DE102017120256B4 - Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung - Google Patents

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Abstract

Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung (10) mit einer Elektro-Ladesäule (20) und einer räumlich zugeordneten Wasserstoff-Ladesäule (22), miteiner Leistungselektronik-Einheit (32), die eine Arbeits-Gleichspannung generiert, mit der die Elektro-Ladesäule (20) gespeist wird, undeiner Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34), die Wasserstoff generiert,dadurch gekennzeichnet, dassein Transformator (30) vorgesehen ist, der der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch zugeordnet und an das öffentliche Stromnetz (12) angeschlossen ist, wobei der Transformator (30) die Stromnetz-Wechselspannung in eine Arbeits-Wechselspannung transformiert,wobei eine elektrische Versorgungsleitung den Transformator (30) mit der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch verbindet, so dass die Leistungselektronik-Einheit (32) mit der Arbeits-Wechselspannung unmittelbar gespeist wird, undwobei die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34) über eine elektrische Versorgungsleitung (33) mit der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch verbunden ist, um mit elektrischer Gleichspannungs-Energie für die Wasserstoff-Elektrolyse versorgt zu sein.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung mit einer Elektro-Ladesäule und einer räumlich zugeordneten Wasserstoff-Ladesäule.
  • Elektro-Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, die mit einem elektrischen Traktionsantrieb und einer elektrischen Traktionsbatterie zu seiner Speisung ausgestattet sind, werden zunehmend beliebter. Allerdings ist die Reichweite von Elektro-Fahrzeugen mit Traktionsbatterie wegen der prinzipbedingten relativ geringen Energiespeicherdichte auf wenige 100 km begrenzt. Als Rangeextender für Elektro-Fahrzeuge mit Traktionsbatterie ist eine Brennstoffzelle besonders geeignet, da diese aus Wasserstoff direkt elektrische Energie erzeugt, mit der bei Bedarf der elektrische Traktionsantrieb betrieben bzw. die elektrische Traktionsbatterie geladen werden kann.
  • Aus DE 10 2008 052 827 A1 , DE 10 2010 011 407 A1 und DE 10 2010 024 278 A1 sind Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnungen bekannt, mit denen sowohl die Traktionsbatterie als auch ein Wasserstofftank eines Elektro-Fahrzeugs aufgeladen bzw. betankt werden kann. Hierzu weist die Hybrid-Ladeanordnung eine Elektrolyseeinheit auf, die Wasserstoff generiert, der zum Tanken des Wasserstofftanks des Elektro-Fahrzeugs zur Verfügung steht. Derartige Hybrid-Ladeanordnungen sind jedoch sehr aufwendig, da zwei verschiedenartige Energiesysteme bereitgestellt werden müssen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfach aufgebaute Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung weist eine Elektro-Ladesäule und eine räumlich und funktional zugeordnete Wasserstoff-Ladesäule auf. Besonders bevorzugt ist die Wasserstoff-Ladesäule so nah an der Elektro-Ladesäule angeordnet, dass das Elektro-Fahrzeug gleichzeitig sowohl mit elektrischer Energie als auch mit Wasserstoff geladen bzw. betankt werden kann. Unter einer Ladesäule ist vorliegend keine Säule im engeren Sinn zu verstehen, sondern eine Ladestation, die auch nicht-säulenartig ausgebildet sein kann.
  • Die Ladeanordnung weist ferner eine Leistungselektronik-Einheit auf, die eine Arbeits-Gleichspannung generiert, mit der beispielsweise die Elektro-Ladesäule gespeist wird. Die Ausgangsspannung der Elektro-Ladesäule, also die Ladespannung, entspricht jedoch nicht notwendigerweise der Arbeits-Gleichspannung, die von der Leistungselektronik-Einheit zur Verfügung gestellt wird. Allerdings wird dann die Ausgangsspannung der Elektro-Ladesäule aus der Arbeits-Gleichspannung generiert. Die Arbeits-Gleichspannung kann mehrere 100 V betragen.
  • Die Ladeanordnung weist einen Transformator auf, der an das öffentliche Stromnetz angeschlossen bzw. anschließbar ist und der die Stromnetz-Wechselspannung des öffentlichen Stromnetzes in eine Arbeits-Wechselspannung transformiert, mit der die Ladeanordnung arbeitet bzw. die Leistungselektronik-Einheit unmittelbar gespeist wird. Der Netzanschluss an das öffentliche Stromnetz kann beispielsweise ein Mittelspannungs-Netzanschluss sein.
  • Die Ladeanordnung weist eine Wasserstoff-Elektrolyseeinheit auf, die über eine elektrische Versorgungsleitung direkt mit der Leistungselektronik-Einheit elektrisch verbunden ist, um mit elektrischer Energie für die Wasserstoff-Elektrolyse versorgt zu sein. Besonders bevorzugt ist die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit ausschließlich direkt mit der Leistungselektronik-Einheit verbunden, und wird mit der von dieser mit Arbeits-Gleichspannung versorgt. Die Ladeanordnung weist also keinen zusätzlichen Transformator und gegebenenfalls keine zweite Leistungselektronik-Einheit auf. Sondern die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit wird über dieselbe Leistungselektronik-Einheit mit elektrischer Energie versorgt, wie die Elektro-Ladesäule.
  • Der elektrische Mehraufwand gegenüber einer rein elektrischen Ladeanordnung ist daher für die Hybrid-Ladeanordnung relativ gering.
  • Vorzugsweise wird die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit nur dann betrieben, wenn die Elektro-Ladesäule nicht im Ladebetrieb ist. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Transformator und gegebenenfalls die Leistungselektronik-Einheit größer ausgelegt werden müssen, als dies für eine einfache Elektro-Ladeanordnung ohnehin erforderlich wäre. Die Mehrkosten für die elektrische Ausrüstung zur elektrischen Versorgung der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit sind daher relativ gering.
  • Vorzugsweise weist die Ladeanordnung einen Wasserstoff-Kompressor auf, der den von der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit generierten gasförmigen Wasserstoff auf einen Druck von mehr als 100 bar komprimiert. Besonders bevorzugt ist ein Wasserstoff-Tank vorgesehen, in dem der von der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit generierte und von dem Wasserstoff-Kompressor komprimierte Wasserstoff gasförmiger oder in flüssiger Form gespeichert wird. Typische Speicherdrucke liegen im hohen 3-stelligen bar-Bereich, beispielsweise bei 700 bar. In dem Wasserstoff-Tank können verhältnismäßig geringe Wasserstoff-Mengen kurz oder mittelfristig gespeichert werden, beispielsweise für einen Speicherhorizont von wenigen Tagen oder Wochen.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wasserstoff-Kompressor über eine eigene separate elektrische Versorgungsleitung mit dem Transformator oder mit der Leistungselektronik-Einheit elektrisch verbunden ist, um mit elektrischer Energie zur Wasserstoff-Komprimierung versorgt zu sein. Auch für den Wasserstoff-Kompressor muss daher kein eigener separater Transformator und ggf. keine eigene separate Leistungselektronik-Einheit vorgesehen werden. Hierdurch hält sich der elektrotechnische Mehraufwand für eine Hybrid-Ladeanordnung gegenüber einer einfachen rein elektrischen Ladeanordnung in Grenzen.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung.
  • In der Figur ist eine Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung 10 dargestellt, die durch ein öffentliches Stromnetz 12 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Ladeanordnung 10 weist eine Ladesäulen-Anordnung 21 auf, die aus einer Elektro-Ladesäule 20 mit einem elektrischen Ladestecker 20' und einer Wasserstoff-Ladesäule 22 mit einem Wasserstoff-Ladestecker 22' besteht. Die beiden Ladesäulen 20,22 sind räumlich einander zugeordnet und können beispielsweise wenige Meter zueinander beabstandet angeordnet sein, so dass dasselbe Fahrzeug gleichzeitig sowohl elektrisch geladen als auch mit Wasserstoff betankt werden kann.
  • Auf der elektrischen Eingangsseite weist die Ladeanordnung 10 einen Transformator 30 auf, der mit seiner Primärseite elektrisch an das öffentliche Stromnetz 12 angeschlossen ist, und der auf seiner Sekundärseite eine oder mehrere Sekundärspulen aufweist. Der Transformator 30 transformiert die Stromnetz-Wechselspannung in eine Arbeits-Wechselspannung oder in mehrere Arbeits-Wechselspannungen.
  • Die Ladeanordnung 10 weist eine Leistungselektronik-Einheit 32 auf, die elektrisch von dem Transformator 30 gespeist wird und die die Arbeits-Wechselspannung in eine Arbeits-Gleichspannung umwandelt, mit der die Elektro-Ladesäule 20 elektrisch gespeist wird. Die Arbeits-Gleichspannung beträgt typisch mehrere 100 V.
  • In einer weiteren Ausführung, kann die Arbeits-Gleichspannung weiter in eine AusgangsGleichspannung, also in die Ladespannung der Elektro-Ladesäule 20, umgewandelt werden.
  • Die Ladeanordnung 10 weist ferner eine Wasserstoff-Elektrolyseeinheit 34, einen Wasserstoff-Kompressor 36 sowie einen Hochdruck-Wasserstoff-Tank 40 auf. Die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit 34 erzeugt aus Wasser gasförmigen Wasserstoff, der durch den Wasserstoff-Kompressor 36 auf mehrere 100 bar komprimiert wird und in komprimierter und verflüssigter Form in dem Wasserstoff-Tank 40 gespeichert wird. Die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit 34 ist über eine elektrische Versorgungsleitung 33 mit der Leistungselektronik-Einheit 32 elektrisch verbunden und wird durch die Leistungselektronik-Einheit 32 mit elektrischer Gleichspannungs-Energie für die Wasserstoff-Elektrolyse versorgt. Die elektrische Gleichspannung-Energie kann beispielsweise die Arbeits-Gleichspannung aufweisen.
  • Der Wasserstoff-Kompressor 36 ist über eine eigene separate elektrische Versorgungsleitung 35 elektrisch mit der Leistungselektronik-Einheit 32 elektrisch verbunden, und wird auf diese Weise mit elektrischer Energie für die Wasserstoff-Komprimierung versorgt.
  • Stromabwärts des Wasserstoff-Kompressors 36 ist ein Fluid-Dreiwegeventil 38 vorgesehen, das mit einem Fluid-Anschluss über eine Fluidleitung mit dem unterirdisch angelegten Wasserstoff-Tank 40 und mit einem weiteren Fluid-Anschluss über eine Fluidleitung mit der Wasserstoff-Ladesäule 22 fluidisch verbunden ist.
  • Die Ladeanordnung 10 ist mit einer elektronischen Steuerung ausgestattet, die dafür sorgt, dass die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit 34 nur dann in Betrieb ist, wenn die Elektro-Ladesäule 20 nicht in Betrieb oder nicht voll ausgelastet ist. Hierdurch kann sich die elektrische Auslegung der Ladeanordnung 10 ausschließlich an der maximalen elektrischen Ladeleistung orientieren. Für den Betrieb der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit 34 ist daher keine höhere elektrische Systemleistung erforderlich.
  • Der Wasserstoff-Tankvorgang kann in einer möglichen Variante auf dem Weg aus dem Wasserstoff-Tank 40 über einen weiteren Kompressor oder ein Dekompressions-Ventil erfolgen. Bei Nicht-Nutzung der vollen elektrischen Ladeleistung, kann zusätzlich während des Wasserstoff-Tankens Wasserstoff durch die Elektrolyseeinheit 32 generiert werden. Bei ausschließlicher Nutzung der Wasserstofftankstation kann Wasserstoff mit der maximalen elektrischen Ladeleistungs-Energie generiert werden.

Claims (4)

  1. Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung (10) mit einer Elektro-Ladesäule (20) und einer räumlich zugeordneten Wasserstoff-Ladesäule (22), mit einer Leistungselektronik-Einheit (32), die eine Arbeits-Gleichspannung generiert, mit der die Elektro-Ladesäule (20) gespeist wird, und einer Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34), die Wasserstoff generiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transformator (30) vorgesehen ist, der der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch zugeordnet und an das öffentliche Stromnetz (12) angeschlossen ist, wobei der Transformator (30) die Stromnetz-Wechselspannung in eine Arbeits-Wechselspannung transformiert, wobei eine elektrische Versorgungsleitung den Transformator (30) mit der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch verbindet, so dass die Leistungselektronik-Einheit (32) mit der Arbeits-Wechselspannung unmittelbar gespeist wird, und wobei die Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34) über eine elektrische Versorgungsleitung (33) mit der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch verbunden ist, um mit elektrischer Gleichspannungs-Energie für die Wasserstoff-Elektrolyse versorgt zu sein.
  2. Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei ein Wasserstoff-Kompressor (36) vorgesehen ist, der den von der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34) generierten Wasserstoff auf einen Druck von mehr als 100 bar komprimiert.
  3. Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Wasserstoff-Tank (40) vorgesehen ist, in dem der von der Wasserstoff-Elektrolyseeinheit (34) generierte und dem Wasserstoff-Kompressor (36) komprimierte Wasserstoff gespeichert wird.
  4. Traktionsenergie-Hybrid-Ladeanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Wasserstoff-Kompressor (36) über eine elektrische Versorgungsleitung (35) mit dem Transformator (30) oder mit der Leistungselektronik-Einheit (32) elektrisch verbunden ist, um mit elektrischer Energie zur Wasserstoff-Komprimierung versorgt zu sein.
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