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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieladestation mit einem Energiespeicher, wobei die Batterieladestation insbesondere mehrere Benutzer-Einheiten aufweist und zum Aufladen einer Traktionsbatterie in einem Elektro-Fahrzeug geeignet ist.
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Mit der stetig steigenden Zahl an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, etwa Elektrofahrzeugen und Plug-In-Hybriden, geht ein Ausbau der Ladeinfrastruktur einher. Dabei stellen Ladestationen die Schnittstelle zwischen Stromnetz und Kraftfahrzeug dar. Eine Batterieladestation weist eine oder mehr Benutzer-Einheiten auf, welche auch als Ladesäule oder Ladepunkt bezeichnet werden, wobei an jeder Benutzer-Einheit eine Traktionsbatterie geladen werden kann.
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Eine Ladestation dieser Art ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift
EP 2 986 468 B1 offenbart. Um die insbesondere bei Schnellladevorgängen auftretende hohe thermische Belastung der Traktionsbatterie zu reduzieren, weist die Ladestation eine Kühlvorrichtung auf, welche zur Temperierung der Traktionsbatterie während ihres Ladevorgangs dient. Dadurch kann die thermische Belastung der Traktionsbatterie während des Ladevorgangs verringert werden und die Batterie so geschont werden. Dazu schlägt die
EP 2 986 468 B1 vor, dass die zu ladende Traktionsbatterie eine Kontaktierungsfläche aufweist und ein seitens der Ladestation bereitgestellter Kühlkörper mit dieser Kontaktierungsfläche thermisch kontaktiert wird, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlkörper und der Traktionsbatterie zu erreichen. Ferner offenbart die Patentschrift, dass der seitens der Ladestation verwendete Kühlkörper zumindest teilweise als Latentwärmespeicher ausgebildet sein kann, etwa nach Art eines Kühlakkus. Der Kühlkörper kann dann auf eine Solltemperatur „aufgeladen“ werden, die für eine hinreichend große Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper und der Traktionsbatterie während des Ladevorgangs sorgt. Dadurch wirkt der Kühlkörper als Wärmesenke und die während des Ladevorgangs der Traktionsbatterie entstehende Verlustwärme kann über ihn abgeführt werden.
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Zusätzlich zur Kühlung der Traktionsbatterie kann auch eine Kühlung der Leistungselektronik in einer Batterieladestation angebracht sein. Je nach Konfiguration der Batterieladestation (Anzahl der Phasen, Spannung und Stromstärke) sind heutzutage Ladeleistungen im Bereich von 50 kW pro Benutzer-Einheit, d.h. pro Ladevorgang, üblich. Insbesondere dann, wenn an einer Batterieladestation an mehreren Benutzer-Einheiten gleichzeitig Ladevorgänge stattfinden, kann es zu einer hohen thermischen Belastung der Leistungselektronik kommen. Da die Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile maßgeblich von der thermischen Belastung bestimmt ist, denen die einzelnen Elemente ausgesetzt sind, ist der Einsatz geeigneter Kühlkonzepte erforderlich.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieladestation zur Verfügung zu stellen, bei der die Traktionsbatterie sowohl kosten- wie auch energieeffizient temperiert werden kann und bei der die Leistungselektronik der Batterieladestation als und der Batterie effizient und umweltfreundlich gekühlt werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Batterieladestation zum Laden einer in einem Fahrzeug angeordneten Batterie, welche mindestens eine Benutzer-Einheit zum Laden einer in einem Fahrzeug angeordneten Batterie eingerichtet ist und einen Energiespeicher aufweist. Ferner weist die Batterieladestation gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Energieübertragungsvorrichtung, welche eingerichtet ist zumindest beim Laden der Batterie einen Wärmetransport zwischen dieser und dem Energiespeicher bereitzustellen, und eine zweite Energieübertragungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist einen Wärmetransport zwischen dem Energiespeicher und einer Energieabnahmevorrichtung bereitzustellen.
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Durch die Verwendung eines Energiespeichers kann die Abwärme, welche beim Laden einer Batterie entsteht, abgeführt und in diesem gespeichert werden. Die so in dem Energiespeicher gespeicherte Energie kann beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt gezielt als Nutzwärme aus dem Energiespeicher abgerufen werden. Damit wird die während einer Kühlphase der Batterie entstehende und abzuführende Verlustwärme nicht ungenutzt an die Umgebung abgeführt, sondern wird stattdessen für die Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt in dem Energiespeicher zwischengepuffert. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung einen Betrieb der Batterieladestation, bei dem die während des Ladevorgangs einer Batterie entstehende und abzuführende Wärme nicht notwendigerweise parallel zum Ladevorgang aktiv abgeführt wird, beispielsweise durch Abgabe an die Umgebung. Vielmehr kann diese Abwärme in dem Energiespeicher zwischengespeichert werden und zu einem gewünschten Zeitpunkt, insbesondere dem Kühlungsprozess nachgelagert und davon zeitlich getrennt, aus dem Energiespeicher abgeführt werden, sei es als Nutzwärme oder als Abwärme durch Kühlung.
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Bei dem im Rahmen der Erfindung verwendeten Energiespeicher handelt es sich um eine Vorrichtung, mittels welcher Energie gespeichert und (zeitversetzt) abgegeben werden kann. Je nach Betrachtungsweise fungiert der Energiespeicher als Wärmespeicher oder als Kältespeicher. Zum einen kann unter dem Energiespeicher eine Vorrichtung verstanden werden, welche zur Pufferung der Abwärme verwendet werden kann, welche beim Laden einer Traktionsbatterie entsteht. Aus Sicht der zu kühlenden Traktionsbatterie stellt der Energiespeicher einen Kältespeicher dar, welcher an dieser eine Kühlleistung verrichten kann. Der Energiefluss erfolgt dabei von der Traktionsbatterie zum Energiespeicher. Damit fungiert der Energiespeicher für die Batterie als Kältespeicher. Da bei dem Kühlvorgang die Abwärme der Traktionsbatterie zugleich in den Energiespeicher eingebracht wird, fungiert dieser aber auch als Wärmespeicher, welche die in ihn eingebrachte Wärme zwischenspeichert bzw. puffert. Die in den Wärmespeicher eingebrachte Energie kann zweitversetzt abgegeben werden, um das Energieniveau des Wärmespeichers abzusenken, so dass er daraufhin wieder Kühlleistung verrichten kann. Die Wärme kann mittels der zweiten Energieübertragungsvorrichtung aus dem Energiespeicher abgeführt werden und entweder gezielt als Nutzwärme verwendet werden oder als Abwärme an die Umgebung abgegeben werden, falls gerade kein Bedarf an Nutzwärme besteht. Die Nutzwärme kann dabei lokal an der Batterieladestation verbraucht werden, etwa zum Temperieren der Traktionsbatterie und/oder elektronischer Komponenten der Batterieladestation bei kalten Umgebungstemperaturen. Die Nutzwärme kann jedoch auch an externe Verbraucher abgegeben werden und beispielsweise zum Heizen benachbarter Gebäude verwendet werden oder in ein Fernwärmenetz eingekoppelt werden. Insgesamt gesehen kann also der Begriff Energiespeicher fallbezogen als Kältespeicher oder als Wärmespeicher verstanden werden.
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In einem typischen Anwendungsszenario kann der Energiespeicher tagsüber bzw. bei warmen Außentemperaturen von beispielsweise 30°C und mehr als Kältespeicher Kühlleistung zur Kühlung von Traktionsbatterien während ihrer Ladevorgänge bereitstellen. Während der Kühlprozesse erwärmt sich dabei das in dem Energiespeicher enthaltene Medium, beispielsweise auf 25°C. Nachts bzw. bei kalten Temperaturen von 15°C kann der Energiespeicher als Wärmespeicher fungieren. Sein Energieniveau kann durch gezielte Entnahme von Nutzwärme abgesenkt werden, etwa bis auf die beispielhaft angeführte Umgebungstemperatur von 15°C. Zusätzlich oder alternativ kann die in dem Energiespeicher gespeicherte Wärme durch Direktkühlung an die Umgebung abgegeben werden. Der Energiespeicher kann beispielsweise in Form eines thermisch isolierten Wassertanks vorliegen. Insgesamt kann einer der Erfindung zugrunde liegende Gedanke sein, dass in dem Kältespeicher ein beispielsweise während der Nacht oder bei kalter Umgebungstemperatur eingenommenes tiefes Energieniveau zur Bereitstellung von Kühlleistung verwendet wird. Spätestens wenn ein oberes Energieniveau erreicht ist, kann Wärme gezielt als Nutzwärme entnommen werden oder als Abwärme abgeführt werden, um das Energieniveau des Energiespeichers wieder abzusenken. Im letzteren Fall wird durch „Aufsammeln“ von Abwärme aus den Kühlvorgängen ein größerer Temperaturgradient zur Außenumgebung aufgebaut, so dass das Absenken des Energieniveaus des Energiespeichers effizienter erfolgen kann, beispielsweise durch passive Kühlung. Das Energieniveau des Energiespeichers kann durch die Temperatur des darin enthaltenen Mediums charakterisiert sein. Selbstverständlich kann dem Energiespeicher jederzeit Wärme durch aktive Kühlung entzogen werden, wenn sein Energieniveau während der Ladevorgänge bei warmen Umgebungstemperaturen zu stark angehoben wird.
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Ein zur Einbringung der Wärme in den Energiespeicher zeitversetzt auftretender Bedarf an Wärme kann in vielfältigen Szenarien entstehen. Ein Wärmebedarf zum Aufwärmen der Batterie vor und/oder während ihres Ladevorgangs kann sich ergeben, wenn die Batterie bei Beginn und/oder während ihres Ladevorgangs eine Temperatur hat, die unterhalb des als optimal angesehen Temperaturbereiches beim Ladevorgang liegt. Dieser Fall kann insbesondere durch eine kalte Umgebungstemperatur (z.B. nachts oder zu kalter Jahreszeit) auftreten oder wenn das Fahrzeug im Vorfeld nur über einen sehr kurzen Zeitraum genutzt worden ist und damit selbst noch „kalt“ ist. Durch Erwärmen der Batterie vor und/oder während des Ladevorgangs auf eine optimale Ladetemperatur kann zum einen der Ladevorgang beschleunigt werden und zum anderen kann so die Batterie selbst geschont werden. Das Besondere an der hier vorgestellten Erfindung ist, dass die für diese Erwärmung erforderliche Energie sozusagen mittels „Enerigerecycling“ aus vorher stattgefundenen Kühlvorgängen verwendet werden kann und nicht notwendigerweise aus dem Stromnetz bezogen werden muss. Ein weiterer Anwendungsfall kann vorsehen, dass bei kalten Umgebungstemperaturen der Leistungselektronik oder anderen Komponenten der Batterieladestation Wärme aus dem Energiespeicher zugeführt wird, beispielsweise zwecks Temperierung der Leistungselektronik.
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Bei dem im Rahmen der erfindungsgemäßen Batterieladestation verwendetem Wärmespeicher bzw. Kältespeicher kann es sich beispielsweise um einen Latentwärmespeicher oder um einen thermochemischen Energiespeicher handeln, deren Aufbau und Funktionsweise aus dem Stand der Technik wohlbekannt sind. Moderne Energiespeicher dieser Art finden heutzutage vor allem in der Heizungstechnik ihre Anwendung. Beispielhafte Wärmespeicher bzw. Kältespeicher dieser Art umfassen Salzspeicher, Wasserspeicher und Cellulosespeicher.
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Ferner ist anzumerken, dass es sich bei der in einem Fahrzeug angeordneten Batterie insbesondere um eine Traktionsbatterie handeln kann, welche Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann. Bei den Fahrzeugen, welch an der Batterieladestation geladen werden können, kann es sich beispielsweise um Elektro-Kraftfahrzeuge oder Plug-In-Hybride handeln.
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Die erfindungsgemäße Batterieladestation kann mindestens eine Benutzer-Einheit aufweisen, an welcher eine Batterie eines Fahrzeugs geladen werden kann. Beispielsweise kann es sich bei der Batterieladestation um eine Stromtankstelle handeln, welche mehrere Benutzer-Einheiten in Form von Ladesäulen bzw. Ladepunkten aufweist.
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Der Energiespeicher der Batterieladestation dient zur zentralen Speicherung der Abwärme aus dem Ladevorgang an jeder Benutzer-Einheit und fungiert gleichzeitig als zentrale Wärmequelle für jede Benutzer-Einheit.
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Der Wärmetransport zwischen Energiespeicher und Wärmespender (d.h. einer zu kühlenden Batterie) kann mittels entsprechend eingerichteten Energieübertragungsvorrichtungen erfolgen. Durch die Aufteilung in eine erste Energieübertragungsvorrichtung, welche einen Energietransport zwischen dem Energiespeicher und einer jeweiligen Batterie ermöglicht, welche an einer Benutzer-Einheit geladen wird, und in eine zweite Energieübertragungsvorrichtung, welche einen Energietransport zwischen dem Energiespeicher und der Energieabnahmevorrichtung ermöglicht, kann die Menge und Richtung des Energieflusses zwischen Batterie und Energiespeicher bedarfsgerecht gesteuert werden, insbesondere unabhängig von dem Energiefluss zwischen Wärmespeicher und der Energieabnahmevorrichtung. Zusätzlich können die Energieflüsse an den jeweiligen Benutzer-Einheiten unabhängig voneinander gesteuert werden, so dass beispielsweise mittels der ersten Energieübertragungsvorrichtung an einer ersten Benutzer-Einheit Wärme von der Batterie in den Energiespeicher übertragen wird und mittels der ersten Energieübertragungsvorrichtung an einer zweiten Benutzer-Einheit Wärme aus dem Energiespeicher zur Batterie übertragen wird. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Begriffe „erste“ und „zweite“ werden lediglich zwecks der Zuordnung der Energieübertragungsvorrichtungen verwendet. Auch wenn im Folgenden von einer ersten Energieübertragungsvorrichtung gesprochen wird, so ist damit im Falle mehrerer Benutzer-Einheiten gemeint, dass jede Benutzer-Einheit über eine eigne individuelle erste Energieübertragungseinheit verfügt, welche unabhängig von den anderen ersten Energieübertragungsvorrichtungen der anderen Benutzer-Einheiten betrieben werden kann.
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Um den Ladevorgang jeder Batterie thermisch optimal zu unterstützen, kann die Batterieladestation gemäß der Erfindung entsprechende Sensoren und Elektronikgruppen aufweisen, welche die Temperatur jeder Batterie vor und/oder während des Ladevorgangs überwachen. In Abhängigkeit von der festgestellten Temperatur kann der Batterie Wärme zugeführt oder abgeführt werden. Dazu kann die die Batterieladestation bzw. jede Benutzer-Einheit eine Reglungsschaltung aufweisen, welche auf Basis ermittelter Temperaturwerte den Wärmefluss innerhalb der ersten Energieübertragungsvorrichtung steuert.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterieladestation ist die Bereitstellung des Wärmetransports zwischen einer Batterie und dem Energiespeicher mittels der ersten Energieübertragungsvorrichtung nicht ausschließlich auf die Zeit des Ladevorgangs beschränkt. Die zu ladende Batterie kann bereits vor Beginn des Ladevorgangs und/oder nach erfolgtem Ladevorgang temperiert werden (d.h. die Batterie kann erwärmt oder gekühlt werden).
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Bei den Energieübertragungsvorrichtungen kann es sich um konventionelle Systeme handeln, beispielsweise Energieübertragungskörper, welche von einem Energieübertragungsmedium durchflossen werden. Ferner können die Energieübertragungsvorrichtungen zweckmäßige thermodynamische Vorrichtungen aufweisen, etwa Wärmetauscher, Wärmepumpen, Radiatoren und Lüfter. Die Energieübertragungsvorrichtungen können die Wärme sowohl entlang als auch (unter Verrichtung von Arbeit) entgegen dem Temperaturgradienten befördern, d.h. sowohl von einem wärmeren Temperaturniveau zu einem kälteren Temperaturniveau als auch umgekehrt.
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Der Energiespeicher der erfindungsgemäßen Batterieladestation kann, insbesondere bei einer größeren Batterieladestation mit entsprechend höheren Wärmeflüssen, auch beispielsweise an ein Fernwärmenetz oder an das Heizsystem benachbarter Gebäude angeschlossen werden, welche als zwei beispielhafte Energieabnahmevorrichtungen genannt werden sollen. Der Energiespeicher kann so seine Energie diesen Einrichtungen zur Verfügung stellen und auch bei Bedarf Energie von diesen Einrichtungen beziehen, insbesondere wenn der Wärmebedarf an der Batteriestation nicht mehr von der durch den Energiespeicher bereitstellbaren Energie gedeckt werden kann (zum Beispiel bei Ladevorgängen von Batterien bei extrem kalten Temperaturen).
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Energiespeicher stationär ist und insbesondere während des Betriebes der Batterieladestation nicht in unmittelbaren Kontakt mit der Batterie kommt. Anders ausgedrückt kann es sich bei dem Energiespeicher um einen unbeweglichen Energiespeicher handeln, welcher nicht zwecks Bereitstellung von Wärme an eine Batterie oder zwecks Ableitung von Wärme von einer Batterie bewegt wird. Insbesondere kann der Energiespeicher als einziger und zentraler Energiespeicher der Batterieladestation ausgebildet sein und nicht etwa als ein Energiespeicher, welcher beispielsweise Teil der ersten Energieübertragungsvorrichtung ist und während des Ladevorgangs einer Batterie mit dieser in unmittelbaren Kontakt bzw. in thermischen Kontakt gebracht wird, etwa durch Bewegen des zu ladenden Fahrzeugs samt der darin verbauten Batterie zu dem Energiespeicher oder durch Bewegen des Energiespeichers zu der zu ladenden Batterie, um in unmittelbaren thermischen Kontakt mit der Batterie gebracht zu werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Energieübertragungsvorrichtung eine Kontaktierungsfläche aufweisen zur thermischen Kontaktierung der Batterie. Zusätzlich kann die Batterie ihrerseits ebenfalls eine Kontaktierungsfläche aufweisen, so dass über die Kontaktierungsflächen ein Wärmeaustusch zwischen stattfinden kann. Zur Verbesserung des Wärmetransports kann mindestens eine der beiden Kontaktierungsflächen mit einem Mittel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit beaufschlagt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeübertrag zwischen der Batterie und der ersten Energieübertragungsvorrichtung durch den Austausch eines Fluides zwischen diesen beiden erfolgen, insbesondere dann, wenn die Batterie über einen integrierten fluidbasierten Kühlkreislauf verfügt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Energieübertragungsvorrichtung eingerichtet sein, mindestens in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterie die Richtung des Wärmetransports einzustellen. Dazu kann die Energieübertragungsvorrichtung entsprechende Sensoren und dazugehörige Elektronik aufweisen, welche eine Regelschleife bildet. Des Weiteren können auch weitere Parameter wie Tageszeit, Umgebungstemperatur, im Energiespeicher zur Verfügung stehende Wärmemenge usw. bei der Bestimmung der Richtung des Wärmetransports berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Energieübertragungsvorrichtung eingerichtet sein, mindestens in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Batterieladestation die Richtung des Wärmetransports einzustellen. Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Batterieladestation so betrieben werden, dass bei hohen Umgebungstemperaturen, z.B. bei Temperaturen von 25°C und mehr, der Energiespeicher als Kältespeicher agiert, also Kühlleistung zur Kühlung ladender Batterien bereitstellt und zugleich die ihm zugeführte Abwärme sein Energieniveau anhebt. Bei niedrigen Temperaturen, z.B. bei Temperaturen von 15°C und weniger, agiert der Energiespeicher als Wärmespeicher. Zur Absenkung seines Energieniveaus kann ihm Energie entzogen werden, wobei im Falle einer Abgabe der Wärme an die Umgebung dieses bei niedriger Umgebungstemperatur effizienter erfolgen kann als bei hoher Außentemperatur aufgrund des höheren Temperaturgradienten zwischen dem Medium innerhalb des Wärmespeichers und der Umgebung des Wärmespeichers.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Energieabnahmevorrichtung eine Kühleinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, ein in der zweiten Energieübertragungsvorrichtung enthaltenes Energieübertragungsmedium zu kühlen. Die Kühleinheit kann beispielsweise auf passiver Kühlung basieren oder einen Luftkühler aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Energieabnahmevorrichtung einen Energiewandler aufweisen, beispielsweise eine Dampfturbine oder ein Thermoelement. Mittels des Energiewandlers kann die in dem Wärmespeicher enthaltene thermische Energie zur weiteren Nutzung in eine andere Energieform umgewandelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Energieabnahmevorrichtung ein Wärmebereitstellungsnetz aufweisen. Die in dem Energiespeicher gespeicherte Wärme kann dann mittels der zweiten Energieübertragungsvorrichtung an das Fernwärmenetz übertagen werden und so sinnvoll verwendet werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieladestation mit einem Energiespeicher bereitgestellt, insbesondere einer Batterieladestation gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann dabei die folgenden Schritte aufweisen: Kontaktieren einer in einem Fahrzeug angeordneten Batterie mit einer Kontaktierungsfläche einer Energieübertragungsvorrichtung, beispielsweise der ersten Übertragungsvorrichtung; Einstellen der Richtung eines Wärmetransports zwischen der Batterie und dem Energiespeicher, wobei der Batterie mittels der Energieübertragungsvorrichtung Wärme entzogen wird und dem Energiespeicher zugeführt wird, falls die Temperatur der Batterie über einem ersten Schwellenwert liegt, und der Batterie mittels der Energieübertragungsvorrichtung Wärme aus dem Energiespeicher zugeführt wird, falls die Temperatur der Batterie unter einem zweiten Schwellenwert liegt, wobei das Verfahren so eingerichtet ist, dass im Falle, dass der Batterie mittels der Energieübertragungsvorrichtung Wärme aus dem Energiespeicher zugeführt wird, diese Wärme zumindest teilweise aus einem vorher während eines Ladevorgangs einer Batterie stattgefundenen Kühlungsvorgang entstammt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner Abführen der in dem Energiespeicher enthaltenen Wärme mittels einer weiteren Energieübertragungsvorrichtung aufweisen, wobei dieses Abführen der Wärme zeitversetzt zu dem Vorgang erfolgt, bei welchem der Batterie entzogene Wärme dem Wärmespeicher zugeführt wird. Bei der weiteren Energieübertragungsvorrichtung kann es sich um die bereits im Rahmen der erfindungsgemäßen Batterieladestation beschriebene zweite Energieübertragungsvorrichtung handeln.
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Bei dem ersten und zweiten Schwellenwert kann es sich um Werte handeln, die von diversen Faktoren wie Jahreszeit, Tageszeit, Batteriestand, Lademodus (Schnellaufladung oder gewöhnliche Aufladung), im Energiespeicher zur Verfügung stehende Wärmemenge usw. abhängen.
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Die vorliegend beschriebene Batterieladestation und das dazugehörige Betriebsverfahren ermöglichen eine wirtschaftliche Nutzung von Abwärme bzw. der beim Laden der Traktionsbatterie entstehenden Verlustwärme und reduzieren gleichzeitig die Belastung der Umwelt. Es erfolgt eine effiziente komponentenübergreifende Wechselwirkung von Kühl- und Aufwärmprozessen, wobei beispielsweise die bei Ladevorgängen von Batterien tagsüber entstehende Abwärme nachts oder in kalten Jahreszeiten zum Aufwärmen der Batterien oder anderweitig, wie bereits beschrieben, als Nutzwärme verwendet werden kann. Durch die so erfolgende Wiederverwertung der Energie können Energiekosten eingespart werden. Die Temperierung der Zielkomponenten (Batterie und/oder Leistungselektronik) wirkt sich zudem positiv auf diese aus, indem sie ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht.
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Zudem kann durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung der Einsatz eines Chillersystems eingespart werden, da die Kühlung der Batterie als auch optional der Leistungselektronik der Ladestation über einen Direktkühler erfolgen kann. Ausgehend von einem beispielhaften wasserbasierten Energiespeicher mit einer Wassertemperatur von 20°C kann bei einer sommerlich angenommenen Umgebungstemperatur von 30°C zunächst der Energiespeicher in seiner Rolle als Kältespeicher zur Kühlung der Komponenten genutzt werden, bis die Wassertemperatur auf die Außentemperatur oder höher ansteigt. Ab dem Zeitpunkt, bei dem die Wassertemperatur die Außentemperatur übersteigt, kann mittels eines Luft-Wasser-Wärmetauschers die Abwärme direkt an die Umgebung abgeführt werden. Nach Absinken der Umgebungstemperatur auf beispielsweise 20°C während der Nacht kann die Wassertemperatur des Energiespeichers mittels des Luft-Wasser-Wärmetauschers auf 20°C oder durch Entnahme der Wärme als Nutzenergie abgesenkt werden. Anders ausgedrückt kann zur optimierten Absenkung des Energieniveaus des Energiespeichers der tageszeitliche Temperaturverlauf ausgenutzt werden, so dass das Kühlen einer ladenden Batterie und das Abführen der Wärme aus dem Energiespeicher und damit aus der Batterieladestation zeitlich auseinanderfallen können. Bei Bedarf kann natürlich jederzeit mittels aktiver Kühlung die Temperatur des Energiespeichers abgesenkt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterieladestation zeigt.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterieladestation 1 dargestellt. Die Batterieladestation 1 weist eine erste Benutzer-Einheit 10 und eine zweite Benutzer-Einheit 20 auf. An der ersten Benutzer-Einheit 10 kann eine erste Traktionsbatterie 11 eines ersten Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) und an der zweiten Benutzer-Einheit 20 kann eine zweite Traktionsbatterie 21 eines zweiten Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) geladen werden. Die Batterieladestation 1 weist ferner einen Energiespeicher 30 auf. Dieser kann mittels einer ersten Energieübertragungsvorrichtung 12 an die erste Batterie 11 thermisch gekoppelt werden, so dass zwischen dem Energiespeicher 30 und der ersten Batterie 11 ein Wärmetransport erfolgen kann. Generell kann die thermische Kopplung zwischen Energieübertragungsvorrichtung und Batterie vor und/oder während eines Ladevorgangs gegeben sein. In gleicher Weise kann der Energiespeicher 30 mittels einer weiteren ersten Energieübertragungsvorrichtung 22 an die zweite Batterie 21 thermisch gekoppelt werden, so dass zwischen dem Energiespeicher 30 und der zweiten Batterie 21 ein Wärmetransport erfolgen kann. Der Wärmetransport, insbesondere seine Richtung, in der ersten Energieübertragungsvorrichtung 12 ist grundsätzlich von dem Wärmetransport in der weiteren ersten Energieübertragungsvorrichtung 22 unabhängig. Je nach Bedarf und Verfügbarkeit von Wärme in dem Energiespeicher 30 kann entweder ein Wärmefluss von diesem zu einer Batterie 11, 21 oder in umgekehrter Richtung erfolgen.
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Der Energiespeicher 30 ist mittels einer zweiten Energieübertragungsvorrichtung 32 mit einer Energieabnahmevorrichtung 31 thermisch gekoppelt. Vorliegend ist die Energieabnahmevorrichtung 31 als Luftkühler 31 dargestellt, welcher systemisch als ein Teil der zweiten Energieübertragungsvorrichtung 32 betrachtet werden kann. Zur Steuerung der Temperatur des Energiespeichers 30 kann der Luftkühler 31 Wärme an die Umgebung abgeben, wobei Wärme auf einen eingehenden Luftstrom 33 (Umgebungsluft) übertragen wird, welcher erwärmt wird und als ausgehender Luftstrom 34 den Luftkühler 31 verlässt.. Der Luftkühler 31 kann zur Kühlung eines Kühlfluids verwendet werden, welches in der zweiten Energieübertragungsvorrichtung zirkuliert.
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Aus 1 kann unmittelbar abgeleitet werden, dass der Energiespeicher 30 als zentraler Energiespeicher fungiert und sich sein Energieniveau in Abhängigkeit von der Kühl- oder Wärmeleistung ändert, die an den an den Benutzer Einheiten 10, 20 erforderlich ist.
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Wie bereits erwähnt, kann die Energieabnahmevorrichtung 31 in 1 einem Fernwärmenetz entsprechen, so dass die Energie aus dem Energiespeicher 31 diesem zugeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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