用以产生电流；和

连接器，所述连接器用于与所述机动车辆电连接，从而利用由所述燃料电池系统产生的所述电流对所述机动车辆充电。

13.根据权利要求12所述的移动充电系统，进一步包括辅助车辆，所述辅助车辆通过电缆连接到所述机器人车辆，所述辅助车辆上具有所述连接器。

14.根据权利要求13所述的移动充电系统，其中所述连接器是感应充电区域、机电充电连接器或其组合。

15.根据权利要求13所述的移动充电系统，其中所述辅助车辆由一对牵引设备支撑。

16.根据权利要求15所述的移动充电系统，其中所述辅助车辆的最大高度小于二十厘米，从而使得所述辅助车辆的尺寸适于在所述机动车辆的底盘下方行驶；以及

其中所述控制器配置成控制所述辅助车辆以独立于所述机器人车辆移动。

17.根据权利要求13所述的移动充电系统，其中所述机器人车辆具有可在存储位置和道路水平位置之间移动的平台，所述平台的尺寸适于接收所述辅助车辆。

18.根据权利要求13所述的移动充电系统，其中所述机器人车辆的所述控制器配置成与中央服务器及所述机动车辆通信；和

其中所述辅助车辆具有传感器系统以检测所述机动车辆并使所述辅助车辆相对其定向。

19.根据权利要求12所述的移动充电系统，进一步包括电池，所述电池由所述机器人车辆支撑并且电连接到所述燃料电池系统及用以对所述机动车辆充电的所述连接器。

20.根据权利要求12所述的移动充电系统，其中所述机器人车辆由一对牵引设备支撑，每个所述牵引设备具有相关的轮毂马达。