DE102019124016A1

DE102019124016A1 - Elektrische Ladestation

Info

Publication number: DE102019124016A1
Application number: DE102019124016.6A
Authority: DE
Inventors: Raoul Heyne; Florian Joslowski; Michael Kiefer; Thomas Speidel; Matthias Bohner; Roman Molchanov
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; ADS TEC GmbH
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; ADS TEC Energy GmbH
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Ladestation (10) zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie, miteinem Stationsgehäuse (12),einer Lade-Leistungselektronik (34) in dem Stationsgehäuse (12), undeiner Kühlanlage (20),gekennzeichnet durcheinen separaten Peltierentfeuchter (40) in dem Stationsgehäuse (12), der ein Peltierelement (44) mit einer Warmseite (44") und einer Kaltseite (44') aufweist,wobei die Warmseite (44") durch ein Kühlelement (32) der Kühlanlage (20) gekühlt wird, undeine der Kaltseite (44') thermisch zugeordnete Kondensationsfläche (42'), der ein Kondensatsammler (48) zugeordnet ist, von dem aus das Kondensat aus dem Stationsgehäuse (12) herausgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Ladestation zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie, und bezieht sich insbesondere auf eine Hochleistungs-Ladestation, die zu ihrer Energieversorgung an ein Mittelspannungsnetz angeschlossen ist.
Ladestationen, insbesondere Hochleistungs-Ladestationen, sind in der Regel im Freien aufgestellt und können daher grundsätzlich verschiedensten klimatischen Verhältnissen ausgesetzt sein. Zur Kühlung der Lade-Leistungselektronik weisen Ladestationen in der Regel eine leistungsfähige Kühlanlage auf. Neben der Kühlung muss auch eine ausreichende und dauerhafte Trockenheit der Luft innerhalb des Stationsgehäuses der Ladestation sichergestellt werden, insbesondere, um Korrosion zu vermeiden und die elektrische Isolation aller elektrischer Komponenten der Ladestation dauerhaft sicherzustellen.
Aus WO 2016 198 088 A1 ist ein elektrischer Schaltschrank bekannt, der zur Entfeuchtung des Schaltschrank-Innenraums ein Peltierelement aufweist, an dessen Kaltseite Luftfeuchtigkeit kondensiert, die über eine Ablaufleitung nach außen geführt wird. Die Warmseite des Peltierelements wird durch einen Luftstrom der Innenraumluft gekühlt, sodass der Temperaturunterschied zwischen der Innenraumluft und der Kaltseite des Peltierelements unter Umständen nur wenige Kelvin beträgt, wodurch die Entfeuchtungsleistung begrenzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Ladestation zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie zu schaffen, die auch unter ungünstigen klimatischen Bedingungen korrosionsfest und betriebssicher ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die elektrische Ladestation zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie weist ein Stationsgehäuse auf, in dem die Lade-Leistungselektronik und wesentliche Teile einer leistungsfähigen Kühlanlage, die vorzugsweise primär der Kühlung der Leistungselektronik und des Ladekabels dient, angeordnet sind. Die Kühlanlage ist nicht als reine Lüftungsanlage ausgebildet, sondern generiert insbesondere im Ladebetrieb eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Innenraumluft innerhalb des Stationsgehäuses oder der Außenluft insbesondere an Standorten mit mehr als 10°C. Die Kühlanlage nutzt keinen Peltiereffekt.
Die Ladestation weist einen separaten Peltierentfeuchter innerhalb des Stationsgehäuses auf, der ein Peltierelement mit einer Warmseite und einer Kaltseite aufweist. Die Peltierelement-Warmseite wird aktiv durch ein Kühlelement der Kühlanlage gekühlt, so dass die Peltierelement-Warmseite auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Innenraumluft gekühlt wird. Der Peltierelement-Kaltseite ist eine Kondensationsfläche thermisch zugeordnet, an der die Luftfeuchte der Innenraumluft kondensiert. Der Kondensationsfläche ist ein Kondensatsammler derart räumlich zugeordnet, dass sich die an der Kondensationsfläche bildende Kondensatflüssigkeit in dem Kondensatsammler sammelt, von dem aus die gesammelte Kondensatflüssigkeit aus dem Stationsgehäuse herausgeführt wird.
Die Kondensationsfläche kann eine Fläche des Peltierelements selbst sein, kann jedoch alternativ auch eine separate insbesondere flächige Kondensationsplatte aus einem gut wärmeleitenden Material sein, die thermisch mit der Peltierelement-Kaltseite verbunden bzw. gekoppelt ist. Die Kondensationsplatte kann insbesondere großflächiger als die Peltierelement-Kaltseite ausgebildet sein, sodass die Trocknungseffizienz des Peltierentfeuchters hierdurch verbessert ist.
Die von dem Peltierelement gekühlte Kondensationsfläche kann auf eine Temperatur weit unterhalb der Innenraumluft-Temperatur gekühlt werden, so dass auf diese Weise eine relativ hohe Entfeuchtungsleistung sowohl kurzfristig als auch dauerhaft zur Verfügung steht. Hierdurch kann die Ladestation grundsätzlich auch in einer ungünstigen klimatischen Umgebung mit warmer und feuchter Außenluft betrieben werden. Ferner kann die Ladestation auch einen plötzlich auftretenden Feuchtigkeitsanstieg der Innenraumluft, beispielsweise nach einem Öffnen des Stationsgehäuses, kompensieren und die feuchte Innenraumluft innerhalb des Stationsgehäuses relativ schnell wieder auf das gewünschte Luftfeuchtigkeits-Niveau absenken.
Ein Peltierentfeuchter enthält keine Mechanik, so dass auch langfristig eine hohe Funktionssicherheit sichergestellt ist. Darüber hinaus weist ein Peltierentfeuchter kein flüssiges oder gasförmiges Medium auf, das bei einem Defekt in den Innenraum austreten könnte, so dass auch die Schädigung anderer Teile der Ladestation bei einem Defekt des Peltierentfeuchters ausgeschlossen werden kann.
Vorzugsweise ist die separate Kühlanlage als gasführende Kältemaschine ausgebildet, und basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess. Die Kühlanlage ist hierdurch insbesondere in der Lage, die Lade-Leistungselektronik und gegebenenfalls andere Teile der Ladestation, beispielsweise ein Ladekabel, Pufferbatterien oder Speicherbatterien mit einer hohen Kühlleistung zu versorgen bzw. zu kühlen. Da die Kältemaschine separat von dem Entfeuchter vorgesehen ist, kann die Kältemaschine im Wesentlichen dort angeordnet werden, wo sie auch bei einer Undichtigkeit durch ein austretendes Fluid keinen Schaden an anderen Teilen der Ladestation verursachen kann.
Vorzugsweise weist die Ladestation einen im Wesentlichen hermetisch abgeschlossenen Trockenraum auf, in dem die Ladeelektronik und der Peltierentfeuchter angeordnet sind. Der Trockenraum wird also nicht mit Außenluft belüftet, so dass der Feuchtigkeitseintrag in den Trockenraum gewöhnlich gering ist. Die im Betrieb erforderliche mittlere Entfeuchtungsleistung des Entfeuchters ist daher relativ klein, so dass die Entfeuchtung problemlos durch einen Peltierentfeuchter erfolgen kann, der aus physikalischen Gründen erheblich geringere Kühlleistungen erbringt als eine Kältemaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung steht die Kondensationsfläche im Wesentlichen vertikal, so dass das sich auf der Kondensationsfläche sammelnde Kondensat nach unten abläuft, wo es in dem Kondensatsammler gesammelt wird. Der Kondensatsammler kann beispielsweise als leicht zur Horizontalen geneigte Rinne ausgebildet sein, die vertikal exakt unterhalb der Kondensationsfläche angeordnet ist.
Grundsätzlich kann die reine Gravitationskraft für den Ablauf des Kondensats benutzt werden. Vorzugsweise ist stromaufwärts des Kondensatsammlers eine Kondensatpumpe vorgesehen, die das Kondensat aus dem Kondensatsammler abpum pt.
Grundsätzlich kann das Kondensat von dem Kondensatsammler durch eine einfache Leitung in das Erdreich unterhalb der Ladestation abgeführt werden.
Die Kühlanlage weist bevorzugt einen Abluftkanal auf, durch den die von einem Wärmetauscher der Kühlanlage kommende erwärmte Abluft aus der Ladestation herausgeführt wird. Besonders bevorzugt ist zwischen dem Kondensatsammler und den Abluftkanal eine Kondensatleitung vorgesehen, durch die die Kondensatflüssigkeit in die warme Abluft der Kühlanlage eingeleitet wird, sodass die Kondensatflüssigkeit durch den Abluftstrom mitgerissen und gegebenenfalls sofort als Luftfeuchte absorbiert wird.
Im Folgenden wird ein Ausgangsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine elektrische Ladestation mit einer Lade-Leistungselektronik, einer Kühlanlage und einem Peltierentfeuchter, und
2 eine detaillierte schematische Darstellung des Peltierentfeuchters der 1.

In der 1 ist schematisch eine elektrische Ladestation 10 zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie dargestellt. Die Ladestation 10 ist im Freien aufgestellt und der Witterung ausgesetzt. Die Ladestation 10 ist eine Hochleistungs-Ladestation und kann an ein Mittelspannungs- oder Niederspannungs-Stromnetz in Verbindung mit Puffer- oder Speicherbatterien angeschlossen sein. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestation 10 Batterien aufweisen. Die Ladestation 10 dient vorzugsweise der Schnellladung der Traktionsbatterie.
Die elektrische Ladestation 10 weist innerhalb eines Stationsgehäuses 12 im Wesentlichen eine Lade-Leistungselektronik 34, eine Kühlanlage 20 und einen separat von der Kühlanlage 20 ausgebildeten Peltierentfeuchter 40 auf. Die Kühlanlage 20 ist als gasführende Kältemaschine ausgebildet. Innerhalb des Stationsgehäuses 12 ist ein Kühlanlagen-Gehäuse 22 vorgesehen, das den luftführenden Teil der Kühlanlage 20 im Wesentlichen hermetisch isoliert von einem Trockenraum 11 innerhalb des Stationsgehäuses 12, der fluidisch weitgehend isoliert ist gegenüber der Umgebung, sodass grundsätzlich kein Luftaustausch zwischen dem Trockenraum 11 und der Umgebung stattfindet.
Innerhalb des Kühlanlagen-Gehäuses 22 ist im Wesentlichen ein Klima-Kompressor 30, ein bezüglich des Kältemittelkreises stromabwärts des Kompressors 30 angeordneter luftgekühlter Wärmetauscher 26 und ein stromabwärts des Wärmetauschers 26 angeordnetes Drosselorgan 28 vorgesehen. Ferner ist innerhalb des Kühlanlagen-Gehäuses 22 und, bezogen auf von außen einströmende Kühlluft, stromabwärts des Wärmetauschers 26 ein Abluftkanal 23 mit einem oder mehreren Abluft-Ventilatoren 24 darin vorgesehen.
Stromabwärts des Drosselorgans 28 ist außerhalb des Kühlanlagen-Gehäuses 22 und innerhalb des Trockenraums 11 ein Kühlelement 32 des Kühlmittelkreises in Form eines Verdampfers oder einer Kühlplatte angeordnet, das unmittelbar die Leistungselektronik 34 und einen separat von der Kühlanlage 20 ausgebildeten Peltierentfeuchter 40 kühlt. Die gesamte Kühlanlage kann für sich separat im Kühlanlagen-Gehäuse 22 ausgebildet sein und einen Kalttank kühlen. Die Flüssigkeit des Kalttanks wird durch eine Kühlplatte im Trockenraum gepumpt.
Der Peltierentfeuchter 40 ist in der 2 im Detail dargestellt. Das die Kühlarbeit verrichtende Bauteil des Peltierentfeuchters 40 ist ein plattenartiges Peltierelement 44, das vertikal angeordnet ist und eine Kaltseite 44' und gegenüberliegend eine Warmseite 44" aufweist. Das Peltierelement 44 wird elektrisch durch eine elektronische Entfeuchtungssteuerung 60 mit elektrischer Energie versorgt. Auf die Kaltseite 44' des Peltierelements 44 ist gut wärmeleitend eine metallische und gut wärmeleitende Kondensationsplatte 42 aufgebracht, die mit ihrer Grundebene ungefähr vertikal steht und großflächiger ist als das Peltierelement 44. Die unbedeckte distale Seite der Kondensationsplatte 42 bildet eine freie Kondensationsfläche 42', an der die Luftfeuchte der Trockenraumluft kondensiert. Das Peltierelement 44 ist nicht unmittelbar an das Kühlelement 32 gekoppelt, sondern mittelbar über eine Wärmekopplungsplatte 46 großflächig mit dem Kühlelement 32 thermisch verbunden. Die Warmseite 44" des Peltierelements 44 wird also über die Wärmekopplungsplatte 46 durch das Kühlelement 32 mittelbar gekühlt. Auf diese Weise lässt sich die Kondensationsfläche 42' auf eine Temperatur weit unterhalb der Trockenraumluft-Temperatur kühlen.
Der Umfangsrand des Peltierelements 44 ist mit einem rahmenförmigen und wärmeisolierenden Isolationskörper 45 umrandet.
Vertikal unterhalb der ungefähr in einer Vertikalebene stehenden Kondensationsfläche 42' ist ein Kondensatsammler 48 angeordnet, der als leicht zur Horizontalen geneigte Sammelrinne ausgebildet ist. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in der 1 dargestellt ist, fließt das in dem Kondensatsammler 48 gesammelte flüssige Kondensat 60 durch eine entsprechende Leitung nach unten in einen Kondensatablauf 49, von wo aus das flüssige Kondensat 60 in das Erdreich unterhalb der Ladestation 10 eingeleitet wird und einsickert.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in der 2 dargestellt ist, wird das flüssige Kondensat 60 aus dem Kondensatsammler 48 durch eine Kondensatpumpe 50 und über eine Kondensatleitung 51 zu einer Kondensateinleitungs-Öffnung 52 im oberen Bereich des Abluftkanals 23 gepumpt, so dass das flüssige Kondensat von dem warmen Luftstrom des Abluftkanals 23 mitgerissen und nach außerhalb der Ladestation 10 abtransportiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016198088 A1 [0003]

Claims

Elektrische Ladestation (10) zum Aufladen einer Fahrzeug-Traktionsbatterie, mit einem Stationsgehäuse (12), einer Lade-Leistungselektronik (34) in dem Stationsgehäuse (12), und einer Kühlanlage (20), gekennzeichnet durch einen separaten Peltierentfeuchter (40) in dem Stationsgehäuse (12), der ein Peltierelement (44) mit einer Warmseite (44") und einer Kaltseite (44') aufweist, wobei die Warmseite (44") durch ein Kühlelement (32) der Kühlanlage (20) gekühlt wird, und eine der Kaltseite (44') thermisch zugeordnete Kondensationsfläche (42'), der ein Kondensatsammler (48) zugeordnet ist, von dem aus das Kondensat aus dem Stationsgehäuse (12) herausgeführt wird.
Elektrische Ladestation (10) nach Anspruch 1, wobei die Kühlanlage (20) als gasführende Kältemaschine ausgebildet ist.
Elektrische Ladestation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein im Wesentlichen hermetisch abgeschlossener Trockenraum (11) vorgesehen ist, in dem die Ladeelektronik (34) und der Peltierentfeuchter (40) angeordnet sind.
Elektrische Ladestation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kondensationsfläche (42') im Wesentlichen vertikal steht.
Elektrische Ladestation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei stromaufwärts des Kondensatsammlers (48) eine Kondensatpumpe (50) vorgesehen ist, die das Kondensat aus dem Kondensatsammler (48) abpumpt.
Elektrische Ladestation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kühlanlage (20) einen Abluftkanal (23) aufweist und eine mit dem Kondensatsammler (48) verbundene Kondensatleitung (51) in den Abluftkanal (23) mündet.