DK202100004Y3

DK202100004Y3 - Mobilt opladningssystem for køretøjer, som anvender elektrisk traktion

Info

Publication number: DK202100004Y3
Application number: DKBA202100004U
Authority: DK
Inventors: Cimrman Radek; Vyziblo Oldrich; Hajsky Lubos; Soucek Karel
Original assignee: Devinn S R O
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2021-02-22
Also published as: FI12905Y1; ES1265374Y; AT17460U1; DK202100004U1; PT2020001667Y; WO2020001667A1; CZ2018321A3; DE212019000334U1; ES1265374U

Abstract

Det mobile opladningssystem for køretøjer, som anvender elektrisk traktion, omfattende en styreenhed (1), en brændstofenhed (2) med mindst én hydrogenbrændselscelle (5), et DC/DC indtag (7) og DC/DC-udtag (6), en opladningsenhed (3) med mindst ét DC/DC-indtag (8) og et opladningsudtag (9) og en hjælpestrømkilde (4). Hjælpestrømkilden (4) forsyner styreenheden (1), brændstofenheden (2) via DC/DC-indtaget (7) og opladningsenheden (3) via DC/DC-indtaget (8). Brændstofenhedens (2) DC/DC-udtag (6) er videre forbundet med DC/DC indtaget (8) af opladningsenhed (3), som sørger for forbindelse med det opladede køretøj vha. opladningsudtaget (9). Styreenheden (1) er forbundet med brændstofenheden (2) og opladningsenheden (3) og regulerer strøm og spænding i systemet.

Description

l DK 202100004 Y3 MOBILT OPLADNINGSSYSTEM FOR KØRETØJER, SOM ANVENDER ELEKTRISK TRAKTION Teknikkens område Opfindelsen vedrører opladningssystemer for køretøjer med elektrisk eller hybrid drivkraft.

Den kendte teknik Køretøjer, der anvender den nuværende elektriske traktion, er udstyret med en traktionsmotor, en kraftenhed (konvertor) og et traktionsbatteri, som fungerer som energibeholdning. Elektrisk energi strømmer fra batteriet i form af jævnstrøm til — kraftenheden, som tilpasser spændingens og strømmens forløb på udtaget for motoren. På den måde tilpasset energi omdannes i motoren til mekanisk energi. Denne teknik kræver opladning af traktionsbatteriet. Opladningen sker som regel ved at køre med en elbil til en ladestation — som regel en ladeboks eller en ladestander for AC- eller DC- opladning. Efter afsluttet opladning kan man fortsætte i kørsel indtil elektrisk energi er — opbrugt. Ved køretøjets drift skal man altid have en tilstrækkelig energetisk reserve for uventede komplikationer. Når energien er opbrugt, bliver køretøjet immobil og skal bugseres til den nærmeste ladestation, hvor det skal oplades. Aktuelle kendte løsninger: a) Mobilbatteri-type — et batteri (som regel et litiumbatteri), som er opladet ved en stationær lader, læsses på et køretøj/anhænger, og køres til et immobilt køretøj, som skal oplades og opstartes. Tiden, som er nødvendig til opladning af den mobile oplader, tager nogle timer og noget tid tager opladning af den immobile elbil. Ulempen er en lav tæthed af energi, oplagret oftest i litiumbatterier, per vægtenhed. Denne vægt skal transporteres også i tilfælde af et tomt mobilbatteri. b) ,Range extender”-type — udstyret er i form af en anhænger, på hvilken er der lagt et batteri. Udstyret kan anhænges efter køretøjet med elektrisk traktion, og på den måde udvides batteriets kapacitet, hvad forlænger elbilens rækkevidde. Ulempen er, at man bliver nødt til at køre med en anhænger, hvad der kræver, at køretøjet er teknisk

, DK 202100004 Y3 beredt til det og har en trækkrog. Det er heller ikke fordelagtigt at bruge energi på at trække selve anhænger.

c) ,EV to EV“type — et system, som muliggør opladning af et køretøj fra det andet køretøjs traktionsbatteri vha. direkte tilsluttet kabel. Ulempen ved denne løsning er nødvendighed af installation af et specielt udstyr på køretøjet, som gør muligt at overføre energien fra traktionsbatteriet til det andet køretøj, idet standard flyder energien ind i elbilen. En anden ulempe er lav mængde overført energi (begge køretøjer deles om energien i et batteri), så at de er i stand til at køre til den nærmeste ladestation.

— |lden kinesiske patentansøgning CN 103707795 A er der beskrevet mobil opladningsbil baseret på et system af en reform metanol brændselscelle, som indeholder en metanoltank, en hydrogentank, en reformator, en tryksensor, selve reform metanol-brændselscelle, en kilde af jævnstrøm (DC) og vekselstrøm (AC), et hjælpebatteri og en styreenhed. Udtaget fra brændselscellen er et DC-udtag. Reaktion af reform metanol-celle producerer CO; og H20 og — selve cellen har generelt lavere virkningsgrad end hydrogenbrændselsceller. Desuden kræver denne løsning en højere driftstemperatur (ca. 100 °C) og to slags tanke, den ene for metanol og den anden for hydrogen, hvilket øger løsningens kompleksitet på volumen og afkøling. | den kinesiske brugsmodel CN 201371765 Y er der beskrevet løsning af mobil opladningsbil/anhænger, konkret indretning af de enkelte komponenter (opladningsenhed, generator, fastgørelseselementer) på bilens/anhængerens undervogn. Opladningsenheden eller energigeneratoren er ikke beskrevet nærmere.

I den koreanske patentansøgning KR 20120095141 A er der beskrevet mobil opladningsenhed for opladning af et køretøj med elektrisk traktion. Opladningsenheden omfatter to opladningsmuligheder — den hurtige vha. en hurtiglader og den fulde vha. en standard oplader — og videre flere opladerkabler for opladning af flere køretøjer på én gang. Som energikilde for opladningsenhed kan der anvendes en selvstændig ekstern energikilde eller et selvstændigt system, som genererer energien. | dokumentet er dog disse energikilder ikke beskrevet nærmere. | det amerikanske patent US 8963481 B2 er der beskrevet opladningsservicebiler og anvendelsesmader af modulære batterier. Denne servicebil er udstyret med nogle aftagelige

2 DK 202100004 Y3 batterier, som tjener til opladning af elbiler uden for ladestationer. Opfindelsen beskriver opladning først fra et batteri med et lavere energiniveau og bagefter skift til opladning fra et batteri med et højere energiniveau. Ulempen er, at disse batterier skal oplades et sted og køres til elbiler, som skal oplades, hvad der forlænger batteriets opladningstid dobbelt.

Den internationale patentansøgning WO 2011/031916 A2 beskriver opladningsanhænger, som anhænges efter køretøjet med elektrisk traktion, og denne anhænger bærer en brændstoftank, en energigenerator og et system af en selvstændig anhængerdrev med en belastningssensor for køretøj med den elektriske traktion. Brændstoftanken og energigeneratoren kan blandt andet være hydrogentanke og en hydrogenbrændselscelle. Hvis — køretøjets batteri er afladet, kan der anvendes tilsluttet anhænger for opladning af batteriet. Ulemper ved opladningsanhængere er allerede nævnt ovenfor og omfatter, at køretøjet kræver teknisk udstyr for anhænger (en trækkrog) og energien brugt for selve slæbning/drev af selve anhænger.

— Indhold af opfindelsen Genstand for opfindelsen er reaktion på den nuværende tilstand, hvis begrænsninger er især batteriets vægt (bærer af energien), som skal transporteres i en opladet eller afladet tilstand. Desuden er det nødvendigt at oplade fra en ladestation, som er anbragt på en stationær energetisk struktur.

— Genstand for den foreliggende opfindelse fjerner angivede ulemper ved teknikkens nutidige tilstand og samtidigt præsenterer et mobilt opladningssystem for køretøjer, som anvender elektrisk traktion, hvis indhold består i det, at det indeholder en styreenhed, en brændstofenhed med mindst én hydrogenbrændselscelle, et DC/DC-indtag og et DC/DC- udtag, en opladningsenhed med mindst ét DC/DC-indtag og et opladningsudtag og en — hjælpestrømkilde. Hjælpestrømkilden oplader styreenheden, brændstofenheden via DC/DC- indtaget og opladningsenheden via DC/DC-indtaget, især under opstart og i systemets grænsedriftstilstand. Brændstofenhedens DC/DC-udtag er videre forbundet med opladningsenhedens DC/DC-indtag, som sikrer forbindelse med det opladede køretøj vha. opladningsudtaget. Desuden er styreenheden forbundet med brændstofenheden og

2 DK 202100004 Y3 opladningsenheden og regulerer strømmen og spændingen i systemet. Brændselscellen får energi fra forbindelse af oxygen og hydrogen, mens der opstår vanddamp som affald og systemet forurener ikke miljøet.

Med fordel omfatter brændstofenheden hydrogentryktanke, en — hydrogenrecirkulationspumpe, mindst én hydrogenbrændselscelle, en kompressor for tilførsel af trykluft, brændselscellens kølesystem, kølesystemets cirkulationspumpe, et DC/DC- udtag og et forsyningssystem af brændstofenhed med et DC/DC-indtag. Hydrogen kan trykkes f.eks. ved 350 bar. Hydrogentanke kan være trykflasker forsynet med drifts- og sikkerhedsudstyr (udluftning, overtryksventiler). Hydrogen er ført videre via filter til — brændselscellen, som forandrer kemisk energi til elektrisk energi med virkningsgrad på ca. 50 %. Brændselscellen er afkølet af kølesystemet (medium er vand eller et andet kølemedium) og tilførsel af oxygen er sikret i form af trykluft leveret fra kompressoren. Styreenheden koordinerer brændselscellens hele gangen. Brændselscellen er før og i løbet af opstart forsynet med hjælpestrømkilden via brændselscellens DC/DC-indtag og brændselscellens — udtag er tilsluttet direkte eller vha. DC/DC-udtaget til opladningsenheden. Opladningsenheden omfatter med fordel et DC/DC-indtag og er forsynet med et opladningsudtag med standard CHAdeMO, SAE-J1772 og/eller CCS Combo for tilslutning af batteriet af det opladede køretøj. Det foreliggende mobile opladningssystem kan med fordel integreres i en opladningsbil med — elektrisk eller hybrid traktion og videre via kontaktor kan det forbindes med dens traktionsbatteri (i funktion som hjælpestrømkilde), kraftenheden med funktion af en DC/DC- konvertoren og elektromotoren, mens styreenheden er også forbundet med kontaktoren og traktionsbatteriet. For opladning af batteriet af det opladede køretøj kan der anvendes brændstofenheden i kombination med opladningsbilens traktionsbatteri. Opladningsbilens — traktionsbatteri kan anvendes for opladning af batteriet af det opladede køretøj i startfasen, og bagefter opstartes der opladning vha. brændstofenheden og opladning vha. traktionsbatteriet bliver afsluttet. Desuden kan brændstofenheden oplade både traktionsbatteri af opladningsbil og det opladede køretøj. | tilfælde af integration af opladningssystemet kan brændselscellens kølesystem integreres i opladningsbilens — kølesystem. Opladningssystemet kan også integreres i en drone og/eller et fartøj.

. DK 202100004 Y3 En fordel ved den foreliggende opfindelse er et højt forhold af energivolumen oplagret i hydrogen per hele systemets vægtenhed. Jo højere hydrogenbeholdning er, desto øges dette forhold, mens vægten af de andre komponenter undtagen trykflasker forbliver konstant. Til sammenligning kan der opbevares ca. 1/13 kWh (LiFePo) i ét kg litiumbatteri. | 1 kg H er der — oplagret brandbar varme på 33 kWh og omfatter 11 m? ved atmosfærisk tryk. Et eksempel på installation af systemet i en personlig bil omfatter, at bagsæder, bagagerummets rullegardiner, polstring og andre unødvendige komponenter fjernes. Trykflasker læsses ind i bagagerummet og lapper over i rummet med bagsæder, rummet under og over dem er fyldt med systemets mindre enheder (DC/DC-udtag, opladningsenhed, — kompressor osv.). Opladningsbilen kan køre efter krav det sted, hvor det er nødvendigt. Energi (f.eks. mere end 200 kWh) indeholdt i dette opladningssystem er i stand til at oplade elbilens hele batteri. Opladningen kan foregå f.eks. på en rasteplads eller en parkeringsplads, hvor begge biler parkerer ved siden af hinanden og fra opladningsbilen udtages der et kabel, som tilsluttes det opladede køretøj. Efter afsluttet opladning kan der betjenes et andet køretøj et — andet sted osv. indtil hydrogenbeholdning i brændstofenhed er opbrugt. Energien oplagret i 10 kg Hz kan oplade omtrent 5 køretøjer med vanligt tilgængelig batterikapacitet den dag i dag. Oversigt over figurer på tegninger — Opfindelsen vil blive nærmere oplyst vha. tegninger, hvor: e Fig. 1 viser skematisk ordning af det mobile opladningssystem i den enkleste udførelse med hjælpestrømkilde. e Fig. 2 viser skematisk ordning af det mobile opladningssystem inklusive integrering i opladningsbilens (elbil eller hybrid) nuværende infrastruktur.

Eksempel på opfindelsens udførelse Eksempel 1: Basis udførelse af det mobile opladningssystem Det mobile opladningssystem består af en styreenhed 1, en brændstofenhed 2, en opladningsenhed 3 og en hjælpestrømkilde 4. Hjælpestrømkilden 4 tjener som energikilde for

. DK 202100004 Y3 styreenheden 1, brændstofenheden 2 via et DC/DC-indtag 7 og opladningsenheden 3 via et DC/DC-indtag 8, især ved opstart og systemets grænsedriftstilstand.

Med fordel anvendes hjælpestrømkilden 4 også ved brændstofenhedens 2 ydelser mindre end 10 til 15 %, fordi så lave ydelser forkorter brændselscellens 5 levetid.

Styreenheden 1 forbinder og koordinerer gang af alle andre enheder, dvs. brændstofenheden 2 og opladningsenheden 3. Brændstofenheden 2 omfatter hydrogentryktanke, en hydrogenrecirkulationspumpe, mindst én hydrogenbrændselscelle 5, en kompressor for tilførsel af trykluft, brændselscellens kølesystem, kølesystemets cirkulationspumpe, et DC/DC-udtag 6 og brændstofenhedens forsyningssystem med DC/DC-indtag 7. På udtaget fra brændselscellen er der et DC/DC-udtag

6 og selve brændselscellen er forsynet via et DC/DC-indtag 7. Brændselscellens effekt kan f.eks. være 30 kW og forsyningen løses vha. spænding på 24 V.

Brændstofenheden 2 kommunikerer elektrisk med opladningsenheden 3, f.eks. ved elektrisk forbindelse med spænding på 398 V.

Opladningsenheden 3 omfatter et DC/DC-indtag 8 og er udstyret med et opladningsudtag 9 med standard CHAdeMO, SAE-J1772 og/eller CCS Combo for tilslutning af — detopladede køretøjets batteri (opladningsenhedens 3 effekt f.eks. 25 kW). Opladningen sker ved at tilslutte kablet fra opladningsbilen via opladningsudtaget 9 til det opladede køretøj.

Eksempel 2: Opladningsbil med elektrisk eller hybrid traktion udstyret med det mobile opladningssystem Bilens nuværende struktur omfatter et traktionsbatteri 11, en kraftenhed 12 (en DC/DC- — konvertor)og en traktionsmotor 13 (elektromotor). Via en kontaktor 10 er disse komponenter forbundet med det mobile opladningssystem og traktionsbatteriet 11 opfylder her funktion af en hjælpestrømkilde 4. Selve mobile opladningssystem består af en styreenhed 1, en brændstofenhed 2 og en opladningsenhed 3. Styreenheden 1 forbinder og koordinerer gang af alle andre enheder, dvs. brændstofenheden 2, opladningsenheden 3, kontaktoren 10 og — traktionsbatteriet 11. Brændstofenheden 2 omfatter hydrogentryktanke, en hydrogenrecirkulationspumpe, mindst én hydrogenbrændselscelle 5, en kompressor for tilførsel af trykluft, brændselscellens kølesystem, kølesystemets cirkulationspumpe, et DC/DC- udtag 6 og brændstofenhedens forsyningssystem med et DC/DC-indtag 7. På udtaget fra brændselscellen er der et DC/DC-udtag 6 og selve brændselscellen er forsynet via et DC/DC- — indtag 7. Brændselscellens 5 effekt kan f.eks. være 30 kW og forsyningen løses vha. spænding på 24 V.

Brændstofenheden 2 kommunikerer elektrisk med opladningsenheden 3 og

, DK 202100004 Y3 kontaktoren 10, f.eks. af elektrisk forbindelse med spænding pa 398 V. Opladningsenheden 3 omfatter et DC/DC-indtag 8 og er udstyret med et opladningsudtag 9 med standard CHAdeMO, SAE-J1772 og/eller CCS Combo for tilslutning af det opladede køretøjets batteri (opladningsenhedens 3 effekt f.eks. 25 kW). Også opladningsenheden 3 kommunikerer via — kontaktoren 10 med køretøjets nuværende infrastruktur. Opladningen sker ved at tilslutte kablet fra opladningsbilen via opladningsudtaget 9 til det opladede køretøj. Eksempel 3: Opladningsmåde vha. det mobile opladningssystem integreret i køretøjet med elektrisk eller hybrid traktion Efter at opladningsbilen standser, forbindes hjælpestrømkilden 4, resp. traktionsbatteriet 11 til styreenheden 1, som sørger for kommunikation af opladningsenheden 3 med det opladede køretøj. Efter at det opladede køretøj (elbil, hybrid) lægges til, er der opstartet opladningens indledende fase. Opladningsenheden 3 begynder at kommunikere om spændingens og strømmens forhold, som skal appliceres på det opladede batteri. Imens er der opbygget en elektrisk forbindelse mellem traktionsbatteriet 11 og opladningsbilens opladningsenhed 3 og det er muligt at opstarte opladning på den maksimale effekt tilgængelig i traktionsbatteriet 11 — ca. 50 kW. Desuden er der opstartet en brændselscelle 5 for at sørge for energi. Efter at brændselscellen 5 kommer på den angivede effekt (50 kW) er der afsluttet opladning fra traktionsbatteriet 11 og der påbegyndes opladning fra brændselscellen 5, som overtager rolle som energikilde. Brændselscellens overskydende effekt 5 er omdirigeret til opladningsbilens — traktionsbatteri 11 sådan, at det også bliver opladet. | løbet af opladningen af det opladede køretøj i takt med at batteriet bliver trinvis opladet, sænkes den nødvendige effekt (strøm) og brændselscellens 5 effekt bliver derfor proportionelt reguleret. Når der opnås brændselscellens 5 minimale effekt (10 til 15 %), overtager opladningsbilens traktionsbatteri 11 igen rolle som energikilde og det opladede køretøj bliver opladet til 100 %.

Industriel anvendelighed Denne løsning kan anvendes til opladning af køretøjer med elektrisk traktion uden for ladestationer, især hvis elbilen er fuldt udladet og er efterfølgende immobil. Energi i form af hydrogen kan transporteres til det immobile køretøj vha. et andet køretøj, fartøj eller luftfartøj (endrone).

2 DK 202100004 Y3 Liste over referencemærker

1 Styreenhed 2 Brændstofenhed 3 Opladningsenhed

4 Hjælpestrømkilde 5 Brændselscelle 6 DC/DC-udtag af brændstofenhed 7 DC/DC-indtag af brændstofenhed 8 DC/DC-indtag af opladningsenhed

9 Opladningsenhedens opladningsudtag

10 Kontaktor 11 Traktionsbatteri 12 Kraftenhed 13 Traktionsmotor

Claims

2 DK 202100004 Y3 BRUGSMODELKRAV

1. Det mobile opladningssystem for køretøjer, som anvender elektrisk traktion, kendetegnet ved, at det indeholder en styreenhed (1), en brændstofenhed (2) med mindst én hydrogenbrændselscelle (5), et DC/DC-indtag (7) og et DC/DC-udtag (6), en opladningsenhed (3) med mindst ét DC/DC-indtag (8) og et opladningsudtag (9), og en hjælpestrømkilde (4), hvor hjælpestrømkilden (4) forsyner styreenheden (1), brændstofenheden (2) via DC/DC-indtaget (7) og opladningsenheden (3) via DC/DC- indtaget (8), hvor DC/DC-udtaget (6) af brændstofenheden (2) er videre forbundet med DC/DC-indtaget (8) af opladningsenheden (3), som sørger for forbindelse med det opladede køretøj vha. opladningsudtaget (9), hvor styreenheden (1) er forbundet med brændstofenheden (2) og opladningsenheden (3) og regulerer strøm og spænding i systemet.

2. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 1, kendetegnet ved, at brændstofenheden (2) omfatter hydrogentryktanke, en hydrogenrecirkulationspumpe, mindst én hydrogenbrændselscelle (5), en kompressor for — tilførsel af trykluft, brændselscellens — kølesystem, — kølesystemets cirkulationspumpe, DC/DC-udtaget (6) og brændstofenhedens forsyningssystem med DC/DC-indtaget (7).

3. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 1, kendetegnet ved, at opladningsenheden omfatter et DC/DC-indtag (8) og er udstyret med et opladningsudtag (9) med standard CHAdeMO, SAE-J1772 og/eller CCS Combo for tilslutning af batteriet af det opladede køretøj.

4. Det mobile opladningssystem i henhold til ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det er integreret i en opladningsbil med elektrisk eller hybrid traktion og er videre forbundet via en kontaktor (10) med en hjælpestrømkilde (4) i form af et traktionsbatteri (11) af opladningsbil og videre med kraftenhed (12) med funktion af DC/DC-konvertor og elektromotor (13), hvor styreenheden (1) er forbundet med kontaktoren (10) og traktionsbatteriet (11).

1 DK 202100004 Y3

5. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 4, kendetegnet ved, at for opladning af batteriet af det opladede køretøj er der anvendt en brændstofenhed (2) i kombination med opladningsbilens traktionsbatteri (11).

6. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 5, kendetegnet ved, at opladningsbilens traktionsbatteri (11) er anvendt for opladning af batteriet af det opladede køretøj i startfase, og bagefter er der opstartet opladningen vha. brændstofenheden (2) og opladningen vha. traktionsbatteriet (11) er afsluttet.

7. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 6, kendetegnet ved, at brændstofenheden (2) oplader traktionsbatteriet (11) af både opladningsbilen og batteriet af det opladede køretøj.

8. Det mobile opladningssystem i henhold til krav 4, kendetegnet ved, at brændselscellens (2) kølesystem er integreret i opladningsbilens kølesystem.

9. Det mobile opladningssystem i henhold til ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det er integreret i en drone og/eller et fartøj.