DE102017113842A1

DE102017113842A1 - Ladesystem für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102017113842A1
Application number: DE102017113842.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Manuel Groß
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20180370374A1; CN109109678A; CN109109678B; AU2018204413A1; CH713923A2; US10688873B2; RU2674914C1; CH713923B1; JP2019009111A; JP6602426B2; AU2018204413B2

Abstract

Ladesystem (10) für Elektrofahrzeuge mit: einer Ladestation (12), an welche eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel (13) ankoppelbar ist; einer Leistungselektronik (16), wobei die Ladestation (12) unter Zwischenschaltung der Leistungselektronik (16) an ein elektrisches Strom- und Spannungsversorgungsnetz (14), welches eine definierte elektrische Netzleistung bereitstellt, anschließbar ist; einem elektrischen Speicher (18), der derart zwischen das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetz (14) und die Ladestation (12) geschaltet ist, dass derselbe abhängig von der elektrischen Netzleistung aufladbar und abhängig von einer Ladegeschwindigkeit der Ladestation (12) entladbar ist; einer Rückkühlvorrichtung (19), wobei die Ladestation (12), die Leistungselektronik (16) und der elektrische Speicher (18) an die Rückkühlvorrichtung (19), welche eine definierte thermische Rückkühlleistung bereitstellt, angeschlossen sind; einem thermischen Speicher (20), der derart mit der Rückkühlvorrichtung (19), der Ladestation (12), der Leistungselektronik (16) und dem elektrischen Speicher (18) verschaltet ist, dass derselbe oder ein Kühlmedium desselben abhängig von Verlustleitung der Leistungselektronik (16), der Ladestation (12) und des elektrischen Speichers (18) erhitzbar und abhängig von der thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung (19) abkühlbar ist.

Description

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge.
Für das Laden eines Elektrofahrzeugs, nämlich für das Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, sind der sogenannte AC-Lademodus sowie der sogenannte DC-Lademodus bekannt.
Im AC-Lademodus wird das Elektrofahrzeug über sein On-Board-Ladegerät an ein elektrisches Strom- und Spannungsversorgungsnetz angeschlossen, welches Wechselspannung bzw. Wechselstrom bereitstellt, wobei das On-Board-Ladegerät die Wandlung in Gleichstrom vornimmt. Im sogenannten AC-Lademodus ist die Ladegeschwindigkeit für die Traktionsbatterie beschränkt. Ladezeiten im AC-Lademodus liegen bei mehreren Stunden je 100 Kilometer Reichweite.
Über einen DC-Lademodus kann ein schnelleres Laden der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs erfolgen, wobei im DC-Lademodus die Traktionsbatterie nicht über das On-Board-Ladegerät des Elektrofahrzeugs geladen wird, sondern dadurch, dass die Traktionsbatterie unter Umgehung des On-Board-Ladegeräts direkt an eine fahrzeugexterne Ladestation angeschlossen wird, welche Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie bereitstellt. Mit dem DC-Lademodus können im Vergleich zum AC-Lademodus höhere Ladegeschwindigkeiten realisiert werden, bislang ist es jedoch noch nicht möglich, im DC-Lademodus Ladegeschwindigkeiten für die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen, die in der Größenordnung eines Tankvorgangs bei konventionellen, verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen liegen.
Bislang bekannte Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, die dem DC-Laden der Traktionsbatterie von Elektrofahrzeugen dienen, können entsprechend hohe Ladegeschwindigkeiten bislang nicht gewährleisten, da zum einen die von dem verfügbaren elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetz bereitgestellte elektrische Netzleistung unter Umständen nicht ausreichend ist, um eine erwünschte Ladegeschwindigkeit bereitzustellen, sowie zum anderen unter Berücksichtigung des Umstands, dass bei hohen Ladegeschwindigkeiten auch hohe Verluste anfallen, die zu einer hohen Wärmeentwicklung führen, die jedoch bislang nicht in zureichendem Maße abgeführt werden kann.
Aus der EP 2 572 431 B1 ist ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge mit mehreren Ladestationen bekannt. Im Bereich jeder Ladestation ist die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs aufladbar, wobei im Bereich jeder Ladestation die Traktionsbatterie des jeweiligen Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel an die jeweilige Ladestation ankoppelbar ist. Das Ladesystem der EP 2 572 431 B1 verfügt weiterhin über eine Leistungselektronik mit mehreren Leistungsumsetzern, um die von einem elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetz bereitgestellte Netzleistung zum Laden der Traktionsbatterie der Elektrofahrzeuge zu wandeln.
Aus der EP 2 986 468 B1 ist ein weiteres Ladesystem für Elektrofahrzeuge bekannt. Hier ist eine Ladestation offenbart, an die eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel der Ladestation ankoppelbar ist. Die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs ist über einen von der Ladestation bereitgestellten Kühlkörper kühlbar, und zwar dadurch, dass der Kühlkörper der Ladestation eine Kontaktierungsfläche der Traktionsbatterie thermisch kontaktiert.
Es besteht daher Bedarf an einem Ladesystem für Elektrofahrzeuge, das einerseits aus elektrischer Sicht und andererseits aus thermischer Sicht ein Laden der Elektrofahrzeuge mit hoher Ladegeschwindigkeit bzw. mit einer Ladeleistung, insbesondere von mehr als 300 kW je Fahrzeug, erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Ladesystem umfasst mindestens einen elektrischen Speicher, der derart zwischen das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetz und die jeweilige Ladestation geschaltet ist, dass derselbe abhängig von der elektrischen Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes aufladbar und abhängig von einer Ladegeschwindigkeit der Leistungselektronik und der jeweiligen Ladestation entladbar ist.
Das Ladesystem umfasst weiterhin mindestens eine Rückkühlvorrichtung, wobei die jeweilige Ladestation, die Leistungselektronik und der oder jede elektrische Speicher an die Rückkühlvorrichtung, welche eine definierte thermische Rückkühlleistung bereitstellt, angeschlossen sind.
Das Ladesystem umfasst weiterhin mindestens einen thermischen Speicher, der derart mit der Rückkühlvorrichtung, der jeweilige Ladestation, der Leistungselektronik und dem oder jedem elektrischen Speicher verschaltet ist, dass derselbe oder ein Kühlmedium desselben abhängig von Verlustleitung der Leistungselektronik, der jeweiligen Ladestation und des jeweiligen elektrischen Speichers erhitzbar und abhängig von der thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung abkühlbar ist.
Das erfindungsgemäße Ladesystem umfasst mindestens einen elektrischen Speicher und mindestens einen thermischen Speicher.
Der oder jeder elektrische Speicher kann an ein elektrisches Strom- und Spannungsversorgungsnetz angeschlossen und von demselben aufgeladen werden, und zwar mit einer Ladegeschwindigkeit, die von der elektrischen Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes abhängig ist. Zum Laden einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ist die im elektrischen Speicher gespeicherte elektrische Energie abrufbar, um die Traktionsbatterie ausgehend vom elektrischen Energiespeicher vorzugsweise unterstützt vom elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzwerk mit einer höheren Geschwindigkeit zu laden, als das Aufladen des elektrischen Energiespeichers ausgehend vom elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzwerk möglich ist.
Insbesondere ist durch einen elektrischen Energiespeicher möglich, eine Ladeleistung von mehr als 300 kW je Fahrzeug bereitzustellen. Damit können hohe Ladegeschwindigkeiten realisiert werden.
Die bei derart hohen Ladeleistungen für Elektrofahrzeuge anfallende Verlustwärme kann über den oder jeden thermischen Speicher abgeführt werden, um eine unzulässig hohe Erwärmung zum Beispiel der Leistungselektronik oder der jeweiligen Ladestation oder des jeweiligen elektrischen Speichers zu unterbinden.
Die Abführung der vom thermischen Speicher aufgenommenen Wärme erfolgt dann über die Rückkühlvorrichtung, die eine Rückkühlleistung bereitstellt, um den thermischen Speicher bzw. da vom thermischen Speicher genutzte Kühlmedium zu kühlen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind der oder jede elektrische Speicher und der oder jede thermische Speicher hinsichtlich ihrer jeweiligen Dynamik aufeinander abgestimmt sind. Die Abstimmung von elektrischem Speicher und thermischem Speicher hinsichtlich ihrer Dynamik ist zur Bereitstellung eines effizienten Ladesystems für Elektrofahrzeuge besonders bevorzugt. Es ist möglich, mehrere Elektrofahrzeuge mit hinreichender Ladegeschwindigkeit zu laden.
Vorzugsweise ist die thermische Rückkühlleistung des oder jedes thermischen Speichers derart an die elektrische Netzleistung des Strom- und Spannungsversorgungsnetzes angepasst, dass einerseits das Aufladen des elektrischen Speichers und das Rückkühlen des thermischen Speichers nach einem Ladevorgang einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs innerhalb einer definierten Zeitspanne erfolgt. Hiermit kann besonders vorteilhaft ein effizientes Ladesystems für Elektrofahrzeuge bereitgestellt werden. Es ist möglich, mehrere Elektrofahrzeuge mit hinreichender Ladegeschwindigkeit zu laden.
Vorzugsweise sind der oder jede elektrische Speicher und der oder jede thermische Speicher hinsichtlich ihrer jeweiligen Kapazität aufeinander abgestimmt.
Vorzugsweise sind hierzu eine elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers und eine thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers derart aufeinander abgestimmt, dass für eine definierte Anzahl von Ladevorgängen von Traktionsbatterien der elektrische Speicher die erforderliche Ladeenergie und der thermische Speicher die erforderliche Kühlenergie bereitstellt.
Die Abstimmung der Kapazitäten von elektrischem Speicher und thermischem Speicher ist zur Bereitstellung eines effizienten Ladesystems von besonderem Vorteil. Es ist möglich, mehrere Elektrofahrzeuge mit hinreichender Ladegeschwindigkeit zu laden.
Vorzugsweise ist die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers ferner unter Maximierung einer Lebensdauer des elektrischen Speichers und/oder unter Berücksichtigung einer Netzstabilität des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes ausgelegt. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen kann die Effizienz des Ladesystems weiter gesteigert werden.
Vorzugsweise ist die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers des Ladesystems ferner in Abhängigkeit von Umgebungstemperatureinflüssen des Ladesystems ausgelegt. Auch unter Berücksichtigung dieser Randbedingung ist eine weitere Effizienzsteigerung des Ladesystems möglich, da es möglich ist, die vorzuhaltende Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung zu minimieren.
Vorzugsweise sind die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers des Ladesystems und die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers des Ladesystems und die thermische Rückkühlleistung des Rückkühlvorrichtung des Ladesystems auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Anzahl an Ladevorgängen je Zeiteinheit und auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Ladeenergie je Ladevorgang ausgelegt. Hierdurch ist es möglich, ein Ladesystem auf ortsspezifische Anforderung gezielt auszulegen. Hierdurch kann ein effizientes und wirtschaftliches Ladesystem bereitgestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind der oder jede elektrische Speicher des Ladesystems und der oder jede thermische Speicher des Ladesystems derart aufeinander abgestimmt, dass ein thermischer Energieinhalt des thermischen Speichers, der einem Produkt aus einer thermischen Kapazität und einem maximal zulässigen Temperaturhub entspricht, für dieselbe Anzahl von Ladevorgängen ausreicht wie der elektrische Speicher auf Grund seines elektrischen Energieinhalts bedienen kann. Diese Details dienen der Bereitstellung eines effizienten Ladesystems, an welchem eine Vielzahl von Elektrofahrzeugen mit hoher Ladegeschwindigkeit geladen werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist mit Hilfe der Rückkühlvorrichtung die Leistungselektronik und der oder jede elektrische Energiespeicher und das Ladekabel der oder jeder Ladestation kühlbar. Insbesondere das Kühlen der Ladekabel der Ladestationen ist von Bedeutung, um die bei hohen Ladeleistungen bzw. Ladegeschwindigkeiten anfallende Verlustwärme effektiv abzuführen und eine Überhitzung der Ladekabel auszuschließen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystem für Elektrofahrzeuge;
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung von Auslegungsdetails des Ladesystem der 1;
3 ein Detail des Ladesystems der 1; und
4 ein alternatives Detail des Ladesystems der 1.

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge. Ein solches Ladesystem wird auch als Ladepark bezeichnet.
1 zeigt stark schematisiert den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Ladesystems 10 für Elektrofahrzeuge 11. Das Ladesystem 10 verfügt über mehrere Ladestationen 12 für Elektrofahrzeuge, wobei im Bereich jeder dieser Ladestationen 12, die auch als Ladesäulen bezeichnet werden, jeweils ein Elektrofahrzeug 11 aufgeladen werden kann, nämlich durch Ankoppeln der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs 11 an die Ladestation 12 über ein Ladekabel 13 der jeweiligen Ladestation 12.
In 1 sind zwei Elektrofahrzeuge 11 gezeigt, die über ein Ladekabel 13 an die jeweilige Ladestation 12 angeschlossen sind.
Das Ladesystem 10 ist ausgehend von einem elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14, von welchem ein Transformator 15 gezeigt ist, mit elektrischer Spannung bzw. elektrischem Strom versorgbar. Das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetzwerk 14 ist dabei durch eine definierte elektrische Netzleistung gekennzeichnet, die standortabhängig als Randbedingung vorgegeben ist.
Bei bislang bekannten Ladesystemen hängt die Ladegeschwindigkeit bzw. Ladeleistung für die Elektrofahrzeuge 11 limitierend von der elektrischen Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzwerks 14 ab.
Das Ladesystem 10 für Elektrofahrzeuge verfügt weiterhin über eine Leistungselektronik 16, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 von zwei Leistungselektronikmodulen 17 bereitgestellt wird, die für jede Ladestation 12 einen Leistungsumsetzer bereithalten.
Jede Ladestation 12 des Ladesystems 10 ist unter Zwischenschaltung der Leistungselektronik 16 bzw. des von der Leistungselektronik 16 bereitgestellten Leistungsumsetzers an das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14 anschließbar bzw. gekoppelt.
Das Ladesystem 10 für Elektrofahrzeuge verfügt über mindestens einen elektrischen Speicher 18.
Der jeweilige elektrische Speicher 18 des Ladesystems 10 ist derart zwischen das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetzwerk 14 und die jeweilige Ladestation 12 des Ladesystems 10 und damit die Leistungselektronik 16 des Ladesystems 10 geschaltet, dass der jeweilige elektrische Energiespeicher 18 abhängig von der elektrischen Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes 14 aufladbar und abhängig von einer Ladegeschwindigkeit der Leistungselektronik 16 bzw. der jeweiligen Ladestation 12 bei Laden der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs entladbar ist.
Dabei ist die Ladegeschwindigkeit, mit welcher der elektrische Energiespeicher 18 ausgehend vom elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14 aufladbar ist, durch die elektrische Netzleistung limitiert und geringer als die Ladegeschwindigkeit der jeweiligen Ladestation 12 zur Laden der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, um so zu ermöglichen, dass Elektrofahrzeuge 11, nämlich Traktionsbatterien derselben, mit einer hohen Ladegeschwindigkeit und hohen Ladeleistung aufgeladen werden können als dies ausschließlich über das Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14 möglich wäre, wobei die Ladeleistung je Fahrzeug vorzugsweise mehr als 300 kW beträgt.
Das Ladesystem 10 verfügt weiterhin über eine Rückkühlvorrichtung 19 und mindestens einen thermischen Speicher 20.
Die Rückkühlvorrichtung 19 stellt zur Kühlung der jeweiligen Ladestation 12 sowie der Leistungselektronik 16 sowie des elektrischen Speichers 18 eine definierte thermische Rückkühlleistung bereit.
Um die im Bereich der Ladestationen 12, der Leistungselektronik 16 sowie des elektrischen Energiespeichers 18 abführbare Wärme nicht durch die thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung 19 zu limitieren, umfasst das Ladesystem 10 weiterhin mindestens einen thermischen Speicher 20.
Der thermische Speicher 20 ist dabei mit der Rückkühlvorrichtung 19, der jeweilige Ladestation 12, die Leistungselektronik 16 und dem jeweiligen elektrischen Energiespeicher 18 gekoppelt, sodass der thermische Speicher 20 oder ein Kühlmedium desselben abhängig von der Verlustleistung der Leistungselektronik 16, der Verlustleistung der Ladestationen 12 sowie der Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 18 erhitzbar und abhängig von der thermischen Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung 19 abkühlbar ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für sämtliche Ladestationen 12 ein gemeinsamer elektrischer Speicher 18 und ein gemeinsamer thermischer Speicher 20 vorhanden. Es ist auch möglich, mehrere elektrische Speicher 18 und mehrere thermische Speicher 20 vorzusehen, so zum Beispiel jeweils für eine Gruppe von Ladestationen 12 einen gemeinsamen elektrischen Speicher und einen gemeinsamen thermischen Speicher 20.
Der oder jede elektrische Speicher 18 erlaubt es demnach, eine ggf. zeitweise zu geringe Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes 14 auszugleichen. Dabei erfolgt eine relativ langsame Aufladung des elektrischen Speichers 18 ausgehend vom elektrischen Strom- und Spannungsnetz 14 sowie eine schnelle Entladung desselben, sobald an einer Ladestation 12 ein Elektrofahrzeug, nämlich die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, geladen wird. Das elektrische Strom- und Spannungsnetz 14 unterstützt vorzugsweise den elektrischen Speicher 18 beim Ausladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
Mithilfe des thermischen Speichers 20 ist es möglich, eine vom Rückkühlsystem 19 vorzuhaltende Rückkühlleistung zu reduzieren, um so das Rückkühlsystem 19 kleiner zu dimensionieren und diesbezügliche Kosten zu reduzieren.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind der oder jeder elektrischer Speicher 18 und der oder jeder thermische Speicher 20 hinsichtlich ihrer jeweiligen Dynamik und/oder hinsichtlich ihrer jeweiligen Kapazität aufeinander abgestimmt. Vorzugsweise sind sowohl die Dynamik als auch die Kapazitäten und damit Speichervermögen des oder jeden elektrischen Speichers 18 sowie des oder jeden thermischen Speichers 20 aufeinander abgestimmt. Damit ist es insbesondere möglich, die bereitzuhaltende thermische Kühlleistung auf die bereitgehaltene elektrische Ladeleistung abzustimmen. Der oder jeder elektrische Speicher 18 stellt ggf. unterstützt durch das elektrische Strom- und Spannungsnetz elektrische Energie für Ladevorgänge von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen 11 bereit. Der oder jeder thermische Speicher 20 dient unterstützt durch das Rückkühlsystem 19 der Aufnahme und Abfuhr von Verlustwärme, die bei Ladevorgängen anfällt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die thermische Rückkühlleistung, die der Rückkühlvorrichtung 19 für den oder jeden thermischen Speicher 20 bereitgestellt wird, derart an die elektrische Netzleistung des elektrisches Strom- und Spannungsversorgungsnetzes, welches dem Aufladen des oder jedes elektrischen Speichers 18 dient, angepasst ist, dass einerseits das Aufladen des elektrischen Energiespeichers 18 und andererseits das Rückkühlen des thermischen Speichers 20 nach einem Ladevorgang einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs 11 innerhalb einer definierten Zeitspanne erfolgt. Dies ist zur Abstimmung der Ladedynamik und Kühldynamik des Ladesystems bevorzugt.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass einerseits das Aufladen des elektrischen Speichers 18 und andererseits das Rückkühlen des thermischen Speichers 20 nach dem Ladevorgang einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs 11 mit gleicher Geschwindigkeit erfolgt. Dies ist zur Abstimmung der Ladedynamik und Kühldynamik des Ladesystems besonders bevorzugt.
Ferner sind die Kapazitäten der Speicher 18, 19 aufeinander abgestimmt, nämlich die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers 18 und die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers 20.
Vorzugsweise ist die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers 18 und die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers 20 derart aufeinander abgestimmt, dass für eine definierte Anzahl von Ladevorgängen von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen 11 der oder jeder elektrische Speicher 18 die erforderliche Ladeenergie und der oder jeder thermische Speicher 20 die erforderliche Kühlenergie bereitstellt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers 18 und die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers 20 und die thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung 19 auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Anzahl von Ladevorgängen je Zeiteinheit und auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Ladeenergie je Ladevorgang ausgelegt sind, um abgestimmt auf den Standort des Ladesystems und standortspezifische Randbedingungen die Freiheitsgrade des Ladesystems optimal auszulegen, nämlich die Größe bzw. Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers 18, die Größe bzw. Kapazität des oder jedes thermischen Speichers 20 sowie die Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung 19.
Die elektrische Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes 14 ist vorgegeben und als Randbedingung zu beachten. Ferner dienen als zu beachtende Randbedingungen bei der Auslegung, wie oben ausgeführt, die statistisch oder empirisch ermittelte Anzahl an Ladevorgängen je Zeiteinheit, also eine empirisch oder statistisch ermittelte Ladehäufigkeit, eine statistisch oder empirisch ermittelte angeforderte Ladeenergie je Ladevorgang, die Anzahl der Ladestellen des Ladesystems sowie die gewünschte bzw. vorgegebene Ladeleistung je Ladevorgang und eine zwischen Ladevorgängen akzeptable, vorgegebene Wartezeit.
In 2 ist stark schematisiert über der Zeit t die aufeinander abgestimmte Auslegung der Freiheitsgrade des Ladesystems visualisiert, nämlich die Auslegung der Kapazitäten der Speicher 18, 19 sowie der Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung. So visualisiert der Kurvenverlauf 21 der 2 einen elektrischen Ladezustand eines elektrischen Speichers 18 und der Kurvenverlauf 22 eine thermische Aufnahmefähigkeit des thermischen Speichers 20.
Die Phasen 23 der 2 visualisieren den Verlauf des Ladezustands 21 und der thermischen Aufnahmefähigkeit 22 während eines Ladevorgangs einer Traktionsbatterie. Die Phasen 24 der 2 visualisieren den Ladezustand 21 und die thermische Aufnahmefähigkeit 22 während einer Erholung der Speicher 18, 20 nach Abschluss eines Ladevorgangs einer Traktionsbatterie. In der Phase 25 der 2 wird der Ladezustand 21 des elektrischen Speichers 18 und die thermische Aufnahmefähigkeit 22 des thermischen Speichers 20 für eine Situation visualisiert, in welcher weder ein Ladevorgang erfolgt noch eine Erholung der Speicher 18, 20 erforderlich ist, bei welcher also der elektrische Speicher 18 wieder voll aufgeladen ist und die volle thermische Aufnahmefähigkeit des thermischen Speichers 20 zur Verfügung steht.
Die elektrische Leistung des Ladesystems ist im zeitlichen Mittel zumindest an Leistung anpasst, die beim Laden von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen angerufen wird. Die Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung 19 ist so ausgelegt, im zeitlichen Mittel die beim Laden von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen anfallende Verlustwärme abgeführt wird. Die Speicher 18 und 20 erlauben eine Verlängerung der Zeitdauer, über die gemittelt wird.
Bei der Auslegung der Kapazität des elektrischen Speichers 18 wird vorzugsweise eine Maximierung der Lebensdauer des elektrischen Speichers 18 berücksichtigt, und zwar dadurch, dass ein Ladehub und Entladehub des elektrischen Speichers 18 innerhalb definierter Grenzen gehalten wird. Ferner wird vorzugsweise bei der Auslegung des elektrischen Speichers 18 eine Netzstabilität des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes 14 berücksichtigt.
Sollte standortbedingt eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit für das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14 bestehen, so wird hierauf die elektrische Kapazität des elektrischen Speichers 18 ausgelegt. Ferner kann bei der Bestimmung der Kapazität des elektrischen Speichers 18 nicht nur die Stabilität des Strom- und Spannungsversorgungsnetzes 14 berücksichtigt werden, sondern auch eine infolge sonstiger Randbedingungen vom Strom- und Spannungsversorgungsnetz 14 bereitstellbare Energie, die von der Tageszeit, der Jahreszeit, vom Wochentag, von wechselnden Energiekosten und dergleichen abhängig sein kann. Diesbezügliche Daten können empirisch ermittelt und bei der Auslegung über eine Poisson- oder Lognormal-Verteilung berücksichtigt werden.
Bei der Bestimmung der thermischen Kapazität des thermischen Speichers 20 können Umgebungsbedingungen des Ladesystems berücksichtigt werden, wie zum Beispiel vor Ort im Bereich des Ladesystems herrschende Umgebungstemperaturen.
3 zeigt ein Detail des Ladesystems 10 im Bereich eines thermischen Speichers 20, der mit einer Rückkühlvorrichtung 19 zusammenwirkt. 3 zeigt den thermischen Speicher 20, in welchem ein Kühlmittel bereitgehalten wird, wobei das Kühlmittel über eine Pumpe 26 zur Kühlung einer zu kühlenden Baugruppe 27 über eine Vorlaufleitung 28 aus dem Speicher 20 entnommen wird, um in Richtung auf die zu kühlende Baugruppe 27 geführt zu werden, und wobei das Kühlmittel nach Kühlung der Baugruppe 27 über eine Rücklaufleitung 29 in Richtung auf den thermischen Speicher 20 zurückgeführt wird und vorab über die in die Rücklaufleitung 29 verbaute Rückkühlvorrichtung 19 geführt wird, die im Ausführungsbeispiel der 3 einen Wärmetauscher 30 umfasst, der mit einem Lüfter 31 zusammenwirkt.
Über den Lüfter 31 wird in 3 die Menge an Luft definiert, die zur Kühlung über den Wärmetauscher 30 geführt wird, um das über die Rücklaufleitung 29 geführte, erwärmte Kühlmittel vor Zuführung in den thermischen Speicher 20 zu kühlen. Bei der Baugruppe 27 kann es sich um eine Baugruppe der Leistungselektronik 16, des elektrischen Speichers 18 oder auch einer Ladesäule 12 handeln. Wie bereits ausgeführt, werden sämtliche Baugruppen, an welchen Verlustwärme anfällt, gekühlt, also sowohl Baugruppen der Leistungselektronik 16, Baugruppen des elektrischen Speichers 18 sowie Baugruppen der Ladestationen 12, insbesondere die Ladekabel 13 derselben.
4 zeigt eine Weiterentwicklung des Details der 3, in welcher zusätzlich zum Wärmetauscher 30 und Lüfter 31 als weitere Baugruppe einer Rückkühlvorrichtung 19 ein Klimakompressor 32 vorhanden ist. Über einen solchen Klimakompressor 32 kann dann im Gegensatz zur 3 das Kühlmittel unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlt werden. Unter Umständen ist es möglich, bei Einsatz eines Klimakompressors 32 auf den Wärmetauscher 30 und Lüfter 31 zu verzichten. Dann, wenn die Rückkühlvorrichtung 19 sowohl den Wärmetauscher 30 sowie den Klimakompressor 32 nutzt und die Temperatur des Kühlmittels im Rücklauf 29 unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, kann dann der Lüfter 31 ausgeschaltet werden. Sollte hingegen die Rücklauftemperatur des Kühlmittels im Rücklauf 29 oberhalb der Umgebungstemperatur liegen, so kann der Lüfter 31 eingeschaltet werden, um das Kühlmittel bereits im Bereich des Wärmetauschers 30 zu kühlen und dann eine weitere Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur über den Klimakompressor 32 zu gewährleisten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2572431 B1 [0006]
EP 2986468 B1 [0007]

Claims

Ladesystem (10) für Elektrofahrzeuge, mit mindestens einer Ladestation (12), an welche eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel (13) der jeweiligen Ladestation (12) ankoppelbar ist, mit einer Leistungselektronik (16), wobei die jeweilige Ladestation (12) unter Zwischenschaltung der Leistungselektronik (16) an ein elektrisches Strom- und Spannungsversorgungsnetz (14), welches eine definierte elektrische Netzleistung bereitstellt, anschließbar ist, gekennzeichnet durch mindestens einen elektrischen Speicher (18), der derart zwischen das elektrische Strom- und Spannungsversorgungsnetz (14) und die jeweilige Ladestation (12) geschaltet ist, dass derselbe abhängig von der elektrischen Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes (14) aufladbar und abhängig von einer Ladegeschwindigkeit der Leistungselektronik (16) und der jeweiligen Ladestation (12) entladbar ist, eine Rückkühlvorrichtung (19), wobei die jeweilige Ladestation (12), die Leistungselektronik (16) und der oder jede elektrische Speicher (18) an die Rückkühlvorrichtung (19), welche eine definierte thermische Rückkühlleistung bereitstellt, angeschlossen sind, mindestens einen thermischen Speicher (20), der derart mit der Rückkühlvorrichtung (19), der jeweilige Ladestation (12), der Leistungselektronik (16) und dem oder jedem elektrischen Speicher (18) verschaltet ist, dass derselbe oder ein Kühlmedium desselben abhängig von Verlustleitung der Leistungselektronik (16), der jeweiligen Ladestation (12) und des jeweiligen elektrischen Speichers (18) erhitzbar und abhängig von der thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung (19) abkühlbar ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede elektrische Speicher (18) und der oder jede thermische Speicher (20) hinsichtlich ihrer jeweiligen Dynamik aufeinander abgestimmt sind.
Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung (19) für den oder jeden thermischen Speicher (20) derart an die elektrische Netzleistung des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes (14) angepasst ist, dass einerseits das Aufladen des elektrischen Speichers (18) und das Rückkühlen des thermischen Speichers (19) nach einem Ladevorgang einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs innerhalb einer definierten Zeitspanne erfolgt.
Ladesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das Aufladen des elektrischen Speichers (18) und das Rückkühlen des thermischen Speichers (20) nach einem Ladevorgang einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit gleicher Geschwindigkeit erfolgt.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede elektrische Speicher (18) und der oder jede thermische Speicher (19) hinsichtlich ihrer jeweiligen Kapazität aufeinander abgestimmt sind.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers (18) und eine thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers (20) derart aufeinander abgestimmt sind, dass für eine definierte Anzahl von Ladevorgängen von Traktionsbatterien der elektrische Speicher die erforderliche Ladeenergie und der thermische Speicher die erforderliche Kühlenergie bereitstellt.
Ladesystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers (18) ferner unter Maximierung einer Lebensdauer des elektrischen Speichers (18) ausgelegt ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers (18) ferner unter Berücksichtigung einer Netzstabilität des elektrischen Strom- und Spannungsversorgungsnetzes (14) ausgelegt ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers (20) ferner in Abhängigkeit von Umgebungstemperatureinflüssen des Ladesystems ausgelegt ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des oder jedes elektrischen Speichers (18) und die thermische Kapazität des oder jedes thermischen Speichers (20) und die thermische Rückkühlleistung der Rückkühlvorrichtung auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Anzahl an Ladevorgängen je Zeiteinheit und auf eine empirisch oder statistisch ermittelte Ladeenergie je Ladevorgang ausgelegt sind.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede elektrische Speicher (18) und der oder jede thermische Speicher (20) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein thermischer Energieinhalt des thermischen Speichers (20), der einem Produkt aus einer thermischen Kapazität und einem maximal zulässigen Temperaturhub entspricht, für dieselbe Anzahl von Ladevorgängen ausreicht wie der elektrische Speicher (18) auf Grund seines elektrischen Energieinhalts bedienen kann.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel, welches der oder jede thermische Speicher (20) zur Rückkühlung bereithält, über einen Wärmetauscher (30) rückkühlbar, der in eine zum thermischem Speicher (20) führende Rücklaufleitung (29) integriert ist, und dem vorzugsweise ein Lüfter (31) zugeordnet ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel, welches der oder jede thermische Speicher (20) zur Rückkühlung bereithält, über einen Klimakompressor (32) rückkühlbar.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Rückkühlvorrichtung (19) und des oder jedes thermischen Speichers (20) die Leistungselektronik (16) und der oder jede elektrische Energiespeicher (18) und das Ladekabel (13) der oder jeder Ladestation (12) kühlbar ist.