WO2020001667A1 - Mobiles ladesystem für fahrzeuge mit elektroantrieb - Google Patents

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WO2020001667A1
WO2020001667A1 PCT/CZ2019/000029 CZ2019000029W WO2020001667A1 WO 2020001667 A1 WO2020001667 A1 WO 2020001667A1 CZ 2019000029 W CZ2019000029 W CZ 2019000029W WO 2020001667 A1 WO2020001667 A1 WO 2020001667A1
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WO
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charging
unit
vehicle
fuel
battery
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PCT/CZ2019/000029
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English (en)
French (fr)
Inventor
Radek Cimrman
Oldrich Vyziblo
Lubos HAJSKY
Karel Soucek
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ŠKODA AUTO a.s.
Devinn S.R.O.
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Definitions

  • the invention relates to the charging systems for vehicles with electric or hybrid drive.
  • the vehicles that use the existing electric drive are equipped with a drive motor, a power module (converter) and a traction battery as energy storage.
  • the electrical energy flows in the form of direct current from the battery to the power module, which regulates the voltage and current curve at the output to the motor. Electrical energy regulated in this way is converted into mechanical energy in the motor.
  • the time required to charge the mobile battery is a few hours, and it takes another time to charge the unfit electric vehicle.
  • the disadvantage is the low energy density per unit of mass, which is usually stored in lithium batteries. This mass must also be transported when the mobile battery is empty.
  • b) System in the form of a "range extender" the system is in the form of a trailer on which the battery is stored. The system can be attached to the vehicle with an electric drive and thus expand the battery capacity, thereby extending the range of the electric vehicle
  • a disadvantage is the need to tow the trailer, which requires a technically prepared vehicle with a trailer hitch, and a disadvantage is the use of energy for towing the trailer itself.
  • Chinese patent application CN 103707795 A describes a mobile charging vehicle based on the system of a reformed methanol fuel cell, which has a methanol tank, a hydrogen tank, a reformer, a pressure sensor, a reformed methanol fuel cell itself, a direct current (DC) and AC power source (AC), an auxiliary battery and a controller.
  • the output from the fireplace insert is the DC output.
  • the reaction of the reformed methanol fuel cell produces C0 2 and H2O and the actual fuel cell is generally less effective than the hydrogen fuel cells.
  • This solution also requires a higher operating temperature (approx. 100 ° C) and two types of containers, one for methanol and the other for hydrogen, which increases the complexity of the solution in terms of volume and cooling.
  • the Chinese utility model CN 201371765 Y describes the solution for a mobile loading vehicle / trailer, specifically the arrangement of individual components (charging unit, generator, fastening elements) on the chassis of the vehicle / trailer. Neither the charger nor the energy generator are described in detail.
  • Korean patent application KR 20120095141 A describes a mobile charging unit for charging a vehicle with an electric drive.
  • the charger offers two charging options - quick charging with a quick charger and full charging with a standard charger - and also includes several charging cables for charging several vehicles at the same time.
  • An independent external energy source or independent energy-generating system can be used as the energy source for the charging unit. However, these energy sources are not described in detail in the document.
  • the American patent US 8963481 B2 describes service charging vehicles and the types of use of the modular batteries.
  • This service vehicle is equipped with some removable batteries that are used to charge electric vehicles outside of the charging stations.
  • the invention describes charging first from a battery with a lower energy level, only then switching to charging from a battery with a higher energy level. It is disadvantageous that these batteries too have to be charged somewhere and brought to the electric vehicles to be charged, which doubles the battery charging time.
  • the international patent application WO 2011/031916 A2 describes a loading trailer for towing behind the vehicle with an electric drive, this trailer carrying a fuel tank, an energy generator and an independent drive system of the trailer with a sensor of the load on the vehicle with an electric drive.
  • a hydrogen container and a hydrogen combustion cell can also be used as the fuel container and energy generator.
  • the attached trailer can be used to charge the battery.
  • the disadvantages of the loading trailer have already been mentioned above and include the technical equipment of the vehicle for a trailer (trailer coupling) and the energy expenditure for towing / driving the trailer itself. Presentation of the invention
  • the object of the invention is the reaction to the previous state, which in particular limits the weight of the battery (energy source), which is to be transported when fully charged and unloaded. Then there is also the need for charging at a charging station which is arranged in the stationary energy supply.
  • the mobile charging system for vehicles with electric drive which is the subject of the invention, the representation of which lies in the fact that it is a control unit, a fuel unit with at least one hydrogen fuel cell, a DC / DC input and DC / DC output, a charger with at least one DC / DC input and a charging output and a Hi Ifs supply source.
  • the auxiliary supply source feeds the control unit, the fuel unit via the DC / DC input and the charging unit via the DC / DC input, specifically during the starting process and in the limit operating mode of the system.
  • the DC / DC output of the fuel unit is further connected to the DC / DC input of the charging unit, which ensures the connection to the vehicle to be charged by means of the charging output.
  • the control unit is connected to the fuel unit and the charging unit and regulates the current and the voltage in the system.
  • the fuel cell obtains the energy from the reaction of the oxygen with the hydrogen, producing a waste water vapor so that the system is not environmentally harmful.
  • the fuel unit preferably comprises the hydrogen pressure tank, a hydrogen circulation pump, at least one fuel cell, a compressor for the compressed air supply, a cooling system for the fuel cell, a circulation pump of the cooling system, a DC / DC output and a feed system of the fuel unit with a DC / DC input.
  • the hydrogen can be compressed at 350 bar, for example.
  • the pressure bottles with operating and safety accessories can serve as hydrogen pressure tanks.
  • the hydrogen is fed through a filter to the fuel cell, which converts the chemical energy to electrical energy with an efficiency of approx. 50%.
  • the fuel cell is cooled with a cooling system (as a medium water or other cooling medium) and the oxygen supply is provided in the form of the compressed air generated by the compressor.
  • the control unit regulates the entire operation of the fuel cell.
  • the fuel cell is in front of and fed during the starting process by the auxiliary supply source via the DC / DC input of the fuel cell and the output of the fuel cell is connected to the charging unit directly or by means of a DC / DC output.
  • the charging unit preferably comprises a DC / DC input and has a charging output with the standard CHAdeMO, SAE-J1772 and / or CCS combo for connecting the battery of the vehicle to be charged.
  • the present mobile charging system can advantageously be integrated into the charging vehicle with an electric or hybrid drive and further connected via the contactor with its traction battery (in the function of the auxiliary supply source), with the power module in the function of a DC / DC converter and with the electric motor , wherein the control unit is also connected to the contactor and the traction battery.
  • a fuel unit in combination with the traction battery of the charging vehicle can be used to charge the battery of the vehicle to be charged.
  • the traction battery of the loading vehicle can be used to charge the battery of the vehicle to be charged in the initial phase, whereupon charging is initiated by means of the fuel unit and charging is suspended by means of the traction battery.
  • the fuel unit can also charge the traction battery of the charging vehicle and the battery of the vehicle to be charged.
  • the cooling system of the fuel cell can be integrated into the cooling system of the charging vehicle.
  • the charging system can also be integrated in a drone and / or a watercraft.
  • the advantage of the present invention is the high ratio of the amount of energy stored in hydrogen to unit mass of the entire system.
  • approx. 1/13 kWh (LiFePo) can be stored in one kg of a lithium battery.
  • 1 kg H 2 contains a heat of combustion of 33 kWh and at atmospheric pressure comprises 11 m 3 .
  • An exemplary installation of the system in a car includes the removal of the rear seats, the roller blind of the luggage compartment, the paneling and other unnecessary components.
  • the pressure bottles are stored in the luggage compartment and reach into the area of the rear seats, the space below and above the pressure bottles is with small units of the system (DC / DC output, charger, compressor, etc.) completed.
  • the loading vehicle can drive to where it is needed on request.
  • the energy contained in this charging system (eg over 200 kWh) can charge the entire battery of the electric vehicle to be charged. Charging can take place, for example, at a motorway service area or parking lot by parking the two vehicles next to each other and pulling the cable out of the charging vehicle and connecting it to the vehicle to be charged. After charging is complete, another vehicle can be operated at a different location, etc., until the hydrogen in the fuel unit is exhausted. With the energy contained in 10 kg H 2 , about 5 vehicles can be charged with the battery capacity commonly available today.
  • Fig. 1 schematically shows the arrangement of the mobile charging system in a simplest version with an auxiliary supply source.
  • FIG. 2 schematically represents the arrangement of the mobile charging system, including the integration into the existing infrastructure of the charging vehicle (electric or hybrid vehicle).
  • Example 1 Basic version of a mobile charging system
  • Mobile charging system consists of a control unit 1, a fuel unit 2, a charging unit 3 and an auxiliary supply source 4.
  • the auxiliary supply source 4 serves as an energy source for the control unit !, for the fuel unit 2 via DC / DC input 7 and for the charging unit 3 via DC / DC input 8 during the start-up process and limit operating mode of the system.
  • the auxiliary supply source 4 is also advantageous for the feed when the power of the fuel unit 2 is below 10 to 15%, since such low powers reduce the service life of the fuel cell 5.
  • the control unit 1 connects and controls the course of all others Units, ie the fuel unit 2 and the charging unit 3.
  • the fuel unit 2 comprises the hydrogen pressure tanks, the hydrogen recirculation pump, at least one hydrogen fuel cell 5, a compressor for the compressed air supply, a cooling system for the fuel cell, a circulation pump of the cooling system, a DC / DC -Output 6 and a fuel system supply system with DC / DC input 7.
  • a DC / DC output 6 At the output from the fuel cell is a DC / DC output 6 and the actual fuel cell is fed in via DC / DC input 7.
  • the power of the fuel cell can be, for example, 30 kW and the supply takes place with a voltage of 24 V.
  • the fuel unit 2 communicates electrically with the charging unit 3, for example via an electrical connection with a voltage of 398 V.
  • the charging unit 3 comprises a DC / DC Input 8 and has a charging output 9 with the standard CHAdeMO, SAE-J1772 and / or CCS combo for connecting the battery of the vehicle to be charged (output of charging unit 3, for example 25 kW). Charging takes place by connecting the cable from the charging vehicle to the vehicle to be charged via the charging outlet 9.
  • Example 2 Charging vehicle with electric or hybrid drive equipped with a mobile charging system
  • Existing vehicle infrastructure comprises a traction battery 11, a power module 12 (DC / DC converter) and a drive motor 13 (electric motor). Via the contactor P) these components are connected to the mobile charging system and the traction battery 11 fulfills the function of an auxiliary supply source 4.
  • the mobile charging system consists of a control unit 1, a fuel unit 2 and a charging unit 3.
  • the control unit 1 connects and controls the run all other units, ie the fuel unit 2, the charging unit 3, the contactor 10 and the traction battery 11.
  • the fuel unit 2 comprises the hydrogen pressure tank, the hydrogen recirculation pump, at least one hydrogen fuel cell 5, a compressor for the compressed air supply, a cooling system for the fuel cell , a circulating pump of the cooling system, a DC / DC output 6 and a feed system of the fuel unit with DC / DC input 7.
  • a DC / DC output 6 At the output from the fuel cell is a DC / DC output 6 and the actual fuel cell is via the DC / DC input 7 fed.
  • the power of the fuel cell 5 can be 30 kW, for example, and the supply takes place with a voltage of 24 V.
  • the fuel unit 2 communicates electrically with the charging unit 3 and the contactor P), for example via an electrical connection with a voltage of 398 V.
  • the charging unit 3 comprises a DC / DC input 8 and has a charging output 9 with the standard CHAdeMO, SAE-J1772 and / or CCS combo for connecting the Battery of the vehicle to be charged (output of the charging unit 3, for example 25 kW).
  • the charging unit 3 also communicates with the existing vehicle infrastructure via the contactor 10. Charging takes place by connecting the cable from the charging vehicle to the vehicle to be charged via the charging outlet 9.
  • Example 3 Charging with a mobile charging system integrated in the vehicle with an electric or hybrid drive
  • the auxiliary supply source 4 or the traction battery 11 is connected to the control unit 1, which ensures the communication of the charging unit 3 with the vehicle to be charged.
  • the initial phase of charging is initiated.
  • the charging unit 3 begins to communicate about the voltage and current conditions that are to be used for the battery to be charged.
  • the electrical connection between the traction battery 11 and the charging unit 3 of the charging vehicle is established and charging with the maximum power available in the traction battery 11 - approx. 50 kW can be taken up.
  • the fuel cell 5 is also started up for the energy supply.
  • charging from the traction battery 11 is ended and charging from the fuel cell 5, which takes over the role of the energy source, begins.
  • the excess power of the fuel cell 5 is diverted into the traction battery 11 of the charging vehicle so that it is also charged.
  • the required power decreases with the successive charging of the battery and the power of the fuel cell 5 is regulated accordingly.
  • the role of the energy source again takes over the traction battery 11 of the charging vehicle and the vehicle to be charged is charged to 100%.
  • This solution can be used for charging the vehicles with electric drive outside the charging stations, especially when the electric vehicle is fully discharged and the resulting inability to drive.
  • the energy in the form of hydrogen can be brought to the disabled vehicle with another vehicle, watercraft or by air (drone).

Abstract

Mobiles Ladesystem für Fahrzeuge mit Elektroantrieb umfassend eine Steuereinheit (1), eine Kraftstoffeinheit (2) mit wenigstens einer Wasserstoff-Brennstoffzelle (5), einen DC/DC-Ein-gang (7) und DC/DC-Ausgang (6), eine Aufladeeinheit (3) mit wenigstens einem DC/DC-Ein-gang (8) und einem Ladeausgang (9), und einer Hilfsversorgungsquelle (4). Die Hilfsversorgungsquelle (4) speist die Steuereinheit (1), die Kraftstoffeinheit (2) liber den DC/DC-Eingang (7) und die Aufladeeinheit (3) Giber den DC/DC-Eingang (8) ein. Der DC/DC-Ausgang (6) der Kraftstoffeinheit (2) ist weiter mit dem DC/DC-Eingang (8) der Aufladeeinheit (3) verbunden, welche die Verbindung mit dem aufzuladenden Fahrzeug mittels des Ladeausgangs (9) sicher- stellt. Die Steuereinheit (1) ist mit der Kraftstoffeinheit (2) und der Aufladeeinheit (3) verbun-den und regelt den Strom und die Spannung im System.

Description

MOBILES LADESYSTEM FÜR FAHRZEUGE MIT ELEKTROANTRIEB
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Ladesysteme für Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb.
Bisheriger Stand der Technik
Die Fahrzeuge, welche den bestehenden Elektroantrieb verwenden, sind mit einem An triebsmotor, einem Leistungsmodul (Wandler) und einer Traktionsbatterie als Energiespeicher ausgestattet. Die elektrische Energie fließt in Form des Gleichstroms von der Batterie zum Leistungsmodul, das den Spannungs- und Stromverlauf am Ausgang zum Motor regelt. So geregelte elektrische Energie wird im Motor in mechanische Energie umgewandelt.
Diese Technik erfordert das Aufladen der Traktionsbatterie. Das Aufladen erfolgt in der Regel durch das Beistellen des Elektrofahrzeuges zur Ladestation - gewöhnlich als Wand- oder Säulensystem für AC- oder DC-Laden ausgeführt. Nach dem Aufladen der Energie kann die Fahrt bis zum Aufbrauchen der elektrischen Energie fortgesetzt werden. Beim Betrieb des Fahrzeuges muss also immer eine ausreichende Energiereserve für unerwartete Probleme vorhanden sein. Sollte die Energie aufgebraucht werden, ist das Fahrzeug fahrunfähig und muss zur nächsten Ladestation abgeschleppt werden, wo es aufgeladen wird. Aktuell bekannte Lösun gen: a) System in Form einer mobilen Batterie - auf dem Fahrzeug/Anhänger befindet sich eine Batterie (in der Regel eine Lithium-Batterie), die an einer stationären Ladestation aufgeladen und danach zu dem fahrunfähigen Fahrzeug gebracht wird, das aufzuladen und wieder betriebsbereit zu machen ist. Die für das Aufladen der mobilen Batterie notwendige Zeit beträgt einige Stunden und weitere Zeit nimmt das Aufladen des fahr- untüchtigen Elektrofahrzeuges in Anspruch. Nachteilig ist die geringe Energiedichte pro Masseeinheit, die meistens in Lithium-Batterien gespeichert ist. Diese Masse muss auch bei einer leeren mobilen Batterie transportiert werden. b) System in Form von„Range Extender" - die Anlage ist in Form eines Anhängers, auf dem die Batterie gelagert ist. Die Anlage kann an das Fahrzeug mit Elektroantrieb an gehängt werden und so die Batteriekapazität erweitern, wodurch die Reichweite des Elektrofahrzeuges verlängert wird. Nachteilig ist die Notwendigkeit auch den Anhänger zu schleppen, was ein technisch vorbereitetes Fahrzeug mit Anhängerkupplung erfordert. Nachteilig ist auch die Aufwendung der Energie für das Schleppen des Anhängers selbst.
c) System in Form„EV to EV" - ein System, das das Aufladen eines Fahrzeuges aus der Traktionsbatterie eines anderen Fahrzeuges durch direkte Verbindung über ein Kabel ermöglicht. Der Nachteil dieser Lösung liegt in der Notwendigkeit einer speziellen Einrichtung im Fahrzeugbordnetz, welche die Übertragung der Energie aus der Traktionsbatterie in das andere Fahrzeug ermöglicht, da die Energie im Elektrofahrzeug standardmäßig nach innen fließt. Weiterer Nachteil liegt in der geringen Menge der übertragenen Energie (beide Fahrzeuge teilen sich die Energie in einer Batterie), damit sie die nächste Ladestation anfahren können.
In der chinesischen Patentanmeldung CN 103707795 A ist ein mobiles Ladefahrzeug auf der Basis des Systems einer reformierten Methanol-Brennstoffzelle beschrieben, das einen Me thanolbehälter, einen Wasserstoffbehälter, einen Reformer, einen Drucksensor, eine reformierte Methanol-Brennstoffzelle selbst, eine Gleichstrom- (DC) und Wechselstromquelle (AC), eine Hilfsbatterie und ein Steuergerät umfasst. Den Ausgang aus der Brennzelle bildet der DC- Output. Die Reaktion der reformierten Methanol-Brennstoffzelle produziert C02 und H2O und die eigentliche Brennstoffzelle hat generell eine geringere Wirksamkeit als die Wasserstoff- Brennstoffzellen. Diese Lösung erfordert darüber hinaus höhere Betriebstemperatur (ca. 100°C) und zwei Behältertypen, einen für Methanol und anderen für Wasserstoff, was die Aufwendigkeit der Lösung bezüglich Volumen sowie Kühlung erhöht.
In dem chinesischen Gebrauchsmuster CN 201371765 Y ist die Lösung eines mobilen Lade- fahrzeuges/-anhängers beschrieben, konkret die Anordnung einzelner Bauteile (Aufladeein heit, Generator, Befestigungselemente) auf dem Fahrwerk des Fahrzeuges/Anhängers. Weder die Aufladeeinheit, noch der Energiegenerator sind näher beschrieben. In der koreanischen Patentanmeldung KR 20120095141 A ist eine mobile Aufladeeinheit für das Aufladen eines Fahrzeuges mit Elektroantrieb beschrieben. Die Aufladeeinheit gewährt zwei Lademöglichkeiten - ein schnelles Aufladen mit einem Schnellladegerät und ein komplettes Aufladen mit Standardladegerät - und umfasst weiter mehrere Aufladekabel für das Auf- laden von mehreren Fahrzeugen zugleich. Als Energiequelle für die Aufladeeinheit kann eine selbständige externe Energiequelle oder selbständiges energieerzeugendes System verwendet werden. Im Dokument sind diese Energiequellen jedoch nicht näher beschrieben.
In dem amerikanischen Patent US 8963481 B2 sind Service-Ladefahrzeuge beschrieben und die Verwendungsarten der modularen Batterien. Dieses Servicefahrzeug ist mit einigen ab- nehmbaren Batterien ausgestattet, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen außerhalb der Ladestationen dienen. Die Erfindung beschreibt das Aufladen zuerst aus einer Batterie mit geringerem Energieniveau, erst danach die Umschaltung auf die Aufladung aus einer Batterie mit höherem Energieniveau. Nachteilig ist, dass auch diese Batterien irgendwo aufgeladen und zu den aufzuladenden Elektrofahrzeugen gebracht werden müssen, was die Batterieauf- ladungszeit verdoppelt.
Die internationale Patentanmeldung WO 2011/031916 A2 beschreibt einen Ladeanhänger zum Anhängen hinter das Fahrzeug mit Elektroantrieb, wobei dieser Anhänger einen Kraft stoffbehälter, einen Energiegenerator und ein selbständiges Antriebssystem des Anhängers mit einem Sensor der Belastung des Fahrzeuges mit Elektroantrieb trägt. Als Kraftstoffbehäl- ter und Energiegenerator können neben anderem auch ein Wasserstoffbehälter und eine Wasserstoffbrennzelle sein. Bei der Entladung der Fahrzeugbatterie kann der angekoppelte Anhänger zur Aufladung der Batterie verwendet werden. Die Nachteile der Ladeanhänger wurden bereits oben erwähnt und umfassen die technische Ausstattung des Fahrzeuges für einen Anhänger (Anhängerkupplung) und den Energieaufwand für das Schleppen/Antrieb des Anhängers selbst. Darstellung der Erfindung
Der Gegenstand der Erfindung stellt die Reaktion auf den bisherigen Stand dar, den insbesondere das Gewicht der Batterie (Energieträger) einschränkt, das beim vollgeladenen sowie ent ladenen Zustand zu transportieren ist. Ferner dann die Notwendigkeit des Aufladens an einer Ladestation, die in der stationären Energieversorgung angeordnet ist.
Die oben genannten Nachteile des Standes der Technik werden durch das den Gegenstand der Erfindung darstellende mobile Ladesystem für Fahrzeuge mit Elektroantrieb beseitigt, deren Darstellung darin liegt, dass es eine Steuereinheit, eine Kraftstoffeinheit mit mindestens einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, einen DC/DC-Eingang und DC/DC-Ausgang, eine Aufladeeinheit mit wenigstens einem DC/DC-Eingang und einem Ladeausgang und eine Hi Ifs versor gungsquelle umfasst. Die Hilfsversorgungsquelle speist die Steuereinheit, die Kraftstoffeinheit über den DC/DC-Eingang und die Aufladeeinheit über den DC/DC-Eingang, und zwar beim Startvorgang und im Grenzbetriebsmodus des Systems. Der DC/DC-Ausgang der Kraftstoffeinheit ist weiter mit dem DC/DC-Eingang der Aufladeeinheit verbunden, welche die Verbin dung mit dem aufzuladenden Fahrzeug mittels des Ladeausgangs sicherstellt. Darüber hinaus ist die Steuereinheit mit der Kraftstoffeinheit und der Aufladeeinheit verbunden und regelt den Strom und die Spannung im System. Die Brennstoffzelle gewinnt die Energie aus der Re aktion des Sauerstoffes mit dem Wasserstoff, wobei ein Abfallwasserdampf entsteht, so dass das System nicht umweltbelastend ist.
Die Kraftstoffeinheit umfasst vorzugsweise die Wasserstoff-Druckbehälter, eine Wasserstoff- Zirkulationspumpe, wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Kompressor für die Druckluftzufuhr, ein Kühlsystem für die Brennstoffzelle, eine Umwälzpumpe des Kühlsystems, einen DC/DC-Ausgang und ein Einspeisesystem der Kraftstoffeinheit mit einem DC/DC-Eingang. Der Wasserstoff kann z.B. bei 350 bar komprimiert werden. Als Wasserstoffdruckbehälter können die Druckflaschen mit Betriebs- und Sicherheitszubehör (Entlüftung, Überdruckventile) dienen. Der Wasserstoff wird weiter über ein Filter der Brennstoffzelle zugeführt, welche die chemische Energie auf elektrische Energie mit Wirksamkeit von ca. 50% umwandelt. Die Brennstoffzelle wird mit einem Kühlsystem (als Medium Wasser oder anderes Kühlmedium) gekühlt und die Sauerstoffzufuhr in Form der vom Kompressor erzeugten Druckluft besorgt. Den ge samten Betrieb der Brennstoffzelle regelt die Steuereinheit. Die Brennstoffzelle wird vor und während des Startvorganges durch die Hilfsversorgungsquelle über den DC/DC-Eingang der Brennstoffzelle eingespeist und der Ausgang der Brennstoffzelle ist direkt oder mittels DC/DC- Ausgang zur Aufladeeinheit angeschlossen.
Die Aufladeeinheit umfasst vorzugsweise einen DC/DC-Eingang und weist einen Ladeausgang mit dem Standard CHAdeMO, SAE-J1772 und/oder CCS Combo für das Anschließen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges auf.
Das vorliegende mobile Ladesystem kann vorteilhaft in das Ladefahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb integriert werden und weiter über das Schütz mit seiner Traktionsbatterie (in der Funktion der Hilfsversorgungsquelle), mit dem Leistungsmodul in der Funktion eines DC/DC-Wandlers und mit dem Elektromotor verbunden werden, wobei die Steuereinheit ebenfalls mit dem Schütz und der Traktionsbatterie verbunden ist. Für das Aufladen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges kann eine Kraftstoffeinheit in Kombination mit der Traktionsbatterie des Ladefahrzeuges verwendet werden. Die Traktionsbatterie des Ladefahrzeu ges kann zum Aufladen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges in der Anfangsphase ver wendet werden, worauf das Aufladen mittels der Kraftstoffeinheit eingeleitet und das Aufla den mittels der Traktionsbatterie ausgesetzt wird. Ferner kann die Kraftstoffeinheit die Traktionsbatterie des Ladefahrzeuges sowie die Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges aufladen. Bei einer Integration des Ladesystems kann das Kühlsystem der Brennstoffzelle in das Kühlsystem das Ladefahrzeuges integriert werden. Das Ladesystem kann auch in einer Drohne und/oder einem Wasserfahrzeug integriert werden.
Den Vorteil der vorliegenden Erfindung stellt der hohe Verhältniswert der im Wasserstoff ge speicherten Energiemenge zu Masseeinheit des gesamten Systems. Je höher der Wasserstoff vorrat ist, desto höher dieser Verhältniswert, wobei die Masse der sonstigen Komponenten außer den Druckflaschen konstant bleibt. Vergleichend können in einem kg einer Lithiumbat terie ca. 1/13 kWh (LiFePo) gespeichert werden. 1 kg H2 enthält eine Verbrennungswärme von 33 kWh und beim atmosphärischen Druck umfasst 11 m3.
Eine beispielhafte Installation des Systems in einem PKW umfasst den Ausbau der Hintersitze, des Abdeckrollos des Gepäckraumes, der Verkleidung und weiterer unnötigen Komponenten. Die Druckflaschen sind in dem Gepäckraum gelagert und übergreifen in den Bereich der Hintersitze, der Raum unter und über den Druckflaschen ist mit kleinen Einheiten des Systems (DC/DC-Ausgang, Aufladeeinheit, Kompressor usw.) ausgefüllt. Das Ladefahrzeug kann auf Anforderung dorthin fahren, wo es benötigt wird. Die in diesem Ladesystem enthaltene Energie (z.B. über 200 kWh) kann die gesamte Batterie des aufzuladenden Elektrofahrzeuges aufla den. Das Aufladen kann z.B. auf einem Autobahnrastplatz oder Parkplatz erfolgen, indem die beiden Fahrzeuge nebeneinander einparken und aus dem Ladefahrzeug das Kabel herausge holt und an das aufzuladende Fahrzeug angeschlossen wird. Nach Beendigung des Aufladens kann ein weiteres Fahrzeug auf einem anderen Ort usw. bedient werden, bis zur Ausschöpfung des Wasserstoffvorrates in der Kraftstoffeinheit. Mit der in 10 kg H2 enthaltenen Energie können etwa 5 Fahrzeuge mit der heute üblich verfügbaren Batteriekapazität aufgeladen werden.
Übersicht der Figuren der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand Zeichnungen näher erläutert, wobei:
• Fig. 1 schematisch die Anordnung des mobilen Ladesystems in einer einfachsten Ausführung mit einer Hilfsversorgungsquelle darstellt.
• Fig. 2 schematisch die Anordnung des mobilen Ladesystems dar, einschließlich der Integration in die bestehende Infrastruktur des Ladefahrzeuges (Elektro- oder Hybridfahrzeuges) darstellt.
Beispielhafte Ausführung der Erfindung
Beispiel 1: Grundausführung eines mobilen Ladesystems
Mobiles Ladesystem besteht aus einer Steuereinheit 1, einer Kraftstoffeinheit 2, einer Aufla deeinheit 3 und einer Hilfsversorgungsquelle 4. Die Hilfsversorgungsquelle 4 dient als Energie- quelle für die Steuereinheit !, für die Kraftstoffeinheit 2 über DC/DC-Eingang 7 und für die Ladeinheit 3 über DC/DC-Eingang 8 und zwar beim Startvorgang und Grenzbetriebsmodus des Systems. Die Hilfsversorgungsquelle 4 wird Vorteilhaft auch für die Einspeisung bei Leistungen der Kraftstoffeinheit 2 unter 10 bis 15 %, da solche niedrigen Leistungen die Standzeit der Brennstoffzelle 5 verringern. Die Steuereinheit 1 verbindet und regelt den Lauf aller weiterer Einheiten, d.h. der Kraftstoffeinheit 2 und der Aufladeeinheit 3. Die Kraftstoffeinheit 2 um fasst die Wasserstoffdruckbehälter, die Wasserstoffrezirkulationspumpe, wenigstens eine Wasserstoff-Brennstoffzelle 5, einen Kompressor für die Druckluftzufuhr, ein Kühlsystem für die Brennstoffzelle, eine Umwälzpumpe des Kühlsystems, einen DC/DC-Ausgang 6 und Ein speisesystem der Kraftstoffeinheit mit DC/DC-Eingang 7. Am Ausgang aus der Brennstoffzelle ist ein DC/DC-Ausgang 6 und die eigentliche Brennstoffzelle wird über den DC/DC-Eingang 7 eingespeist. Die Leistung der Brennstoffzelle kann z.B. 30 kW betragen und die Einspeisung erfolgt mit einer Spannung von 24 V. Die Kraftstoffeinheit 2 kommuniziert elektrisch mit der Aufladeeinheit 3, z.B. über elektrische Verbindung mit einer Spannung von 398 V. Die Aufladeeinheit 3 umfasst einen DC/DC-Eingang 8 und weist einen Ladeausgang 9 mit dem Standard CHAdeMO, SAE-J1772 und/oder CCS Combo für das Anschließen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges auf (Leistung der Aufladeeinheit 3 z.B. 25 kW). Das Aufladen erfolgt durch das Anschließen des Kabels aus dem Ladefahrzeug über den Ladeausgang 9 an das aufzuladende Fahrzeug.
Beispiel 2: Ladefahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb ausgestattet mit einem mobilen Ladesystem
Bestehende Fahrzeuginfrastruktur umfasst eine Traktionsbatterie 11, ein Leistungsmodul 12 (DC/DC-Wandler) und einen Antriebsmotor 13 (Elektromotor). Über das Schütz P) sind diese Komponente mit dem mobilen Ladesystem verbunden und die Traktionsbatterie 11 erfüllt hier die Funktion einer Hilfsversorgungsquelle 4. Mobiles Ladesystem besteht aus einer Steu ereinheit 1, einer Kraftstoffeinheit 2 und einer Aufladeeinheit 3. Die Steuereinheit 1 verbindet und regelt den Lauf aller weiterer Einheiten, d.h. der Kraftstoffeinheit 2, der Aufladeeinheit 3, des Schützes 10 und der Traktionsbatterie 11. Die Kraftstoffeinheit 2 umfasst die Wasserstoffdruckbehälter, die Wasserstoffrezirkulationspumpe, wenigstens eine Wasserstoff-Brennstoff zelle 5, einen Kompressor für die Druckluftzufuhr, ein Kühlsystem für die Brennstoffzelle, eine Umwälzpumpe des Kühlsystems, einen DC/DC-Ausgang 6 und Einspeisesystem der Kraftstoffeinheit mit DC/DC-Eingang 7. Am Ausgang aus der Brennstoffzelle ist ein DC/DC-Ausgang 6 und die eigentliche Brennstoffzelle wird über den DC/DC-Eingang 7 eingespeist. Die Leistung der Brennstoffzelle 5 kann z.B. 30 kW betragen und die Einspeisung erfolgt mit einer Spannung von 24 V. Die Kraftstoffeinheit 2 kommuniziert elektrisch mit der Aufladeeinheit 3 sowie dem Schütz P), z.B. über elektrische Verbindung mit einer Spannung von 398 V. Die Auflade einheit 3 umfasst einen DC/DC-Eingang 8 und weist einen Ladeausgang 9 mit dem Standard CHAdeMO, SAE-J1772 und/oder CCS Combo für das Anschließen der Batterie des aufzuladen den Fahrzeuges auf (Leistung der Aufladeeinheit 3 z.B. 25 kW). Die Aufladeeinheit 3 kommuniziert ebenso über dem Schütz 10 mit der bestehenden Fahrzeuginfrastruktur. Das Aufladen erfolgt durch das Anschließen des Kabels aus dem Ladefahrzeug über den Ladeausgang 9 an das aufzuladende Fahrzeug.
Beispiel 3: Aufladen mit einem im Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb integrierten mobilen Ladesystem
Nach dem Anhalten des Ladefahrzeuges ist die Hilfsversorgungsquelle 4 bzw. die Traktionsbatterie 11 zur Steuereinheit 1 angeschlossen, die die Kommunikation der Aufladeeinheit 3 mit dem aufzuladenden Fahrzeug besorgt. Nach der Beistellung des aufzuladenden Fahrzeuges (Elektro-, Hybridfahrzeug) wird die Anfangsphase des Aufladens eingeleitet. Die Aufladeeinheit 3 beginnt über die Spannungs- und Stromverhältnisse zu kommunizieren, die für die aufzuladende Batterie anzuwenden sind. In der Zwischenzeit wird die elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 11 und der Aufladeeinheit 3 des Ladefahrzeuges aufgebaut und das Aufladen mit der in der Traktionsbatterie 11 verfügbaren Höchstleistung - ca. 50 kW kann aufgenommen werden. Weiter wird für die Energieversorgung die Brennstoffzelle 5 angelaufen. Nach dem Hochlauf der Brennstoffzelle 5 auf die genannte Leistung (50 kW) wird das Aufladen aus der Traktionsbatterie 11 beendet und das Aufladen aus der Brennstoffzelle 5, die die Rolle der Energiequelle übernimmt, beginnt. Der Leistungsüberschuss der Brennstoffzelle 5 wird in die Traktionsbatterie 11 des Ladefahrzeuges umgeleitet, damit diese ebenfalls aufgeladen wird. Während des Aufladens des aufzuladenden Fahrzeuges sinkt mit dem sukzessiven Aufladen der Batterie die benötigte Leistung (Strom) und dementsprechend wird auch die Leistung der Brennstoffzelle 5 geregelt. Sobald die Mindestleistung der Brenn stoffzelle 5 (10 bis 15 %) erreicht wird, übernimmt die Rolle der Energiequelle wieder die Traktionsbatterie 11 des Ladefahrzeuges und das aufzuladende Fahrzeug wird auf 100 % aufgela den.
Gewerbliche Anwendbarkeit Diese Lösung kann für das Aufladen der Fahrzeuge mit Elektroantrieb außerhalb der Ladestationen verwendet werden, insbesondere bei voller Entladung und resultierender Fahrunfähig keit des Elektrofahrzeuges. Die Energie in Form des Wasserstoffes kann zum fahrunfähigen Fahrzeug mit anderem Fahrzeug, Wasserfahrzeug oder auf dem Luftweg (Drohne) gebracht werden.
Bezugszeichenliste
1 Steuereinheit
2 Kraftstoffeinheit
3 Aufladeeinheit
4 Hilfsversorgungsquelle
5 Brennstoffzelle
6 DC/DC-Ausgang der Kraftstoffeinheit
7 DC/DC-Eingang der Kraftstoffeinheit
8 DC/DC-Eingang der Aufladeeinheit
9 Ladeausgang der Aufladeeinheit
10 Schütz
11 Traktionsbatterie
12 Leistungsmodul
13 Antriebsmotor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mobiles Ladesystem für Fahrzeuge mit Elektroantrieb dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinheit (1), eine Kraftstoffeinheit (2) mit wenigstens einer Wasserstoff- Brennstoffzelle (5), einen DC/DC-Eingang (7) und einen DC/DC-Ausgang (6), eine Auf ladeeinheit (3) mit wenigstens einem DC/DC-Eingang (8) und einem Ladeausgang (9), und eine Hilfsversorgungsquelle (4) umfasst, wobei die Hilfsversorgungsquelle (4) die Steuereinheit (1), die Kraftstoffeinheit (2) über den DC/DC-Eingang (7) und die Aufla deeinheit (3) über den DC/DC-Eingang (8) einspeist, wobei der DC/DC-Ausgang (6) der Kraftstoffeinheit (2) weiter mit dem DC/DC-Eingang (8) der Aufladeeinheit (3) verbun den ist, welche die Verbindung mit dem aufzuladenden Fahrzeug über den Ladeausgang (9) besorgt, wobei die Steuereinheit (1) mit der Kraftstoffeinheit (2) und der Aufladeeinheit (3) verbunden ist und den Strom und die Spannung im System regelt.
2. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffe- inheit (2) die Wasserstoffdruckbehälter, eine Wasserstoffrezirkulationspumpe, wenigstens eine Wasserstoff-Brennstoffzelle (5), einen Kompressor für die Druckluftzufuhr, ein Kühlsystem für die Brennstoffzelle, eine Umwälzpumpe des Kühlsystems, ei nen DC/DC-Ausgang (6) und ein Einspeisesystem der Kraftstoffeinheit mit DC/DC-Eingang (7) umfasst.
3. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeein heit einen DC/DC-Eingang (8) umfasst und einen Ladeausgang (9) mit dem Standard CHAdeMO, SAE-J1772 und/oder CCS Combo für das Anschließen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges aufweist.
4. Mobiles Ladesystem nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeich- net, dass es im Ladefahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb integriert und weiter über den Schütz (10) mit der Hilfsversorgungsquelle (4) in Form einer Traktionsbatterie (11) des Ladefahrzeuges und ferner mit dem Leistungsmodul (12) mit der Funktion des DC/DC-Wandlers und mit dem Elektromotor (13) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (1) mit dem Schütz (10) und Traktionsbatterie (11) verbunden ist.
5. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufladen der Batterie des aufzuladenden Fahrzeuges die Kraftstoffeinheit (2) in Kombination mit der Traktionsbatterie (11) des Ladefahrzeugs verwendet wird.
6. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbat terie (11) des Ladefahrzeugs für das Aufladen der Batterie des aufzuladenden Fahr zeugs in der Anfangsphase verwendet wird, worauf das Aufladen mittels der Kraftstof feinheit (2) eingeleitet und das Aufladen mittels der Traktionsbatterie (11) ausgesetzt wird.
7. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinheit (2) die Traktionsbatterie (11) des Ladefahrzeuges sowie die Batterie des aufzuladenden Fahrzeugs auflädt.
8. Mobiles Ladesystem nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem für die Brennstoffzelle (2) im Kühlsystem des Ladefahrzeuges integriert ist.
9. Mobiles Ladesystem nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeich- net, dass es in einer Drohne und/oder im Wasserfahrzeug integriert ist.
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