DE102018010069A1

DE102018010069A1 - Vorrichtung zur Schnellladung von segmentierten Akkumulatoren für den elektroautomobilen Personen- und Lastverkehr

Info

Publication number: DE102018010069A1
Application number: DE102018010069.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Vorrichtung zur Schnellaufladung von segmentierten Akkumulatoren für den elektroautomobilen Personen- und Lastverkehr ist in eine elektronischen Schaltung eingebettet, Fig.1, die eine parallele, also gleichzeitige Ladung von Segmenten (8) erlaubt, die ihrerseits eine Reihe von sechs bis zwölf Zellen mit speicherfähiger aktiver Substanz enthalten. Die Vorrichtung besteht eingangs aus einem Wechselschalter mit entgegengesetzt dotierten Transistoren NPN (4) und PNP (5), die den Pluspol des Akkus in der Ladestation auf Laden und während der Nutzung des Akkus im Automobil auf Entladen umschaltet. Die Segmente sind während der Ladung über ein unidirektionales Schaltglied angeschlossen, das bei der Entladung das Überspringen von Zellen mit aktivem Material verhindert. Der Ausgang der Segmente wird über den Transistor (10) für das Aufladen mit dem Minuspol der Ladestation verbunden, bei der Entladung über (9) mit dem Eingang des nächsten Segments verbunden. Die Aufladung erfolgt also parallel, die Entladung seriell, das eine in kürzest möglicher Zeit, das andere mit maximal möglicher Spannung. Mit Überwachung durch die Meldeleitungen (12) kann bei Nutzung des Akkus die gewünschte Stromstärke und bei Ladung eine vielfach überhöhte Spannung angelegt werden, die die Ladezeit erheblich verkürzt, am Ende der Ladung aber zurückgefahren werden muss. Die elektronischen Schaltelemente befinden sich im Gehäuse des Akkumulators in unmittelbarer Nähe der geschalteten Teile.

Description

Der Übergang von Automobilen mit Verbrennungsmotoren, die als Energieträger einen flüssigen Kraftstoff verwenden, zu Elektromobilen, die als Energieträger wiederaufladbare Akkumulatoren mit sich führen müssen, ist mit einer Reihe von Hindernissen belastet, die scheinbar unüberwindlich sind. Während ein konventionelles Auto für eine Wegstrecke von vielen hundert Kilometern in kurzer Zeit - normalerweise in 10 bis maximal 30 Minuten - voll betankt werden kann, benötigen Elektromobile immer noch Stunden für die Wiederaufladung der üblichen Akkumulatoren, wenn sie dieselbe Fahrleistung erbringen sollen. Dieser für die Handhabung wie für die wirtschaftliche Nutzung von Elektromobilen entscheidende Unterschied kann nur durch eine spezielle Vorrichtung zur Schnellaufladung von Akkumulatoren überwunden werden
Die Vorrichtung zur Schnellaufladung von Akkumulatoren erfordert eine besondere Struktur der Akkumulatoren. Diese Struktur besteht in der Unterteilung der Akkumulatoren in eine Reihe von z.B. fünf oder zehn gegeneinander isolierten Segmenten, die ihrerseits eine Reihe von einer bis zwölf Akkuzellen mit den aktiven speicherfähigen Substanzen enthalten. Die Segmente sind wie auch die einzelnen Akkuzellen so zu gestalten, dass die Kontaktierung des aktiven Speichermaterials über großflächige Elektroden erfolgt, damit an keiner Stelle eine unzuträglich hohe Stromdichte auftritt. Die Besonderheit der Struktur besteht ferner darin, dass sie in eine elektronische Schaltung eingebettet ist, die mit Hilfe einer vom Bordcomputer gesteuerten Leitung von der parallelen Aufladung ganzer Areale der Akkus in einer zentralen Ladestation (elektrische Tankstelle) auf die serielle Entladung während der Nutzung der Akkus im Elektroautomobil umgeschaltet werden kann. Ein Bordcomputer, der entsprechend programmiert werden kann, ist heute ohnehin in jedem Auto vorhanden und wird gespeist von einer Autobatterie, die auch alle anderen Schaltfunktionen und Armaturen bedient und unabhängig vom Akkumulator als Energiespeicher ist. Die Bereitstellung einer großen Menge an elektrischer Energie in kurzer Zeit für eine längere Fahrstrecke in entsprechend langer Zeit, kann nur mit derart segmentierten und gesteuerten Akkumulatoren erzielt werden. In 1 sind die Segmente mit der Bezeichnung (8.1) bis (8.5) ersatzweise als Elektrolytkondensatoren mit innerem Widerstand dargestellt.
Die elektronische Schaltung ist dadurch charakterisiert, dass am Eingang des Akkus die Plusleitung (2) durch einen elektronischen Wechselschalter von Laden auf Entladen, das heißt, auf Nutzung des Akkus umgeschaltet werden kann. Der elektronischen Wechselschalter besteht aus zwei gegensätzlich dotierten Transistoren (4) NPN und (5) PNP und wird mit Hilfe der Steuerleitung (1) vom Bordcomputer des Automobils positiv gegen Masse für die Aufladung und negativ gegen Masse für die Entladung zur Nutzung der Energie angesteuert. Durch die positive Polung der Steuerleitung werden die Transistoren (4) und (10) für den Ladestrom geöffnet und alle Segmente (8.1 bis (8.5) gleichzeitig mit dem positiven (2) und dem negativen Pol (3) einer äußeren Ladestation verbunden und also parallel aufgeladen. Ein unidirektionales Stromtor vor jedem Segment, bestehend aus Vorwiderstand (6) und Diode (7), verhindert die Überladung eines Segments während der Aufladung und das Überspringen eines Segments bei der Entladung, also bei der Nutzung des Akkumulators. Der Vorwiderstand (6) dient der Begrenzung des Anfangsstromes bei der Aufladung, begrenzt aber nicht die Endspannung, die ein Segment erreichen kann. Bei negativer Polung der Steuerleitung werden die Transistoren (5) und (9) durchgeschaltet und der Ausgang einer Speicherzelle mit dem Eingang der nachfolgenden verbunden, also eine Serienschaltung sämtlicher Segmente hergestellt.
Zur Veranschaulichung ist in 2 der Strompfad für die Aufladung und in 3 für die Entladung bzw. für die Nutzung des Akkumulators durch eine dunklere Strichstärke hervorgehoben. Wegen der Parallelaufladung der Segmente ist die Ladezeit reziprok proportional zur Anzahl der Segmente und wegen der endlichen inneren Widerstände der einzelnen Zellen direkt proportional der Anzahl der Zellen in den Segmenten.
Der Ladungszustand der einzelnen Segmente wird unabhängig vom Zustand der übrigen Schaltelemente über die Meldeleitungen (12) dem Bordcomputer mitgeteilt, so dass der Zustand des gesamten Akkumulators aus den aktuellen Spannungen der Segmente vom Bordcomputer errechnet und die Restenergie, die für den weiteren Betrieb des Elektromobils noch zur Verfügung steht, auf einem Display angezeigt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen. dass die Ladung der Segmente aufgrund der Überwachung durch die Meldeleitung (12.1) bis (12.5) mit überhöhter Ladespannung vorgenommen werden kann, wodurch die Ladezeit erheblich verkürzt wird. Erst gegen Ende des Ladevorgangs muss die Ladespannung auf die Soll- bzw. Endspannung des Akkumulators kontrolliert zurückgefahren werden.
Bezugszeichenliste

(1): Steuerleitung mit +/- Polung für die Umschaltung von Ladung auf Nutzung des Akkumulators durch einen Bordcomputer mit einer vom Energieträger unabhängigen zusätzlichen Stromquelle
(2): positiver Pol für Ladung und Nutzung des segmentierten Akkumulators
(3): negativer Pol für Ladung und Entladung des segmentierten Akkumulators
(4): NPN Transistor mit positiver Basisspannung als Stromtor bei Ladung der Segmente und als Stromsperre bei der Entladung
(5): PNP Transistor mit negativer Basisspannung als Stromtor bei Entladung
(6): Vorwiderstände zur Begrenzung des Ladestrom der Speichersegmente
(7): Dioden als Stromrichter beim Laden und als Stromsperre beim Entladen
(8): Speichersegmente als Zusammenfassung von geschachtelten Speicherzellen, hier ersatzweise dargestellt als Elektrolytzellen mit innerem Widerstand.
(9) und (10): Umschalter von Laden auf Entladen, Wechselschalter aus gegensätzlich dotierten Transistoren zur Umschaltung von Laden auf Entladen durch die Steuerleitung
(11): Permanente Verbindung des letzten Segments mit Minuspol sowohl bei Ladung wie bei Entladung
(12): Meldeleitungen über den Ladezustand der Speichersegmente an den Bordcomputer

Claims

Die Vorrichtung zur Schnellaufladung von segmentierten Akkumulatoren besteht aus mehreren Segmenten, die ihrerseits ein bis beispielsweise zwölf Zellen mit aktiver speicherfähiger Substanz enthalten, und ist so in eine elektronische Schaltung eingebettet, dass am Eingang des Akkus die Plusleitung für alle Segmente gleichzeitig durch einen elektronischen Wechselschalter aus entgegengesetzt dotierten Transistoren von Laden in einer Ladestation auf Entladen, das heißt, auf Nutzung des Akkus im Automobil umgeschaltet werden kann.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente über unidirektionale Stromtore mit der Ladeleitung verbunden sind, die bei der Aufladung den Anfangsstrom, aber nicht die Höhe der Endspannung des geladenen Akkus begrenzen und die bei Entladung, also nach der Umschaltung des Wechselschalters am Eingang des Akkumulators das Überspringen einzelner Segmente verhindert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 ist dadurch charakterisiert, dass die Ausgänge der Segmente einen elektronischen Wechselschalter aus entgegengesetzt dotierten Transistoren tragen, der die Segmente beim Laden direkt mit der Minusleitung verbindet und beim Entladen mit dem Eingang des nachfolgenden Segments, so dass die Aufladung der Segmente parallel in kürzest möglicher Zeit, die Entladung seriell mit möglichst großer Spannung erfolgt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselschalter am Eingang der Vorrichtung und ergänzend die Wechselschalter am Ausgang eines jeden Segments vermittels einer Steuerleitung vom Bordcomputer des Automobils umgeschaltet werden können.
Die Vorrichtung zur schnellen Aufladung segmentierter Akkumulatoren ist mit Meldeleitungen versehen, so dass die Aufladung überwacht und daher anfangs mit überhöhter Spannung gefahren werden kann, die gegen Ende der Aufladung kontrolliert zurückgesteuert wird. Bei der Entladung, das heißt, bei der Nutzung des Akkumulators kann mit Hilfe der Meldeleitungen vom Bordcomputer die Restenergie des Akkus ermittelt und somit der „Füllstand“ der Akkumulatoren auf einem Display angezeigt werden.