-
Die Erfindung betrifft eine mobile Energieübertragungsvorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug, umfassend einen ersten Energiespeicher und einem ersten Energiespeichermanagementsystem, zu einem zweiten Elektrofahrzeug umfassend einen zweiten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeichermanagementsystem.
-
Eines der größten Probleme bei Fahrzeugen, welche ausschließlich als Elektrofahrzeuge ausgebildet sind, ist die begrenzte Reichweite der Elektrofahrzeuge aufgrund der begrenzten Ladekapazität des Energiespeichers in Form einer Batterie. Die sogenannte Reichweitenangst gilt oftmals immer noch als ein Hindernis für die Anschaffung eines Elektrofahrzeugs. In den Elektrofahrzeugen wird der Ladestand der Batterie durch den Bordcomputer überwacht und es wird dem Nutzer ein Hinweis auf einen kritisch niedrigen Ladezustand präsentiert. Allerdings können bestimmte Umstände wie Stau, fehlende oder unzureichend ausgebaute Ladeinfrastruktur, beispielsweise in ländlichen Gebieten, oder auch eine defekte Ladeinfrastruktur zu einem Liegenbleiben des Elektrofahrzeugs führen. In der Regel ist ein Abschleppen des Elektrofahrzeugs zu einer Werkstatt oder zu einem Ladepunkt notwendig.
-
Es besteht somit Bedarf, an einer Möglichkeit ein Elektrofahrzeug unabhängig von einer festen Ladeinfrastruktur mit Energie zu versorgen beziehungsweise mit einem Minimum an Energie zu versorgen, welches ausreichend ist, um mit dem Elektrofahrzeug zu der nächsten Versorgungsmöglichkeit zu gelangen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Erfindungsgemäß wird eine mobile Energieübertragungsvorrichtung bereitgestellt zur Übertragung von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug, umfassend einen ersten Energiespeicher und ein erstes Energiespeichermanagementsystem, zu einem zweiten Elektrofahrzeug umfassend einen zweiten Energiespeicher und ein zweites Energiespeichermanagementsystem, wobei die mobile Energieübertragungsvorrichtung eine integrierte Energieübertragungsmanagementeinrichtung aufweist, welche einen Gleichspannungswandler, eine Steuerungseinrichtung und eine Kommunikationseinrichtung umfasst, wobei die Kommunikationseinrichtung mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem und dem zweiten Energiespeichermanagementsystem kommuniziert und die Energieübertragung initialisiert.
-
Es wird somit eine mobile Energieübertragungsvorrichtung bereitgestellt, mittels welchem eine Energieübertragung von einem ersten Elektrofahrzeug, dem sogenannten Spenderfahrzeug zu dem zweiten Elektrofahrzeug, dem sogenannten Empfängerfahrzeug vorgenommen werden kann. Eine solche mobile Energieübertragungsvorrichtung ermöglicht eine Energieübertragung unabhängig vom Standort der beiden Fahrzeuge, beziehungsweise unabhängig von fest installierten Ladeinfrastrukturen. Im Fall eines liegengebliebenen Elektrofahrzeugs kann durch ein Spenderfahrzeug diesem ein ausreichender Energievorrat übertragen werden, um zumindest die nächste verfügbare Ladesäule beziehungsweise Ladeinfrastruktur zu erreichen. Vorausgesetzt ist natürlich, dass das Spenderfahrzeug einen ausreichenden Energievorrat im Energiespeicher aufweist. Durch die mobile Ausgestaltung der Energieübertragungsvorrichtung kann diese in einfachster Weise durch eines der beiden Fahrzeuge, beispielsweise in dessen Kofferraum, transportiert werden. Die Energieübertagung kann demnach völlig ortsunabhängig durchgeführt werden. Ein teures und umständliches Abschleppen des liegengebliebenen Fahrzeugs kann somit vermieden werden.
-
Unter einem Elektrofahrzeug ist beispielsweise ein PKW mit Elektroantrieb zu verstehen. Denkbar wäre jedoch auch eine Anwendung bei LKW, Kleintransportern und sonstigen Fahrzeugen mit einem Elektroantrieb. Ein Energiespeicher wäre somit eine Batterie, welche beispielsweise eine Lithium-Ionen Batterie, eine Lithium-Polymer Batterie oder eine anderweitig ausgestaltete Batterie sein kann. Ein Energiespeichermanagementsystem eines Fahrzeugs kann demnach auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet werden.
-
Die Kommunikationseinrichtung der mobilen Energieübertragungsvorrichtung ist derart ausgestattet und dazu geeignet, mit den gängigen Energiespeichermanagementsystemen zu kommunizieren. Vorteilhafterweise verfügt die Kommunikationseinrichtung über einen Speicher, in welchem die gängigen Kommunikationsprotokolle bei Ladevorgängen abgelegt sind. Diese Kommunikationsprotokolle werden derart verwendet, dass die Energieübertragungsvorrichtung gegenüber den Energiespeichermanagementsystemen wie eine Ladesäule oder eine sonstige Ladeinfrastruktur erscheint.
-
Die initiierte Energieübertragung zwischen dem Spenderfahrzeug und dem Empfängerfahrzeug basiert auf einer Übertragung von Gleichstrom (DC) beziehungsweise einer Ladung mit Gleichstrom (DC). Durch eine solche Gleichstromladung kann eine hohe Leistung übertragen werden, wodurch die Übertragungsdauer, beziehungsweise die Ladezeit, vergleichsweise klein gehalten werden können. Das Empfängerfahrzeug kann somit schnell mit der notwendigen Energie versorgt werden, um eine Fahrt zu der nächsten Ladeinfrastruktur zu ermöglichen.
-
Derzeit gängige Betriebsspannungen für Elektrofahrzeuge sind 400V und 800V. Durch den vorgesehenen Gleichspannungswandler kann die Energieübertragung auch zwischen Fahrzeugen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen erfolgen.
-
Die Energieübertragungsmanagementeinrichtung ist in der mobilen Energieübertragungsvorrichtung integriert, wodurch eine einzelne kompakte Vorrichtung vorliegt, welche ohne großen Platzbedarf mitgeführt werden kann. Ferner sind mobile Energieübertragungsvorrichtungen annähernd universell, d.h. für einen Großteil der gängigen Fahrzeuge einsetzbar.
-
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die mobile Energieübertragungsvorrichtung einen ersten CCS-Stecker, welcher über ein Kabel mit einem zweiten CCS-Stecker verbunden ist. Die Abkürzung CCs steht für „Combined Charging System“. Dieses System ist ein internationaler Ladestandard für batterie-elektrische Fahrzeuge (BEV). Die Steckervarianten und Ladeverfahren sind in Teil 3 der IEC 62196 (EN 62196) genormt. Mit diesem System können grundsätzlich sowohl Gleichstromladeverfahren als auch Wechselstromladeverfahren durchgeführt werden. In Europa ist die Typ-2-Fahrzeugkupplung gängig, die mit zwei zusätzlichen Gleichstrom-Steckerpolen erweitert worden ist und als „Combo 2“ bezeichnet wird. Die „Combo 2“- Stecker wurden in der Europäischen Union als Standardsteckverbindungen bei Ladeleistungen über 3,6 kW für Wechselstrom und über 22 kW für Gleichstrom festgelegt. In Deutschland erfolgt diese Vorgabe durch die Ladesäulenverordnung. Für das CCS wird in der Europäischen Union ein Kommunikationsprotokoll mit der Bezeichnung „Configuration FF“, welches im Annex C von IEC 61851-24 beschrieben ist, verwendet.
-
Vorteilhafterweise ist die Energieübertragungsmanagementeinrichtung in dem Kabel integriert. Bevorzugt ist die Energieübertragungsmanagementeinrichtung in einem Gehäuse untergebracht, welches fest in dem Kabel integriert ist. Eine solche Ausgestaltung gewährleistet eine äußerst kompakte mobile Energieübertragungsvorrichtung.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler ein kombinierter Hoch- und Tiefsetzsteller. Alternative Bezeichnungen eines solchen Gleichspannungswandlers sind kombinierter Auf- und Abwärtswandler oder Buck-Boost-Converter. Vorteilhafterweise umfasst der Gleichspannungswandler mindestens vier, bevorzugt 12 Schaltorgane. Bevorzugt umfasst der Gleichspannungswandler einen ersten Teilstromkreis, welcher mit dem ersten Energiespeicher elektrisch verbunden ist und einen zweiten Teilstromkreis, welcher mit dem zweiten Energiespeicher elektrisch verbunden ist. Die beiden Teilstromkreise sind mittels einer Induktivität, welche auch Speicherdrossel genannt wird, gekoppelt. Ferner ist vorteilhafterweise in jedem der beiden Teilstromkreise zumindest ein Kondensator verbaut. Bevorzugt sind in jedem der beiden Teilstromkreise zwei Kondensatoren verbaut.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwei isolierte Treibereinrichtungen vorgesehen. Vorzugsweise steuert eine erste Treibereinrichtung die Schaltorgane in dem ersten Teilstromkreis und die zweite Treibereinrichtung die Schaltorgane in dem zweiten Teilstromkreis an. Bevorzugt steuert eine Gleichrichtersteuerungseinrichtung die erste Treibereinrichtung und die zweite Treibereinrichtung an.
-
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltorgane als GaN (Gallium Nitrid)-Transistoren ausgestaltet. Bevorzugt sind die Schaltorgane als GaN - Feldeffekttranssistoren (FET) ausgestaltet. Galliumnitrid (GaN) ist ein aus Gallium und Stickstoff bestehender III-V-Halbleiter mit großem Bandabstand. Durch die große Bandlücke werden Auswirkungen der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern, die jedem Halbleiter eigen sind, verringert. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu siliziumbasiertenTransistoren die Leistung von GaN-Transistoren auch bei höheren Temperaturen erhalten belibt. GaN-FETs können aufgrund ihrer extrem niedrigen Gate-Ladung und Ausgangskapazität bei extrem hohen Geschwindigkeiten mit deutlich reduzierten Schaltverlusten und verbessertem Wirkungsgrad im Vergleich zu Silizium-FETs geschaltet werden. Ein Verlustmechanismus bei Gleichspannungswandlern basiert auf Verlusten durch Schaltvorgänge. Durch die hohen Schaltfrequenzen bei GaN-FETs werden diese Verluste minimiert und somit der Wirkungsgrad erhöht. Durch die Verwendung von GaN-FETS kann, im Vergleich zu siliziumbasierten FETs, die Leistungsdichte des Gleichspannungswandlers erhöht, zumindest verdoppelt werden.
-
Durch die vorteilhafte Verwendung von Ga-N basierten Schaltorganen weist der Gleichspannungswandler eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Dies hat wiederum zu Folge, dass eine sehr schnelle Energieübertragung vom Spenderfahrzeug zum Empfängerfahrzeug ermöglicht ist. Bei einem Liegenbleiben eines Fahrzeugs ist eine minimale Standzeit des Fahrzeugs vorteilhaft. Eine solch minimale Standzeit kann auch für die Sicherheit der involvierten Personen entscheidend sein. Eine Zeit von maximal 10 min für die Energieübertragung beziehungsweise Ladung ist daher wünschenswert. Typischerweise sollte nach einem Energieübertragungsvorgang eine Fahrtstrecke von bis zu 50 km ermöglicht werden, um zu der nächstgelegenen Ladeinfrastruktur zu gelangen. Bei einem angenommenen Verbrauchswert von 18kWh/100km folgt:
- 9kwh *6 =54 kW für 50 km. Diese Leistung muss bei der maximal 10 min dauernden Energieübertragung ermöglicht werden. Anschließend kann vorteilhafterweise ein Derating stattfinden.
-
Vorteilhafterweise umfasst der Gleichspannungswandler eine Kühlvorrichtung. Vorteilhafterweise ist diese Kühlvorrichtung in Form von Kühlrippen ausgestaltet, welche eine Luftkühlung ermöglichen. Ein Vorteil der bevorzugten Verwendung von GaN-FETs ist ein, im Vergleich zu herkömmlichen FETs, gesenkter thermischer Widerstand der FET. Es kann somit ein vergleichsweise kleinerer Kühlkörper verwendet werden. Die integrierte Energieübertragungsmanagementeinrichtung kann somit kleiner und einfacher gestaltet werden. So kann beispielsweise das vorteilhafte Gehäuse, welches in dem bevorzugten Kabel integriert ist, einfacher, kleiner und auch leichter ausgestaltet werden. Die mobile Energieübertragungsvorrichtung kann somit wesentlich handlicher ausgestaltet sein.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform etabliert die Kommunikationseinrichtung eine Kommunikation mit dem zweiten Energiespeichermanagementsystem. Vorzugsweise ist ein Bedarf an Energie des zweiten Energiespeichers, beziehungsweise ein Ladebedarf der Batterie, durch eine Steuerungseinrichtung der Energieübertragungsmanagementeinrichtung feststellbar. Die Kommunikation kann weiterhin einen Austausch an Parameterlisten zwischen dem zweiten Energiespeichermanagementsystem und der Kommunikationseinrichtung und eine Festlegung von Energieübertragungsparametern umfassen. Die Energieübertragungseinrichtung tritt somit gegenüber dem zweiten Energiespeichermanagementsystem als eine Ladeinfrastruktur auf, welche die benötigte Energie bereitstellt.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform etabliert die Kommunikationseinrichtung eine Kommunikation mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem. Vorzugsweise wird die Möglichkeit einer Energieabgabe des zweiten Energiespeichers abgefragt. Eine solche Abfrage umfasst vorteilhafterweise die Klärung, ob das Spenderfahrzeug beziehungsweise das erste Energiespeichermanagementsystem dafür vorgesehen und geeignet ist, Energie abzugeben. Das Energiespeichermanagementsystem muss somit hinsichtlich einer bidirektionalen Energieübertragung ausgelegt sein. Vorteilhafterweise wird ebenso ermittelt, wieviel Energie, beziehungsweise Ladung, in dem ersten Energiespeicher vorhanden ist und ob der Energiebedarf des zweiten Energiespeichers durch den ersten Energiespeicher gedeckt werden kann, ohne dass eine übermäßige Einschränkung der Reichweite des Spenderfahrzeugs durch die Energieabgabe erfolgt. Sollte dies der Fall sein, könnte vorteilhafterweise ein Warnsignal an den Nutzer ausgegeben werden und/oder eine Bestätigung des Vorgangs durch einen Nutzer abgefragt werden. Die Kommunikation kann weiterhin einen Austausch an Parameterlisten zwischen dem ersten Energiespeichermanagementsystem und der Kommunikationseinrichtung und eine Festlegung von Energieübertragungsparametern umfassen. Die Energieübertragungseinrichtung tritt somit auch gegenüber dem ersten Energiespeichermanagementsystem als eine Ladeinfrastruktur auf, welche jedoch die benötigte Energie aufnimmt, beziehungsweise weitergibt.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem ersten Teilstromkreis und dem zweiten Teilstromkreis jeweils eine Ladestromüberwachungseinrichtung vorgesehen, welche mit der Gleichrichtersteuerungseinrichtung signaltechnisch verbunden ist. Vorteilhafterweise erfolgt mittels der Ladestromüberwachungseinrichtungen eine Fehlerüberwachung der Energieübertragung. Es werden vorzugsweise Abweichungen des Ladestroms indem jeweiligen Teilstromkreis über einen vorbestimmten Toleranzwert hinaus detektiert. Bei einer solchen Detektion kann eine Nachregelung des Ladestroms durch die Steuereinrichtung und/oder des ersten Energiespeichermanagementsystems und/oder des zweiten Energiespeichermanagementsystems erfolgen.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Kommunikationseinrichtung dazu geeignet und vorgesehen, eine Ausgabe an einen Nutzer und/oder eine Eingabe von einem Nutzer von Daten bezüglich der Energieübertragung zu ermöglichen. Die Kommunikationseinrichtung kann vorzugsweise über das erste Energiespeichermanagementsystem und/oder das zweite Energiespeichermanagementsystem und/oder den Bordcomputer des jeweiligen Fahrzeugs eine Eingabe und oder Ausgabe ermöglichen. Der Nutzer könnte über eine im Fahrzeug vorhandene Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung eine Eingabe tätigen und/oder mittels der Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung eine Ausgabe präsentiert bekommen. Alternativ oder kumulativ könnte eine Eingabe und/oder Ausgabe von Daten über eine vom Fahrzeug unabhängige Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung erfolgen. Eine solche Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung könnte beispielsweise ein Smartphone, ein Tabletcomputer, ein Notebook oder eine anderweitiges ähnliches Gerät sein. Die Übertragung zwischen der externen Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung und/oder der in dem Fahrzeug integrierten Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung kann kabelgebunden oder über eine drahtlose Verbindung erfolgen. Entsprechende Drahtlosverbindungen können WLAN-, Bluetooth-, NFC-, RFID-, Funk-, beispielsweise im ISM-Band, oder auch eine Mobilfunkverbindung umfassen. Bevorzugt ist die Mobilfunkverbindung eine GSM-Verbindung oder eine UMTS-Verbindung oder eine GPRS-Verbindung, eine LTE-Verbindung, eine 5G oder eine sonstige Mobilfunkverbindung.
-
Der Nutzer kann somit über eine solche interne und/oder externe Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung die Energieübertagung überwachen und Energieübertragungsparameter festlegen. Derartige Energieübertragungsparameter können beispielsweise die Dauer der Energieübertragung oder die Menge an übertragener Energie umfassen, wobei die Menge an übertragener Energie anhand einer vorgegebenen Reichweite eingegeben werden kann. Denkbar wäre, dass die Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung die Entfernung zu der nächstgelegenen Ladeinfrastruktur ermittelt und eine entsprechende Reichweite und/oder Dauer der Energieübertragung dem Nutzer vorschlägt.
-
Die vorliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug zu einem zweiten Elektrofahrzeug gelöst. Das Verfahren kann dabei mit allen bereits obig im Rahmen der mobilen Energieübertragungsvorrichtung beschriebenen Merkmalen einzeln oder in Kombination miteinander ausgestattet sein und umgekehrt.
-
Es wird somit ein Verfahren bereitgestellt zum Übertragen von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug, zu einem zweiten Elektrofahrzeug mittels einer mobilen Energieübertragungsvorrichtung umfassend die Schritte:
- a) Etablieren einer Kommunikationsverbindung zwischen einer Kommunikationseinrichtung der mobilen Energieübertragungsvorrichtung und dem ersten Energiespeichermanagementsystem und Etablieren einer weiteren Kommunikationsverbindung zwischen der Kommunikationseinrichtung und dem zweiten Energiespeichermanagementsystem;
- b) Feststellen eines Bedarfs an Energie des zweiten Energiespeichers;
- c) Feststellen einer Möglichkeit einer Energieabgabe des ersten Energiespeichers;
- d) Austausch von Parameterlisten zwischen dem ersten Energiespeichermanagementsystem und der Kommunikationseinrichtung und Festlegen von Energieübertagungsparametern bezüglich einer Energieübertragung von dem ersten Energiespeicher zu der mobilen Energieübertragungsvorrichtung;
- e) Austausch von Parameterlisten zwischen dem zweiten Energiespeichermanagementsystem und der Kommunikationseinrichtung und Festlegen von Energieübertagungsparametern bezüglich einer Energieübertragung von der mobilen Energieübertragungsvorrichtung zu dem zweiten Energiespeicher;
- f) Initialisieren der Energieübertragung von dem ersten Energiespeicher zu der mobilen Energieübertragungsvorrichtung und von der mobilen Energieübertragungsvorrichtung zu dem zweiten Energiespeicher.
-
Vorzugsweise wird in Schritt a) auch geprüft, ob die vorteilhaften CCS Stecker in die entsprechenden Kupplungen der beiden Fahrzeuge gesteckt wurden.
-
Vorteilhafterweise wird unter Punkt c) abgefragt, ob das Spenderfahrzeug beziehungsweise dessen Energiespeichermanagementsystem für ein bidirektionales Energieübertragen ausgelegt ist.
-
In den Schritten d) und e) kommuniziert die Kommunikationseinrichtung als Ladeinfrastruktur mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem beziehungsweise dem zweiten Energiespeichermanagementsystem.
-
Vorteilhafterweise können die Verfahrensschritte über ein User Interface, welches auf einer internen oder externen Ein- und/oder Ausgabevorrichtung präsentiert wird, dargestellt und durch den Nutzer modifiziert werden.
-
Die Energieübertragung wird vorteilhafterweise nach einer vorbestimmten Zeit oder einer vorbestimmten Energiemenge, welche einer vorbestimmten Reichweite entsprechen kann, beendet.
-
Die vorliegende Aufgabe wird auch durch ein System umfassend ein erstes Elektrofahrzeug, ein zweites Elektrofahrzeug und eine mobile Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer der oben angeführten Ausführungsbeispiele gelöst. Das System kann dabei mit allen bereits obig im Rahmen der mobilen Energieübertragungsvorrichtung und dem Verfahren beschriebenen Merkmalen einzeln oder in Kombination miteinander ausgestattet sein und umgekehrt.
-
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung der anliegenden Figuren erläutert. Gleichartige Komponenten können in den verschiedenen Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen aufweisen.
-
In den Figuren zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer mobilen Energieübertragungsvorrichtung;
- 2 eine Prinzipdarstellung einer mobilen Energieübertragungsvorrichtung;
- 3 eine Prinzipdarstellung des Gleichspannungswandlers;
- 4 eine Prinzipdarstellung der Ansteuerung der Treibereinrichtungen;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Übertragen von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug zu einem zweiten Elektrofahrzeug nach einer Ausführungsform.
-
Die 1 und 2 zeigen eine mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 zur Übertragung von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug 2, umfassend einem ersten Energiespeicher 3 und ein erstes Energiespeichermanagementsystem 4, zu einem zweiten Elektrofahrzeug 5 umfassend einen zweiten Energiespeicher 6 und ein zweites Energiespeichermanagementsystem 7, wobei die mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 eine integrierte Energieübertragungsmanagementeinrichtung 8 aufweist, welche einen Gleichspannungswandler 9, eine Steuerungseinrichtung 10 und eine Kommunikationseinrichtung 11 umfasst, wobei die Kommunikationseinrichtung 11 mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 und dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 kommuniziert und somit die Energieübertragung initialisiert.
-
In 1 ist auch ein System 100 umfassend ein erstes Elektrofahrzeug 2 ein zweites Elektrofahrzeug 5 und eine mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 dargestellt. Das erste Elektrofahrzeug 2, auch Spenderfahrzeug genannt, umfasst unter anderem den ersten Energiespeicher 3 in Form einer Batterie und das erste Energiespeichermanagementsystem 4. Das zweite Elektrofahrzeug 5, auch Empfängerfahrzeug genannt, umfasst unter anderem den zweiten Energiespeicher 6 in Form einer Batterie und das zweite Energiespeichermanagementsystem 7. Das erste und das zweite Energiespeichermanagementsystem 7 können auch als Batteriemanagementsystem bezeichnet werden und sind ein Teil des Bordcomputers des jeweiligen Fahrzeugs oder eine unabhängige Einheit in dem jeweiligen Fahrzeug.
-
Die mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 umfasst einen ersten CCS (Combined Charging System) - Stecker 12a, welcher über ein Kabel 13 mit einem zweiten CCS-Stecker 12b verbunden ist. Die Stecker können in entsprechenden CCS-Kupplungen 17a, 17b des ersten Fahrzeugs 2 und des zweiten Fahrzeugs 5 gesteckt werden. Die Energieübertragungsmanagementeinrichtung 8 kann ein Gehäuse 8a aufweisen, welches in dem Kabel 13 integriert ist. Es wird somit eine kompakte mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 bereitgestellt.
-
In 2 ist ersichtlich, dass zwischen dem ersten Elektrofahrzeug 2 beziehungsweise dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 und der Kommunikationseinrichtung 11 eine erste Kommunikationsverbindung 23a besteht. Die Kommunikationseinrichtung 11 umfasst hierzu ein erstes Kommunikationsmodul 11 a, mittels welchem die Kommunikation mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 über die erste Kommunikationsverbindung 23a erfolgt. Analog besteht zwischen dem zweiten Elektrofahrzeug 5 beziehungsweise dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 und der Kommunikationseinrichtung 11 eine zweite Kommunikationsverbindung 23b. Die Kommunikationseinrichtung 11 umfasst hierzu ein zweites Kommunikationsmodul 11a, mittels welchem die Kommunikation mit dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 über die zweite Kommunikationsverbindung 23b erfolgt. Ferner besteht eine Ladeverbindung 24a, 24b wischen dem ersten Energiespeicher 3 und dem Gleichspannungswandler 9 sowie zwischen dem Gleichspannungswandler 9 und dem zweiten Energiespeicher 6. Die Kommunikationsverbindungen 23a, 23b und die Ladeverbindungen 24a, 24b werden über das Kabel 13 und die jeweilige CCS-Steckerverbindung 12a, 17a und 12b, 17b realisiert.
-
In den 2 bis 4 ist der Gleichspannungswandler (DCDC) 9 der integrierten Energieübertragungsmanagementeinrichtung 8 dargestellt. Dieser Gelichspannungswandler 9 ist als ein kombinierter Hoch- und Tiefsetzsteller ausgestaltet. In den derzeit gängigen Elektrofahrzeugen existieren 2 Spannungslagen: 400V und 800V. Der Gleichspannungswandler 9 ist so ausgelegt, dass ein 400V Fahrzeug ein 800V Fahrzeug laden kann und umgekehrt. Der DCDC kann aus Komfortgründen nicht richtungsgebunden ausgelegt sein. Es ist eine Variante des Gleichspannungswandlers 9 denkbar, bei der ein richtungsgebundenes Stecken durch den Anwender notwendig werden kann. Es wäre somit ein Anschluss des Gleichspannungswandlers 9 dem Spenderfahrzeug 2 und ein Anschluss des Gleichspannungswandlers 9 dem Empfängerfahrzeug 5 zugeordnet.
-
Der Gleichspannungswandler 9 umfasst mindestens vier, im vorliegenden Fall 12 Schaltorgane 27. Die Schaltorgane 27 sind nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform als GaN-Transistoren insbesondere GaN-Feldeffekttranssistoren (FET) ausgestaltet.
-
Der Gleichspannungswandler 9 umfasst einen ersten Teilstromkreis 13a, welcher mit dem ersten Energiespeicher 3 elektrisch verbunden ist. In dem ersten Teilstromkreis 13a sind 6 Schaltorgane 27 Q1A, Q2A, Q3A, Q4A, Q5A und Q6A in Reihe geschaltet. Das Schaltorgan Q1A ist mit einem Anschluss des ersten Energiespeichers 3 verbunden und das Schaltorgan Q6A ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Energiespeichers 3 verbunden. In der Reihenschaltung sind die mittleren Schaltorgane Q3A und Q4A zwischen den Schaltorganen Q2A und Q5A geschalten, wobei das Schaltorgan Q2A mit dem Schaltorgan Q1A verbunden ist und das Schaltorgan Q5A mit dem Schaltorgan Q6A verbunden ist. Parallel zu den mittigen Schaltorganen Q3A und Q4A ist ein erster Kondensator 18 des ersten Teilstromkreises 13a geschalten. Ein Anschluss des ersten Kondensators 18 ist somit mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q3A und Q2A verbunden. Der weitere Anschluss des ersten Kondensators 18 ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q4A und Q5A verbunden. Ferner ist ein zweiter Kondensator 19 des ersten Teilstromkreises 13a parallel zu der Reihenschaltung der Schaltorgane Q2A, Q3A, Q4A und Q5A geschaltet. Ein Anschluss des zweiten Kondensators 19 ist somit mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q2A und Q1A verbunden. Der weitere Anschluss des zweiten Kondensators 19 ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q5A und Q6A verbunden.
-
Der Gleichspannungswandler 9 umfasst einen zweiten Teilstromkreis 13b, welcher mit dem zweiten Energiespeicher 6 elektrisch verbunden ist. Der zweite Teilstomkreis 13b ist analog zu dem ersten Teilstromkreis 13a aufgebaut. In dem zweiten Teilstromkreis 13b sind somit 6 Schaltorgane 27, Q1 B, Q2B, Q3B, Q4B, Q5B und Q6B in Reihe geschaltet. Das Schaltorgan Q1 B ist mit einem Anschluss des zweiten Energiespeichers 6 verbunden und das Schaltorgan Q6B ist mit dem zweiten Anschluss des zweiten Energiespeichers 6 verbunden. In der Reihenschaltung sind die mittleren Schaltorgane Q3B und Q4B zwischen den Schaltorganen Q2B und Q5B geschalten, wobei das Schaltorgan Q2B mit dem Schaltorgan Q1B verbunden ist und das Schaltorgan Q5B mit dem Schaltorgan Q6B verbunden ist. Parallel zu den mittigen Schaltorganen Q3B und Q4B ist ein erster Kondensator 20 des zweiten Teilstromkreises 13b geschalten. Ein Anschluss des ersten Kondensators 20 ist somit mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q3B und Q2B verbunden. Der weitere Anschluss des ersten Kondensators 20 ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q4B und Q5B verbunden. Ferner ist ein zweiter Kondensator 21 des zweiten Teilstromkreises 13b parallel zu der Reihenschaltung der Schaltorgane Q2B, Q3B, Q4B und Q5B geschaltet. Ein Anschluss des zweiten Kondensators 21 ist somit mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q2B und Q1 B verbunden. Der weitere Anschluss des zweiten Kondensators 21 ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q5B und Q6B verbunden.
-
Die beiden Teilstromkreise 13a, 13b sind mittels einer Induktivität 14 gekoppelt. Ein Anschluss der Induktivität 14 ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q3A und Q4A des ersten Teilstromkreises 13a verbunden. Der weitere Anschluss der Induktivität ist mit der Verbindung zwischen den Schaltorganen Q3B und Q4B des zweiten Teilstromkreises 13b verbunden.
-
Ferner sind zwei isolierte Treibereinrichtungen 15a, 15b vorgesehen. Eine erste Treibereinrichtung 15a steuert die Schaltorgane Q1A bis Q6A in dem ersten Teilstromkreis 13a an und die zweite Treibereinrichtung 15b steuert die Schaltorgane Q1B bis Q6B in dem zweiten Teilstromkreis 13b an. Die Treibereinrichtungen 15a, 15b stellen ein getaktetes Steuerungssignal für jedes der zugeordneten Schaltorgane Q1A bis Q6A oder Q1B bis Q6B bereit. Die beiden Treibereinrichtungen 15a, 15b werden wiederum von einer Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 angesteuert. Dies wird beispielsweise in 4 dargestellt. Vorliegend wird eine Steuerungseinrichtung 10 und eine Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 verwendet. Diese beiden Elemente können als eine einzelne Steuerungseinrichtungen oder auch als getrennte Steuerungseinrichtungen, welche miteinander kommunizieren, ausgelegt sein. Gemäß der Ausführungsform in 2 ist ein DCDC-Control-board vorgesehen, auf welchem die Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 und die Treibereinrichtungen 15a, 15b angeordnet sind. Weiterhin ist ein Sequence Manager vorgesehen, welche die beiden Kommunikationsmodule 11a, 11b der Kommunikationseinrichtung 11 steuert. Der Sequence Manager und die Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 kommunizieren untereinander und können auch als eine gesamte Steuerungseinrichtung 10 angesehen werden.
-
In jedem der beiden Teilstromkreise 13a, 13b ist weiterhin ein Filterelement 22 vorgesehen, welches parallel zu dem jeweiligen Energiespeicher 3, 6 geschalten ist. Ein solches Filterelement 22 kann beispielsweise ein LC-Element oder ein Kondensator sein und dient dazu Spannungsschwankungen und Spannungsspitzen auszugleichen.
-
Weiterhin ist in dem ersten Teilstromkreis 13a und dem zweiten Teilstromkreis 13b jeweils eine Ladestromüberwachungseinrichtung 16a, 16b vorgesehen, welche mit der Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 signaltechnisch verbunden ist. Diese Ladestromüberwachungseinrichtungen 16a, 16b überwachen den Eingangs- beziehungsweise Ausgangsladestrom. Bei einer Abweichung des Eingangsladestroms kann beispielsweise von der Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 durch die Kommunikationseinrichtung 11 ein Nachregeln von dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 veranlasst werden. Bei einer Abweichung des Ausgangsladestroms kann beispielsweise von der Gleichrichtersteuerungseinrichtung 10 die Ansteuerung der Treiberelemente entsprechend angepasst werden.
-
Wie bereits angeführt ist die Ausgestaltung der Schaltorgane als GaN basierte Transistoren, beziehungsweise Feldeffekttransistoren (FET), besonders vorteilhaft, da durch diese Ausgestaltung zum einen eine hohe Leistungsdichte übertragen werden kann und zum anderen ein geringer thermischer Widerstand vorhanden ist. Es kann somit auf eine aufwendige Kühlung verzichtet werden. Vorteilhafterweise sind lediglich Kühlrippen vorgesehen, mittels welchen eine Luftkühlung des Gleichspannungswandlers erfolgen kann. Durch die hohe Leistungsdichte kann eine minimale Ladedauer und somit eine minimale Standzeit gewährleistet werden. Typischerweise sollte ein Ladevorgang Energie für eine Reichweite von ca. 50 km nachladen können. Eine Zeit von 10 min sollte nicht überschritten werden. Somit ergibt sich eine Leistung des Gleichspannungswandlers von 9 kWh * 6 = 54 kW (50km Reichweite). Diese Leistung muss über die 10 min ermöglicht werden. Danach kann ein Derating stattfinden. Es wurde dabei ein Verbrauchswert von 18kWh/100km des Empfängerfahrzeugs angenommen.
-
Die Kommunikationseinrichtung 11 etabliert eine Kommunikation mit dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7. Durch die Steuerungseinrichtung 10 kann zunächst ein Bedarf an Energie des zweiten Energiespeichers 6 festgestellt werden. Weiterhin kann die Kommunikation einen Austausch an Parameterlisten zwischen dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 und der Kommunikationseinrichtung 11 beziehungsweise der Steuerungseinrichtung 10 und eine Festlegung der Energieübertragungsparameter umfassen. Ferner etabliert die Kommunikationseinrichtung 11 eine Kommunikation mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4, wobei unter anderem die Möglichkeit einer Energieabgabe des zweiten Energiespeichers 6 abgefragt wird.
-
Dem Nutzer soll weiterhin ein User Interface zur Verfügung gestellt werden, mittels welchem dieser Eingaben hinsichtlich der Energieübertragung tätigen kann und mittels welchem dem Nutzer Informationen über die Energieübertragung präsentiert werden. Dieses User Interface kann beispielsweise über eine interne Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung 25a, 25b des Spenderfahrzeugs 2 oder des Empfängerfahrzeugs 5 präsentiert werden. Mit dieser internen Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung 25a, 25b kann über die Kommunikationseinrichtung 11 und das entsprechende Energiespeichermanagementsystem 4, 7 kommuniziert werden. Ferner kann das User Interface über eine externe Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung 26, beispielsweise ein Smartphone, ein Tablet oder Ähnliches präsentiert werden. Die Kommunikationseinrichtung 11 kann hierzu ein weiteres Modul aufweisen (in den Figuren nicht gezeigt), welches eine Drahtlosverbindung wie WLAN, Bluetooth, Funk oder Mobilfunk oder auch eine kabelgebundene Verbindung mit der externen Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung 26 ermöglicht.
-
In 5 wird ein Ablauf eines Verfahrens zum Übertragen von elektrischer Energie von einem ersten Elektrofahrzeug 2 zu einem zweiten Elektrofahrzeug 5 mittels einer mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 dargestellt.
-
In Schritt a) wird eine Kommunikationsverbindung zwischen einer Kommunikationseinrichtung 11 der mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 und dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 sowie eine weitere Kommunikationsverbindung zwischen der Kommunikationseinrichtung 11 und dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 etabliert. Dieser Schritt enthält auch eine Erkennung, ob die CCS-Verbindungen zwischen den Steckern 12a, 12b und den Kupplungen 17a, 17b besteht. Gegebenenfalls wird eine Steckerverriegelung aktiviert. Denkbar wäre auch, dass eine Wegfahrsperre in dem Spenderfahrzeug und dem Empfängerfahrzeug aktiviert werden.
-
In Schritt b) wird festgestellt, ob der zweite Energiespeicher 6 einen Bedarf an Energie aufweist. Dies umfasst die Ermittlung des Ladezustands (SOC state of charge).
-
In Schritt c) wird festgestellt, ob eine Möglichkeit einer Energieabgabe des ersten Energiespeichers 3 besteht. Die mobile Energieübertragungsvorrichtung 1 kommuniziert als Ladeinfrastruktur, welche Energie aufnimmt mit dem ersten Energiespeichermanagementsystem. Es wird abgefragt, ob das Spenderfahrzeug dafür vorgesehen und ausgelegt ist, eine bidirektionale Energieübertragung zu ermöglichen.
-
In Schritt d) werden zwischen dem ersten Energiespeichermanagementsystem 4 und der Kommunikationseinrichtung 11 Parameterlisten ausgetauscht. Basierend auf diesen Parameterlisten werden die Energieübertagungsparameter bezüglich einer Energieübertragung von dem ersten Energiespeicher 4 zu der mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 festgelegt.
-
In Schritt e) werden zwischen dem zweiten Energiespeichermanagementsystem 7 und der Kommunikationseinrichtung 11 Parameterlisten ausgetauscht. Basierend auf diesen Parameterlisten werden die Energieübertagungsparameter bezüglich einer Energieübertragung von der mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 zu dem zweiten Energiespeicher 6 festgelegt.
-
In Schritt f) wird die Energieübertragung von dem ersten Energiespeicher 3 zu der mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 und von der mobilen Energieübertragungsvorrichtung 1 zu dem zweiten Energiespeicher 6 initialisiert. Dieser Schritt umfasst diverse Vorbereitungen für den Ladevorgang eine Vorladung ein Schleißen der Schütze und eine Prüfung der ISO-Sicherheitsstandards. Anschließend wird der Gleichspannungswandler (DCDC) aktiviert durch eine Ansteuerung der Schaltorgane 12 mittels der Treibereinrichtungen 15a, 15b. Durch die Ladestromüberwachungseinrichtungen 16a, 16b können die Ladeströme überwacht werden und somit die Energieübertragungsparameter (Ladeparameter) eingeregelt werden.
-
Über das User Interface kann dem Nutzer die aktive Energieübertragung angezeigt werden. Ferner kann die Energieübertragung mit einer entsprechenden Kommunikation über das User Interface mit einer entsprechenden Kommunikation begleitet werden. Dies kann beispielsweise eine Anzeige der Restzeit bis zur Beendigung der Energieübertragung sein.
-
Schließlich wird die Energieübertragung beendet, wenn die vorbestimmte Dauer oder Energiemenge (vorbestimmte Reichweite) erreicht worden ist. Dementsprechend werden die Steckerverriegelungen entriegelt und auch dem User Interface wird angezeigt, dass die Stecker von den Fahrzeugen zu entfernen sind.
-
Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- mobile Energieübertragungsvorrichtung
- 2
- erstes Elektrofahrzeug, Spenderfahrzeug
- 3
- erster Energiespeicher
- 4
- erstes Energiespeichermanagementsystem
- 5
- zweites Elektrofahrzeug, Empfängerfahrzeug
- 6
- zweiter Energiespeicher
- 7
- zweites Energiespeichermanagementsystem
- 8
- integrierte Energieübertragungsmanagementeinrichtung
- 9
- Gleichspannungswandler
- 10
- Steuerungseinrichtung, Gleichrichtersteuerungseinrichtung
- 11
- Kommunikationseinrichtung
- 11a
- erstes Kommunikationsmodul
- 11b
- zweites Kommunikationsmodul
- 12a
- CCS-Stecker
- 12b
- CCS-Stecker
- 13a
- erster Teilstromkreis
- 13b
- zweiter Teilstromkreis
- 14
- Induktivität
- 15a
- erste Treibereinrichtung
- 15b
- zweite Treibereinrichtung
- 16a, 16b
- Ladestromüberwachungseinrichtungen
- 17a, 17b
- CCS-Kupplungen
- 18
- erster Kondensator des ersten Teilstromkreises
- 19
- zweiter Kondensator des ersten Teilstromkreises
- 20
- erster Kondensator des zweiten Teilstromkreises
- 21
- zweiter Kondensator des zweiten Teilstromkreises
- 22
- Filterelement
- 23a
- erste Kommunikationsverbindung
- 23b
- zweite Kommunikationsverbindung
- 24a, 24b
- Ladeverbindung
- 25a, 25b
- interne Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung
- 26
- externe Ein- und/oder Ausgabeeinrichtung
- 27
- Schaltorgane
