WO2016026753A1 - Betriebsvorrichtung und system zum betreiben eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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WO2016026753A1
WO2016026753A1 PCT/EP2015/068571 EP2015068571W WO2016026753A1 WO 2016026753 A1 WO2016026753 A1 WO 2016026753A1 EP 2015068571 W EP2015068571 W EP 2015068571W WO 2016026753 A1 WO2016026753 A1 WO 2016026753A1
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Simon NÜRNBERGER
Philipp OBERHUMER
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to an operating device and a system for operating a motor vehicle, which is suitable for operating a motor vehicle with a solid-gas battery.
  • An advantage of electric motors is the local emission-free with regard to pollutant emissions.
  • the drive energy of an electric motor is usually provided by rechargeable batteries.
  • lithium-ion batteries are often used as accumulators, which apply the necessary drive energy for operating the motor vehicle.
  • lithium-air batteries or lithium-oxygen batteries or more generally solid-gas batteries for example, a much higher theoretical
  • Operating device for operating a motor vehicle at least one solid-gas battery, which is adapted to provide energy for an electric motor of the motor vehicle. Furthermore, the operating device comprises at least one high-pressure tank for receiving and storing gas for the solid-gas battery. In addition, the operating device has at least one charging port, by means of which the solid-gas battery can be coupled in the context of a charging process for receiving electrical current and by means of which the high-pressure tank in the context of
  • Charging process for receiving gas can be coupled.
  • the solid-gas battery of the motor vehicle provides electrical energy for driving the motor vehicle, which is supplied by the vehicle
  • Electric motor of the motor vehicle for example, is converted into mechanical energy and so a movement of the
  • the gas required for operating the solid-gas battery is supplied from the high-pressure tank of the motor vehicle to the solid-gas battery.
  • the high-pressure tank of the motor vehicle can be supplied from the high-pressure tank of the motor vehicle by means of a
  • Solid-state gas batteries have an anode consisting of a solid and a cathode spaced therefrom which is, for example, mesoporous carbon and which can be pictorially illustrated as a type of sponge. Between the solid anode and the cathode is typically an electrolyte, which, depending on
  • Embodiment of the solid-gas battery may be formed, for example, in solid or liquid form.
  • Electrons provide the flow of current and an electrical
  • Example can be given in an outdoor area of the motor vehicle or recycled for another cycle of the solid-gas battery in the motor vehicle.
  • the motor vehicle has at least one solid-gas battery.
  • a plurality of solid-gas batteries may be arranged in the motor vehicle, which are coupled to one another, for example, and thus realize a battery pack which provides the necessary
  • the charging device In interaction of the described operating device with a corresponding charging device, it is possible to supply the motor vehicle with electric power and / or gas for the solid-gas battery.
  • the charging device then has, for example, a supply connection with the at least one charging connection of the motor vehicle can be coupled and which allows loading of electricity and gas as part of the charging process.
  • Charging device provided because this allows a faster charging of the motor vehicle as a charging with alternating current.
  • a charging with alternating current is also possible, so in this context, for example, the
  • Charging device or the motor vehicle components for power and / or voltage conversion include, such as a rectifier.
  • a rectifier In this way it is ensured that the solid-gas battery of the motor vehicle is supplied with direct current, which is required for charging the solid-gas battery.
  • direct current Analogous to direct current or alternating current, it is also possible by means of the charging device and the supply connection to apply a direct current voltage or an alternating voltage, in order thus to engage in the course of a charging process
  • the released during the charging process gas can, for example, from the solid-gas battery or the
  • the released gas is discharged from a housing of the solid-gas battery and received by the charging device, so that the charging device in the further course, the gas, for example, worked up and / or compressed again fed to the high-pressure tank of the motor vehicle.
  • the gas is compressed in the context of the charging process supplied to the motor vehicle, it is possible a larger volume of gas, for example in the high-pressure tank of the
  • a compressor is integrated in the charging device, so that during the charging process, the motor vehicle can be supplied with the gas under pressure and stored in the high-pressure tank.
  • gas is stored at a pressure of 300 bar to 700 bar for operation of the solid-gas battery in the high-pressure tank of the motor vehicle so as to carry a sufficient amount of gas in the motor vehicle and thereby to enable a desired range of the motor vehicle. Because the compressor is external to the
  • Motor vehicle is arranged, this has an advantageous effect on the power efficiency of the solid-gas battery, since so motor vehicles can be realized in which weight, volume and cost can be saved, which would be justified by an installation of a compressor in the motor vehicle.
  • Geometric adjustments can further advantageously affect the possible range of the motor vehicle.
  • Charging device to receive in the course of new gas from the charging station. This is possibly due to the fact that a user of the motor vehicle wants to replace the previously used gas with another type of gas or a mixture of gases, for example the
  • the motor vehicle and the charging device are correspondingly designed to carry out such a gas exchange during the charging process.
  • the Solid-gas battery in such a case designed to be operated by means of different types of gas or gas mixtures.
  • the charging device comprises a gas supply unit, which has several
  • Such a gas supply unit is also provided with a
  • Gas supply network coupled and obtains one or more gas types and / or gas mixtures for supplying the motor vehicle.
  • the charging of electric power and gas for the solid-gas battery can be carried out in the context of the charging process by means of the charging port of the motor vehicle, for example, simultaneously or in chronological succession.
  • the at least one charging port is formed in accordance with this case and is coupled to the high-pressure tank and the solid-gas battery.
  • the at least one charging port includes an insulated electrical lead for receiving and supplying the electrical current for the
  • Gas can also be taken up by the motor vehicle via this gas line, for example during the charging process, which gas is released, for example, when the solid-gas battery is charged.
  • the motor vehicle can also be taken up by the motor vehicle via this gas line, for example during the charging process, which gas is released, for example, when the solid-gas battery is charged.
  • Gas line which can be coupled for example by means of at least one charging connection to the charging device.
  • the at least one charging port is realized in this context, for example, as a kind of combination connection, the so is designed to be at least as described
  • Charging port for receiving electric power and a second charging port for receiving gas for the
  • Charging port can also be designed for discharging gas from the motor vehicle or there is, for example, a gas outlet connection, which assumes this function.
  • the one or more charging ports are formed in this context such that they have according to their function, for example, common plug shapes. But they can also be designed differently in terms of their shape, so that in the context of the loading process at least always a loading of
  • Solid fuel gas battery of the motor vehicle a metal-air battery.
  • the solid-gas battery or metal-air battery is designed, for example, to be operated with treated and / or synthetic air and / or pure oxygen, wherein in providing the energy through the solid-gas battery essentially the Oxygen components of the respective type of gas are electrochemically bonded during operation of the solid-gas battery. Excess nitrogen is then released from the motor vehicle, for example, to allow the oxygen to continue reactive centers of the cathode of the solid-gas battery to arrive.
  • treated air refers to air with no or at least only small amounts of water
  • the treated air may also contain other constituents
  • Synthetic air refers to a mixture of oxygen and nitrogen.
  • the metal-air battery is a lithium-air battery.
  • the metal-air battery is a lithium-oxygen battery.
  • Lithium-air batteries are in this context a preferred embodiment of solid-gas batteries and metal-air batteries.
  • metal-air batteries such as zinc-air batteries, as a component of the operating device for Operate the
  • the operating device comprises an additional energy storage, which is designed to receive and deliver energy.
  • the additional energy storage is realized for example as a lithium-ion accumulator and, in combination with the solid-gas battery of the motor vehicle, a dual-storage battery Concept represents.
  • the solid-gas battery for example, represents a main energy storage, so that the
  • Additional energy storage can be referred to as a secondary energy storage.
  • the supplemental energy storage is realized as one or more lithium-ion cells or super or hybrid capacitors are used to store additional energy and provide it when needed.
  • Hybrid capacitors are a mixture of
  • additional energy storage can also be composed of several components that allow recording and output of electrical energy.
  • the energy content of the supplemental energy storage may be low and, for example, provide energy equivalent to a usable power of 1-2 kilowatt hours.
  • the stored energy from the supplemental energy storage may then be released, for example, in addition to the energy provided by the solid-gas battery, so as to realize, for example, a power boost of the electric motor which, for example, at a
  • the electric motor is in an operation of the motor vehicle to do so
  • the Rekuperationsphase referred to in this context a phase during the loading of the solid-gas battery in Operation of the motor vehicle is possible.
  • recorded kinetic energy of the motor vehicle in a braking operation by means of the electric motor regeneratively into electrical energy, or in relation to time in
  • converted electrical power that can be supplied, for example, the additional energy storage described above.
  • the electrical energy thus generated is used to charge the solid-gas battery.
  • An electrical charging of the solid-gas battery leads to the release of the electrochemically bound gas, which in turn can be used, for example, for a re-discharge of the solid-gas battery.
  • the solid-gas battery is surrounded, for example, by a battery housing which is designed to receive a certain volume of gas as a function of a gas pressure. For example, if the gas pressure within the battery case exceeds a predetermined threshold, gas
  • the operating device comprises a gas storage, which
  • a gas storage is coupled to the solid-gas battery and receives released gas during the Rekuperationsphase.
  • a gas pressure 5 bar
  • the operating device has a supply line, which the
  • the operating device comprises an air conditioning system, which is designed to at least partially temper the solid-gas battery and / or the high-pressure tank and / or the supply line.
  • the air conditioning of the operating device it is possible to temper the gas for the solid-gas battery to a temperature, for example, in connection with the operation of the solid-gas battery and the
  • gas as part of a charge of one
  • Loading device is related, can be tempered by means of the air conditioner, if the supplied gas, for example by means of the charging device not already desired
  • the energy that is required for tempering the gas for example, in the context of the charging process by means of the at least one charging port of the Motor vehicle are obtained from the charging device. In this way, for example, no energy from the
  • the gas is heated in the supply line, for example, before it is conducted into the solid-gas battery.
  • the gas in the high pressure tank is cooled when, for example, ambient temperatures
  • stored gas must be at least higher than the gas pressure in the battery housing of the solid-gas battery, so that the gas to be supplied can propagate in the direction of the solid-gas battery.
  • the operating device comprises a gas discharge unit, which is designed to discharge gas during operation or during the charging process of the motor vehicle.
  • an exchange of the gas for the solid-gas battery allows.
  • the solid-state gas battery is designed to be operated with synthetic air and pure oxygen, the Gas types are drained and replaced as needed as part of the charging process.
  • the gas is, for example via pipelines from the solid-gas battery to the at least one charging port of
  • Directed motor vehicle and added as part of the charging of a coupled to the charging port supply port of the charging device.
  • the operating device has an electric charging unit, which is arranged in the motor vehicle and the one
  • Rectifier includes.
  • a charging DC or DC voltage is preferably obtained by a charging device, which usually a faster terminated charging of the
  • Motor vehicle is allowed as a charging with AC or AC voltage.
  • a store with AC or AC voltage is allowed.
  • Motor vehicle comprises the charging unit, for example by means of the rectifier, a simple power or
  • the operating device has a communication interface, which is designed, in the context of the charging process of the motor vehicle, signals for controlling the charging process between the motor vehicle and a thereto
  • the Charging device to communicate and so to control the charging of the motor vehicle.
  • the charging device is in this context, for example, with a corresponding
  • Controlled battery management system of the motor vehicle which among other things monitors the charging process.
  • Communication involves transmitting various information, such as a status of the
  • the operating device is also designed for communication
  • the operating device has a control unit which is designed to control the operation and / or charging of the
  • the control unit comprises, for example, the vehicle or battery management system described above, and controls not only the communication during the charging process but also the discharging of the solid-gas battery and the operation of the motor vehicle.
  • control unit for example, the gas pressure, an oxygen content of the gas and an exhaust gas temperature are monitored and, for example, a
  • control unit is at least
  • a system for operating a motor vehicle comprises an operating device according to one of the previously described embodiment of the first aspect and a charging device having at least one supply connection for supplying electric current and / or gas for the solid-gas battery in the context of Charging the motor vehicle.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an operating device for operating a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a system for operating a motor vehicle.
  • Figure 1 is an embodiment of a
  • Electric motor 5 and a high-pressure tank 7 has.
  • Solid-gas battery 3 is coupled by means of a supply line 15 to the high-pressure tank 7 and provides, inter alia, electrical energy for driving the motor vehicle 1, which is converted by the electric motor 5 during operation of the motor vehicle 1 into mechanical energy and so a move of the motor vehicle 1 allows.
  • the gas required for operating the solid-gas battery 3 is supplied from the high-pressure tank 7 of the motor vehicle 1 to the solid-gas battery 3.
  • the high-pressure tank 7 of the motor vehicle 1 As part of a charging process, the high-pressure tank 7 of the
  • Charging device 30 for example, supplied new gas, so as to allow, for example, further driving cycles.
  • the motor vehicle 1 has at least one
  • Charging port 9 by means of which the solid-gas battery 3 as part of a loading process for receiving electric current can be coupled and by means of which the high-pressure tank 7 can be coupled in the context of the charging process for receiving gas.
  • the charging port 9 is in this
  • Embodiment coupled by means of an electrical line and by means of one or more pipelines with the solid-gas battery 3 to allow charging of electric current and receiving gas from the solid-gas battery 3.
  • Charging port 9 coupled by means of one or more pipes to the high-pressure tank 7, to allow for receiving and discharging gas from or from the high-pressure tank.
  • Solid-gas batteries 3 are an alternative to, for example, known lithium-ion batteries and offer in comparison to these a significantly higher theoretical energy density and performance, which may, inter alia, advantageously affect a possible range of the motor vehicle 1.
  • a subgroup of solid-gas batteries 3 are metal-air batteries, and concrete examples are lithium-air batteries and lithium-oxygen batteries.
  • Solid gas batteries 3 have a solid anode and a cathode spaced therefrom. By supplying gas, a current flow is induced in the solid-gas battery 3, which can be used for purposes of energy supply in the motor vehicle 1. In this way, inter alia, the electric motor 5 of the motor vehicle 1 can be driven, the electric energy of the
  • Solid-gas battery 3 converts into mechanical power and thereby allows locomotion of the motor vehicle 1. This consequently leads to a discharge of the solid-gas battery 3, in which atoms or molecules of the gas are involved positive ions, which come from the anode, bind electrochemically at the cathode.
  • the motor vehicle 1 is coupled, for example, by means of the at least one charging port 9 with at least one supply terminal 31 of a charging device 30, which is adapted to the motor vehicle 1 with electric power and / or Supply gas for the solid-gas battery 3.
  • DC power is preferably supplied from the charging device 30 or DC voltage applied, because this allows a faster charging process than charging with AC or AC voltage.
  • Voltage conversion includes, for example, a
  • Rectifier has. In this way, it is ensured that the solid-gas battery 3 is supplied with direct current or is applied to the solid-gas battery 3 DC voltage that is required for charging the solid-gas battery 3.
  • the charging of electric power and gas for the solid-gas battery 3 can be carried out simultaneously or in chronological succession during the charging process, for example.
  • the at least one charging port 9 is in this case
  • Embodiment realized as a kind of combination connection.
  • a flow and a direction of the propagating gas in the pipeline (s) can be controlled, for example, by means of valves 12, which are shown by way of example in FIG.
  • a reverse direction of a valve 12 is represented by the center bar in the symbols of the valves 12 being drawn transversely to the tube walls of the respective pipeline of the pipeline system.
  • a gas flow is preferably carried out.
  • Double arrows indicate that a gas flow in both
  • the motor vehicle 1 has a
  • Electric motor 5 is electrically coupled.
  • Additional energy storage 11 is realized, for example, as a lithium-ion accumulator and, in combination with the solid-gas battery 3 of the motor vehicle 1, constitutes a dual-storage concept.
  • auxiliary energy storage 11 also functions as a
  • the auxiliary energy storage 11 is realized as one or more lithium-ion cells or super or hybrid capacitors are used to store additional energy and to provide it as needed.
  • Hybrid capacitors are a mixture of supercapacitors and lithium-ion cells.
  • Additional energy storage 11 may also consist of several
  • Additional energy storage be low and provide, for example, a usable energy of 1-2 kilowatt hours.
  • the stored energy from the supplemental energy storage 11 may then be released, for example, in addition to the energy provided by the solid-gas battery 3, for example, a power boost of the
  • Electric motor 5 to realize which is needed for example in an acceleration process.
  • the electric motor 5 is furthermore designed to generate regenerative electric power during a recuperation phase.
  • the recuperation phase in this context refers to a phase during which charging of the solid-gas battery 3 during operation of the motor vehicle 1 is possible. For example, recorded
  • Additional energy storage 11 can be supplied.
  • the thus generated electrical energy is used to the solid-gas battery.
  • the solid-gas battery 3 for example, from a
  • Surrounded battery housing which is adapted to a gas volume in dependence of a gas pressure
  • Battery case for example, a predetermined
  • Threshold exceeds, for example, gas by means of a pressure relief valve from the battery case
  • the gas storage 13 is coupled to the solid-gas battery 3 and receives, for example, released gas during the Rekuperationsphase.
  • the gas storage 13 receives, for example, released gas during the Rekuperationsphase.
  • Gas storage 13 and / or the battery housing a gas pressure of 5 bar record before gas, for example, from the
  • Motor vehicle is delivered to the environment.
  • the discharge of gas from the motor vehicle 1 is in this case
  • Communication interface 23 in or on the motor vehicle 1, by means of which it is possible to communicate with the charging device 30 and so to control the charging of the motor vehicle 1.
  • the charging device 30 is in this context, for example, with a corresponding
  • Communication interface 43 which allows such communication. For example, this will happen
  • Vehicle or battery management system of the motor vehicle 1 controls, among other things, the charging process
  • the communication includes transmitting various information, such as a charging status, a system pressure, an oxygen content of the supplied gas, a high-pressure tank level, a pressure in the solid-gas battery, a gas temperature, a battery temperature.
  • the motor vehicle 1 is also designed for communication
  • sensors are arranged at the indicated positions, which enable a recording of measured values, which, for example, for an evaluation to a
  • Control unit 25 of the motor vehicle 1 are forwarded, which can affect the charging process of the motor vehicle 1 targeted.
  • the control unit 25 includes, for example, the aforementioned vehicle or battery management system and controlled in addition to the communication during the charging process and the discharge of the solid-gas battery 3 and the operation of the motor vehicle 1.
  • the control unit 25 includes, for example, a computing unit, a Data and
  • Allow motor vehicle 1 the arithmetic unit and / or the data and program memory in a structural unit or be formed distributed to two or more units.
  • control unit 25 for example, the gas pressure, an oxygen content of the gas and an exhaust gas temperature are monitored and, for example, a
  • Car discharged gas performed and controlled, for example, an air conditioner 17 of the motor vehicle 1 and the temperature control of the gas.
  • FIG. 2 shows a system for loading the motor vehicle 1 is shown, which is an embodiment of a
  • Charging device 30 and the motor vehicle 1 comprises.
  • Motor vehicle 1 corresponds in the embodiment in the embodiment in the embodiment in
  • Charging terminals 9 of the operating device are shown, which allow separately from each other in the context of the charging process, the charging of electric current and / or gas and the absorption of gas from the motor vehicle 1.
  • the charging device 30 accordingly has three complementary connections, which are coupled to the respective associated charging connection 9 of the motor vehicle 1 during the charging process.
  • a second supply connection 31 for charging electric current is with a second
  • Charger 30 for receiving gas is with a
  • Gas discharge connection 10 of the motor vehicle 1 is coupled.
  • the first charging port 9 is coupled by means of a pipeline to the high-pressure tank 7 of the motor vehicle 1 and enables the absorption of gas, which is provided by the charging device 30 and supplied as part of the charging process.
  • the second charging port 9 is coupled to the solid-gas battery 3 and supplies them in the context of
  • Gas discharge port 10 is coupled to the high-pressure tank 7 and the solid-gas battery 3 and thus allows an exchange of a previously-fueled gas type and / or a
  • the gas is, for example, from a battery case of the solid-gas battery 3.
  • the gas is, for example, from a
  • Gas receiving unit 41 of the charging device 1 added, in the further course, for example by means of a
  • Gas processing unit 36 cleaned of harmful components and the motor vehicle 1 fed back.
  • the charging ports 9 are for example designed such that they have at least the usual plug shapes according to their function. But they can also be designed differently in terms of their design, so that in the context of the charging at least always a charge of electric power and / or gas for the solid-gas battery 3 of the motor vehicle 1 is possible.
  • the loading device 30 thus enables loading of
  • Charger 30 includes a power supply unit 35 and a gas supply unit 37 external to the
  • Motor vehicle 1 are arranged and the electric current and provide gas for a charging of the motor vehicle 1.
  • the charging of the motor vehicle 1 is by means of the two supply terminals 31 and by means of
  • Flow and a direction of the propagating gas in the piping system can be controlled, for example, by means of further valves 12.
  • the power supply unit 35 is, for example, a separate component of the charging device 30, which for example comprises a generator and / or is with one
  • Power supply network coupled, from which it refers to the charging of the motor vehicle 1 necessary electrical power.
  • DC or DC voltage is provided by the power supply unit 35, because this allows faster charging than charging
  • the charging device 30 includes components for power or voltage conversion.
  • the gas supply unit 37 of the charging device 30 is coupled in this embodiment with two gas tanks 39, in which various types of gas for the solid-gas battery 3 are stored, they for the charging of the
  • Solid-gas battery 3 designed with synthetic Air or pure oxygen to be operated, so that the gas supply unit 37 allows the loading of different types of gas loading.
  • the gas supply unit 37 allows the loading of different types of gas loading.
  • gas supply unit 37 is also coupled to a gas supply network and obtains therefrom one or more types of gas for supplying the motor vehicle 1 in
  • Gas supply unit 37 coupled by way of example with an external gas reservoir 38, in addition to the two
  • illustrated gas tanks 39 ensures a gas supply.
  • the energy supply unit 35 supplies the solid-gas battery 3 with electric current as part of a charging process, which essentially has an external voltage potential
  • the gas receiving connection 33 is arranged, for example, on the charging device 30, which enables a picking up of gas from the motor vehicle 1 as part of a charging process.
  • the at least one supply connection 31 is additionally designed to receive gas from the motor vehicle 1 during the charging process.
  • a gas exchange is for example due to the fact that a user of the motor vehicle 1 wants to replace the gas previously used for another type of gas so as
  • the charging device 30 comprises a gas absorption unit 41, which in the context of the charging process by means of the gas receiving connection 33 gas from the
  • Vehicle 1 receives, for example, to store it in a gas tank.
  • a gas tank For example, such an exchange of the gas for the solid-gas battery 3 is made possible.
  • previously fueled synthetic air which is stored for example in the high-pressure tank 7 of the motor vehicle 1, be replaced by pure oxygen, which
  • the liberated gas which by the operation when discharging the solid-gas battery 3 with the positive ions that have passed from the solid anode into the electrolyte, at the cathode was chemically bound to absorb and again the
  • High pressure tank 7 of the motor vehicle 1 supply.
  • the charging device 30 of the embodiment in Figure 2 further comprises a compressor 32 and an air conditioner 34.
  • the gas supply unit 37 comprises a
  • Gas conditioning unit 36 by means of which gas can be worked up, which is provided to the motor vehicle 1 for the solid-gas battery 3.
  • the gas conditioning unit 36 is coupled in the embodiment described here with the gas intake unit 41, the gas reservoir 38 and the two gas tanks 39 and the compressor 32. In this way, for example, it is possible to filter out harmful components of the gas, regardless of where the
  • Gas Supply Unit 37 Gas for charging.
  • the gas conditioning unit 36 By means of the gas conditioning unit 36, the gas is thus cleaned before this in the context of the charging process the
  • the gas can be so by means of
  • Gas conditioning unit 36 mostly of water and
  • Hydrocarbon can be separated in this way, so that the treated gas is then supplied to the motor vehicle 1 or, for example, a later
  • the gas for the solid-gas battery 3 can the
  • Motor vehicle 1 are also supplied under pressure during the charging process.
  • the gas is compressed by means of the compressor 32 before it is supplied to the high-pressure tank 7 of the motor vehicle 1 during the charging process.
  • a possible pressure range that the gas takes in the high-pressure tank 7 in a compressed manner is between 300 bar and 700 bar. Other pressure ranges are also possible.
  • the compressor 32 is, for example, integrated as a component of the gas supply unit 37 in the charging device 30 and arranged externally to the motor vehicle 1. This allows for loading and storing compressed gas for
  • Motor vehicles 1 which do not carry a compressor 32 themselves. As a result, motor vehicles 1 can be realized with solid-gas batteries 3, in which weight, volume and costs can be saved, which would be justified by an installation of a compressor 32 in the motor vehicle 1.
  • Weight reduction of the motor vehicle 1 has an advantageous effect on the energy density and the performance of the motor vehicle 1
  • Solid-gas battery 3 and allows by the concomitant volume reduction adjustment of others
  • Compressor in the motor vehicle 1 would be the case. This can further be beneficial to the charging process of the motor vehicle 1
  • the air conditioner 34 of the charging device 30 it is possible to temper the gas for and / or during the charging process to a temperature which, for example, a fast and / or battery-saving charging the
  • Motor vehicle 1 allows. For example, by means of the air conditioner 34, a certain temperature range of the gas provided by the gas supply unit 37 becomes
  • one of the two gas tanks 39 is a cryogenic storage, which is cooled by means of the air conditioner 34 and which, for example, allows a loading of liquid oxygen for the motor vehicle 1.
  • Air conditioning system 34 comprises in this embodiment, the two gas tanks 39 and a part of a piping system, which couples the gas-carrying components of the charging device 30 together.
  • Charging device 30 to temper and to integrate into the sphere of influence of the air conditioner 34.
  • Air conditioning 17 of the motor vehicle 1 may not or at least only partially necessary so that correspondingly a lower energy consumption on the part of the motor vehicle 1, for example, during operation is needed.
  • Communication interface 43 by means of which it is possible to communicate with the motor vehicle 1 and so to control the charging of the motor vehicle 1.
  • Motor vehicle 1 is equipped inter alia for this purpose with the communication interface 23, which allows such communication.
  • the charging device 30 described is similar, for example, to known refueling stations for motor vehicles
  • Connection can also be referred to as a private charging station and also allows a loading of solid-gas batteries, the components with electrical energy

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Abstract

Eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (1) umfasst mindestens eine Feststoff-Gas-Batterie (3), die dazu ausgebildet ist, Energie für einen Elektromotor (5) des Kraftfahrzeugs (1) bereitzustellen. Des Weiteren umfasst die Betriebsvorrichtung mindestens einen Hochdrucktank (7) zum Aufnehmen und Speichern von Gas für die Feststoff-Gas-Batterie (3). Außerdem weist die Betriebsvorrichtung mindestens einen Ladeanschluss (9) auf, mittels dessen die Feststoff-Gas-Batterie (3) im Rahmen eines Ladevorgangs zum Aufnehmen von elektrischem Strom koppelbar ist und mittels dessen der Hochdrucktank (7) im Rahmen des Ladevorgangs zum Aufnehmen von Gas koppelbar ist.

Description

Beschreibung
Betriebsvorrichtung und System zum Betreiben eines
Kraftfahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung und ein System zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, die beziehungsweise das dazu geeignet ist, ein Kraftfahrzeug mit einer Feststoff-Gas-Batterie zu betreiben.
Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren sind eine Alternative zu Kraftfahrzeugen mit konventionellem Antrieb durch
Verbrennungsmotoren. Ein Vorteil von Elektromotoren ist die lokale Emissionsfreiheit in Bezug auf Schadstoffemissionen. Die Antriebsenergie eines Elektromotors wird in der Regel durch wieder aufladbare Akkumulatoren bereitgestellt. In diesem Zusammenhang werden häufig Lithium-Ionen-Batterien als Akkumulatoren verwendet, die die notwendige Antriebsenergie zum Betreiben des Kraftfahrzeugs aufbringen.
Eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien bieten zum
Beispiel Lithium-Luft-Batterien oder Lithium-Sauerstoff- Batterien oder allgemeiner Feststoff-Gas-Batterien, die beispielsweise eine deutlich höhere theoretische
Energiedichte und Leistungsfähigkeit als gegenwärtige
Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, die sich unter anderem vorteilhaft auf eine mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs auswirken können. Infolgedessen werden für Kraftfahrzeuge mit Feststoff-Gas-Batterien auch spezielle Ladevorrichtungen benötigt, die dem Kraftfahrzeug den notwendigen Kraftstoff zum Betreiben der Feststoff-Gas-Batterie bereitstellen. In dem Dokument US 2012/0041628 AI werden ein System und ein Verfahren beschrieben, die dazu geeignet sind, eine in einem Kraftfahrzeug angeordnete Metall-Luft-Batterie elektrisch aufzuladen. Zu diesem Zweck sind in dem Kraftfahrzeug weiter ein Kompressor und ein Tank angeordnet, die zusammen mit einer externen Stromquelle einen Ladezyklus der Metall-Luft- Batterie ermöglichen.
Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine Betriebsvorrichtung und ein System zu schaffen, die
beziehungsweise das dazu geeignet ist, einen effizienten Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Feststoff-Gas-Batterie zu ermöglichen .
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung umfasst eine
Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mindestens eine Feststoff-Gas-Batterie, die dazu ausgebildet ist, Energie für einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Des Weiteren umfasst die Betriebsvorrichtung mindestens einen Hochdrucktank zum Aufnehmen und Speichern von Gas für die Feststoff-Gas-Batterie. Außerdem weist die Betriebsvorrichtung mindestens einen Ladeanschluss auf, mittels dessen die Feststoff-Gas-Batterie im Rahmen eines Ladevorgangs zum Aufnehmen von elektrischem Strom koppelbar ist und mittels dessen der Hochdrucktank im Rahmen des
Ladevorgangs zum Aufnehmen von Gas koppelbar ist.
Auf diese Weise wird eine Betriebsvorrichtung realisiert, die ein effizientes Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit Feststoff- Gas-Batterie ermöglicht. Die Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs stellt unter anderem elektrische Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeugs bereit, die von dem
Elektromotor des Kraftfahrzeugs zum Beispiel in mechanische Energie umgewandelt wird und so ein Fortbewegen des
Kraftfahrzeugs ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird das Gas, das zum Betreiben der Feststoff-Gas-Batterie benötigt wird, aus dem Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs der Feststoff- Gas-Batterie zugeführt. Im Rahmen eines Ladevorgangs kann dem Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs mittels einer dazu
ausgebildeten Ladevorrichtung zum Beispiel neues Gas
zugeführt werden, um so beispielsweise weitere Fahrzyklen zu ermöglichen .
Feststoff-Gas-Batterien besitzen eine aus einem Feststoff bestehende Anode und eine davon beabstandete Kathode, die beispielsweise aus mesoporösem Kohlenstoff besteht und die bildlich als eine Art Schwamm veranschaulicht werden kann. Zwischen der Feststoffanode und der Kathode befindet sich typischerweise ein Elektrolyt, welcher je nach
Ausführungsform der Feststoff-Gas-Batterie beispielsweise in fester oder flüssiger Form ausgebildet sein kann. Durch
Zuführen von Gas wird in der Feststoff-Gas-Batterie ein
Stromfluss induziert, der zu Zwecken der Energieversorgung für einen äußeren Stromkreis benutzt werden kann.
Grundsätzlich lösen sich bei einem Entladen der Feststoff- Gas-Batterie positive Ionen beziehungsweise Elektronen von der Feststoff-Anode ab und gehen in den Elektrolyt
beziehungsweise in den äußeren Stromkreis über. Im weiteren Verlauf koppeln die positiven Ionen an der Kathode mit Atomen oder Molekülen des zugeführten Gases und den Elektronen des äußeren Stromkreises und sind dort elektrochemisch gebunden. Die in diesem Prozess durch den äußeren Stromkreis bewegten Elektronen stellen den Stromfluss und eine elektrische
Versorgung von mit der Feststoff-Gas-Batterie gekoppelten Komponenten dar. Wird beispielsweise ein externes
Spannungspotential an die Feststoff-Gas-Batterie angelegt, welches gegenüber dem Potential beim Entladen der Feststoff- Gas-Batterie überwiegt, wird der beschriebene Prozess
umgekehrt und die Feststoff-Gas-Batterie geladen. In diesem Fall werden die elektrochemischen Bindungen zwischen den Ionen der Feststoff-Anode und den Atomen oder Molekülen des zugeführten Gases wieder gelöst. Infolgedessen wandern die Ionen durch den Elektrolyt zu der Feststoff-Anode und setzen sich durch Rekombinationen mit Elektronen aus dem äußeren Stromkreis an dieser ab. Darüber hinaus wird auch das
elektrochemisch gebundene Gas wieder frei, welches zum
Beispiel in einem Außenbereich des Kraftfahrzeugs abgegeben oder für einen weiteren Zyklus der Feststoff-Gas-Batterie in das Kraftfahrzeug rückgeführt werden kann.
Im Rahmen der Erfindung weist das Kraftfahrzeug mindestens eine Feststoff-Gas-Batterie auf. Es können aber auch mehrere Feststoff-Gas-Batterien in dem Kraftfahrzeug angeordnet sein, die beispielsweise miteinander gekoppelt sind und so ein Batteriepaket realisieren, welches die notwendige
Antriebsenergie für den Elektromotor des Kraftfahrzeugs bereitstellt .
Im Zusammenwirken der beschriebenen Betriebsvorrichtung mit einer korrespondierenden Ladevorrichtung ist es möglich, das Kraftfahrzeug mit elektrischen Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas-Batterie zu versorgen. Die Ladevorrichtung weist dann beispielsweise einen Versorgungsanschluss auf, der mit dem mindestens einen Ladeanschluss des Kraftfahrzeugs koppelbar ist und der im Rahmen des Ladevorgangs ein Laden von elektrischem Strom und Gas ermöglicht.
Durch die Ladevorrichtung wird mittels des
Versorgungsanschlusses unter anderem ein elektrischer Strom bereitgestellt, der ein Laden der Feststoff-Gas-Batterie ermöglicht. Bevorzugt wird Gleichstrom durch die
Ladevorrichtung bereitgestellt, weil dies einen schnelleren Ladevorgang des Kraftfahrzeugs ermöglicht als ein Laden mit Wechselstrom. Ein Laden mit Wechselstrom ist aber ebenso möglich, sodass in diesem Zusammenhang zum Beispiel die
Ladevorrichtung oder das Kraftfahrzeug Komponenten zur Strom- und/oder Spannungsumwandlung umfassen, wie beispielsweise einen Gleichrichter. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs mit Gleichstrom versorgt wird, der zum Laden der Feststoff-Gas-Batterie benötigt wird. Analog zu Gleichstrom oder Wechselstrom ist es mittels der Ladevorrichtung und des Versorgungsanschlusses auch möglich eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung anzulegen, um so im Rahmen eines Ladevorgangs ein
elektrisches Laden der Feststoff-Gas-Batterie zu ermöglichen.
Das im Rahmen des Ladevorgangs frei werdende Gas kann zum Beispiel aus der Feststoff-Gas-Batterie oder dem
Kraftfahrzeug abgelassen werden oder es wird für einen weiteren Fahrzyklus der Feststoff-Gas-Batterie wieder
verwendet. In diesem Fall wird beispielsweise das frei werdende Gas aus einem Gehäuse der Feststoff-Gas-Batterie abgelassen und von der Ladevorrichtung aufgenommen, sodass die Ladevorrichtung im weiteren Verlauf das Gas zum Beispiel aufgearbeitet und/oder verdichtet wieder dem Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs zuführt. Im Falle, dass das Gas im Rahmen des Ladevorgangs verdichtet dem Kraftfahrzeug zugeführt wird, ist es möglich ein größeres Gasvolumen zum Beispiel in dem Hochdrucktank des
Kraftfahrzeugs zu speichern als es der Fall wäre bei nicht verdichtetem Gas. Um das Gas zu verdichten, ist zum Beispiel ein Kompressor in der Ladevorrichtung integriert, sodass im Rahmen des Ladevorgangs dem Kraftfahrzeug das Gas unter Druck zugeführt und in dem Hochdrucktank gespeichert werden kann. Beispielsweise wird für einen Betrieb der Feststoff-Gas- Batterie in dem Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs Gas mit einem Druck von 300 bar bis 700 bar gespeichert, um so eine ausreichende Gasmenge in dem Kraftfahrzeug mitzuführen und dadurch eine gewünschte Reichweite des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Dadurch, dass der Kompressor extern zu dem
Kraftfahrzeug angeordnet ist, wirkt sich dies vorteilhaft auf die Leistungseffizienz der Feststoff-Gas-Batterie aus, da so Kraftfahrzeuge realisiert werden können, bei denen Gewicht, Volumen und Kosten einsparbar sind, welche durch einen Einbau eines Kompressors in dem Kraftfahrzeug begründet wären.
Bei Kraftfahrzeugen, die keinen eigenen Kompressor mitführen, ist es durch das Einsparen des zusätzlichen Gewichts und Volumens des Kompressors zum Beispiel möglich, einen
Verbrauch des Kraftfahrzeugs und der bereitgestellten Energie durch die Feststoff-Gas-Batterie zu reduzieren. Darüber hinaus wird auch eine einfache und kompakte Bauweise
ermöglicht, welche einen Beitrag zu einer kostengünstigen Konstruktion des Kraftfahrzeugs mit Feststoff-Gas-Batterie leisten kann.
Indem ein Kompressor zum Verdichten des Gases für die
Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs in einer
Ladevorrichtung und nicht in dem Kraftfahrzeug selbst angeordnet ist, wird eine Gewichts- und Volumenreduktion des Kraftfahrzeugs ermöglicht, die wiederum eine Anpassung weiterer Komponenten des Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel des Hochdrucktanks, realisierbar macht. Dieser kann dadurch begründet in seiner Dimensionierung größer ausgebildet sein als es der Fall wäre bei einem Kraftfahrzeug mit Kompressor. Auf diese Weise ist es ebenso möglich zum Beispiel die
Feststoff-Gas-Batterie größer zu gestalten als bei einem Kraftfahrzeug mit Kompressor. Ein Vergrößern der
geometrischen Ausgestaltung der Feststoff-Gas-Batterie und/oder des Hochdrucktanks steigert unter anderem die
Leistungskapazität der Feststoff-Gas-Batterie und/oder ein speicherbares Gasvolumen in dem Hochdrucktank. Diese
geometrischen Anpassungen können sich weiter vorteilhaft auf die mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs auswirken.
Folglich wird durch das Anordnen des Kompressors in einer Ladevorrichtung extern zu dem Kraftfahrzeug ein Beitrag zu einem effizienteren Betreiben der Feststoff-Gas-Batterie geleistet .
Im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs ist es auch möglich, freiwerdendes Gas mittels des Ladeanschlusses aus dem Kraftfahrzeug abzulassen und zum Beispiel einer
Ladevorrichtung zuzuführen, um im weiteren Verlauf neues Gas von der Ladestation zu beziehen. Dies ist gegebenenfalls dadurch begründet, dass ein Benutzer des Kraftfahrzeugs das zuvor verwendete Gas gegen eine andere Gassorte oder ein Gasgemisch austauschen möchte, um so beispielsweise die
Effizienz der Feststoff-Gas-Batterie und die mögliche
Reichweite des Kraftfahrzeugs zu steigern. In diesem
Zusammenhang sind das Kraftfahrzeug und die Ladevorrichtung entsprechend dazu ausgebildet, einen solchen Gasaustausch im Rahmen des Ladevorgangs durchzuführen. Außerdem ist die Feststoff-Gas-Batterie in einem solchen Fall dazu ausgebildet, mittels verschiedener Gassorten beziehungsweise Gasgemische betrieben zu werden. Beispielsweise umfasst die Ladevorrichtung eine Gasversorgungseinheit, die mehrere
Gastanks mit verschiedenen Gassorten für Feststoff-Gas- Batterien aufweist und diese für den Ladevorgang des
Kraftfahrzeugs bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich ist eine solche Gasversorgungseinheit auch mit einem
Gasversorgungsnetz gekoppelt und bezieht daraus eine oder mehrere Gassorten und/oder Gasgemische zum Versorgen des Kraftfahrzeugs .
Das Laden von elektrischem Strom und Gas für die Feststoff- Gas-Batterie kann im Rahmen des Ladevorgangs mittels des Ladeanschlusses des Kraftfahrzeugs zum Beispiel gleichzeitig oder auch zeitlich hintereinander erfolgen. Der mindestens eine Ladeanschluss ist in diesem Fall entsprechend dazu ausgebildet und ist mit dem Hochdrucktank und der Feststoff- Gas-Batterie gekoppelt. Beispielsweise umfasst der mindestens eine Ladeanschluss eine isolierte elektrische Leitung zum Aufnehmen und Zuführen des elektrischen Stroms für die
Feststoff-Gas-Batterie, die von einer Gasleitung zum
Aufnehmen und Zuführen des Gases für den Hochdrucktank umgeben ist. Über diese Gasleitung kann zum Beispiel auch im Rahmen des Ladevorgangs Gas von dem Kraftfahrzeug aufgenommen werden, das beispielsweise beim Laden der Feststoff-Gas- Batterie frei gesetzt wird. Alternativ umfasst die
Betriebsvorrichtung zu diesem Zweck auch eine weitere
Gasleitung, die beispielsweise auch mittels des mindestens einen Ladeanschlusses mit der Ladevorrichtung koppelbar ist. Der mindestens eine Ladeanschluss ist in diesem Zusammenhang zum Beispiel als eine Art Kombianschluss realisiert, der so ausgebildet ist, dass er zumindest die beschriebenen
Funktionen ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich weist die beschriebene
Betriebsvorrichtung weitere Ladeanschlüsse auf, sodass im Rahmen des Ladevorgangs beispielsweise ein erster
Ladeanschluss zum Aufnehmen von elektrischem Strom und ein zweiter Ladeanschluss zum Aufnehmen von Gas für die
Feststoff-Gas-Batterie zur Verfügung stehen. Der zweite
Ladeanschluss kann dabei auch zum Ablassen von Gas von dem Kraftfahrzeug ausgebildet sein oder es ist beispielsweise ein Gasablassanschluss vorhanden, der diese Funktion übernimmt. Der oder die Ladeanschlüsse sind in diesem Zusammenhang derart ausgebildet, dass sie entsprechend ihrer Funktion zum Beispiel gängige Steckerformen aufweisen. Sie können aber in Bezug auf ihre Form auch anders ausgebildet sein, sodass im Rahmen des Ladevorgangs zumindest stets ein Laden von
elektrischem Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas- Batterie möglich ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die
Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs eine Metall-Luft- Batterie .
Die Feststoff-Gas-Batterie oder Metall-Luft-Batterie ist zum Beispiel dazu ausgebildet, mit aufbereiteter und/oder synthetischer Luft und/oder reinem Sauerstoff betrieben zu werden, wobei bei dem Bereitstellen der Energie durch die Feststoff-Gas-Batterie im Wesentlichen die Sauerstoffanteile der jeweiligen Gassorte bei einem Betrieb der Feststoff-Gas- Batterie elektrochemisch gebunden werden. Überschüssiger Stickstoff wird dann zum Beispiel aus dem Kraftfahrzeug abgelassen, um dem Sauerstoff weiterhin zu ermöglichen, an reaktive Zentren der Kathode der Feststoff-Gas-Batterie zu gelangen .
Aufbereitete Luft bezeichnet in diesem Zusammenhang Luft ohne oder zumindest mit nur geringen Anteilen von Wasser und
Kohlenstoffdioxiden, die den Betrieb der Feststoff-Gas- Batterie schon im Bereich von 100 bis 400 ppm nachteilig beeinflussen und die Feststoff-Gas-Batterie auf Dauer
beschädigen können. Darüber hinaus sind in der aufbereiteten Luft gegebenenfalls auch weitere Bestandteile
herausgefiltert. Synthetische Luft bezeichnet eine Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die Metall-Luft-Batterie eine Lithium-Luft-Batterie.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die Metall-Luft-Batterie eine Lithium-Sauerstoff-Batterie.
Lithium-Luft Batterien stellen in diesem Zusammenhang eine bevorzugte Ausführungsform von Feststoff-Gas-Batterien und Metall-Luft-Batterien dar. Es sind aber auch andere Metall- Luft-Batterien, wie zum Beispiel Zink-Luft-Batterien, als Komponente der Betriebsvorrichtung zum Betreiben des
Kraftfahrzeugs möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die Betriebsvorrichtung einen Zusatzenergiespeicher, der dazu ausgebildet ist Energie aufzunehmen und abzugeben.
Der Zusatzenergiespeicher ist zum Beispiel als Lithium-Ionen- Akkumulator realisiert und stellt in Kombination mit der Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs ein Dual-Speicher- Konzept dar. Die Feststoff-Gas-Batterie repräsentiert zum Beispiel einen Hauptenergiespeicher, sodass der
Zusatzenergiespeicher als ein Nebenenergiespeicher bezeichnet werden kann.
Beispielsweise ist der Zusatzenergiespeicher als eine oder mehrere Lithium-Ionen-Zellen realisiert oder es werden Super- oder Hybridkondensatoren eingesetzt, um zusätzliche Energie zu speichern und bei Bedarf bereitzustellen.
Hybridkondensatoren sind dabei eine Mischung aus
Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Zellen. Der
Zusatzenergiespeicher kann aber auch aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sein, die ein Aufnehmen und Abgeben von elektrischer Energie ermöglichen.
Im Vergleich zu der Feststoff-Gas-Batterie des Kraftfahrzeugs kann der Energieinhalt des Zusatzenergiespeichers gering sein und zum Beispiel Energie bereitstellen, die einer nutzbaren Leistung von 1-2 Kilowattstunden entspricht. Die gespeicherte Energie aus dem Zusatzenergiespeicher kann dann zum Beispiel zusätzlich zu der Energie, die durch die Feststoff-Gas- Batterie bereitgestellt wird, freigegeben werden, um so beispielsweise einen Leistungsschub des Elektromotors zu realisieren, welcher zum Beispiel bei einem
Beschleunigungsprozess benötigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts ist der Elektromotor in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs dazu
ausgebildet, während einer Rekuperationsphase als Generator mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die Rekuperationsphase bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Phase während der ein Laden der Feststoff-Gas-Batterie im Betrieb des Kraftfahrzeugs möglich ist. Beispielsweise wird aufgenommene Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs bei einem Bremsvorgang mittels des Elektromotors generatorisch wieder in elektrische Energie, oder in Relation zur Zeit in
elektrische Leistung, umgewandelt, die zum Beispiel dem zuvor beschriebenen Zusatzenergiespeicher zugeführt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich wird die so generierte elektrische Energie dazu genutzt, die Feststoff-Gas-Batterie aufzuladen. Ein elektrisches Laden der Feststoff-Gas-Batterie führt zur Freisetzung des elektrochemisch gebundenen Gases, welches dann wiederum zum Beispiel für ein erneutes Entladen der Feststoff-Gas-Batterie genutzt werden kann. Dabei ist die Feststoff-Gas-Batterie zum Beispiel von einem Batteriegehäuse umgeben, welches dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Gasdrucks ein gewisses Gasvolumen aufzunehmen. Falls der Gasdruck innerhalb des Batteriegehäuses zum Beispiel einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, kann Gas
beispielsweise mittels eines Druckbegrenzungsventils aus dem Batteriegehäuse abgelassen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die Betriebsvorrichtung einen Gasspeicher, der dazu
ausgebildet ist, Gas von der Feststoff-Gas-Batterie
aufzunehmen und abzugeben.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Batteriegehäuse, das Gas aufnehmen kann, ist ein Gasspeicher mit der Feststoff-Gas- Batterie gekoppelt und nimmt frei werdendes Gas während der Rekuperationsphase auf. Beispielsweise können der Gasspeicher und/oder das Batteriegehäuse einen Gasdruck von 5 bar
aufnehmen, bevor Gas zum Beispiel aus dem Kraftfahrzeug an die Umgebung abgegeben wird. Im weiteren Verlauf kann der Feststoff-Gas-Batterie so wieder das gespeicherte Gas
zugeführt werden, wenn diese Gas betriebsbedingt benötigt. Folglich wird mittels des Gasspeichers und/oder des
Batteriegehäuses ein Beitrag geleistet, das für den Betrieb der Feststoff-Gas-Batterie zur Verfügung stehende Gas
effizient zu nutzen, ohne zwangläufig nur Gas aus dem
Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs beziehen zu müssen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts weist die Betriebsvorrichtung eine Zuleitung auf, die den
Hochdrucktank mit der Feststoff-Gas-Batterie koppelt. Des Weiteren umfasst die Betriebsvorrichtung eine Klimaanlage, die dazu ausgebildet ist, die Feststoff-Gas-Batterie und/oder den Hochdrucktank und/oder die Zuleitung zumindest teilweise zu temperieren.
Mittels der Klimaanlage der Betriebsvorrichtung ist es möglich, das Gas für die Feststoff-Gas-Batterie auf eine Temperatur zu temperieren, die zum Beispiel im Zusammenhang mit dem Betrieb der Feststoff-Gas-Batterie und des
Kraftfahrzeugs vorteilhaft ist. Zum Beispiel wird mittels der Klimaanlage ein vorgegebener Temperaturbereich des
gespeicherten Gases in dem Hochdrucktank aufrechterhalten, der zeitnah einen optimalen Betrieb der Feststoff-Gas- Batterie des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Auch Gas, das im Rahmen eines Ladevorgangs von einer
Ladevorrichtung bezogen wird, kann mittels der Klimaanlage temperiert werden, sofern das zugeführte Gas zum Beispiel mittels der Ladevorrichtung nicht bereits wunschgemäß
temperiert wurde. Die Energie, die zum Temperieren des Gases benötigt wird, kann beispielsweise im Rahmen des Ladevorgangs mittels des mindestens einen Ladeanschlusses des Kraftfahrzeugs von der Ladevorrichtung bezogen werden. Auf diese Weise wird zum Beispiel keine Energie von der
Feststoff-Gas-Batterie oder dem Zusatzenergiespeicher benötigt, sodass gegebenenfalls ein Beitrag für einen
schneller beendeten Ladevorgang geleistet wird.
In Abhängigkeit von Umgebungstemperaturen wird das Gas zum Beispiel in der Zuleitung erhitzt bevor es in die Feststoff- Gas-Batterie geleitet wird. Oder das Gas in dem Hochdrucktank wird gekühlt, wenn zum Beispiel Umgebungstemperaturen
vorherrschen, die eine optimale Betriebstemperatur der
Feststoff-Gas-Batterie übersteigen .
Basierend auf dem Joule-Thomson-Effekt ist es bekannt, dass komprimiertes Gas bei Expansion abkühlt. Folglich kann somit das komprimierte Gas, zum Beispiel aus dem Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs, auch einen Beitrag zu einem Kühlen der
Feststoff-Gas-Batterie leisten. Der Gasdruck des
gespeicherten Gases muss dabei zumindest höher sein als der Gasdruck in dem Batteriegehäuse der Feststoff-Gas-Batterie, damit das zuzuführende Gas in Richtung der Feststoff-Gas- Batterie propagieren kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die Betriebsvorrichtung eine Gasablasseinheit, die dazu ausgebildet ist, während des Betriebs oder im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs Gas abzulassen.
Auf diese Weise wird zum Beispiel im Rahmen des Ladevorgangs mit einer Ladevorrichtung ein Austausch des Gases für die Feststoff-Gas-Batterie ermöglicht. Ist die Feststoff-Gas- Batterie zum Beispiel dazu ausgebildet, mit synthetischer Luft und reinem Sauerstoff betrieben zu werden, können die Gassorten im Rahmen des Ladevorgangs nach Bedarf abgelassen und ausgetauscht werden.
Darüber hinaus ist es mittels der Gasablasseinheit im Rahmen des Ladevorgangs auch möglich, das frei werdende Gas, welches durch den Betrieb beim Entladen der Feststoff-Gas-Batterie mit den positiven Ionen des Feststoffs an der Kathode
elektrochemisch gebunden war, abzulassen und zum Beispiel im Rahmen des Ladevorgangs einer Gasaufnahmeeinheit der
Ladevorrichtung zuzuführen und wieder verdichtet dem
Hochdrucktank des Kraftfahrzeugs zuzuführen. Das Gas wird dabei zum Beispiel über Rohrleitungen aus der Feststoff-Gas- Batterie zu dem mindestens einen Ladeanschluss des
Kraftfahrzeugs geleitet und im Rahmen des Ladevorgangs von einem mit dem Ladeanschluss gekoppelten Versorgungsanschluss der Ladevorrichtung aufgenommen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts weist die Betriebsvorrichtung eine elektrische Ladeeinheit auf, die in dem Kraftfahrzeug angeordnet ist und die einen
Gleichrichter umfasst.
Im Rahmen eines Ladevorgangs wird bevorzugt Gleichstrom oder Gleichspannung durch eine Ladevorrichtung bezogen, wodurch in der Regel einen schneller beendeten Ladevorgang des
Kraftfahrzeugs ermöglicht wird als ein Laden mit Wechselstrom oder Wechselspannung. Ein Laden mit Wechselstrom oder
Wechselspannung ist aber ebenso möglich, sodass das
Kraftfahrzeug die Ladeinheit umfasst, die zum Beispiel mittels des Gleichrichters eine einfache Strom- oder
Spannungsumwandlung ermöglicht. Auf diese Weise wird
gewährleistet, dass die Feststoff-Gas-Batterie des
Kraftfahrzeugs mit Gleichstrom versorgt oder an die Feststoff-Gas-Batterie Gleichspannung angelegt wird, der oder die zum Laden der Feststoff-Gas-Batterie benötigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts weist die Betriebsvorrichtung eine Kommunikationsschnittstelle auf, die dazu ausgebildet ist, im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs Signale zum Steuern des Ladevorgangs zwischen dem Kraftfahrzeug und einer dazu ausgebildeten
Ladevorrichtung auszutauschen.
Mittels der Kommunikationsschnittstelle ist es der
beanspruchten Betriebsvorrichtung möglich, mit der
Ladevorrichtung zu kommunizieren und so den Ladevorgang des Kraftfahrzeugs zu steuern. Die Ladevorrichtung ist in diesem Zusammenhang beispielsweise mit einer entsprechenden
Kommunikationsschnittstelle ausgestattet, die eine solche Kommunikation ermöglicht. Beispielsweise wird die
Kommunikation durch ein Fahrzeug- oder
Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs gesteuert, welches unter anderem den Ladevorgang überwacht. Die
Kommunikation umfasst dabei ein Übermitteln verschiedener Informationen, wie zum Beispiel einen Status des
Ladenvorgangs, einen Systemdruck, einen Sauerstoffgehalt des zugeführten Gases, einen Füllstand des Hochdrucktanks, einen Druck in der Feststoff-Gas-Batterie, eine Gastemperatur, eine Batterietemperatur. Die Betriebsvorrichtung ist darüber hinaus dazu ausgebildet, die für die Kommunikation
notwendigen Informationen und Messwerte zu ermitteln und kann zum Beispiel mittels diverser Sensoren den Ladevorgang kontrollieren.
Aufgrund der Kommunikation zwischen der Betriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs und der Ladevorrichtung wird ein optimaler und sicherer Ladevorgang für die Feststoff-Gas-Batterie ermöglicht .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts weist die Betriebsvorrichtung eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb und/oder Ladevorgang des
Kraftfahrzeugs zu steuern.
Die Steuereinheit umfasst zum Beispiel das zuvor beschriebene Fahrzeug- oder Batteriemanagementsystem und kontrolliert außer der Kommunikation im Rahmen des Ladevorgangs auch das Entladen der Feststoff-Gas-Batterie und den Betrieb des Kraftfahrzeugs .
In diesem Zusammenhang werden mittels der Steuereinheit zum Beispiel der Gasdruck, ein Sauerstoffgehalt des Gases und eine Abgastemperatur überwacht und beispielsweise eine
Analyse einer Abluft, wie zum Beispiel das aus dem
Kraftfahrzeug abgelassene Gas, durchgeführt und darüber hinaus ein thermisches Management gesteuert, das zum Beispie die Klimaanlage und das Temperieren des Gases kontrolliert. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit zumindest
signaltechnisch mit diversen Sensoren und/oder den
beschriebenen Komponenten des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Gemäß eines zweiten Aspekts umfasst ein System zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs eine Betriebsvorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des ersten Aspekts und eine Ladevorrichtung, die mindestens einen Versorgungsanschluss aufweist zum Zuführen von elektrischen Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas-Batterie im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs . Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs,
Figur 2 ein System zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind
figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer
Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt, das eine Feststoff-Gas-Batterie 3, einen
Elektromotor 5 und einen Hochdrucktank 7 aufweist. Die
Feststoff-Gas-Batterie 3 ist mittels einer Zuleitung 15 mit dem Hochdrucktank 7 gekoppelt und stellt unter anderem elektrische Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 bereit, die von dem Elektromotor 5 während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 in mechanische Energie umgewandelt wird und so ein Fortbewegen des Kraftfahrzeugs 1 ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird das Gas, das zum Betreiben der Feststoff- Gas-Batterie 3 benötigt wird, aus dem Hochdrucktank 7 des Kraftfahrzeugs 1 der Feststoff-Gas-Batterie 3 zugeführt. Im Rahmen eines Ladevorgangs kann dem Hochdrucktank 7 des
Kraftfahrzeugs 1 mittels einer dazu ausgebildeten
Ladevorrichtung 30 zum Beispiel neues Gas zugeführt werden, um so beispielsweise weitere Fahrzyklen zu ermöglichen.
Des Weiteren weist das Kraftfahrzeug 1 mindestens einen
Ladeanschluss 9 auf, mittels dessen die Feststoff-Gas- Batterie 3 im Rahmen eines Ladevorgangs zum Aufnehmen von elektrischem Strom koppelbar ist und mittels dessen der Hochdrucktank 7 im Rahmen des Ladevorgangs zum Aufnehmen von Gas koppelbar ist. Der Ladeanschluss 9 ist in diesem
Ausführungsbeispiel mittels einer elektrischen Leitung und mittels einer oder mehrerer Rohrleitungen mit der Feststoff- Gas-Batterie 3 gekoppelt, um ein Laden von elektrischem Strom und ein Aufnehmen von Gas aus der Feststoff-Gas-Batterie 3 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist der mindestens eine
Ladeanschluss 9 mittels einer oder mehrerer Rohrleitungen mit dem Hochdrucktank 7 gekoppelt, um ein Aufnehmen und Ablassen von Gas von oder aus dem Hochdrucktank zu ermöglichen.
Feststoff-Gas-Batterien 3 sind eine Alternative zum Beispiel zu bekannten Lithium-Ionen-Batterien und bieten im Vergleich zu diesen eine deutlich höhere theoretische Energiedichte und Leistungsfähigkeit, die sich unter anderem vorteilhaft auf eine mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 auswirken können. Eine Untergruppe der Feststoff-Gas-Batterien 3 sind Metall-Luft-Batterien und konkrete Beispiele sind in dem Zusammenhang Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Sauerstoff- Batterien .
Feststoff-Gas-Batterien 3 besitzen eine aus einem Feststoff bestehende Anode und eine davon beabstandete Kathode. Durch Zuführen von Gas wird in der Feststoff-Gas-Batterie 3 ein Stromfluss induziert, der zu Zwecken der Energieversorgung in dem Kraftfahrzeug 1 genutzt werden kann. Auf diese Weise kann unter anderem der Elektromotor 5 des Kraftfahrzeugs 1 angetrieben werden, der die elektrische Energie der
Feststoff-Gas-Batterie 3 in mechanische Leistung umsetzt und dadurch eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs 1 ermöglicht. Dies führt folglich zu einem Entladen der Feststoff-Gas- Batterie 3, bei dem sich Atome oder Moleküle des Gases mit positiven Ionen, welche von der Anode kommen, an der Kathode elektrochemisch binden.
Um die Feststoff-Gas-Batterie 3 wieder aufzuladen, wird im Rahmen des Ladevorgangs das Kraftfahrzeug 1 beispielsweise mittels des mindestens einen Ladeanschlusses 9 mit mindestens einem Versorgungsanschluss 31 einer Ladevorrichtung 30 gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug 1 mit elektrischem Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas- Batterie 3 zu versorgen.
Im Rahmen des Ladevorgangs wird bevorzugt Gleichstrom von der Ladevorrichtung 30 bezogen oder Gleichspannung angelegt, weil dies einen schnelleren Ladevorgang ermöglicht als ein Laden mit Wechselstrom oder Wechselspannung. Ein Laden mit
Wechselstrom oder Wechselspannung ist aber ebenso möglich, sodass in diesem Zusammenhang das Kraftfahrzeug 1 zum
Beispiel eine Ladeeinheit 21 zur Strom- oder
Spannungsumwandlung umfasst, die beispielsweise einen
Gleichrichter aufweist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Feststoff-Gas-Batterie 3 mit Gleichstrom versorgt oder an der Feststoff-Gas-Batterie 3 Gleichspannung angelegt wird, der oder die zum Laden der Feststoff-Gas-Batterie 3 benötigt wird.
Das Laden von elektrischem Strom und Gas für die Feststoff- Gas-Batterie 3 kann im Rahmen des Ladevorgangs zum Beispiel gleichzeitig oder auch zeitlich hintereinander erfolgen. Der mindestens eine Ladeanschluss 9 ist in diesem Fall
entsprechend dazu ausgebildet und ist in diesem
Ausführungsbeispiel als eine Art Kombinationsanschluss realisiert. Alternativ sind mehrere Ladeanschlüsse 9
ausgebildet, die ein Aufnehmen von elektrischem Strom und ein Aufnehmen und/oder Abgeben von Gas von dem Kraftfahrzeug 1 realisieren .
Ein Durchfluss und eine Richtung des propagierenden Gases in der oder den Rohrleitungen kann zum Beispiel mittels Ventile 12 gesteuert werden, die in Figur 1 exemplarisch an
verschiedenen Positionen in dem Kraftfahrzeug 1 angeordnet sind. Dabei sollen Mittelstriche in den Symbolen der Ventile 12 andeuten, ob die Ventile 12 in Sperrrichtung oder
Durchlassrichtung orientiert sind. Eine Sperrrichtung eines Ventils 12 ist dadurch dargestellt, dass der Mittelstrich in den Symbolen der Ventile 12 quer zu den Rohrwänden der jeweiligen Rohrleitung des Rohrleitungssystems eingezeichnet ist. Darüber hinaus ist unabhängig von der Orientierung der Ventile 12 durch Pfeile an den Rohrleitungen angedeutet, in welche Richtung ein Gasfluss bevorzugt erfolgen wird.
Doppelpfeile geben an, dass ein Gasfluss in beide
dargestellten Richtungen möglich ist.
Außerdem weist das Kraftfahrzeug 1 einen
Zusatzenergiespeicher 11 auf, der zumindest mit dem
Elektromotor 5 elektrisch gekoppelt ist. Der
Zusatzenergiespeicher 11 ist zum Beispiel als Lithium-Ionen- Akkumulator realisiert und stellt in Kombination mit der Feststoff-Gas-Batterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 ein Dual- Speicher-Konzept dar. Die Feststoff-Gas-Batterie 3
repräsentiert zum Beispiel einen Hauptenergiespeicher, sodass der Zusatzenergiespeicher 11 auch als ein
Nebenenergiespeicher bezeichnet werden kann.
Beispielsweise ist der Zusatzenergiespeicher 11 als eine oder mehrere Lithium-Ionen-Zellen realisiert oder es werden Super- oder Hybridkondensatoren eingesetzt, um zusätzliche Energie zu speichern und bei Bedarf bereitzustellen. Hybridkondensatoren sind dabei eine Mischung aus Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Zellen . Der
Zusatzenergiespeicher 11 kann aber auch aus mehreren
Komponenten zusammengesetzt sein, die ein Aufnehmen und
Ausgeben von elektrischer Energie ermöglichen.
Im Vergleich zu der Feststoff-Gas-Batterie 3 des
Kraftfahrzeugs 1 kann der Energieinhalt des
Zusatzenergiespeichers gering sein und zum Beispiel eine nutzbare Energie von 1-2 Kilowattstunden bereitstellen. Die gespeicherte Energie aus dem Zusatzenergiespeicher 11 kann dann zum Beispiel zusätzlich zu der Energie, die durch die Feststoff-Gas-Batterie 3 bereitgestellt wird, freigegeben werden, um so beispielsweise einen Leistungsschub des
Elektromotors 5 zu realisieren, welcher zum Beispiel bei einem Beschleunigungsprozess benötigt wird.
Der Elektromotor 5 ist darüber hinaus dazu ausgebildet, während einer Rekuperationsphase generatorisch elektrische Leistung zu erzeugen. Die Rekuperationsphase bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Phase während der ein Laden der Feststoff-Gas-Batterie 3 im Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 möglich ist. Beispielsweise wird aufgenommene
Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs 1 bei einem Bremsvorgang mittels des Elektromotors 5 generatorisch wieder in
elektrische Energie, oder in Relation zur Zeit in elektrische Leistung, umgewandelt, die zum Beispiel dem
Zusatzenergiespeicher 11 zugeführt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich wird die so generierte elektrische Energie dazu genutzt, die Feststoff-Gas-Batterie 3
aufzuladen. Ein elektrisches Laden der Feststoff-Gas-Batterie 3 führt zur Freisetzung des elektrochemisch gebundenen Gases, welches dann wiederum zum Beispiel für ein erneutes Entladen der Feststoff-Gas-Batterie 3 genutzt werden kann. Dabei ist die Feststoff-Gas-Batterie 3 zum Beispiel von einem
Batteriegehäuse umgeben, welches dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Gasdrucks ein gewisses Gasvolumen
aufzunehmen. Falls der Gasdruck innerhalb des
Batteriegehäuses zum Beispiel einen vorgegebenen
Schwellenwert übersteigt, kann Gas beispielsweise mittels eines Druckbegrenzungsventils aus dem Batteriegehäuse
abgelassen werden oder es wird einem zusätzlichen Gasspeicher 13 des Kraftfahrzeugs 1 zugeführt.
Der Gasspeicher 13 ist mit der Feststoff-Gas-Batterie 3 gekoppelt und nimmt zum Beispiel frei werdendes Gas während der Rekuperationsphase auf. Beispielsweise können der
Gasspeicher 13 und/oder das Batteriegehäuse einen Gasdruck von 5 bar aufnehmen, bevor Gas zum Beispiel aus dem
Kraftfahrzeug an die Umgebung abgegeben wird. Das Ablassen von Gas aus dem Kraftfahrzeug 1 ist in diesem
Ausführungsbeispiel durch eine Gasablasseinheit 19 an dem Gasspeicher 13 dargestellt und ist zum Beispiel in Form eines Druckbegrenzungsventils realisiert .
Außerdem weist das Ausführungsbeispiel der
Betriebsvorrichtung in Figur 1 eine
Kommunikationsschnittstelle 23 in oder an dem Kraftfahrzeug 1 auf, mittels derer es möglich ist, mit der Ladevorrichtung 30 zu kommunizieren und so den Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 zu steuern. Die Ladevorrichtung 30 ist in diesem Zusammenhang beispielsweise mit einer entsprechenden
Kommunikationsschnittstelle 43 ausgestattet, die eine solche Kommunikation ermöglicht. Beispielsweise wird so ein
Fahrzeug- oder Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs 1 kontrolliert, welches unter anderem den Ladevorgang
überwacht. Die Kommunikation umfasst dabei ein Übermitteln verschiedener Informationen, wie zum Beispiel einen Status des Ladenvorgangs, einen Systemdruck, einen Sauerstoffgehalt des zugeführten Gases, einen Füllstand des Hochdrucktanks, einen Druck in der Feststoff-Gas-Batterie, ein Gastemperatur, eine Batterietemperatur. Das Kraftfahrzeug 1 ist darüber hinaus dazu ausgebildet, die für die Kommunikation
notwendigen Informationen und Messwerte zu ermitteln und kann zum Beispiel mittels diverser Sensoren den Ladevorgang kontrollieren. Dies ist in Figur 1 durch Linien angedeutet, die von der Kommunikationsschnittstelle 23 des Kraftfahrzeugs 1 wegführen und beispielhaft in den Rohrleitungen, dem
Hochdrucktank 7 und der Feststoff-Gas-Batterie 3 enden.
Beispielsweise sind an den angedeuteten Positionen Sensoren angeordnet, die ein Aufnehmen von Messwerten ermöglichen, welche beispielsweise zu einer Auswertung an eine
Steuereinheit 25 des Kraftfahrzeugs 1 weitergeleitet werden, die den Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 gezielt beeinflussen kann .
Die Steuereinheit 25 umfasst zum Beispiel das zuvor erwähnte Fahrzeug- oder Batteriemanagementsystem und kontrolliert außer der Kommunikation im Rahmen des Ladevorgangs auch das Entladen der Feststoff-Gas-Batterie 3 und den Betrieb des Kraftfahrzeugs 1. Dabei umfasst die Steuereinheit 25 zum Beispiel eine Recheneinheit, einen Daten- und
Programmspeicher und ist signaltechnisch mit Sensoren
und/oder den beschriebenen Komponenten des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt, die den Ladevorgang und/oder den Betrieb des
Kraftfahrzeugs 1 ermöglichen. Dabei können die Recheneinheit und/oder der Daten- und Programmspeicher in einer Baueinheit oder verteilt auf zwei oder mehrere Baueinheiten ausgebildet sein .
In diesem Zusammenhang werden mittels der Steuereinheit 25 zum Beispiel der Gasdruck, ein Sauerstoffgehalt des Gases und eine Abgastemperatur überwacht und beispielsweise eine
Analyse einer Abluft, wie zum Beispiel das aus dem
Kraftfahrzeug abgelassene Gas, durchgeführt und zum Beispiel eine Klimaanlage 17 des Kraftfahrzeugs 1 und das Temperieren des Gases kontrolliert.
In Figur 2 ist ein System zum Laden des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt, das ein Ausführungsbeispiel einer
Ladevorrichtung 30 und das Kraftfahrzeug 1 umfasst. Das
Kraftfahrzeug 1 entspricht in der Ausgestaltung im
Wesentlichen dem Kraftfahrzeug 1 des Ausführungsbeispiels aus Figur 1 mit dem Unterschied, dass in Figur 2 drei
Ladeanschlüsse 9 der Betriebsvorrichtung dargestellt sind, die separat voneinander im Rahmen des Ladevorgangs das Laden von elektrischem Strom und/oder Gas und das Aufnehmen von Gas von dem Kraftfahrzeug 1 ermöglichen.
Die Ladevorrichtung 30 weist entsprechend drei komplementäre Anschlüsse auf, die im Rahmen des Ladevorgangs mit dem jeweiligen zugehörigen Ladeanschluss 9 des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt sind. Dabei ist ein erster Versorgungsanschluss 31 der Ladevorrichtung 30 zum Laden von Gas mit einem ersten Ladeanschluss 9, ein zweiter Versorgungsanschluss 31 zum Laden von elektrischem Strom ist mit einem zweiten
Ladeanschluss 9 und ein Gasaufnahmeanschluss 33 der
Ladevorrichtung 30 zum Aufnehmen von Gas ist mit einem
Gasablassanschluss 10 des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt. Der erste Ladeanschluss 9 ist mittels einer Rohrleitung mit dem Hochdrucktank 7 des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt und ermöglicht das Aufnehmen von Gas, das von der Ladevorrichtung 30 bereitgestellt und im Rahmen des Ladevorgangs zugeführt wird. Der zweite Ladeanschluss 9 ist mit der Feststoff-Gas- Batterie 3 gekoppelt und versorgt diese im Rahmen des
Ladevorgangs mit elektrischem Strom, welcher folglich zu einem Aufladen der Feststoff-Gas-Batterie 3 führt. Der
Gasablassanschluss 10 ist mit dem Hochdrucktank 7 und der Feststoff-Gas-Batterie 3 gekoppelt und ermöglicht somit einen Austausch einer zuvor getankten Gassorte und/oder ein
Rückführen des beim Ladevorgang frei werdenden Gases
beispielsweise aus einem Batteriegehäuse der Feststoff-Gas- Batterie 3. Dabei wird das Gas zum Beispiel von einer
Gasaufnahmeeinheit 41 der Ladevorrichtung 1 aufgenommen, im weiteren Verlauf beispielsweise mittels einer
Gasaufbereitungseinheit 36 von schädlichen Bestandteilen gereinigt und dem Kraftfahrzeug 1 wieder zugeführt.
Die Ladeanschlüsse 9 sind zum Beispiel derart ausgebildet, dass sie entsprechend ihrer Funktion zumindest die gängigen Steckerformen aufweisen. Sie können aber in Bezug auf ihre Ausgestaltung auch anders ausgebildet sein, sodass im Rahmen des Ladevorgangs zumindest stets ein Laden von elektrischem Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas-Batterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 möglich ist.
Die Ladevorrichtung 30 ermöglicht somit ein Laden von
elektrischem Strom und/oder Gas für Kraftfahrzeuge 1, die mindestens eine Feststoff-Gas-Batterie 3 aufweisen. Die
Ladevorrichtung 30 umfasst eine Energieversorgungseinheit 35 und eine Gasversorgungseinheit 37, die extern zu dem
Kraftfahrzeug 1 angeordnet sind und die elektrischen Strom und Gas für einen Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellen.
Der Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 wird mittels der beiden Versorgungsanschlüsse 31 und mittels des
Gasaufnahmeanschlusses 33 realisiert, die mit der
Energieversorgungseinheit 35 und der Gasversorgungseinheit 37 gekoppelt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die
Gasversorgungseinheit 37 über ein Rohrleitungssystem und die Energieversorgungseinheit 35 mittels einer elektrischen
Leitung mit den jeweiligen Anschlüssen gekoppelt. Ein
Durchfluss und eine Richtung des propagierenden Gases in dem Rohrleitungssystem kann zum Beispiel mittels weiterer Ventile 12 gesteuert werden.
Die Energieversorgungseinheit 35 ist zum Beispiel eine separate Komponente der Ladevorrichtung 30, die zum Beispiel einen Generator umfasst und/oder sie ist mit einem
Energieversorgungsnetz gekoppelt, aus dem es den zum Laden des Kraftfahrzeugs 1 notwendigen elektrischen Strom bezieht. Bevorzugt wird Gleichstrom oder Gleichspannung durch die Energieversorgungseinheit 35 bereitgestellt, weil dies einen schnelleren Ladevorgang ermöglicht als ein Laden mit
Wechselstrom oder Wechselspannung. Ein Laden mit Wechselstrom oder Wechselspannung ist aber ebenso möglich, sodass in diesem Zusammenhang zum Beispiel die Ladevorrichtung 30 Komponenten zur Strom- oder Spannungsumwandlung umfasst.
Die Gasversorgungseinheit 37 der Ladevorrichtung 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei Gastanks 39 gekoppelt, in denen verschiedene Gassorten für die Feststoff-Gas-Batterie 3 gespeichert sind, die sie für den Ladevorgang des
Kraftfahrzeugs 1 bereitstellt. Beispielsweise ist die
Feststoff-Gas-Batterie 3 dazu ausgebildet mit synthetischer Luft oder reinem Sauerstoff betrieben zu werden, sodass die Gasversorgungseinheit 37 im Rahmen des Ladevorgangs das Laden verschiedener Gassorten ermöglicht. Alternativ oder
zusätzlich ist die Gasversorgungseinheit 37 auch mit einem Gasversorgungsnetz gekoppelt und bezieht daraus eine oder mehrere Gassorten zum Versorgen des Kraftfahrzeugs 1 im
Rahmen des Ladevorgangs. In Figur 2 ist die
Gasversorgungseinheit 37 beispielhaft mit einem externen Gasreservoir 38 gekoppelt, das zusätzlich zu den zwei
dargestellten Gastanks 39 eine Gasversorgung sichert.
Im Falle eines Aufladens der Feststoff-Gas-Batterie 3, führt die Energieversorgungseinheit 35 der Feststoff-Gas-Batterie 3 im Rahmen eines Ladevorgangs elektrischen Strom zu, welcher im Wesentlichen ein externes Spannungspotential
repräsentiert, das an der Feststoff-Gas-Batterie 3 anliegt. Der Prozess des Entladens wird im Wesentlichen umgekehrt und die Feststoff-Gas-Batterie 3 wird geladen. Beim Laden werden die elektrochemischen Bindungen zwischen den Ionen der
Feststoff-Anode und den Atomen oder Molekülen des zugeführten Gases wieder gelöst. Infolgedessen wird das elektrochemisch gebundene Gas wieder frei und kann in einen Außenbereich des Kraftfahrzeugs 1 abgegeben werden oder für einen weiteren Zyklus der Feststoff-Gas-Batterie 3 wieder in das
Kraftfahrzeug 1 rückgeführt werden.
Zu diesem Zweck ist zum Beispiel an der Ladevorrichtung 30 der Gasaufnahmeanschluss 33 angeordnet, der im Rahmen eines Ladevorgangs ein Aufnehmen von Gas aus dem Kraftfahrzeug 1 ermöglicht. Oder der mindestens eine Versorgungsanschluss 31 ist zusätzlich dazu ausgebildet, im Rahmen des Ladevorgangs Gas von dem Kraftfahrzeug 1 aufzunehmen. Ein Gasaustausch ist beispielsweise dadurch begründet, dass ein Benutzer des Kraftfahrzeugs 1 das zuvor verwendete Gas gegen eine andere Gassorte austauschen möchte, um so
beispielsweise in einem Betrieb die Effizienz der Feststoff- Gas-Batterie 3 und die mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 zu erhöhen. Beispielsweise umfasst die Ladevorrichtung 30 eine Gasaufnahmeeinheit 41, die im Rahmen des Ladevorgangs mittels des Gasaufnahmeanschlusses 33 Gas von dem
Kraftfahrzeug 1 aufnimmt, um es zum Beispiel in einem Gastank zu speichern. Beispielsweise wird so ein Austausch des Gases für die Feststoff-Gas-Batterie 3 ermöglicht. So kann zum Beispiel zuvor getankte synthetische Luft, die beispielsweise in dem Hochdrucktank 7 des Kraftfahrzeugs 1 gespeichert ist, gegen reinen Sauerstoff ausgetauscht werden, welcher
gegebenenfalls im Vergleich zu der synthetischen Luft in einem Betrieb der Feststoff-Gas-Batterie 3 eine höhere
Effizienz und dadurch eine größere Reichweite des
Kraftfahrzeugs 1 ermöglicht.
Darüber hinaus ist es mittels der Gasaufnahmeeinheit 41 im Rahmen des Ladevorgangs auch möglich, das frei werdende Gas, welches durch den Betrieb beim Entladen der Feststoff-Gas- Batterie 3 mit den positiven Ionen, die von der Feststoff- Anode in den Elektrolyt übergegangen sind, an der Kathode chemisch gebunden wurde, aufzunehmen und wieder dem
Hochdrucktank 7 des Kraftfahrzeugs 1 zuzuführen.
Die Ladevorrichtung 30 des Ausführungsbeispiels in Figur 2 umfasst weiter einen Kompressor 32 und eine Klimaanlage 34. Außerdem umfasst die Gasversorgungseinheit 37 eine
Gasaufbereitungseinheit 36, mittels derer Gas aufgearbeitet werden kann, das dem Kraftfahrzeug 1 für die Feststoff-Gas- Batterie 3 bereitgestellt wird. Die Gasaufbereitungseinheit 36 ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Gasaufnahmeeinheit 41, dem Gasreservoir 38 und den beiden Gastanks 39 sowie dem Kompressor 32 gekoppelt. Auf diese Weise ist zum Beispiel möglich, schädliche Bestandteile des Gases herauszufiltern, unabhängig davon, woher die
Gasversorgungseinheit 37 Gas für den Ladevorgang bezieht. Mittels der Gasaufbereitungseinheit 36 wird das Gas folglich gereinigt, bevor dieses im Rahmen des Ladevorgangs dem
Kraftfahrzeug 1 für die Feststoff-Gas-Batterie 3 zugeführt wird .
Beispielsweise kann das Gas so mittels der
Gasaufbereitungseinheit 36 größtenteils von Wasser und
Kohlstoffdioxiden gereinigt werden, welche den Betrieb der Feststoff-Gas-Batterie 3 schon im Bereich von zum Beispiel 100 bis 400 ppm nachteilig beeinflussen und die Feststoff- Gas-Batterie 3 auf Dauer beschädigen können. Auch andere Verunreinigungen, wie zum Beispiel Partikel und/oder
Kohlenwasserstoff, können auf diese Weise separiert werden, sodass das aufbereitete Gas anschließend dem Kraftfahrzeug 1 zugeführt wird oder für zum Beispiel einen späteren
Ladevorgang gespeichert wird.
Auf diese Weise wird ein Beitrag für eine höhere Lebensdauer der Feststoff-Gas-Batterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 geleistet und ein Zeitpunkt einer Wartung der Feststoff-Gas-Batterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 hinausgezögert.
Das Gas für die Feststoff-Gas-Batterie 3 kann dem
Kraftfahrzeug 1 im Rahmen des Ladevorgangs auch unter Druck zugeführt werden. In diesem Fall wird das Gas mittels des Kompressors 32 verdichtet, bevor es dem Hochdrucktank 7 des Kraftfahrzeugs 1 im Rahmen des Ladevorgangs zugeführt wird. Ein möglicher Druckbereich, den das Gas verdichtet in dem Hochdrucktank 7 einnimmt, ist zwischen 300 bar und 700 bar. Andere Druckbereiche sind aber ebenfalls möglich. Dadurch, dass das Gas im Rahmen des Ladevorgangs dem Kraftfahrzeug 1 verdichtet zugeführt wird, ist es möglich ein größeres
Gasvolumen zum Beispiel in dem Hochdrucktank 7 des
Kraftfahrzeugs 1 zu speichern, welches sich vorteilhaft auf die Leistungskapazität der Feststoff-Gas-Batterie 3 und die mögliche Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 auswirken kann.
Der Kompressor 32 ist zum Beispiel als eine Komponente der Gasversorgungseinheit 37 in der Ladevorrichtung 30 integriert und extern zu dem Kraftfahrzeug 1 angeordnet. Dies ermöglicht ein Laden und ein Speichern von verdichtetem Gas für
Kraftfahrzeuge 1, die selber keinen Kompressor 32 mitführen. Dadurch können Kraftfahrzeuge 1 mit Feststoff-Gas-Batterien 3 realisiert werden, bei denen Gewicht, Volumen und Kosten eingespart werden können, welche durch einen Einbau eines Kompressors 32 in dem Kraftfahrzeug 1 begründet wären. Die durch die beschriebene Ladevorrichtung 30 ermöglichte
Gewichtsreduktion des Kraftfahrzeugs 1 wirkt sich vorteilhaft auf die Energiedichte und die Leistungsfähigkeit der
Feststoff-Gas-Batterie 3 aus und ermöglicht durch die damit einhergehende Volumenreduktion eine Anpassung anderer
Komponenten des Kraftfahrzeugs 1, wie zum Beispiel des
Hochdrucktanks 7. Dieser kann dadurch begründet in seiner Dimensionierung größer ausgebildet sein als es der Fall wäre bei einem Kraftfahrzeug 1 mit Kompressor 32. Folglich wird durch die Anordnung des Kompressors 32 in der Ladevorrichtung 30 und extern zu dem Kraftfahrzeug 1 ein Beitrag zu einem effizienten Betreiben der Feststoff-Gas-Batterie 3 geleistet. Darüber hinaus kann der Kompressor 32 in seiner Bauweise auch größer ausgestaltet werden, als dies bei einem mobilen
Kompressor in dem Kraftfahrzeug 1 der Fall wäre. Dies kann sich weiterhin vorteilhaft auf den Ladevorgang des
Kraftfahrzeugs 1 auswirken, da bei funktionsgleichem
Grundkonzept kleine Kompressoren in der Regel eine geringere Effizienz besitzen als größer ausgebildete Kompressoren.
Folglich ist auf diese Weise ein schnelleres Laden von Gas im Rahmen des Ladevorgangs möglich.
Mittels der Klimaanlage 34 der Ladevorrichtung 30 ist es möglich, das Gas für und/oder während des Ladevorgangs auf eine Temperatur zu temperieren, die beispielsweise ein schnelles und/oder batterieschonendes Laden des
Kraftfahrzeuges 1 ermöglicht. Zum Beispiel wird mittels der Klimaanlage 34 ein bestimmter Temperaturbereich des durch die Gasversorgungseinheit 37 bereitgestellten Gases
aufrechterhalten, der zeitnah einen optimalen Betrieb der Feststoff-Gas-Batterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 realisiert. Beispielsweise ist auch einer der beiden Gastanks 39 ein kryogener Speicher, welcher mit Hilfe der Klimaanlage 34 gekühlt wird und welcher zum Beispiel ein Laden von flüssigem Sauerstoff für das Kraftfahrzeug 1 ermöglicht. Die
Klimaanlage 34 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Gastanks 39 und einen Teil eines Rohleitungssystems, das die gasführenden Komponenten der Ladevorrichtung 30 miteinander koppelt. Es ist aber alternativ oder zusätzlich realisierbar, die Gasaufnahmeeinheit 41, die
Gasaufbereitungseinheit 36 und andere Komponenten der
Ladevorrichtung 30 zu temperieren und in den Einflussbereich der Klimaanlage 34 zu integrieren. Dadurch, dass die Klimaanlage 34 der Ladevorrichtung 30 bereits zum Beispiel gekühltes Gas für einen Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellt, ist der Einsatz der
Klimaanlage 17 des Kraftfahrzeugs 1 gegebenenfalls nicht oder zumindest nur noch eingeschränkt nötig, sodass entsprechend ein geringerer Energieaufwand seitens des Kraftfahrzeugs 1 zum Beispiel während eines Betriebes benötigt wird.
Außerdem weist das Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung 30 in Figur 2 die bereits beschriebene
Kommunikationsschnittstelle 43 auf, mittels derer es möglich ist, mit dem Kraftfahrzeug 1 zu kommunizieren und so den Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 1 zu steuern. Das
Kraftfahrzeug 1 ist unter anderem zu diesem Zweck mit der Kommunikationsschnittstelle 23 ausgestattet, die eine solche Kommunikation ermöglicht.
Aufgrund der Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 30 und dem Kraftfahrzeug 1 wird folglich ein optimaler und sicherer Ladevorgang von elektrischem Strom und/oder Gas für die Feststoff-Gas-Batterie 3 ermöglicht.
Die beschriebene Ladevorrichtung 30 ist zum Beispiel ähnlich zu bekannten Tankstellen für Kraftfahrzeuge mit
Verbrennungsmotoren in der öffentlichen Infrastruktur
realisierbar, kann aber auch privat für nicht gewerbliche Zwecke ausgebildet sein. Ist die Ladevorrichtung 30
beispielsweise an einer Wohnadresse eines Benutzers
realisiert, so kann die Ladevorrichtung 30 in diesem
Zusammenhang auch als private Ladestation bezeichnet werden und ermöglicht zusätzlich auch ein Laden von Feststoff-Gas- Batterien, die Komponenten mit elektrischer Energie
versorgen, die zum Beispiel in einer Wohnung des Benutzers angeordnet und nicht dem Kraftfahrzeug 1 zugehörig sind. Bezugszeichenliste
I Kraftfahrzeug
3 Feststoff-Gas-Batterie
5 Elektromotor
7 Hochdrucktank
9 Ladeanschluss
10 Gasablassanschluss
II Zusatzenergiespeicher
12 Ventile
13 Gasspeicher
15 Zuleitung
17 Klimaanlage
19 Gasablasseinheit
21 Ladeeinheit
23 Kommunikationsschnittstelle
25 Steuereinheit
30 Ladevorrichtung
31 Versorgungsanschluss
32 Kompressor
33 Gasaufnahmeanschluss
34 Klimaanlage Ladevorrichtung
35 Energieversorgungseinheit
36 Gasauf ereitungseinheit
37 Gasversorgungseinheit
38 Gasreservoir
39 Gastank
41 Gasaufnahmeeinheit
43 Kommunikationsschnittstelle Ladevorrichtung

Claims

Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (1), die
- mindestens eine Feststoff-Gas-Batterie (3) umfasst, die dazu ausgebildet ist, Energie für einen
Elektromotor (5) des Kraftfahrzeugs (1)
bereitzustellen,
- mindestens einen Hochdrucktank (7) zum Aufnehmen und Speichern von Gas für die Feststoff-Gas- Batterie (3) umfasst, und
- mindestens einen Ladeanschluss (9) aufweist, mittels dessen die Feststoff-Gas-Batterie (3) im Rahmen eines Ladevorgangs zum Aufnehmen von
elektrischem Strom koppelbar ist und mittels dessen der Hochdrucktank (7) im Rahmen des Ladevorgangs zum Aufnehmen von Gas koppelbar ist.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 1,
- bei der die Feststoff-Gas-Batterie (3) eine Metall- Luft-Batterie ist.
Betriebsvorrichtung nach Anspruch 2,
- bei der die Metall-Luft-Batterie eine Lithium-Luft- Batterie und/oder eine Lithium-Sauerstoff-Batterie ist .
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- die einen Zusatzenergiespeicher (11) umfasst, der dazu ausgebildet ist, Energie aufzunehmen und abzugeben .
5. Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - bei der der Elektromotor (5) in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs (1) dazu ausgebildet ist, während einer Rekuperationsphase als Generator mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- die einen Gasspeicher (13) umfasst, der dazu
ausgebildet ist, Gas von der Feststoff-Gas-Batterie (3) aufzunehmen und abzugeben.
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- die eine Zuleitung (15) aufweist, die den
Hochdrucktank (7) mit der Feststoff-Gas-Batterie (3) koppelt, und
- die eine Klimaanlage (17) umfasst, die dazu
ausgebildet ist, die Feststoff-Gas-Batterie (3) und/oder den Hochdrucktank (7) und/oder die
Zuleitung (15) zumindest teilweise zu temperieren.
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- die eine Gasablasseinheit (19) umfasst, die dazu ausgebildet ist, während des Betriebs oder im
Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs (1) Gas abzulassen .
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- die eine elektrische Ladeeinheit (21) aufweist, die in dem Kraftfahrzeug (1) angeordnet ist und die einen Gleichrichter umfasst.
Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- die eine Kommunikationsschnittstelle (23) aufweist, die dazu ausgebildet ist, im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs (1) Signale zum Steuern des Ladevorgangs zwischen dem Kraftfahrzeug (1) und einer dazu ausgebildeten Ladestation (30) aus zustauschen .
11. Betriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche,
- die eine Steuereinheit (25) aufweist, die dazu
ausgebildet ist, den Betrieb und/oder Ladevorgang des Kraftfahrzeugs (1) zu steuern.
12. System zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (1), umfassend
- eine Betriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und
- eine Ladestation (30), die mindestens einen Versorgungsanschluss (31) aufweist zum Zuführen von elektrischem Strom und/oder Gas für die Feststoff- Gas-Batterie (3) im Rahmen des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs (1) .
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