DE112012003099B4

DE112012003099B4 - Fahrzeugladestation zur Schnellladung einer Elektrofahrzeugbatterie und Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE112012003099B4
Application number: DE112012003099.0T
Authority: DE
Inventors: Christopher K. Dyer; Michael L. Epstein; Duncan Culver
Original assignee: Lightening Energy
Current assignee: Lightening Energy
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: DE112012003099T5; CA2842666C; CN103843220A; CA2842666A1; US20120043935A1; WO2013015926A1; US8350526B2; CN103843220B; US20140062397A1; US9233618B2

Abstract

Eine Fahrzeugladestation (60), umfassend:
eine hochleistungsfähige Ladequelle (62) zum Schnellladen einer elektrischen Batterie (30) eines Elektrofahrzeugs (20);
eine Kühlmittelquelle (64) zur Bereitstellung eines elektrisch isolierenden Kühlmittels; und
einen Anschluss (42) , der sowohl einen Abschnitt für die elektrische Speisung (82) zur Zuführung der elektrischen Ladung als auch einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung (84) zur Zuführung des Kühlmittels umfasst, wobei der Anschluss (42) zum Laden der elektrischen Batterie (30) und zur Bereitstellung des elektrisch isolierenden flüssigen Kühlmittels von der Kühlmittelquelle (64) über eine innerhalb des Elektrofahrzeugs (20) angeordneten Kühlmittelleitung (26) zur Kühlung der elektrischen Batterie (30) während eines Ladevorgangs mit einer Aufnahme (50) des Elektrofahrzeugs (20) verbindbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge und insbesondere eine Fahrzeugladestation und ein Elektrofahrzeug .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Weiterentwicklung von reinen Elektrofahrzeugen - also Fahrzeugen, die ausschließlich batterieelektrisch betrieben werden, im Gegensatz zu den zusätzlich mit Verbrennungsmotoren ausgestatteten Hybridelektrofahrzeugen - ist durch vielfältige Hürden behindert, zumal, wenn die entwickelten Elektrofahrzeuge auf einem Massenmarkt behauptungsfähig sein sollen. Eine der zu überwindenden Hürden ist die sogenannte „Reichweitenangst“, also die Sorge der Fahrer, mit der Ladung der Elektrobatterie nicht ihr Reiseziel erreichen zu können. Während der Energieverbrauch der Peripheriegeräte ohne eigenen Antrieb (Klimaanlage, Heizung, Beleuchtung usw.) konstant bleibt, ist die tatsächliche Reichweite des Elektrofahrzeugs variabel und abhängig von der Fahrweise, und die Reichweite liegt dabei häufig besorgniserregend unterhalb den Erwartungen, insbesondere bei Fahrten in dicht besiedelten Gebieten mit variierenden Fahrtgeschwindigkeiten. Aufgrund dieser Schwankungsbreite tendieren die Nutzer von Elektrofahrzeugen dazu, die tatsächlich mögliche Beförderungsreichweite nicht präzise vorauszuplanen, selbst wenn ihnen der Ladezustand der Batterie bei Fahrtantritt bekannt ist. Ein Ansatz, um der Reichweitenangst entgegenzuwirken, besteht darin, die Reichweite des jeweiligen Fahrzeugs durch Erhöhung der verfügbaren Batterieenergie auszudehnen (d.h. in einer „Reichweitenerhöhung“). Der Erhöhung der jeweils pro Fahrzeug verfügbaren Batterieenergie sind jedoch Grenzen gesetzt, da der Fortschritt bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte für große Elektrofahrzeugbatterien nur langsam vorankommt. Darüber hinaus senkt zwar der Einsatz von Hybridelektrofahrzeugen die Reichweitenangst, allerdings fallen bei der Nutzung der kombinierten Elektroantriebe mit Verbrennungsantriebssystemen höhere Kosten an; und gleichzeitig werden weitergehende Zielsetzungen, wie die Reduzierung von Schadstoffemissionen und Erdölverbrauch bis auf null, durch den Einsatz von Hybridfahrzeugen nicht erfüllt.
Dokument US 2010/0089669 A1 beschreibt ein Elektrofahrzeug, bei dem die Elektrobatterie während des Ladevorgangs mit Kühlmittel umströmt wird, insbesondere wird als Kühlmittel klimatisierte Luft verwendet.
Die Offenlegungsschrift FR 2 934 087 A3 beschreibt ein Elektrofahrzeug, bei dem die Elektrobatterie während des Ladevorgangs mit fließendem Wasser gekühlt werden kann.
Die Patentschrift DE 695 02 207 T2 offenbart ebenfalls eine Kühlung vermittels Kühlwasser oder einem anderen herkömmlichen Kühlmittel und die Patentschrift DE 44 08 961 C1 beschreibt die Verwendung einer gekühlten Salzlösung.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Fahrzeugladestation für Elektrofahrzeuge bereitgestellt. Die Fahrzeugladestation umfasst eine hochleistungsfähige Ladequelle zum Schnellladen einer elektrischen Batterie eines Elektrofahrzeugs, die eine elektrische Ladung zur Verfügung stellt, eine Kühlmittelquelle, die elektrisch isolierenden Kühlmittel zur Verfügung stellt, und einen Anschluss, der sowohl einen Abschnitt für die elektrische Speisung zur Zuführung der elektrischen Ladung als auch einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung zur Zuführung des Kühlmittels umfasst. Der Anschluss kann mit einem Fahrzeug verbunden und dort angeschlossen werden.
Des Weiteren ist ein Anschluss für eine Elektrofahrzeugladestation bereitgestellt. Der Anschluss umfasst sowohl einen Abschnitt für die elektrische Speisung zur Zuführung der elektrischen Ladung als auch einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung zur Zuführung des Kühlmittels. Der Anschluss kann mit einem Fahrzeug verbunden und dort angeschlossen werden.
Hierbei ist vorgesehen, dass der Anschluss zum Laden der elektrischen Batterie und zur Bereitstellung des elektrisch isolierenden flüssigen Kühlmittels von der Kühlmittelquelle über eine innerhalb des Elektrofahrzeugs angeordneten Kühlmittelleitung zur Kühlung der elektrischen Batterie während eines Ladevorgangs mit einer Aufnahme des Elektrofahrzeugs verbindbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Anschluss ein Gehäuse, welches Gehäuse den Abschnitt für die elektrische Speisung und den Abschnitt für die Kühlmittelspeisung umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abschnitt für die elektrische Speisung kabellos oder induktiv mit dem Elektrofahrzeug eine indirekte Verbindung bildet.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Anschluss einen Verriegelungsmechanismus aufweist, insbesondere kann der Anschluss einen Auslöseknopf zur Steuerung des Verriegelungsmechanismus aufweisen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Anschluss einen Auslöser für die Zuführung von elektrischer Ladung und Kühlmittel vom Anschluss zum Elektrofahrzeug aufweist.
Eine Ausführungsform kann vorsehen, dass der Anschluss eine Datenverbindung zur Verbindung zwischen dem Elektrofahrzeug und der Fahrzeugladestation aufweist.
Insbesondere kann die Fahrzeugladestation weiterhin einen Prozessor umfassen, welcher Prozessor mindestens mit einem Gerät für ein Abrechnungssystem und/oder mit einem Gerät für die Nutzung von Kreditkarten oder Lastschriftkarten verbunden ist.
Weiterhin kann eine Kühleinheit zum Kühlen des Kühlmittels vorgesehen sein.
Die die Ladequelle lädt die elektrische Batterie des Elektrofahrzeugs vorzugsweise bei 100 kW oder mehr auf.
Das Kühlmittel liegt insbesondere in flüssiger Form vor und kann mit einer Rate von 0,1 Liter pro Sekunde oder schneller zugeführt werden.
Die Fahrzeugladestation kann weiterhin eine Steuerung umfassen, die die Laderaten aufgrund von übermittelten Daten einer im Elektrofahrzeug befindlichen Steuerung festlegt.
Des Weiteren ist ein Elektrofahrzeug bereitgestellt. Das Elektrofahrzeug umfasst eine elektrische Batterie , die ein Antriebssystems des Fahrzeugs mit Energie versorgt, eine Aufnahme für einen Ladeanschluss, eine Kühlmittelleitung zwischen der elektrischen Batterie und der Aufnahme und eine Stromverbindung zwischen der elektrischen Batterie und der Aufnahme sowie eine Elektroleitung zwischen der elektrischen Batterie und der separaten Aufnahme.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stromverbindung eine Elektroleitung umfasst.
Das Kühlmittel wird vorzugsweise von der Kühlmittelleitung durch die elektrische Batterie geleitet.
Eine im Elektrofahrzeug befindliche Steuerung kann mit einer Fahrzeugladestation verbunden werden. Insbesondere kann die im Elektrofahrzeug befindliche Steuerung zum Festlegen der Ladeparameter Daten über den Batteriezustand an die Fahrzeugladestation übermittelt.
Weiterhin kann ein Sensor vorgesehen sein, der mindestens eine der beiden Größen Temperatur oder Spannung der elektrischen Batterie erfasst und an die im Elektrofahrzeug befindliche Steuerung für das Kühlen und Laden der elektrischen Batterie zurückmeldet.
Figurenliste
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei die Figuren wie folgt zeigen:

1a zeigt eine schematische Ansicht einer Schnellladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs in einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
1b zeigt eine schematische Ansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung einer Schnellladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs;
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Elektrofahrzeugbatterie.
3a zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
3b zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
4a zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei der Anschluss einen Abschnitt für die Kühlmittelrückführung umfasst;
4b zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, umfassend einen Abschnitt für die Kühlmittelrückführung;
5a zeigt eine axiale Ansicht einer Aufnahme gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei die Aufnahme zum Anschließen des in 3a gezeigten Anschlusses ausgebildet ist;
5b zeigt eine axiale Ansicht einer Aufnahme gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei die Aufnahme zum Anschließen des in 3b gezeigten Anschlusses ausgebildet ist;
In 5c ist eine axiale Ansicht einer Aufnahme gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt.
6a zeigt eine axiale Ansicht einer Aufnahme gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei die Aufnahme zum Anschließen des in 4a gezeigten Anschlusses ausgebildet ist;
6b zeigt eine axiale Ansicht einer Aufnahme gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei die Aufnahme zum Anschließen des in 4b gezeigten Anschlusses ausgebildet ist; und

in dem Diagramm in 7 sind zwei Kurven abgebildet, in denen für eine Batterie mit drei Zellen und einer 20-minütigen Laderate die Batterietemperatur gegenüber der Ladezeit beim Schnellladen abgetragen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Da es einerseits schwierig ist, die Reichweite eines Elektrofahrzeugs genau vorherzusagen und anderseits nur langsame Fortschritte auf dem Gebiet der Erhöhung der praktischen Energiedichte bei großen Elektrofahrzeugbatterien gemacht werden, wird eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Akzeptanz von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen darin gesehen, mehr Schnellladesäulen entlang von Straßen im öffentlichen Raum bereitzustellen.
Wenn in diesem Zusammenhang die Wendung „entlang von Straßen“ benutzt wird, so ist damit jeglicher Standort gemeint, der von einer öffentlichen Straße aus mit dem Fahrzeug allgemein zugänglich ist. So haben entsprechend dieser Definition beispielsweise alle allgemein öffentlich zugänglichen Tankstellen ihren Standort entlang einer Straße. Für sich genommen können die regulären nächtlichen Ladevorgänge zwar nicht die Reichweitenangst abmildern, da sie nicht die Reichweite eines fahrenden Fahrzeugs unterwegs erhöhen, doch kombiniert mit dem Ausbau der Infrastruktur von Schnellladesäulen entlang von Straßen kann die Bedienfreundlichkeit und Attraktivität von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen gesteigert werden. Eine größere Akzeptanz für Elektrofahrzeuge kann durch Massenproduktion bedingte Skaleneffekte mit sich bringen und damit zu erheblichen Kostensenkungen bei den Fahrzeugen selbst und in Verbindung damit auch zu niedrigeren Kosten für den Energieverbrauch bei der Ladung der Batterien führen, was in der Folge dazu führen kann, dass Elektrofahrzeuge erheblich kostengünstiger werden als Fahrzeuge mit konventionellen Verbrennungsmotoren oder als Hybridelektrofahrzeuge.
Die Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sehen Gleichstrom-Hochleistungs-Schnellladestationen entlang von Straßen vor, wobei die Schnellladestation bis zu 300 kW je Elektrofahrzeug oder mehr liefern können (zum Beispiel, um eine Elektrofahrzeugbatterie von 30 kWh in 6 Minuten aufzuladen), und wobei zusammen mit dem Ladevorgang ein Kühlmittel zur Kühlung der Elektrofahrzeugbatterie vorgesehen ist, um eine Überhitzung der Batterie während des Ladens zu verhindern (während eines 6- bis 12-minütigen Ladevorgangs können beispielsweise absehbar bis zu circa 50 kW Wärme erzeugt werden). Herkömmliche Kühlmethoden, die eine Kühlung von außen vorsehen, wie zum Beispiel die Kühlung der Oberflächen oder der Außenseiten von Hochspannungsbatterien, eignen sich nicht, um die von Schnellladestationen beim Laden mit bis zu 300 kW oder mehr je Elektrofahrzeug erzeugte Wärme effizient herabzusetzen. Denn die Wärme wird beim Ladevorgang vorrangig innerhalb der Elektrofahrzeugbatterie erzeugt, was eine Kühlung von außen nicht nur ineffizient macht, sondern auch dazu führt, dass innerhalb des Zellstapels der Batterie hohe Temperaturgradienten auftreten, die bei einem unerwünschten Temperaturanstieg Schäden an der Batterie und frühzeitigen Batterieausfall verursachen können, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt und das Risiko gefährlicher thermischer Instabilität erhöht.
Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können des Weiteren ein effizientes und sicheres Verfahren zur internen Kühlung des Zellstapels - des sogenannten Batteriestacks - bei hohen Laderaten vorsehen, und sie können ein einzigartiges, hocheffektives, universell einsetzbares thermisches Managementsystem bereitstellen. Hinzu kommt, dass sowohl das Kühlmittel als auch ein optional angewandter Wärmetauscher nicht im Fahrzeug mitgeführt werden müssen, sondern extern für den Zweck des Ladevorgangs zur Verfügung gestellt werden, was bewirkt, dass durch die erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten nur minimal zusätzliches Gewicht zugeladen wird und der zusätzliche Platzbedarf im Elektrofahrzeug ebenfalls gering gehalten wird. Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen mit einem ausschließlich fahrzeuginternem Kühlsystem, können eine Kühlmittelzufuhr von außen sowie ein externer Wärmetauscher somit dazu beitragen, die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen und so auch die Reichweitenangst zu mindern.
Vorteilhafterweise kann ein vorhandenes, internes Kühlsystem so modifiziert werden, dass es mit der externen Kühlmittelzufuhr den erfindungsgemäßen Ladestationen verbunden werden kann.
1a zeigt eine schematische Ansicht der Schnellladestation 60 zum Laden eines Elektrofahrzeugs 20 in einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. In einer bevorzugten Ausführung entspricht dieses Elektrofahrzeug 20 zum Beispiel dem Elektrofahrzeug, das offenbart wird in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung ( US 2018/ 0 013 180 A1 ) mit gleichem Datum unter dem
Anwaltsaktenzeichen 617.1010 und dem Titel „RAPID CHARGING ELECTRIC VEHICLE AND METHOD AND APPARATUS FOR RAPID CHARGING“ (SCHNELLLADEFÄHIGES ELEKTROFAHRZEUG SOWIE METHODE UND VORRICHTUNG ZUM SCHNELLLADEN), deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Das Elektrofahrzeug 20 kann beispielsweise gemäß solchen Verfahren aufladbar sein, wie sie beschrieben werden in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung ( US 2012/ 0 043 943 A1 ) mit gleichem Datum unter dem Anwaltsaktenzeichen 617.1008 und dem Titel „SYSTEM AND METHOD FOR RECHARGING ELECTRIC VEHICLE BATTERIES“ (SYSTEM UND VERFAHREN ZUM LADEN VON BATTERIEN FÜR ELEKTROFAHRZEUGE), deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist das Elektrofahrzeug 20 ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug, bei dem die Energie für den Antrieb ausschließlich von einer Elektrofahrzeugbatterie 30 bereitgestellt wird, und in dem es keinen Verbrennungsmotor gibt. In einer alternativen Ausführungsvariante kann das Elektrofahrzeug 20 ein Hybridelektrofahrzeug sein, das zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist, so dass das Fahrzeug mit dem Motor in Kombination mit der Elektrofahrzeugbatterie 30 betrieben wird. Das Elektrofahrzeug 20 kann eine Steuereinheit 28 umfassen, die zur Feststellung des Ladezustands der Batterie 30 und zur entsprechenden Steuerung des Ladevorgangs mit der Elektrofahrzeugbatterie 30 gekoppelt ist.
In 2 wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Elektrofahrzeugbatterie 30 näher erläutert. Bei der Elektrofahrzeugbatterie 30 kann es sich um eine modulare Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen 32 handeln, die durch eine Vielzahl von innerhalb der Batterie 30, zwischen den Zellen 32 verlaufenden internen Kanälen 34 getrennt sind. Die Kanäle 34 sind vorzugsweise wenigstens zum Teil mit porösen, komprimierbaren Zwischenverbindungen oder Interkonnektoren 36 versehen, die dazu dienen, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Zellen 32 herzustellen und die gleichzeitig ermöglichen, dass das Kühlmittel während des Ladevorgangs durch die internen Kanäle 34 zwischen den Zellen 32 hindurchgeführt werden kann, um die Zellen 32 zu kühlen. In bevorzugten Ausführungen ist die Elektrofahrzeugbatterie 30 die in U.S. Pub. Nr. US 2009/ 0 239 130 A1 offenbarte Batterie, die hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, wobei die Interkonnektoren 36 und die Batteriezellen 32 jeweils in der gleichen Weise gebildet werden wie die Interkonnektoren und die planaren Zellmodule, die in U.S. Pub. Nr. US 2009/ 0 239 130 A1 offenbart sind. Jede Zelle 32 umfasst eine positive und eine negative Elektrode, wobei die positive Elektrode die Verbindung zu einem positiven Anschluss 39 herstellt und die negative Elektrode die Verbindung zu einem negativen Anschluss 40 herstellt.
Die komprimierbaren Zwischenverbindungen oder Interkonnektoren 36 können aus jeglicher Art von Material hergestellt sein - wie zum Beispiel aus einem Drahtgeflecht, einer komprimierbaren Elastomermatrix aus Metall- oder Karbonfasern oder aus einer Leitermatte -, das hinreichend geeignet ist und die Anforderung erfüllt, eine komprimierbare, flexible, elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Oberflächen von Zellplattenmodulen zu bilden unter Einhaltung eines ausreichenden Zwischenraums, um das Kühlmittel zur Kühlung der Zellen 32 während des Ladevorgangs durch die internen Kanäle 34 leiten zu können. In dem erläuternden Beispiel in 2 sind innerhalb eines Gehäuses 25, das in dieser Ausführungsvariante einen rechteckigen Querschnitt aufweist, sechs in einem Stapel angeordnete Zellen 32 veranschaulicht. Bei den sechs dargestellten Zellen 32 handelt es sich um eine exemplarische Darstellung der Batterie 30, die allerdings auch Dutzende oder Hunderte von untereinander verbundenen Zellen umfassen und so einen Batteriestack mit sehr hoher Spannung bilden kann. Das Gehäuse 25 umfasst Eingänge und Ausgänge, über die das Kühlmittel durch die internen Kanäle 34 geleitet werden kann, wobei die Eingänge und Ausgänge automatisch zu öffnen oder zu schließen sein können.
Gemäß anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können die Interkonnektoren 36 alternativ aus einem nicht elektrisch und/oder thermisch leitenden Material bestehen und somit lediglich als Abstandshalter zwischen den Zellen 32 vorgesehen sein, um so die Kanäle 34 zwischen den Zellen 32 zu bilden. Bei solchen Ausführungen können die Zellen 32 als isolierende Taschen ausgebildet sein, die an den Enden mit elektrisch leitenden Abgriffen versehen sind, die es dem Kühlmittel ermöglichen, die Zellen 32 zu kühlen, während es durch die mittels von Interkonnektoren 36 gebildeten Kanäle 34 geleitet wird.
Die Anschlüsse 39, 40 bilden die interne Verbindung zu den Enden des Stapels oder Stacks aus Batteriezellmodulen, wobei ein interner Strombus 31 als Verbindung zum positiven Anschluss 39 dient und entweder das elektrisch leitende Gehäuse 25 als negativer Strombus 29 zum negativen Anschluss 40 dient, oder ein zusätzlicher negativer Strombus zum negativen Anschluss 40 vorgesehen ist. Zur Überwachung der Zellspannung und Zelltemperatur kann das Gehäuse 25 jeweils externe, mehrpolige Steckverbindungen 37, 38 umfassen, die über Senseleitungen zu elektrischen Durchgängen 35 leitend verbunden sind. Für jede Batteriezelle 32 kann jeweils ein Satz mehrpoliger Steckverbinder 37, 38 vorgesehen sein. Um Daten zur Zellspannung und Zelltemperatur für die Steuerung des Ladevorgangs der Batterie 30 zur Verfügung zu stellen, können die mehrpoligen Steckverbinder 37, 38 so ausgebildet sein, dass sie die ermittelten Spannungs- und Temperaturmesswerte zur Steuereinheit 28 (siehe 1a) übermitteln.
Unter Rückbezug auf 1a kann die Schnellladestation 60 eine hochleistungsfähige Ladequelle 62 - in einer bevorzugten Ausführungsform eine Hochleistungs-Gleichstromquelle - zum Schnellladen der Batterie 30 des Elektrofahrzeugs 20 umfassen sowie eine Kühlmittelquelle 64, um während des Schellladevorgangs der Batterie 30 an der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 über die internen Kanäle 34 (siehe 2) in die Batterie 30 Kühlmittel einleiten zu können. In bevorzugten Ausführungen kann die hochleistungsfähige Ladequelle 62 eine Batterie oder ein Superkondensator mit hoher Entladerate und der Möglichkeit zum Laden mit Nachtstrom oder Niedertarifstrom sein, da dieser nicht nur kostengünstiger ist, sondern auch weniger störungsanfällig bereitgestellt werden kann. Der Führer des Fahrzeugs 20 kann zur Schnellladestation 60 fahren, das Fahrzeug 20 ausschalten und einen Anschluss 42 an einem Ende einer Zuführung 68 der Schnellladestation 60 in eine entsprechende, von außerhalb des Fahrzeugs 20 zugängliche Aufnahme 50 in das Fahrzeug 20 einführen. In der in 1a gezeigten Ausführungsvariante führt die Zuführung 68 aus einem Sockelbereich 72 der Schnellladestation 60 heraus und umfasst eine elektrische Zuführung 68a, welche ein Kabel sein kann, das mit einer hochleistungsfähigen Ladequelle 62 gekoppelt ist; und weiter umfasst die Zuführung 68 eine Kühlmittelzuleitung 68b, welche ein Schlauch sein kann, der an eine Kühlmittelquelle 64 gekoppelt ist. Der Anschluss 42 kann in die Aufnahme 50 im Fahrzeug 20 so eingeführt werden, dass der Anschluss 42 vorübergehend in die Aufnahme 50 einrastet. Die Aufnahme 50 kann mit einer oder mehreren Nuten 52 ausgebildet sein, die zur Aufnahme von entsprechend geformten, aus Anschluss 42 radial herausragenden Vorsprüngen 44 dienen. Die Vorsprünge 44 können am Anschluss 42 unter Federdruck angebracht sein, so dass sie beim Kontakt mit der Öffnung der Aufnahme 50 radial in den Anschluss 42 eingedrückt werden und dann radial nach außen in die Nuten 52 einrasten, sobald der Anschluss 42 passend in die Aufnahme 50 eingeführt worden ist. Es kann auch ein vom Fahrer des Fahrzeugs 20 zu betätigender Auslöser 46 zur Ver- und Entriegelung der Vorsprünge 44 vorgesehen sein, der in dieser Ausführungsvariante als Druckknopf am Anschluss 42 ausgebildet ist, auf dessen Betätigung hin die Vorsprünge 44 zum Einführen des Anschlusses 42 in die Aufnahme 50 eingezogen werden, wo sie sich danach beim Loslassen des Auslösers 46 in die Nuten 52 schieben können. Nachdem der Anschluss 42 in der Aufnahme 50 so eingerastet ist, dass die mit den Nuten 52 zusammenwirkenden Vorsprünge 44 verhindern, dass der Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 rutscht, kann der Fahrer des Fahrzeugs 20 einen Auslöser für den Lade-/Kühlvorgang betätigen, der in dieser Ausführung als Griff 48 ausgebildet ist, der umfasst und gegen den Anschluss 42 gedrückt werden kann, um den Stromfluss aus der hochleistungsfähigen Stromquelle 62 sowie den Kühlmittelfluss aus der Kühlmittelquelle 64 zur Batterie 30 in Gang zu setzen.
In dieser Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Elektrofahrzeug 20 während längerer Zeiträume, in denen es nicht benötigt wird, zum kompletten oder teilweisen Laden der Batterie 30 mit einem Ladegerät gekoppelt werden kann, das an eine Standardsteckdose für 120 Volt oder 240 Volt Wechselstrom, beispielsweise in der Garage eines Hauses oder eines Wohn- oder Gewerbegebäudes, über Nacht angeschlossen werden kann, und für diesen Zweck umfasst das Fahrzeug 20 eine separate Aufnahme 150. Zur vollen oder teilweisen Ladung der Elektrofahrzeugbatterie 30 können das Ladegerät und die Batterie 30 mittels einer Ladeschnur über die Aufnahme 150 lösbar an eine Elektroleitung 154 gekoppelt sein. Aufgrund der begrenzten möglichen Batterieladerate beim Laden der Batterie 30 an einem Standardanschluss mit 120 Volt oder 240 Volt Wechselstrom ist es nicht nötig, der Batterie 30 während des Ladevorgangs am Standardwechselstromanschluss mit 120 Volt oder 240 Volt zusätzlich Kühlmittel von außen zuzuführen.
Zum Zweck der Überwachung der von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 zur Batterie 30 zugeführten Lademenge sowie zur Überwachung der von der Kühlmittelquelle 64 zur Batterie 30 zugeführten - und bei Ausführungen, die Kühlmittelrecycling vorsehen, auch der zurück in die Kühlmittelquelle 64 geführten - Kühlmittelmenge kann in der Schnellladestation 60 eine Steuereinheit 70 vorgesehen sein. Während das Fahrzeug 20 zum Laden der Batterie 30 mit der Schnellladestation 60 verbunden ist, kann zwischen der Steuereinheit 70 und der Steuereinheit 28 der Batterie 30 eine Kommunikation aufgebaut werden, so dass die Steuereinheit 70 die Zuführung von elektrischer Ladung von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 und die Zuführung von Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64 entsprechend des jeweils aktuellen Zustands der Batterie 30 steuern kann. Wenn zum Beispiel aufgrund der bestehenden Witterungsverhältnisse oder der Fahrweise, mit der das Fahrzeug 20 zuvor gefahren wurde, die Batterie 30 wärmer oder kälter als üblich ist (gemessen, beispielsweise, mittels der Verbindungen 37, 38, wie in 2 dargestellt), kann die Menge des von der Kühlmittelquelle 64 zugeführten Kühlmittels entsprechend herunter- oder heraufgeregelt werden. Falls die Batterie 30 noch teilweise geladen ist und nur um eine geringe Menge aufgeladen werden muss, kann die Steuereinheit 70 auch die Zuführung von Ladung von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 auf eine Laderate unterhalb der maximalen Laderate begrenzen und die Zuflussrate des Kühlmittels von der Kühlmittelquelle 64 auf einen entsprechenden Wert regeln. Die Steuereinheit 70 kann einen Speicher umfassen, der die Menge an zuzuführendem Kühlmittel mit der zugeführten Ladung und optional auch mit der Temperatur der Batterie 30 korreliert. Des Weiteren kann die Steuereinheit 28 Daten bezüglich des aktuellen an der Batterie 30 gemessenen chemischen Zustands der Batterie 30 zur Steuereinheit 70 übermitteln, so dass die Steuereinheit 70 auf der Grundlage der chemischen Daten der Batterie 30 den Ladevorgang und das Kühlen der Batterie 30 steuern und das sicherste Verfahren für das Laden der Batterie 30 ermöglichen kann. Eine ältere Batterie 30, zum Beispiel, die möglicherweise eine langsamere Laderate besser verträgt, oder die einen geringfügig abweichenden chemischen Zustand aufweist, kann von der Schnellladestation 60 zu den diesen chemischen Daten entsprechend definierten und in der Steuereinheit 70 gespeicherten Lade- und Kühlungsraten aufgeladen werden.
Die Steuereinheit 70 kann außerdem mit einem Touchscreen 71 und einem Kreditkartenleser 73 gekoppelt sein. Neben der Anzeige auf dem Touchscreen 71 mit der Information für den Fahrzeughalter über den zu zahlenden Rechnungsbetrag, kann die Steuereinheit 70 auch einem Betreiber der entlang einer Straße befindlichen Ladestation 60 Informationen zum Zweck der Rechnungsstellung an den Fahrzeugbesitzer übermitteln, indem zum Beispiel die gelieferte Ladung und der für den Ladevorgang an der Ladestation 60 in Rechnung zu stellende Preis kalkuliert werden. Das Touchscreen 71 kann dem Fahrer des Fahrzeugs 20 die Optionen für das Laden und Kühlen sowie die Zahlungsoptionen anzeigen und die Steuereinheit 70 kann entsprechend der Auswahl, die der Fahrer trifft, die Zuführung von Kühlmittel und Strom regulieren. Der Fahrer des Fahrzeugs 20 kann eine Kreditkarte oder Lastschriftkarte in den Kartenleser 73 einführen, und ein Prozessor in der Steuereinheit 70 kann die Zahlung verarbeiten.
Nach der Betätigung des Schalters zum Starten der Schnellladestation 60 versorgt diese die Elektrofahrzeugbatterie 30 so lange mit Strom von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 und mit Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64, bis die Batterie 30 hinreichend aufgeladen ist. Dabei wird von einer Pumpe 74 Kühlmittel durch die Kühlmittelzuführung 68b gepumpt. Das Kühlmittel verlässt die Kühlmittelzuführung 68b im Abschnitt einer Kühlmittelspeisung 84 im Anschluss 42 und geht über in die Kühlmittelleitung 26 im Abschnitt eines Kühlmittelzuflusses 94 in der Aufnahme 50 im Fahrzeug 20. Die Kühlmittelleitung 26 ist mit den Eingängen der internen Kanäle 34 (siehe 2) gekoppelt und führt der Batterie 30 Kühlmittel zu. Ein Stromspeisegerät 76 führt Strom von der hochleistungsfähigen Stromquelle 62 durch die elektrische Zuführung 68a zu. Der Strom verlässt die elektrische Zuführung 68a im Abschnitt einer elektrischen Speisung 82 im Anschluss 42 und geht über in eine Elektroleitung 24 im Abschnitt eines elektrischen Stromzuflusses 92 in der Aufnahme 50 im Fahrzeug 20. In dieser Ausführungsvariante ist der Anschluss 42 als Gehäuse ausgebildet, das sowohl den Abschnitt der elektrischen Speisung 82 als auch den der Kühlmittelspeisung 84 umfasst. Die Elektroleitung 24 im Fahrzeug 20 führt den Strom zum Laden der Batterie 30 zu den Anschlüssen 39, 40. Um zu verhindern, dass der Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 entfernt wird, während Strom und Kühlmittel in das Fahrzeug 20 zugeführt werden, ist dafür gesorgt, dass die Vorsprünge 44 während des Ladevorgangs nicht entriegelt und wieder in den Anschluss 42 eingezogen werden können. Der Anschluss 42 kann zusätzlich mit federbelasteten Kupplungen am Abschnitt der Kühlmittelspeisung 84 oder in der Nähe davon versehen sein, wobei die federbelasteten Kupplungen bei der Entfernung von Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 ein rasches Versiegeln des Kühlmittelspeisungsabschnitts 84 ermöglichen und so das Austreten von Kühlmittel verhindern.
In einer anderen Ausführung kann die Ent- und Verriegelung der Vorsprünge 44 und/oder die Betätigung eines zusätzlichen Verriegelungsmechanismus durch die Steuereinheit 70 gesteuert werden. So kann zum Beispiel die Steuereinheit 70 nach Einführen des Anschlusses 42 in die Aufnahme 50 die mit den Vorsprüngen 44 gekoppelten Auslöser so steuern, dass die Vorsprünge 44 in die Nuten 52 einrasten, oder die Steuereinheit 70 kann den zusätzlichen Verriegelungsmechanismus so steuern, dass vor Beginn des Lade- und Kühlvorgangs der Anschluss 42 in der Aufnahme 50 verriegelt wird. Nachdem der Lade- und Kühlvorgang zum Abschluss gekommen ist, kann dann die Steuereinheit 70 die mit den Vorsprüngen 44 gekoppelten Auslöser so steuern, dass die Vorsprünge 44 aus den Nuten 52 heraus und wieder in den Anschluss 42 hinein gezogen werden, oder die Steuereinheit 70 kann den zusätzlichen Verriegelungsmechanismus entriegeln.
Vor der Abgabe von Kühlmittel aus Anschluss 42 in die Aufnahme 50 können, zum Beispiel mittels des Luftdrucks, vorab die Kühlmittelverbindungen daraufhin überprüft werden, ob sie intakt und dicht sind, damit gewährleistet ist, dass der Kühlmittelspeisungsabschnitt 84 und der Kühlmittelzuflussabschnitt 94 ausreichend miteinander gekoppelt sind, um zu verhindern, dass Kühlmittel austritt.
In 1b ist die schematische Ansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung einer Schnellladestation 60' zum Laden eines Elektrofahrzeugs 20' gezeigt. Die Schnellladestation 60' und das Elektrofahrzeug 20' sind in der gleichen Weise konfiguriert wie die hier beschriebene Schnellladestation 60 und das Elektrofahrzeug 20 und funktionieren in der gleichen Weise, mit der Ausnahme, dass sie zum Kühlmittelrecycling ausgelegt sind, und daher während des Ladevorgangs das Kühlmittel zur Kühlmittelquelle 64 zurückgeführt wird. Entsprechend beziehen sich alle in 1b aufgeführten Bezugszeichen auf die gleichen mit Bezug auf 1a erläuterten Bestandteile, es sei denn, sie werden im Folgenden ausdrücklich hervorgehoben. Nachdem das Kühlmittel durch die Batterie 30 geführt wurde und über die Ausgänge der Kanäle 34 (siehe 2) die Batterie 30 wieder verlässt, läuft das erwärmte Kühlmittel in eine mit den Ausgängen der Kanäle 34 gekoppelten Kühlmittelrückführungsleitung 27. Das erwärmte Kühlmittel wird dann mittels einer Rückführungspumpe 75 aus einem Kühlmittelabflussabschnitt 96 in der Aufnahme 50 heraus- und in einen Kühlmittelrückführungsabschnitt 86 in einem Anschluss 42' hineingepumpt, um dann durch eine Rückführungsleitung 68c in die Kühlmittelmittelquelle 64 zurückgeführt zu werden. Das erwärmte Kühlmittel wird zur Abkühlung und anschließenden Wiederverwendung durch einen mit einer Kühleinheit 66 gekoppelten Wärmetauscher 67 geleitet. Nachdem das Kühlmittel hinreichend abgekühlt ist, kann es mittels der Pumpe 74 aus der Kühlmittelquelle 64 für weiteres Kühlen der Batterie 30 wieder in das Fahrzeug 20 gepumpt werden. Um zu verhindern, dass der Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 entfernt wird, bevor das Kühlmittel wieder in den Anschluss 42 zurückgeführt worden ist, kann im Anschluss 42 ein mit der Steuereinheit 70 kommunizierender Sensor vorhanden sein, so dass mittels der Steuereinheit 70 verhindert werden kann, dass die Vorsprünge 44 entriegelt werden, während der Durchfluss des Kühlmittels vom Kühlmittelabflussabschnitt 96 zum Kühlmittelrückführungsabschnitt 86 andauert.
In alternativen Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, dass der Anschluss 42 oder 42' nicht manuell durch den Führer des Fahrzeugs 20 oder 20' betätigt wird, sondern automatisch durch die Steuereinheit 70 der Schnellladestation 60 oder 60' robotergesteuert betrieben wird. Hierfür kann ein im Sockelbereich 72 der Schnellladestation 60 oder 60' angebrachter Roboterarm, der auch Sensoren zur Ortung der Aufnahme 50 oder 50' umfassen kann, aus dem Sockelbereich 72 ausgefahren werden. Ein Benutzer der Schnellladestation könnte diesen Roboterarm zum Beispiel durch das Einführen einer Kreditkarte in den Kartenleser 73 oder durch Eingabe in das Touchscreen 71 aktivieren, wodurch der Roboterarm ausgefahren würde, um dann den Anschluss 42 oder 42' in die Aufnahme 50 oder 50' einzuführen. Nach Einführen des Anschlusses 42 oder 42' in die Aufnahme 50 kann die Steuereinheit 70 die mit den Vorsprüngen 44 gekoppelten Auslöser so steuern, dass die Vorsprünge 44 in die Nuten 52 einrasten, oder die Steuereinheit 70 kann einen zusätzlichen Verriegelungsmechanismus so steuern, dass vor Beginn des Lade- und Kühlvorgangs der Anschluss 42 oder 42' in der Aufnahme 50 oder 50' verriegelt wird.
3a zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses 42a gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Anschluss 42a umfasst einen Abschnitt für die elektrische Speisung 82 und einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84, wobei die Abschnitte 82 und 84 vertikal übereinander ausgerichtet angeordnet sind. In dieser Ausführung umfasst der Abschnitt für die elektrische Speisung 82 fünf Anschlussstifte - davon zwei Stifte 82a und 82b für die Gleichstromversorgung, einen Massestift 82c, einen Sensorstift 82d und einen Steuerungsstift 82e. Der Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 umfasst mindestens eine Dichtungslage 84a, die den Rand des Kühlmittelspeisungsabschnitts 84 umfängt. Der Anschluss 42a weist außerdem zwei Verriegelungsvorsprünge 44 auf, die jeweils aus dem oberen und unteren Rand des Anschlusses 42a herausragen und zum Einführen und Einrasten in Nuten einer entsprechenden Aufnahme im Fahrzeug vorgesehen sind.
3b zeigt eine axiale Ansicht eines Anschlusses 42b gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Anschluss 42b ist in der gleichen Weise aufgebaut wie der Anschluss 42a und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für die elektrische Speisung 82 und einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84, wobei jedoch die Abschnitte 82 und 84 in dieser Ausführung horizontal nebeneinander ausgerichtet angeordnet sind. Zwei, zum Einführen und Einrasten in Nuten einer entsprechenden Aufnahme im Fahrzeug vorgesehene Verriegelungsvorsprünge 44 ragen jeweils aus dem oberen und dem unteren Rand des Anschlusses 42b heraus.
In 4a ist eine axiale Ansicht eines Anschlusses 42c gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Anschluss 42c ist in der gleichen Weise aufgebaut wie der Anschluss 42a und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für die elektrische Speisung 82 und einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84, jedoch umfasst der Anschluss 42c darüber hinaus noch einen Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86, der zur Aufnahme des durch die Batterie 30 geleiteten und zur Kühlmittelquelle 64 zurückzuführenden Kühlmittels vorgesehen ist und der mit den Abschnitten 82 und 84 vertikal übereinander ausgerichtet angeordnet ist. Der Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86 umfasst ebenfalls mindestens eine Dichtungslage 86a, die den Rand des Kühlmittelrückführungsabschnitts 86 umfängt.
In 4b wird eine axiale Ansicht eines Anschlusses 42d gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Anschluss 42d ist in der gleichen Weise aufgebaut wie der Anschluss 42c und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für die elektrische Speisung 82, einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 und einen Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86, wobei jedoch die Abschnitte 82, 84 und 86 in dieser Ausführung horizontal nebeneinander ausgerichtet angeordnet sind.
5a zeigt eine axiale Ansicht einer Aufnahme 50a gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Aufnahme 50a umfasst einen Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 und einen Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94, wobei die Abschnitte 92 und 94 vertikal übereinander ausgerichtet angeordnet sind. In dieser Ausführung umfasst der Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 sieben Anschlussbuchsen - davon zwei Buchsen 92a und 92b für Gleichstrom, eine Massebuchse 92c, eine Sensorbuchse 92d, eine Steuerungsbuchse 92e, zwei Buchsen 92f und 92g für Wechselstrom und eine zusätzliche Massebuchse 92h. Der Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 umfasst mindestens eine Dichtungslage 94a, die den Rand des Kühlmittelzuflussabschnitts 94 umfängt. Der in 3a dargestellte Anschluss 42a kann zum Schnellladen der Batterie 30 (siehe 1a, 1 b und 2) so in die Aufnahme 50a eingeführt werden, dass die Anschlussstifte für die Gleichstromversorgung 82a, 82b direkt mit den Gleichstrom-Anschlussbuchsen 92a, 92b verbunden sind, der Massestift 82c mit der Massebuchse 92c, der Sensorstift 82d mit der Sensorbuchse 92d sowie der Steuerungsstift 82e mit der Steuerungsbuchse 92e jeweils direkt verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 verbunden ist. In dieser Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Elektrofahrzeug 20 während längerer Zeiträume, in denen es nicht benötigt wird, zum kompletten oder teilweisen Laden der Batterie 30 zum Beispiel an ein Ladegerät mit einem Ladestecker nach SAE J1772 für die Ladebereiche AC Level 1 oder AC Level 2 gekoppelt werden kann, das Ladegerät wiederum an eine Standardsteckdose mit 120 Volt oder 240 Volt Wechselstrom, beispielsweise in der Garage eines Hauses oder eines Wohn- oder Gewerbegebäudes, über Nacht angeschlossen werden kann, wobei für den Anschluss an das Ladegerät in dieser Ausführung die Wechselstrom-Anschlussbuchsen 92f, 92g und die Massebuchse 92h vorgesehen sind. Zur vollen oder teilweisen Ladung der Elektrofahrzeugbatterie 30 können das Ladegerät und die Batterie 30 mittels einer Ladeschnur über den Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 lösbar an die Elektroleitung 24 gekoppelt sein. Aufgrund der begrenzten möglichen Batterieladerate beim Laden der Batterie 30 an einem Standardanschluss mit 120 Volt oder 240 Volt Wechselstrom ist es nicht nötig, der Batterie 30 während des Ladevorgangs am
Standardwechselstromanschluss mit 120 Volt oder 240 Volt zusätzlich Kühlmittel von außen zuzuführen. Andere Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können im Fahrzeug 20 oder 20' eine separate Aufnahme 150 (siehe 1a, 1b) zum Aufnehmen von Gleichstrom von einem externen Ladegerät vorsehen, das hierfür mit einem Standardwechselstromanschluss mit 120 Volt oder 240 Volt verbunden ist, oder die Aufnahme 150 kann zum Aufnehmen von Wechselstrom zur Verbindung mit einem im Fahrzeug 20 oder 20' integrierten Gleichstrom-Batterieladegerät vorgesehen sein, und die Aufnahme 50 (siehe 1a, 1b) könnte ohne Wechselstromanschlüsse ausgebildet sein.
In einer bevorzugen Ausführung ist die Steuerungsanschlussbuchse 92e eine Datenbusverbindung, die entsprechend der Automobilnorm nach ISO 11898-2 für Straßenfahrzeuge einen „Controller Area Network“ oder CAN-Bus mit drei einzelnen Anschlussstiften (High/Low/Ground) für die Anschlussbuchse 92e vorsieht. Der CAN-Bus überträgt Daten zwischen der Steuereinheit 28 und der Steuereinheit 70, um zwischen den Steuereinheiten 28, 70 eine Kommunikation aufzubauen, die dazu dient, das Laden und Kühlen der Batterie 30 effektiv zu steuern.
Bezug nehmend auf die 1, 3a und 5a können der Sensorstift 82d und die Sensorbuchse 92d, sobald der Anschluss 42a in die Aufnahme 50a eingeführt ist, der Steuereinheit 70 der Schnellladestation 60 und der Steuereinheit 28 des Fahrzeugs 20 die entsprechende Information übermitteln, dass die Schnellladestation 60 und das Fahrzeug 20 nunmehr für den Ladevorgang miteinander verbunden sind. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung können an den Nuten 52 und an den Vorsprüngen 44 jeweils an die Steuereinheiten 28, 70 elektrisch gekoppelte Kontakte vorgesehen sein, die die Information, dass der Anschluss 42 sicher in die Aufnahme 50 eingerastet ist, an die Steuereinheiten 28, 70 übermitteln. Die Steuereinheit 70 der Schnellladestation 60 kann dann über den Steuerungsstift 82e und die Steuerungsbuchse 92e die Kommunikation mit der Steuereinheit 28 des Fahrzeugs 20 aufnehmen, um die Ladeparameter für den Ladevorgang über die Anschlussstifte der Gleichstromversorgung 82a, 82b und die Kühlparameter für die Kühlmittelzuführung von der Kühlmittelquelle 64 zu erfassen. Zumindest eine der beiden Steuereinheiten 28 und 70 legt dann die Parameter für das Laden und das Kühlen fest, und die Steuereinheit 70 gibt dementsprechend dem Stromspeisegerät 76 vor, die Zuführung von Strom von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 an die Batterie 30 zu starten und der Kühlmittelpumpe 74, die Zuführung von Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64 an die Batterie 30 aufzunehmen. Sobald die Batterie 30 ausreichend aufgeladen ist, übermittelt die Steuereinheit 28 über den Steuerungsstift 82e und der Steuerungsbuche 92e diese Information an die Steuereinheit 70, die den Betrieb des Stromspeisegeräts 76 und der Pumpe 74 stoppt. Sobald der Zufluss von Kühlmittel und Strom vom Anschluss 42 in die Aufnahme 50 aufgehört hat, können außerdem durch Betätigen des Auslösers 46 zur Ver- und Entriegelung die Vorsprünge 44 aus den Nuten 52 ausgekuppelt werden und in den Anschluss 42 eingezogen werden.
In 5b ist eine axiale Ansicht einer Aufnahme 50b gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Aufnahme 50b ist in der gleichen Weise aufgebaut wie die Aufnahme 50a und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 und einen Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94, wobei jedoch die Abschnitte 92 und 94 in dieser Ausführung horizontal nebeneinander ausgerichtet angeordnet sind. Der in 3b dargestellte Anschluss 42b kann zum Schnellladen der Batterie 30 (siehe 1a, 1 b und 2) so in die Aufnahme 50b eingeführt werden, dass die Anschlussstifte für die Gleichstromversorgung 82a, 82b direkt mit den Gleichstrom-Anschlussbuchsen 92a, 92b verbunden sind, der Massestift 82c mit der Massebuchse 92c, der Sensorstift 82d mit der Sensorbuchse 92d sowie der Steuerungsstift 82e mit der Steuerungsbuchse 92e jeweils direkt verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 verbunden ist.
In 5c ist eine axiale Ansicht einer Aufnahme 50a' gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Aufnahme 50a' umfasst einen Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 und einen vom Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 abweichenden Abschnitt 92'. Der Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92' der Aufnahme 50a' ist in der gleichen Weise aufgebaut wie bei der Aufnahme 50a, jedoch umfasst die Aufnahme 50a' einen Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92' mit den Anschlussbuchsen 92a, 92b, 92c für schnelles Gleichstromladen, eine Standardbusche 92i, die einen zwei- oder dreipoligen Standardstecker für Wechsel- oder Gleichstrom zum Laden einer Batterie 30 aufnimmt, sowie eine Steuerungsbuchse 92e', die der Norm ISO 11898-2 entsprechend mit drei einzelnen Anschlüssen (High/Low/Ground) ausgebildet ist. Der entsprechende Schnellladeanschluss zum Einführen in die Aufnahme 50a' und zum Zuführen von Kühlmittel und Strom durch die Abschnitte 92', 94 bedeckt vorzugsweise die gesamte Aufnahme 50a' einschließlich der Standardbuchse 92i.
6a gibt eine axiale Ansicht einer Aufnahme 50c gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung wieder. Die Aufnahme 50c ist in der gleichen Weise aufgebaut wie die Aufnahme 50a und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 und einen Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94, jedoch umfasst die Aufnahme 50c darüber hinaus noch einen Abschnitt für den Kühlmittelabfluss 96, der zur Aufnahme des durch die Batterie 30 geleiteten und zur Kühlmittelquelle 64 zurückzuführenden Kühlmittels vorgesehen ist und der mit den Abschnitten 92 und 94 vertikal übereinander ausgerichtet angeordnet ist. Der Abschnitt für den Kühlmittelabfluss 96 umfasst ebenfalls mindestens eine Dichtungslage 96a, die den Rand des Kühlmittelabflussabschnitts 96 umfängt. Der in 4a dargestellte Anschluss 42c kann zum Schnellladen der Batterie 30 (siehe 1a, 1 b und 2) so in die Aufnahme 50c eingeführt werden, dass die Anschlussstifte für die Gleichstromversorgung 82a, 82b direkt mit den Gleichstrom-Anschlussbuchsen 92a, 92b verbunden sind, der Massestift 82c mit der Massebuchse 92c, der Sensorstift 82d mit der Sensorbuchse 92d sowie der Steuerungsstift 82e mit der Steuerungsbuchse 92e jeweils direkt verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelabfluss 96 verbunden ist.
In 6b ist eine axiale Ansicht einer Aufnahme 50d gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung abgebildet. Die Aufnahme 50d ist in der gleichen Weise aufgebaut wie die Aufnahme 50c und umfasst ebenfalls einen Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92, einen Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94, und einen Kühlmittelabflussabschnitt 96, wobei jedoch die Abschnitte 92, 94, 96 in dieser Ausführung horizontal nebeneinander ausgerichtet angeordnet sind. Der in 4b dargestellte Anschluss 42d kann zum Schnellladen der Batterie 30 (siehe 1a, 1b und 2) so in die Aufnahme 50d eingeführt werden, dass die Anschlussstifte für die Gleichstromversorgung 82a, 82b direkt mit den Gleichstrom-Anschlussbuchsen 92a, 92b verbunden sind, der Massestift 82c mit der Massebuchse 92c, der Sensorstift 82d mit der Sensorbuchse 92d sowie der Steuerungsstift 82e mit der Steuerungsbuchse 92e jeweils direkt verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelzufluss 94 verbunden ist und der Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86 eine abgedichtete Verbindung bildend mit dem Abschnitt für den Kühlmittelabfluss 96 verbunden ist.
In alternativen Ausführungen können die Aufnahmen 50a, 50b, 50c, 50d ähnlich der Aufnahme 50a' eine Standardbuchse 92i aufweisen, so dass auch ein zwei- oder dreipoliger Standardstecker für Wechselstrom oder für Gleichstrom an die Aufnahmen 50a, 50b, 50c, 50d angeschlossen werden kann. Die Standardbuchse 92i kann zusätzlich zu oder anstelle von den Elektrokontakten 92f, 92g und dem zusätzlichen Massekontakt 92h vorgesehen sein. In Ausführungsvarianten, in denen die Aufnahme 50 zum Laden mittels einer Wechselstromquelle ausgerüstet ist, kann das Fahrzeug 20 oder 20' einen fahrzeugeigenen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler an Bord führen. Es sind weitere Ausführungsvarianten möglich, in denen die Aufnahmen 50 keine Wechselstromkontakte 92f, 92g, 92h oder keine Standardbuchse 92i umfassen, und - falls die Möglichkeit zum Laden mit Wechselstrom gewünscht ist - über die Kontakte 92a, 92b, 92c Wechselstrom bereitgestellt werden kann, wobei der Wechselstrom über einen fahrzeugeigenen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler zum Laden der Batterie 30 im Fahrzeug 20 oder 20' in Gleichstrom gewandelt werden kann.
Unter Rückbezug auf die 1a und 1b liefert in einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung die Schnellladestation 60 oder die Schnellladestation 60' an das Fahrzeug 20 oder an das Fahrzeug 20' etwa 300 kW und kann dementsprechend eine erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 30 kWh in etwa 6 Minuten aufladen. Während des etwa 6-minütigen Schnellladevorgangs der 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 können in den Zellen 32 der 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 etwa 50 kW Wärme erzeugt werden. Ohne Kühlmittel, das während eines solchen Schnellladevorgangs innerhalb der erfindungsgemäßen 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 bereitgestellt wird, könnte die Batterie 30 dauerhaft beschädigt oder zerstört werden. Wenn jedoch genügend Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64 durch die Zuführung 68 und die Kühlmittelleitung 26 in die Batterie 30 gepumpt werden kann, während die Batterie 30 mit Strom von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 über die Zuführung 68 und die Elektroleitung 24 versorgt wird, kann ein Teil der von der Batterie 30 abgegebenen Wärme durch das Kühlmittel absorbiert werden und es kann entsprechend verhindert werden, dass die Batterie 30 während des Ladevorgangs beschädigt oder zerstört wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Batterie 30 um eine 300-Volt-Elektrobatterie mit einem Gewicht von 100 kg, die voll aufgeladen das Elektrofahrzeug 20 oder das Elektrofahrzeug 20' mit 30 kWh versorgen kann. In diesem Beispiel erreicht die Batterie 30, die hundert Zellen 32 zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm umfasst, an der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 nach zehn Minuten zu 180 kW ihre volle Ladung. Während des Ladens werden in 10 Minuten etwa 36 kW Wärme erzeugt (circa 6 kWh). Um die Batterie 30 während dieses Ladevorgangs ausreichend zu kühlen, so dass eine akzeptable Batterietemperatur von etwa 45 Grad Celsius aufrechterhalten wird, kann durch die Kühlmittelquelle 64 Öl (zugeführt mit einer Temperatur von 20 Grad Celsius) bei einer Rate von mindestens 0,73 Liter pro Sekunde (44 Liter pro Minute) oder Luft (zugeführt mit einer Temperatur von 0 Grad Celsius) bei einer Rate von mindestens 1.800 Kubikfuß (circa 50,9 Kubikmeter) pro Minute bereitgestellt werden. Lade- und Entladeraten von Elektrobatterien werden branchenüblich mit dem sogenannten C-Faktor (C steht für „capacity“ bzw. Kapazität der Batterie), dem Quotienten aus Strom und Batteriekapazität, angegeben. Unabhängig von der Größe einer Elektrobatterie besagt ein Ladestrom von 1 C oder ein Entladestrom von 1 C, dass die Batterie innerhalb von einer Stunde komplett geladen beziehungsweise entladen ist. Ein C-Faktor von C/8 bedeutet, dass Auf- oder Entladen jeweils acht Stunden dauert, bei 2 C dauert Auf- oder Entladen jeweils eine halbe Stunde. Entsprechend beträgt der C-Faktor der Batterie 30 mit zehnminütigem Laden aus dem oben aufgeführtem Beispiel 6 C.
Um beispielsweise eine erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 24 kWh innerhalb von sechs Minuten aufzuladen, ist es möglich, ein 240-kW-Ladegerät, das über sechs Minuten 400 Ampere bei 600 Volt (Gleichstrom) liefert, als hochleistungsfähige Ladequelle 62 einzusetzen. Die zuzuführende Energie kann aufgrund beträchtlicher Wärmeverluste auch wesentlich höher sein, als wenn der Ladevorgang komplett effizient verläuft. Wären es beispielsweise zweihundert Zellen zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm, könnte 32 kW Wärme erzeugt werden, so dass für den Ladevorgang eine Minute länger benötigt würde (etwa sieben Minuten insgesamt).
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Batterie 30 nicht komplett auf 100 % ihrer Ladekapazität mittels der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 aufgeladen wird, sondern stattdessen innerhalb von etwa 5 Minuten durch die hochleistungsfähige Ladequelle 62 zu 80 % ihrer Batterieladekapazität aufgeladen wird. Durch ein solches Vorgehen, die Batterie 30 bis auf 80 % Ladekapazität zu laden, können in einigen Zellen der Batterie 30 Überspannungen vermieden werden. Falls gewünscht, kann dann nach dem Erreichen von 80 % der Ladekapazität der Batterie 30 der Ladevorgang unter Verringerung des von der Ladequelle 62 zugeführten Stroms fortgesetzt werden, um die Batterie 30 zu mehr als 80 % der Ladekapazität aufzuladen. Wird eine komplett entladene erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 24 kWh und mit zweihundert Zellen zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm wieder auf 80 % der Ladekapazität (19,2 kWh) in fünf Minuten aufgeladen, werden 2,7 kWh Wärme (32 kW über fünf Minuten entsprechend etwa 10⁷ Joule) in der Batterie 30 erzeugt. Um diese 2,7 kWh Wärme in fünf Minuten in einem hinreichenden Maß abführen zu können, kann Öl bei einer Rate von mindestens 40 Liter pro Minute oder Luft bei einer Rate von mindestens 1.600 Kubikfuß (circa 45,3 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 geleitet werden. Der damit verbundenen verzögerten Wärmeübertragung an das Kühlmittel wird in bevorzugten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung entgegengewirkt, indem das Öl oder die Luft mit höheren Raten als mindestens notwendig durch die Batterie 30 geleitet wird. In solchen Ausführungen kann bei der oben beschriebenen 600-Volt-Batterie das Öl mit etwa 50 bis 200 Liter pro Minute oder die Luft mit etwa 2.000 bis 8.000 Kubikfuß (circa 56,6 bis circa 226,5 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 geleitet werden. Die Kühlraten können für größere oder kleinere Batterien jeweils proportional höher oder niedriger liegen.
Weitere erfindungsgemäße Ausführungen können in der Schnellladestation 60 eine Kühleinheit 66 vorsehen, um die zur Kühlung der Batterie 30 benutzte Luft oder das zur Kühlung benutzte Öl zusätzlich zu kühlen. Die Kühleinheit 66 kann besonders vorteilhaft zur Kühlung von Kühlluft eingesetzt werden, indem es so ermöglicht wird, die Luft zu niedrigeren Raten als mit etwa 2.000 bis 8.000 Kubikfuß (circa 56,6 bis circa 226,5 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 zu leiten.
Nach dem Laden der Batterie 30 mittels der Schnellladestation 60 oder mittels der Schnellkühlstation 60' kann die Batterie 30 intern luftgekühlt oder erwärmt werden, indem Luft durch die Interkonnektoren 36 geleitet wird. Die Luft kann über eine im Fahrzeug 20 oder Fahrzeug 20' an Bord vorhandene Vollklimaanlage zur Beheizung, Kühlung und Belüftung mittels der Lüftungsfunktion als Zuluft eingeführt werden. So ist es vorteilhaft, zum Beispiel an kalten Tagen in den Wintermonaten mittels der Heizung zusammen mit der Lüftungsfunktion für die effiziente und rasche Aufwärmung der Batterie zu sorgen, denn bei niedrigen Temperaturen sind sonst die Batteriekapazitätsverluste erheblich (was wiederum auch die Reichweite reduziert). Während sich die Batterie dann auf die normale Betriebstemperatur erwärmt, kann die gegebenenfalls anfallende Abwärme (zum Beispiel mittels einer kleinen Wärmepumpe) zum Heizen oder Kühlen des Innenraums genutzt werden - wodurch außerdem überschüssige Energie nicht ungenutzt vergeudet, sondern eingesetzt (und damit die Reichweite des Fahrzeugs 20 oder des Fahrzeugs 20' weiter ausgedehnt) wird - und zum Regulieren der steigenden Temperatur der Batterie 30 bei durch Beschleunigen oder Bremsen verursachten Transienten verwendet werden.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Kühlmittelleitung 26 - und, falls vorgesehen, die Rückführungsleitung 27 für das Kühlmittel - in die Vollklimaanlage des Elektrofahrzeugs 20 oder des Elektrofahrzeugs 20' integriert sein. Entsprechend ist es möglich, die Kühlmittelleitung 26 und die Kühlmittelrückführungsleitung 27 sowohl für das thermische Management der Batterie 30 zu nutzen, während das Fahrzeug 20 oder das Fahrzeug 20' in Betrieb ist - indem die Leitungen 26, 27 zum Durchleiten des Kühlmittels durch die Kanäle 34 (siehe 2) dienen können - als auch sie dann während des Schnellladevorgangs zur Kühlung der Batterie 30 zu nutzen, um das von der Schnellladestation 60 oder der Schnellladestation 60' bereitgestellte Kühlmittel durch die Kanäle 34 zu leiten. Um die Kühlmittelleitung 26 und die Kühlmittelrückführungsleitung 27 abwechselnd während der Fahrt mit der Vollklimaanlage und während des Ladens mit der Zuführung 68 zu koppeln, können Umschaltventile vorgesehen sein.
Andere Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können vorsehen, dass die Batterie 30 nach dem Ladevorgang an der Schnellkühlstation 60 im Innern flüssigkeitsgekühlt oder flüssigbeheizt wird, indem Flüssigkeit von einem im Fahrzeug 20 vorhandenen Flüssigkeitswärmetauscher durch die Interkonnektoren 36 geleitet wird, wobei der Flüssigkeitswärmetauscher wiederum durch ein im Fahrzeug 20 vorhandenes Kühl- oder Heizsystem gekühlt beziehungsweise aufgewärmt wird, und wobei dieses Kühl- oder Heizsystem ebenfalls dazu dienen kann, die Kühlung und Heizung des Fahrzeuginnenraums zu steuern. Das Fahrzeug 20 oder 20' kann zum Beispiel an Bord ein Flüssigkeitskühlsystem und/oder ein Flüssigkeitsheizsystem mitführen, das einen Flüssigkeitskreislauf aufweist, durch den während der Fahrt flüssiges Kühlmittel über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 geleitet werden kann. In solchen Ausführungsvarianten kann der Kühlkreislauf wahlweise mit den Eingängen oder mit den Ausgängen der Kanäle 34 gekoppelt werden. Um die Kühlmittelleitung 26 und die Kühlmittelrückführungsleitung 27 abwechselnd während der Fahrt mit dem Kühlkreislauf und während des Ladens mit der Zuführung 68 zu koppeln, können beispielsweise Umschaltventile vorgesehen sein.
Darüber hinaus ist es beispielsweise möglich, die mittels des hindurchgeleiteten Kühlmittels von der Batterie 30 abgeführte thermische Energie entweder im Fahrzeug 20 oder in der Schnellladestation 60 in elektrische Energie umzuwandeln. Beispielsweise kann im Kühlmittel enthaltene Energie stromabwärts von der Batterie 30 zurückgewonnen werden, indem eine Turbinenvorrichtung oder eine thermoelektrische Vorrichtung im Fahrzeug 20 oder im Fahrzeug 20' oder aber in der Schnellladestation 60 oder der Schnellladestation 60' mit den Ausgängen der Kanäle 34 gekoppelt wird.
Die Batterie 30 umfasst in bevorzugten Ausführungsformen nanoskalige Partikel, die grundsätzlich hohe Laderaten ermöglichen. Die nanoskaligen Partikel können mit einer dünnen Karbonschicht versehen sein. Zum Beispiel können die Anoden der Zellen 32 aus Lithium-Titanoxid-(LTO)-Nanoteilchen und die Kathoden aus Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Nanopartikeln gebildet sein, so dass die Batterie 30 mit einer Rate von bis zu 3 Minuten (entsprechend einem C-Faktor von 20 C) schnell aufgeladen werden kann und zudem viele Tausende von Ladevorgängen durchlaufen kann, ohne dass die Batterie 30 während der Lebensdauer des Fahrzeugs 20 oder 20' ersetzt werden müsste. Unter Verwendung solcher Nanopartikel in der Batterie 30 in Kombination mit der vorliegenden Erfindung, die den Temperaturanstieg der Batterie 30 begrenzt, kann es beispielsweise möglich sein, die Batterie 30 mehr als 10.000 Mal aufzuladen. Unter der Annahme einer Reichweite von 100 Meilen (circa 160,9 km) je Ladevorgang, könnte die Batterie 30 so theoretisch über 1.000.000 Meilen (circa 1.609.344 km) während ihrer Lebensdauer zurücklegen. Eine derartig langlebige Batterie 30 hätte einen hohen Restwert und könnte beispielsweise erneut in einem weiteren Fahrzeug eingesetzt werden. Des weiteren kämen dabei ökologische und strategische Vorteile für die Vereinigten Staaten zum Tragen, da der Bedarf an Rohstoffen für die Herstellung von Batterien gesenkt würde und weniger der benötigten Rohstoffe importiert werden müssten.
Andere Kühlmittel als Luft oder Öl können ebenfalls durch die Kühlmittelquelle 64 bereitgestellt werden. Dies können zum Beispiel fließfähige flüssige oder gasförmige Substanzen mit einer optimalen Wärmekapazität sein. Zur Erhöhung der Wärmetauschfähigkeit können dem Kühlmittel Zusatzstoffe beigefügt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Kühlmittel elektrisch isolierende Eigenschaften.
In weiteren Ausführungen kann der Abschnitt für die elektrische Speisung 82 des Anschlusses 42 beispielsweise analog oder ähnlich einem Standardladestecker nach einer der Normen SAE J1772, SAE J1773, VDE-AR-E 2623-2-2 oder CHAdeMO ausgebildet sein, wobei der Ladestecker in den Abschnitt für die Kühlmittelspeisung 84 (und gegebenenfalls in den Abschnitt für die Kühlmittelrückführung 86) des Anschlusses 42 integriert ist, um der Batterie 30 elektrischen Strom und Kühlmittel gleichzeitig bereitzustellen.
In wieder anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass es keine direkte Verbindung zwischen dem Abschnitt für die elektrische Speisung 82 und dem Abschnitt für den elektrischen Zufluss 92 gibt, sondern dass der Abschnitt für die elektrische Speisung 82 stattdessen indirekt mit der Elektroleitung 24 gekoppelt ist, so dass die hochleistungsfähige Ladequelle 62 die Batterie 30 kabellos mittels Induktion oder magnetischer Resonanz laden kann.
Es ist darüber hinaus möglich, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Hybridelektrofahrzeugen einzusetzen sowie in anderen Anwendungen, in denen
Großbatterien benötigt werden und für die ein Schnellladen mit zusätzlich zugeführter, fahrzeugexterner Kühlung von Vorteil sein kann. Schnellladestationen könnten beispielsweise zum Laden und Kühlen bei Zügen, Flugzeugen, Militärfahrzeugen inklusive Waffen- und Kampfanwendungen, wie zum Beispiel Großrobotern, Panzern, Drohnen, M777 Haubitzen und Railguns usw. eingesetzt werden, wobei für alle diese Anwendungen die Möglichkeit zum schnellen Batterieladen vorteilhaft wäre, und wobei sich die Menge des benötigten und zuzuführenden Kühlmittels proportional zur Größe der Batterie und der gewünschten Ladegeschwindigkeit verhält. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff „Fahrzeug“ benutzt, um jegliche Art von im weitesten Sinne mechanischen Geräten und Vorrichtungen zu umfassen.
Insbesondere für militärische Zwecke kann es sinnvoll sein, in weiteren Ausführungen die Schnellladestationen 60, 60' als mobile Ladestationen bereitzustellen, die dort von Ort zu Ort transportiert werden können, wo keine stationären Ladestationen zur Verfügung stehen. Entsprechend können die Schnellladestationen in ein Fahrzeug integriert werden, zum Beispiel in ein Panzerfahrzeug, ein Flugzeug oder einen LKW, oder sie können so ausgebildet sein, dass sie zu Transportzwecken auf ein Fahrzeug geladen werden oder anderweitig von einem Fahrzeug transportiert werden können.

Das Diagramm in 7 zeigt zwei Kurven, in denen für eine Batterie mit drei Zellen und einer 20-minütigen Laderate (d.h. einem C-Faktor von 3 C) die Batteriekerntemperatur gegenüber der Ladezeit beim Schnellladen abgetragen ist. Die dreizellige Batterie umfasst elektrisch leitfähige Interkonnektoren 36 (siehe 2) zwischen den Zellen. Mit der Kurve 200 ist die Temperatur der dreizelligen Batterie in Abhängigkeit von der Ladezeit ohne Kühlmittelzufluss durch die Interkonnektoren 36 abgetragen, und mit der Kurve 202 ist die Temperatur der dreizelligen Batterie in Abhängigkeit von der Ladezeit abgetragen, wenn Kühlmittel bei einer Geschwindigkeit von einem Liter pro Minute durch die Interkonnektoren 36 in die Batterie 30 hineingeleitet wird. In dem zugrundeliegenden Experiment wurde eine im Handel erhältliche Wärmeträgerflüssigkeit benutzt, das Thermoöl Paratherm LR, das ein paraffinhaltiger Kohlenwasserstoff mit einem breiten Einsatzspektrum zwischen - 50 und 230 Grad Celsius ist. Paratherm LR zeichnet sich durch einen spezifischen Widerstand von etwa 10E14 Ohm cm und einer dielektrischen Durchschlagspannung (nach ASTM-Standard D1816-04, 0,1 Zoll/circa 0,254 cm Spalt) von über 22 kV aus, was im Experiment ausreichte, um die elektrischen Batteriekomponenten vor Schäden zu schützen, die beispielsweise durch einen Kurzschluss verursacht werden könnten, der außerdem zu einer unzureichenden Batterieaufladung führen würde. Das Diagramm verdeutlicht, wie die Zuführung von Kühlmittel in eine Batterie den Anstieg der Batterietemperatur begrenzt. Ohne Kühlung steigt entsprechend 7 die Batterietemperatur von einer Ausgangstemperatur von 22 Grad Celsius in einem Ladevorgang von 4 Minuten auf etwa 30 Grad Celsius an und in 11 Minuten auf etwa 39 Grad Celsius. Im Vergleich dazu erreicht die Batterietemperatur erst nach 11 Minuten 30 Grad Celsius, wenn beim Laden Kühlmittel durch die Batterie geleitet wird. Der Temperaturanstieg in der Batterie ist unter Kühlmittelzugabe (Differenz von 8 Grad Celsius gegenüber der Ausgangstemperatur) entsprechend weniger als halb so hoch wie ohne Kühlmittel (Differenz von 17 Grad Celsius gegenüber der Ausgangstemperatur). Weitere Eigenschaften des Thermoöls Paratherm LR sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Chemische Bezeichnung	Paraffinhaltiger Kohlenwasserstoff
Maximal empfohlene Filmtemperatur	500 °F / 260 °C
Maximal empfohlene Betriebstemperatur	450 °F / 232 °C
Mindestbetriebstemperatur 20 cP (20 mPa*s)	-58 °F / -50 °C
Mindeststarttemperatur 300 cP (300 mPa*s)	-112 °F / -80 °C
Kinematische Viskosität bei 60 °F /	2,4
15,5 °C cSt (mm²/s)
Dichte bei 60 °F /15,5 °C Ib/qal (kg/m³)	6,4 (766)
Flammpunkt (Closed Cup, D56)	> 130 °F / 54 °C
Zündtemperatur (maximal 10 s Zündverzögerung)	> 500 °F / 260 °C
Siedepunkt (14,7 psia / 101 kPa)	397 °F / 202 °C
Dampfdruck @ maximaler Betriebstemperatur psia (kPa)	21 (145)
% thermische Ausdehnung über empfohlene Betriebstemperatur pro 100 °F (°C)	6,8 (12,2)
Durchschnittliches Molekularqewicht	160
Dielektrische Durchschlagspannung D1816-04 (kV, 0,1 Zoll/circa 0,254 cm Spalt)	22,15
Dielektrische Konstante (1 kHz) D924-04	2,03
Dielektrischer Verlustfaktor (1 kHz) D924-04	0,00001
Spezifischer Widerstand bei 100 V (Ω*cm) D257-07	1,84 * 10¹⁴
Brennwert (annähernd) Btu/Ib (kJ/kq)	20.000 (46.300)
Verdampfungsenergie (annähernd) Btu/Ib (kJ/kq)	113 (262)

Die Erfindung wurde in den vorangehenden Ausführungen unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und Beispiele davon beschrieben. Es ist jedoch durchaus vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Die Beschreibung und die Figuren illustrieren und verdeutlichen nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Claims

Eine Fahrzeugladestation (60), umfassend: eine hochleistungsfähige Ladequelle (62) zum Schnellladen einer elektrischen Batterie (30) eines Elektrofahrzeugs (20); eine Kühlmittelquelle (64) zur Bereitstellung eines elektrisch isolierenden Kühlmittels; und einen Anschluss (42) , der sowohl einen Abschnitt für die elektrische Speisung (82) zur Zuführung der elektrischen Ladung als auch einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung (84) zur Zuführung des Kühlmittels umfasst, wobei der Anschluss (42) zum Laden der elektrischen Batterie (30) und zur Bereitstellung des elektrisch isolierenden flüssigen Kühlmittels von der Kühlmittelquelle (64) über eine innerhalb des Elektrofahrzeugs (20) angeordneten Kühlmittelleitung (26) zur Kühlung der elektrischen Batterie (30) während eines Ladevorgangs mit einer Aufnahme (50) des Elektrofahrzeugs (20) verbindbar ist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Anschluss (42) ein Gehäuse umfasst und das Gehäuse den Abschnitt für die elektrische Speisung (82) und den Abschnitt für die Kühlmittelspeisung (84) umfasst.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt für die elektrische Speisung (82) kabellos oder induktiv mit dem Elektrofahrzeug (20) eine indirekte Verbindung bildet.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Anschluss (42) einen Verriegelungsmechanismus aufweist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Anschluss (42) einen Auslöseknopf zur Steuerung des Verriegelungsmechanismus aufweist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Anschluss (42) einen Auslöser für die Zuführung von elektrischer Ladung und Kühlmittel vom Anschluss (42) zum Elektrofahrzeug (20) aufweist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei der Anschluss (42) eine Datenverbindung zur Verbindung zwischen dem Elektrofahrzeug (20) und der Fahrzeugladestation (60) aufweist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, die weiterhin einen Prozessor umfasst, der mindestens mit einem Gerät für ein Abrechnungssystem und/oder mit einem Gerät (73) für die Nutzung von Kreditkarten oder Lastschriftkarten verbunden ist.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, die weiterhin eine Kühleinheit (66) zum Kühlen des Kühlmittels umfasst.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, wobei die Ladequelle die elektrische Batterie (30) des Elektrofahrzeugs (20) bei 100 kW oder mehr auflädt.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, bei dem das Kühlmittel in flüssiger Form vorliegt und mit einer Rate von 0,1 Liter pro Sekunde oder schneller zugeführt wird.
Fahrzeugladestation (60) nach Anspruch 1, die weiterhin eine Steuerung (70) umfasst, die die Laderaten aufgrund der von einer im Elektrofahrzeug (20) befindlichen Steuerung (28) übermittelten Daten festlegt.
Ein Elektrofahrzeug (20), umfassend: eine elektrische Batterie (30) zur Bereitstellung von Energie für das Fahrzeugantriebssystem; eine Aufnahme (50) für den Ladeanschluss; eine Kühlmittelleitung (26) zwischen der elektrischen Batterie (30) und der Aufnahme (50); eine separate Aufnahme (150) und eine Stromverbindung (24) zwischen der elektrischen Batterie (30) und der Aufnahme (50) und eine Elektroleitung (154) zwischen der elektrischen Batterie (30) und der separaten Aufnahme (150).
Elektrofahrzeug (20) nach Anspruch 13, wobei die Stromverbindung eine Elektroleitung umfasst.
Elektrofahrzeug (20) nach Anspruch 14, wobei das Kühlmittel von der Kühlmittelleitung (26) durch die elektrische Batterie (30) geleitet wird.
Elektrofahrzeug (20) nach Anspruch 14, das weiterhin eine im Elektrofahrzeug (20) befindliche Steuerung (28) umfasst, die mit einer Fahrzeugladestation (60) verbunden werden kann.
Elektrofahrzeug (20) nach Anspruch 17, wobei die im Elektrofahrzeug (20) befindliche Steuerung zum Festlegen der Ladeparameter Daten über den Batteriezustand an die Fahrzeugladestation (60) übermittelt.
Elektrofahrzeug (20) nach Anspruch 17, das weiterhin einen Sensor umfasst, der mindestens eine der beiden Größen Temperatur oder Spannung der elektrischen Batterie (30) erfasst und an die im Elektrofahrzeug (20) befindliche Steuerung für das Kühlen und Laden der elektrischen Batterie (30) zurückmeldet.