DE102017221432A1

DE102017221432A1 - Kühlungseinheit und -verfahren für eine Ladestation und entsprechende Stromtankstelle

Info

Publication number: DE102017221432A1
Application number: DE102017221432.5A
Authority: DE
Inventors: Raoul Heyne; Florian Joslowski; Michael Kiefer; Thomas Speidel; Matthias Bohner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; ADS TEC GmbH
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; ADS TEC Energy GmbH
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Die Erfindung stellt eine Kühlungseinheit für eine Ladestation mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Kühlungseinheit (10) umfasst einen Kaltwasserspeicher (11) und einen Warmwasserspeicher (12); und der Kaltwasserspeicher (11) und der Warmwasserspeicher (12) sind thermisch miteinander gekoppelt.Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Ladestation, eine entsprechende Stromtankstelle sowie ein Verfahren zum Kühlen einer Ladestation bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlungseinheit für eine Ladestation. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Ladestation, eine entsprechende Stromtankstelle sowie ein Verfahren zum Kühlen einer Ladestation.
Stand der Technik
Als Ladestation wird in der Elektrotechnik jedwede stationäre Vorrichtung oder elektrische Anlage bezeichnet, welche dazu dient, mobilen akkubetriebenen Geräten, Maschinen oder Kraftfahrzeugen durch einfaches Einstellen oder Einstecken Energie zuzuführen, ohne den Energiespeicher - etwa die Traktionsbatterie eines Elektroautos - zwangsläufig entnehmen zu müssen. Ladestationen für Elektroautos werden mitunter auch als „Stromtankstellen“ bezeichnet und können mehrere Ladepunkte umfassen.
Bekannt sind hier insbesondere Gleichstrom-Schnellladesysteme (high performance charging, HPC) wie das in Europa verbreitete, sogenannte kombinierte Ladesystem (combined charging system, CCS). Beim gattungsmäßigen Gleichstromladen wird Gleichstrom aus der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist und hierzu durch einen leistungsstarken Gleichrichter vom Stromnetz oder durch große Pufferakkumulatoren an z.B. Solartankstellen bereitgestellt. Im Fahrzeug befindet sich ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladesäule direkt oder indirekt kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei Erreichung einer Kapazitätsgrenze den Vorgang zu beenden.
Die Leistungselektronik befindet sich hierbei üblicherweise in der Ladesäule. Da die Gleichstromanschlüsse der Ladesäule direkt mit entsprechenden Anschlüssen der Traktionsbatterie verbunden werden, lassen sich verlustarm hohe Ladeströme übertragen, was kurze Ladezeiten ermöglicht. In den verschiedenen Ladestationen, die weltweit im Einsatz sind, werden die verschiedensten Kühlungssysteme verwendet. Der Aufbau und die Auslegung der Kühlungseinheiten ist dabei sehr verschieden.
Die meisten heutigen Ladesäulen realisieren eine Kühlung der Leistungselektronik durch eine Luftkühlung. Dies ist allerdings nur möglich, wenn der Bauraum relativ groß ist, damit genügend Platz für einen Luftstrom in der Leistungselektronik vorhanden ist. Gekühlte Ladekabel sind nicht im Einsatz, da noch keine Fahrzeuge marktüblich sind, die solche Ladeleistungen ermöglichen, dass eine Kühlung des Kabels erforderlich wäre. Deshalb sind aus dem Stand der Technik kaum Systeme bekannt, die Flüssigkeitskühlungen verwenden.
DE102012011606A1 offenbart eine Ladestation zur Ladung der Batterie eines Elektrofahrzeugs mit einem Gehäuse zur ortsfesten Montage an einem Aufnahmekörper, wobei im Innenraum des Gehäuses eine Ladeelektronik zur Bereitstellung eines Ladestromes über ein Ladekabel geschützt aufgenommen ist und das Gehäuse Luftstromkanäle aufweist, welche die durch Betrieb der Ladeelektronik entstehende Wärme aus dem Innenraum des Gehäuses abführen.
US9586497B2 , US8893522B2 , US7868588B2 und US5341083A beschreiben weitere einschlägige Ladestationen und Kühlvorrichtungen.
Derartige Luftkühlungen oder auch selten Flüssigkeitskühlungen werden in Wärmetauschern bzw. Kühlern mit der Umgebungsluft gekühlt. Dabei ist die Temperaturdifferenz von der erwärmten Luft oder Flüssigkeit von z. B. 40 °C und der Außentemperatur von z. B. 20 °C sehr gering.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Kühlungseinheit für eine Ladestation, eine entsprechende Ladestation, eine entsprechende Stromtankstelle sowie ein Verfahren zum Kühlen einer solchen Ladestation gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass vor allem in Ladesäulen zum Schnellladen von Elektrofahrzeugen mit hohen Gleichspannungen und -strömen, von denen hohe elektrische Leistungen zum Schnellladen von Elektrofahrzeugen bereitgestellt werden, eine Kühlung der Leistungselektronik und/oder des Ladekabels vorgenommen werden muss. In einer Ladestation mit einem inkludierten Pufferspeicher, welcher mit kleinen Netzleistungen geladen wird und große Leistungen zum Laden an Elektrofahrzeuge abgibt, sind zudem die Batterien zu kühlen. Ladekabel mit entsprechend hohen Strömen sind ebenfalls flüssig zu kühlen. Bei der Kühlung darf nicht zu heiße Luft aus der Ladesäule ausströmen, um Nutzer nicht zu verbrennen.
Die Erfindung trägt ferner dem Umstand Rechnung, dass die Kühlung möglichst viel Kühlleistung aufweisen soll. Die hohe Kühlleistung soll aus einem stärkeren Wärmeaustausch mit der Umgebung resultieren, jedoch so, dass die Abwärme nicht heißer ist oder Gebläse hörbar sind, denn nach Möglichkeit soll der Nutzer keine Lärmbelästigung an der Ladesäule beim Laden erfahren. Vielmehr soll eine möglichst große Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft geschaffen werden, um die Kühlleistung bei geringem Luftdurchsatz zu maximieren.
Eine Ausführungsform der Erfindung genügt diesen Anforderungen durch Nutzung von zwei Wasserspeichern: einem für Warmwasser und einem für Kaltwasser. Der Kaltwasserspeicher gibt dabei seine Wärmeenergie an den Warmwasserspeicher durch einen internen Kreislauf ab und erwärmt diesen. Der Warmwasserspeicher wird dann zur Kühlung nach außen geführt. Dadurch ist die Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft mit z. B. 20 °C zum Warmwasserspeicher von z. B. 58 °C sehr groß und die Kühlwirkung und -leistung ist besser.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann die Kühlung in der Ladestation stattfinden und die Kühlleistung zur Säule mit dem Ladekabel transportiert werden. Etwaiger Lärm entsteht somit in der Ladestation, während die Ladesäule und das Ladekabel keine Lärmquellen darstellen.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlkonzept mit Kalt- und Warmwasserspeicher.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur illustriert die baulichen Eigenheiten einer vorgeschlagenen Kühlungseinheit (10) für die - in ihrer Gesamtheit zeichnerisch nicht dargestellte - Ladestation einer Stromtankstelle mit integrierter Pufferbatterie. Als erfindungswesentliches Merkmal umfasst die Kühlungseinheit (10) erkennbar einen Kaltwasserspeicher (11) und einen Warmwasserspeicher (12), welcher durch einen internen Kühlwasserkreislauf thermisch mit dem Warmwasserspeicher (12) gekoppelt ist. Während der Kaltwasserspeicher (11) ein Fassungsvermögen von 300 1 aufweist und entsprechend einen beträchtlichen Bauraum innerhalb der Kühlungseinheit (10) einnimmt, ist der wesentlich kleiner ausgelegte Warmwasserspeicher (12) an deren abbildungsgemäßer Vorderseite angeordnet. Durch den internen Kreislauf wird der Ladestation auf diese Weise stetig Wärmeenergie entzogen und vom Warmwasserspeicher (12) zum Wärmetauscher mit Lüftern nach außen abgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stromtankstelle ferner mindestens eine baulich von der Ladestation getrennte Ladesäule mit Ladekabel, die fluidisch ihrerseits mit der Kühlungseinheit (10) verbunden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012011606 A1 [0006]
US 9586497 B2 [0007]
US 8893522 B2 [0007]
US 7868588 B2 [0007]
US 5341083 A [0007]

Claims

Kühlungseinheit (10) für eine Ladestation, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kühlungseinheit (10) umfasst einen Kaltwasserspeicher (11) und einen Warmwasserspeicher (12) und - der Kaltwasserspeicher (11) und der Warmwasserspeicher (12) sind thermisch miteinander gekoppelt.
Kühlungseinheit (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kühlungseinheit (10) umfasst ferner einen internen Kühlwasserkreislauf und - der Kühlwasserkreislauf verbindet den Kaltwasserspeicher (11) mit dem Warmwasserspeicher (12).
Kühlungseinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Warmwasserspeicher (12) ist mit einem Wärmetauscher verbunden und - der Wärmetauscher wird durch einen Lüfter aktiv gekühlt.
Kühlungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Kaltwasserspeicher (11) weist ein größeres Fassungsvermögen als der Warmwasserspeicher auf.
Kühlungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Warmwasserspeicher (12) ist auf eine Kühlwassertemperatur von kleiner 60°C ausgelegt.
Ladestation für eine Stromtankstelle, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Ladestation weist eine Kühlungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf.
Stromtankstelle, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Stromtankstelle umfasst eine Ladestation nach Anspruch 6.
Stromtankstelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Stromtankstelle umfasst ferner eine Ladesäule und - die Kühlungseinheit (10) ist fluidisch mit der Ladesäule verbunden.
Stromtankstelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Ladesäule weist ein Ladekabel auf und - die Kühlungseinheit (10) ist fluidisch ferner mit dem Ladekabel verbunden.
Verfahren zum Kühlen einer Ladestation, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - durch einen internen Kreislauf zwischen einem Kaltwasserspeicher (11) und einem Warmwasserspeicher (12) wird der Ladestation Wärmeenergie entzogen und - die Wärmeenergie wird vom Warmwasserspeicher (12) nach außen abgeführt.