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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Ladestation und ein Ladeverfahren zum effizienten und verlustarmen Aufladen von Elektrofahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen. Dabei werden hier unter dem Begriff „Elektrofahrzeuge“ allgemein Fahrzeuge mit Akkumulatoren verstanden, die durch externe Quellen aufgeladen werden sollen, unabhängig davon, ob es sich um Fahrzeuge handelt, die nur elektrisch betrieben werden, oder um sog. Hybrid-Fahrzeuge, die neben einem oder mehreren Elektromotoren auch Verbrennungs- oder andere Motoren nutzen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das schnelle und gleichzeitig energieeffiziente Aufladen von Elektrofahrzeugen ist aufgrund der damit verbundenen Stromstärken ein nicht triviales Problem, insbesondere dann wenn es sich bei den Elektrofahrzeugen um Nutzfahrzeuge wie Omnibusse, Zugmaschinen, Lastkraftwagen, landwirtschaftliche Maschinen, Schienenfahrzeuge u.dgl. handelt, die schon aufgrund ihres Eigengewichtes eine hohe Leistungsaufnahme haben und entsprechend groß dimensionierte Akkumulatoren benötigen.
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Während Privatfahrzeuge häufig nur eine bestimmte Strecke, z.B. zum Arbeitsplatz, fahren und dann für eine längere Zeit stehen, in der sie ohne Zeitdruck aufgeladen werden können, ist es ein schnelles Aufladen im Nutzfahrzeugbereich essentiell. Für im ÖPNV eingesetzte Busse wird z.B. eine Ladezeit von weniger als drei Minuten für eine Teilaufladung für eine Reichweite von 100 Kilometern angestrebt. Entsprechende Ladestationen sollen für Leistungen im Bereich von mehreren hundert Kilowatt bis hin zu etwa einem Megawatt ausgelegt werden.
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Schnelles Laden bedeutet aber, dass hohe Stromstärken im Bereich mehrerer hundert bis zu einigen tausend Ampere durch entsprechende Ladekabel geführt werden müssen. Hochtemperatur-Supraleitkabel können solche Stromstärken zwar verlustfrei leiten, benötigen aber immer noch eine Kühlung auf minus 196 °C und sind allenfalls für eine stationäre Verlegung, nicht aber dafür geeignet, als Ladekabel von Hand an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden.
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Auch herkömmliche Stromkabel, insbesondere Kupferkabel, können die genannten Stromstärken verlustarm leiten, müssen dazu aber große Leistungsquerschnitte besitzen, so dass solche Kabel nicht nur schwer, sondern auch sehr steif und daher nicht dafür geeignet sind, manuell an zu ladendes Fahrzeug angeschlossen zu werden. Leichtere Kabel mit geringeren Leitungsquerschnitten erwärmen sich schnell und bedingen mithin sehr hohe Leitungsverluste.
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Zur zumindest partiellen Lösung dieser Probleme wird in der
DE 20 2017 101 551 U1 ein fluidgekühltes Ladekabel vorgeschlagen, das bei Benutzung nicht nur an einen Konverter zur Bereitstellung des Ladestroms, sondern auch an eine Pumpe zum Zirkulieren eines Kühlfluids durch das Kabel angeschlossen wird. Die Pumpe und ein zur Kühlung des Kühlfluids eingesetzter Wärmetauscher sind in einer Art Zapfsäule angeordnet, in der sich auch ein Konverter befindet, der typischerweise dazu dient, zugeführten 3-Phasen-Drehstrom gleichzurichten und einen für die jeweils zu ladenden Akkumulatoren geeigneten Gleichstrom zu erzeugen. Der typische Aufbau einer solchen zapfsäulenartigen Ladestation ist in der
DE 20 2018 103 809 U1 beschrieben.
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Allerdings bringt der zapfsäulenartige Aufbau einer Ladestation eine ganze Reihe von Problemen mit sich, wenn mehrere Fahrzeuge z.B. auf einem Betriebshof oder einem größeren Parkplatz gleichzeitig geladen werden sollen. Die Säulen bedingen zusätzliche eigene Standflächen und schränken die Bewegungsfreiheit von Personal und Fahrzeugen ein. Die Säulen müssen zudem besonders isoliert und brandgeschützt werden, da sie Konverter zur Transformation von teilweise hochgespanntem 3-Phasen-Drehstrom beherbergen und sich daher im Betrieb stark erhitzen können. Die Säulen einfach fahrzeugfern anzuordnen und mit längeren Ladekabeln zu versehen, ist keine Lösung, da der Einsatz langer gekühlter Kabel aufgrund der in diesen Kabeln durch Erwärmung auftretenden Verlustleistungen und des Energiebedarfs zur Kühlung der Kabel das Ziel, umweltfreundlich zu fahren, geradezu konterkariert.
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Um die Probleme kabelgebundener Ladestationen zu vermeiden, wurde auch vorgeschlagen, Fahrzeuge induktiv zu laden. Die
WO 2018/171658 A1 schlägt z.B. vor, Induktionsspulen in die Dächer von Elektrofahrzeugen zu integrieren, so dass die elektrische Ankopplung zur Aufladung dann über entsprechende Einrichtungen in einer Garagen- oder Carportdecke erfolgen kann, wodurch vorteilhaft sämtliches Hantieren mit Ladekabeln obsolet wird und die zur Verfügung stehende Fahrwege frei von „Zapfsäulen“ und Kabeln bleiben. Allerdings lassen sich damit nicht die zur schnellen Ladung großdimensionierter Akkumulatoren erforderlichen Ladeleistungen erreichen. Um ein Überhitzen der Sendespulen und Empfangsspulen bei den hier in Frage stehenden Leistungen zu vermeiden, müssten diese aufwendig gekühlt werden. Zudem wären bei Sendeleistungen im Kilo- oder sogar Megawattbereich Schäden an in der Nähe einer Sendespule befindlichen Menschen, Tieren und elektronischen Geräten unvermeidlich. Zudem müssen Sende- und Empfangsspule zur effizienten Übertragung elektrischer Energie möglichst nahe beieinander positioniert werden, was bei Fahrzeugen mit unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Dachkonturen aufwendige Mechanismen zur Verstellung der Sendespulen erfordert.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladestation und ein Ladeverfahren anzugeben, die nicht nur ein besonders effizientes und verlustarmes Aufladen von Elektrofahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen, ermöglichen, sondern auch dafür geeignet sind, Fahrzeuge unterschiedlicher Bauhöhen zu laden, ohne dazu die für die Fahrzeuge zu verfügende stehende Stell- und Rangierfläche stark zu beeinträchtigen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sollen den Stand der Technik unter wenigstens einem der folgenden Aspekte verbessern:
- - Verringerung der beim Ladevorgang durch das Ladekabel entstehenden Verlustleistung und der dadurch hervorgerufenen Erwärmung,
- - Verringerung von apparativen Stellflächen im Bereich der aufzuladenden Fahrzeuge,
- - Entfernen von vermeidbaren Erhitzungsquellen wie Umspannstationen und Gleichrichter aus dem Bereich aufzuladender Fahrzeuge,
- - Erhöhung der Brandsicherheit,
- - einfaches Handhaben von Ladekabeln.
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Die Aufgabe wird gelöst von einer Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Ladeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ladestation mit einem Konverter und einem Ladekabel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Konverter und einem zu ladenden Elektrofahrzeug weist das Ladekabel zwei über eine Adaptereinheit verbundene Ladekabelabschnitte auf, nämlich einen ersten, zwischen dem Konverter und der Adaptereinheit angeordneten Ladekabelabschnitt mit einem ersten Leitungsquerschnitt zur verlustarmen Leitung von Strom und einen zweiten, über die Adaptereinheit mit dem ersten Ladekabelabschnitt verbundenen Ladekabelabschnitt mit einem zweiten Leitungsquerschnitt, wobei der zweite Leitungsquerschnitt kleiner ist als der erste und wobei der zweite Ladekabelabschnitt von einem fluidgekühlten Kabel gebildet wird. Dies erlaubt es nicht nur, den Konverter brandgeschützt fahrzeugfern anzuordnen und die zum Abstellen und Rangieren der Fahrzeuge benötigte Fläche zu optimieren, sondern auch, den zweiten Ladekabelabschnitt, in dem es aufgrund der Erwärmung zu Leitungsverlusten kommt und bei dem Energie für die Kühlung verbraucht wird, möglichst kurz zu halten, wohingegen der schwere, nicht leicht handhabbare erste Ladekabelabschnitt, der nicht gekühlt ist und dessen Leitungsquerschnitt zur möglichst verlustarmen Leitung großer Stromstärken im Bereich einiger Hundert bis einiger tausend Ampere dimensioniert ist, stationär verlegt werden kann. Beim Anschließen eines zu ladenden Fahrzeugs muss dann nur der zweite Ladekabelabschnitt bewegt werden.
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Anstatt wertvolle elektrische Energie zugunsten eines schnelleren Ladevorgangs unnötigerweise in Wärme umzuwandeln und damit der weiteren Nutzung zu entziehen, kann durch erfindungsgemäß gestaltete Ladestationen eine signifikante Menge an zunehmend teurer werdender elektrischer Energie eingespart werden.
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Bei einer Ausführungsform ist die Adaptereinheit in einem wandnahen Gehäuse vorzugsweise verschieblich angeordnet ist. Die Adaptereinheit kann mechanisch, hydraulisch oder motorisch verfahrbar sein. Damit wird die Handhabung des zweiten Ladekabelabschnitts weiter vereinfacht, wie in der unten folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen noch verdeutlicht wird.
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Bei einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Einholen des zweiten Ladekabelabschnitts bei Nichtbenutzung vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann von Hand oder motorisch betrieben werden und fernsteuerbar sein, um den zweiten Ladekabelabschnitt z.B. von einer Decke einer Garage oder eines Carports herabzulassen und wieder heraufzuziehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Linearaufnahme zur Aufnahme des zweiten Ladekabelabschnitts bei Nichtbenutzung vorgesehen. Eine solche Linearaufnahme kann an einer Decke oder einer Wand einer Garage oder eines Carports angeordnet sein. Eine solche Linearaufnahme hat u.a. den großen Vorteil, dass sie wesentlich flacher baut als eine Vorrichtung, bei der der Ladekabelabschnitt aufgerollt wird. Dies kann gerade dann von Wichtigkeit sein, wenn bestehende Fahrzeugdepots mit geringen Deckenhöhen elektrifiziert werden sollen. Zudem ermöglicht es eine solche Ausgestaltung, ohne Drehdurchführung und Schleifkontakte auszukommen, was einen positiven Effekt für die Zuverlässigkeit, den Wirkungsgrad und die Kosten bedeutet. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass hier unter Begriffen wie „Decke“ oder „Wand“ nicht nur entsprechend vollflächig ausgebildete Wände und Decken verstanden werden, sondern auch seitliche und obere Elemente wie Stützen und Träger von Carports und damit vergleichbaren Gerüsten und Aufbauten zum zeitweiligen Unterstellen von Fahrzeugen. Gerade im Nutzfahrzeugbereich ist es üblich, Fahrzeuge über Nacht in großen Hallen abzustellen, die teilweise über erhebliche Deckenhöhen verfügen und in denen viele Fahrzeuge nebeneinander abgestellt werden können, so dass einige Fahrzeuge sehr weit von entsprechenden tatsächlichen Wänden solcher Hallen entfernt sind. In diesen Fällen kann dann die Adaptereinheit an einem entsprechenden leicht aufzustellenden Gerüst, das auch anderen Zwecken wie z.B. dem Waschen der Fahrzeuge dienen kann, montiert werden. Die Begriffe „Wand“ und „Decke“ sind also nicht einschränkend zu verstehen und umfassen alle Arten von neben oder über einem Fahrzeug angeordneten Stützen, Trägern u. dgl. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff „Carport“ nicht nur die für den PKW-Bereich bekannten Carports verstanden werden, die sich typischerweise vor Privathäusern befinden, sondern auch andere Arten von Gerüsten und Aufbauten.
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Bei einer Ausführungsform ist der zweite Ladekabelabschnitt bei Nichtbenutzung in einer Teleskophülse aufgenommen. Eine solche Teleskophülse kann vorteilhaft eine Doppelfunktion erfüllen und zum einen den gekühlten Kabelabschnitt vor Beschädigungen schützen und zum anderen als Führungselement für selbigen dienen. Wird eine entsprechende Hülse z. B. an einer Decke angeordnet, kann sie bei Benutzung des Ladekabelabschnitts Schritt für Schritt eingezogen werden, so dass sich der Ladekabelabschnitt dann unter Schwerkrafteinwirkung absenkt und von einem Benutzer ergriffen werden kann. Entsprechend kann die Teleskophülse nach Abschluss eines Ladevorgangs Schritt für Schritt wieder ausfahren und so den Ladekabelabschnitt wieder anheben.
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Bei einer Ausführungsform ist ein Horizontalschwenkträger für den zweiten Ladekabelabschnitt vorgesehen ist. Ein solcher Horizontalschwenkträger kann z.B. eine Scherenmechanik umfassen und dazu dienen, die Handhabung des zweiten Ladekabelabschnitts zu vereinfachen, gleichzeitig aber auch den Ladekabelabschnitt bei Nichtbenutzung vor Beschädigung zu schützen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind ein Temperatursensor zur direkten oder indirekten Erfassung der Temperatur der elektrisch leitenden Teile des zweiten Ladekabelabschnitts vorgesehen und eine Steuereinheit dazu ausgebildet, einen Ladevorgang zu unterbrechen, wenn die Temperatur der elektrisch leitenden Teile des zweiten Ladekabelabschnitts einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Dies ermöglicht einen besonders verlustarmen Ladevorgang, der zwar durch eventuelle Unterbrechungen länger dauert als ein ununterbrochener Vorgang, wobei ein solcher Zeitverlust durch die eingesparte Energie typischerweise wieder aufgewogen wird. Dies wird im Nachfolgenden noch näher erläutert. Eine direkte Erfassung der Temperatur kann durch an sich bekannte Temperaturfühler an den elektrisch leitenden Teilen des zweiten Ladekabelabschnitts erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Temperatur indirekt, nämlich durch Messung der Temperatur eines durch den zweiten Ladekabelabschnitt im Betrieb strömenden Kühlfluids zu bestimmen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Ladeverfahren für Elektrofahrzeuge wird einem Elektrofahrzeug elektrische Energie von einem Konverter über ein Ladekabel mit einem ersten, zwischen dem Konverter und einer Adaptereinheit angeordneten Ladekabelabschnitt mit einem ersten Leitungsquerschnitt zur verlustarmen Leitung von Strom und einem zweiten, über die Adaptereinheit mit dem ersten Ladekabelabschnitt verbundenen Ladekabelabschnitt mit einem zweiten Leitungsquerschnitt zugeführt, wobei der zweite Leitungsquerschnitt kleiner ist als der erste und wobei der zweite Ladekabelabschnitt fluidgekühlt wird. Als Kühlfluid wird dabei beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol durch den zweiten Ladekabelabschnitt gepumpt und dieses Kühlfluid wird danach in einem Wärmetauscher z.B. durch Umgebungsluft wieder abgekühlt.
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Bei einer bevorzugten Durchführungsform des Ladeverfahrens werden die Temperatur der elektrisch leitenden Teile des zweiten Ladekabelabschnitts direkt oder indirekt erfasst, der jeweilige Ladevorgang unterbrochen, wenn die Temperatur der elektrisch leitenden Teile des zweiten Ladekabelabschnitts einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, und wieder aufgenommen, wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten zweiten Grenzwert gefallen ist. Damit ist es möglich, bei einer relativ geringfügigen Verlängerung der Ladezeit eine erhebliche Menge an Strom zu sparen, wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zwölf Figuren umfassenden Zeichnung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ladestation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ladestation gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ladestation gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ladestation gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ladestation gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt schematisch die Ladestation gemäß 5, wobei jedoch ein Fahrzeug in die Ladestation eingefahren und der zweite Ladekabelabschnitt zwecks Starten eines Ladevorgangs von der Decke abgesenkt ist.
- 7 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines kühlbaren Ladekabels in runder Ausführungsform.
- 8 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines kühlbaren Ladekabels in flacher Ausführungsform.
- 9 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der in einem stromführenden Ladekabel auftretenden, in Wärme umgewandelten Verlustleistung.
- 10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperaturzunahme eines ungekühlten stromführenden Ladekabels.
- 11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Verlustleistung bei einem zeitlich ununterbrochenen Ladevorgang.
- 12 zeigt den zeitlichen Verlauf der Verlustleistung bei einem intermittierend ausgeführten Ladevorgang.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In den Zeichnungsfiguren wurden gleichwirkende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung bereits beschriebener Teile wurde weitest möglich verzichtet.
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In der 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladestation gezeigt, die in einem Gebäude mit einer Wand 1 und einer nur teilweise gezeigten Decke 2 angeordnet ist. Die Wand 1 kann z. B. eine gemauerte Wand, eine einzelne Säule oder auch eine Stahlträgerkonstruktion sein.
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In einiger Entfernung von dem Gebäude befindet sich ein Konverter 13, der beispielsweise durch ein primäres Energiekabel 15 mit 3-Phasen-Drehstrom gespeist wird. Die Konverterelektronik 14 richtet die eingespeiste Wechselspannung gleich und erzeugt einen für die Aufladung der in den zu ladenden Elektrofahrzeugen befindlichen Akkumulatoren geeigneten Gleichstrom. Über einen ersten Ladekabelabschnitt 16 wird der Gleichstrom einer in der in der Nähe eines aufzuladenden Elektrofahrzeugs 4 innerhalb eines Gehäuses 8 angeordneten Adaptereinheit 9 zugeführt, von wo aus er über einen kühlbaren zweiten Ladekabelabschnitt 5 einem zu ladenden Fahrzeug 4 zugeführt werden kann.
Bei der Umwandlung des 3-Phasen-Drehstroms in Gleichstrom durch die Konverterelektronik 14 entsteht beim Aufladen der Elektrofahrzeuge eine von der Höhe des Ladestromes abhängige Verlustleistung, die zur Erwärmung der Konverterelektronik 14 und damit insgesamt zur Erwärmung des Konverters 13 führt. Diese durch die Verlustleistung erzeugte Wärme wird durch geeignete Maßnahmen kontinuierlich abgeführt, um die Konverterelektronik 14 zu schützen.
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Vorteile einer erfindungsgemäßen räumlichen Trennung von Konverter 13 und Adaptereinheit 9 sind, dass der für den Konverter 13 benötigte Stellplatz in einen Bereich verlagert werden kann, wo er keine Geh- oder Fahrwege verstellt, dass die verlustleistungsbedingte Erwärmung des Konverters das Innere der Ladestation nicht aufheizt und in einfacher Weise separat abgeführt werden kann und dass die hohe, im Kilovoltbereich liegende zugeführte Drehstromspannung weit entfernt von Bereichen, in denen sich Personen aufhalten, auf die geringere Ladespannung transformiert wird, was die elektrischen Sicherheitsmaßnahmen hinsichtlich des ansonsten notwendigen technischen Aufwandes innerhalb der Ladestation signifikant reduziert.
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Sowohl das primäre Energiekabel 15 als auch der erste Ladekabelabschnitt 16 sind hinsichtlich der Querschnittsflächen der jeweiligen Elektroleitungen darin, also der sogenannten Leitungsquerschnitte, hinreichend großzügig dimensioniert, um im jeweiligen Anwendungsfall die durch ohmsche Verluste in den Leitungen auftretende Erwärmung möglichst gering zu halten und damit gleichzeitig den Gesamtwirkungsgrad der Ladestation zu erhöhen, weil durch die Vermeidung kabelbedingter Verlustleistungen die eingesparte Energie zusätzlich zum Aufladen der Akkumulatoren verwendet werden kann. Im Gegensatz zum zweiten Ladekabelabschnitt 5, welcher beweglich und so leicht ist, dass Personen damit hantieren können, weshalb die Leiter im zweiten Ladekabelabschnitt 5 verhältnismäßig dünn sind, liegen diese Einschränkungen beim ersten Ladekabelabschnitt 16 nicht vor. In der Regel wird der erste Ladekabelabschnitt 16 von einem schweren, dicken und weitgehend starren Erdkabel gebildet, dessen Leiter einen so großen Querschnitt besitzen, dass auch bei Ladeströmen im Hekto- und Kiloamperebereich keine nennenswerten elektrischen Verluste und somit auch keine nennenswerten Erwärmungen auftreten. Vorteilhaft wird der erste Ladekabelabschnitt zudem weitest möglich im Boden verlegt, so dass ihn die umgebende Erde kühlt.
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Teil der Ladestation ist ferner eine Adaptereinheit 9, die innerhalb eines Gehäuses 8 angeordnet ist, und die mehrere Funktionen erfüllt. Zum einen dient sie zur elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ladekabelabschnitt. Zum anderen beherbergt sie eine Pumpe, um im Betrieb der Ladestation Kühlfluid durch den zweiten Ladekabelabschnitt 5 zu pumpen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Adaptereinheit 9 in dem Gehäuse 8 in der Höhe verschieblich, also hinsichtlich ihres Abstandes zum Boden 3 hin variabel gestaltet. Die Zuführung elektrischer Energie in die Adaptereinheit 9 erfolgt über den ersten Ladekabelabschnitt 16, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel über Stromschienen und Schleifkontakte, ähnlich wie bei elektrisch betriebenen Lokomotiven und der zugehörigen Oberleitung, mit der Adaptereinheit 9 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Adaptereinheit 9 ist höhenverstellbar, so dass sie auf unterschiedliche Positionen von Fahrzeugladebuchsen 6 der jeweiligen Fahrzeuge 4 eingestellt werden kann. Dadurch sind äußerst kurze Längen der zweiten Ladekabelabschnitte 5 möglich. Nahezu alle nennenswerten Leitungsverluste treten ausschließlich im zweiten Ladekabelabschnitt 5 auf, weil die Leiter darin wegen der erforderlichen Hantierbarkeit durch Personen zwangsläufig im Querschnitt relativ gering gehalten werden müssen, so dass sich die Leiter im Betrieb erwärmen und eine Kühlung dieser Leiter im Ladekabelabschnitt 5 erforderlich wird, damit sie nicht zerstört werden. Weil die insgesamt im elektrischen Leiter auftretende Verlustleistung unter anderem auch von der Länge dieses Ladekabelabschnitts abhängt, ergibt sich für eine minimal lange Leitung auch eine minimale Verlustleistung. Somit ist eine Ladestation gemäß der 1 hinsichtlich der Verringerung der beim Ladevorgang im elektrischen Leiter auftretenden Verlustleistung optimiert.
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Zur Höhenverstellung der Adaptereinheit 9 in dem Gehäuse 8 können mechanische, motorische oder hydraulische Mittel, wie z.B. eine oder mehrere Gasdruckfedern vorgesehen sein, die es einer Person ermöglichen, die Adaptereinheit 9 leicht zu verstellen und in Bezug auf eine an dem jeweils zu ladenden Fahrzeug befindliche Ladebuchse 6, über welche dann der Stecker 7 des Ladekabelabschnitts 5 mit dem Fahrzeug 4 verbunden wird, zu positionieren.
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Um das im Betrieb des Ladekabelabschnitts 5 darin zirkulierte Kühlmittel selbst zu kühlen, ist bei diesem Ausführungsbeispiel an der Außenseite der Wand 1 ein Wärmetauscher 12 vorgesehen, der über Wärmetauscherzuflussleitungen 10 und Wärmetauscherabflussleitungen 11 mit der Adaptereinheit 9 und über selbige mit entsprechenden Kühlmitteilleitungen in dem Ladekabelabschnitt 5 verbunden ist. Der Wärmetauscher 12 kann so ausgestaltet sein, dass er zusammen mit der Adaptereinheit 9 höhenverstellbar ist. Es kann aber vorgesehen sein, dass die entsprechenden Kühlmitteilleitungen zwischen Wärmetauscher 12 und Adaptereinheit 9 so lang sind, dass der Wärmetauscher 12 selbst dann ortsfest verbleiben kann, wenn sich die Adaptereinheit 9 in einer maximal von dem Wärmetauscher 12 entfernten Position befindet.
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Die Adaptereinheit 9 besitzt bei den gezeigten Ausführungsbeispielen eine programmierbare elektronische Steuereinheit. Damit kontrolliert und überwacht sie den gesamten Ladevorgang. Mit der Hilfe von zusätzlichen, im zweiten Ladekabelabschnitt 5 befindlichen Signal- und Steuerleitungen und entsprechenden Sensoren in der Fahrzeugladebuchse 6 wird sichergestellt, dass eine Verriegelung der Fahrzeugbuchse 6 mit dem zweiten Ladekabelabschnitt 5 erfolgreich war. Sollte dies nicht der Fall sein, so bleiben der Ladestrom und die Kühlfluidpumpe ausgeschaltet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem Ladekabelabschnitt 5 mehrere Kühlmitteilleitungen vorgesehen, die mehrere separate Kühlkreisläufe bilden, wobei dann über die genannten Signal- und Steuerleitungen, die später im Zusammenhang mit den 7 und 8 noch näher erläutert werden, die Steuereinheit auch darüber informiert werden, ob lediglich ein einziger Kühlkreislauf oder ob mehrere Kühlkreisläufe aktiviert werden sollen. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei bestimmten Ausführungsformen auch vorgesehen sein kann, dass der zweite Ladekabelabschnitt 5 über den Stecker 7 mit der Fahrzeugbuchse 6 nicht nur elektrisch, sondern auch so gekoppelt wird, dass eine Kühlfluidverbindung zum Fahrzeug hergestellt wird, so dass z.B. die Ladebuchse 6 und ggf. weitere Teile des zu ladenden Fahrzeugs gekühlt werden können. In einem solchen Fall kann dann durch entsprechende Sensoren der Steuereinheit der Adaptereinheit 9 auch mitgeteilt werden, welche Ventile für das Kühlfluid geöffnet werden sollen. Signalisiert beispielsweise die Fahrzeugladebuchse 6, dass gar keine weiteren Kühlkreislaufanschlüsse zur externen Temperierung der Akkumulatoren in der Fahrzeugladebuchse 6 vorhanden sind, weil die Kühlung autark seitens einer im Fahrzeug 4 für diesen Zweck verbauten Kühleinheit erfolgt, so bleiben die entsprechenden Ventile geschlossen und es erfolgt lediglich ein Kühlen der Fahrzeugladebuchse 6 und des Ladekabels 5.
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Eine weitere und flexiblere Möglichkeit, den zweiten Ladekabelabschnitt 5 mit einer Fahrzeugladebuchse 6 zu koppeln, zeigt 2. Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß der 1 ist das Gehäuse 8 kleiner und die darin untergebrachte Adaptereinheit 9 ist unbeweglich eingebaut. Um trotzdem den zweiten Ladekabelabschnitt 5 mit der jeweiligen Fahrzeugladebuchse 6 am Fahrzeug 4 unabhängig von deren fahrzeugmodellabhängiger Positionierung zu koppeln, ist die Länge des Ladekabelabschnitts 5 großzügiger bemessen als bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Dadurch erhöht sich die Beweglichkeit des Ladekabels 5, gleichzeitig vergrößert sich jedoch durch die zusätzliche Länge auch die Verlustleistung. Gegenüber einem wie z.B. in 1 angeordneten besonders kurzen Ladekabelabschnitt sinkt damit zwar der Wirkungsgrad, jedoch wird der Ladeprozess beschleunigt, da auch bei unterschiedlichen Fahrzeughöhen auf eine Höhenverstellung der Adaptereinheit 9 verzichtet werden kann. Zudem kann mit einem weiter unten beschriebenen intermittierenden Verfahren der Stromverbrauch reduziert werden.
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Der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Ladestation kann weiter dadurch erhöht werden, dass der Leitungsquerschnitt im zweiten Ladekabelabschnitt 5 unter Berücksichtigung der Handhabbarkeit des Ladekabelabschnitts möglichst groß gewählt wird, weil dann der Energieaufwand für die Kühlung und die Verlustleistung gering sind. Der zweite Ladekabelabschnitt stellt also immer einen Kompromiss zwischen Handhabbarkeit und Verlustleistung dar.
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Da gerade im Nutzfahrzeugbereich hohe Stromstärken übertragen werden müssen, sieht eine zum Laden von Nutzfahrzeugen besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladestation vor, den zweiten Ladekabelabschnitt 5 an der Decke 2 oder deckennah anzuordnen, so dass der Ladekabelabschnitt 5 zum Anschließen an ein zu ladendes Fahrzeug nicht vom Boden aufgehoben werden muss, sondern von der Decke herabgelassen werden kann oder bereits herabhängt. Entsprechende Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den 3 bis 6 beschrieben.
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Bei allen drei in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse 8 der Adaptereinheit 9 an der Decke 2, bei der es sich wie erwähnt auch um einen Querträger und keine vollständige Decke handeln kann, oder zumindest deckennah befestigt. In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der zweite Ladekabelabschnitt 5 durch sein Eigengewicht von der Decke 2 herabhängt. Bei Nichtgebrauch kann es in einer an der Wand 1 befestigten, hier gezeigten Halterung bereitgehalten werden. Zum Gebrauch kann es daraus hervorgezogen und ohne nennenswerten Kraftaufwand mit der Fahrzeugladebuchse 6 verbunden werden.
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Eine alternative Möglichkeit zur Unterbringung des zweiten Ladekabelabschnitts 5 bei Nichtgebrauch ist die vollständige Lagerung in aufgerollter Form durch eine Kabeleinzugsvorrichtung 17, welche ebenfalls an der Decke 2 oder deckennah befestigt sein kann. Ein Beispiel für eine solche Lösung ist in 4 gezeigt.
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Die Steuerung eines Mechanismus zum Kabeleinzug erfolgt vorteilhaft entweder durch ein Kontrollpanel, welches an der Wand 2 angebracht sein kann, oder schnurlos über eine Fernbedienung. Da sich runde Kabel nicht gut aufspulen lassen, werden für solche Fälle zweckmäßigerweise flache Ladekabel wie das in der 8 gezeigte verwendet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Ladestation, die den Vorteil des praktisch gewichtslosen Handhabens des zweiten Ladekabelabschnitts 5 mit dem Vorteil einer Stell- und Rangierflächen freihaltenden, zugleich geschützten Unterbringung des zweiten Ladekabelabschnitts 5 verbindet, ist in den 5 und 6 gezeigt. Dabei zeigt 5 den Zustand, in dem der Ladekabelabschnitt 5 ohne aufgerollt zu sein in einer an der Decke 2 angebrachten Linearaufnahme 37 angeordnet ist während 6 den Zustand zeigt, in welchem der Ladekabelabschnitt 5 abgesenkt und ein zu ladendes Fahrzeug 4 in die Ladestation eingefahren ist.
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Bei der Linearaufnahme 37 kann es sich z.B. um ein U-Profil handeln, das ggf. mit verschwenkbaren Haltehaken versehen sein kann, die den Ladekabelabschnitt 5 deckennah stützen, beim Herablassen des Ladekabelabschnitt 5 aber einschwenken und diesen so freigeben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Einholen und Absenken des Ladekabelabschnitts in die Linearaufnahme 37 durch eine motorisch oder manuell verschiebliche Laufkatze 38 realisiert, die z.B. über einen hier nicht gezeigtes Zugseil entlang der Linearaufnahme 37 verschoben werden kann. Es kann auch ein Motor 39 vorgesehen sein, der über entsprechende Zugseile oder andere Mechanismen wie z.B. Gewindestangen die Position der Laufkatze 38 steuert. Ist eine manuelle Verstellung der Laufkatze 38 über ein Zugseil vorgesehen, so kann die Laufkatze über geeignete, an sich bekannte Rastmechanismen, die durch Betätigen des Zugseils gelöst werden, in ihrer jeweiligen Position gehalten wird.
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Zur Aufnahme des Ladekabelabschnitts 5 bei Nichtbenutzung kann auch eine Teleskophülse vorgesehen sein, die motorisch ein- und ausgefahren wird und aus deren freiem Ende der Ladekabelabschnitt 5 einfach heraushängt. Eine solche Teleskophülse kann natürlich auch mit der Laufkatze 38 gekoppelt sein.
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Die 6 zeigt die Situation unmittelbar vor dem Einstecken des Ladekabelsteckers 7 in die Fahrzeugladebuchse 6. Durch ein angepasstes Hin- und Herfahren der Laufkatze 38 kann die Höhe des Ladekabelsteckers 7 an die je nach Fahrzeugtyp individuell verschiedene Montagehöhe der Fahrzeugladebuchse 6 des Fahrzeuges 4 eingestellt werden. Ist dies geschehen, kann der Ladekabelstecker 7 dann mit vernachlässigbarem Kraftaufwand mit der Fahrzeugladebuchse 6 gekoppelt werden.
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Nach Beendigung des Ladevorganges werden der Ladekabelstecker 7 und die Fahrzeugladebuchse 6 wieder getrennt und die Laufkatze 38 wird wieder in die Ruhestellung am äußeren Ende des Trägerprofils 37 gefahren.
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Die 7 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines zur Realisierung des zweiten Ladekabelabschnitts 5 geeigneten Kabels. Das Kabel umfasst dabei mindestens zwei Leiter, nämlich einen erster Ladestromleiter 20 und einen zweiten Ladestromleiter 21, die beide aus einer hochflexiblen Kupferlitze mit jeweils zugehörigem Isoliermantel bestehen.
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Das Kabel umfasst ferner eine erste Fluidzuflussleitung 18 und eine erste Fluidabflussleitung 19. Sollen auch die im Fahrzeug 4 befindlichen Akkumulatoren, die sich insbesondere beim Schnellladen stark erhitzen können, mit Hilfe der Wärmetauschereinheit 12 der Ladestation beim Ladevorgang gekühlt werden, so ist dazu ein zweiter Kühlkreislauf, also eine zweite Fluidzuflussleitung 22 und eine zweite Fluidabflussleitung 23 sinnvoll.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind ferner eine erste Signal- und Steuerleitung 24, eine zweite Signal- und Steuerleitung 25, eine dritte Signal- und Steuerleitung 26 und eine vierte Signal- und Steuerleitung 27 vorgesehen, um Sensorsignale z.B. von einer Fahrzeugladebuchse und einer Schutzelektronik für den Akkumulator im zu ladenden Fahrzeug zu übertragen und beispielsweise Ventile zu steuern oder das Einschalten der Ladespannung durch die Adaptereinheit zu aktivieren.
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Zwischen den Leitern 20 und 21 für den elektrischen Strom und den Leitern 22 und 23 für das Kühlfluid befindet sich ein wärmeleitendes dielektrisches Füllmaterial 28. Die äußere Umhüllung des Ladekabels 5 wird durch ein wärmeisolierendes Mantelmaterial 29 gebildet.
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Für den Fall, dass der gekühlte Ladekabelabschnitt 5 in einer Richtung besonders flexibel sein soll, wie es beispielsweise bei der Version der Ladestation gemäß der 4 der Fall ist, weil dort die Kabeleinzugsvorrichtung 17 den zweiten Ladekabelabschnitt 5 mit Hilfe einer Haspelvorrichtung aufrollt, kann ein dafür geeignetes Ladekabel wie in 8 gezeigt gestaltet sein.
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Die 8 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Ladekabels 5 in flacher Ausführungsform. Das Ladekabel umfasst die gleichen Leitungen wie das in 7 dargestellte Ladekabel, so dass auf eine erneute Beschreibung selbiger verzichtet werden kann.
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Fließt im Betrieb ein elektrischer Strom durch die Ladekabelabschnitte, so entsteht eine elektrische Verlustleistung PVL aufgrund des elektrischen Widerstandes, die zu einer Erhöhung der Temperatur T jeweiligen Stromleiter. Dadurch erhöht sich aber auch der elektrische Widerstand des Leiters, der dann bei einer höheren Temperatur T noch mehr Verlustleistung PVL in Wärme umwandelt. Dies bedeutet, dass bei einem gleichen Wert der Stromstärke, die elektrische Verlustleitung PVL mit steigender Leitertemperatur T ebenfalls ansteigt.
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Die 9 zeigt den von der Temperatur T abhängigen Verlauf 30 der in einer stromführenden Elektroleitung auftretenden, in Wärme umgewandelten Verlustleistung PVL.
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Wird dieser stromdurchflossene Leiter nicht gekühlt, so führt die Erhöhung der auftretenden Verlustleistung PVL in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften wie beispielsweise dem spezifischen Gewicht und der Wärmekapazität mit zunehmender Zeit zu einer weiteren Zunahme der Temperatur T.
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Die 10 zeigt die zeitlichen Temperaturabhängigkeit 31 einer ungekühlten stromführenden Elektroleitung. Dabei dient die Referenzgerade 32 lediglich als Hilfe, um zu erkennen, dass die Temperatur T des ungekühlten Leiters mit der Zeit t nicht linear, sondern sogar exponentiell ansteigt.
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Um diese Erkenntnis der Zusammenhänge zur Optimierung des Ladevorganges von Akkumulatoren zu verwenden, wird zunächst der Verlauf der auftretenden Verlustleistung PVL bei einem typischen Schnelladevorgang in Abhängigkeit von der Zeit t betrachtet.
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Die 11 zeigt schematisch den Verlauf der Verlustleistung PVL in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem zeitlich nicht unterbrochenen Ladevorgang mit einem Ladestrom I.
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Der zeitliche kontinuierliche Verlauf 33 des Ladestroms I während der Einschaltzeit beginnt zu einem Startzeitpunkt der Aufladung ts und endet zu einem Endzeitpunkt te. In diesem Zeitraum, während der kontinuierlichen Einschaltzeit, steigt die beim Aufladen in Wärme umgesetzte Verlustleistung PV von einem von der Umgebungstemperatur abhängigen Startwert Ps der in Wärme umgesetzten Verlustleistung beim Aufladen zunächst linear an, um dann wegen der die Temperatur T begrenzenden Kühlung durch die Fluide auf einen kontinuierlich konstanten Endwert Pe begrenzt zu werden.
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Die 12 zeigt den Verlauf der beim Ladevorgang auftretenden Verlustleistung PV in Abhängigkeit von der Zeit t für einen erfindungsgemäß verbesserten Ladevorgang.
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Anstelle einer kontinuierlichen Ladeeinschaltzeit in einem Zeitraum te - ts wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ladestrom I abgeschaltet, wenn die Temperatur der elektrisch leitenden Teile des zweiten Ladekabelabschnitts einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, und er wird wieder eingeschaltet, wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten zweiten Grenzwert sinkt. Zum Startzeitpunkt der Aufladung tsi steigt die beim Aufladen in Wärme umgesetzte Verlustleistung PV wie beim zuvor beschriebenen kontinuierlichen Ladevorgang ebenfalls von einem von der Umgebungstemperatur abhängigen Startwert Psi der in Wärme umgesetzten Verlustleistung beim Aufladen zunächst linear an. Mit zunehmender Erwärmung der stromführenden Leiter im zweiten Ladekabelabschnitt 5 erhöht sich auch dort der Leiterwiderstand in Abhängigkeit von der Zeit und damit erhöht sich auch die beim Ladevorgang auftretende Verlustleistung PV.
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Temperatursensoren, die entweder im Ladekabelstecker 6 oder im zweiten Ladekabelabschnitt 5 integriert sind, ermitteln die Leitertemperatur T und übertragen diesen Wert an die Adaptereinheit 9, deren Steuereinheit dann den Stromfluss zu den Akkumulatoren vorübergehend unterbricht. Im Zeitraum bis zur Unterbrechung des Ladestroms ist die beim Ladevorgang auftretende Verlustleitung PV durch die Erwärmung der Leiter auf einen Wert angestiegen, der temporär als Endwert der Verlustleistung Pei beim intermittierenden Aufladen ermittelt werden kann. Nach dem temporären Abschalten des Ladestroms I kühlt das weiter fließende Fluid die Leiter im zweiten Ladekabelabschnitt 5 weiter ab. Wenn eine vorgegebene Grenztemperatur erreicht ist, schaltet die Adaptereinheit 9 den Ladestrom I zur Fortsetzung des Ladevorganges erneut ein. Weil die Leiter zwischenzeitlich aber durch die Fluide wieder abgekühlt worden sind, ist die nun beim Ladevorgang auftretende in Wärme umgesetzte Verlustleistung PV beim Aufladen wieder im Bereich des deutlich geringen Startwerts der Verlustleistung Psi beim intermittierenden Laden. Dieser Vorgang wird zyklisch bis zum Endzeitpunkt tei des intermittierenden Ladens fortgesetzt, also so lange, bis die Akkumulatoren im Fahrzeug 4 wunschgemäß aufgeladen sind.
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Wie sich aus 12 entnehmen lässt, bewirkt eine Reduktion der Verlustleistung PV zwar eine Verlängerung der Ladezeit, jedoch erhöht sich der Wirkungsgrad und die Erwärmung des zweiten Ladekabelabschnitts wird reduziert, wodurch auch die Anforderung an die Wärmetauschereinheit 12 sinken. Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Anwender vorteilhaft beim Starten eines Ladevorgangs wählen kann, ob er eine schnellere, aber energieaufwendigere Aufladung oder eine zeitintensivere aber energieeffizientere Aufladung bevorzugt.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich z.B. auf die Anordnung und insbesondere Halterung des zweiten Ladekabelabschnitts beziehen. Vorteilhaft kann der Fachmann eine dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepasste Länge des zweiten Ladekabelabschnitts wählen, um so den Energieverbrauch und die Ladezeit zu optimieren. Werden regelmäßig Fahrzeuge exakt gleicher Bauart geladen, kann der zweite Ladekabelabschnitt sehr kurz gewählt werden. Insbesondere die Anordnung des Ladekabelabschnitts an der Decke einer entsprechenden Umgebung der Ladestation erlaubt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer für eine Vielzahl von verschiedenen Fahrzeugen geeigneten Ladestation.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Wand
- 2
- Decke
- 3
- Boden
- 4
- Fahrzeug
- 5
- zweiter Ladekabelabschnitt
- 6
- Fahrzeugladebuchse
- 7
- Ladekabelstecker
- 8
- Gehäuse
- 9
- Adaptereinheit
- 10
- Wärmetauscherzuflussleitung
- 11
- Wärmetauscherabflussleitung
- 12
- Wärmetauschereinheit
- 13
- Konverter
- 14
- Konverterelektronik
- 15
- primäres Energiekabel
- 16
- erster Ladekabelabschnitt
- 17
- Kabeleinzugsvorrichtung
- 18
- erste Fluidzuflussleitung
- 19
- erste Fluidabflussleitung
- 20
- erster Ladestromleiter
- 21
- zweiter Ladestromleiter
- 22
- zweite Fluidzuflussleitung
- 23
- zweite Fluidabflussleitung
- 24
- erste Signal- und Steuerleitung
- 25
- zweite Signal- und Steuerleitung
- 26
- dritte Signal- und Steuerleitung
- 27
- vierte Signal- und Steuerleitung
- 28
- wärmeleitendes dielektrisches Füllmaterial
- 29
- wärmeisolierendes Mantelmaterial
- 30
- Temperaturabhängigkeit der Verlustleistung im Kabelstromleiter
- 31
- zeitliche Temperaturabhängigkeit ungekühlter Stromleiter
- 32
- Referenzgerade
- 33
- kontinuierlicher Verlauf des Ladestroms
- 34
- Verlustleistung beim kontinuierlichen Aufladen
- 35
- intermittierender Verlauf des Ladestroms
- 36
- reduzierte Verlustleistung beim intermittierenden Aufladen
- 37
- Linearaufnahme
- 38
- Laufkatze
- 39
- Motor
- I
- Ladestrom
- Pe
- Endwert der in Wärme umgesetzten Verlustleistung beim Aufladen
- Pei
- Endwert der Verlustleistung beim intermittierenden Aufladen
- Ps
- Startwert der in Wärme umgesetzten Verlustleistung beim Aufladen
- Psi
- Startwert der Verlustleistung beim intermittierenden Aufladen
- PV
- In Wärme umgesetzte Verlustleistung beim Aufladen
- PVL
- Verlustleitung im elektrischen Leiter
- t
- Zeit
- ts
- Startzeitpunkt der Aufladung
- tsi
- Startzeitpunkt der intermittierenden Aufladung
- te
- Endzeitpunkt der Aufladung
- tei
- Endzeitpunkt der intermittierenden Aufladung
- T
- Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202017101551 U1 [0006]
- DE 202018103809 U1 [0006]
- WO 2018171658 A1 [0008]
