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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verbringen von elektrischer Ladung innerhalb eines Versorgungssystems, mit Hilfe deren der Ladevorgang von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen erleichtert und effizienter betrieben werden kann.
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Aus dem Stand der Technik bekannt sind stationäre Ladesäulen, die im Zusammenhang mit konventionellen Tankstellen oder auch einzeln, beispielsweise an Parkplätzen oder in Parkhäusern, für das Laden eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs zur Verfügung stehen.
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Ein Laden von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb mittels stationärer Ladesäulen ist stets ortsgebunden an die Ladesäule. D.h. die Ladepositionen stehen dabei fest, und die Fahrzeuge fahren diese Ladepositionen an, wie man dies von Kraftstoff-Tankstellen kennt, nur mit dem Unterschied das die Dauer des „Tankens“ wesentlich länger ist. Die Nutzung bzw. Auslastung einer stationären Ladesäule ist insofern nicht effektiv, als deren Verortung fix ist und dementsprechend nicht an einen räumlichen Bedarf angepasst werden kann, der über Tages- und Wochenzeiten oder anlässlich bestimmter Ereignisse variiert. Zudem benötigt eine stationäre Ladesäule Platz, der zumindest dann in der Öffentlichkeit als störend empfunden werden, wenn die Ladesäule nicht genutzt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die notwendige Parkzeit oftmals kürzer ist als die notwendige Ladezeit. Dies kann zwar durch Abbruch der Ladezeit nach Ablauf der benötigten Parkzeit beeinflusst werden, jedoch nur ohne die Verfügbarkeit anderer Ladesäulen, gewünschter Aufladung, möglicher weiterer Ladepositionen, etc. effizient zu berücksichtigen.
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Das Aufladen an dem Stromnetz einer privaten Immobilie unterliegt einer Limitierung durch die dort verfügbare Netzleistung. Grundsätzlich besteht hierbei eine Abhängigkeit vom (funktionierenden) Stromnetz. Der Ladevorgang des Fahrzeugs findet zeitgleich mit dem Bezug aus dem Stromnetz statt, so dass es nicht immer möglich ist, einen Zeitpunkt für den Strombezug zu wählen, zu dem der Strom besonders günstig verfügbar ist.
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Bekannt sind ferner Wandladestationen in Form einer Anschlussmöglichkeit zum Laden von Elektroauto. Diese sind in der Regel an oder in einer Wand befestigt und umfassen eine Steckverbindung für das Ladekabel und die Verbindung zum Stromnetz. Eine derartige Stromtankstelle kann beispielsweise für den Einsatz in Garagen konzipiert sein.
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In der
DE 10 2013 112 845 A1 wird eine Ladeeinrichtung für Elektrofahrzeuge beschrieben, die bekannte Ladesäulen zu einer Art Fertigbaulösung kombiniert, die transportabel ist.
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CN105095975A beschreibt die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Lademöglichkeit und das Auffinden eines optimalen Nachladezeitpunkts und Fahrwegs.
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Die
DE 42 37 835 A1 beschreibt den universellen Einsatz von Elektroenergie-Batteriespeicher für verschiedene Verbraucher.
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Die
DE 10 2011 105 417 A1 beschreibt ein Batteriespeicherwerk mit einer Vielzahl von Batterien zum Bereitstellen von Regelleistung für ein elektrisches Versorgungsnetzwerk.
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Die
DE 20 2013 007 828 U1 beschreibt eine PowerBank für Kleingeräte und dabei insbesondere die Gehäusekonstruktion.
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In der
DE 10 2005 002 928 A1 wird ein autarkes hybrides Stromversorgungssystem beschrieben, Wind-, Diesel- und/oder Solargeneratoren mit einem Batteriespeicher für fernab von den Stromnetzen gelegene Siedlungen, Inseln, Hotel, etc. kombiniert.
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In der
DE 10 2014 115 596 A1 wird eine hybride Zusatzeinrichtung für einen Stromerzeuger beschrieben, der einen mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Generator aufweist, um Verbraucher, die zu einem Insel-Stromnetz gehören, mit Wechselstromenergie zu versorgen.
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Die
DE 10 2013 112 845 A1 beschreibt eine Ladeeinrichtung für Elektrofahrzeuge, mit Ladestationen, die jeweils eine Ladedose, einen Ladestecker oder eine Induktionsspule umfassen, um die Batterie eines Elektrofahrzeuges aufzuladen.
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Keine der bekannten Lösungen bietet eine flexible und skalierbare Bedarfsabdeckung, wenn mehr Fahrzeuge und/oder Stromverbraucher elektrischer Ladung in räumlich und zeitlich unterschiedlichen Gewichtungen bedürfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit Hilfe deren bei reduziertem Aufwand für Ladeinfrastruktur und möglichst platzsparend eine Lademöglichkeit für eine Vielzahl von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb realisiert wird, wobei die individuellen Prioritäten eines Fahrzeugbetreibers - beispielsweise je nach gewünschter Reichweite, akzeptabler Ladedauer oder weiteren Anforderungen individuell berücksichtigt werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die vorliegende Erfindung, die auf die ortsvariable Ladung von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen durch mobile Ladungsspeicher abzielt. Damit kann ein effizientes Verbringen von Ladung innerhalb eines Versorgungssystems ermöglicht werden. Dies bedeutet, dass nicht mehr nur ein Fahrzeug mit Ladebedarf einen Ort mit einer Lademöglichkeit anfährt, sondern dass währenddessen auch Lademöglichkeiten örtlich verschoben werden, sozusagen Ort und Ladung in Abhängigkeit von fahrzeugabhängigen Merkmalen mit zeitlichen und räumlichen Verfügbarkeiten einer Lademöglichkeit bestimmt werden.
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Hierbei wird die Möglichkeit einer flexiblen Positionierung von instationären Versorgungsmodulen für die bedarfsorientierte Ladung einer Vielzahl von Fahrzeugen genutzt.
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Das erfindungsgemäße Versorgungsmodul umfasst ein Lademodul, ein Energiespeichermodul und eine Transportvorrichtung. Das Lademodul selbst umfasst einen Wasserstofftank und ein Brennstoffzellenmodul.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Versorgungsmodul ferner ein Leistungselektronikmodul mit einer bidirektionalen DC-DC und/oder DC-AC Schnittstelle, um über ein Konnektivitätsmodul das Energiespeichermodul an einem Stromnetz zu laden und/oder die im Energiespeichermodul gespeicherte Energie abzugeben.
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Das vom Versorgungsmodul umfasste Lademodul kann unterschiedliche Steckersysteme für das Laden von Fahrzeugen bereitstellen. Hierzu zählen sowohl bekannte Ladestecker wie Typ 2, CCS oder CHAdeMO für EV und PHEV, als auch Steckdosen (SchuKo, CEE 7/4) und/oder Starkstromanschlüsse (CEE 3L+N+PE) zum Anschluss weiterer Stromverbraucher. Ein modularer Aufbau ermöglicht ferner eine flexible Erweiterung der Kapazität oder des Funktionsumfangs.
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Dem mobilen Versorgungsmodul kann in einer weiteren Ausführungsform eine Dockingstation zugeordnet sein. Versorgungsmodul und/oder Dockingstation sind in einer weiteren Ausführungsform mit Temperaturfühlern ausgestattet, um über die ECU eine individuelle und bedarfsgerechte Temperierung des Versorgungsmoduls zu gewährleisten.
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In einer weiteren Ausführungsform sind das Lademodul und/oder der Wasserstofftank und/oder das Energiespeichermodul modular erweiterbar, wenn jeweils größere Ladekapazität bzw. erweitertes Fassungsvermögen notwendig ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Versorgungsmodul Anschlüsse auf, mit Hilfe deren es mit einem weiteren Versorgungsmodul verbunden werden kann. Diese Anschlüsse dienen zur Verriegelung und Entriegelung und können Strom und/oder Wasserstoff und/oder Daten zwischen einem Versorgungsmodul und einem weiteren Versorgungsmodul und/oder einem Fahrzeug übertragen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das mobile Versorgungsmodul einen oder mehrere Bildschirme, um dem Benutzer Informationen zu übermitteln und ihn zu befähigen, bestimmte Funktionen des Versorgungsmoduls zu steuern. Der Bildschirm kann zum Beispiel zur bedarfsgerechten Parkplatzreservierung, zur Anzeige des Ladestatus oder zur Darstellung von Werbung und/oder Nachrichten genutzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das mobile Versorgungsmodul eine digitale Schnittstelle auf, über die es mit einem externen Gerät, beispielsweise Mobiltelefon, Smartwatch oder ähnlichem, gesteuert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Versorgungsmodul mit integriertem GPS-, Mobilfunk-, WiFi-, NFC- und Computermodul (ECU) ausgestattet und empfängt und sendet Daten zu seiner aktuellen Verwendung an einen Server und/oder an andere mobile Geräte, wie Smartphone, Tablet, Computer, Auto und weitere mobile Versorgungsmodule.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Versorgungsmodul in seiner räumlichen Ausrichtung flach gestaltet, so dass es unter einem zu ladenden Fahrzeug positioniert werden kann. Durch die Platzierung des Versorgungsmoduls unterhalb des Fahrzeugs wird auch eine Ladung mittels Induktion ermöglicht. Hierfür sind in einer bevorzugten Ausführungsform weitere Komponenten wie Spulen integriert. Die Implementierung dieser Technologie erübrigt ein Kabel und die damit verbundene Positionierungsproblematik des Ladesteckers. Die übrigen Funktionen sind analog zum vorher beschriebenen Aufbau des Versorgungsmoduls.
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Mit dem erfindungsgemäßen Versorgungsmodul kann ein Lade-Verfahren innerhalb eines Versorgungssystems durchgeführt werden. Ein Versorgungssystem umfasst dabei eine Mehrzahl von n Versorgungsplätze P1 bis Pn. Hierbei kann es sich im einfachsten Fall um einen Parkplatz oder um ein Parkhaus handeln, wobei sich die n Versorgungsplätze in räumlicher Nähe zu einander befinden. Denkbar ist jedoch ebenfalls, räumlich nicht in unmittelbarer Nähe befindliche Versorgungsplätze als ein Versorgungssystem zu betrachten, beispielsweise entlang eines Straßenzuges oder innerhalb eines Wohn- und Parkgebietes.
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Jedem Versorgungssystem sind k Versorgungsmodule M1 bis Mk, zugeordnet, die gewissermaßen als transportable Ladestationen zu einem Versorgungsplatz verbracht werden können, um ein dort positioniertes Fahrzeug elektrisch laden zu können, und anschließend zum Zwecke des Wiederaufladens des Versorgungsmoduls an eine übergeordnete, vorzugsweise ortsfeste Zentralladestation verbracht werden können.
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Für dieses Verfahren ist jedes Versorgungsmodul derart ausgestaltet ist, dass elektrische Ladung gespeichert werden kann bis zu einer Ladekapazität MCin. Die zur Verfügung stehende Ladekapazität wird nachfolgend mit MCout bezeichnet und repräsentiert die Ladung, die von dem Versorgungsmodul an einer Fahrzeug maximal abgegeben werden kann. Ebenfalls für das Verfahren betrachtet wird die aktuell zusätzlich speicherbare Ladekapazität MCdelta, die die Differenz MCin - MCout darstellt, oder anders ausgedrückt, die Ladung, die das Modul noch aufnehmen kann.
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Für das Verfahren werden ferner Daten des zu ladenden, zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeugs V betrachtet. Dies sind die maximal speicherbare elektrische Ladung bis zu einer Ladekapazität VCin. Auch hier wird die noch für den Betrieb des Fahrzeugs zur Verfügung stehende Ladekapazität VCout betrachtet und die aktuell speicherbare Ladekapazität VCdelta, die sich als Differenz VCin - VCout darstellt.
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In einem ersten Schritt des Verfahrens wird eine Anforderung R für einen erwünschten Ladevorgang eines ersten Fahrzeug V1 erfasst.
in einem zweiten Schritt werden eine oder mehrere Kenngrößen des Fahrzeugs V1 erfasst. Zu diesen möglichen Kenngrößen gehört die aktuell speicherbare Ladekapazität VCdelta. Es ist möglich das die unmittelbar benötigte Ladung, bezeichnet als VCneed kleiner ist als die VCdelta, so dass es für effizientes Laden vorteilhaft ist, auch diese zu erfassen. Abhängig vom Bedarf des Fahrzeugs V, bzw. dessen Fahrers, kann es eine Rolle spielen, wieviel Zeit für das Beladen des Fahrzeugs vom Fahrer in Kauf genommen werden kann, sodass als Kenngröße auch eine mögliche (duldbare) Ladungsdauer VCtime ermittelt werden kann. Ferner ist denkbar, dass in Abhängigkeit vom Fahrzeug und oder vom Fahrer ein BenutzerLevel VUL ermittelt wird, um gegebenenfalls Prioritäten in Relation zu weiteren VULs von weiteren Fahrzeugen und/oder Fahrern mit Anfragen bestimmen zu können. Ferner kann es für die Bestimmung des Lademoduls relevant sein, Informationen über die Ladungsvorrichtung des Fahrzeugs zu ermitteln. Als weitere Kenngröße können der zum Anfragezeitpunkt aktuelle Ort von V und/oder sein Zielort als Kenngrößen ermittelt werden.
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In einem weiteren Schritt werden eine oder mehrere Kenngrößen von einem oder mehreren Versorgungsmodulen ermittelt. Als Kenngröße umfasst ist dabei beispielsweise die zur Verfügung stehende Ladekapazität MCout, also die Ladung, die das Versorgungsmodul aktuell maximal in einem Ladevorgang abgeben kann. Eine weitere Kenngröße kann in der zeitlichen Verfügbarkeit des Versorgungsmoduls bestehen, da es denkbar ist, dass ein Versorgungsmodul bereits für einen bestimmten, in der Zukunft liegenden Zeitraum zur Ladungsabgabe vorgesehen ist. Ebenfalls eine Kenngröße kann in der aktuell zusätzlich speicherbare Ladekapazität MCdelta bestehen, da es in der Gesamteffizienz des Versorgungssystems vorteilhaft sein kann, dass das Versorgungsmodul trotz noch bestehender Ladekapazität bereits wieder aufgeladen werden soll - gegebenenfalls auch nur teilweise. Als weitere Kenngröße kann der bei Anfrage aktuelle Ort des Versorgungsmoduls relevant sein. Dies betrifft vor allem solche Versorgungssysteme, in denen die einzelnen Versorgungsplätze nicht in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander gelegen sind.
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In einem weiteren Schritt werden eine oder mehrere Kenngrößen von einem oder mehreren Versorgungsplätzen P ermittelt. Eine derartige Kenngröße ist der Ort des Versorgungsplatzes. Eine weitere Kenngröße ist die zeitliche Verfügbarkeit, die durch eine in der Zukunft liegende bereits geplante Belegung mit einem anderen Fahrzeug begrenzt sein kann.
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In Abhängigkeit von einer oder mehreren der ermittelten Kenngrößen wird dann in einem weiteren Schritt mindestens ein Versorgungsplatz und zu dem mindestens einen Versorgungsplatz ein Versorgungsmodul der Anfrage R zugeordnet.
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Die Zuordnung folgt nach einer Gewichtung. Entsprechend der Zuordnung wird in einem weiteren Verfahrensschritt das Versorgungsmodul zu dem Versorgungsplatz verbracht. Dies kann innerhalb eines Parkhauses oder Parkplatzes vollständig oder teilweise manuell geschehen. Vorteilhaft ist es jedoch für das Verbringen ein automatisches Transportsystem vorzusehen.
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Sofern sich schließlich das Fahrzeug V auf dem zugeordneten Versorgungsplatz einfindet, folgt in einem weiteren Schritt das Zurverfügungstellen von elektrischer Ladung für das Fahrzeug auf dem Versorgungsplatz durch das zugeordnete Versorgungsmodul.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden mehrere Versorgungssysteme jeweils ein Untersystem eines übergeordneten Versorgungsystems. Dabei sind also mehrere Ms und mehrere Ps von einem Untersystem umfasst. ein solches Untersystem kann beispielsweise ein Parkdeck eines mehrgeschossigen Parkhauses sein, in dem das Verbringen eines Versorgungsmoduls zwischen verschiedenen Parkdecks als zu aufwändig vermieden werden soll.
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Ein Untersystem kann aber auch ein Parkhaus eines übergeordneten Versorgungssystems als einem stadtweiten System betrachtet werden. Dementsprechend würde in Abhängigkeit vom Ort und/oder Zielort des Fahrzeugs V eine Vorauswahl von einem oder mehreren Untersystemen getroffen werden.
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Ebenso kann die Auswahl des Versorgungsmoduls in einer Abhängigkeit von der Kompatibilität des Versorgungsmoduls zu dem anfragenden Fahrzeug von vorneherein beschränkt sein.
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Das erfindungsgemäße Versorgungsmodul birgt zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik durch Ladung von Autos mit elektrischem Antrieb mittels stationärer Ladesäulen: Die Ladeversorgung für Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb kann mit den erfindungsgemäßen Versorgungsmodulen ortsflexibel gestaltet werden. Insgesamt ergibt sich eine Platzersparnis, da ein Versorgungsmodul bei Nichtnutzung in einem zentralen oder dezentralen Depot aufbewahrt werden kann. Die Bedarfsabdeckung für eine Vielzahl von Fahrzeugen und/oder sonstigen Stromverbrauchern ist skalierbar. Es besteht keine Limitierung durch eine verfügbare Netzleistung an privaten oder gewerblichen Immobilien. Das Verfahren ist hinsichtlich Hardwareausfällen sehr stabil, da ein Austausch von einzelnen Versorgungsmodulen flexibel erfolgen kann. Durch die flexible Verwendung kann die Ladezeit geringer als die Parkzeit des Autos gehalten werden und so eine bedarfsgerechte Ladung erzielt werden. Ferner kann die Beladung des Versorgungsmoduls aus dem Stromnetz zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu dem der Strom günstiger verfügbar ist, als zum Zeitpunkt an dem die Ladung des Fahrzeugs oder des Stromverbrauchers erfolgt. Darüber hinaus können die Versorgungsmodule im geladenen Zustand auch dann verwendet werden, wenn vorübergehend das Stromnetz ausfällt. Derartige Ausfälle können so überbrückt werden. Da keine fest installierte Ladeinfrastruktur notwendig ist, kommt es zu geringeren Veränderungen des Stadtbildes und im ländlichen Raum zu weniger Eingriffen in die Natur.
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Anhand der 1 bis 5 wird die Erfindung nachfolgend erläutert.
- 1 zeigt schematisch den aus dem Stand der Technik bekannten Ladevorgang mit herkömmlichen Ladeeinheiten. Hierbei sind unterschiedliche Fahrzeuge V1 bis V6 auf Parkplätzen P1 bis P6 geparkt, die alle mit einer Ladevorrichtung für elektrisch betriebene Fahrzeuge ausgestattet sind. Allerdings sind die Fahrzeuge V3 und V5 nicht elektrisch (gekennzeichnet durch das Blitz-Symbol) sondern ausschließlich verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge, so dass die die Ladevorrichtungen auf P3 und P5 ungenutzt bleiben. Auch die Ladevorrichtungen auf P4 und P6 werden nicht benötigt, da die Fahrzeuge bereits vollständig geladen sind. Die vorhandene Lade-Infrastruktur wird somit unzureichend ausgenutzt.
- 2 zeigt die Situation mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstatt jeden Parkplatz mit einer festen Ladeeinheit auszustatten, wird auf einen mobilen Energiespeicher zurückgegriffen, der flexibel an die aktuell notwendige Park- und Ladesituation der geparkten Fahrzeuge angepasst werden kann. Hierzu kann die Ladung des Versorgungsmoduls M1 entweder an einer zentralen Ladestation 9 lokal an einem größeren Parkplatz/Parkhaus oder mittels einer Art Milk-Run Service erfolgen (Verteilung der Versorgungsmodule mittels Transportfahrzeugen über längere Distanzen). In jedem Fall wird das Versorgungsmodul Mx bedarfsorientiert sequenziell an einzelne Fahrzeuge angeschlossen. Hierdurch wird verhindert, dass Versorgungsmodule durch nicht ladende Fahrzeuge V3 bis V6 blockiert werden, wie dies im Stand der Technik häufig der Fall ist. Die zentrale Ladestation 9 ist hier direkt mit dem Stromnetz verbunden.
- 3 zeigt schematisch den vorzugsweise modularen Aufbau eines Versorgungsmoduls M1 10.
Die Basiskomponente des mobilen Versorgungsmoduls M1 10 ist eine Transportvorrichtung 11. Hierauf ist als zentrale Komponente das Energiespeichermodul 13 aufgebaut. Weiterhin umfasst ist ein Wasserstofftank 121, der sich in 3 zwischen Transportvorrichtung und Energiespeichermodul 13 befindet. Weiterhin umfasst ist ein Brennstoffzellenmodul 122, das sich in 3 zwischen Wasserstofftank 121 und Energiespeichermodul 13 befindet. Das Energiespeichermodul 13 wird über ein Leistungselektronikmodul 14 kontaktiert. Die Konnektivität zu den unterschiedlichen Steckerkonzepten für DC- und AC-Ladung stellt das Konnektivitätsmodul 15 bereit. Zudem wird ein Interaktionsmodul 16, beispielsweise als Display, bereitgestellt, welches die Bedienung des mobilen Versorgungsmoduls 10 ermöglicht, die den Systemzustand überwacht und die übergeordnete Steuerung und/oder Regelung übernimmt. Für die Fortbewegung des Versorgungsmoduls 10 ist ein geeignetes Aufhängungs-/Radkonzept 17 vorgesehen. Für die jeweilige Ladung notwendige Kabel können gegebenenfalls seitlich des Versorgungsmoduls an einem Kabelaufhängungsmodul 18 befestigt werden. Zur Sicherung der Standfestigkeit und der Arretierung wird die Transportvorrichtung 11 zudem um eine Standsicherung 19 ergänzt.
- Die 4 und 5 zeigen die flache Ausführung des Versorgungsmoduls 10, die dessen Positionierung mittels der Transportvorrichtung 11 unter dem Fahrzeug ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- zentrale Ladestation
- 10
- Versorgungsmodul M1
- 11
- Transportvorrichtung
- 121
- Wasserstofftank
- 122
- Brennstoffzelle
- 13
- Energiespeichermodul
- 14
- Leistungselektronikmodul
- 15
- Konnektivitätsmodul
- 16
- Interaktionsmodul
- 17
- Aufhängungs-/Radkonzept
- 18
- Kabelaufhängungsmodul
- 19
- Standsicherung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013112845 A1 [0006, 0013]
- CN 105095975 A [0007]
- DE 4237835 A1 [0008]
- DE 102011105417 A1 [0009]
- DE 202013007828 U1 [0010]
- DE 102005002928 A1 [0011]
- DE 102014115596 A1 [0012]
