DE102018126861A1

DE102018126861A1 - Autonome Hybrid-Stromerzeugungsplattform

Info

Publication number: DE102018126861A1
Application number: DE102018126861.0A
Authority: DE
Inventors: Steve A. Warden; Jarvis Chau; Ralph D. Schlottke
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US10207592B1; CN109747444A

Abstract

Eine Stromerzeugungsplattform zur Energieversorgung einer externen Last beinhaltet ein Bordnetz, das an einem autonom gesteuerten Fahrwerk montiert ist. Das Fahrwerk verfügt über einen Antriebsstrang, der auf Steuersignale einer Steuerung reagiert. Das Bordnetz beinhaltet eine Brennstoffzelle oder eine andere saubere Stromversorgung zum Antreiben des Fahrwerks, ein Gleichstrom-(DC)-Ladegerät, eine Strahlturbine, ein Batteriepack und eine oder mehrere elektrische Maschinen. Das DC-Ladegerät und das Batteriepack sind selektiv an die externe Last anschließbar, um der externen Last Strom zuzuführen, z. B. ein Antriebsbatteriepack eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems. Die Strahlturbine verfügt über einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine und spritzt emissionsarmen Kraftstoff in den Kraftstoff in der Brennkammer ein und verbrennt diesen. Die elektrische(n) Maschine(n) sind drehbar mit dem Verdichter und/oder der Turbine gekoppelt, um Elektrizität zu erzeugen und an das Batteriepack zu übertragen.

Description

EINLEITUNG
Ein elektrischer Antriebsstrang kann in einem batterieelektrischen, langreichweitigen Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug sowie in Kraftwerken, Robotern und mobilen Plattformen eingesetzt werden. Elektrische Antriebsstränge werden teilweise oder vollständig mit Abtriebsdrehmoment von einer oder mehreren elektrischen Maschinen angetrieben. Elektrische Antriebssysteme sind mit einem Hochspannungs-Energiespeichersystem ausgestattet, typischerweise mit einem mehrzelligen Batteriepack und der dazugehörigen Leistungselektronik. Das Energiespeichersystem wird im Laufe der Nutzung aufgebraucht und muss daher regelmäßig aufgeladen werden. Plug-in-Versionen derartiger elektrischer Antriebsstränge können durch Anschließen des Energiespeichersystems mit einer externen Stromversorgung aufgeladen werden. Das Aufladen beinhaltet typischerweise das Anschließen eines elektrischen Kabels der externen Stromversorgung, z. B. einer Ladestation oder einer an ein städtisches Stromnetz angeschlossenen Steckdose, an einen Ladeanschluss des Fahrzeugs. Das Aufladen kann über 110V/220V handelsübliche Hausladestecker erfolgen, wobei eine schnellere Aufladung über eine Gleichstrom-(DC)-Schnellladestation möglich ist.
Die Entwicklung von Fahrzeugen mit Elektroantrieben kann zumindest kurzfristig den Bau von permanenten Ladeinfrastrukturen, wie beispielsweise Parkplätze für Elektrofahrzeuge oder andere Ladeeinrichtungen außerhalb von Gebäuden, übertreffen. Bestehende parkplatzbasierte Ladestationen arbeiten oft nach dem Windhundprinzip („Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“), wobei die Fahrzeugführer dazu neigen, sich mit einer bestimmten Ladestation zu verbinden, während der Bediener mit Arbeiten oder anderen Aktivitäten beschäftigt ist. Infolgedessen kann das Fahrzeug die Ladestation auch nach dem vollständigen Laden des Energiespeichersystems des Fahrzeugs beanspruchen. Darüber hinaus bietet ein firmeneigener Parkplatz bestimmten Betreibern, insbesondere denjenigen, die diese Parkplätze täglich nutzen, eine bequeme Lademöglichkeit, während anderen Betreibern ein zuverlässiger Zugang zur Ladeinfrastruktur fehlen kann, wenn sie sich nicht an ihrer Heimladestation befinden.
KURZDARSTELLUNG
Hierin wird eine autonome hybride Stromerzeugungsplattform offenbart, die dazu beitragen soll, einige der vorstehend genannten Verfügbarkeitsprobleme im Zusammenhang mit der bestehenden Ladeinfrastruktur zu lösen und eine mobile Hilfsstromversorgung für verschiedene elektrische Anwendungen bereitzustellen. Die Stromerzeugungsplattform ist dazu ausgelegt, einen Antriebsbatteriepack eines Fahrzeugs elektrisch zu laden oder Strom an ein anderes externes System zu liefern, wobei der Zugriff auf die Stromerzeugungsplattform ferngesteuert geplant wird, z. B. unter Verwendung einer cloud-basierten oder webbasierten Anwendung. Die Stromerzeugungsplattform fährt autonom zu einem vom Betreiber festgelegten Zeitpunkt an einen gewünschten Ort. Bei der Ankunft am Standort verbindet sich die Stromerzeugungsplattform automatisch mit der externen Last, z. B. durch Einstecken eines J1772-Ladesteckers oder einer DC-Schnellladekupplung in einen Ladeanschluss eines Fahrzeugs, dessen Batteriepack aufgeladen werden muss. Nach Abschluss des Ladevorgangs oder eines anderen Stromversorgungsvorgangs trennt sich die Stromerzeugungsplattform automatisch von der externen Last und fährt weg, wobei die optionale Cloud-basierte Abrechnung für den abgeschlossenen Stromversorgungsdienst in verschiedenen Ausführungsformen erfolgt.
In einer exemplarischen Konfiguration beinhaltet die Stromerzeugungsplattform ein autonom gesteuertes Fahrwerk mit einem Antriebsstrang, einer Steuerung und einem Bordnetz. Der Antriebsstrang reagiert auf Steuersignale der Steuerung. Das Bordnetz, das fest am Fahrwerk montiert ist, kann eine saubere Stromversorgung, wie beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel oder eine andere saubere und emissionsarme Stromversorgung beinhalten, die dazu ausgelegt ist, elektrische Energie an den Antriebsstrang in einem für den Antriebsstrang des Fahrwerks ausreichenden Umfang abzugeben. Des Weiteren beinhaltet das Bordnetz ein DC-Ladegerät, die selektiv mit einer externen Last, wie beispielsweise einem Batteriepack eines Fahrzeugs, verbindbar ist und dazu ausgelegt ist, Strom an die externe Last zu liefern, wobei das DC-Ladegerät mit einem integrierten Batteriepack auf dem Fahrwerk verbunden ist. Der fahrzeugseitige Batteriepack kann zu Beginn des Stromversorgungsprozesses einen anfänglichen Ladestrom liefern.
Darüber hinaus beinhaltet das Bordnetz eine Strahlturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Strahlturbine spritzt einen geeigneten emissionsarmen Kraftstoff, wie beispielsweise flüssigen Wasserstoff oder wasserfreies Ammoniak, in die Brennkammer, wobei der Kraftstoff mit Sauerstoff vermischt, komprimiert und verbrannt wird. Eine oder mehrere elektrische Maschinen sind über eine entsprechende Welle und ein entsprechendes Getriebe drehbar mit dem Verdichter und/oder der Turbine gekoppelt. Die elektrische(n) Maschine(n) können im Rahmen des vorstehend beschriebenen Stromversorgungsprozesses Strom erzeugen und an den fahrzeugseitigen Batteriepack übertragen.
Die autonome Stromerzeugungsplattform beinhaltet optional ein Wechselrichtermodul und einen Satz Induktionsspulen. Die Induktionsspulen können angrenzend an die Strahlturbine positioniert werden und sind über das Wechselrichtermodul elektrisch mit dem fahrzeugseitigen Batteriepack verbunden. In einer derartigen Ausführungsform können Verdichter und Turbine mit magnetischen Lüfterflügeln ausgestattet sein, z. B. Lüfterflügel, die mit Permanentmagneten ausgestattet sind, sodass die Drehung der magnetischen Flügel in der Nähe der Induktionsspulen einen elektrischen Strom in den Induktionsspulen induziert. Der induzierte elektrische Strom wird danach verwendet, um das fahrzeugseitige Batteriepack und/oder die externe Last bei Bedarf aufzuladen.
Ein optionaler Wärmetauscher kann in thermischer Verbindung mit einer Abluftöffnung der Turbine angeordnet werden, wobei der Wärmetauscher elektrisch mit dem DC-Ladegerät verbunden ist und zur Gewinnung von Wärmeenergie aus der Turbine betrieben werden kann. Das heißt, der Wärmetauscher ist dazu ausgelegt, die ansonsten verschwendete Wärmeenergie aus der Turbine in zusätzlichen Strom umzuwandeln, der an die externe Last und/oder das fahrzeugseitige Batteriepack abgegeben wird.
Hierin ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer externen Last unter Verwendung einer autonomen Stromerzeugungsplattform offenbart. Das Verfahren kann das Steuern eines Zustands eines Antriebsstrangs eines autonom gesteuerten Fahrwerks über eine Steuerung beinhalten, wobei das Fahrwerk ein daran angebrachtes Bordnetz aufweist. Das Bordnetz beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel, eine Gleichstromladeeinheit, die mit einem fahrzeugseitigen Batteriepack verbunden ist, und eine Strahlturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Strahlturbine ist dazu ausgelegt, einen emissionsarmen Kraftstoff in den emissionsarmen Kraftstoff in der Brennkammer der Strahlturbine einzuspritzen und diesen zu verbrennen. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung des Brennstoffzellenstapels, um Strom an den Antriebsstrang in einem für den Antrieb des Fahrwerks ausreichenden Maß abzugeben, sowie das Erzeugen von Strom über mindestens eine elektrische Maschine, die drehbar mit einem oder beiden der Verdichter und der Turbine gekoppelt ist. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren das Übertragen der erzeugten Elektrizität an die externe Last über das fahrzeugseitige Batteriepack und das DC-Ladegerät als Reaktion auf das Empfangen einer Leistungsanforderung durch die Steuerung.
Die mindestens eine elektrische Maschine kann erste und zweite elektrische Maschinen beinhalten, die mit dem Verdichter bzw. der Turbine verbunden und mit diesen drehbar sind. In einer derartigen Ausführungsform beinhaltet das Erzeugen von Elektrizität über mindestens eine elektrische Maschine das Erzeugen von Elektrizität über sowohl die ersten als auch die zweiten elektrischen Maschinen.
Das Bordnetz kann auch ein Wechselrichtermodul und Induktionsspulen beinhalten, wobei die Induktionsspulen angrenzend an die Strahlturbine angeordnet und über das Wechselrichtermodul elektrisch mit dem Batteriepack verbunden sind. Der Verdichter und die Turbine beinhalten in dieser Ausführungsform magnetische Flügel, wobei das Verfahren ferner das Induzieren eines elektrischen Stroms in den Induktionsspulen über die Drehung der magnetischen Flügel und das anschließende Übertragen des induzierten elektrischen Stroms an die externe Last über das fahrzeugseitige Batteriepack und das DC-Ladegerät beinhaltet.
Das Bordnetz kann einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einer Abluftöffnung der Turbine beinhalten, wobei der Wärmetauscher elektrisch mit dem DC-Ladegerät verbunden ist. Bei einer derartigen Auslegung kann das Verfahren die Umwandlung von Wärmeenergie aus der Abluftöffnung über den Wärmetauscher in Elektrizität und danach das Übertragen der Elektrizität aus dem Wärmetauscher an die externe Last über das fahrzeugseitige Batteriepack und das DC-Ladegerät beinhalten.
Das Fahrwerk kann mit einer Telematikeinheit ausgestattet sein, wobei das Verfahren ferner das Empfangen der Leistungsanforderung von einer entfernten Basisstation unter Verwendung der Telematikeinheit beinhaltet, wobei die Leistungsanforderung ein Indikator für eine von der externen Last benötigte Leistungsmenge ist.
Eine Vielzahl von Fahrzeugen kann als externe Last jeweils ein Hochspannungs-Antriebsbatteriepack aufweisen, wobei die Leistungsanforderung einen Ladezustand jedes der Antriebsbatteriepacks beinhaltet. In einer derartigen Ausführungsform kann das Verfahren das Planen einer Ladereihenfolge der Vielzahl von Fahrzeugen über die Steuerung oder die Basisstation basierend auf dem Ladezustand beinhalten.
Die vorstehend beschriebene Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Seitenansicht einer autonomen Stromerzeugungsplattform und einer exemplarischen externen Last in Form einer Fahrzeugbatterie.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der in 1 dargestellten autonomen Stromerzeugungsplattform.
3 ist eine schematische Darstellung eines optionalen Steuerungsnetzes für den Einsatz der autonomen Stromerzeugungsplattform der 1 und 2 in einer Parkraumumgebung.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die erfindungsgemäßen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen dieser Offenbarung eingeschränkt sind. Vielmehr zielt die Offenbarung darauf ab, Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abzudecken, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Referenznummern zur Identifizierung von ähnlichen oder identischen Komponenten in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, wird in 1 schematisch ein System 10 veranschaulicht, das ein Fahrzeug 11 und eine autonome Stromerzeugungsplattform 12 beinhaltet. Die Plattform 12 ist dazu ausgelegt, eine externe Last 11B elektrisch zu laden oder mit Strom zu versorgen. Das Fahrzeug 11 ist als ein exemplarisches Kraftfahrzeug 11 mit Rädern 15 in Rollreibungskontakt mit einer Fahrbahnoberfläche 13 dargestellt. Ein derartiges Fahrzeug 11 kann in verschiedenen Ausführungsformen als Plug-in-Batterie-Elektrofahrzeug, Elektrofahrzeug mit einer verlängerten Reichweite oder Hybrid-Elektrofahrzeug verkörpert sein. In derartigen Ausführungsformen kann die externe Last 11B ein Batteriepack mit einem verhältnismäßig hohen Gleichstrom (DC) sein, z. B. 30 Volt DC (VDC), 60 VDC, 300 VDC oder höher, je nach Ausführungsform.
Während das Fahrzeug 11 zur veranschaulichenden Konsistenz im Folgenden als das zu ladende System bezeichnet wird, können für die Stromerzeugungsplattform 12 andere Anwendungen existieren, wie beispielsweise das Laden oder die direkte Stromversorgung von mobilen Plattformen, Subsystemen, Robotern, landwirtschaftlichen oder industriellen Anlagen. Ebenso kann die Plattform 12 als mobiles Hilfsaggregat betrieben werden, das nicht zum Laden, sondern als Backup- oder Reservestromversorgung verwendet wird. Unabhängig von der Ausführungsform ist davon auszugehen, dass das Fahrzeug 11 oder ein anderes System einen elektrischen Anschluss 19 aufweist, der über die Plattform 12 zugänglich ist, sodass ein Netzkabel 17 von der Ladeplattform 12 verlaufen und an den elektrischen Anschluss 19 gekoppelt werden kann, um die Stromversorgung der externen Last 11B zu starten. Das distale Ende des Netzkabels 17 kann mit einem geeigneten elektrischen Verbinder (nicht dargestellt) ausgestattet sein, z. B. einem J1772-Stecker, wie er in der Technik gut bekannt ist.
Die Stromerzeugungsplattform 12 beinhaltet ein autonom gesteuertes Fahrwerk 16 mit Rädern 15, eine Steuerung (C) 50 und einen Antriebsstrang 52 (2), die auf Steuersignale (Pfeil CCo) der Steuerung 50 reagieren. Wie hierin verwendet, bezeichnet „autonom“, dass das Fahrwerk 16 dazu in der Lage ist, sich selbstständig über die Steuerung 50 zu führen, d. h. selbstfahrend oder, mit anderen Worten, ohne dass ein menschlicher Fahrer erforderlich ist. Die Steuerung 50 kann zum Steuern des Betriebs des Antriebsstrangs 52 ausgelegt sein. Jede der Steuerungen 50 und eine Basisstation 31 kann als einer oder mehrfache Digitalrechner oder datenverarbeitende Vorrichtung dargestellt werden und über einen oder mehrere Mikrocontroller oder Zentraleinheiten (CPU), Read Only Memory (ROM), Random Access Memory (RAM), elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lesespeicher (EEPROM), ein Schnelltaktgeber, ein Analog-Digital (A/D) Schaltkreis, ein Digital-Analog (D/A) Schaltkreis, Eingang/Ausgang (I/O) Schaltkreis und/oder Signalkonditionierung und Pufferungselektronik verfügen.
Die Basisstation 31 kann optional verwendet werden, um einen Ladevorgang der externen Last 11B zu planen, in diesem Fall für ein Hochspannungs-Antriebsbatteriepack für das Fahrzeug 11, beispielsweise als Reaktion auf eine Leistungsanforderung (Pfeil CC_R). Die Stromanforderung (Pfeil CC_R) kann entweder über eine Website oder über eine Softwareanwendung („App“) erzeugt werden, z. B. über ein Mobiltelefon, einen Tablet-Computer oder eine andere tragbare Vorrichtung. Eine derartige Leistungsanforderung (Pfeil CC_R) kann das Fahrzeug 11 und die zu ladende oder anderweitig elektrisch angetriebene externe Last 11B eindeutig identifizieren, das heißt, einen Zeitraum oder Tage, in dem das Fahrzeug 11 zum Laden/Versorgen zur Verfügung gestellt wird, die genaue Geolokalisierung/Koordinaten des Fahrzeugs 11 und alle anderen Informationen, die von der Steuerung 50 angefordert werden können.
Die Stromerzeugungsplattform 12 beinhaltet ein Bordnetz 14, das wie dargestellt am Fahrwerk 16 montiert ist. Das Bordnetz 14 beinhaltet eine Stromversorgung 18, z. B. einen Brennstoffzellenstapel oder eine andere saubere Energieversorgung, die dazu ausgelegt ist, Elektrizität an den Antriebsstrang 52 in einem zum Antreiben des Fahrwerks 16 ausreichenden Maß abzugeben. Im Rahmen der Offenbarung können ergänzende oder alternative Antriebsenergiequellen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren oder elektrische Antriebsstränge. Es kann jedoch wünschenswert sein, die Stromversorgung 18 auf emissionsarme oder emissionsfreie Variationen zu beschränken, mit möglichen Optionen für die Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen sauber verbrennenden Kraftstoffquellen.
Als Teil des vorliegenden Ansatzes kann die autonome Stromerzeugungsplattform 12 mit der Basisstation 31 ferngesteuert kommunizieren, wie durch den Doppelpfeil A in 1 angezeigt. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann die Plattform 12 z. B. über eine Telematikkommunikation über die Identität und den Standort des Fahrzeugs 11 angewiesen werden, dass dessen externe Last 11B aufzuladen ist. Während und nach dem Laden kann die Plattform 12 Ladeparameter an die Basisstation 31 zur Aufzeichnung übertragen. Exemplarische Ladeparameter können die Tageszeit und die Dauer des Ladevorgangs sowie die Menge an Elektrizität an die externe Last 11B sein. Anhand dieser Informationen kann die Basisstation 31 geeignete Ladekosten berechnen, die wiederum an einen oder mehrere Cloud-basierte Server 29 übertragen werden können, wie durch Pfeil B angegeben, z. B. im Rahmen eines Abrechnungsprozesses zur Monetarisierung des beschriebenen Ladedienstes.
Unter Bezugnahme auf 2 sind das Bordnetz 14 und der Antriebsstrang 52 schematisch dargestellt, um eine mögliche Ladekonfiguration zu veranschaulichen. Im Hinblick auf den Antriebsstrang 52 ist die vorstehend erwähnte Stromversorgung 18 unter Bezugnahme auf 1 als exemplarischer Brennstoffzellenstapel dargestellt, in dem Wasserstoff (Pfeil H2) mit Sauerstoff (Pfeil O2) kombiniert wird, um elektrischen Strom auf einem Gleichspannungsbus 26 zu erzeugen. Ebenfalls an den Gleichspannungsbus 26 angeschlossen sind ein Hochspannungsbatteriepack (B_HV) 21 und ein Wechselrichtermodul (PIM) 23. Ein Hilfsspannungsbus 28 und eine Hilfsbatterie (B_AUX) 22 können wie dargestellt über ein Hilfsspannungsmodul (APM) 24 an den Gleichspannungsbus 26 angeschlossen werden, wobei das APM 24 als DC-DC-Wandler ausgeführt ist, der zum Reduzieren des Spannungsniveaus auf dem Gleichspannungsbus 26 auf 12-15 VDC als Hilfsspannungsniveau (V_AUX) geeignet ist.
Der PIM 23 ist dazu ausgelegt, die Gleichspannung (VDC) auf dem Gleichspannungsbus 26 umzukehren und dadurch eine Wechselspannung (VAC) auf einem Wechselspannungsbus 27 auszugeben sowie die Wechselspannung bei Bedarf wieder in eine Gleichspannung zu korrigieren. Wie in der Technik bekannt, erfolgt eine derartige Umkehrung oder Berichtigung als Reaktion auf Pulsweitenmodulation oder andere Schaltsignale, die den Ein-/Ausschaltzustand eines Halbleiterschaltersatzes (nicht dargestellt) des PIM 23 steuern, sowie die zugehörige Filterung und Signalverarbeitung. Der mehrphasige Ausgang des PIM 23 kann in einigen Ausführungsformen Phasenwicklungen eines Fahrmotors 25 versorgen, wobei das Motordrehmoment (Pfeil T_M) vom Fahrmotor 25 an eine Motorabtriebswelle 20 und letztlich an ein oder mehrere Räder 15 der Plattform 12 von 1 abgegeben wird, z. B. durch ein Planetengetriebe oder eine Getriebeanordnung.
Das Bordnetz 14 kann ein DC-Ladegerät (DCC) 44 beinhalten, das über das Netzkabel 17 mit dem fahrzeugseitigen Hochspannungsbatteriepack 21 verbunden oder verbindbar ist, um die in 1 dargestellte externe Last 11B aufzuladen. Das DCC 44, wie in der Technik bekannt, kann ein Spannungsgleichrichter sein, möglicherweise mit einem DC-DC-Spannungswandler, der Hilfs- und Hochspannungs-Gleichstrom ausgeben kann.
Das Bordnetz 14 kann auch eine Strahlturbine 39 mit einem Gehäuse 43 und erste und zweite elektrische Maschinen 30 und 38 beinhalten, die jeweils drehbar mit der Strahlturbine 39 gekoppelt sind. Die Strahlturbine 39 beinhaltet einen Verdichter 41, eine Brennkammer 36 und eine Turbine 42, wobei die Strahlturbine 39 dazu ausgelegt ist, einen emissionsarmen Kraftstoff (Pfeil F) in eine Brennkammer 36 einzuspritzen, den Kraftstoff nach dem Mischen mit Sauerstoff durch den Betrieb eines Verdichters 41 zu komprimieren und schließlich den Kraftstoff in der Brennkammer 36 zum Antreiben einer Turbine 42 zu verbrennen. Exemplarische Kraftstoffe können flüssigen Wasserstoff oder wasserfreies Ammoniak beinhalten. Die erste elektrische Maschine 30 kann über ein entsprechendes Getriebe und eine entsprechende Welle 32 und 34 mit dem Verdichter 41 gekoppelt und als Anlasser ausgebildet sein. Die zweite elektrische Maschine 38 kann über ein Getriebe bzw. eine Welle 33 und 37 mit der Turbine 42 gekoppelt werden. Die elektrische Maschine 38 ist dazu ausgelegt, während eines Ladevorgangs Elektrizität zu erzeugen und an das fahrzeugseitige Batteriepack 21 und bei Bedarf an die externe Last 11B (z. B. Batteriepack) von 1 zu übertragen.
Ein Wärmetauscher 40 kann in thermischer Verbindung mit einer Abluftöffnung 139 der Turbine 42 angeordnet sein. In einer derartigen Ausführungsform kann der Wärmetauscher 40 elektrisch mit dem DC-Ladegerät 44 verbunden und betrieben werden, um Abwärmeenergie, die aus der Turbine 42 austritt, in zusätzliche Elektrizität zur Versorgung des DC-Ladegeräts 44 zu gewinnen. Wie in der Technik bekannt, ist Abwärme-Energie der Prozess zum Erzeugen von Elektrizität aus Wärmeenergie. Obwohl der Einfachheit halber aus 1 ausgeklammert, kann eine typische Konfiguration des Wärmetauschers 40, wenn er zur Gewinnung von Wärmeenergie verwendet wird, Wärmeenergie aus der Turbine 42 unter Verwendung thermoelektrischer Materialien, z. B. Eisen-, Antimon-, Titan- oder Silizium-Nanodrahtmaterialien, aufnehmen, wobei eine Temperaturdifferenz über das Material letztlich in eine Spannung umgewandelt wird, dargestellt als Pfeil VAC in 2.
Darüber hinaus kann ein Satz von Induktionsspulen 35 angrenzend an das Gehäuse 43 der Strahlturbine 39 positioniert und elektrisch mit dem fahrzeugseitigen Batteriepack 21 verbunden werden, z. B. über das PIM 23. In einer derartigen Ausführungsform können der Verdichter 41 und die Turbine 42 mit magnetischen Schaufeln 41M bzw. 42M ausgestattet sein, sodass die Drehung der magnetischen Schaufel 41M und 42M einen elektrischen Strom in den Induktionsspulen 35 erzeugt. Somit bildet die Verwendung der magnetischen Schaufeln 41M und 42M und der Induktionsspulen 35 ein kinetisches Energierückgewinnungssystem, das eine zusätzliche Ladestromquelle zur Unterstützung des gesamten Ladevorgangs bereitstellt. Die magnetischen Flügel 41M und 42M können als ein Satz von Permanentmagneten verkörpert sein, die an radialen Enden von Nichteisen-Schaufeln des Verdichters 41 bzw. der Turbine 42 befestigt sind. Alternativ kann die Gesamtheit der Schaufeln des Verdichters 41 und der Turbine 42 magnetisiert oder aus Permanentmagneten mit vergleichbarer Wirkung gebildet werden.
3 veranschaulicht einen möglichen Ladevorgang, bei dem die autonome Stromerzeugungsplattform 12 aus den 1 und 2 zum Laden einer Vielzahl von Fahrzeugen 11, 111 und 211 mit einem entsprechenden Ladezustand verwendet wird, hier dargestellt als 60 %, 12 % bzw. 35 %. Eine Basisstation 310 in Verbindung mit Cloud-Servern 29 kommuniziert ebenfalls über eine Telematikeinheit 51, zum Beispiel über einen Funksende-Empfänger, mit der Plattform 12. Die Basisstation 310 kann die Ladezustände von jedem Fahrzeug 11, 111 und 211 auf dem Parkplatz empfangen. In diesem Konzept kann die Plattform 12 auf einem Parkplatz patrouillieren, um ein Fahrzeug 11, 111 oder 211 mit dem niedrigsten gemeldeten Ladezustand zu lokalisieren. Die Plattform 12 kann sich danach mit dem identifizierten Fahrzeug verbinden und dessen externe Last 11B basierend auf dem Ladezustand und gegebenenfalls der vom Betreiber vor Beginn des Ladevorgangs festgelegten Abfahrtszeit laden oder mit Strom versorgen.
Die Basisstation 310 in dieser Ausführungsform verbindet sich drahtlos mit der autonomen Stromerzeugungsplattform 12 zum Bestimmen der Ladezustände oder direkt mit den Fahrzeugen 11, 111 und 211. Somit beinhaltet die Leistungsanforderung (Pfeil CC_R) einen Ladezustand jeder der externen Lasten 11B, in diesem Fall einzelner Antriebsbatteriepacks, wobei die Steuerung 50 programmiert ist, um eine Ladereihenfolge der Fahrzeuge 11, 111 und 211 basierend auf den Ladezuständen zu planen. Die Basisstation 310 entsendet daraufhin die Plattform 12. Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, kann die Basisstation 310 Abrechnungsinformationen, wie vorstehend beschrieben, an den/die Cloud-Server 29 senden.
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen autonomen Stromerzeugungsplattform 12 versteht es ein Fachmann auf dem Gebiet, dass ein Verfahren zum Betreiben einer externen Last über die Plattform 12 möglich ist. Ein derartiges Verfahren kann das Steuern eines Zustands des Antriebsstrangs 52 über die Steuerung 50 und die Verwendung des Stromversorgungs-/Brennstoffzellenstapels 18 aus 2 beinhalten, um Elektrizität an den Antriebsstrang 52 in einem für den Antrieb des Fahrwerks 16 ausreichenden Maß auszugeben. Ein derartiges Verfahren würde bedeuten, dass Strom über mindestens eine elektrische Maschine erzeugt wird, die drehbar mit einem oder beiden der Verdichter 41 und der Turbine 42 aus 2 gekoppelt ist, z. B. eine oder beide der elektrischen Maschinen 30 und 38, und dass der erzeugte Strom anschließend über das fahrzeugseitige Batteriepack 21 und das DC-Ladegerät 44 an die externe Last 11B aus 1 übertragen wird, wobei dies als Reaktion auf das Empfangen der Leistungsanforderung (Pfeil CC_R) durch die Steuerung 50 erfolgt. In weiteren Ausführungsformen können die Induktionsspulen 35 und die magnetischen Schaufeln 41M, 42M von 2 als Teil eines derartigen Verfahrens verwendet werden, um einen elektrischen Strom in den Induktionsspulen 35 durch Drehen der magnetischen Schaufeln 41M, 42M zu induzieren, danach den induzierten elektrischen Strom über das fahrzeugseitige Batteriepack 21 und das DC-Ladegerät 44 an die externe Last 11B von 1 zu übertragen und/oder den Wärmetauscher 40 von 2 zu verwenden, um Wärmeenergie aus der Abluftöffnung 139 der Strahlturbine 39 mit der gleichen Wirkung in Elektrizität umzuwandeln.
Unter Verwendung des hierin dargelegten Ansatzes kann das autonome Laden oder Versorgen der externen Last 11B mit niedrigen oder keinen Emissionen realisiert werden. Das Konzept kann innerhalb eines genau definierten Bereichs, wie beispielsweise eines Parkplatzes, eingesetzt oder erweitert werden, indem der Plattform 12 von 1 ermöglicht wird, öffentliche Straßen zu befahren, um einen bestimmten Ort innerhalb eines verfügbaren Betriebsbereichs zu erreichen. Wie für Fachleute auf dem Gebiet erkennbar ist, kann die Plattform 12 neben dem autonomen Laden auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. So kann beispielsweise die Plattform 12 als Hilfsaggregat für das Fahrzeug 11 oder ein anderes externes System verwendet werden, d. h. durch das Bereitstellen von elektrischer Energie nach Bedarf. Es besteht die Möglichkeit zur Personalisierung, da ein Betreiber die Möglichkeit hat, den Zeitpunkt und den Ort des Ladevorgangs während des ansonsten im Leerlauf befindlichen Fahrzeugs 11 auszuwählen, ohne dass ein Anschluss an das Stromnetz erforderlich ist. Diese und andere Vorteile werden durch im Hinblick auf die Offenbarung sehr geschätzt.
Während die besten Arten zur Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann. Es ist beabsichtigt, dass alle in der obigen Beschreibung enthaltenen oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Gegenstände als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu interpretieren sind.

Claims

Autonome Stromerzeugungsplattform zum Betreiben oder Laden einer externen Last, wobei die Plattform Folgendes umfasst: ein autonom gesteuertes Fahrwerk mit einer Steuerung und einem Antriebsstrang, die auf Steuersignale der Steuerung reagieren; und ein Bordnetz, das an dem autonom gesteuerten Fahrwerk montiert ist und Folgendes beinhaltet: eine Stromversorgung, die dazu ausgelegt ist, Elektrizität an den Antriebsstrang in einem für den Antrieb des Fahrwerks ausreichenden Umfang abzugeben; ein Batteriepack; ein Gleichstrom-(DC)-Ladegerät, die mit dem Batteriepack verbunden und selektiv mit der externen Last verbindbar ist; eine Strahlturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine, wobei die Strahlturbine dazu ausgelegt ist, einen emissionsarmen Kraftstoff in die Brennkammer der Strahlturbine einzuspritzen und den emissionsarmen Kraftstoff in dieser zu verbrennen; und mindestens eine elektrische Maschine, die drehbar mit einem oder beiden des Verdichters und der Turbine gekoppelt ist, wobei die mindestens eine elektrische Maschine dazu ausgelegt ist, Elektrizität zu erzeugen und an das Batteriepack zu übertragen.
Plattform nach Anspruch 1, worin die mindestens eine elektrische Maschine erste und zweite elektrische Maschinen beinhaltet, die mit dem Verdichter bzw. der Turbine verbunden und mit diesen drehbar sind.
Plattform nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Wechselrichtermodul und einen Satz Induktionsspulen, wobei der Satz von Induktionsspulen angrenzend an die Strahlturbine positioniert und über das Wechselrichtermodul elektrisch mit dem Batteriepack verbunden ist, worin der Verdichter und die Turbine magnetische Schaufeln beinhalten, sodass die Drehung der magnetischen Schaufeln einen elektrischen Strom in den Induktionsspulen induziert.
Plattform nach Anspruch 3, worin die magnetischen Schaufeln Permanentmagnete beinhalten, die an den radialen Enden der Nichteisen-Schaufeln des Verdichters bzw. der Turbine befestigt sind.
Plattform nach Anspruch 1, worin die Stromversorgung ein Brennstoffzellenstapel ist.
Plattform nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung mit einer Abluftöffnung der Turbine, worin der Wärmetauscher elektrisch mit dem DC-Ladegerät verbunden ist und zum Umwandeln von Wärmeenergie aus der Abluftöffnung in Elektrizität und zum Übertragen der Elektrizität an das Batteriepack betriebsbereit ist.
Plattform nach Anspruch 1, worin der emissionsarme Kraftstoff flüssiger Wasserstoff ist.
Plattform nach Anspruch 1, worin der emissionsarme Kraftstoff wasserfreies Ammoniak ist.
Plattform nach Anspruch 1, worin das Fahrwerk eine Telematikeinheit beinhaltet und die Steuerung programmiert ist, um eine Leistungsanforderung über eine entfernte Basisstation unter Verwendung der Telematikeinheit zu empfangen, wobei die Leistungsanforderung bezeichnend für eine durch die externe Last erforderliche Menge an Leistung ist.
Plattform nach Anspruch 9, worin die externe Last mehrere externe Lasten beinhaltet, die jeweils ein entsprechendes Hochspannungsbatteriepack darstellen, wobei die Leistungsanforderung einen Ladezustand von jedem Hochspannungsbatteriepack beinhaltet, und worin die Steuerung programmiert ist, um eine Ladereihenfolge der Spannungsbatteriepacks basierend auf dem Ladezustand zu planen.