DE102017207023B4

DE102017207023B4 - Ladesystem und Verfahren zum Betreiben des Ladesystems

Info

Publication number: DE102017207023B4
Application number: DE102017207023.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Waldmüller; Silvia Jurochnik
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: DE102017207023A1

Abstract

Ladesystem (10) zum Aufladen einer Traktionsbatterie (24) eines Kraftfahrzeugs (26), wobei das Ladesystem (10) eine Ladestation (18) mit einer Generatoreinrichtung (32) zum Erzeugen von elektrische Energie (E) und mit einer an die Generatoreinrichtung (32) angeschlossenen Antriebseinrichtung (34) umfasst,
wobei
das Ladesystem (10) einen Vorrat von Synthetik-Kraftstoff (K) aufweist und die Antriebseinrichtung (34) zum Betrieb mit dem Synthetik-Kraftstoff (K) ausgebildet ist,
eine Zwischenspeichereinrichtung (36), die zum Speichern der von der Generatoreinrichtung (32) erzeugten Energie ausgebildet ist und die an diese angeschlossen ist,
wobei zum Laden des Kraftfahrzeugs (26) aus der Zwischenspeichereinrichtung (36) entnommen wird, wobei gleichzeitig die Zwischenspeichereinrichtung (36) mit elektrischer Energie (E) aus der Generatoreinrichtung (32) versorgt wird,
eine Kraftstoffherstellungseinrichtung (16), die zum Herstellen des Synthetik-Kraftstoffs (K) aus elektrischer Energie (E) ausgebildet ist,
wobei die Kraftstoffherstellungseinrichtung (16) mit elektrischer Energie (E) aus erneuerbaren Energien betrieben wird, um den Synthetik-Kraftstoff (K) herzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Ladesystem eine Ladestation mit einer Generatoreinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie und mit einer an die Generatoreinrichtung angeschlossenen Antriebseinrichtung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ladesystems.
Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Kraftstoffe sowie die mit deren Verbrennung verbundenen Nachteile stellen an die Zukunft des Individualverkehrs große Herausforderungen. Elektrofahrzeuge, genauer gesagt Batterieelektrische Fahrzeuge („battery electric vehicle“ = BEV) sind hierfür grundsätzlich eine gute Lösung. Einerseits weisen Elektromotoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren auf und andererseits können auch die Lärmemissionen verringert werden.
Jedoch können die ehrgeizigen Ziele hinsichtlich der Verringerung der Emission von Treibhausgasen und anderer schädlicher Stoffe, des Verbrauchs fossiler Kraftstoffe und auch von Lärm durch Elektrofahrzeuge allein nur schwer erreicht werden. Falls Elektrofahrzeuge, wie heutzutage üblich, an der gewöhnlichen Haushaltssteckdose oder an Ladestationen aufgeladen werden, so trägt dies zwar lokal, d. h. am Elektrofahrzeug selbst, dazu bei Emissionen zu vermeiden; insgesamt sind die Nachteile jedoch im Allgemeinen nur örtlich verlagert auf zentralisierte Kraftwerke, welche den Strom erzeugen. Der Strom muss zudem noch dezentral an die entsprechende Ladestelle (Haushaltssteckdose, Ladestation, usw.) verteilt werden.
Die erforderliche Infrastruktur ist hierfür zwar grundsätzlich vorhanden. Allerdings wird bei zunehmendem Individualverkehr der Bedarf an Ladestationen drastisch - geschätzt wird etwa das 10-fache der bisher vorhandenen Ladestationen - ansteigen. Für diese Belastung ist die derzeit vorhandene Ladeinfrastruktur nicht ausgelegt. Auch ein Ausbau der Ladeinfrastruktur ist aufwendig und dadurch wenig wirtschaftlich, beispielsweise wenn neue Versorgungsleitungen in Form von Erdkabeln verlegt werden.
Als Grundidee sollte demnach die Ladeinfrastruktur überdacht werden.
CN 104 485 468 A offenbart eine mit Benzin betriebene Festoxid-Brennstoffzelle für eine Ladestation mittels der elektrische Energie für die Ladestation zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs erzeugt wird. Dabei ist jedoch nachteilig, wie zuvor beschrieben, dass lediglich die Emission weg vom Elektrofahrzeug zu der Ladestation verlegt wird, die herkömmlich betrieben wird und somit fossile Kraftstoffe verbraucht.
US 2010 / 0 211 242 A1 beschreibt den Betrieb eines reichweitenverlängerten Elektrofahrzeugs mit einem Rangeextender. Der Rangeextender weist einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für eine Fahrzeugbatterie auf. Hier weist das Elektrofahrzeug im Wesentlichen die gleichen Probleme wie ein herkömmliches Verbrennungsfahrzeug auf. Zudem erhöht der Rangeextender das Gewicht des Elektrofahrzeugs.
DE 10 2011 107 628 A1 offenbart ein Ladesystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Eine Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug weist einen Generator zu Erzeugung elektrischer Energie auf, um das Elektrofahrzeug zu laden. Hierbei wird das Emissionsproblem wieder nur vom Elektrofahrzeug weg verlagert, aber nicht verbessert.
US 2011 / 0 000 639 A1 beschreibt ein System und Methoden zur Erzeugung eines geothermischen Generierungs- und Verteilungsnetzes.
US 2014 / 0 049 206 A1 beschreibt ein Verfahren zum Laden elektrischer Fahrzeuge, wobei eine Ladung von einer Brennstoffzellensystem zu einer Batterie des elektrischen Fahrzeugs geliefert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge hinsichtlich er Umweltfreundlichkeit zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Ladesystem gemäß Hauptanspruch sowie ein Verfahren gemäß Nebenanspruch gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen des Ladesystems bzw. des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Ladesystem so weiterzubilden, dass das Ladesystem einen Vorrat von Synthetik-Kraftstoff aufweist und die Antriebseinrichtung zum Betrieb mit dem Synthetik-Kraftstoff ausgebildet ist.
Die Erfindung schafft ein Ladesystem zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Ladesystem eine Ladestation mit einer Generatoreinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie und mit einer an die Generatoreinrichtung angeschlossenen Antriebseinrichtung umfasst, wobei das Ladesystem einen Vorrat von Synthetik-Kraftstoff aufweist und die Antriebseinrichtung zum Betrieb mit dem Synthetik-Kraftstoff ausgebildet ist. Erfindungsgemäß umfasst das Ladesystem eine Kraftstoffherstellungseinrichtung, die zum Herstellen des Synthetik-Kraftstoffs aus elektrischer Energie ausgebildet ist. Im Unterschied zu fossilen Kraftstoffen, kann Synthetik-Kraftstoff unter Verwendung elektrischer Energie aus CO₂, insbesondere aus der Luft, gewonnen werden. Die Gewinnung wird - in Abhängigkeit vom erhaltenen Synthetik-Kraftstoff - insbesondere mit „Power-to-Gas“ bzw. „Power-to-Liquid“ bezeichnet. Allgemeiner spricht man auch von „Power-to-X“. Wird vorliegend elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zum Erzeugen des Synthetik-Kraftstoffs verwendet, so kann der CO₂-Ausstoß der andernfalls beim Laden des Elektrofahrzeugs entstünde zumindest verringert und im Optimalfall nahezu vollständig beseitigt werden. Es findet daher nicht nur eine Verlagerung der Emissionen von dem Elektrofahrzeug auf die bestehende Infrastruktur statt. Somit ergibt sich ein insgesamt umweltfreundlicheres Ladesystem.
Erfindungsgemäß umfasst das Ladesystem eine Zwischenspeichereinrichtung, die zum Speichern der von der Generatoreinrichtung erzeugten Energie ausgebildet ist und die an diese angeschlossen ist. Vorzugsweise ist die Zwischenspeichereinrichtung als Speicherbatterie und/oder als Kondensatorspeicher ausgebildet. Die Ladezeit des Elektrofahrzeugs soll möglichst geringgehalten werden. Die Zwischenspeichereinrichtung ist daher vorzugsweise so gestaltet, dass eine schnelle Energieentnahme möglich ist. Vor oder bei der Energieentnahme kann ein beständiges Aufladen der Zwischenspeichereinrichtung erfolgen. Die Antriebseinrichtung kann somit konstant und dauerhaft betrieben werden. Dadurch kann die Antriebseinrichtung stets am optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, so dass die Emissionen weiter verringert werden können. Mit der Speicherbatterie kann eine längere Speicherung erfolgen, wohingegen mit dem Kondensatorspeicher die Geschwindigkeit der Energieentnahme gesteigert werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Ladestation und/oder die Zwischenspeichereinrichtung transportierbar ausgebildet sind. Es ist bevorzugt, dass die Ladestation und/oder die Zwischenspeichereinrichtung in einem Transportmittel untergebracht sind. Es ist bevorzugt, dass die Ladestation und/oder die Zwischenspeichereinrichtung an einem, insbesondere von Elektrofahrzeugen, hochfrequentierten Platz angeordnet ist. Durch eine transportierbare Ausgestaltung der unterschiedlichen Komponenten, kann das Ladesystem an unterschiedlichen Orten eingesetzt werden, ohne dass umfangreiche und aufwendige Baumaßnahmen ergriffen werden müssen. Als Transportmittel kommen beispielsweise Lastkraftwagen, Anhänger, Kleintransporter und/oder Container in Betracht. Diese Transportmittel sind einfach verfügbar, so dass darin untergebrachten Komponenten einfach zwischen unterschiedlichen Standorten verlegt werden können. Als hochfrequentierte Plätze kommen beispielsweise hochfrequentierte Parkplätze, Autobahnraststationen, Einkaufszentren und/oder Talstationen in Betracht. Auch bereits vorhandene herkömmliche Tankstellen sind geeignet.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Ladesystems, bei dem die Antriebseinrichtung die Generatoreinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie antreibt, wobei zum Betreiben der Antriebseinrichtung ein Synthetik-Kraftstoff verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass elektrische Energie in der Zwischenspeichereinrichtung gespeichert wird, insbesondere wenn kein zu ladendes Kraftfahrzeug an der Ladestation angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass elektrische Energie zum Laden des Kraftfahrzeugs aus der Zwischenspeichereinrichtung entnommen wird, wobei insbesondere gleichzeitig die Zwischenspeichereinrichtung mit elektrischer Energie aus der Generatoreinrichtung versorgt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kraftstoffherstellungseinrichtung mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien betrieben wird, um den Synthetik-Kraftstoff herzustellen.
Es sollte beachtet werden, dass der Ablauf der Verfahrensschritte nicht in der beschriebenen Reihenfolge erfolgen muss. Die Verfahrensschritte können in einer anderen Reihenfolge oder auch gegebenenfalls gleichzeitig durchgeführt werden.
Es sollte beachtet werden, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren im Wesentlichen ähnliche Vorteile wie mit dem Ladesystem verwirklicht werden können.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Fig. ein Ausführungsbeispiel eines Ladesystems.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In der einzigen Fig. sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es wird nachfolgend auf 1 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines Ladesystems 10 zeigt. Das Ladesystem 10 umfasst eine Energieerzeugungseinrichtung 12, die ausgebildet ist elektrische Energie E aus erneuerbaren Energien zu erzeugen. Die Energieerzeugungseinrichtung 12 ist beispielweise eine Windkraftanlage 14. Verwendbar ist jedoch grundsätzlich jede andere Art von erneuerbarer Energie, wie etwa Wasserkraft, Erdwärme oder dergleichen.
Das Ladesystem 10 umfasst ferner eine Kraftstoffherstellungseinrichtung 16, die von der Energieerzeugungseinrichtung 12 gespeist wird. Die Kraftstoffherstellungseinrichtung 16 stellt auf an sich bekannte Weise flüssigen oder gasförmigen Synthetik-Kraftstoff K her. Dabei wird CO₂ aus der Umgebungsluft entzogen und in brennbare Kohlenwasserstoffe, beispielweise Methan oder Benzin umgesetzt.
Das Ladesystem 10 umfasst ferner eine Ladestation 18. Die Ladestation 18 umfasst einen an sich bekannte Anschluss 20 und eine Steuereinrichtung 22, um eine Traktionsbatterie 24 eines Elektrofahrzeugs 26 zu laden. Die Ladestation 18 ist in einem Transportmittel 28, beispielsweise einem Transportanhänger 30, untergebracht. Die Ladestation 18 umfasst eine Generatoreinrichtung 32, eine Antriebseinrichtung 34 und eine Zwischenspeichereinrichtung 36, die sämtlich in dem Transportmittel 28 untergebracht sind. Das Transportmittel 28 ist auf einem Parkplatz 38 abgestellt.
Die Generatoreinrichtung 32 ist ausgebildet elektrische Energie zu erzeugen, wenn diese, wie an sich bekannt, von der Antriebseinrichtung 34 angetrieben wird. Die Generatoreinrichtung 32 ist mit dem Anschluss 20 und der Steuereinrichtung 22 sowie der Zwischenspeichereinrichtung 36 verschaltet. Die Generatoreinrichtung 32 ist mit dem Anschluss 20 und der Zwischenspeichereinrichtung 36 derart verschaltet, dass die elektrische Energie lediglich aus der Zwischenspeichereinrichtung 36 entnommen werden kann und nicht direkt von der Generatoreinrichtung 32 zu der Traktionsbatterie 24 fließt. Ist keine Zwischenspeichereinrichtung 36 vorhanden, was ebenfalls möglich ist, so ist der Anschluss 20 direkt mit der Generatoreinrichtung 32 verschaltet.
Die Antriebseinrichtung 34 umfasst einen Antriebsmotor 40, der als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, wobei der Antriebsmotor 40 und somit die Antriebseinrichtung 34 dazu angepasst sind, den von der Kraftstoffherstellungseinrichtung 16 hergestellten Synthetik-Kraftstoff K zu verbrennen.
Die Zwischenspeichereinrichtung 36 umfasst vorliegend eine Speicherbatterie 42 zum Speichern der von der Generatoreinrichtung 32 erzeugten elektrischen Energie.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Ladesystems 10 näher erläutert.
Es wird elektrische Energie E mittels der Energieerzeugungseinrichtung 12 basierend auf erneuerbaren Energien erzeugt und mittels der Kraftstoffherstellungseinrichtung 16 unter Verwendung von CO₂ aus der Umgebungsluft in Synthetik-Kraftstoff K umgewandelt.
Der Synthetik-Kraftstoff K wird an eine oder mehrere Ladestationen 18 verteilt, die an von Elektrofahrzeugen hochfrequentierten Plätzen, wie dem Parkplatz 34, aufgestellt sind.
In der Ladestation 18 wird die Antriebseinrichtung 34 mit dem Synthetik-Kraftstoff K betrieben und die Generatoreinrichtung 32 wird von der Antriebseinrichtung 34 angetrieben. Die Antriebseinrichtung 34 kann im optimalen Arbeitsbereich des Antriebsmotors 40 betrieben werden, so dass die Emissionen so gering wie möglich sind. Die von der Generatoreinrichtung 32 erzeugte elektrische Energie wird in der Zwischenspeichereinrichtung 36 gespeichert. Ist die Zwischenspeichereinrichtung 36 vollständig geladen, so wird die Antriebseinrichtung 34 abgeschaltet.
Während des Ladevorgangs des Elektrofahrzeugs 26 wird die elektrische Energie der Zwischenspeichereinrichtung 36 entnommen. Fällt der Ladezustand der Zwischenspeichereinrichtung 36 dabei unter einen gewissen Ladezustand (State-of-Charge, SoC), so wird die Antriebseinrichtung 34 aktiviert, um die Generatoreinrichtung 32 zum Erzeugen elektrischer Energie anzutreiben.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine CO₂-neutrale bzw. CO₂-verbesserte mobile Ladestruktur geschaffen werden kann, indem die synthetische Kraftstoffe (synthetische Fuels) in Verbindung mit einem Generator zum Stromerzeugen verwendet werden, der dann zum Aufladen von (Elektro-)Fahrzeugen mit oder ohne Batteriezwischenspeicher genutzt wird. Zusätzlich kann durch eine Unterbringung der Ladestationen in Transportmitteln und die Verteilung an hochfrequentierten Plätzen die notwendige Ladestruktur bereitgestellt werden, ohne das Baumaßnahmen erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

10: Ladesystem
12: Energieerzeugungseinrichtung
14: Windkraftanlage
16: Kraftstoffherstellungseinrichtung
18: Ladestation
20: Anschluss
22: Steuereinrichtung
24: Traktionsbatterie
26: elektrisches Kraftfahrzeug
28: Transportmittel
30: Transportanhänger
32: Generatoreinrichtung
34: Antriebseinrichtung
36: Zwischenspeichereinrichtung
38: Parkplatz
40: Antriebsmotor
42: Speicherbatterie
E: elektrische Energie
K: Synthetik-Kraftstoff

Claims

Ladesystem (10) zum Aufladen einer Traktionsbatterie (24) eines Kraftfahrzeugs (26), wobei das Ladesystem (10) eine Ladestation (18) mit einer Generatoreinrichtung (32) zum Erzeugen von elektrische Energie (E) und mit einer an die Generatoreinrichtung (32) angeschlossenen Antriebseinrichtung (34) umfasst, wobei das Ladesystem (10) einen Vorrat von Synthetik-Kraftstoff (K) aufweist und die Antriebseinrichtung (34) zum Betrieb mit dem Synthetik-Kraftstoff (K) ausgebildet ist, eine Zwischenspeichereinrichtung (36), die zum Speichern der von der Generatoreinrichtung (32) erzeugten Energie ausgebildet ist und die an diese angeschlossen ist, wobei zum Laden des Kraftfahrzeugs (26) aus der Zwischenspeichereinrichtung (36) entnommen wird, wobei gleichzeitig die Zwischenspeichereinrichtung (36) mit elektrischer Energie (E) aus der Generatoreinrichtung (32) versorgt wird, eine Kraftstoffherstellungseinrichtung (16), die zum Herstellen des Synthetik-Kraftstoffs (K) aus elektrischer Energie (E) ausgebildet ist, wobei die Kraftstoffherstellungseinrichtung (16) mit elektrischer Energie (E) aus erneuerbaren Energien betrieben wird, um den Synthetik-Kraftstoff (K) herzustellen.
Ladesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (18) und/oder die Zwischenspeichereinrichtung (36) transportierbar ausgebildet sind.
Ladesystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (18) und/oder die Zwischenspeichereinrichtung (36) in einem Transportmittel (28) untergebracht sind.
Ladesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (18) und/oder die Zwischenspeichereinrichtung (36) an einem von elektrischen Kraftfahrzeugen (26) hochfrequentierten Platz (38) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Antriebseinrichtung (34) die Generatoreinrichtung (32) zum Erzeugen von elektrischer Energie (E) antreibt, wobei zum Betreiben der Antriebseinrichtung (34) ein Synthetik-Kraftstoff (K) verwendet wird, elektrische Energie (E) zum Laden des Kraftfahrzeugs (26) aus der Zwischenspeichereinrichtung (36) entnommen wird, wobei gleichzeitig die Zwischenspeichereinrichtung (36) mit elektrischer Energie (E) aus der Generatoreinrichtung (32) versorgt wird, die Kraftstoffherstellungseinrichtung (16) mit elektrischer Energie (E) aus erneuerbaren Energien betrieben wird, um den Synthetik-Kraftstoff (K) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie (E) in der Zwischenspeichereinrichtung (36) gespeichert wird, wenn kein zu ladendes Kraftfahrzeug (26) an der Ladestation (18) angeschlossen ist.