DE102017217506A1 - Method for charging an energy store of a motor vehicle, motor vehicle and charging cable - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, wobei elektrische Energie von einer Ladesäule über wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader eines Ladekabels an den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs übertragen wird, wobei eine Kühlvorrichtung der Ladesäule durch wenigstens einen Kühlkanal des Ladekabels mit einem Wärmetauscher des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs gekoppelt wird und wobei durch den Kühlkanal ein Kühlmittel gefördert wird. A method for charging an energy storage of a motor vehicle, wherein electrical energy is transmitted from a charging station via at least one electrically conductive wire of a charging cable to the energy storage of the motor vehicle, wherein a cooling device of the charging station is coupled by at least one cooling channel of the charging cable with a heat exchanger of the energy storage of the motor vehicle and wherein a coolant is conveyed through the cooling passage.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, wobei elektrische Energie von einer Ladesäule über wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader eines Ladekabels an den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs übertragen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug sowie ein Ladekabel.The invention relates to a method for charging an energy store of a motor vehicle, wherein electrical energy is transmitted from a charging station via at least one electrically conductive wire of a charging cable to the energy storage of the motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle and a charging cable.
Für Kraftfahrzeuge mit einem Elektroantrieb ist es vorgesehen, dass diese Kraftfahrzeuge einen Energiespeicher aufweisen, welcher zum Speichern der für den Betrieb des Elektromotors benötigten Energie dient. Um die während des Betriebes des Kraftfahrzeugs in Bewegung umgewandelte elektrische Energie des Energiespeichers zu ersetzen, ist es gemeinhin bekannt, den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs über eine entsprechende Ladesäule wieder aufzuladen. Zur Verbindung des Kraftfahrzeugs mit der Ladesäule kann ein Ladekabel verwendet werden, über welches elektrische Energie von der Ladesäule an den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann. Um die Dauer eines solchen Ladevorgangs möglichst kurz zu gestalten ist es wünschenswert, dass die Übertragung der elektrischen Energie mit einer möglichst hohen Leistung erfolgt. Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einzelne der beim Ladevorgang eingesetzten Komponenten zu kühlen um eine Steigerung der Leistung bei einem Ladevorgang zu erreichen.For motor vehicles with an electric drive, it is provided that these motor vehicles have an energy store, which serves to store the energy required for the operation of the electric motor. In order to replace the converted during operation of the motor vehicle in motion electrical energy of the energy storage, it is commonly known to recharge the energy storage of the motor vehicle via a corresponding charging station. To connect the motor vehicle with the charging station, a charging cable can be used, via which electrical energy can be transmitted from the charging station to the energy storage device of the motor vehicle. In order to make the duration of such a charging process as short as possible, it is desirable that the transmission of the electrical energy takes place with the highest possible power. For this purpose, it is known from the prior art to cool individual components used during the charging process in order to achieve an increase in the power during a charging process.
So wird in
In
In
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Laden eines Energiespeicher eines Kraftfahrzeuges anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved method for charging an energy storage of a motor vehicle.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Kühlvorrichtung der Ladesäule durch wenigstens einen Kühlkanal des Ladekabels mit einem Wärmetauscher des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs gekoppelt wird und wobei durch den Kühlkanal ein Kühlmittel gefördert wird.To achieve this object, the invention provides that a cooling device of the charging station is coupled by at least one cooling channel of the charging cable to a heat exchanger of the energy storage of the motor vehicle and wherein a coolant is conveyed through the cooling channel.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass über das Ladekabel sowohl die elektrische Energie von der Ladesäule an den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann als auch durch den wenigstens einen Kühlkanal des Ladekabels ein Kühlmittel gefördert werden kann. Dadurch wird eine thermische Kopplung zwischen der Kühlvorrichtung der Ladesäule, dem Ladekabel sowie dem Wärmetauscher des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Der Wärmetauscher des Kraftfahrzeugs ist dabei insbesondere so gestaltet, dass durch ihn Wärme von der Batterie an das Kühlmittel abgegeben werden kann, so dass eine Kühlung des Energiespeichers erreicht wird.The advantage of the invention is that both the electrical energy from the charging station to the energy storage of the motor vehicle can be transmitted via the charging cable as well as by the at least one cooling channel of the charging cable, a coolant can be promoted. This allows a thermal coupling between the cooling device of the charging station, the charging cable and the heat exchanger of the energy storage of the motor vehicle. The heat exchanger of the motor vehicle is designed in particular so that it can be discharged by the heat from the battery to the coolant, so that a cooling of the energy storage is achieved.
Es ist möglich, dass das Kühlmittel von der Kühlvorrichtung der Ladesäule durch den Kühlkanal des Ladekabels gefördert wird und nach Kontakt mit dem Wärmetauscher des Energiespeichers an die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Bevorzugt ist es möglich, dass das Ladekabel wenigstens zwei getrennte Kühlkanäle umfasst, so dass eine Rückführung des Kühlmittels vom Wärmetauscher an die Kühlvorrichtung der Ladesäule ermöglicht wird. Dadurch, dass das Ladekabel sowohl wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader zur Übertragung der elektrischen Energie aufweist als auch einen oder mehrere Kühlkanäle zum Transport des Kühlmittels umfasst, muss für einen Ladevorgang in vorteilhafter Weise nur ein einziges Verbindemittel zwischen Kraftfahrzeug und Ladesäule angeordnet werden.It is possible that the coolant is conveyed by the cooling device of the charging station through the cooling channel of the charging cable and is discharged to the environment of the motor vehicle after contact with the heat exchanger of the energy storage device. Preferably, it is possible that the charging cable comprises at least two separate cooling channels, so that a return of the coolant from the heat exchanger to the cooling device of the charging station is made possible. Characterized in that the charging cable has both at least one electrically conductive wire for transmitting the electrical energy as well as one or more cooling channels for transporting the coolant, advantageously only a single connection means between the motor vehicle and charging station must be arranged for a charging operation.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Ladekabel die Kühlvorrichtung und den Wärmetauscher zu einem Kühlmittelkreislauf koppelt, wobei durch eine Pumpvorrichtung der Ladestation und/oder durch eine Pumpvorrichtung des Wärmetauschers das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf gefördert wird. Das Ladekabel weist dabei bevorzugt zwei Kühlkanäle auf, wobei ein Kühlkanal als Hinleitung dient, beispielsweise zum Transport des Kühlmittels von der Ladesäule zum Wärmetauscher, und der andere als Rückleitung, also zum Transport des Kühlmittels zum Wärmetauscher zurück zu der Kühlvorrichtung der Ladesäule. In der Kühlvorrichtung der Ladesäule kann dann beispielsweise aufgenommene Wärme an die Umgebung der Ladesäule abgegeben werden und das dadurch wieder abgekühlte Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf wieder durch den als Hinleitung verwendeten Kühlkanal des Ladekabels an den Wärmetauscher der Batterie gefördert werden. Ein Fördern des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf kann dabei durch eine Pumpvorrichtung der Kühlvorrichtung der Ladesäule erfolgen.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the charging cable couples the cooling device and the heat exchanger to a coolant circuit, wherein the coolant is conveyed through the coolant circuit by a pumping device of the charging station and / or by a pumping device of the heat exchanger. The charging cable preferably has two cooling channels, wherein a cooling channel serves as a forward line, for example, to transport the coolant from the charging station to the heat exchanger, and the other as a return line, so to transport the coolant to the heat exchanger back to the cooling device of the charging station. In the cooling device of the charging station, for example, absorbed heat can then be released to the surroundings of the charging station and the coolant cooled thereby again can be conveyed through the coolant circuit through the cooling channel of the charging cable used as a forward line to the heat exchanger of the battery. A conveying of the coolant through the coolant circuit can be effected by a pumping device of the cooling device of the charging station.
Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, dass der Wärmetauscher eine Pumpvorrichtung umfasst, welche alleine oder mit einer Pumpvorrichtung der Kühlvorrichtung der Ladesäule das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf fördert. Durch den Kühlmittelkreislauf kann in vorteilhafter Weise während des Ladevorgangs sowohl eine Kühlung des Ladekabels als auch eine Kühlung des Energiespeichers des Kraftfahrzeuges erfolgen.Additionally or alternatively, it is possible that the heat exchanger comprises a pump device which alone or with a pumping device of the cooling device of the charging station promotes the coolant through the coolant circuit. Through the coolant circuit, both cooling of the charging cable and cooling of the energy accumulator of the motor vehicle can advantageously take place during the charging process.
Um eine möglichst verlustfreie Übertragung von elektrischer Energie zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass durch das Kühlmittel, welches durch den wenigstens einen Kühlkanal des Ladekabels gefördert wird, die wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader des Ladekabels in einen supraleitenden Zustand gekühlt wird. Dies ermöglicht es, die elektrische Energie von der Ladesäule an den Energiespeicher mit einer möglichst hohen Leistung zu übertragen, da keine oder nahezu keine Ladeverluste im Ladekabel auftreten. Die zum Aufladen des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs benötigte Zeit kann dadurch reduziert werden. Die Verwendung eines supraleitenden Materials für die wenigstens eine leitfähige Ader des Ladekabels bietet dabei insbesondere den Vorteil, dass ein Ladekabel in nahezu beliebiger Länge verwendet werden kann und dass die Ader auch bei hohen Ladeleistungen nur einen geringen Querschnitt benötigt, wodurch sich die Leitungsimpedanz des Ladekabels reduziert.In order to enable a lossless transfer of electrical energy, it can be provided according to the invention that is cooled by the coolant which is conveyed through the at least one cooling channel of the charging cable, the at least one electrically conductive wire of the charging cable in a superconducting state. This makes it possible to transfer the electrical energy from the charging station to the energy storage device with as high a power as possible, since no or virtually no charging losses occur in the charging cable. The time required to charge the energy storage of the motor vehicle can thereby be reduced. The use of a superconducting material for the at least one conductive wire of the charging cable offers the particular advantage that a charging cable can be used in almost any length and that the wire requires only a small cross-section, even at high charging power, thereby reducing the line impedance of the charging cable ,
Für die wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader des Ladekabels kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sie aus einem Hochtemperatur-Supraleiter besteht. Dabei können insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter zum Einsatz kommen, deren Sprungtemperatur bei oder über 77 K liegt. Bei Kühlung des Hochtemperatur-Supraleiters auf eine Temperatur gleich oder unter der Sprungtemperatur wird dieser in einen supraleitenden Zustand versetzt.For the at least one electrically conductive core of the charging cable can be inventively provided that it consists of a high-temperature superconductor. In particular, high-temperature superconductors can be used, whose transition temperature is at or above 77 K. When the high-temperature superconductor is cooled to a temperature equal to or below the transition temperature, it is placed in a superconducting state.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Ladekabel verwendet wird, welches wenigstens einen als Hinleitung des Kühlmittelkreislaufs verwendeten Kühlkanal sowie wenigstens einen als Rückleitung des Kühlmittelkreislaufs verwendeten Kühlkanal umfasst, wobei wenigstens einer dieser Kühlkanäle konzentrisch um die wenigstens eine leitfähige Ader des Ladekabels angeordnet ist. Es ist insbesondere auch möglich, dass beide dieser Kühlkanäle konzentrisch um die wenigstens eine leitfähige Ader des Ladekabels angeordnet sind, wobei ein Kühlkanal innenliegend ist und die wenigstens eine leitfähige Ader umschließt und der zweite Kühlkanal außenliegend ist und den innenliegenden Kühlkanal beziehungsweise eine den innenliegenden Kühlkanal nach außen abgrenzende Wand umschließt. Bevorzugt wird bei einer solchen Ausgestaltung der innenliegende, die wenigstens eine leitfähige Ader umschließende Kühlkanal als Hinleitgung verwendet und der außenliegende Kühlkanal als Rückleitung. Dadurch wird ermöglicht, dass das in der Ladesäule heruntergekühlte Kühlmittel sich möglichst nah an der wenigstens einen leitfähigen Ader des Ladekabels befindet, wohingegen das durch die Rückleitung strömende, gegebenenfalls durch vom Wärmetauscher des Energiespeichers abgegebene Wärme gegenüber dem hinströmenden Kühlmittel erwärmte Kühlmittel in dem oder einem außenliegenden Kühlkanal strömt. Das Ladekabel kann zusätzlich eine oder mehrere Isolationsschichten umfassen, welche die Kühlkanäle und/oder die wenigstens eine leitfähige Ader des Ladekabels umschließen beziehungsweise begrenzen können und/oder welche das Ladekabel gegen seine Umgebung isolieren. Das Ladekabel kann dabei beispielsweise als flexibles doppelwandiges Kyrostatrohr oder -schlauch ausgeführt werden.In a preferred embodiment of the invention it can be provided that a charging cable is used, which comprises at least one cooling channel used as forward line of the coolant circuit and at least one cooling channel used as return line of the coolant circuit, wherein at least one of these cooling channels concentrically around the at least one conductive wire of the charging cable is arranged. In particular, it is also possible that both of these cooling channels are arranged concentrically around the at least one conductive wire of the charging cable, wherein a cooling channel is internal and encloses at least one conductive wire and the second cooling channel is outboard and the inner cooling channel or an inner cooling channel after enclosing the outer bounding wall. Preferably, in such an embodiment, the inner, the at least one conductive wire enclosing the cooling channel used as Hinleitgung and the outer cooling channel as a return line. This makes it possible for the coolant cooled down in the charging column to be located as close as possible to the at least one conductive wire of the charging cable, whereas the coolant flowing through the return line, possibly through the heat exchanger of the energy accumulator transferred to the heated coolant in the heated or an external Cooling channel flows. The charging cable may additionally comprise one or more insulation layers, which can surround or limit the cooling channels and / or the at least one conductive wire of the charging cable and / or which insulate the charging cable from its surroundings. The charging cable can be designed, for example, as a flexible double-walled kyrostatic tube or hose.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als Kühlmittel ein verflüchtigtes Gas oder Gasgemisch, insbesondere flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium, verwendet wird. Durch die Verwendung eines verflüssigten Gases oder Gasgemisches als Kühlmittel wird eine Kühlung des Ladekabels und/oder des Energiespeichers auf eine besonders niedrige Temperatur ermöglicht. Insbesondere wird dabei die Kühlung einer als Hochtemperatur-Supraleiter ausgeführten Ader des Ladekabels in einen supraleitenden Zustand ermöglicht.According to the invention, it can be provided that a volatilized gas or gas mixture, in particular liquid nitrogen or liquid helium, is used as the coolant. By using a liquefied gas or gas mixture as a coolant cooling of the charging cable and / or the energy storage is made possible to a particularly low temperature. In particular, the cooling of a wire of the charging cable designed as a high-temperature superconductor in a superconducting state is made possible.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass ein Energiespeicher verwendet wird, welcher an eine Energiespeicherkühlvorrichtung des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Energiespeicherkühlvorrichtung ist dabei zusätzlich zu dem Wärmetauscher vorhanden und dient insbesondere der Kühlung des Energiespeichers während des Betriebes des Kraftfahrzeugs. Die Energiespeicherkühlvorrichtung kann dazu beispielsweise einen Wasserkreislauf oder einen Wasser-Glykol-Gemisch-Kreislauf umfassen, durch welchen im Betrieb des Kraftfahrzeugs entstehende Wärme von dem Energiespeicher abgeführt werden kann. Die Energiespeicherkühlvorrichtung beziehungsweise ein von der Energiespeicherkühlvorrichtung umfasster Kühlkreislauf kann dabei mit einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeuges verbunden sein.According to the invention it can be provided that an energy store is used, which is coupled to an energy storage cooling device of the motor vehicle. The energy storage cooling device is present in addition to the heat exchanger and is used in particular for cooling the energy storage device during operation of the motor vehicle. For this purpose, the energy storage cooling device may comprise, for example, a water cycle or a water-glycol mixture cycle, by means of which heat arising during operation of the motor vehicle can be dissipated from the energy store. The energy storage cooling device or one of the Energy storage cooling device comprehensive cooling circuit can be connected to a cooling circuit of the motor vehicle.
Zum Übertragen der elektrischen Energie von der Ladesäule an den Energiespeicher kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine Gleichspannungsübertragung, insbesondere eine Hochvoltgleichspannungsübertragung, verwendet wird. Eine Gleichspannungsübertragung bietet dabei den Vorteil, dass keine Beeinflussung der Energieübertragung durch kapazitive oder induktive Effekte, beispielsweise durch das Ladekabel, erfolgt. Der Einsatz einer Hochvolt-Gleichspannungsübertragung bietet dabei den besonderen Vorteil, dass aufgrund der Verwendung von Hochvolt-Gleichspannungen eine besonderes hohe Übertragungsleistung erreicht werden kann.For transmitting the electrical energy from the charging station to the energy store, it can be provided according to the invention that a DC voltage transmission, in particular a high-voltage direct voltage transmission, is used. A DC voltage transmission has the advantage that no influence on the energy transfer by capacitive or inductive effects, for example by the charging cable takes place. The use of a high-voltage DC transmission offers the particular advantage that due to the use of high-voltage DC voltages, a particularly high transmission power can be achieved.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.Furthermore, the invention relates to a motor vehicle, which is designed for carrying out a method according to the invention.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ladekabel, welches wenigstens eine elektrisch leitfähige Ader sowie einen Kühlkanal umfasst, wobei das Ladekabel dazu ausgebildet ist, eine Ladestation mit einem Energiespeicher eines Kraftfahrzeuges zu verbinden sowie eine Kühlvorrichtung der Ladesäule mit einem Wärmetauscher des Energiespeichers zu koppeln. Zur Kopplung der Kühlvorrichtung der Ladesäule mit dem Wärmetauscher des Energiespeichers kaum dabei vorgesehen sein, dass das Ladekabel wenigstens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel gefördert werden kann.Furthermore, the invention relates to a charging cable, which comprises at least one electrically conductive core and a cooling channel, wherein the charging cable is adapted to connect a charging station with an energy storage of a motor vehicle and to couple a cooling device of the charging station with a heat exchanger of the energy storage. For coupling the cooling device of the charging station with the heat exchanger of the energy storage hardly be provided that the charging cable has at least one cooling channel through which a coolant can be promoted.
Für das Ladekabel kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass es wenigstens zwei Kühlkanäle umfasst, wobei wenigstens einer der Kühlkanäle konzentrisch um die wenigstens eine leitfähige Ader des Ladekabels angeordnet ist.For the charging cable may further be provided according to the invention that it comprises at least two cooling channels, wherein at least one of the cooling channels is arranged concentrically around the at least one conductive wire of the charging cable.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, welches über ein erfindungsgemäßes Ladekabel mit einer Ladestation verbunden ist, -
2 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladekabels, -
3 eine Schnittansicht des in2 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladekabels, -
4 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladekabels, -
5 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladekabels, -
6 eine Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladekabels, sowie -
7 eine schematische Darstellung einer Ladestation.
-
1 a schematic side view of a motor vehicle according to the invention, which is connected via a charging cable according to the invention with a charging station, -
2 a schematic side view of an embodiment of a charging cable according to the invention, -
3 a sectional view of the in2 illustrated embodiment of a charging cable according to the invention, -
4 a sectional view of a second embodiment of a charging cable according to the invention, -
5 a sectional view of a third embodiment of a charging cable according to the invention, -
6 a sectional view of a fourth embodiment of a charging cable according to the invention, as well -
7 a schematic representation of a charging station.
In
Das Kraftfahrzeug
In
Die elektrisch leitfähige Ader
Das Ladekabel
Dabei deutet das Symbol ⊗ die Hinlaufrichtung und das Symbol ⊙ die Rücklaufrichtung.The symbol ⊗ indicates the forward direction and the symbol ⊙ the direction of return.
In
In
Bei allen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Ladekabels
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Die Darstellung der Buchse
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