DE102011018457B4 - Charging station for charging vehicles with an electric drive using mechanical power transmission - Google Patents
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Abstract
Ladestation (100, 200) für ein Fahrzeug (150, 250) mit mindestens einer als Antrieb genutzten elektrischen Maschine (152, 252), miteiner Antriebsvorrichtung (110) zur Abgabe mechanischer Leistung,einer mechanischen Kupplungsvorrichtung (130), die ausgebildet ist, die Antriebsvorrichtung (110) mit der elektrischen Maschine (152, 252) des Fahrzeugs (150, 250) zu koppeln ist,einer Steuervorrichtung (120, 220) zur Steuerung der Antriebsvorrichtung (110) und zur Steuerung der mechanischen Leistung während eines Nutzbremsmodus der elektrischen Maschine (152, 252), wobei die Steuervorrichtung (120, 220) ferner ausgebildet ist, das Übertragen der mechanischen Leistung bei Unterschreiten eines Schwellwerts der aktuell übertragenen mechanischen Leistung zu beenden, undeiner Energiespeichereinrichtung (140), die dazu ausgebildet ist, der Antriebsvorrichtung (110) Energie zur Abdeckung von Leistungsspitzen und/oder für einen autarken Betrieb zuzuführen.Charging station (100, 200) for a vehicle (150, 250) with at least one electric machine (152, 252) used as a drive, with a drive device (110) for delivering mechanical power, a mechanical clutch device (130) which is designed to A drive device (110) is to be coupled to the electric machine (152, 252) of the vehicle (150, 250), a control device (120, 220) for controlling the drive device (110) and for controlling the mechanical power during a regenerative braking mode of the electric machine (152, 252), wherein the control device (120, 220) is also designed to end the transmission of the mechanical power when the mechanical power currently being transmitted falls below a threshold value, and an energy storage device (140) which is designed to supply the drive device (110 ) to supply energy to cover power peaks and/or for self-sufficient operation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge, die zumindest eine elektrische Maschine für den Antrieb verwenden und einen Energiespeicher benötigen, der extern aufgeladen werden kann.The present invention relates generally to vehicles that use at least one electric machine for propulsion and require an energy store that can be charged externally.
Im Bereich des Individualverkehrs ist zunehmend von großer Bedeutung, die Effizienz von Fahrzeugen zu steigern. Dies wird vielfach dadurch angestrebt, dass mindestens eine elektrische Maschine vorgesehen wird, die unmittelbar für den Vortrieb des Fahrzeugs Verwendung findet. Zu Beispielen derartiger Fahrzeuge gehören bereits heute erhältliche Hybridfahrzeuge, bei denen die elektrische Maschine direkt, also durch Bereitstellung mechanischer Energie an die Antriebsräder, zum Vortrieb des Fahrzeuges beiträgt. Obwohl in diesen Hybridfahrzeugen bislang ein wesentlicher Beitrag der Antriebsenergie durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wird, gibt es zunehmend Bestrebungen, die elektrischen Energiespeicher derartiger Fahrzeuge so zu erweitern, dass immer größere Strecken rein elektrisch oder zumindest mit einem hohen Anteil an elektrischer Energie zurückgelegt werden können, wobei der Energiespeicher sodann zumindest teilweise wieder durch externe, also nicht durch den Verbrennungsmotor zugeführte Energie aufgeladen wird.In the area of private transport, increasing the efficiency of vehicles is becoming increasingly important. This is often sought in that at least one electric machine is provided, which is used directly for the propulsion of the vehicle. Examples of such vehicles include hybrid vehicles that are already available today, in which the electric machine contributes directly to the propulsion of the vehicle, ie by providing mechanical energy to the drive wheels. Although in these hybrid vehicles a significant contribution to the drive energy has so far been generated by an internal combustion engine, there are increasing efforts to expand the electrical energy storage devices of such vehicles in such a way that longer and longer distances can be covered purely electrically or at least with a high proportion of electrical energy, where the energy store is then at least partially recharged by external energy, ie energy not supplied by the internal combustion engine.
In anderen Fahrzeugkonzepten dient die elektrische Maschine ausschließlich zum Vortrieb des Fahrzeuges, während zusätzliche Einrichtungen, etwa Verbrennungsmotore, Brennstoffzellen, und dergleichen zur Bereitstellung der elektrische Energie oder zumindest eines erheblichen Teils davon insbesondere für das Zurücklegen längerer Strecken Verwendung finden. Auch gibt es reine Elektrofahrzeuge, in denen die Energie für den Vortrieb ausschließlich aus einem mitgeführten Energiespeicher gewonnen wird, der somit auch regelmäßig aufzuladen ist.In other vehicle concepts, the electric machine is used exclusively to propel the vehicle, while additional devices such as internal combustion engines, fuel cells and the like are used to provide the electrical energy or at least a significant part of it, especially for covering longer distances. There are also purely electric vehicles in which the energy for propulsion is obtained exclusively from an on-board energy storage device, which therefore also has to be charged regularly.
Zu diesem Zweck werden in diesem Fahrzeugen entsprechende Ladeeinrichtungen mitgeführt, die mit einer externen elektrischen Anschlussdose verbunden werden können, so dass der Energiespeicher gemäß der verfügbaren externen elektrischen Energie und der Leistung des mitgeführten Ladegerät aufgeladen werden kann. Dabei sind die erreichbaren Ladezeiten im Wesentlichen von der Belastbarkeit des externen Ladeanschlusses sowie auch von der Größe und des Leistungsvermögens des internen mitgeführten Ladegeräts abhängig.For this purpose, corresponding charging devices are carried in these vehicles, which can be connected to an external electrical connection socket, so that the energy store can be charged according to the available external electrical energy and the power of the charging device carried. The achievable charging times essentially depend on the capacity of the external charging connection as well as the size and performance of the internal charger that is carried along.
Zwar werden immer mehr öffentlich verfügbare Anschlussmöglichkeiten für die mitgeführten elektrischen Ladegeräte bereitgestellt, ein flächendeckendes Angebot elektrischer Energie für das Aufladen von Energiespeichern von Fahrzeugen ist jedoch derzeit nicht gegeben. Insbesondere sind für derartige Fahrzeuge mit elektrischen Energiespeichern gemäß konventioneller Ladetechniken geeignet ausgebildete elektrische Ladegeräte vorzusehen, in denen zwar, je nach Ausführung, gewisse Komponenten der bereits vorhandenen Leistungselektronik für den elektrischen Antriebsstrang mit verwendet werden, aber dennoch weitere Komponenten insbesondere für die Spannungsanpassung zwischen externem Ladeanschluss und der internen Spannung des Energiespeichers erforderlich sind.Although more and more publicly available connection options are being provided for the electrical charging devices that are being carried, there is currently no comprehensive supply of electrical energy for charging the energy storage devices of vehicles. In particular, for such vehicles with electrical energy stores according to conventional charging techniques, suitably designed electrical charging devices are to be provided in which, depending on the design, certain components of the existing power electronics for the electrical drive train are also used, but still other components, in particular for the voltage adjustment between the external charging connection and the internal voltage of the energy storage device are required.
Ferner fehlt bisweilen ein standardisierter Anschlussstecker zur Anbindung des fahrzeuginternen Ladegeräts an elektrische Anschlussdosen einer Ladestation, so dass üblicherweise gängige Anschlussdosen für den üblichen Stromanschluss im Haushalt verwendet werden und das Ladegerät dann für die Anpassung an den Energiespeicher sorgt. Auch ist durch die Verwendung haushaltsüblicher Anschlussstecker und darauf abgestimmte Ladegeräte damit die Höhe der zuführbaren elektrischen Energie deutlich eingeschränkt.Furthermore, sometimes there is no standardized connector plug for connecting the vehicle's internal charger to the electrical connection sockets of a charging station, so that conventional sockets are usually used for the usual household power connection and the charger then ensures the adaptation to the energy store. The amount of electrical energy that can be supplied is also significantly restricted through the use of household connection plugs and chargers tailored to them.
Die Druckschrift US 2008 / 0 297 109 A1 beschreibt ein System zur Übertragung mechanischer Energie auf ein Fahrzeug, wobei ein Fahrzeugbus- und Steuersystem beschrieben ist, das dem Einschalten des Generatormodus und der Steuerung des elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs im Generatormodus dient.Document US 2008/0 297 109 A1 describes a system for transmitting mechanical energy to a vehicle, a vehicle bus and control system being described which serves to switch on the generator mode and to control the electric drive motor of the vehicle in generator mode.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Im Lichte der zuvor dargestellten Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für das Aufladen von Energiespeichern in Fahrzeugen bereitzustellen, wobei eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung verringert werden.In light of the situation presented above, it is an object of the present invention to provide means for charging energy stores in vehicles, whereby one or more of the above problems are avoided or at least reduced in effect.
Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ladestation für ein Fahrzeug bereitgestellt, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.In order to achieve the aforementioned object, a charging station for a vehicle is provided according to the present invention, which has the features of
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Ladestation ist also so ausgestaltet, dass externe mechanische Energie und damit Leistung auf die elektrische Maschine des Fahrzeugs übertragen werden kann, die sich ihrerseits im Generatorbetrieb befindet, so dass die extern zugeführte mechanische Leistung durch die fahrzeuginternen Komponenten, d.h. durch die elektrische Maschine und die damit gekoppelte Leistungselektronik in elektrische Leistung umgewandelt werden kann. Es werden also vorzugsweise Komponenten beim Ladevorgang verwendet, die ohnehin Bestandteil des Fahrzeuges sind, ohne dass auf spezielle Eigenschaften des Energiespeichers, der verwendeten Systemspannung, und dergleichen Rücksicht genommen werden muss. D.h., typischerweise sind die Leistungselektronik der elektrischen Maschine sowie die elektrische Maschine selbst geeignet ausgebildet, um im Zusammenwirken mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs effizient die Energie des Energiespeichers in mechanische Leistung mit gewünschter Höhe umzuwandeln. In der umgekehrten Richtung kann somit auch eine gewünschte hohe elektrische Leistung von der elektrischen Maschine beim Ladevorgang abverlangt werden, die somit ebenfalls in sehr effiziente Weise in elektrische Leistung umgewandelt wird. Beispielsweise kann daher die Ladeleistung der Ladestation sehr hoch sein, da in der Regel die elektrische Maschine sowie die dazugehörige Leistungselektronik für hohe Leistungen, etwa beim Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs, ausgelegt sind. Die Ladestation ihrerseits kann die gewünschte mechanische Leistung effizient mittels elektrischer, pneumatischer, hydraulischer Komponenten, etc. nach Bedarf bereitstellen, ohne dass eine Anpassung dieser Komponenten auf fahrzeugspezifische Eigenschaften erforderlich ist.The charging station according to the invention is therefore designed in such a way that external mechanical energy and thus power can be transferred to the electric machine of the vehicle, which in turn is in generator mode, so that the mechanical power supplied externally by the vehicle's internal components, ie by the electric machine and the power electronics coupled with it can be converted into electrical power. Components that are part of the vehicle in any case are therefore preferably used during the charging process, without having to take special properties of the energy store, the system voltage used, and the like into consideration. In other words, typically the power electronics of the electrical machine and the electrical machine itself are suitably designed to efficiently convert the energy of the energy store into mechanical power at the desired level in cooperation with the energy store of the vehicle. In the opposite direction, a desired high electrical power can thus also be demanded from the electrical machine during the charging process, which is thus also converted into electrical power in a very efficient manner. For example, the charging capacity of the charging station can therefore be very high, since the electrical machine and the associated power electronics are generally designed for high capacities, for example when the vehicle is in recuperation mode. For its part, the charging station can efficiently provide the desired mechanical power by means of electrical, pneumatic, hydraulic components, etc. as required, without these components having to be adapted to vehicle-specific properties.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Kupplungsvorrichtung zur mechanischen Ankopplung an mindestens ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs ausgebildet. Durch diese Art der Ausbildung der Kupplungsvorrichtung ist es möglich, jegliche Art von Fahrzeug mit externer mechanischer Energie zu beaufschlagen, ohne dass dazu wesentliche Modifizierungen an dem Fahrzeug erforderlich sind, oder aber die Fahrzeuge können im Hinblick auf die Ankopplung an die Ladestation vollkommen unverändert bleiben. In einer Ausführungsform kann die mechanische Ankopplung so erfolgen, dass etwa eine Rolle oder Walze der Antriebvorrichtung der Ladestation in Reibkontakt mit der Lauffläche des angetriebenen Rads gebracht wird. In anderen Ausführungsformen können geeignet ausgebildete Felgen am Fahrzeug vorgesehen werden, so dass ein mechanischer Eingriff der Kupplungsvorrichtung mit hoher mechanischer Effizienz möglich ist. In derartigen Ausführungsformen ist die Ladestation ferner geeignet ausgestaltet, den relativen Stillstand des Fahrzeugs bei der Einspeisung mechanischer Leistung an einem oder mehreren angetriebenen Rädern sicherzustellen.In a further advantageous embodiment, the coupling device is designed for mechanical coupling to at least one driven wheel of the vehicle. With this type of design of the coupling device, it is possible to apply external mechanical energy to any type of vehicle without the need for significant modifications to the vehicle, or the vehicles can remain completely unchanged with regard to the coupling to the charging station. In one embodiment, the mechanical coupling can take place in such a way that, for example, a roller or cylinder of the drive device of the charging station is brought into frictional contact with the running surface of the driven wheel. In other embodiments, suitably designed wheel rims can be provided on the vehicle, so that mechanical engagement of the clutch device is possible with high mechanical efficiency. In such embodiments, the charging station is also suitably designed to ensure that the vehicle is relatively stationary when mechanical power is being fed to one or more driven wheels.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, Steuersignale von dem Fahrzeug zu empfangen. Auf diese Weise kann eine mit dem Fahrzeug koordinierte Ladung des Energiespeichers erfolgen, oder es können Vorgaben des Fahrzeughalters beim Laden des Energiespeichers abgefragt und gegebenenfalls entsprechend eingehalten werden.In a further advantageous embodiment, a communication device is provided which is designed to receive control signals from the vehicle. In this way, the energy store can be charged in a way that is coordinated with the vehicle, or specifications from the vehicle owner can be queried when charging the energy store and, if appropriate, can be complied with accordingly.
In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung ausgebildet, zumindest die Leistungsübertragung von der Antriebsvorrichtung auf die elektrische Maschine unter Nutzung zumindest eines Teils der Steuersignale zu steuern. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Steuerung derart erfolgen, dass eine maximale Leistung nicht überschritten wird, oder dass nur eine vorgegebene Energiemenge eingespeist wird.In one embodiment, the control device is designed to control at least the power transmission from the drive device to the electric machine using at least some of the control signals. For example, for this purpose, control can be carried out in such a way that a maximum power is not exceeded, or that only a predetermined amount of energy is fed in.
Erfindungsgemäß weist die Ladestation eine Energiespeichereinrichtung auf, so dass bei Bedarf sehr hohe Leistungsspitzen überbrückt werden können, selbst wenn die der Ladestation von außen zugeführte Leistung zur Abdeckung dieser Spitzen nicht ausreicht. Die Speichereinrichtung kann dabei zur Speicherung von elektrischer Energie und/oder mechanischer Energie ausgebildet sein, wobei dies von der Art der Energie abhängt, mit der die Antriebsvorrichtung der Ladestation betrieben wird.According to the invention, the charging station has an energy storage device so that, if necessary, very high power peaks can be bridged, even if the power supplied to the charging station from the outside is not sufficient to cover these peaks. The storage device can be designed to store electrical energy and/or mechanical energy, this depending on the type of energy with which the drive device of the charging station is operated.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass eine „mechanische“ Energie hierin auch als Energie betrachtet wird, die in Form von unter Druck stehenden Gas und/oder Flüssigkeiten bereitgestellt wird. Wenn der Energiespeicher in Form eines Speichers zur Aufnahme elektrischer Energie bereitgestellt wird, kann dieser beispielsweise in Form von Kondensatoren vorgesehen sein, so dass kurzzeitig eine sehr hohe elektrische Leistung entnommen werden kann, falls der aktuell ablaufende Ladevorgang die elektrische Leistung übersteigt, die von einem elektrischen Anschluss für die Ladestation geliefert werden kann.In this context, it should be noted that "mechanical" energy is also considered herein to be energy provided in the form of pressurized gases and/or liquids. If the energy store is provided in the form of a store for storing electrical energy, this can be provided, for example, in the form of capacitors, so that a very high level of electrical power can be drawn off for a short time if the current charging process exceeds the electrical power that can be supplied by an electrical Connection for the charging station can be supplied.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung der Ladestation ausgebildet, das Übertragen der mechanischen Leistung bei Unterschreiten eines Schwellwerts der aktuell übertragenen mechanischen Leistung zu beenden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Ladevorgang rechtzeitig beendet wird, wenn etwa der Nutzbremsmodus im Fahrzeug beendet wird. Beispielsweise kann die fahrzeuginterne Leistungselektronik einen hohen Ladezustand des Energiespeichers, eine zu hohe Temperatur einer Komponente, etc. erkennen und daraufhin, wie auch beim normalen Fahrbetrieb das Rekuperieren geeignet zurückregeln oder gänzlich abschalten. Auf diese Weise können ebenfalls bereits im Fahrzeug vorhandene Komponenten effizient zur Steuerung des Ladevorgangs ausgenutzt werden.According to the invention, the control device of the charging station is designed to end the transmission of the mechanical power when the currently transmitted mechanical power falls below a threshold value. In this way, it can be ensured that the charging process is completed in good time, for example when the regenerative braking mode in the vehicle is terminated. For example, the vehicle's internal power electronics can detect a high charge level of the energy storage device, excessive temperature of a component, etc. and then, as with normal driving, Reduce recuperation appropriately or switch off completely. In this way, components already present in the vehicle can also be used efficiently to control the charging process.
In einem zum Verständnis der Erfindung betragenden Beispiel wird eine Ladevorrichtung in einem unter Anwendung zumindest einer elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeug bereitgestellt. Die Ladevorrichtung umfasst eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, bei relativem Stillstand des Fahrzeugs in Bezug auf eine Ladestation die elektrische Maschine in einen Nutzbremsmodus überzuführen.In an example useful for understanding the invention, a charging device is provided in a vehicle powered using at least one electric machine. The charging device includes a control unit that is designed to switch the electric machine to a regenerative braking mode when the vehicle is relatively stationary in relation to a charging station.
Die fahrzeuginterne Ladevorrichtung umfasst somit eine Steuereinheit, die im Gegensatz zu konventionellen Ladegeräten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, keine speziell gestaltete Leistungselektronik erfordert, sondern in steuerbarer Weise den Nutzbremsmodus initiieren kann, so dass die fahrzeuginternen Antriebskomponenten für die Aufladung des fahrzeuginternen Energiespeichers genutzt werden können. D.h., durch die Einwirkung der Steuereinheit ist das Fahrzeug für die Aufnahme mechanischer Energie bzw. Leistung im Stillstand des Fahrzeugs vorbereitet, so dass ein effizienter Ladevorgang ausgeführt werden kann.The in-vehicle charging device thus includes a control unit which, in contrast to conventional charging devices in electrically powered vehicles, does not require any specially designed power electronics, but can initiate the regenerative braking mode in a controllable manner, so that the in-vehicle drive components can be used to charge the in-vehicle energy store. That is to say, through the action of the control unit, the vehicle is prepared for the absorption of mechanical energy or power when the vehicle is stationary, so that an efficient charging process can be carried out.
In einem weiteren Beispiel, das zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung beiträgt umfasst die Steuereinheit ferner eine Kommunikationseinrichtung, die ausgebildet ist, ein Steuersignal zu der externen Ladestation, die externe mechanische Leistung zuführt, zu übermitteln. Auf diese Weise findet der Ladevorgang durch Zuführen externer mechanischer Energie unter Steuerung des Fahrzeugs statt, so dass fahrzeugspezifische Eigenschaften bzw. Vorgaben des Fahrzeughalters in die Steuerung des Ladevorgangs eingreifen können.In a further example which contributes to a better understanding of the present invention, the control unit further comprises a communication device which is designed to transmit a control signal to the external charging station which supplies external mechanical power. In this way, the charging process takes place by supplying external mechanical energy under the control of the vehicle, so that vehicle-specific properties or specifications of the vehicle owner can intervene in the control of the charging process.
Das Steuersignal weist zumindest eine Signalkomponente auf, die die externe Ladestation zur Unterbrechung der Zuführung der externen mechanischen Leistung veranlasst. Diese Signalkomponente zur Unterbrechung der Zuführung der externen mechanischen Leistung kann beispielsweise auf der Grundlage von Informationen erzeugt werden, die den Energiestatus des Energiespeichers, den Status von Leistungselektronikkomponenten, und dergleichen betreffen.The control signal has at least one signal component that causes the external charging station to interrupt the supply of the external mechanical power. This signal component for interrupting the supply of the external mechanical power can be generated, for example, on the basis of information relating to the energy status of the energy store, the status of power electronic components, and the like.
In anderen Beispielen enthält das Steuersignal auch Signalkomponenten, die eine geeignete Anpassung des Ladevorgangs an fahrzeugspezifische Eigenschaften ermöglichen. In anderen Beispielen ist die Steuereinheit entsprechend so ausgebildet, dass diese den Ladevorgang in geeigneter Weise steuert, indem etwa der Grad der Rekuperation auf das gewünschte Maß eingestellt wird.In other examples, the control signal also contains signal components that enable the charging process to be adapted appropriately to vehicle-specific characteristics. In other examples, the control unit is designed accordingly in such a way that it controls the charging process in a suitable manner, for example by setting the degree of recuperation to the desired level.
Zur Erläuterung der Erfindung sind im Weiteren auch nicht beanspruchte Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Fahrzeugs, das zumindest eine als Antrieb des Fahrzeugs genutzte elektrische Maschine aufweist, beschrieben. Dabei wird externe mechanische Leistung auf die elektrische Maschine des Fahrzeugs bei relativem Stillstand des Fahrzeugs übertragen. Ferner wird ein Generatorbetrieb der Maschine durch eine Steuereinheit während des Übertragens der externen mechanischen Leistung eingestellt. Ferner umfasst das Verfahren das Überwachen des Energiestatus des Energiespeichers durch die Steuereinheit.To explain the invention, non-claimed methods for charging an energy store of a vehicle, which has at least one electric machine used to drive the vehicle, are also described below. In this case, external mechanical power is transmitted to the electric machine of the vehicle when the vehicle is relatively stationary. Furthermore, a generator operation of the machine is set by a control unit during the transmission of the external mechanical power. Furthermore, the method includes the monitoring of the energy status of the energy store by the control unit.
Dadurch wird also das Aufladen des Energiespeichers durch ein gesteuertes Einstellen des Generatorbetriebs des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug relativ zu einer Ladestation im Stillstand ist. Wie zuvor bereits erläutert ist, kann in einem entsprechenden Verfahren die „Infrastruktur“ insbesondere im Hinblick auf Leistungselektronik und die Wandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung bei hohem Wirkungsgrad des Fahrzeugs effizient eingesetzt werden, um den Energiespeicher aufzuladen, wobei die Leistung im Wesentlichen durch die fahrzeuginternen Komponenten festgelegt ist.This means that the charging of the energy store is achieved by a controlled setting of the generator operation of the vehicle when the vehicle is at a standstill relative to a charging station. As already explained above, the "infrastructure" can be used efficiently in a corresponding method, in particular with regard to power electronics and the conversion of mechanical power into electrical power with a high degree of vehicle efficiency, in order to charge the energy storage device, with the power essentially being generated by the in-vehicle components is fixed.
Es sollte beachtet werden, dass das Verfahren zwar vorteilhaft in stationären Ladesystemen Anwendung findet, in einigen Aspekten jedoch auch in beweglichen Ladestationen, beispielsweise in Form von Fahrzeugtransportsystemen, Waschanlagen, und dergleichen verwendet wird, in denen jedoch das Fahrzeug relativ zu einer Ankopplungsvorrichtung in Ruhe ist.It should be noted that while the method finds advantageous application in stationary charging systems, in some aspects it is also used in mobile charging stations, such as vehicle transport systems, car washes, and the like, but where the vehicle is stationary relative to a docking device .
Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch den angefügten Patentansprüchen zu entnehmen. Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1A schematisch eine Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs an einer Ladestation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; -
1B schematisch eine Kupplungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Ladestation zur Einspeisung von mechanischer Leistung über zumindest ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs zeigt; -
1C schematisch die Kupplungsvorrichtung zeigt, wobei ein speziell gestalteter mechanischer Anschluss zur Übertragung der mechanischen Leistung auf die elektrische Maschine vorgesehen ist; -
1D schematisch die Ladestation zeigt, in der der erfindungsgemäße elektrische Speicher in der Ladestation vorgesehen ist; -
1E schematisch die Ladestation zeigt, wobei ein „mechanischer“ Speicher vorgesehen ist, etwa in Form eines Druckspeichers und dergleichen, so dass Leistungsspitzen effizient überbrückt werden können; und -
2 schematisch eine Ladevorrichtung in einem Fahrzeug zeigt, um einen gesteuerten Nutzbremsmodus zum Aufladen eines Energiespeichers des Fahrzeugs einzustellen.
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1A schematically shows a representation of an at least partially electrically powered vehicle at a charging station according to the present invention; -
1B schematically shows a coupling device of the charging station according to the invention for feeding in mechanical power via at least one driven wheel of the vehicle; -
1C schematically shows the clutch device, wherein a specially designed mechanical connection is provided for transmitting the mechanical power to the electric machine; -
1D schematically shows the charging station in which the electrical storage device according to the invention is provided in the charging station; -
1E shows the charging station schematically, with a "mechanical" storage device being provided, for example in the form of a pressure storage device and the like, so that power peaks can be bridged efficiently; and -
2 12 schematically shows a charging device in a vehicle for setting a controlled regenerative braking mode for charging an energy store of the vehicle.
Ferner ist eine Ladestation 100 gezeigt, die eine Antriebsvorrichtung 110 aufweist, um über eine Kupplungsvorrichtung 130 mechanische Leistung auf die elektrische Maschine 152 in dem Fahrzeug 150 zu übertragen. Die Antriebsvorrichtung 110 umfasst dazu in einer Ausführungsform einen Motor 111, etwa einen Elektromotor, mit einer schematisch dargestellten Kraftübertragung 116 zur Ankopplung an die Vorrichtung 130. Im Falle eines Elektromotors ist eine elektronische Leistungskomponente 112 vorgesehen, die wiederum mit einer Steuereinrichtung 120 in Verbindung steht, so dass die Leistungskomponente 112 den Elektromotor 111 in einer geeigneten Weise mit elektrischer Energie versorgt. Vorteilhafterweise ist der Elektromotor 111 so ausgelegt, dass die mechanische Leistung, die typischerweise von dem Fahrzeug 150 beim Aufladen des Energiespeichers 154 angefordert wird, bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zweck können beispielsweise leistungsfähige Asynchronmaschinen mit geeigneten Leistungskomponenten effizient angewendet werden. Es können aber auch andere elektrische Maschinen verwendet werden, die über einen gewünschten Leistungsbereich einen relativ hohen Wirkungsgrad besitzen. In anderen Ausführungsformen können auch andere Antriebskomponenten eingesetzt werden, wie dies nachfolgend etwa mit Bezug zu
Die Antriebskomponente 111 ist in geeigneter Weise mit der Kupplungsvorrichtung 130 mittels der Kraftübertragung 116 mechanisch gekoppelt, beispielsweise über Getriebe, Riemen, Ketten, etc., so dass schließlich eine mechanische Kopplung zu der elektrischen Maschine 152 hergestellt wird, etwa über eines oder mehrere der Antriebsräder 151, und somit mit der Maschine 152 eine mechanische Wechselwirkung stattfinden kann. Beispielsweise kann die Kupplungsvorrichtung 130 direkt mit der Lauffläche des Rades 151 in mechanischen Kontakt gebracht werden, etwa indem eine geeignete Öffnung in einer Auflagefläche 101 vorgesehen wird, in der ein Teil der Kopplungsvorrichtung 130, etwa in Form einer Walze oder Rolle, mit dem Rad 151 in Kontakt gebracht wird, indem etwa das Kontaktelement, etwa ein Walze der Kupplungsvorrichtung 130 angehoben wird, wie dies schematisch mit 117 bezeichnet ist, und damit mit dem Rad 151 in Kontakt gebracht wird. Es kann auch eine geeignete Mulde in der Fläche 101 vorgesehen sein, die mit zwei oder mehr Walzen versehen ist, um einerseits den mechanischen Kontakt zu dem Rad 151 herzustellen und andererseits das Rad 151 auch geeignet in Position zu halten. In anderen Ausführungsformen ist die Kupplungsvorrichtung 130 so ausgebildet, dass nach dem Befahren und Sichern des Fahrzeugs zumindest zwei angetriebene Räder gleichzeitig mit mechanischer Leistung beaufschlagt werden können. Der Antriebsvorrichtung 110 wird Energie bzw. Leistung zugeführt durch geeignete Mittel 103, etwa durch eine Stromversorgung und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch betriebene Einrichtungen, wobei auch eine Speichereinrichtung zur Abdeckung von Leistungsspitzen und/oder für einen autarken Betrieb vorgesehen ist, wie dies nachfolgend beschrieben ist.The
In anderen Ausführungsbeispielen kann der mechanische Anschluss 152C so vorgesehen werden, dass eine Einwirkung auf die elektrische Maschine 152 unter Umgehung des Ausgleichsgetriebes 152A möglich ist. Beispielsweise kann eine entsprechende Getriebekomponente in Kontakt mit der Welle der Maschine 152 vorgesehen werden, so dass die mechanische Leistung unter Abkupplung der Antriebsräder direkt in die elektrische Maschine bei Ankopplung an den Anschluss 152C eingespeist werden kann.In other exemplary embodiments, the
Während des Betriebs der Ladestation 100, wie sie beispielsweise in den
Wenn beispielsweise mit einer mechanischen Leistung von 50 kW geladen wird, also am Ausgang der Kupplungsvorrichtung 130 50kW mechanischer Leistung bereitstehen, und ein Wirkungsgrad für die Ankopplung an die Komponenten 152, 153 sowie für diese Komponenten selbst von 90 % angenommen wird, steht am Ausgang der Leistungselektronik 153 eine elektrische Leistung von 45 kW bereit, so dass in etwa 6 min vier oder mehr Kilowattstunden Energie gespeichert werden können, abhängig von dem Ladewirkungsgrad des Speichers 154. Wenn das Fahrzeug 150 für einen Rekuperationsbetrieb mit noch höherer Leistung ausgelegt ist, können noch größere Energiemengen innerhalb weniger Minuten eingespeist werden, wobei vorzugsweise die Ladestation ausgebildet ist, derartige große mechanischen Leistungen kurzfristig zur Verfügung stellen zu können. Der Energiespeicher muss dabei nicht vollständig geladen werden, so dass insbesondere kritische Phasen beim Erreichen einer Ladeschlussspannung des Energiespeichers vermieden werden, die in der Regel längere Ladephasen mit geringerer Leistung erfordern. Typischerweise kann der Energiespeicher in sehr kurzer Zeit auf etwa 80% seiner Kapazität aufgeladen werden.If, for example, charging is carried out with a mechanical power of 50 kW, i.e. 50 kW of mechanical power is available at the output of the
Der Ladevorgang ist so gesteuert durch die Steuereinrichtung 120, dass eine Unterbrechung oder Beendigung des Vorgangs stattfindet, sobald eine gewisse Energiemenge übertragen wurde oder sobald das Fahrzeug 150 in vordefinierter Weise auf die Einspeisung mechanischer Leistung reagiert. Zum Beispiel kann unter Ausnutzung der fahrzeuginternen Steuereinrichtungen in der Leistungselektronik oder in anderen elektronischen Systemen des Fahrzeugs, die beispielsweise eine zu starke Ladung des Speichers 154 im Rekuperationsbetrieb verhindern, eine Steuerung des Ladevorgangs vorgenommen werden, da durch Verringern des Bremsmoments etwa die von der elektrischen Maschine 152 ihre aufgenommene mechanische Leistung entsprechend zurück geregelt wird, um eine Überhitzung und/oder Überladung des Speichers 154 zuverlässig zu vermeiden. Dazu erfolgt einfach eine geeignete Ansteuerung der Maschine 152 mittels der Leistungskomponente 153, so dass etwa die Maschine ohne Bremswirkung betrieben wird. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 120 der Ladestation 100 kann diesen Rückgang der von der Maschine 152 aufgenommenen mechanischen Leistung feststellen und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes den Ladevorgang gänzlich beenden, indem etwa die Vorrichtung 130 abgekoppelt wird und/oder der Motor 111 abgeschaltet wird.The charging process is controlled by the
Selbstverständlich können auch andere Kriterien beim Ausführen eines Ladevorgangs berücksichtigt werden, wie dies auch detaillierter mit Bezug zu
In der gezeigten Ausführungsform ist der Speicher 140 mit elektrischen Speichern 141 ausgestattet, etwa in Form von Kondensatoren, und dergleichen, die wiederum von einer geeigneten Leistungselektronik 142 mit Gleichspannung, die aus dem externen Anschluss 143 gewonnen wird, versorgt wird. Auf diese Weise ist beispielsweise eine nicht auf die maximal mögliche Ausgangsleistung des Antriebs 110 ausgelegte Anschlussleistung 143 ausreichend, wobei dennoch kurzfristig Fahrzeuge mit hoher Leistung geladen werden können.
In the embodiment shown, the
Beispielsweise wird die Antriebsvorrichtung 110 in Form eines hydraulischen Systems vorgesehen, das mit dem Speicher 140 in Verbindung steht, so dass über geeignete Pumpen 114, 115 Hydraulikflüssigkeit in einen Kreislauf eingespeist und bei Bedarf auch unter hohem Druck in den Speicher 140 angesammelt werden kann. Beispielsweise kann die Pumpe 115 kontinuierlich betrieben werden, beispielsweise mit einer moderat geringen Nennleistung, so dass kontinuierlich der Druck im Speicher 140 gehalten oder in Zeiten mit geringer Auslastung der Station 100 der Druck und/oder das Volumen an Fluid im dem Speicher erhöht werden, so dass dann die Hydraulikflüssigkeit in benötigter Menge und mit geeignetem Druck an entsprechende Antriebskomponenten 111A,... 111C in Form von Hydraulikmotoren, Druckluftmotoren, etc. abgegeben werden kann. Dabei kann die mechanisch abzugebende Leistung der einzelnen Antriebskomponenten 111A,... 111C bei Bedarf auch individuell, etwa durch entsprechende steuerbare Ventile 113, über die Steuereinrichtung 120 festgelegt werden. In diesem Falle können daher mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden, wobei individuell verschiedene mechanische Leistungen übertragen werden können. Andererseits kann der Speicher 140 kontinuierlich „geladen“ werden, ohne dass etwa die Pumpe 115 die mechanische Leistung aller Antriebskomponenten 111A,..., 111C aufbringen muss.
For example,
Es sollte beachtet werden, dass das Antriebssystem 110 auch pneumatische Komponenten sowie eine Mischung aus elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Komponenten aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen ist der Speicher 140 mit einem mechanischen Speicher in Form eines Schwungrades versehen, das über die Antriebskomponenten 111A, ..., 111C mit einem oder mehreren Fahrzeugen gekoppelt werden kann. Zu beachten ist, dass die Kupplungsvorrichtungen 130 schematisch so dargestellt sind, dass sie über die Walze 132 mit jeweils einem angetriebenen Rad 151 eines Fahrzeugs in Kontakt gebracht werden. Typischerweise werden jedoch zumindest zwei angetriebene Räder pro Fahrzeug angekoppelt durch Vorsehen geeigneter „Tankmulden“, in die die Räder der Antriebsache einfahren und mit den Walzen 132 in Kontakt gebracht werden.It should be noted that the
Der mechanische Speicher 140 kann also kontinuierlich in Phasen mit geringer Auslastung der Station geladen werden, während in Phasen mit hoher Auslastung Fahrzeuge mit hoher Leistung geladen werden können, ohne dass die Gesamteingangsleistung für die Station 100 der Summe der Abgabeleistungen der einzelnen Antriebe 111A,...,111C entsprechen muss.The
Ferner ist die Steuereinheit 255 gegebenenfalls so ausgestattet, dass sie den Energiestatus des Speichers 254 ermitteln kann, um damit geeignete Parameter für den Ladevorgang zu bestimmen. Beispielsweise kann in Abhängigkeit des Energiestatus des Speichers 254 ein geeigneter Verlauf, d.h. Länge und aktuelle Einspeiseleistung eines Ladevorgangs ermittelt werden, der beispielsweise der Steuerungseinrichtung 220 mittels des Steuersignals 257 mitgeteilt wird. Auf der Grundlage des Steuersignals 257 kann beispielsweise die gewünschte mechanische Leistung, die Dauer, der Verlauf der Ladekurve, etc. übermittelt werden, so dass bei Bedarf die Antriebsvorrichtung der Ladestation 200 die mechanische Leistung für das Fahrzeug 250 in der gewünschten angepassten Form zur Verfügung stellt. Insbesondere enthält das Steuersignal 257 eine Signalkomponente, die der Ladestation das Ende des Ladevorgangs anzeigt, so dass die Ladestation 200 eine mechanische Entkopplung von dem Fahrzeug 250 bewirken oder unterstützen kann.Furthermore, the
In anderen Beispielen findet die Steuerung des Ladevorgangs durch die Steuereinheit 255 statt, die beispielsweise das Rekuperationsverhalten und damit die von der elektrischen Maschine 252 aufgenommene mechanische Leistung so steuert, dass dies mit den zuvor ermittelten Parametern des Ladevorgangs verträglich ist. In diesem Falle ist die Ladestation 200 vorzugsweise so ausgebildet, dass sie auf unterschiedliche Leistungsanforderungen geeignet reagiert und die gewünschte mechanische, aktuell angeforderte Leistung bereitstellt.In other examples, the charging process is controlled by
Die vorliegende Erfindung stellt also Ladestationen bereit, in denen der elektrische Energiespeicher eines Fahrzeugs durch mechanische Kopplung der elektrischen Maschine des Fahrzeugs und der Ladestation zumindest teilweise geladen werden kann. Durch die mechanische Ankopplung sind im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften des Energiespeichers sowie der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine keine Modifikationen erforderlich, wobei, bei Anwendung einer mechanischen Ankopplung an die Antriebsräder des Fahrzeugs, auch keinerlei mechanischen Änderungen im Fahrzeug erforderlich sind und beliebige Arten von Fahrzeugen unabhängig von ihren spezifischen Eigenschaften geladen werden können. Durch Vorsehen einer geeigneten Steuereinheit oder eines Steuerungsalgorithmus im Fahrzeug kann dieses in einen entsprechenden Rekuperationsbetrieb während der mechanischen Kopplung mit der Ladestation versetzt werden, so dass eine gesteuerte Ladung des Energiespeichers mit hoher Leistung und damit in kurzer Zeit möglich ist. Die Ladestation der vorliegenden Erfindung kann so ausgelegt werden, dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, so dass eine Abfertigung vieler Fahrzeuge in kurzer Zeit möglich ist. Die Ladestation kann auch in andere Systeme integriert werden, beispielsweise in Waschanlagen, Autoreisezüge, und dergleichen, so dass eine Standzeit des Fahrzeugs gleichzeitig zur Energieeinspeisung in den fahrzeuginternen Energiespeicher genutzt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen können „nicht-stationäre“ Ladestationen eingesetzt werden, die bei Bedarf ein Fahrzeug auf freier Strecke aufsuchen und mit diesem mechanisch gekoppelt werden. Beispielsweise, dient in einer Ausführungsform dann die „nicht-stationäre“ Ladestation als Schleppfahrzeug, während die Steuereinheit im Fahrzeug in geeigneter Weise den Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs steuert. In anderen Ausführungsformen besitzt die mobile Ladestation die Kupplungseinrichtung derart, dass diese auf die Antriebsräder einwirken kann, etwa durch Anheben des Fahrzeuges an den Antriebsrädern, und dergleichen, wobei dann der Ladevorgang in der zuvor mit den
In further embodiments, “non-stationary” charging stations can be used, which, if necessary, seek out a vehicle on the open road and are mechanically coupled to it. For example, in one embodiment, the “non-stationary” charging station then serves as a towing vehicle, while the control unit in the vehicle appropriately controls the recuperation operation of the vehicle. In other embodiments, the mobile charging station has the coupling device in such a way that it can act on the drive wheels, for example by lifting the vehicle at the drive wheels, and the like, in which case the charging process in the previously with the
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