SK9072Y1 - Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily - Google Patents

Abstract

Opísaná je ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily, ktorá obsahuje vodíkovú nádrž (1) s nízkotlakovým výstupom (20) a vysokotlakovým výstupom (21), najmenej jeden palivový článok (2) prepojený palivovým okruhom cez filtre (9) a ventily (V) s vodíkovou nádržou (1). Palivový článok (2) je tepelným okruhom prepojený s tepelným čerpadlom (3) cez výmenník chladenia (4), ten je spojený so zásobníkom chladenia (5) cez filter (9) a čerpadlo (19) aspoň s jednou batériou (15) a tiež so zásobníkom tepla (7) so špirálou ohrevu (10) a ventilom (V) regulujúcim teplý vzduch vracajúci sa do zásobníka tepla (7), ktorý je prepojený aj s výmenníkom ohrevu (6). Nasávaný vzduch je cez filter (9) kompresorom (8) s prietokomerom vedený do výmenníka chladenia (4), odkiaľ je cez zvlhčovač (13) vedený ďalej k palivovému článku (2). Okruhom zbernice CPU je centrálna jednotka (11) napojená na ventily (V) v palivovom okruhu a na stav paliva (18) vodíkovej nádrže (1), najmä je obojsmerne pripojená na DC/DC zbernicu (14) a batériu (15). Elektrickým obvodom je prepojený palivový článok (2) cez DC/DC zbernicu (14), DC/DC konvertory (K1 – K7) na batériu (15) alebo na komunikačné jednotky a meranie (16) a na meranie času (17) do automobilových napájacích konektorov (23), alebo z merania času (17) z DC/DC konvertora (K4) do elektrickej siete alebo na tepelné čerpadlo (3).

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie týkajúce sa ostrovnej (off grid) nabíjacej stanice pre elektromobily vhodnej pre elektromobily a elektromotocykle patrí do oblasti elektrotechniky.

Doterajší stav techniky

Elektromobily sú dopravné prostriedky, ktorých pohonnou jednotkou je motor poháňaný výlučne elektrickou energiou, ktorú čerpá z batérie umiestenej vo vozidle. Batériu je nutné nabíjať z externého zdroja, a to z nabíjacej stanice alebo domácej zásuvky.

Doteraz existujú varianty nabíjacích staníc pre elektromobily od 16 A zásuviek pri reštauráciách po supemabíjačky. Fungujú v režime transformácie elektriny na požadované vlastnosti alebo v režime hybridných systémov kombinujúcich dodávku elektriny z distribučnej siete a batérií nabíjaných fotovoltickým systémom. Inovácie nabíjacích staníc sú zamerané na skrátenie času nabíjania batérií rýchlo nabíjačkami.

Doteraz známe riešenie podľa patentového spisu č. US20080067974 opisuje metódu nabíjania elektrických áut, ktorá zahŕňa systém elektrickej rozvodnej siete a zariadenie na nabíjame elektrického vozidla. Systém napájania elektrickej rozvodnej siete spája energetické výstupy so zariadením na nabíjame elektrických vozidiel; obsahuje tiež batérie a modul na riadenie elektrickej energie. Príkon elektrickej energie batériového systému je riadený a napojený na napájači systém elektrickej siete. Výstup je riadený modulom riadenia elektrickej energie a je pripojený k zariadeniu na nabíjame elektrického vozidla. Pridaním jednej alebo viacerých batérií do systému nabíjania batérií je možné okamžité zvýšenie prúdu pomocou batériových modulov, čím sa vylúči preťaženie na elektrickej sieti a zrýchli nabíjame. Táto metóda je zameraná na ziýchlenie nabíjania a tiež je potrebné pripojenie na zdroj elektrickej energie s nutnosťou určitých výkonových parametrov.

Riešenie podľa patentového spisu č. WO2018199729 sa týka ekologického systému na skladovanie energie a riadiaceho zariadenia. Obsahuje zariadenie na elektrolýzu vody, zariadenie na ukladanie vodíka na regulovanie nadbytočného výkonu z elektrickej siete, zariadenie na výrobu energie z palivových článkov na nabíjame nedostatočného výkonu pre rozvodnú sieť a ovládacie zariadenie, ktoré konfiguruje množstvo regulačnej frekvencie na riadenie nabíjania a vybíjania ekologického systému na uchovávame energie a riadi nabíjame a vybíjame ekologického úložného systému energie, odrážaním množstva regulačnej frekvencie vypočítaného na základe množstva vodíka uloženého v ekologickom systéme skladovania energie v nakonfigurovanom množstve regulačnej frekvencie. Energia uskladnená v batériách slúži na rýchle zmeny veľkosti jednosmerného prúdu pri elektrolytickej výrobe vodíka. Nárast jednosmerného prúdu znamená nárast produkcie vodíka, čo sa v tomto prípade používa na reguláciu výkonu palivového článku, ktorý nabíja elektromobil, čo je zásadným rozdielom oproti predkladanému technickému riešeniu. Vynález rieši aj výrobu vodíka a je nutné jeho pripojenie na elektrickú sieť.

Podstata technického riešenia

Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily rieši nedostatky doterajších riešení nabíjacích staníc pre elektromobily, najmä nutnosť ich postavenia iba na miestach s elektrickým pripojením. Technické riešenie je určené pre 1 až 5 elektromobilov. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily obsahuje tlakovú vodíkovú nádrž na plynný vodík napojenú na najmenej jeden palivový článok (PČ) nízkotlakovým a vysokotlakovým okruhom na unikátnu reguláciu výkonu v rámci palivového okruhu, v ktorom sú zaradené tiež filtre a ventily. Pred výfukom je v palivovom okruhu zaradený aspoň jeden čistiaci ventil.

PČ je tepelným okruhom prepojený s tepelným čerpadlom cez výmenník chladenia spojený so zásobníkom chladenia. Zásobník chladenia je zároveň prepojený v tepelnom okruhu s batériou alebo batériami, a tiež so zásobníkom tepla so špirálou ohrevu a ventilom regulujúcim teplý vzduch vracajúci sa do zásobníka tepla, ktorý je prepojený aj s výmenníkom ohrevu. Nasávaný vzduch je cez filter kompresorom s prietokomerom vedený do výmenníka chladenia, odkiaľ je cez zvlhčovač vedený ďalej k PČ, kde plní úlohu okysličovadla. Systém rekuperácie tepla z výfuku na ohrev batérií v zime a tepelné čerpadlo na chladenie v lete umožňuje udržiavame batérií a PČ pri konštantnej teplote. Prebytočné teplo zo zásobníka tepla v prípade stacionárnej inštalácie sa použije na ohrev TÚ V a na kúrenie (cca 60 - 80 stupňov).

Centrálna jednotka (CPU) je prostredníctvom bezdrôtového routera pripojená na internet, a tiež je pripojená na ventily v palivovom okmhu, ale hlavne je obojsmerne pripojená na DC/DC zbernicu na zjednodušenie prepojenia s ostatnými zariadeniami. DC/DC zbernica je vyvedená cez konvertory, komunikačné jednotky a merače, resp. snímače do automobilových napájacích konektorov. Technické riešenie umožňuje rôzne účtovanie, pri nabíjam elektromobilov striedaným prúdom AC (do 17 kW) podľa času pripojenia elektromobilu v automobilových napájacích konektoroch, účtovanie nabíjania jednosmerným prúdom DC (do 250 kW)

SK 9072 Υ1 podľa kapacity nabitia, pričom centrálna jednotka komunikuje prostredníctvom komunikačnej jednotky a merania s elektromobilom a nastaví typ, výkon nabíjania a zaznamená čas a vypočíta cenu. Výhodne je bezdrôtovým routerom zabezpečujúcim pripojenie na internet wifi modul.

Výhodne sú v technickom riešení kombinované dva typy batérií - trakčné batérie, ktoré majú vysokú kapacitu a Lifepo4 batérie, ktoré majú vysoké prúdové zaťaženie. Výsledkom je systém s veľmi vysokou kapacitou a súčasne odolnosťou proti preťaženiu pri rýchlo nabíjam jedného alebo viacerých áut.

Výhodne sa vodíková nádrž, ktorej stav paliva sa automaticky monitoruje, v prípade potreby doplní vodíkom z pojazdných systémov (cisterien), ktoré sú dnes bežné na dopĺňame vodíka pri manipulačnej technike.

Výhodne je pri statickej stanici s väčším priestranstvom možnosť doplnenia o externý zásobník alebo priamo o solárne pole s elektrolytickým generátorom vodíka.

V technickom riešení sa výkon palivového článku reguluje prepínaním vysokotlakového a nízkotlakového okruhu napájania článku vodíkom, čo umožňuje v prípade, že na automobilovom napájačom konektore nie je pripojené žiadne auto, dobíjať batérie v režime nízkej spotreby paliva. Po pripojení auta na automobilový napájači konektor sa automaticky prepne do vysokého s nábehom výkonu do niekoľkých sekúnd, ktorý je podporený dvomi typmi batérií na zvládnutie dostatočných kapacitných a výkonových parametrov nabíjania.

Hlavnou výhodou technického riešenia je, že umožňuje postaviť nabíjaciu stanicu aj na miestach bez akéhokoľvek elektrického pripojenia, a tiež umožňuje výrazne eliminovať negatívne dopady rozširovania aktuálne existujúcich nabíjacích staníc na požiadavky distribučnej siete.

Dôležitou súčasťou technického riešenia v klimatických podmienkach Európy je využitie vlastnej energie v zimných mesiacoch na ohrev a v letných mesiacoch na chladenie systému, čím sa výrazne predlžuje životnosť vyrovnávacích batérií v nabíjacej stanici a umožňuje rýchle nabíjame aj pri veľmi nízkych teplotách. Jedinečne navrhnutý systém rekuperácie tepla z výfuku na ohrev batérie v zime a tepelné čerpadlo na chladenie v lete umožňuje udržiavame batérie a PČ pri konštantnej teplote, ktorá zvyšuje kapacitu a predlžuje životnosť batérií.

Výhodou technického riešenia ostrovnej nabíjacej stanice pre elektromobily je modulárnosť systému, ktorá umožňuje konštrukciu od malej stanice na nabíjame 1 - 2 áut v zástavbe rodinných domov až po systémy pre 4 - 5 áut na verejných parkoviskách.

Výhodou technického riešenia je aj to, že ostrovnú nabíjaciu stanicu pre elektromobily je možné upraviť na menší výkon, rozmer a inštalovať ju aj pri rodinnom dome.

Technické riešenie zabezpečuje podporu elektromobility v mestách, pretože ostrovná nabíjacia stanica zvládne nabíjame elektroautobusov bez nutnosti budovania novej prípojky a transformátorov potrebných na zvládnutie vysokých výkonov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou výkresu, kde na obr. 1 je schematicky znázornená detailná bloková schéma palivového okruhu a na obr. 2 je schematicky znázornená bloková schéma jedného z možných usporiadam ostrovnej nabíjacej stanice pre elektromobily podľa predloženého príkladu uskutočnenia.

Príklady uskutočnenia

V prípade uskutočnenia ostrovnej nabíjacej stanice pre elektromobily táto obsahuje vodíkovú nádrž 1, ktorou je nádrž na plynný vodík s bežným prevádzkovým tlakom 350 bar. Vodíková nádrž 1 vybavená nízkotlakovým výstupom 20 a vysokotlakovým výstupom 21 je pripojená pomocou palivového okruhu cez filtre 9 a ventily V na dva palivové články 2, konkrétne palivové články s polymémou membránou. Pred výfukom je v palivovom okmhu zaradený aspoň jeden čistiaci ventil 22. Palivové články 2 sú tepelným okmhom prepojené s tepelným čerpadlom 3 cez výmenník chladenia 4 spojený so zásobníkom chladenia 5. Zásobník chladenia 5 je zároveň prepojený v tepelnom okruhu s batériami 15 a tiež so zásobníkom tepla 7 so špirálou ohrevu 10 a ventilom V regulujúcim teplý vzduch vracajúci sa do zásobníka tepla 7, ktorý je prepojený aj s výmenníkom ohrevu 6 na vzduch. Nasávaný vzduch je cez filter 9 kompresorom 8 s prietokomerom vedený do výmenníka chladenia 4, odkiaľ je cez zvlhčovač 13 vedený ďalej k palivovým článkom 2, kde slúži ako okysličovadlo.

Okruhom zbernice CPU je centrálna jednotka 11 pripojená na bezdrôtový router 12, konkrétne wifi modul na pripojenie na internet. Centrálna jednotka 11 je napojená na ventily V umiestnené pred nízkotlakový výstup 20 a vysokotlakový výstup 21 v palivovom okruhu a na senzor stavu paliva 18 vodíkovej nádrže 1. Centrálna jednotka 11 je obojsmerne pripojená na DC/DC zbernicu 14 a batérie 15. Elektrickým obvodom sú

SK 9072 Υ1 prepojené palivové články 2 cez DC/DC zbernicu 14, DC/DC konvertory Kl - K7 na batérie 15 alebo na komunikačné jednotky a merame 16 a na merame času 17 do automobilových napájacích konektorov 23, alebo z merania času 17 z DC/DC konvertora K4 do elektrickej siete, alebo je jeden z konektorov Kl - K7 napojený na tepelné čerpadlo 3. Batérie 15 sú vysokokapacitné trakčné batérie a Lifepo4 batérie. Automobi5 lovým nabíjacím konektorom 23 je v príklade uskutočnenia SAE J1772 alebo IEC 62196 konfigurovaný AA.

Palivo vodík sa dá v príklade uskutočnenia získať pomocou solárnej, veternej a atómovej energie z vody bez emisií COz.

V príklade uskutočnenia technického riešenia na pozemku s možnosťou umiestnenia externej nádrže na vodík je možnosť k nabíjacej stanici túto nádrž pripojiť, čím sa zníži frekvencia dopĺňania paliva.

SK 9072 Υ1

Zoznam vzťahových značiek

1	Vodíková nádrž
2	Palivový článok
3	Tepelné čerpadlo
4	Výmenník chladenia
5	Zásobník chladenia
6	Výmenník ohrevu
7	Zásobník tepla
8	Kompresor
9	Filter
10	Špirála ohrevu
11	Centrálna jednotka (CPU)
12	Bezdrôtový router
13	Zvlhčovač
14	DC/DC zbernica
15	Batéria
16	Komunikačná jednotka a merame
17	Merame času
18	Stav paliva
19	Čerpadlo
20	Nízkotlakový výstup
21	Vysokotlakový výstup
22	Čistiaci ventil
23	Automobilový napájači konektor
V	Ventil
KÍ -K7	DC/DC konvertor
	“ tepelné okruhy
	- palivový okruh (H2)
	— okysličovadlo (vzduch)
	“ elektrické okruhy

zbernice CPU

Claims (5)

1. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily, vyznačujúca sa tým, že pozostáva z vodíkovej nádrže (1) s nízkotlakovým výstupom (20) a vysokotlakovým výstupom (21) a najmenej jedného palivového článku (2), pričom vodíková nádrž (1) je pripojená na palivový článok (2) palivovým okruhom cez filtre (9) a ventily (V) a pred výfukom je v palivovom okruhu zaradený aspoň jeden čistiaci ventil (22); zároveň je palivový článok (2) tepelným okruhom prepojený s tepelným čerpadlom (3) cez výmenník chladenia (4) cez čerpadlo (19) a filter (9) spojený so zásobníkom chladenia (5), ktoiý je zároveň prepojený v tepelnom okruhu aspoň s jednou batériou (15) a tiež so zásobníkom tepla (7) so špirálou ohrevu (10) a ventilom (V) regulujúcim teplý vzduch vracajúci sa do zásobníka tepla (7), ktoiý je prepojený s výmenníkom ohrevu (6), pričom nasávaný vzduch je cez filter (9) kompresorom (8) s prietokomerom vedený do výmenníka chladenia (4), odkiaľ je cez zvlhčovač (13) vedený ďalej k palivovému článku (2); okruhom zbernice CPU je centrálna jednotka (11) pripojená na bezdrôtový router (12) na pripojenie na internet, tiež je napojená na ventily (V) v palivovom okmhu, na stav paliva (18) vodíkovej nádrže (1), ďalej je obojsmerne pripojená na DC/DC zbernicu (14) a batériu (15); pričom elektrickým obvodom je prepojený palivový článok (2) cez DC/DC zbernicu (14), DC/DC konvertory (Kl - K7) na batériu (15) alebo na komunikačné jednotky a meranie (16) a na merame času (17) do automobilových napájacích konektorov (23), alebo z merania času (17) z DC/DC konvertora (K4) do elektrickej siete alebo na tepelné čerpadlo (3).

2. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že stav paliva (18) vodíkovej nádrže (1) je priebežne automaticky monitorovaný a v prípade potreby je vodíková nádrž (1) doplnená z pojazdných systémov (cisterien).

3. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že prebytočné teplo v rozpätí 60 - 80 stupňov zo zásobníka tepla (7) je odvedené na ohrev TÚV a na kúrenie.

4. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že je umiestnená staticky na priestranstve a je doplnená o externý zásobník paliva alebo priamo o solárne pole s elektrolytickým generátorom vodíka.

5. Ostrovná nabíjacia stanica pre elektromobily podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že obsahuje dva typy batérií (15), a to trakčné batérie, ktoré majú vysokú kapacitu a Lifepo4 batérie.