DE102017005303A1 - TEMPERATURE SYSTEM FOR AN ELECTRIC VEHICLE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem für ein Elektrofahrzeug (10) mit einem elektrochemischen Energiespeichersystem (1), einem pneumatischen Energiespeichersystem (2) und mit einer elektropneumatischen Steuerung für den Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs (10) und für den Ladebetrieb an einer Tankstelle (20) mit mindestens einer Schnelladestation (200). Das elektrochemische Energiespeichersystem (1) besteht aus einer Stromquelle (11) der Tankstelle (20) und aus einer Traktionsbatterie (12) des Elektrofahrzeugs (10), die im Fahr- und Ladebetrieb mittels eines Wärmeübertragers (13) über ein Wärmeträgerfluid (131) in einem Fluidkreislauf (132) mit einer Wärmesenke (14) thermisch konditioniert wird. Das pneumatische Energiespeichersystem (1) wird von einem stationäreren Druckluftspeichertank (21) der Tankstelle (20) und von einem Druckluftbehälter (22) des Elektrofahrzeugs (10) jeweils mit einem Kompressor (23) gebildet. Im Fahr-und Ladebetrieb des Elekrofahrzeugs (10) ist eine thermodynamische Koppelung der Energiespeichersysteme (1,2) vorgesehen, wobei die Traktionsbatterie (12) über den Wärmeübertrager (13) mit dem pneumatischen Energiespeichersystem (1) des Elektrofahrzeugs (10) verbunden ist, um die Traktionsbatterie (12) thermisch zu konditionieren und insbesondere durch Entspannung der in dem Druckluftbehälter (22) gespeicherten Druckluft an der Wärmesenke (14) des Fluidkreislaufs (132) zu kühlen.The invention relates to a temperature control system for an electric vehicle (10) with an electrochemical energy storage system (1), a pneumatic energy storage system (2) and with an electropneumatic control for driving the electric vehicle (10) and for charging at a gas station (20) with at least a fast charging station (200). The electrochemical energy storage system (1) consists of a power source (11) of the gas station (20) and a traction battery (12) of the electric vehicle (10), in driving and loading operation by means of a heat exchanger (13) via a heat transfer fluid (131) in a fluid circuit (132) is thermally conditioned with a heat sink (14). The pneumatic energy storage system (1) is formed by a stationary compressed air storage tank (21) of the filling station (20) and by a compressed air tank (22) of the electric vehicle (10) each with a compressor (23). In the driving and charging operation of the electric vehicle (10), a thermodynamic coupling of the energy storage systems (1,2) is provided, wherein the traction battery (12) via the heat exchanger (13) with the pneumatic energy storage system (1) of the electric vehicle (10) is connected, to thermally condition the traction battery (12) and, in particular, to cool it by relaxing the compressed air stored in the compressed air tank (22) at the heat sink (14) of the fluid circuit (132).
Description
Die Erfindung betrifft ein Elekrofahrzeug mit einem elektrischpneumatischen Temperiersystem für den Fahr-und Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs und für den Ladebetrieb einer Tankstelle, bei dem im Ladebetrieb das Elektrofahrzeug mit einer stationären Stromquelle und mit einem Druckluftspeichertank der Tankstelle verbunden wird, um gleichzeitig die Traktionsbatterie und einen Druckluftbehälter des Elektrofahrzeugs aufzuladen. Im Fahr-und im Ladebetrieb ermöglicht der Austausch von Energieinhalten zwischen der Traktionsbatterie und dem Druckluftbehälter eine flexible Nutzung der in zwei unterschiedlichen Systemen gespeicherten Energie. Insbesondere ermöglicht eine thermodynamische Koppelung zwischen dem elektrochemischen und dem pneumatischen Energiespeichersystem über einen Wärmeübertrager die Kühlung der Traktionsbatterie im Lade- und im Fahrbetrieb.The invention relates to a Elekrofahrzeug with an electro-pneumatic temperature control system for driving and charging the electric vehicle and for charging a gas station, in which the electric vehicle is connected to a stationary power source and a compressed air storage tank of the gas station in the loading operation, at the same time the traction battery and a compressed air tank of the electric vehicle. In driving and in the loading operation, the exchange of energy contents between the traction battery and the compressed air tank allows a flexible use of energy stored in two different systems. In particular, a thermodynamic coupling between the electrochemical and the pneumatic energy storage system via a heat exchanger allows the cooling of the traction battery in loading and driving.
Der elektrochemische Energiespeicher betrifft eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Lithium-Schwefel-Batterie sowie eine Nickel-Metallhydrid-Batterie insbesondere als Traktionsbatterie und auch als Stromquelle der Ladestation. Das pneumatische Energiespeichersystem betrifft einen Druckluftspeichertank der Tankstelle und einen Druckluftbehälter des Fahrzeugs sowie eine temporäre Verbindung beider Behälter im Ladebetrieb. Die Steuerung des Austauschs von Energieinhalten zwischen den Speichersystemen erfolgt elektropneumatisch jeweils durch eine zentrale Ventilinsel des Elekrofahrzeugs und der Tankstelle. Die Bezeichnung „Elektrofahrzeug“ betrifft Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge, vorzugsweise aber einen PKW.The electrochemical energy store relates to a lithium-ion battery or a lithium-sulfur battery and a nickel-metal hydride battery, in particular as a traction battery and also as a power source of the charging station. The pneumatic energy storage system relates to a compressed air storage tank of the gas station and a compressed air tank of the vehicle and a temporary connection of both containers in the loading operation. The control of the exchange of energy contents between the storage systems is carried out electropneumatically by a central valve terminal of the Elekrofahrzeugs and the gas station. The term "electric vehicle" refers to land, water and air vehicles, but preferably a car.
Stand der TechnikState of the art
Für das schnelle Wiederaufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs muss innerhalb kurzer Zeit ein großer Energieinhalt von der Ladestation auf die Traktionsbatterie übertragen werden. Ladestationen, die für eine längere Wiederaufladezeit ausgelegt sind, können mit der normalen Netzspannung von 220 Volt betrieben werden. Schnellladestationen benötigen einen Transformator um die Spannung auf 300-500 Volt zu erhöhen. Zukünftig werden Ladestationen, die mit einer Spannung von bis zu 1000 Volt arbeiten, erforderlich sein, um die Dauer des Schnellladevorgangs auf max. 5-10 min zu begrenzen. Bei der Übertragung eines großen Energieinhalts, z.B. 100 kWh, entsteht unerwünschte Wärme sowohl an der Ladestation als auch in der Traktionsbatterie. Deshalb ist es notwendig die Traktionsbatterie während des Ladevorgangs thermisch zu konditionieren, sodass die Temperatur der Batteriezellen innerhalb eines Toleranzbands von 20-40°C gehalten werden kann. Entsprechend dem Stand der Technik wird dazu ein fahrzeugseitiger Fluidkreislauf mit einem Wärmeträgerfluid und einer fahrzeugseitigen Wärmesenke genutzt, wobei das Wärmeträgerfluid aus einem Wasser-Glykol-Gemisch besteht und die Wärme über eine große Oberfläche im Zusammenwirken mit einem Ventilator als Wärmesenke auf die Umgebungsluft übertragen wird, um eine Überhitzung der Batteriezellen zu vermeiden. Nachteilig dabei ist, dass der Ventilator aus der Traktionsbatterie gespeist wird und deshalb die Kühlleistung dieses Luftkühlers von der Antriebsleistung des Traktionsmotors abhängt. Daraus folgt, dass der Ladestrom über die gesamte Dauer des Schnellladevorgangs nicht gleichmäßig fließen kann, sondern gegen Ende der Ladezeit reduziert werden muss, um eine Überhitzung der Batteriezellen zu vermeiden. Diese beiden Faktoren verlängern die Ladezeit. Zudem ist die fahrzeugseitige Kühlung der Traktionsbatterie mit einem unangenehmen, von dem Ventilator verursachten Dauergeräusch verbunden. Der Energieinhalt der Traktionsbatterie wird durch das Produkt aus der Traktionsspannung und der galvanischen Kapazität der parallel geschalteten Einzelzellen definiert. Um an die Fahrleistungen eines heutigen Autos mit Verbrennungsmotor ohne Abstriche anschließen zu können, muss die Kapazität der Traktionsbatterie z.B. auf bis zu 10.000 Wh erhöht werden. Der parallel dazu einhergehende Wunsch nach einer immer kürzeren Ladezeit erfordert neue Maßnahmen für die Temperierung der Traktionsbatterie, gerade auch während des Wiederaufladens. Der französische Ingenieur Guy Negre hat bereits in den 90er-Jahren ein von Druckluft angetriebenes Auto vorgestellt. Die Reichweite des Druckluft-Antriebs bleibt jedoch weit hinter den bereits heute erzielbaren Reichweiten eines Elektrofahrzeugs zurück. Das Komprimieren und Speichern von Druckluft in einem Druckluftbehälter ist nicht nur eine Methode, um Energie zu speichern, sondern auch ein thermodynamischer Prozess, bei dem durch das Komprimieren der Luft nutzbare Wärme und durch das Entspannen der Druckluft nutzbare Kälte entsteht.For quick recharging of the battery of an electric vehicle, a large amount of energy has to be transferred from the charging station to the traction battery within a short time. Charging stations that are designed for a longer recharge time can be operated with the normal mains voltage of 220 volts. Fast charging stations need a transformer to increase the voltage to 300-500 volts. In the future, charging stations operating with a voltage of up to 1000 volts will be required to increase the duration of the fast charging process to max. To limit 5-10 min. In the transmission of a large energy content, e.g. 100 kWh, unwanted heat is generated both at the charging station and in the traction battery. Therefore, it is necessary to thermally condition the traction battery during the charging process so that the temperature of the battery cells can be kept within a tolerance band of 20-40 ° C. According to the prior art, a vehicle-side fluid circuit with a heat transfer fluid and a vehicle-side heat sink is used, wherein the heat transfer fluid consists of a water-glycol mixture and the heat is transmitted via a large surface in cooperation with a fan as a heat sink to the ambient air, to avoid overheating of the battery cells. The disadvantage here is that the fan is powered from the traction battery and therefore the cooling capacity of this air cooler depends on the drive power of the traction motor. It follows that the charge current can not flow evenly throughout the duration of the fast charge, but must be reduced toward the end of the charge time to avoid overheating the battery cells. These two factors increase the charging time. In addition, the vehicle-side cooling of the traction battery is associated with an unpleasant, caused by the fan continuous noise. The energy content of the traction battery is defined by the product of the traction voltage and the galvanic capacity of the parallel-connected single cells. In order to be able to connect to the performance of today's internal combustion engine without compromise, the capacity of the traction battery, e.g. be increased to up to 10,000 Wh. The parallel desire for an ever shorter charging time requires new measures for the temperature of the traction battery, especially during recharging. French engineer Guy Negre introduced a compressed air car in the 1990s. However, the range of the compressed air drive remains far behind the already achievable ranges of an electric vehicle. Compressing and storing compressed air in a compressed air tank is not only a way to store energy, but also a thermodynamic process that generates usable heat by compressing the air and releasing the compressed air.
Die
Die
Die
Die
Die
Aufgabenstellungtask
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Temperiersystem sowohl für den Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs als auch für den Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs an der Schnellladestation einer Tankstelle anzugeben. Der Fahr- und Ladebetrieb sieht eine reversible Übertragung von Energieinhalten zwischen dem elektrochemischen Energiespeichersystem als Stromquelle und dem pneumatischen Energiespeichersystem des Elektrofahrzeugs vor. Dadurch werden durch das Temperiersystem des Elektrofahrzeugs möglichst verlustfreie Kreisprozesse an dem Elektrofahrzeug selbst und zwischen dem Elektrofahrzeug und der Tankstelle ermöglicht. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Kühlsystem für die Traktionsbatterie im Fahr- und Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs mit Energie aus dem pneumatischen Energiespeichersystem anzugeben.Based on the illustrated prior art, the present invention seeks to provide a temperature control for both the driving of an electric vehicle and for the charging operation of the electric vehicle at the fast charging station of a gas station. The driving and charging operation provides for a reversible transmission of energy contents between the electrochemical energy storage system as a power source and the pneumatic energy storage system of the electric vehicle. As a result, as far as possible loss-free cycle processes on the electric vehicle itself and between the electric vehicle and the filling station are made possible by the tempering system of the electric vehicle. In particular, the object of the invention is to provide a cooling system for the traction battery in driving and loading operation of the electric vehicle with energy from the pneumatic energy storage system.
Im Einzelnen löst die Erfindung die folgenden Aufgaben:
- - Angabe einer reversiblen energetischen Verbindung zwischen einer Tankstelle mit Druckluftspeichertank und Stromquelle und einem Elektrofahrzeug mit Druckluftbehälter und Traktionsbatterie
- - Angabe einer irreversiblen energetischen Verbindung zwischen dem Druckluftbehälter und der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs
- - Kühlung der Traktionsbatterie durch Entspannung von Druckluft unter Nutzung des Joule-Thomson-Effekts
- - Verkürzung der Ladezeit an der Schnellladestation einer Tankstelle
- - Specification of a reversible energetic connection between a gas station with compressed air storage tank and power source and an electric vehicle with compressed air tank and traction battery
- - Indication of an irreversible energetic connection between the compressed air tank and the traction battery of the electric vehicle
- - Cooling of the traction battery by relaxation of compressed air using the Joule-Thomson effect
- - Shortening the charging time at the fast charging station of a gas station
Diese Aufgaben werden mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen der Erfindung gelöst.These objects are achieved with the features mentioned in
Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Other objects and advantageous features of the invention will become apparent from the dependent claims.
Reversible Energieübertragung im LadebetriebReversible energy transfer in loading mode
Die Erfindung ermöglicht eine reversible Übertragung von Energieinhalten zwischen einem pneumatischen Energiespeichersystem der Tankstelle, das aus mindestens einem Druckluftspeichertank besteht und einem pneumatischen Energiespeichersystem des Elektrofahrzeugs, das von mindestens einem Druckluftbehälter gebildet wird, ebenso wie zwischen einer Stromquelle der Tankstelle und der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs sowie zwischen der Stromquelle und dem Druckluftspeichertank der Tankstelle bzw. zwischen der Traktionsbatterie und dem Druckluftbehälter des Elektrofahrzeugs, jeweils durch einen Kompressor als zwischengeschalteter Energiewandler.The invention enables a reversible transmission of energy contents between a pneumatic energy storage system of the gas station, which consists of at least one compressed air storage tank and a pneumatic energy storage system of the electric vehicle, which is formed by at least one compressed air tank, as well as between a power source of the gas station and the traction battery of the electric vehicle and between the power source and the compressed air storage tank of the gas station or between the traction battery and the compressed air tank of the electric vehicle, each by a compressor as an intermediate energy converter.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine von einem Wärmeübertrager gebildete thermodynamische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und dem Druckluftbehälter des Elektrofahrzeugs, als Kühlsystem für die Traktionsbatterie im Fahr- und Ladebetrieb. Dabei wird die Traktionsbatterie im Ladebetrieb an einer Schnellladestation der Tankstelle durch Entspannung von Druckluft unter Nutzung des Joule Thomson-Effekts gekühlt. Abhängig von der Aussentemperatur kommt dieses mit dem Fluidkreislauf der Traktionsbatterie verbundene Kühlsystem auch im Fahrbetrieb zum Einsatz. Während die Übertragung von elektrisch oder pneumatisch gespeicherten Energieinhalten reversibel ist, ist die Übertragung von Wärme zu der Traktionsbatterie hin oder von der Traktionsbatterie weg ein irreversibler Prozess.In particular, the invention relates to a formed by a heat exchanger thermodynamic connection between the traction battery and the compressed air tank of the electric vehicle, as a cooling system for the traction battery in driving and loading operation. The traction battery is cooled while charging at a fast charging station of the gas station by relaxing compressed air using the Joule Thomson effect. Depending on the outside temperature of this connected to the fluid circuit of the traction battery cooling system is also used while driving. While the transfer of electric or pneumatically stored energy content is reversible, the transfer of heat to the traction battery or away from the traction battery is an irreversible process.
Verbindungen der EnergiespeichersystemeConnections of energy storage systems
Zu den Ausstattungen der Tankstelle für ein kombiniertes Lade- und Kühlsystem gehören mindestens eine oder mehrere Ladestationen, an denen jeweils zwei Elektrofahrzeuge andocken können, sodass einerseits über Ladekabel und Stecker eine temporäre Verbindung zu einer Stromquelle der Elektrotankstelle hergestellt werden kann und andererseits über eine Schlauchkupplung für die Druckluft eine Verbindung zu dem Elektrofahrzeug hergestellt werden kann. Um im Fahr- und Ladebetrieb an der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs eine Kühlleistung von 10-20 kW zu realisieren, erfolgt die Kühlung der Traktionsbatterie durch Entspannung der Druckluft aus mindestens einem Druckluftbehälter des Elektrofahrzeugs, der im Ladebetrieb mit dem Druckluftspeichertank der Tankstelle verbunden ist, wobei ein Druckluftbehälter z.B. auf 300 bar verdichtete Luft aufnimmt, sodass bei einem Behältervolumen von 100 Litern 30.000 Liter Kühlmittel zur Verfügung stehen. Im Ladebetrieb an einer Schnellladestation der Tankstelle erfolgt die Verbindung zwischen der Stromquelle und der Traktionsbatterie entweder durch ein IPT-System (Inductive Power Transmission) oder mittels von Ladekabel, Stecker und Steckdose. In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind Ladekabel und Druckluftleitung in einer gemeinsamen Zapfpistole vereinigt, wobei Steck-Rast-Verbindungen vorgesehen sind, die mit dem Drücker der Zapfpistole ver- und entriegelt werden.The equipment of the filling station for a combined charging and cooling system includes at least one or more charging stations, each of which can dock two electric vehicles, so on the one hand via charging cable and plug a temporary connection to a power source of the electric filling station can be made and on the other hand via a hose coupling for the compressed air can be connected to the electric vehicle. In order to realize a cooling capacity of 10-20 kW in driving and charging operation on the traction battery of the electric vehicle, the cooling of the traction battery is carried out by relaxing the compressed air from at least one compressed air tank of the electric vehicle, which is connected in charging mode with the compressed air storage tank of the gas station, wherein a Compressed air tank eg compressed air at 300 bar, so that with a container volume of 100 liters 30,000 liters of coolant are available. When charging at a fast charging station of the gas station, the connection between the power source and the traction battery is made either by an IPT system (Inductive Power Transmission) or by means of charging cable, plug and socket. In one embodiment of the invention, charging cable and compressed air line are combined in a common fuel nozzle, wherein plug-and-detent connections are provided, which are locked and unlocked with the handle of the fuel nozzle.
Thermische Konditionierung der TraktionsbatterieThermal conditioning of the traction battery
Die im Rahmen der Erfindung angegebene Kühltechnik zur Kühlung der Traktionsbatterie basiert im Fahr- und Ladebetrieb auf der Entspannung von Druckluft aus dem Druckluftbehälter des Elektrofahrzeugs bzw. aus dem Druckluftspeichertank der Tankstelle. Beim Entspannen der Druckluft kann durch einen Mischer Feuchtigkeit und Umgebungsluft der Druckluftströmung beigemischt werden, sodass einerseits eine exakte Einstellung der notwendigen Vorlauftemperatur für die Druckluft und andererseits eine Erhöhung der Kühlkapazität der entspannten Druckluft ermöglicht wird. Der Wärmeübertrager weist eine hydraulische Struktur auf, die in einer Ausführungsvariante von einem Lamellenregister gebildet und von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird. Mittels einer Vielzahl von Düsen in einer Rasteranordnung wird die Druckluft großflächig entspannt und über einen durch einen Ventilator unterstützten Luftstrom in einer Vielzahl von Luftkanälen des Lamellenregisters mit der Außenluft vermischt.The specified in the context of the invention cooling technology for cooling the traction battery is based in the driving and loading operation on the relaxation of compressed air from the compressed air tank of the electric vehicle or from the compressed air storage tank of the gas station. When relaxing the compressed air can be mixed by a mixer moisture and ambient air of the compressed air flow, so on the one hand, an exact adjustment of the necessary flow temperature for the compressed air and on the other hand, an increase in the cooling capacity of the relaxed compressed air is made possible. The heat exchanger has a hydraulic structure, which is formed in a variant of a fin register and flows through a heat transfer fluid. By means of a plurality of nozzles in a grid arrangement, the compressed air is extensively expanded and mixed via a supported by a fan airflow in a plurality of air channels of the fin register with the outside air.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist der Wärmübertrager als Zweiphasen-Thermosyphon mit senkrechten, in Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs ausgerichteten Wänden zwischen den Batteriezellen der Traktionsbatterie ausgebildet. Der Zweiphasen-Thermosyphon ist mit einem Unterdruck beaufschlagt und nimmt ein phasenwechselndes Wärmeträgerfluid, z.B. Ethanol oder Methanol, auf. Die Batteriezellen sind in einem vollflächigen wärmeleitenden Kontakt mit der Außenseite der senkrechten Wände dieses plattenförmigen Wärmeübertragers verbunden. Bei Wärmeeintrag seitens der Batteriezellen verdampft das Wärmeträgerfluid und kondensiert an einem von der entspannten Druckluft durchströmten berippten Wärmeträgerrohr, das den Plattenwärmeübertrager an seinem oberen Ende als Wärmesenke in Fahrtrichtung durchquert. Eine Strömungsleitvorrichtung im Inneren des Plattenwärmeübertragers nimmt das kondensierte Wärmeträgerfluid auf und leitet es zu der Innenseite der senkrechten Wände des Zweiphasen-Thermosiphons, um die Wände des Plattenwärmeübertragers an der Innenseite zu benetzen. Druckluft aus dem Druckluftbehälter wird über eine Düse in das berippte Wärmeträgerrohr eingeleitet und dabei entspannt. Dadurch wird Wärme von den Batteriezellen auf einen von entspannter Druckluft gekühlten Luftstrom übertragen und dient bedarfsweise auch zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums. Luftkanäle zwischen den Modulen der Batteriezellen ermöglichen eine Kühlung durch einen Ventilator und/oder durch den Fahrtwind. Als Wärmeträgerfluid für den als Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildeten Wärmeübertrager kommen neben dem bevorzugten destillierten Wasser auch Methanol oder Ethanol, Isobutan, R365 oder Acetone oder ein Fluid aus der Stoffgruppe der Isopentane in Frage. Der Plattenwärmeübertrager selbst kann aus Edelstahl oder Aluminium oder als Verbund aus Kunststoff und Metall hergestellt werden. Der Druck innerhalb des passiv arbeitenden Zweiphasen-Thermosiphons wird auf wenige mbar abgesenkt, sodass der Siedepunkt von Wasser bei kleiner gleich 20°C liegt. Mittels der latenten Verdampfungswärme des Wärmeträgerfluids oder Arbeitsmittels wird Wärme von der Wärmequelle, die von den Wänden des Plattenwärmeübertragers gebildet wird, durch Verdampfung zu der Wärmesenke, die von dem berippten Wärmeträgerrohr gebildet wird, transportiert. Dabei erfolgt der Wärmetransport nahezu isotherm bei konstanter Temperatur, der Wärmeträgerfluid-Sättigungstemperatur des Zweiphasen-Thermosiphons. Der große Vorteil dieser Technik liegt darin, dass für den Fluidkreislauf keine Umwälzpumpe benötigt wird und bereits eine geringe Füllmenge mit dem Wärmeträgerfluid ausreicht, um einen hohen Wärmestrom zu übertragen. Bereits geringe Temperaturdifferenzen reichen aus, um einen kontinuierlichen Wärmetransport von den Batteriezellen auf die entspannte Druckluft zu übertragen. Im Winter wird das Wärmeträgerfluid mittels einer elektrischen Widerstandsheizung beheizt, sodass die Batteriezellen ihre Arbeitstemperatur erreichen. Weist die hydraulische Struktur einen Zweiphasen-Thermosiphons ist die Widerstandsheizung in dem sog. Sumpf am unteren Ende des Plattenwärmeübertragers angeordnet und verdampft das Wärmeträgerfluid, wodurch Wärme auf die Batteriezellen übertragen wird. Im Falle eines Lamellenregisters ist die elektrische Widerstandsheizung der hydraulischen Struktur zugeordnet und dient ebenfalls der Erwärmung der Batteriezellen über das Wärmeträgerfluid.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the heat exchanger is designed as a two-phase thermosiphon with vertical, aligned in the direction of travel of the electric vehicle walls between the battery cells of the traction battery. The two-phase thermosiphon is subjected to a negative pressure and receives a phase-changing heat transfer fluid, such as ethanol or methanol. The battery cells are connected in a full-surface heat-conducting contact with the outside of the vertical walls of this plate-shaped heat exchanger. Upon heat input by the battery cells, the heat transfer fluid evaporates and condenses on a flowed through by the relaxed compressed air compressed heat transfer tube, which traverses the plate heat exchanger at its upper end as a heat sink in the direction of travel. A flow guide inside the plate heat exchanger receives the condensed heat transfer fluid and directs it to the inside of the vertical walls of the two-phase thermosyphon to wet the walls of the plate heat exchanger on the inside. Compressed air from the compressed air tank is introduced via a nozzle in the finned heat transfer tube and thereby relaxed. As a result, heat is transferred from the battery cells to a cooled air stream of relaxed compressed air and, if necessary, also serves to cool the vehicle interior. Air channels between the modules of the battery cells allow cooling by a fan and / or by the airstream. As a heat transfer fluid for the formed as a two-phase thermosiphon heat exchanger in addition to the preferred distilled water and methanol or ethanol, isobutane, R365 or acetone or a fluid from the group of isopentanes in question. The plate heat exchanger itself can be made of stainless steel or aluminum or as a composite of plastic and metal. The pressure within the passively operating two-phase thermosyphon is lowered to a few mbar, so that the boiling point of water is less than or equal to 20 ° C. By means of the latent heat of vaporization of the heat transfer fluid or working fluid, heat from the heat source formed by the walls of the plate heat exchanger is transported by evaporation to the heat sink formed by the finned heat transfer tube. The heat transfer takes place almost isothermally at a constant temperature, the heat transfer fluid saturation temperature of the two-phase thermosyphon. The great advantage of this technique is that no circulation pump is required for the fluid circuit and even a small amount of charge with the heat transfer fluid is sufficient to transfer a high heat flow. Even small temperature differences are sufficient to one to transfer continuous heat transfer from the battery cells to the relaxed compressed air. In winter, the heat transfer fluid is heated by means of an electrical resistance heater, so that the battery cells reach their working temperature. If the hydraulic structure has a two-phase thermosyphon, the resistance heating is arranged in the so-called sump at the lower end of the plate heat exchanger and vaporizes the heat transfer fluid, whereby heat is transferred to the battery cells. In the case of a lamella register, the electrical resistance heater is assigned to the hydraulic structure and likewise serves to heat the battery cells via the heat transfer fluid.
Druckluft als HilfsantriebCompressed air as auxiliary drive
Im Fahrbetrieb bei Temperaturen von 20-25°C in den Batteriezellen der Traktionsbatterie treibt die Druckluft aus dem Druckluftbehälter einen Generator an, der zusätzlichen Strom für den oder die Traktionsmotoren liefert. Die Druckluft und der Generator können auch als Reserveantrieb im Sinne eines Range Extenders genutzt werden. Bei Dauerfrost z.B. ermöglicht die Druckluft im Zusammenwirken mit einem Druckluftmotor einen von der Traktionsbatterie unabhängigen Fahrbetrieb.When driving at temperatures of 20-25 ° C in the battery cells of the traction battery, the compressed air from the compressed air tank drives a generator that provides additional power for the traction or the traction motors. The compressed air and the generator can also be used as reserve drive in the sense of a range extender. For permafrost e.g. allows the compressed air in cooperation with a compressed air motor independent of the traction battery driving.
Elektropneumatische Steuerung des FahrbetriebsElectropneumatic control of driving operation
Eine zentrale elektropneumatische Ventilinsel ist für die Steuerung des Fahr- und Ladebetriebs vorgesehen und ermöglicht z.B. im Bremsbetrieb eine Energierückgewinnung. Besteht das Antriebssystem des Elektrofahrzeugs z.B. aus vier Radnabenmotoren, die im Bremsbetrieb als Radnabengeneratoren wirken, kann Strom in die Traktionsbatterie zurückgespeichert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Traktionsmotor im Bremsbetrieb mit dem Kompressor zu verbinden, um Druckluft in den Druckluftbehälter zu speichern. Die dabei entstehende Wärme kann für eine Erwärmung der Batteriezellen genutzt werden. Schließlich kann die Druckluft einen Generator antreiben, der wiederum Strom in die Traktionsbatterie zurückspeichert. Im Sinne einer ganzheitlichen Temperierung des Elektrofahrzeugs in unterschiedlichen Temperaturbereichen von etwa -20°C bis +45°C erfolgt die Temperaturregulierung über die zentrale Ventilinsel, wobei in den unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs Aktoren gesteuert werden, die einen reversiblen Energieaustausch ermöglichen und z.B. als Einheit aus Generator und Traktionsmotor oder als Einheit aus Kompressor und Druckluftmotor ausgebildet sind. Entspannte Druckluft kann nach dem Kühlen der Traktionsbatterie in das Umluftsystem der Klimaanlage eingeleitet werden und dient der Kühlung des Fahrzeuginnenraums. Durch die vollkommene Entlastung der Traktionsbatterie von der Kühlfunktion im Ladebetrieb und eine mit dem Kühlmittel Luft gegebene Entlastung der Traktionsbatterie auch im Fahrbetrieb erhöht sich die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zwischen den Tankstopps erheblich. Die effiziente Kühlung der Traktionsbatterie über eine externe Kältequelle vom Anfang bis zum Ende des Ladeprozesses mit gleichbleibend hoher Stromstärke verkürzt den Ladevorgang auf unter 10 min.A central electropneumatic valve terminal is provided for the control of the driving and loading operation and allows e.g. in braking mode an energy recovery. Is the drive system of the electric vehicle, e.g. From four wheel hub motors, which act as wheel hub generators in braking mode, electricity can be stored back into the traction battery. Another possibility is to connect the traction motor in braking operation with the compressor to store compressed air in the compressed air tank. The resulting heat can be used for heating the battery cells. Finally, the compressed air can drive a generator, which in turn stores power back into the traction battery. In the sense of a holistic temperature control of the electric vehicle in different temperature ranges from about -20 ° C to + 45 ° C, the temperature is controlled via the central valve terminal, being controlled in the different operating conditions of the vehicle actuators that allow a reversible energy exchange and, for. are formed as a unit of generator and traction motor or as a unit of compressor and air motor. Relaxed compressed air can be introduced after cooling the traction battery in the air circulation system of the air conditioning and is used to cool the vehicle interior. Due to the complete discharge of the traction battery from the cooling function in the charging mode and given with the coolant air relief of the traction battery even while driving, the range of an electric vehicle between refueling increases significantly. The efficient cooling of the traction battery via an external source of cold from the beginning to the end of the charging process with constantly high current strength shortens the charging process to less than 10 min.
Nutzung der vorhandenen Infrastruktur einer TankstelleUse of the existing infrastructure of a gas station
Die unterirdischen Kraftstofftanks einer bestehenden Tankstelle können zu Druckluftspeichertanks umgerüstet werden, wobei ein ehemaliger Kraftstofftank eine Mehrzahl einzelner Druckluftspeichertanks aufnehmen kann. Für die Speicherung der Druckluft ist ein elektrisch betriebener wassergekühlter Kompressor vorgesehen, dessen Strombedarf durch eine Solaranlage mit PV-Modulen oder durch Windturbinen oder durch das Netz gedeckt wird. Während der Druckluftspeichertank der Tankstelle durch einen Kompressor beladen wird, kann die Prozesswärme für die Beheizung der Aufenthaltsräume der Tankstelle genutzt werden. Stehen der Kompressor und der Druckluftspeichertank z.B. in einer Garage, kann die von dem Kompressor generierte Wärme z.B. für die Heizung eines Eigenheims genutzt werden.The underground fuel tanks of an existing gas station can be converted to compressed air storage tanks, wherein a former fuel tank can accommodate a plurality of individual compressed air storage tanks. For the storage of compressed air, an electrically operated water-cooled compressor is provided, the power requirement is covered by a solar system with PV modules or by wind turbines or through the network. While the compressed air storage tank of the gas station is loaded by a compressor, the process heat can be used for heating the rooms of the gas station. If the compressor and the compressed air storage tank are e.g. in a garage, the heat generated by the compressor may e.g. be used for heating a home.
Tankstelle mit BatteriespeicherGas station with battery storage
Da das lokale Stromnetz nicht ausreicht, um flächendeckend Tankstellen gleichzeitig mit Strom zu versorgen und da die regenerative Stromerzeugung natürlich bedingten Schwankungen unterliegt, ist es notwendig ein zukünftiges Tankstellennetz mit Batteriespeichern als Zwischenspeicher auszustatten. Dabei wird die übliche Netzspannung von 220 V durch einen Transformator auf bis zu 1000 V erhöht, um die Ladezeit zu verkürzen. Bei der Übertragung eines Energieinhalts von z.B. 100 Wh treten auch in dem Batteriespeicher hohe Temperaturen auf, die eine Kühlung durch entspannte Druckluft aus dem Druckluftspeichertank der Tankstelle erfordern. Neben einem Netzanschluss bietet sich auch eine der Tankstelle zugeordnete Solaranlage mit PV-Modulen oder eine oder mehrere Windturbinen als Stromquelle an.Since the local power grid is not sufficient to provide nationwide service stations at the same time with electricity and because the renewable electricity generation subject to natural fluctuations, it is necessary to equip a future gas station network with battery storage as a buffer. The usual mains voltage of 220 V is increased by a transformer to up to 1000 V in order to shorten the charging time. When transmitting an energy content of e.g. 100 Wh also occur in the battery storage high temperatures that require cooling by relaxed compressed air from the compressed air storage tank of the gas station. In addition to a grid connection, a solar system with PV modules assigned to the filling station or one or more wind turbines as a power source are also suitable.
Eine Schnellladestation der Tankstelle ist mit einem Zählwerk ausgestattet, das nicht nur den entnommenen Strom, sondern auch die Menge der übertragenen Druckluft zählt, sodass eine exakte Abrechnung der bezogenen Energiemengen ermöglicht wird. A fast charging station of the gas station is equipped with a counter, which counts not only the withdrawn power, but also the amount of transmitted compressed air, so that an exact accounting of the amounts of energy used is possible.
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
Es zeigen:
-
1 den Austausch von Energieinhalten zwischen dem Elektrofahrzeug und der Tankstelle in einer schematischen Darstellung -
2 das Temperiersystem für den Fahr-und Ladebetrieb eines Elektrofahrzeugs in einem schematischen Grundriss -
3 ein Elektrofahrzeug im Ladebetrieb an einer Tankstelle in der perspektivischen Darstellung -
4 ein Elektrofahrzeug im Ladebetrieb an der Schnellladestation in der perspektivischen Darstellung -
5 eine Zapfpistole zur gleichzeitigen Übertragung von Strom und Druckluft in der perspektischen Darstellung -
6 die Traktionsbatterie und den Wärmeübertrager eines Elektrofahrzeugs in einer schematischen perspektivischen Übersicht -
7 einen Wärmeübertrager, der als Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet ist, in einer perspektivischen Schnittdarstellung -
8 die Traktionsbatterie und den Wärmeübertrager nach7 in einem Detailausschnitt -
9 eine Traktionsbatterie und den Wärmeübertrager nach7 und8 in einer perspektivischen Übersicht
Show it:
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1 the exchange of energy content between the electric vehicle and the gas station in a schematic representation -
2 the temperature control system for the driving and charging of an electric vehicle in a schematic plan view -
3 an electric vehicle in the loading operation at a gas station in the perspective view -
4 an electric vehicle in charging mode at the fast charging station in the perspective view -
5 a nozzle for the simultaneous transmission of electricity and compressed air in the perspective representation -
6 the traction battery and the heat exchanger of an electric vehicle in a schematic perspective overview -
7 a heat exchanger, which is designed as a two-phase thermosiphon, in a perspective sectional view -
8th the traction battery and the heat exchanger after7 in a detail section -
9 a traction battery and the heat exchanger after7 and8th in a perspective overview
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102011118873 A1 [0008]DE 102011118873 A1 [0008]
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