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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation für die Traktionsbatterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Eine mobile Gleichstrom-Ladestation, welche die Traktionsbatterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wie beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder eines Plugin-Hybrid-Fahrzeugs direkt mit Gleichstrom lädt und daher auf ein Ladegerät innerhalb des Fahrzeugs verzichten kann, ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist eine derartige Ladestation in der
DE 10 2012 205 972 A1 beschrieben. Der Aufbau ist dabei so, dass die Ladestation luftgekühlt ist und beispielsweise in einer Garage oder dergleichen mit einem Wechselstromanschluss verbunden wird. Die Ladestation selbst umfasst dann den Gleichrichter und stellt faktisch ein externes außerhalb des Fahrzeugs befindliches Ladegerät dar.
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Neben diesem einfachen luftgekühlten Aufbau ist es so, dass insbesondere bei Schnellladestationen eine dauerhafte aktive Kühlung notwendig ist. Dies macht die Gleichstrom-Ladestationen entsprechend teuer. Eine derartige Ladestation ist beispielsweise in der
DE 11 2012 003 099 T5 beschrieben. Diese hat ein eigenes Kühlsystem. Dieses kühlt in der genannten Schrift dabei nicht nur die Gleichstrom-Ladestation selbst, sondern auch die Batterie des Fahrzeugs während der Ladung, wozu ein thermischer Kontakt zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug aufgebaut wird, beispielsweise indem ein Kühlmedium über einen speziellen Stecker zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ausgetauscht wird. Es verringert zwar die Anforderungen an die Eigenkühlung der Batterie durch das Fahrzeug, macht aber den Aufbau der Gleichstrom-Ladestation noch aufwändiger, sodass diese noch schwieriger als einfache und kostengünstige DC-Wallbox realisiert werden kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation anzugeben, welches ein außerordentlich einfaches und effizientes Laden ermöglicht und dabei die Möglichkeit schafft, die Gleichstrom-Ladestation einfach und kostengünstig aufbauen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Gleichstrom-Ladestation sieht es ähnlich wie im eingangs zuletzt beschriebenen Stand der Technik vor, dass eine thermische Kopplung zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation aufgebaut wird. Erfindungsgemäß ist es nun aber so, dass die Ladestation durch ein Kühlsystem des Fahrzeugs gekühlt wird. Diese besondere Verfahrensweise ermöglicht es nun, das Kühlsystem des Fahrzeugs zu betreiben, was zum Kühlen der Traktionsbatterie typischerweise ohnehin notwendig ist. Das Fahrzeug verfügt deshalb über ein Kühlsystem, welches beispielsweise mit der Klimaanlage des Fahrzeugs gekoppelt ist. Dieses ohnehin vorhandene und während des Betriebs des Fahrzeugs genutzte Kühlsystem kann nun also zusätzlich verwendet werden, um über die thermische Kopplung die Gleichstrom-Ladestation, welche auch als DC-Wallbox bezeichnet wird, zu kühlen. Hierdurch ist eine außerordentlich einfache und effiziente aktive Kühlung der DC-Wallbox möglich. Die DC-Wallbox selbst braucht keinerlei Kühleinrichtungen, da sie faktisch durch die im Fahrzeug ohnehin vorhandenen Kühlsysteme gekühlt wird. Durch den Verzicht auf eine eigene Kühlung lässt sich die DC-Wallbox sehr kostengünstig realisieren und ermöglicht so einen ganz entscheidenden Vorteil gegenüber sämtlichen Aufbauten aus dem Stand der Technik.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens lässt sich die thermische Kopplung durch einen Austausch von Kühlmedium zwischen der Gleichstrom-Ladestation und dem Fahrzeug realisieren. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann dazu beispielsweise ein Stecker in der Art des letztgenannten Standes der Technik realisiert werden, welcher neben den elektrischen Anschlüssen Anschlüsse für einen Vorlauf und einen Rücklauf eines Kühlmediums aufweist. Auch ein Stecker mit integriertem Wärmetauscher, um die Kühlkreise unabhängig voneinander auszubilden, wäre prinzipiell denkbar. Die Ladestation bräuchte dann jedoch eine eigene Kühlmittelfördereinrichtung, was sie bereits wieder entsprechend aufwändiger und teurer machen würde.
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Eine ergänzende oder alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es vor, dass die thermische Kopplung durch wärmeleitende Kontaktflächen zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation aufgebaut wird. Über eine solche Ausgestaltung ist es außerordentlich einfach und sehr effizient möglich, durch das Kühlsystem des Fahrzeugs, die Gleichstrom-Ladestation zu kühlen. Es reicht aus, eine entsprechend kühle Fläche des Fahrzeugs, welche entsprechend mit dem Kühlsystem des Fahrzeugs verbunden ist, gegen eine geeignete Gegenfläche der Ladestation zu pressen, um so die Kühlung durch einen direkten wärmeleitenden Kontakt dieser Flächen zu realisieren. Geeignet wären hier beispielsweise metallische Flächen, zum Beispiel eine entsprechende Kühlfläche, welche mit Kühlrippen oder dergleichen im Inneren der Ladestation verbunden ist, auf der Seite der Ladestation und eine entsprechende Fläche, welche aktiv durch ein Kühlmedium gekühlt wird, im Bereich des Fahrzeugs. Auch hier ist es prinzipiell denkbar, dies in einem fahrzeugeigenen Stecker zu integrieren oder die Fläche entsprechend beweglich auszugestalten, um so eine ideale Wärmeleitung zwischen dem Kühlsystem des Fahrzeugs und dem Aufbau des Gleichstrom-Ladegeräts zu realisieren.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, dass der Stecker und/oder die Kontaktfläche zusammen mit einem Ladeanschluss zu Beginn des Ladevorgangs über einen Schwenkarm, automatisiert oder manuell, zu dem Fahrzeug geführt wird. Beispielsweise kann das Fahrzeug auf einem Stellplatz oder in einer Garage von unten kontaktiert werden oder auch durch einen seitlich oder im Front- oder Heckbereich an das Fahrzeug heranfahrenden in mehreren Dimensionen beweglichen Arm oder eine entsprechende Kontaktfläche, an welche das Fahrzeug beim Einparken entsprechend heranfährt und welches dann über Federelemente in Richtung des Fahrzeugs gedrückt wird. Hierdurch ist eine sehr effiziente Kontaktierung möglich.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann die gesamte Ladestation über einen Schwenkarm manuell oder automatisiert zu dem Fahrzeug geführt oder durch das einparkende Fahrzeug entsprechend berührt werden. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise einen Teil der Oberfläche der Ladestation zeitgleich als Kontaktfläche für die thermische Kontaktierung auszubilden.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es darüber hinaus vor, dass die elektrischen Kontakte des Ladeanschlusses als Kühlflächen für die thermische Kontaktierung genutzt werden. Die typischerweise gut leitenden elektrischen Kontaktflächen des Ladeanschlusses lassen sich gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gleichzeitig zum Aufbau der thermischen Kontaktierung entsprechend nutzen. Hierdurch ist ein außerordentlich effizienter und kompakter Aufbau des kombinierten Anschlusses zum Laden des Fahrzeugs und Temperieren der Ladestation durch das Fahrzeug gegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßiges Szenario zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 einen Ausschnitt aus einem alternativen Szenario; und
- 3 einen Ausschnitt aus einem weiteren alternativen Szenario.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 schematisch angedeutet. Dieses Fahrzeug 1 soll zumindest teilweise über einen elektrischen Traktionsmotor 2 angetrieben werden, welcher elektrische Leistung zumindest aus einer Energiespeichereinrichtung 3, welche auch als Traktionsbatterie 3 bezeichnet wird, bezieht. Ergänzend, aber hier nicht dargestellt, könnte eine alternative Antriebsform in dem Fahrzeug 1 realisiert sein, beispielsweise eine Gasturbine, ein Verbrennungsmotor oder dergleichen. Das Fahrzeug 1 wäre dann als sogenanntes Plugin-Hybrid-Fahrzeug ausgebildet Außerdem wäre es denkbar, ein Energieerzeugungsaggregat an Bord des Fahrzeugs 1 vorzusehen, beispielsweise in Form eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung von elektrischer Leistung. Ungeachtet dessen ist es so, dass die Traktionsbatterie 3 über einen Ladeanschluss 4 bei Bedarf mittels eines Gleichstrom-Ladegeräts 5, welches auch als DC-Wallbox 5 bezeichnet wird, und welches hier beispielhaft an einer Wand 6 anmontiert ist, geladen werden kann. Die Ladung über Gleichstrom hat dabei den Vorteil, dass kein Ladegerät mit Gleichrichter in dem Fahrzeug 1 vorgesehen werden muss, sodass im Bereich der Gleichstrom-Ladestation 5 ein sehr effizientes Ladegerät und bei Bedarf ein sehr effizienter Gleichrichter zur Erzeugung der Gleichspannung vorgesehen werden kann. Außerdem ist es möglich, Gleichstrom direkt zu verwenden, beispielsweise aus Batterien, in welchen er zwischengespeichert war, aus Solarzellen oder dergleichen.
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In der Praxis ist es so, dass das Fahrzeug 1 praktisch immer über ein Kühlsystem 7 verfügt, beispielsweise um die Traktionsbatterie 3 während des Betriebs und während des Ladens zu kühlen. Das Kühlsystem 7 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, welches rein beispielhaft zu verstehen ist, umfasst einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelfördereinrichtung 8 und einem Fahrzeugkühler 9 zur Abkühlung des Kühlmittels. Über einen Wärmetauscher 10 wird die Traktionsbatterie 3 bei Bedarf gekühlt. Außerdem kann die Kühlung einer Leistungselektronik 11 mit vorgesehen sein, was hier nicht weiter dargestellt ist. Ergänzend zu diesem Teil des Kühlsystems 7 über den Fahrzeugkühler 9 kann außerdem eine Klimaanlage 12 mit vorgesehen sein, welche als Alternative oder insbesondere als ergänzender Teil des Kühlsystems 7 ausgebildet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Klimaanlage 12 mit dem anderen Teil des Kühlsystems 7 über einen mit 13 bezeichneten Wärmetauscher in Verbindung, wobei die Verbindung, wie durch eine Ventileinrichtung 14 angedeutet, schaltbar sein soll. Die Klimaanlage 12 dient auch zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums.
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Außerdem kann über zwei weitere Ventileinrichtungen 15, 16 Kühlmittel zu dem Ladeanschluss 4 geleitet werden. Dieses Kühlmittel wird im Ladeanschluss 4 parallel zu elektrischen Anschlüssen für die Zufuhr des Gleichstroms von der Gleichstrom-Ladestation 5 zu dem Fahrzeug 1 zu der Ladestation 5 geführt. Hierfür ist ein Stecker 17 mit einer Kabel/Schlauch-Verbindung 18 zwischen dem Stecker 17 und der Gleichstrom-Ladestation 5 vorgesehen. Die beiden strichpunktierten Leitungen sollen zur Übertragung der elektrischen Leistung, die beiden gestrichelten Leitungen zum Übertragen eines Zustroms und eines Abstroms des Kühlmittels zu der DC-Wallbox 5 vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich, über das Kühlsystem 7 des Fahrzeugs 1 während des Ladens der Traktionsbatterie 3 nicht nur diese Traktionsbatterie 3 selbst sondern auch die DC-Wallbox 5 entsprechend zu kühlen. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass das Kühlsystem 7 in dem Fahrzeug 1 ohnehin vorhanden ist und deshalb sehr einfach und effizient hierfür genutzt werden kann. Im Gegenzug ist für die DC-Wallbox 5 kein eigenes Kühlsystem notwendig, was den Aufbau und die Komplexität der DC-Wallbox 5 deutlich vereinfacht. Diese kann deshalb sehr viel billiger als herkömmliche Gleichstrom-Ladestationen 5 hergestellt und angeboten werden.
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Alternativ zu dem Stecker 17, welcher über die Kabel/Schlauch-Verbindung 18 mit der Gleichstrom-Ladestation 5 verbunden ist, wäre der Aufbau selbstverständlich auch umgekehrt denkbar, sodass die Kabel/Schlauch-Verbindung 18 und der Stecker 17 Teil des Fahrzeugs 1 sind.
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In der Darstellung der 2 wird dasselbe Szenario nochmals in einem Ausschnitt aufgegriffen. Die DC-Wallbox 5 ist über einen Schwenkarm bzw. Roboterarm 19 beweglich an der Wand 6 anmontiert. Der Ladeanschluss 4 ist so ausgeführt, dass er lediglich elektrische Kontakte zur Übergabe der elektrischen Leistung zum Laden der Traktionsbatterie 3 aufweist. Außerdem weist er eine gekühlte Kontaktfläche auf, welche durch das Kühlmittel des Kühlsystems 7 gekühlt werden kann, was in der Darstellung der 2 durch einen angedeuteten Wärmetauscher 20 in dem Ladeanschluss 4 entsprechend dargestellt ist. Die DC-Wallbox 5 wird nun, nachdem das Fahrzeug 1 in Position gefahren ist, aus der gestrichelt angedeuteten Ruheposition in die Ladeposition verschwenkt. Dadurch kommt es zu einer Kontaktierung der elektrischen Leitungen und ein Teil der Fläche der DC-Wallbox 5 kommt mit der Kontaktfläche des Ladeanschlusses 4 in Berührung, sodass sich hier ein thermischer Kontakt ausbildet. Durch die Kühlung der Kontaktfläche 4 über den Wärmetauscher 20 kann so mittelbar die DC-Wallbox 5 bzw. deren Elektronik gekühlt werden, insbesondere wenn die Gegenfläche zur Kontaktfläche am Ladeanschluss 4 in der DC-Wallbox 5 mit Wärmeleitrippen oder dergleichen mit den thermisch kritischen Teilen innerhalb der DC-Wallbox 5 in thermischer Verbindung steht. Der Schwenkarm 19 kann dabei manuell oder automatisiert bewegt werden. Insbesondere bietet sich eine automatisierte Bewegung des dann als Roboterarm zu bezeichnenden Schwenkarms 19 an, welche ein automatisches Laden des Fahrzeugs 1 ermöglicht.
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In der Darstellung der 3 ist ein weiteres Szenario zu erkennen. Der Ladeanschluss 4 befindet sich dabei im Heckbereich des Fahrzeugs 1. Der Ladeanschluss 4 stellt wieder die Anschlussmöglichkeiten für die elektrische Leistung und die thermische Verbindung sicher, beispielsweise indem zwei Kontaktflächen vorgesehen sind, welche jeweils einen Pol der Gleichspannungsübertragung ausbilden und gleichzeitig einen thermischen Kontakt zur Kühlung der DC-Wallbox 5 gewährleisten. Die DC-Wallbox 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wieder fest an der Wand 6 montiert. Sie weist jedoch einen zusätzlichen Anschlussabschnitt 21 auf, welcher über Federelemente 22 so auf der Wallbox 5 montiert ist, dass das Fahrzeug 1 mit seinem Ladeanschluss 4 beispielsweise mit dem Heck gegen den Anschlussbereich 21 der DC-Wallbox 5 fahren kann und durch die Federelemente 22 eine sichere Kontaktierung gewährleistet ist. Das Fahrzeug muss in diesem Fall lediglich rückwärts in etwa in der richtigen seitlichen Position in die Garage oder einen Parkplatz gefahren werden und die Kontaktierung erfolgt automatisch, indem das Fahrzeug 1 in Kontakt zu dem Anschlussabschnitt 21 tritt. Durch das Federelement 22 wird ein zuverlässiger Kontakt auch bei leicht schräg stehendem Fahrzeug 1 oder nicht exakt eingehaltenem Abstand in jedem Fall sichergestellt. Die Übertragung kann dann beispielsweise durch die Flächen oder auch alternativ über einen einrastenden Stecker oder dergleichen erfolgen.
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Die einzelnen Übertragungsmöglichkeiten für die elektrische Leistung und insbesondere die thermische Energie zwischen dem Fahrzeug 1 einerseits und der DC-Wallbox 5 andererseits lassen sich dabei beliebig untereinander austauschen, sodass die in den einzelnen Figuren beschriebenen Varianten auch in den anderen Figuren realisiert werden könnten, beispielsweise in dem der Stecker 17 eine Kontaktfläche zur Übertragung von thermischer Energie aufweist oder ähnliches. Auch lässt sich der über die Federelemente 22 gelagerten Anschlussbereich 21 mit dem Schwenkarm 19 kombinieren oder in den Bereich des Ladeanschlusses 4 an dem Fahrzeug 1 verlagern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012205972 A1 [0002]
- DE 112012003099 T5 [0003]
