EP4045353A1 - Ladestation für ein elektrisches kraftfahrzeug - Google Patents

Ladestation für ein elektrisches kraftfahrzeug

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Publication number
EP4045353A1
EP4045353A1 EP20793611.3A EP20793611A EP4045353A1 EP 4045353 A1 EP4045353 A1 EP 4045353A1 EP 20793611 A EP20793611 A EP 20793611A EP 4045353 A1 EP4045353 A1 EP 4045353A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
charging
combustion engine
internal combustion
electrical energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20793611.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Sohl
Inès Adler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Me Energy GmbH
Original Assignee
Me Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Me Energy GmbH filed Critical Me Energy GmbH
Publication of EP4045353A1 publication Critical patent/EP4045353A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/50—Charging stations characterised by energy-storage or power-generation means
    • B60L53/57—Charging stations without connection to power networks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/31—Charging columns specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M31/02—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a charging station, which is suitable for charging electric vehicles, with an internal combustion engine, a tank for a liquid energy carrier, a fuel line from the tank to the internal combustion engine, a fuel heating device for heating the fuel in the fuel line, a generator, a connection device that is set up is to be connected to an electric vehicle, wherein the device for connecting the electric vehicle is suitable for transmitting electrical energy to the electric vehicle and wherein the generator is coupled to the internal combustion engine such that the kinetic energy generated by the internal combustion engine is converted into electrical energy by the generator Energy is convertible.
  • Stationary systems are known for the electrical supply of stationary charging stations to the T r hopessbatterie of a plug-in vehicle - hybrid or electric vehicle - again charge, as described, for example, in DE 102009016 505 A1.
  • the charging station itself is connected to the power supply on a busbar.
  • An existing power grid has a connection element for outputting electrical energy to an electric vehicle.
  • Such a charging column has the disadvantage that it cannot be flexibly set up or dismantled.
  • the costs for setting up and, in particular, connecting the charging station to the existing power grid are also very high. If the charging station is only to remain in its current location temporarily, its erection and dismantling will cause unnecessarily high costs.
  • Charging stations that are constructed in such a way that they are transportable can be replaced more flexibly.
  • the patent specification “DE 10 2010 043 516 A1 - Device for Rapid Charging of an Electrical Energy Storage of a Vehicle” from Power Innovation Power Supply Technology GmbH discloses a device for exchanging electrical energy.
  • the device has an electrical energy store (battery) that charges the vehicle's energy store via a programmable controller and an AC / DC converter.
  • the energy store of the device itself is recharged via various direct voltage sources. All components (energy storage, control, converter) are arranged in a device, the DC voltage source for charging the energy storage is external and remote from the device.
  • This charging station has the disadvantage that it is so large and heavy that it can only be set up and operated over a large area, e.g. in parking lots in shopping centers. Their use in e.g. multi-storey car parks is not possible. A connection to an existing power grid is also necessary.
  • the utility model "DE 20 2010 011 567 U1 - Mobile Electric Charging Station” from the company Beton- und Energytechnik Heinrich Gräper GmbH & Co. KG discloses a portable electric charging station that is arranged within a portable station building.
  • the Building has several rooms and is made of concrete.
  • In the building there are both fuel cell modules, storage tanks for the fuel (hydrogen, methane, biogas) and an inverter.
  • the building also has a photovoltaic system for self-sufficiency.
  • This charging station is also very large and heavy. At least one truck is required for their transport.
  • the patent specification “DE 10 2017 207 023 B4 - charging system and method for operating a charging system” from AUDI AG discloses a charging system that has a transportable charging station.
  • the charging station has a generator that is operated using a synthetic fuel. Excess energy is stored in an intermediate storage device (battery), which is arranged in the charging station.
  • the fuel itself is produced in an external fuel production facility.
  • the fuel is synthesized from the carbon dioxide in the atmosphere using regenerative energy sources.
  • This charging station requires synthetic fuel to operate, which is currently not available or only available in small quantities and is therefore very expensive. Operation of the charging station is therefore also very expensive, and a supply of the required synthetic fuel is not guaranteed.
  • EP 1 513 211 A2 - Fuel supply device for direct methanol fuel cells from Samsung Electronics Co., Ltd. describes a methanol-powered fuel cell that has a removable and addable tank for the methanol. The cavity in the fuel cell is filled through the tank. This charging device delivers such a low power that it cannot be used for motor vehicles.
  • the fuel cell is essentially designed for recharging electronic hand money devices (PDA, notebooks, smartphones ). It is therefore the object of the present invention to provide an autarkically functioning charging column for motor vehicles which is suitable for recharging electric vehicles in a short time and which is as environmentally friendly as possible.
  • the charging column according to the invention which is suitable for charging electric vehicles, has an internal combustion engine, a tank for a liquid energy carrier and a fuel line between the tank and the internal combustion engine.
  • the charging station has a fuel heating device which is suitable for heating the liquid energy carrier in the fuel line.
  • the charging station has a generator which is coupled to the internal combustion engine in such a way that the kinetic energy generated by the internal combustion engine can be converted into electrical energy.
  • the charging column has a connection device which is set up to be connected to an electric vehicle and to transmit electrical energy to the electric vehicle.
  • the charging column is a stationary charging column which is provided and designed for stationary operation.
  • stationary operation is understood to mean operation for carrying out several charging processes at one position.
  • this does not restrict the easy portability of the charging station, which can be set up independently of supply or disposal connections and functions independently. It is therefore also possible to move the charging station with little effort if the previous installation location proves to be unsuitable, is to be used differently or a better parking space has been found for the charging station.
  • the charging column can be loaded onto a transport vehicle in a simple manner for the purpose of maintenance or repair in order to carry out this work in a workshop.
  • the charging station has an electrical energy store which is suitable and intended to provide the electrical energy required to start and / or operate the fuel heating device.
  • the energy store supplies the fuel heating device with energy.
  • the electrical energy store is advantageously designed to be rechargeable.
  • the internal combustion engine is suitable and intended to be operated with a liquid energy carrier with a methanol and / or ethanol proportion of at least 50% by volume.
  • the tank contains the liquid energy carrier with a methanol and / or ethanol content of at least 50% by volume.
  • Both types of fuel can be produced from biomass in an environmentally friendly and sustainable manner, have long been established as fuels around the world and are therefore inexpensive. Their transport, storage and operation are comparable to conventional gasoline and are therefore unproblematic. Fuels with an ethanol and / or methanol content of at least 75% by volume, preferably 85% by volume and particularly preferably 95% by volume can also be used as an option.
  • the charging station has a control unit which is suitable and provided for controlling the operation of the fuel heating device.
  • the fuel heating device is started at the beginning of the charging process; when the charging process is completed, the fuel heating device is switched off.
  • its energy output is also regulated so that the temperature of the fuel heated by the fuel heating device lies within a range selected by the operator of the charging station.
  • the start of the charging process is, for example, the first information to the charging station that a charging process should be started. This can be, for example, the authentication of the user, the connection of a charging cable or the waking up of the charging station from stand-by mode.
  • the start of the charging process is in any case before the start of the internal combustion engine to generate the electrical energy.
  • the fuel heating device has a PTC ceramic or an electrical resistance heater. Both designs work reliably, can be easily controlled via the current passed through them, and can be implemented cost-effectively.
  • a PTC auxiliary heater has the additional advantage that it is self-regulating, ie a presettable maximum temperature cannot be exceeded due to the design.
  • the fuel heating device is arranged in such close proximity to the fuel line that the fuel in the fuel line can be heated effectively and without great heat loss.
  • the waste heat from the fuel heating device can be used to heat the fuel line.
  • the fuel heating device itself is usually heated; the heat from the fuel heating device is used to heat the fuel in the fuel line.
  • the fuel heating device is used to heat the engine block of the internal combustion engine in order to obtain an ignitable fuel mixture.
  • the charging column has a housing in which the internal combustion engine, the fuel line, the fuel heating device, the control unit, the generator and / or the electrical energy store are arranged.
  • the dimensions of the charging station are very compact and it can be transported, set up, operated and dismantled as a whole component.
  • the charging column according to the invention offers advantages over conventional charging columns that have to be connected to an existing power grid: The costs of the charging column and thus the investments for installation and operation are low. If the charging station cannot be operated profitably at the chosen location, it can be easily dismantled. Even in the case of structural measures in the immediate vicinity of the charging station, it can be removed quickly and reassembled at another, more suitable location.
  • the charging column only has lines and / or connections that are suitable for conducting electrical energy out of the charging column.
  • the in The electrical energy generated by the charging station is delivered to a motor vehicle.
  • the charging station has no other electrical connections that are outside the housing. The charging station therefore does not need a connection to an existing power grid. The costs of the charging station and thus the investments for installation and operation are low.
  • the fuel heating device of the charging station is designed as a heating device for heating the air that is sucked in.
  • the fuel heating device can be designed, for example, as a heat exchanger, PCT heater and / or resistance heater.
  • the sucked in air can also be heated by waste heat from other components of the charging station such as the motor or electrical components such as the rectifier. For this, however, it is necessary for the air duct to be guided over a certain distance along a correspondingly heat-emitting component of the charging station.
  • the method according to the invention for generating electrical energy in a charging station for charging electric vehicles has five method steps:
  • a liquid energy carrier is fed from a tank to an internal combustion engine.
  • a fuel pump is used for this, which is operated by means of the energy storage device built into the charging station.
  • the charging process begins when, for example, a user plugs the electrical connection (charging cable) into the corresponding socket of the motor vehicle to be charged.
  • the liquid energy source is heated.
  • the heating is carried out by a fuel heating device which, for example, heats the fuel line.
  • the internal combustion engine is heated with the liquid Energy carriers operated.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine is converted into electrical energy.
  • the generated electrical energy is delivered to an electric vehicle.
  • the air-fuel mixture When a fuel heating device is used, the air-fuel mixture has such a high temperature that the fuel particles are finely distributed and are burned almost stoichiometrically in the internal combustion engine.
  • the exhaust gas behavior of the internal combustion engine, especially during the starting process and during the cold running phase, is significantly improved.
  • the method is carried out in a stationary charging station in stationary operation.
  • stationary operation is understood to mean operation for carrying out several charging processes at one position.
  • this does not restrict the easy portability of the charging station, which can be set up independently of supply or disposal connections and functions independently. It is therefore also possible to move the charging station with little effort if the previous installation location proves to be unsuitable, is to be used differently or a better parking space has been found for the charging station.
  • the charging column can be loaded onto a transport vehicle in a simple manner for the purpose of maintenance or repair in order to carry out this work in a workshop.
  • the fuel heating device is started and / or operated by electrical energy from an energy store.
  • the energy store is advantageously rechargeable and supplies the fuel heating device with energy as soon as the charging process is started by a user.
  • the liquid energy carrier that is heated in the fuel line has a methanol and / or ethanol proportion of at least 50% by volume.
  • methanol and / or ethanol proportion of at least 50% by volume.
  • Both types of fuel can be produced from biomass in an environmentally friendly and sustainable manner, have long been established as fuels around the world and are therefore inexpensive. Their transport, storage and operation are comparable to conventional gasoline and are therefore unproblematic. Fuels with an ethanol and / or methanol content of at least 75% by volume, preferably 85% by volume and particularly preferably 95% by volume can also be used as an option.
  • the fuel is heated by the fuel heating device, which is arranged in such close proximity to the fuel line that the fuel in the fuel line can be heated effectively and without great heat loss.
  • the fuel heating device is operated by a control unit.
  • the fuel heating device is started at the beginning of the charging process; when the charging process is completed, the fuel heating device is switched off.
  • its energy output is also regulated so that the temperature of the fuel heated by the fuel heating device lies within a range selected by the operator of the charging station.
  • the fuel is heated by a PTC ceramic or an electrical resistance heater. Both designs work reliably, can be easily controlled via the current passed through them, and can be implemented cost-effectively.
  • a PTC auxiliary heater has the additional advantage that it is self-regulating, ie a presettable maximum temperature cannot be exceeded due to the design.
  • the heated fuel is atomized, for example by means of a carburetor or an injection nozzle.
  • the heated fuel is mixed with a gas to form a fuel-gas mixture and then ignited in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is a piston internal combustion engine that is externally ignited according to the Otto principle (4-stroke) by means of e.g. a spark plug and works with an intake manifold injection.
  • the heated fuel is atomized by means of a fuel injection valve in the intake tract in front of the intake valve of the internal combustion engine in order to form an ignitable mixture with the oxygen in the air.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine is transmitted to a generator and converted by this into electrical energy.
  • the internal combustion engine drives the generator by rotation, so the kinetic energy generated by the internal combustion engine is converted into electrical energy by the generator.
  • the power output of the electrical energy is controlled by changing the load and / or the fuel metering.
  • the performance of the charging station is therefore scalable and can be adapted to different vehicles to be charged.
  • the internal combustion engine is operated in a constant speed range of 1500 rpm to 6000 rpm.
  • the combustion engine runs in a defined, constant speed range of +/- 200 rpm. This is usually in the partial load range in order to ensure efficient fuel consumption. At the same time, this reduces wear.
  • a transmission is arranged between the internal combustion engine and the generator that is designed in such a way that the current generated by the generator changes at a frequency of 50 Hz. This frequency corresponds to the frequency of the alternating current in households.
  • the charging station according to the invention and the method according to the invention for generating electrical energy can therefore also be used to charge motor vehicles that do not have devices for changing the charging current and / or need to be charged using household electricity, e.g. e-bikes or the like.
  • the kinetic energy is transmitted from the internal combustion engine to the generator by means of a toothed belt or chain.
  • Driving the generator by means of a toothed belt or tooth chain is inexpensive and at the same time not prone to failure.
  • the speeds of the combustion engine and generator can easily be reduced or increased.
  • the fuel is heated to a temperature T of at least 25 ° C., preferably at least 30 ° C. and particularly preferably of at least 35 ° C., by the fuel heating device.
  • a temperature of the fuel of at least 35 ° C., in particular during the starting process and in the cold running phase of the internal combustion engine, is particularly preferred. It turned out to be this Temperature of the fuel ensures a quick starting process.
  • the cold running phase is shortened and the exhaust gases do not have to be post-treated in a complex manner.
  • the fuel can also be heated to 10 ° C., preferably to 15 ° C. and particularly preferably to 20 ° C. This is the case, for example, when using methanol.
  • the fuel is heated as a result of the mixing with preheated air.
  • the air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine is initially heated.
  • the preheated air is mixed with the atomized fuel
  • the fuel is heated before the fuel-air mixture ignites.
  • the fuel is heated by the preheated air before the atomization in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the waste heat from components of the charging station, such as the engine itself, or electrical components of the charging station can be used to heat the sucked in air.
  • additional heating elements can heat the sucked in air. These can be heat exchangers, PTC heaters or other resistance heaters.
  • Embodiments of the charging station according to the invention for charging electric vehicles and the method according to the invention for generating a charging current for charging electric vehicles are shown schematically in simplified form in the drawings and are explained in more detail in the following description.
  • Fig. 1 An embodiment of the charging station according to the invention with
  • Fig. 2 An embodiment of the charging station according to the invention with PTC heater
  • Fig. 3 An embodiment of the charging column according to the invention without separate
  • the charging column 1 has an internal combustion engine 3.
  • the internal combustion engine 3 is usually a piston internal combustion engine 3, which is spark-ignited according to the Otto principle (4-stroke) by means of a spark plug, for example.
  • the internal combustion engine 3 has intake manifold injection in which the fuel is atomized by means of a fuel injection valve 14 in the intake tract upstream of the intake valve of the internal combustion engine 3 in order to form an ignitable mixture with the atmospheric oxygen.
  • the internal combustion engine 3 is advantageously operated with a liquid energy carrier (fuel) which has a methanol and / or ethanol content of at least 50% by volume.
  • a liquid energy carrier fuel which has a methanol and / or ethanol content of at least 50% by volume.
  • pure methanol methanol content> 95% by volume is preferably used for operation.
  • This fuel can be produced from biomass in an environmentally friendly way, has long been established worldwide as a fuel and is therefore available at low cost.
  • the transport, storage and operation of methanol in internal combustion engines 3 is comparable to conventional gasoline (for motor vehicles) and is therefore unproblematic.
  • the fuel is stored in the charging station 1 according to the invention in a tank 6 which is connected to the internal combustion engine 3 via the fuel line 12.
  • a fuel heating device 13 is installed in the immediate vicinity of the fuel line 12.
  • the Fuel heating device 13 is an electrical resistance heater, the current-carrying coils of which are wound around fuel line 12 and thus heats the fuel in fuel line 12.
  • the internal combustion engine 3 drives the generator 4 by rotation.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is thus converted by the generator 4 into electrical energy, into an alternating current which has a frequency of 50 Hz.
  • the constancy of the frequency of the alternating current is ensured by a translation between the internal combustion engine 3 and the generator 4.
  • the translation is realized, for example, by means of a gearbox; a drive of the generator 4 by means of toothed belts or toothed chains is simpler, cheaper and at the same time more robust in daily operation.
  • an electrical energy store 5 (rechargeable battery) 9 and a device for conveying the liquid energy carrier 11 are installed in the charging station 1.
  • the energy store 5 supplies the control unit 9, by means of which the charging station 1 recognizes and initiates the beginning or the end of a charging process.
  • the control unit 9 controls the operation of the internal combustion engine 3 in such a way that the internal combustion engine 3 runs in a defined, constant speed range. This is usually in the partial load range in order to ensure efficient fuel consumption.
  • the control unit 9 can adjust the fuel metering of the internal combustion engine 3 accordingly or change the load of the generator 4.
  • the fuel heating device 13 is also controlled by the control unit 9 in such a way that the fuel in the fuel line 12 is always at a temperature of at least 15 ° C., but in particular during the starting process and in the cold running phase of the internal combustion engine 3.
  • an operator of the charging station 1 can set a temperature of the fuel of at least 30 ° C; a temperature of the fuel is particularly preferred, in particular during the starting process and in the cold-running phase of the Combustion engine 3 of at least 35 ° C.
  • the current for the resistance heater of the fuel heating device 13 is provided by the electrical energy store 5.
  • the electrical energy store 5 starts via a starter and a fuel pump that pumps the fuel into the internal combustion engine 3, likewise the internal combustion engine 3 at the start of a charging process.
  • the electrical energy store 5 is possibly recharged by the electrical energy generated by the generator 4.
  • the electrical energy generated in the charging column 1 is delivered to a motor vehicle via one or more electrical connections 10 (charging cables).
  • a user of the charging station 1 can pay for the charging process by means of the control unit 9.
  • Different payment systems are possible, e.g. using different credit cards or a mobile device, e.g. a smartphone.
  • the charging station 1 can therefore be operated independently, i.e. it does not require an electrical connection to an existing power grid.
  • the electrical energy required for its operation is supplied by the rechargeable energy store 5.
  • the dimensions of the charging station 1 are also very compact; the fuel tank 6 usually takes up most of the space.
  • the dimensions of the charging column 1 can be kept small by a suitable choice of the size of the tank 6, but it may then be necessary to fill the tank 6 with fuel frequently.
  • the control unit 9 is advantageously connected to the operator of the charging station 1 via WLAN or similar communication devices and issues a corresponding message when the tank 6 needs to be refilled.
  • the method according to the invention for generating a charging current for charging electric vehicles has five method steps: The charging process begins when a user plugs the electrical connection (charging cable) 10 into the corresponding socket of the motor vehicle to be charged.
  • the control unit 9 recognizes this, and in the first method step 100 the fuel is supplied from the tank 6 to the internal combustion engine 3 by the fuel pump.
  • the fuel is heated to at least 35 ° C. by means of the fuel heating device 13, in particular during the starting process and in the cold-running phase of the internal combustion engine 3.
  • the fuel heating device 13 is a resistance heater, the current-carrying coils of which are wound around the fuel line 12 and thus heats the fuel in the fuel line 12.
  • the internal combustion engine 3 is started by means of a starter.
  • the starter, fuel pump and fuel heating device 13 are supplied with energy by the energy store 5.
  • the internal combustion engine 3 is operated with the heated fuel and drives the generator 4; the chemical energy stored in the fuel is thus converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is converted into electrical energy.
  • this electrical energy is delivered to the motor vehicle via the charging cable 10.
  • the charging process ends when the user detaches the charging cable 10 from the motor vehicle or when the energy storage device of the motor vehicle is sufficiently charged (80% of the capacity of the energy storage device or more). After the charging process has ended, the internal combustion engine 3 is stopped and no more fuel is supplied to the internal combustion engine 3. The charging station 1 goes into standby mode until the next charging process begins.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the charging station 1 according to the invention, the fuel heating device 15 of which is a PTC auxiliary heater.
  • the charging station 1 is operated in a stationary manner and has an internal combustion engine 3.
  • the internal combustion engine 3 is a piston internal combustion engine that works according to the Otto principle (4-stroke).
  • the internal combustion engine 3 has direct injection, in which the fuel is atomized by means of a fuel injection valve 14 in the combustion chamber of the internal combustion engine 3 in order to form an ignitable mixture with the oxygen in the air, which is externally ignited in the combustion chamber of the internal combustion engine 3 by means of, for example, a spark plug.
  • the internal combustion engine 3 is advantageously operated preferably with a liquid energy carrier (fuel) which has a methanol and / or ethanol content of at least 75% by volume.
  • a liquid energy carrier fuel
  • 1 pure ethanol ethanol content> 95% by volume
  • the fuel is stored in the charging station 1 according to the invention in a tank 6 which is connected to the internal combustion engine 3 via the fuel line 12.
  • a fuel heating device 15 is installed in the immediate vicinity of the fuel line 12.
  • the fuel heating device 15 is a PTC auxiliary heater which, due to its design, has its own control and therefore does not require any additional temperature sensors.
  • the internal combustion engine 3 drives the generator 4 by rotation.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is thus converted by the generator 4 into electrical energy, into an alternating current which has a frequency of 50 Hz.
  • the constancy of the frequency of the alternating current is ensured by a translation between the internal combustion engine 3 and the generator 4.
  • the translation is realized, for example, by means of a gearbox; a drive of the generator 4 by means of toothed belts or toothed chains is simpler, cheaper and at the same time more robust in daily operation.
  • an electrical energy store 5 (rechargeable battery) 9 and a device for conveying the liquid energy carrier 11 are installed in the charging station 1.
  • the energy store 5 supplies the control unit 9, by means of which the charging station 1 recognizes and initiates the beginning or the end of a charging process.
  • the control unit 9 controls the operation of the internal combustion engine 3 in such a way that the internal combustion engine 3 runs in a defined, constant speed range. This is usually in the partial load range in order to ensure efficient fuel consumption.
  • the control unit 9 can adjust the fuel metering of the internal combustion engine 3 accordingly or change the load of the generator 4.
  • the fuel heating device 15 is also operated by the control unit 9 in such a way controlled so that the fuel in the fuel line 12 always, but in particular during the starting process and in the cold running phase of the internal combustion engine 3, has a temperature of at least 25 ° C.
  • an operator of the charging station 1 can set a temperature of the fuel of at least 30 ° C; a temperature of the fuel of at least 35 ° C, particularly during the starting process and in the cold running phase of the internal combustion engine 3, is particularly preferred.
  • the power for the PTC auxiliary heater of the fuel heating device 15 is provided by the electrical energy store 5.
  • the electrical energy store 5 starts via a starter and a fuel pump that pumps the fuel into the internal combustion engine 3, likewise the internal combustion engine 3 at the start of a charging process.
  • the electrical energy store 5 is possibly recharged by the electrical energy generated by the generator 4.
  • the electrical energy generated in the charging column 1 is delivered to a motor vehicle via one or more electrical connections 10 (charging cables).
  • a user of the charging station 1 can pay for the charging process by means of the control unit 9.
  • Different payment systems are possible, e.g. using different credit cards or a mobile device, e.g. a smartphone.
  • the tank 6 is arranged spatially separated in this embodiment. A tank 6 can thus be available to several charging stations 1 and supply them with fuel. Such a configuration is particularly favorable, in particular, for setting up charging stations that include a plurality of charging stations 1.
  • the electrical energy required for its operation is supplied by the rechargeable energy store 5.
  • the dimensions of the charging station 1 are also very compact, Most of the space is usually taken up by the fuel tank 6.
  • the dimensions of the charging column 1 can be kept small by a suitable choice of the size of the tank 6, but it may then be necessary to fill the tank 6 with fuel frequently.
  • the control unit 9 is advantageously connected to the operator of the charging station 1 via WLAN or similar communication devices and issues a corresponding message when the tank 6 needs to be refilled.
  • the method according to the invention for generating a charging current for charging electric vehicles has five method steps:
  • the charging process begins when a user plugs the electrical connection (charging cable) 10 into the corresponding socket of the motor vehicle to be charged.
  • the control unit 9 recognizes this, and in the first method step 100 the fuel is supplied from the tank 6 to the internal combustion engine 3 by the fuel pump.
  • the fuel heating device 15 is heated to at least 25 ° C. by means of the fuel heating device 15, in particular during the starting process and in the cold-running phase of the internal combustion engine 3.
  • the fuel heating device 15 is a PTC auxiliary heater, the ceramic jacket of which is wound around the fuel line 12 and thus heats the fuel in the fuel line 12.
  • the internal combustion engine 3 is started by means of a starter.
  • the starter, fuel pump and fuel heating device 15 are supplied with energy by the energy store 5.
  • the internal combustion engine 3 is operated with the heated fuel and drives the generator 4; the chemical energy stored in the fuel is thus converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is converted into electrical energy.
  • this electrical energy is delivered to the motor vehicle via the charging cable 10.
  • the charging process ends when the user detaches the charging cable 10 from the motor vehicle or when the energy storage device of the motor vehicle is sufficiently charged (80% of the capacity of the energy storage device or more).
  • the internal combustion engine 3 is stopped, the Fuel is no longer heated and fuel is no longer conveyed to the internal combustion engine 3.
  • the charging station 1 goes into standby mode until the next charging process begins.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment of the charging column 1 according to the invention without a fuel heating device 13/15 as a separate component is shown in FIG. 3.
  • the fuel is heated by the waste heat from the internal combustion engine 3.
  • the charging column 1 has an internal combustion engine 3.
  • the internal combustion engine 3 is a piston internal combustion engine that works according to the Otto principle (4-stroke).
  • the internal combustion engine 3 has an intake manifold injection in which the fuel is atomized by means of a fuel injection valve 14 in the intake tract in front of the inlet valve of the internal combustion engine 3 in order to form an ignitable mixture with the oxygen in the air, which ignites externally in the combustion chamber of the internal combustion engine 3 by means of a spark plug, for example becomes.
  • the internal combustion engine 3 is advantageously operated with a liquid energy carrier (fuel) which has a methanol and / or ethanol content of at least 50% by volume.
  • a liquid energy carrier fuel which has a methanol and / or ethanol content of at least 50% by volume.
  • a fuel mixture with an ethanol content of 85% by volume is preferably used for operation.
  • the fuel is stored in the charging station 1 according to the invention in a tank 6 which is connected to the internal combustion engine 3 via the fuel line 12.
  • the waste heat of the internal combustion engine 3 is used in this exemplary embodiment.
  • the fuel line 12 is arranged in such a way that it runs so close to the cooling jacket of the internal combustion engine 3 at least in one area that the fuel in the fuel line 12 is heated to at least 35 ° C. Such an arrangement of the fuel line 12 does not require any additional fuel heating device 13/15.
  • the internal combustion engine 3 drives the generator 4 by rotation.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is thus converted by the generator 4 into electrical energy, into an alternating current which has a frequency of 50 Hz.
  • the constancy of the frequency of the alternating current is ensured by a translation between the internal combustion engine 3 and the generator 4.
  • the translation is realized, for example, by means of a gearbox; a drive of the generator 4 by means of toothed belts or toothed chains is simpler, more cost-effective and at the same time more robust in daily operation.
  • an electrical energy store 5 (rechargeable battery) 9 and a device for conveying the liquid energy carrier 11 are installed in the charging station 1.
  • the energy store 5 supplies the control unit 9, by means of which the charging station 1 recognizes and initiates the beginning or the end of a charging process.
  • the control unit 9 controls the operation of the internal combustion engine 3 such that the
  • Internal combustion engine 3 runs in a defined, constant speed range. Usually this is in the partial load range in order to be efficient
  • control unit 9 can adjust the fuel metering of the internal combustion engine 3 accordingly or change the load of the generator 4.
  • the electrical energy store 5 starts via a starter and a fuel pump that pumps the fuel into the internal combustion engine 3, likewise the internal combustion engine 3 at the start of a charging process.
  • the electrical energy store 5 is possibly recharged by the electrical energy generated by the generator 4.
  • the electrical energy generated in the charging column 1 is delivered to a motor vehicle via one or more electrical connections 10 (charging cables).
  • a user of the charging station 1 can pay for the charging process by means of the control unit 9. Different payment systems are possible, e.g. using different credit cards or a mobile device, e.g. a smartphone.
  • Internal combustion engine 3 and generator 4, energy store 5, control unit 9 and electrical connections 10 are all advantageously built into a housing 2.
  • the tank 6 is arranged spatially separated as in the previous one (FIG. 2).
  • a tank 6 can thus be available to several charging stations 1 and supply them with fuel.
  • Such a configuration is particularly favorable, in particular, for setting up charging stations that include a plurality of charging stations 1.
  • the electrical energy required for its operation is supplied by the rechargeable energy store 5.
  • the dimensions of the charging station 1 are also very compact; the fuel tank 6 usually takes up most of the space.
  • the dimensions of the charging column 1 can be kept small by a suitable choice of the size of the tank 6, but it may then be necessary to fill the tank 6 with fuel frequently.
  • the control unit 9 is advantageously connected to the operator of the charging station 1 via WLAN or similar communication devices and issues a corresponding message when the tank 6 needs to be refilled.
  • the method according to the invention for generating a charging current for charging electric vehicles has five method steps:
  • the charging process begins with the authentication of the user at the charging station.
  • the control unit 9 recognizes this, and in the first method step 100 the fuel is supplied from the tank 6 to the internal combustion engine 3 by the fuel pump.
  • the fuel is heated to at least 35 ° C. by the waste heat from the internal combustion engine 3, in particular during the starting process and in the cold-running phase of the internal combustion engine 3.
  • the internal combustion engine 3 is started by means of a starter.
  • the starter and fuel pump are supplied with energy by the energy store 5.
  • the internal combustion engine 3 is operated with the heated fuel and drives the generator 4; the chemical energy stored in the fuel is thus converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is converted into electrical energy Energy converted.
  • this electrical energy is delivered to the motor vehicle via the charging cable 10.
  • the charging process ends when the user detaches the charging cable 10 from the motor vehicle or when the energy storage device of the motor vehicle is sufficiently charged (80% of the capacity of the energy storage device or more).
  • the internal combustion engine 3 is stopped, the fuel is no longer heated and fuel is no longer conveyed to the internal combustion engine 3.
  • the charging station 1 goes into standby mode until the next charging process begins.
  • the charging process begins when a user wakes the charging column with an input from the stand-by mode.
  • the control unit 9 detects this, and in the first method step 100 the fuel (mixture with a methanol content> 75% by volume) is fed from the tank 6 to the internal combustion engine 3 by the fuel pump.
  • the fuel is heated to at least 20 ° C. by means of the fuel heating device 13/15 or by the waste heat of the internal combustion engine 3, in particular during the starting process and in the cold running phase of the internal combustion engine 3.
  • the internal combustion engine 3 is started by means of a starter.
  • the starter, fuel pump and fuel heating device 13/15 are supplied with energy by the energy store 5.
  • the internal combustion engine 3 is operated with the heated fuel and drives the generator 4; the chemical energy stored in the fuel is thus converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy generated by the internal combustion engine 3 is converted into electrical energy.
  • this electrical energy is delivered to the motor vehicle via the charging cable 10.
  • the charging process ends when the user detaches the charging cable 10 from the motor vehicle or when the energy store of the Motor vehicle is sufficiently charged (80% of the capacity of the energy storage device or more).
  • the internal combustion engine 3 is stopped, the fuel is no longer heated and fuel is no longer conveyed to the internal combustion engine 3.
  • the charging station 1 goes into standby mode until the next charging process begins.
  • the intake air is heated with the aid of a PCT heating element before it is mixed with the atomized fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine, thereby heating the fuel.
  • the PTC heating element comprises a PTC ceramic, which rests against a metal lamellar element, and a fan. The fan is used to pass the air to be heated through the metal lamellar element. If the PTC ceramic is connected to a current, it heats itself up and transfers this heat to the metal lamellar element. The metal lamellar element functions as a heat exchanger and transfers the heat to the air flowing through the metal lamellar element. The fuel atomized into the combustion chamber of the internal combustion engine is then heated when the air is mixed with the fuel.
  • the sucked-in air is preheated using the waste heat from the internal combustion engine of the charging station.
  • the air-conducting duct is guided over a distance of 5 cm along a heat-emitting point of the internal combustion engine before it is directed into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the preheated air drawn in heats the fuel and forms an ignitable mixture with the fuel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, mit einem Verbrennungsmotor, einem Tank für einen flüssigen Energieträger, einer Kraftstoffleitung vom Tank zum Verbrennungsmotor, einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung zur Erwärmung des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung, einem Generator, einer Anschlussvorrichtung, die eingerichtet ist, um an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden, wobei die Vorrichtung zum Anschluss des Elektrofahrzeuges geeignet ist, elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen und wobei der Generator an den Verbrennungsmotor derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie durch den Generator in elektrische Energie umwandelbar ist.

Description

LA D E S TAT I O N F Ü R E I N E L E K TR I S C H E S K RA F TFA H RZ E U G
Die Erfindung betrifft eine Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, mit einem Verbrennungsmotor, einem Tank für einen flüssigen Energieträger, einer Kraftstoffleitung vom Tank zum Verbrennungsmotor, einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung zur Erwärmung des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung, einem Generator, einer Anschlussvorrichtung, die eingerichtet ist, um an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden, wobei die Vorrichtung zum Anschluss des Elektrofahrzeuges geeignet ist, elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen und wobei der Generator an den Verbrennungsmotor derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie durch den Generator in elektrische Energie umwandelbar ist.
Stand der Technik
Mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die mit einem Elektromotor betrieben werden, muss eine funktionierende Infrastruktur zum Laden der Elektrofahrzeuge zur Verfügung gestellt werden. Neben dem Laden an der Haussteckdose muss den Benutzern von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit eingeräumt werden, auch im öffentlichen Bereich Energie zu beziehen. Bei den bisher verfügbaren Reichweiten von Elektrofahrzeugen ist es notwendig, dass auch außerhalb des häuslichen Umfeldes ein Laden der Fahrzeuge möglich ist. Daher müssen in öffentlichen Bereichen Ladestationen zur Verfügung gestellt werden, um eine stete Verfügbarkeit von Energie für Elektrofahrzeuge durch ein Versorgungsnetz zu gewährleisten.
Bekannt sind stationäre Systeme zur elektrischen Versorgung von stationären Ladesäulen, um die T raktionsbatterie eines Plug-In-Fahrzeuges - Hybrid- oder Elektrofahrzeug - wieder aufzuladen, wie z.B. in DE 102009016 505 A1 beschrieben. Die Ladesäule selbst wird auf einer Stromschiene an der Stromversorgung angeschlossen. Ein bestehendes Stromnetz weist dabei ein Anschlusselement zum Ausgeben elektrischer Energie an ein Elektrofahrzeug auf.
Eine derartige Ladesäule weist den Nachteil auf, dass sie nicht flexibel aufstellbar bzw. abzubauen ist. Die Kosten für den Aufbau und insbesondere den Anschluss der Ladesäule an das bestehende Stromnetz sind ebenfalls sehr hoch. Falls also die Ladesäule nur temporär an dem derzeitigen Ort verbleiben soll, verursacht ihre Aufstellung und ihr Abbau unnötig hohe Kosten. Flexibler ersetzbar sind Ladesäulen, die derart aufgebaut sind, dass sie transportabel sind.
Die Patentschrift “DE 10 2010 043 516 A1 - Vorrichtung zur Schnellladung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs“ der Firma Power Innovation Stromversorgungstechnik GmbH offenbart eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie. Die Vorrichtung weist einen elektrischen Energiespeicher (Akku) auf, der über eine programmierbare Steuerung und einen AC/DC-Wandler den Energiespeicher des Fahrzeugs lädt. Der Energiespeicher der Vorrichtung selbst wird über verschiedene Gleichspannungsquellen wieder aufgeladen. Alle Komponenten (Energiespeicher, Steuerung, Wandler) sind in einer Einrichtung angeordnet, die Gleichspannungsquelle zur Aufladung des Energiespeichers extern und entfernt von der Einrichtung.
Diese Ladesäule weist den Nachteil auf, dass sie so groß und schwer gestaltet ist, dass sie nur auf großen Fläche aufgebaut und betrieben werden kann, z.B. auf Parkplätzen von Einkaufszentren. Ihr Einsatz in z.B. Parkhäusern ist nicht möglich. Ebenfalls ist ein Anschluss an ein bereits bestehendes Stromnetz notwendig.
Die Gebrauchsmusterschrift “DE 20 2010 011 567 U1 - Mobile Stromtankstelle“ der Firma Beton- und Energietechnik Heinrich Gräper GmbH & Co. KG offenbart eine transportable Stromtankstelle, die innerhalb eines transportablen Stationsgebäudes angeordnet ist. Das Gebäude weist mehrere Räume auf und besteht aus Beton. Im Gebäude sind sowohl Brennstoffzellenmodule, Speicherbehälter für den Brennstoff (Wasserstoff, Methan, Biogas) als auch ein Wechselrichter angeordnet. Außerdem weist das Gebäude eine Photovoltaikanlage zur Eigenversorgung auf.
Diese Ladesäule ist ebenfalls sehr groß und schwer. Für ihren Transport wird mindestens ein Lastkraftwagen benötigt.
Die Patentschrift “DE 10 2017 207 023 B4 - Ladesystem und Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems“ der Firma AUDI AG offenbart ein Ladesystem, das eine transportierbare Ladestation aufweist. Die Ladestation weist einen Generator auf, der mittels eines synthetischen Kraftstoffs betrieben wird. Überschüssige Energie wird in einer Zwischenspeichereinrichtung (Akku), die in der Ladestation angeordnet ist, gespeichert. Der Kraftstoff selbst wird in einer externen Kraftstoffherstellungseinrichtung hergestellt. Dabei wird mittels regenerativer Energiequellen aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre der Kraftstoff synthetisiert.
Diese Ladesäule benötigt für ihren Betrieb synthetischen Kraftstoff, der derzeit nicht oder nur in geringen Mengen zur Verfügung steht und deshalb sehr teuer ist. Ein Betrieb der Ladesäule ist daher ebenfalls sehr teuer, eine Versorgung mit dem benötigten synthetischen Kraftstoff nicht garantiert.
Die Schrift „EP 1 513 211 A2 - Fuel supply device for direct methanol fuel cells“ der Firma Samsung Electronics Co., Ltd. beschreibt eine methanol-betriebene Brennstoffzelle, die einen abnehmbaren und hinzufügbaren Tank für das Methanol aufweist. Durch den Tank wird der in der Brennstoffzelle befindliche Hohlraum befüllt. Diese Ladevorrichtung gibt eine derart geringe Leistung ab, dass sie für Kraftfahrzeuge nicht nutzbar ist. Die Brennstoffzelle ist im Wesentlichen zur Wiederaufladung von elektronischen Handgeld-Geräten (PDA, Notebooks, Smartphones...) konzipiert. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine autark funktionierende Ladesäule für Kraftfahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, Elektrofahrzeuge in kurzer Zeit wiederaufzuladen und hierbei möglichst umweltschonend arbeitet.
Die genannte Aufgabe wird mittels der Ladesäule gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, weist einen Verbrennungsmotor, einen Tank für einen flüssigen Energieträger sowie eine Kraftstoffleitung zwischen Tank und Verbrennungsmotor auf. Außerdem weist die Ladesäule eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung auf, die geeignet ist, den flüssigen Energieträger in der Kraftstoffleitung zu erwärmen. Weiterhin weist die Ladesäule einen Generator auf, der an den Verbrennungsmotor derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Zusätzlich weist die Ladesäule eine Anschlussvorrichtung auf, die eingerichtet ist, an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden und elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen.
Die Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigem Dampfdruck und insbesondere einer hohen Verdampfungswärme zum Betreiben eines Ottomotors weist insbesondere bei Kaltstart und in der kalten Betriebsphase - wenn der Verbrennungsmotor noch nicht die optimale Betriebstemperatur erreicht hat - Probleme auf. Es hat sich herausgestellt, dass es aufgrund des niedrigen Dampfdrucks und der hohen Verdampfungswärme schwierig bis unmöglich ist, Verbrennungsmotoren mit solchen Kraftstoffen bei Umgebungstemperaturen unter 20 °C zu starten. In der Kaltlaufphase läuft der Verbrennungsmotor unruhig und/oder weist hohe Kohlenmonoxid- (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen auf. Die Abgase insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase erfordern eine aufwändige Nachbehandlung. Diese Probleme treten bei Verbrennungsmotoren, die mit herkömmlichem Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden, die eine geringere Verdampfungswärme aufweisen, so nicht auf. Eine geeignete Maßnahme zur Abhilfe dieser Probleme ist eine Kraftstoffvorwärmung, die mittels einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung sehr einfach und damit auch kostengünstig umgesetzt werden kann. Das Luft- Kraftstoff- Gemisch weist bei Verwendung einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine derart hohe Temperatur auf, dass die Kraftstoffpartikel fein verteilt sind und nahezu stöchiometrisch im Verbrennungsmotor verbrannt werden. Das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase wird so wesentlich verbessert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ladesäule eine stationäre Ladesäule, die für den stationären Betrieb vorgesehen und ausgelegt ist. Unter stationärem Betrieb wird im Sinne dieser Erfindung der Betrieb zur Durchführung von mehreren Ladevorgängen an einer Position verstanden. Dies schränkt hingegen nicht die leichte Portierbarkeit der Ladesäule ein, die unabhängig von Ver- oder Entsorgungsanschlüssen aufgestellt werden kann und autark funktioniert. Daher besteht auch die Möglichkeit, die Ladesäule mit einem geringen Aufwand umzustellen, falls sich der bisherige Aufstellungsort als ungeeignet erweist, anders genutzt werden soll oder ein besserer Stellplatz für Ladesäule gefunden wurde. Weiterhin kann die Ladesäule zum Zwecke der Wartung oder der Reparatur in einfacher Weise auf ein Transportfahrzeug geladen, um diese Arbeiten in einer Werkstatt durchzuführen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Ladesäule einen elektrischen Energiespeicher auf, der geeignet und dafür vorgesehen ist, die zum Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung benötigte elektrische Energie bereitzustellen. Der Energiespeicher versorgt die Kraftstofferwärmungsvorrichtung mit Energie. Der elektrische Energiespeicher ist vorteilhafterweise wiederaufladbar ausgebildet.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor geeignet und dafür vorgesehen, mit einem flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanol- Anteil von mindestens 50 Vol.-% betrieben zu werden. Der Tank enthält den flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-%. Beide Kraftstoffarten können aus Biomasse umweltverträglich und nachhaltig hergestellt werden, sind weltweit als Kraftstoffe seit Langem etabliert und stehen somit preiswert zur Verfügung. Ihr Transport und ihre Lagerung sowie ihr Betrieb sind vergleichbar mit herkömmlichem Benzin und damit unproblematisch. Optional sind auch Kraftstoffe mit Ethanol- und/oder Methanol-Gehalt von mindestens 75 Vol.%, bevorzugt 85 Vol.% und besonders bevorzugt 95 Vol.% zu verwenden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Ladesäule eine Steuereinheit auf, die geeignet und dafür vorgesehen ist, den Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung zu steuern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird mit Beginn des Ladevorgangs gestartet, bei Beendigung des Ladevorgangs wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung abgeschaltet. Je nach Ausführung der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird außerdem ihre Energieabgabe geregelt, damit die Temperatur des durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung erwärmten Kraftstoffs innerhalb eines durch den Betreiber der Ladesäule gewählten Bereichs liegt. Der Beginn des Ladevorgangs ist beispielsweise die erste Information an die Ladesäule, dass ein Ladevorgang gestartet werden soll. Dies kann beispielsweise die Authentifizierung des Nutzers sein, der Anschluss eines Ladekabels oder auch das Aufwecken der Ladesäule aus dem Stand-By-Betrieb. Der Beginn des Ladevorgangs liegt aber in jedem Fall vor dem Start des Verbrennungsmotors zur Erzeugung der elektrischen Energie.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine PTC-Keramik oder einen elektrischen Widerstandsheizer auf. Beide Bauformen arbeiten zuverlässig, sind überden durch sie geleiteten Strom gut zu kontrollieren und kostengünstig zu implementieren. Ein PTC-Zuheizer weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass er selbstregulierend ist, d.h. eine voreinstellbare Maximaltemperatur kann bauartbedingt nicht überschritten werden. In einerweiteren Ausführung der Erfindung istdie Kraftstofferwärmungsvorrichtung in derart unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung angeordnet, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung effektiv und ohne großen Wärmeverlust erwärmt werden kann.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Abwärme der Kraftstofferwärmungsvorrichtung nutzbar, um die Kraftstoffleitung zu erwärmen. Üblicherweise wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung selbst erwärmt, die Wärme der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird zur Erwärmung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung genutzt.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Kraftstofferwärmungsvorrichtung der Motorblock des Verbrennungsmotors erwärmt, um ein zündfähiges Kraftstoffgemisch zu erhalten.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Ladesäule eine Einhausung auf, in der der Verbrennungsmotor, die Kraftstoffleitung, die Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die Steuereinheit, der Generator und/oder der elektrische Energiespeicher angeordnet sind. Die Dimensionen der Ladesäule sind sehr kompakt und diese kann als ganzes Bauteil transportiert, aufgestellt, betrieben und wieder abgebaut werden. Insbesondere für den ländlichen Bereich bietet die erfindungsgemäße Ladesäule Vorteile gegenüber herkömmlichen Ladesäulen, die an ein bestehendes Stromnetz angeschlossen werden müssen: Die Kosten der Ladesäule und damit die Investitionen für Installation und Betrieb sind niedrig. Falls die Ladesäule an dem gewählten Standort nicht rentabel betrieben werden kann, ist sie leicht wieder abzubauen. Auch im Falle von baulichen Maßnahmen in unmittelbarer Umgebung der Ladesäule ist diese schnell zu entfernen und an einer anderen, geeigneteren Stelle wieder aufbaubar.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Ladesäule ausschließlich Leitungen und/oder Anschlüsse auf, die dazu geeignet sind, elektrische Energie aus der Ladesäule heraus zu leiten. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse (Ladekabel) wird die in der Ladesäule erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben. Die Ladesäule weist keine weiteren elektrischen Anschlüsse auf, die außerhalb des Gehäuses liegen. Die Ladesäule benötigt daher keinen Anschluss an ein bestehendes Stromnetz. Die Kosten der Ladesäule und damit die Investitionen für Installation und Betrieb sind niedrig.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung der Ladesäule als eine Erwärmungsvorrichtung zur Erwärmung der angesaugten Luft ausgebildet. Beim Bilden des Kraftstoff-Luftgemisches mit der vorerwärmten Luft wird dann auch der Kraftstoff erwärmt. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung kann in dieser Ausführungsform beispielsweise als Wärmetauscher, PCT-Heizer und/oder Widerstandsheizer ausgebildet sein. Weiterhin kann die angesaugte Luft auch durch Abwärme von anderen Bauteilen der Ladesäule wie beispielsweise dem Motor oder elektrischen Bauelementen, wie dem Gleichrichter erwärmt werden. Hierfür ist es allerdings erforderlich, dass die Luftführung über eine gewisse Strecke entlang eines entsprechend wärmeabgebenden Bauelements der Ladesäule geführt wird.
Die genannte Aufgabe wird ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen gemäß Anspruch 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird ein flüssiger Energieträger von einem Tank einem Verbrennungsmotor zugeführt. Üblicherweise wird dazu eine Kraftstoffpumpe eingesetzt, die mittels des in der Ladesäule verbauten Energiespeichers betrieben wird. Der Ladevorgang beginnt, wenn beispielsweise ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Im zweiten Verfahrensschritt wird der flüssige Energieträger erwärmt. Die Erwärmung erfolgt durch eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die z.B. die Kraftstoffleitung erwärmt. Im dritten Verfahrensschritt wird der Verbrennungsmotor mit dem erwärmten flüssigen Energieträger betrieben. Im vierten Verfahrensschritt wird die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Im fünften Verfahrensschritt wird die erzeugte elektrische Energie an ein Elektrofahrzeug abgegeben.
Es hat sich herausgestellt, dass es schwierig ist, bei der Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigen Dampfdrücken und hohen Verdampfungsenthalpien Verbrennungsmotoren bei Umgebungstemperaturen unter 10 °C zu starten. In der Kaltlaufphase läuft der Verbrennungsmotor unruhig und/oder weist hohe Kohlenmonoxid- (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen auf. Die Abgase insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase erfordern eine aufwändige Nachbehandlung. Diese Probleme treten bei Verbrennungsmotoren, die mit herkömmlichem Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden, die eine geringere Verdampfungswärme aufweisen, so nicht auf. Eine geeignete Maßnahme zur Abhilfe dieser Probleme ist eine Kraftstoffvorwärmung, die mittels einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung sehr einfach und damit auch kostengünstig umgesetzt werden kann. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch weist bei Verwendung einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine derart hohe Temperatur auf, dass die Kraftstoffpartikel fein verteilt sind und nahezu stöchiometrisch im Verbrennungsmotor verbrannt werden. Das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase wird so wesentlich verbessert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in einer stationären Ladesäule in einem stationären Betrieb durchgeführt. Unter stationärem Betrieb wird im Sinne dieser Erfindung der Betrieb zur Durchführung von mehreren Ladevorgängen an einer Position verstanden. Dies schränkt hingegen nicht die leichte Portierbarkeit der Ladesäule ein, die unabhängig von Ver- oder Entsorgungsanschlüssen aufgestellt werden kann und autark funktioniert. Daher besteht auch die Möglichkeit, die Ladesäule mit einem geringen Aufwand umzustellen, falls sich der bisherige Aufstellungsort als ungeeignet erweist, anders genutzt werden soll oder ein besserer Stellplatz für Ladesäule gefunden wurde. Weiterhin kann die Ladesäule zum Zwecke der Wartung oder der Reparatur in einfacher Weise auf ein Transportfahrzeug geladen, um diese Arbeiten in einer Werkstatt durchzuführen. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung durch elektrische Energie aus einem Energiespeicher. Der Energiespeicher ist vorteilhafterweise wieder aufladbar und versorgt die Kraftstofferwärmungsvorrichtung mit Energie, sobald der Ladevorgang durch einen Benutzer gestartet wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der flüssige Energieträger, der in der Kraftstoffleitung erwärmt wird, einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% auf. Beide Kraftstoffarten können aus Biomasse umweltverträglich und nachhaltig hergestellt werden, sind weltweit als Kraftstoffe seit Langem etabliert und stehen somit preiswert zur Verfügung. Ihr Transport und ihre Lagerung sowie ihr Betrieb sind vergleichbar mit herkömmlichem Benzin und damit unproblematisch. Optional sind auch Kraftstoffe mit Ethanol- und/oder Methanol-Gehalt von mindestens 75 Vol.%, bevorzugt 85 Vol.% und besonders bevorzugt 95 Vol.% zu verwenden.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Kraftstoffs durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die in derart unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung angeordnet, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung effektiv und ohne großen Wärmeverlust erwärmt werden kann.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt der Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung durch eine Steuereinheit. Die
Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird mit Beginn des Ladevorgangs gestartet, bei Beendigung des Ladevorgangs wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung abgeschaltet. Je nach Ausführung der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird außerdem ihre Energieabgabe geregelt, damit die Temperatur des durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung erwärmten Kraftstoffs innerhalb eines durch den Betreiber der Ladesäule gewählten Bereichs liegt. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Kraftstoffs durch eine PTC-Keramik oder einen elektrischen Widerstandsheizer. Beide Bauformen arbeiten zuverlässig, sind überden durch sie geleiteten Strom gut zu kontrollieren und kostengünstig zu implementieren. Ein PTC-Zuheizer weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass er selbstregulierend ist, d.h. eine voreinstellbare Maximaltemperatur kann bauartbedingt nicht überschritten werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der erwärmte Kraftstoff zerstäubt, z.B. mittels eines Vergasers oder einer Einspritzdüse.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der erwärmte Kraftstoff mit einem Gas zu einem Kraftstoff-Gas-Gemisch vermischt und anschließend in der Brennkammer des Verbrennungsmotors gezündet. Der Verbrennungsmotor ist ein Kolben- Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird und mit einer Saugrohreinspritzung arbeitet. Mittels eines Kraftstoff- Einspritzventils im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors wird der erwärmte Kraftstoff zerstäubt, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird die von dem Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie zu einem Generator übertragen und von diesem in elektrische Energie umgewandelt. Der Verbrennungsmotor treibt den Generator durch Rotation an, die durch den Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie wird also durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Steuerung der Leistungsabgabe der elektrischen Energie durch Veränderung der Last und/oder der Kraftstoffdosierung. Die Leistung der Ladesäule ist damit skalierbar und kann verschiedenen zu ladenden Kraftfahrzeugen angepasst werden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Verbrennungsmotor in einem konstanten Drehzahlbereich von 1500 U/min bis 6000 U/min betrieben. Der Verbrennungsmotor läuft in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich von mit +/- 200 U/min. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Gleichzeitig wird dadurch der Verschleiß vermindert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Getriebe zwischen Verbrennungsmotor und Generator angeordnet, dass derart ausgelegt ist, dass der durch den Generator erzeugte Strom mit einer Frequenz von 50 Hz wechselt. Diese Frequenz entspricht der Frequenz des Wechselstroms in Haushalten. Mittels der erfindungsgemäßen Ladesäule und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie können daher auch Kraftfahrzeuge aufgeladen werden, die nicht über Einrichtungen zur Änderung des Ladestroms verfügen und/oder über Haushaltsstrom aufgeladen werden müssen, z.B. E- Bikes o.ä.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt die Übertragung der kinetischen Energie vom Verbrennungsmotor zum Generator mittels Zahnriemen oder Kette. Ein Antrieb des Generators mittels Zahnriemen oder Zahnkette ist kostengünstig und gleichzeitig nicht störanfällig. Außerdem kann eine Unter- oder Übersetzung der Drehzahlen von Verbrennungsmotor und Generator einfach realisiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird der Kraftstoff durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur T von mindestens 25 °C, bevorzugt mindestens 30 °C und besonders bevorzugt von mindestens 35 °C erwärmt. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors kann ein Betreiber der Ladesäule die Temperatur des Kraftstoffs einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors von mindestens 35 °C. Es hat sich herausgestellt, dass diese Temperatur des Kraftstoffs einen zügigen Startvorgang gewährleistet. Die Kaltlaufphase ist verkürzt und die Abgase müssen nicht aufwändig nachbehandelt werden. Je nach Kraftstoffart kann auch eine Erwärmung des Kraftstoffs auf 10°C, bevorzugt auf 15°C und besonders bevorzugt auf 20°C erfolgen. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung von Methanol der Fall.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kraftstoff infolge der Vermischung mit vorerwärmter Luft erwärmt. Bei diesem optionalen Verfahren erfolgt zunächst eine Erwärmung der dem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors zugeführten Luft. Bei der Vermischung der vorerwärmten Luft mit dem zerstäubten Kraftstoff wird der Kraftstoff vor der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erwärmt. In einer alternativen Ausführungsform wird der Kraftstoff bereits vor der Zerstäubung im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors durch die vorgewärmte Luft erwärmt. Für die Erwärmung der angesaugten Luft kann die Abwärme von Bauelementen der Ladesäule wie beispielsweise dem Motor selbst, oder auch elektrischen Bauelementen der Ladesäule genutzt werden. Alternativ können zusätzliche Heizelemente die angesaugte Luft erwärmen. Dies können Wärmetauscher, PTC-Heizer oder auch andere Widerstandsheizer sein.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladesäule für die Aufladung von Elektrofahrzeugen und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule mit
Widerstandsheizer
Fig. 2: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule mit PTC-Heizer Fig. 3: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule ohne separate
Kraftstofferwärmungsvorrichtung,
Fig. 4: Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufladung von Elektrofahrzeugen
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 zeigt Fig. 1. Die Ladesäule 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist üblicherweise ein Kolben-Verbrennungsmotor 3, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird. Möglich sind aber auch andere Bauformen wie z.B. Wankelmotor oder T urbine. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Saugrohreinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff-Einspritzventils 14 im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden.
Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% aufweist. Bevorzugt wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 reines Methanol (Methanol-Gehalt > 95 Vol.%) zum Betrieb verwendet.
Dieser Kraftstoff kann aus Biomasse umweltverträglich hergestellt werden, ist weltweit als Kraftstoff seit Langem etabliert und steht daher preiswert zur Verfügung. Transport und Lagerung sowie der Betrieb von Methanol in Verbrennungsmotoren 3 ist vergleichbar mit herkömmlichem Benzin (für Kraftfahrzeuge) und damit unproblematisch.
Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, ist in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung 12 eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 verbaut. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 eine elektrische Widerstandsheizung, deren stromdurchflossene Wendeln um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt sind und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt.
Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.
Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 9 derart gesteuert, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 stets, aber insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3, eine Temperatur von mindestens 15 °C aufweist. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 3 kann ein Betreiber der Ladesäule 1 eine Temperatur des Kraftstoffs von mindestens 30 °C einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 von mindestens 35 °C. Der Strom für den Widerstandsheizer der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 wird vom elektrischen Energiespeicher 5 bereitgestellt.
Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs.
Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben.
Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone.
Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Tank 6, Energiespeicher 5, Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüsse 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Die Ladesäule 1 kann daher autark betrieben werden, d.h. sie benötigt keinen elektrischen Anschluss an ein bestehendes Stromnetz.
Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) 10 in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 35 °C erwärmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 eine Widerstandsheizung, deren stromdurchflossene Wendeln um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt sind und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.
Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.
Die Verwendung von Methanol zum Betreiben eines Ottomotors war jedoch bisher mit einem erheblichen Kaltstart und / oder Laufbetriebsproblem konfrontiert, das normalerweise bei Benzin- und Dieselmotoren nicht auftritt. Es hat sich herausgestellt, dass es aufgrund des niedrigen Dampfdrucks und der hohen Verdampfungswärme von Methanol schwierig ist, mit Methanol betriebene Fahrzeugmotoren bei Umgebungstemperaturen unter 10 ° C zu starten. Selbst wenn ein mit Methanol betriebener Motor irgendwie gestartet wurde, wurde festgestellt, dass das zugehörige Fahrzeug ein schlechtes Fahrverhalten hatte und / oder hohe Kohlenmonoxid- (CO-) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen von dem Motor ausstrahlten.
Bisher wurden verschiedene Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, um diese Probleme zu lösen, einschließlich der Verwendung von Brennstoff- und Vergaserheizungen zur Unterstützung der Brennstoffverdampfung, der Verwendung von Methanol- Dissoziationsreaktoren zur Erzeugung leicht brennbarer Gase und der Zugabe flüchtiger Verbindungen zum Methanol Treibstoff. In Bezug auf die elektrische Erwärmung eines Luft / Methanol-Kraftstoff-Gemisches, um dadurch einen Kaltstart bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, hat sich herausgestellt, dass die erforderliche elektrische Leistung dramatisch ansteigt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 , deren Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer ist. Die Ladesäule 1 wird stationär betrieben und weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist ein Kolben-Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) arbeitet. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Direkteinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff-Einspritzventils 14 im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden, das im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird.
Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 75 Vol.-% aufweist. Alternativ wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 reines Ethanol (Ethanol-Gehalt > 95 Vol.%) zum Betrieb verwendet.
Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, ist in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung 12 eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 verbaut. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer, der bauartbedingt eine Eigenregelung aufweist und daher keine zusätzliche Temperatursensorik benötigt.
Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.
Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 9 derart gesteuert, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 stets, aber insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3, eine Temperatur von mindestens 25 °C aufweist. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 3 kann ein Betreiber der Ladesäule 1 eine Temperatur des Kraftstoffs von mindestens 30 °C einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 von mindestens 35 °C. Der Strom für den PTC-Zuheizer der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 wird vom elektrischen Energiespeicher 5 bereitgestellt.
Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs. Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben.
Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone.
Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Energiespeicher 5, Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüssen 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Der Tank 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel räumlich getrennt angeordnet. Ein Tank 6 kann so mehreren Ladesäulen 1 zur Verfügung stehen und diese mit Kraftstoff versorgen. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere für die Einrichtung von Stromtankstellen, die mehrere Ladesäulen 1 umfassen, besonders günstig.
Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) 10 in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 25 °C erwärmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer, dessen Keramikummantelung um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt ist und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.
Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 ohne eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 als separates Bauteil zeigt Fig. 3. Die Kraftstofferwärmung erfolgt durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3. Die Ladesäule 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist ein Kolben- Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) arbeitet. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Saugrohreinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff- Einspritzventils 14 im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden, das im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird.
Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% aufweist. Bevorzugt wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 ein Kraftstoffgemisch mit einem Ethanol-Gehalt von 85 Vol.% zum Betrieb verwendet.
Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, wird in diesem Ausführungsbeispiel die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 genutzt. Dazu ist die Kraftstoffleitung 12 derart angeordnet, dass sie zumindest in einem Bereich so nahe an dem Kühlmantel des Verbrennungsmotors 3 verläuft, dass der in der Kraftstoffleitung 12 befindliche Kraftstoff auf mindestens 35 °C erwärmt wird. Eine derartige Anordnung der Kraftstoffleitung 12 benötigt keine zusätzliche Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15. Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.
Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der
Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten
Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern.
Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs. Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben. Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone. Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Energiespeicher 5, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüssen 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Der Tank 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie im vorigen (Fig. 2) räumlich getrennt angeordnet. Ein Tank 6 kann so mehreren Ladesäulen 1 zur Verfügung stehen und diese mit Kraftstoff versorgen. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere für die Einrichtung von Stromtankstellen, die mehrere Ladesäulen 1 umfassen, besonders günstig.
Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt mit der Authentifizierung des Benutzers an der Ladesäule. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 35 °C erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser und Kraftstoffpumpe werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.
Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.
Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer die Ladesäule durch eine Eingabe aus dem Stand-By-Modus weckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff (Gemisch mit Methanol-Gehalt > 75 Vol%) aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 oder durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 20 °C erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.
Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Ansaugluft mit Hilfe eines PCT- Heizelements erwärmt bevor sie mit dem zerstäubten Kraftstoff im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors vermischt wird und den Kraftstoff dadurch erwärmt. Das PTC- Heizelement umfasst eine PTC-Keramik, die an einem Metalllamellenelement anliegt, und ein Gebläse. Das Gebläse dient zur Durchleitung der zu erwärmenden Luft durch das Metalllamellenelement. Wird die PTC-Keramik an einen Strom angeschlossen, erwärmt sie sich selbst und gibt diese Wärme an das Metalllamellenelement ab. Das Metalllamellenelement fungiert als Wärmetauscher und gibt die Wärme an die durch das Metalllamellenelement durchströmende Luft ab. Der in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors zerstäubte Kraftstoff wird dann bei der Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff erwärmt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorerwärmung der angesaugten Luft durch die Abwärme des Verbrennungsmotors der Ladesäule. Hierzu wird der luftführende Kanal über eine Strecke von 5 cm entlang einer wärmeabgebenden Stelle des Verbrennungsmotors geführt bevor sie in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors geleitet wird. Dort erwärmt die vorgewärmte angesaugte Luft den Kraftstoff und bildet mit dem Kraftstoff ein zündfähiges Gemisch. BEZUGSZEICHENLISTE
Ladesäule
Einhausung
Verbrennungsmotor
Generator
Energiespeicher
Tank
Welle zw. VM und Generator Steuereinheit Elektrischer Anschluss Kraftstoffleitung
Kraftstofferwärmungsvorrichtung/Widerstandsheizung
Kraftstofferwärmungsvorrichtung/PTC-Heizer
Einspritzdüse
Zuführen des flüssigen Energieträgers Erwärmung des flüssigen Energieträgers Betrieb des Verbrennungsmotors Konvertierung der kinetischen/elektrischen Energie Abgabe des Wechselstroms an ein Elektrofahrzeug

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, die aufweist:
• einen Verbrennungsmotor (3)
• einen Tank (6) für einen flüssigen Energieträger,
• eine Kraftstoffleitung (12) vom Tank (6) zum Verbrennungsmotor (3)
• eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) zur Erwärmung des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung (12)
• einen Generator (4),
• eine Anschlussvorrichtung (14), die eingerichtet ist, um an ein Elektrofahrzeug (90) angeschlossen zu werden, wobei die Vorrichtung zum Anschluss des Elektrofahrzeuges geeignet ist, elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen und wobei der Generator an den Verbrennungsmotor (3) derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor (3) erzeugte kinetische Energie durch den Generator (4) in elektrische Energie umwandelbar ist.
2. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladesäule (1) einen elektrischen Energiespeicher aufweist, der geeignet und dafür vorgesehen ist, die zum Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) benötigte elektrische Energie bereitzustellen.
3. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (3) geeignet und dafür vorgesehen ist, mit einem flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von > 50 Vol.% betrieben zu werden und/oder der Tank einen flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanolgehalt von > 50 Vol.% enthält.
4. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ladesäule (1) eine Steuereinheit (9) aufweist, die dazu geeignet und/oder vorgesehen ist, den Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) zu steuern.
5. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) eine PTC-Keramik oder einen elektrischen Widerstandsheizer aufweist.
6. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) geeignet ist, nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) in unmittelbarer Umgebung der Kraftstoffleitung (12) angeordnet ist, wobei die Abwärme der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) nutzbar ist, um die Kraftstoffleitung (12) zu erwärmen.
7. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ladesäule (1) eine Einhausung (2) aufweist, in der der Verbrennungsmotor (3), die Kraftstoffleitung (12), die Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13), die Steuereinheit, der Generator (4) und/oder der elektrische Energiespeicher angeordnet sind.
8. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) dafür vorgesehen und dafür geeignet ist die angesaugte Luft derart zu erwärmen, dass durch die Vermischung der erwärmten Luft mit dem Kraftstoff der Kraftstoff erwärmbar ist.
9. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90), das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
• Zuführen von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor (3)
• Erwärmen des Kraftstoffs
• Betreiben des Verbrennungsmotors (3) mit dem erwärmten Kraftstoff
• Erzeugen einer elektrischen Energie aus der kinetischen Energie des Verbrennungsmotors (3)
• Abgabe der erzeugten elektrischen Energie an ein Elektrofahrzeug (90).
10. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) durch elektrische Energie aus einem Energiespeicher (5) erfolgt.
11. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff in der Kraftstoffleitung Methanol und/oder Ethanol mit einem Anteil an Methanol und/oder Ethanol von > 50 Vol.% erwärmt wird
12. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Kraftstoffs durch die in unmittelbarer Nähe zur Kraftstoffleitung (12) angeordnete Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) erfolgt.
13. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) durch eine Steuereinheit (9) erfolgt.
14. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Kraftstoffs durch eine PTC-Keramik und/oder einen Widerstandsheizer erfolgt.
15. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der erwärmte Kraftstoff zerstäubt wird.
16. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der erwärmte Kraftstoff mit einem Gas zu einem Kraftstoff-Gas-Gemisch vermischt wird und anschließend in der Brennkammer des Verbrennungsmotors (3) gezündet wird.
17. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die
Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen Verbrennungsmotor (3) und Generator (4) angeordnetes Getriebe so ausgelegt ist, dass der durch den Generator (4) erzeugte Strom mit einer Frequenz von 50 Hz wechselt.
18. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 8 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff von der Kraftstofferwärmungsvorrichtung (13) auf eine Temperatur T von T > 10°C, bevorzugt T > 15°C und besonders bevorzugt T > 20°C erwärmt wird.
19. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule (1) für die Aufladung von Elektrofahrzeugen (90) nach Anspruch 9 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff infolge der Vermischung mit vorerwärmter Luft erwärmt wird.
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