WO2021245085A1

WO2021245085A1 - Ladesäule

Info

Publication number: WO2021245085A1
Application number: PCT/EP2021/064682
Authority: WO
Inventors: Alexander Sohl; Inès Adler
Original assignee: Me Energy Gmbh
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2021-12-09
Also published as: US20230211687A1; EP4157667A1; CA3180407A1; BR112022024753A2; MX2022015276A; DE102020114677A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule mit den Verfahrensschritten Registrieren eines ersten Initialvorganges, Evaluieren des ersten Initialvorganges, Start des Ladevorganges in Abhängigkeit des Evaluationsergebnisses, wobei der erste Initialvorgang verschieden ist von einem Startbefehl eines Nutzers zum Starteines Ladevorganges, sowie eine Ladesäule zur Durchführung des Verfahrens.

Description

LA D E SA U L E

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule mit den Verfahrensschritten Registrieren eines ersten Initialvorganges für eine Aufladung eines Elektrofahrzeuges, Start eines Vorgangs zur Energiekonversion, Start eines Vorgangs zur Aufladung eines Elektrofahrzeuges, Beendigung des Vorgangs zur Energiekonversion und Beendigung des Vorgangs zur Aufladung eines Elektrofahrzeuge, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die mit einem Elektromotor betrieben werden, geht eine funktionierende Infrastruktur zum Laden der Elektrofahrzeuge einher. Neben dem Laden an der Haussteckdose muss den Benutzern von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit eingeräumt werden, auch im öffentlichen Bereich Energie zu beziehen. Bei den zur Zeit verfügbaren Reichweiten von Elektrofahrzeugen ist es notwendig, dass auch außerhalb des häuslichen Umfeldes ein Laden der Fahrzeuge möglich ist. Daher müssen in öffentlichen Bereichen Ladestationen zur Verfügung gestellt werden, um eine stete Verfügbarkeit von Energie für Elektrofahrzeuge durch ein Versorgungsnetz zu gewährleisten.

Bekannt sind Ladesäulen, um die Traktionsbatterie eines Plug-In-Fahrzeuges - Hybrid oder Elektrofahrzeug - wieder aufzuladen, wie z.B. in DE 102009016 505 A1 beschrieben. Die Ladesäule selbst wird auf eine Stromschiene der Stromversorgung angeschlossen. Ein bestehendes Stromnetz weist dabei ein Anschlusselement zum Ausgeben elektrischer Energie an ein Elektrofahrzeug auf. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufladung von Elektrofahrzeugen bereitzustellen, mit dem die Ladezeit reduziert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine dementsprechende Vorrichtung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule weist fünf Verfahrensschritte auf. Im ersten Verfahrensschritt wird ein erster Initialvorgang für eine Aufladung eines Elektrofahrzeugs registriert. Der erste Initialvorgang signalisiert die Bereitschaft eines Nutzers, ein Elektrofahrzeug zu laden. Der erste Initialvorgang kann durch eine aktive Nutzereingabe in unmittelbarer Nähe der Ladesäule registriert werden. Möglich ist z.B. eine Eingabe in eine HMI-Einheit an der Ladesäule. Denkbar ist auch eine Eingabe z.B. über ein Smartphone oder das Fahrzeug aus einer räumlichen Distanz zur Ladesäule. Der erste Initialvorgang kann aber vorteilhafterweise auch ohne aktive Nutzereingabe registriert werden, z.B. durch Abstellen eines zu ladenden Elektrofahrzeugs in unmittelbarer oder mittelbarer Umgebung der Ladesäule.

Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Vorgang zur Energiekonversion gestartet. Je nach Ausführung der Ladesäule benötigt eine Energiekonversion einen zeitlichen Vorlauf, um bei einem Ladevorgang maximale Stromleistung an das Elektrofahrzeug abgeben zu können. So ist z.B. die Vorlaufzeit einer Energiekonversion von Licht zu Strom durch z.B. eine Solarzelle bzw. Wind zu Strom durch eine Windkraftanlage geringer als die Vorlaufzeit einer Energiekonversion eines flüssigen und/oder gasförmigen Energieträgers durch z.B. einen Verbrennungsmotor. Durch geeignete Wahl des Startzeitpunktes einer Energiekonversion mittels eines Verbrennungsmotors wird der Ladevorgang für einen Nutzer deutlich verringert. Im dritten Verfahrensschritt wird ein Vorgang zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs gestartet. Die Ladesäule gibt aufgrund des erfahrungsgemäßen Verfahrens während des Ladevorgangs elektrische Energie an das Elektrofahrzeug ab. Das Elektrofahrzeug ist während des Ladevorgangs über ein Ladekabel mit der Ladesäule verbunden. Möglich ist ebenfalls eine induktive Aufladung des Elektrofahrzeugs.

Im vierten Verfahrensschritt wird der Vorgang zur Energiekonversion beendet. Die Vorrichtung zur Energiekonversion wird angehalten bzw. gestoppt. Im fünften Verfahrensschritt wird der Vorgang zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beendet. Dies kann z.B. durch Nutzereingabe, Lösen eines Ladekabels oder automatisch bei vollständiger Aufladung des Elektrofahrzeugs erfolgen. Erfindungsgemäß ist dabei das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Menge elektrischer Energie EA größer 1 (EK/EA > 1).

Im Rahmen dieser Schrift beinhaltet der Ladevorgang die Verfahrensschritte zwei bis vier, d.h. vom Start eines Vorgangs zur Energiekonversion bis zur Beendigung des Vorgangs zur Aufladung des zu ladenden Elektrofahrzeugs. Der Ladevorgang umfasst also den eigentlichen Vorgang zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs und zusätzlich den Vorgang einer Energiekonversion in der Ladesäule.

Die zusätzliche, während des Vorgangs der Energiekonversion für den Ladevorgang erzeugte überschüssige Energie kann zur Aufladung des zu ladenden und/oder eines weiteren Elektrofahrzeugs verwendet werden. Damit kann die Zeit des Ladevorgangs für dieses weitere zweite Elektrofahrzeug ebenfalls verkürzt werden, wenn nach erfolgter Aufladung eines ersten Elektrofahrzeugs die Energie EA in das zweite Elektrofahrzeug eingespeist wird, die Nennleistung der Ladesäule also für das zweite Elektrofahrzeug zur Verfügung steht. Das erfindungsgemäße Verfahren verkürzt daher die Dauer einer Aufladung eines Elektrofahrzeugs, indem die während des Ladevorgangs mehrerzeugte Energie gespeichert und bei Bedarf an ein zu ladendes Elektrofahrzeug abgegeben wird.

Im Sinne dieser Schrift wird unter einer Ladesäule ein Ladevorrichtung verstanden, die infolge ihrer kompakten Bauweise Platz auf einem schmalen Bürgersteig findet oder eine Brennstoff-Zapfsäule an einer Tankstelle ersetzen kann, maximal jedoch kleiner als die Stellfläche eines Standard-PKW-Parkplatzes aufweist. Die Ladesäule ist als Säule ausgebildet, d.h. sie weist eine Höhe H auf, die um mindestens 20% größer ist als ihre Breite B und/oder Tiefe T. Eine Ladesäule im Sinne dieser Erfindung weist keinen Raum auf, der von einem Menschen betreten werden kann. Eine Ladesäule ist daher kein Container und auch kein Gebäude. Vielmehr weisen die erfindungsgemäßen Ladesäulen eine sehr kompakte Bauweise auf, bei der der Aufbau an das Stellmaß angepasst wird und nicht - wie beispielsweise bei Containerlösungen - die Standardgröße der Einhausung die äußeren Abmaße vorgibt. Bei der erfindungsgemäßen Ladesäule beträgt daher das Verhältnis von durch Bauteile und/oder die Luftführung zur Kühlung genutzem Volumen VN ZU umbautem Volumen VG 0,8 oder mehr (VNA/G > 0,8), bevorzugt 0,85 (VN/VG > 0,85) oder mehr und ebsonders bevorzugt 0,9 oder mehr (VNA/G > 0,9).

In einer Weiterbildung der Erfindung liefert die Energiekonversionsvorrichtung mehr als 50% der Gesamtladeleistung an elektrischer Energie eines Ladevorganges eines Elektrofahrzeugs, bevozugt liefert die Energiekonversionsvorrichtung mehr als 75% der Gesamtladeleistung an elektrischer Energie eines Ladevorganges eines Elektrofahrzeugs, besonder bevorzugt mehr als 90%. In einer optionalen Ausführungsform arbeitet die Ladesäule autark und die Energiekonversionsvorrichtung liefert 100% der Gesamtladeleistung an elektrischer Energie eines Ladevorganges eines Elektrofahrzeugs. In weiteren optionalen Ausbildung der Erfindung Methanol und/oder Ethanol in elektrische Energie konvertiert.

In einerweiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung ist das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Menge elektrischer Energie EA und der Menge der elektrischen Verlustenergie EV größer 1 (EK/(EA + EV)> 1).

Die Verlustenergie EV bezeichnet die - für technische Anlagen unvermeidliche - Differenz zwischen der während des Vorgangs der Energiekonversion erzeugten elektrischen Energie EK und der bei einer Energiekonversion abgegebenen Nutzenergie. Die Verlustenergie EV wird hauptsächlich als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. Insbesondere beinhaltet die Menge der elektrischen Verlustenergie EV nicht die zum Betrieb der Ladesäule benötigte, verbrauchte und/oder gespeicherte elektrische Energiemenge. Um diese Energieverluste EV zu kompensieren, kann eine Ladesäule mehr elektrische Energie als die für eine Aufladung tatsächlich benötigte erzeugen bzw. bereitstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert also nicht nur die Verlustenergie EV, die in jeder technischen Einrichtung vorhanden ist, sondern erzeugt während des Ladevorgangs deutlich mehr elektrische Energie EK, die gespeichert und für weitere Anwendungen, z.B. Vorgänge zur Aufladung von Elektrofahrzeugen, zur Verfügung steht.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Menge elektrischer Energie EA und der Menge der elektrischen Verlustenergie EV und zusätzlich der Menge der während des Ladevorgangs gespeicherten elektrischen Energie ES größer 1 (EK / (EA + EV + ES)> 1). Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert nicht nur die Verlustenergie EV, die in jeder technischen Einrichtung vorhanden ist, sondern erzeugt während des Ladevorgangs deutlich mehr elektrische Energie EK, die z.B. für den Betrieb der Ladesäule zur Verfügung steht. Die gespeicherte Energie ES kann sowohl für den Betrieb der Ladesäule als auch für weitere Vorgänge zur Aufladung von Elektrofahrzeugen verwendet werden und so die Ladezeit verkürzen. Die Speicherung der elektrischen Energie ES kann innerhalb oder außerhalb einer Ladesäule erfolgen. Als Speichermedien kommen Speicher z.B. für thermische (z.B. thermochemische Speicher), chemische (z.B. Elektrolyse), mechanische (z.B. Schwungrad) oder elektrische Energie (z.B. Kondensator) in Frage.

In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Speicherung der elektrischen Energie ES in einem elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher ist üblicherweise eine wiederaufladbare Batterie, z.B. ein Li-Ionen-Akku oder eine Säurebatterie. Ein derartiger Energiespeicher hat eine hohe Energiedichte, ist technisch ausgereift und verfügbar und benötigt je nach Energiegehalt (Kapazität) so wenig Platz, dass er in einer Ladesäule angeordnet werden kann.

In einerweiteren Ausbildung der Erfindung ist die Menge der mehrerzeugten Energie EM = EK - (EA + EV + ES) größergleich 1 kWh. Die mehrerzeugte Energie EM ist also deutlich höher als benötigt wird, um die Verlustenergie EV zu kompensieren sowie die Aufladung eines Elektrofahrzeugs und den Betrieb der Ladesäule zu gewährleisten. Die mehrerzeugte Energie EM wird im Wesentlichen sowohl für den Betrieb der Ladesäule als auch in einem Energiespeicher gespeichert und für weitere Ladevorgänge zur Aufladung von Elektrofahrzeugen verwendet. Durch die schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Energie wird daher die Ladezeit der folgenden Ladevorgänge verkürzt, da Energie zur Aufladung bereit steht bevor die Enrgiekonversionseinrichtung Ladung liefern kann .

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Menge der mehrerzeugten Energie EM = EK - (EA + EV + ES) kleinergleich 50 kWh. Die während des Ladevorgangs mehrerzeugte Energie EM wird sowohl für den Betrieb der Ladesäule als auch für weitere Vorgänge zur Aufladung von Elektrofahrzeugen verwendet und verkürzt daher die Ladezeit. Zur Begrenzung der Größe der für die Energieerzeugung erforderlichen Komponenten in der Ladesäule, insbesondere Energiekonversionvorrichtung und Energiespeicher, ist die Menge der mehrerzeugten Energie EM auf 50 kWh begrenzt. Dadurch werden Gewicht, Abmessungen und damit Kosten der Ladesäule begrenzt. In einerweiteren Gestaltung der Erfindung ist die Menge der gespeicherten elektrischen Energie ES größergleich 5 kWh. Die Menge der gespeicherten elektrischen Energie ES ist abhängig von der Kapazität des Energiespeichers. Es hat sich herausgestellt, dass zur weiteren Verwendung der gespeicherten elektrischen Energie ES eine Menge weniger 5 kWh nicht ausreichend ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Teil der mehrerzeugten elektrischen Energie EM an ein zweites, parallel zu ladendes Elektrofahrzeug abgegeben. Die zusätzliche, während des Vorgangs der Energiekonversion für den Ladevorgang erzeugte überschüssige Energie wird zur Aufladung eines weiteren Elektrofahrzeugs verwendet. Damit kann die Zeit des Ladevorgangs für dieses weitere zweite Elektrofahrzeug verkürzt werden, wenn nach erfolgter Aufladung eines ersten Elektrofahrzeugs die Energie EA in das zweite Elektrofahrzeug eingespeist wird, die Nennleistung der Ladesäule also für das zweite Elektrofahrzeug zur Verfügung steht, nachdem der Ladevorgang für das erste Elektrofahrzeug beendet ist.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung wird ein Teil der mehrerzeugten elektrischen Energie EM für den Betrieb der Ladesäule verwendet. Die Ladesäule wird also während des Ladevorgangs durch den Vorgang zur Energiekonversion autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig, die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Energiekonversion die Konversion eines flüssigen und/oder gasförmigen Energieträgers in elektrische Energie. Der Energieträger kann ein herkömmlicher Benzin- oder Dieselkraftstoff sein, bevorzugt wird jedoch ein Alkanol (Methanol, Ethanol und/oder ein Gemisch aus Methanol und Ethanol), der aus organischen Stoffen C02-neutral herstellbar ist und als Kraftstoff seit langem erprobt ist. Als Kraftstoff kommen auch verflüssigte oder komprimierte Gase, z.B. Erdgas oder Wasserstoff, in Frage. Die Vorrichtung zur Energiekonversion ist üblicherweise ein Verbrennungsmotor, möglich ist auch eine Brennstoffzelle, z.B. eine Methanol-betriebene Direct-Methanol-Fuel Cell oder eine mit Wasserstoff betriebene

Brennstoffzelle.

In einerweiteren Ausbildung der Erfindung wird der flüssige Energieträger in einem Tank in der Ladesäule gelagert. Die Lagerung des Tanks in der Ladesäule selbst verringert den Platzbedarf der Ladesäule. Der Tank ist je nach Art des verwendeten Energieträgers geeignet ausgelegt und korrosionsresistent gegenüber dem zum Einsatz kommenden Energieträger. Im Falle der Verwendung von verflüssigten oder komprimierten Gasen, z.B. Erdgas oder Wasserstoff, ist der Tank zusätzlich wärmeisoliert bzw. druckdicht. Der Tank kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Möglich ist auch eine Auslegung des Tanks als Wechseltank, mit dem die Versorgung der Ladesäule mit Kraftstoff einfacher und schneller möglich ist, indem der leere Tank gegen einen vollen Tank getauscht und extern wieder befüllt wird.

Die Aufgabe wird außerdem durch die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, gemäß Anspruch 12 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, weist eine Energiekonversionsvorrichtung sowie eine an die Energiekonversionsvorrichtung angeschlossene Generatoreinheit auf. An die Generatoreinheit ist ein Gleichrichter angeschlossen, der Gleichrichter ist wiederum über eine Stromleitung mit einem Anschluss für ein Ladekabel verbunden. Erfindungsgemäß ist ein Verbraucher und/oder ein Energiespeicher über eine Stromleitung an die Generatoreinheit angeschlossen. Die Stromleitung ist dafür geeignet und dafür vorgesehen, elektrische Energie zum Betrieb des Verbrauchers oder zur Speicherung der elektrischen Energie zu übertragen. Bei der Speicherung der Energie kann ein Ladegerät zwischen Generatoreinheit und Energiespeicher angeordnet werden.

Die erfindungsgemäße Ladesäule überträgt elektrische Energie auf den Verbraucher, z.B. in den Energiespeicher eines zu ladenden Elektrofahrzeugs oder auf eine Einrichtung der Ladesäule. Die Energieübertragung erfolgt durch eine Stromleitung zwischen Generatoreinheit und Verbraucher. Eine Stromleitung zwischen Generatoreinheit und Energiespeicher ermöglicht ebenfalls eine Speicherung der von der Generatoreinheit erzeugten elektrischen Energie. Die gespeicherte elektrische Energie kann ebenfalls für einen Verbraucher zur Verfügung stehen.

In weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Art der Energiegewinnung durch Energiekonversionsvorrichtung sie einzige Energiequelle, die elektrische Energie zur Versorgung eines Ladesvorganges bereitstellt. In einer optionalen Weiterbildung wird die elektrische Energie in einer Batterie zwischengespeichert. In weiteren optionalen Ausbildung der Erfindung ist die Energiequelle für die Energiekonversion Methanol und/oder Ethanol. Entsprechend ist die Energiekonversionsvorrichtung eine Energiekonversionsrichtung, die geeignet, dafür vorgesehen und dafür ausgelegt ist, Ethanol und/oder Methanol in elektrische Energie zu konvertieren.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist der Verbraucher eine Leistungseinheit und/oder eine HMI (Human-Machine-Interface)-Einheit auf. Mittels der HMI-Einheit werden die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten. Andere Bezahlsysteme sind ebenfalls möglich, z.B. über ein mobiles Endgerät (Smartphone). Die Leistungseinheit ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform (z.B. Gleich- oder Wechselspannung), die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die HMI-Einheit einen Bildschirm, eine Bedienungsvorrichtung, eine Sensoreinheit, eine Kommunikationseinheit und/oder eine Steuereinheit auf. Mittels des Bildschirms und der Bedienungsvorrichtung werden die für einen Nutzer wichtigen Daten, wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs, abgerufen und angezeigt. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Über die Kommunikationseinheit, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Verwaltungssytem oder einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule mit dem Betreiber der Ladesäule und/oder einer Mehrzahl von Ladesäulen verbunden. Durch Sensoren, z.B. einen Radarsensor, wird das zu ladende Elektrofahrzeug an dem der Ladesäule zugeordneten Stellplatz erfasst.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung an die Energiekonversionsvorrichtung angeschlossen. Die Stromleitung ist geeignet und dafür vorgesehen, elektrische Energie zum Start und/oder Betrieb der Energiekonversionsvorrichtung zu übertragen. Die Ladesäule wird daher durch die in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig; die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung an die HMI-/Leistungseinheit angeschlossen. Die Stromleitung ist geeignet und dafür vorgesehen, elektrische Energie zum Start, Standby und/oder Betrieb der HMI- /Leistungseinheit zu übertragen. Der Ruhezustand (Stand-by-Betrieb) der Ladesäule erfordert eine geringe Energiezufuhr der HMI-Einheit und der Leistungseinheit, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Diese Energiezufuhr erfolgt durch die Batterie. Start und Betrieb der HMI-Einheit und der Leistungseinheit erfolgen ebenfalls mit gespeicherter elektrischer Energie in der Batterie. Die Ladesäule wird daher durch die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig; die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einerweiteren Gestaltung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung an das Ladekabel angeschlossen. Die Stromleitung ist dafür geeignet und dafür vorgesehen, elektrische Energie zum Laden des Elektrofahrzeugs an das Ladekabel zu übertragen. io Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird durch das Ladekabel an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs geleitet und lädt so den Energiespeicher des Elektrofahrzeugs.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung an den Gleichrichter angeschlossen. Die Stromleitung ist dafür geeignet und dafür vorgesehen, elektrische Energie zur Konversion des Stroms an den Gleichrichter zu übertragen. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird als Gleichstrom an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs geleitet. Der Gleichrichter funktioniert insbesondere als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellt. Die erfindungsgemäße Ladesäule lädt also ein zu ladendes Elektrofahrzeug nicht nur mit der durch die Generatoreinheit erzeugten elektrischen Energie, sondern auch zusätzlich durch die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie. Dadurch wird die Ladedauer deutlich verkürzt. Alternativ kann parallel ein zweites Elektrofahrzeug geladen werden.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Batterie über einen Wechselrichter an den Gleichrichter angeschlossen. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird als Gleichstrom an den Wechselrichter geleitet, die den Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt. Der danach geschaltete Gleichrichter wandelt den Wechselstrom wieder in einen Gleichstrom. Wechselrichter und Gleichrichter funktionieren beide als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellen.

In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung an die Generatoreinheit angeschlossen. Die Stromleitung ist dafür geeignet und vorgesehen, die von der Generatoreinheit übertragene elektrische Energie in der Batterie zu speichern. Die gespeicherte Energie kann sowohl für den Betrieb der Ladesäule als auch für weitere Vorgänge zur Aufladung von Elektrofahrzeugen verwendet werden und so die Ladezeit verkürzen. Optional wird ein Ladegerät zwischen der Generatoreinheit und der Abtterie angeordnet.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Erzeugung und Abgabe von Ladestrom in einer Ladesäule für ein Elektrofahrzeug und der erfindungsgemäßen Ladesäule sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 : Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 2: Ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des

Ladevorgangs.

Fig. 3: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 4: Ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des Ladevorgangs.

Fig. 5: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 6: Ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des Ladevorgangs.

Fig. 7: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die erfindungsgemäße Ladesäule 1 hat in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen eine Nennleistung von 150 kW, d.h. ein Elektrofahrzeug kann mit 150 kW Ladeleistung geladen werden. In der Ladesäule 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch einen Verbrennungsmotor M erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist hier ein Kolben- Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 180 kW, möglich sind aber auch andere Bauformen wie z.B. Wankelmotor oder Turbine. Betrieben wird der Verbrennungsmotor M vorteilhafterweise mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Betriebsstoffe sind z.B. aus pflanzlichen Rohstoffen klimaneutral herstellbar, ihre Lagerung und Handhabung ist mit der Lagerung von herkömmlichem Benzin vergleichbar und benötigt daher keine außergewöhnlichen Sicherungsmaßnahmen für die sichere Lagerung und Transport. Ein derartiger Betriebsstoff hat typischerweise einen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i und ist die primäre Energiequelle. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in einem Tank T.

Der Verbrennungsmotor M treibt den Generator GE durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird also durch den Generator GE in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom. Der Generator GE erzeugt eine elektrische Leistung von ca. 165 kW. Der vom Generator GE erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt.

Die HMI-Einheit H weist eine Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf der die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten. Andere Bezahlsysteme sind ebenfalls möglich, z.B. über ein mobiles Endgerät (Smartphone).

Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom Generator GE während des Ladevorgangs aufgeladen. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb. Die Ladesäule 1 weist außerdem die Anschlussvorrichtung A für ein oder mehrere Ladekabel auf, mit dem ein zu ladendes Elektrofahrzeug geladen wird. Das Ladekabel weist außerdem eine Datenleitung auf, die eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit S und Elektrofahrzeug herstellt. Über die Datenleitung wird eine Kommunikation zur Batterie des zu ladenden Elektrofahrzeugs aufgebaut und die erforderlichen Daten wie Ladezustand, Ladespannung und Ladestrom abgefragt. Die Steuereinheit S stellt aufgrund dieser Daten die Parameter des Ladestroms ein. Über die Kommunikationseinheit K, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Verwaltungssystem oder alternativ mit einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule 1 mit dem Betreiber der Ladesäule 1 und einer Mehrzahl von Ladesäulen verbunden.

Alle diese hier genannten Komponenten der Ladesäule 1 - Tank T, Verbrennungsmotor M, Generator GE, Gleichrichter GR, Anschlussvorrichtung A, Batterie B, HMI-Einheit H, Kommunikationseinheit K, Steuereinheit S - sind vorteilhafterweise in der Ladesäule 1 selbst angeordnet. Dazu weist die Ladesäule 1 ein Gehäuse auf, das die Komponenten innerhalb der Ladesäule 1 vor Witterungseinflüssen und Beschädigungen schützt.

Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Diese Einheiten H, K, S werden dabei durch die Batterie B mit Energie versorgt. Die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H benötigen in diesem Ausführungsbeispiel für den Stand-By-Betrieb 70 W.

Der erste Initialvorgang wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Der erste Initialvorgang kann auch durch Sensoren, z.B. einen Radarsensor, registriert werden, der das zu ladende Elektrofahrzeug an dem der Ladesäule 1 zugeordneten Stellplatz erfasst. Möglich ist auch die Voranmeldung eines Nutzers durch ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone mit einer geeigneten App, das einen Ladevorgang zu einem im ersten Initialvorgang festgelegten Zeitfenster startet. Denkbar ist auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten zur Registrierung eines ersten Initialvorgangs.

Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Für den Start und Betrieb des Verbrennungsmotors M wird eine elektrische Leistung von 500 W benötigt, die von der Batterie B zur Verfügung gestellt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW.

Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK zu an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie EA ist erfindungsgemäß größer als 1, d.h. die Ladesäule 1 erzeugt mehr elektrische Energie, als an das Elektrofahrzeug abgegeben wird. Die mehrerzeugte elektrische Energieleistung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 30 kW, erfindungsgemäß sind zwischen 1 kWh und 50 kWh mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs vorgesehen. Diese Menge der mehrerzeugten Energie ist u.a. abhängig von der Dauer des Ladevorgangs bzw. von der Ladeleistung, mit der ein Elektrofahrzeug geladen wird.

Ein Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 2. Der Verbrennungsmotor M erzeugt eine Nennleistung von 180 kW, die an den Generator GE übertragen wird. Der Generator GE erzeugt eine elektrische Leistung von 170 kW. Von diesen 170 kW elektrischer Energieleistung wird 10 kW in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit weiteren 70 W der vom Generator GE erzeugten Energieleistung werden Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit Strom versorgt. In den Gleichrichter GR gelangen daher 160 kW (abzüglich 70 W für den Betrieb Steuereinheit S, Kommunikationseinheit K und HMI-Einheit H). Der vom Generator GE erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt.

Der vom Gleichrichter GE erzeugte Gleichstrom (rund 150 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W. Das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Menge elektrischer Energie EA ist vorteilhafterweise größer 1 (EK/EA > 1).

Die mehrerzeugte elektrische Energieleistung beträgt 30 kW, erfindungsgemäß sind zwischen 1 kWh und 50 kWh mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs vorgesehen. Diese Menge der mehrerzeugten Energie ist u.a. abhängig von der Dauer des Ladevorgangs bzw. von der Ladeleistung, mit der ein Elektrofahrzeug geladen wird. Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind.

Der erste Initialvorgang wird durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit rund 150 kW elektrischer Energieleistung versorgt. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die Ladesäule 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter WR auf. In der Ladesäule 1 wird die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch den Verbrennungsmotor M erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist ein Kolben-Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 180 kW, betrieben wird der Verbrennungsmotor M mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in dem Tank T.

Der Verbrennungsmotor M treibt den Generator GE durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird also durch den Generator GE in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom. Der Generator GE erzeugt eine elektrische Leistung von 180 kW. Der vom Generator GE erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt.

Die HMI-Einheit H weist die Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf der die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen.

Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom Generator GE während des Ladevorgangs aufgeladen. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb.

Die Ladesäule 1 weist außerdem die Anschlussvorrichtung A für ein oder mehrere Ladekabel auf, mit dem ein zu ladendes Elektrofahrzeug geladen wird. Das Ladekabel weist außerdem eine Datenleitung auf, die eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit S und Elektrofahrzeug herstellt. Über die Datenleitung wird eine Kommunikation zur Batterie des zu ladenden Elektrofahrzeugs aufgebaut und die erforderlichen Daten wie Ladezustand, Ladespannung und Ladestrom abgefragt. Die Steuereinheit S stellt aufgrund dieser Daten die Parameter des Ladestroms ein. Über die Kommunikationseinheit K, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule 1 mit dem Betreiber der Ladesäule 1 und einer Mehrzahl von Ladesäulen verbunden.

Die Batterie B ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Wechselrichter WR und dem Gleichrichter GR mit der Anschlussvorrichtung A für das Ladekabel verbunden. Während des Ladevorgangs funktionieren Wechselrichter GW und Gleichrichter GR als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule 1 einstellen. Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Diese Einheiten H, K, S werden dabei durch die Batterie B mit Energie versorgt. Die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H benötigen für den Stand-By-Betrieb 70 W.

Der erste Initialvorgang wird durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Für den Start und Betrieb des Verbrennungsmotors M wird eine elektrische Leistung von 500 W benötigt, die von der Batterie B zur Verfügung gestellt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung.

Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW.

Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt. Das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK zu an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie EA ist erfindungsgemäß größer als 1, d.h. die Ladesäule 1 erzeugt mehr elektrische Energie, als an das Elektrofahrzeug abgegeben wird. Die mehrerzeugte elektrische Energieleistung beträgt 30 kW, erfindungsgemäß sind zwischen 1 kWh und 50 kWh mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs vorgesehen. Diese Menge der mehrerzeugten Energie ist u.a. abhängig von der Dauer des Ladevorgangs bzw. von der Ladeleistung, mit der ein Elektrofahrzeug geladen wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 4. Primäre Energiequelle für den Ladevorgang ist der im Tank T gelagerte Kraftstoff (Methanol/Ethanol oder ein Gemisch von Methanol und Ethanol) mit einem angenommenen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i. Der Verbrennungsmotor M erzeugt eine Nennleistung von 180 kW, die an den Generator GE übertragen wird. Der Generator GE erzeugt eine elektrische Leistung von 180 kW. Von diesen 180 kW elektrischer Energieleistung wird 30 kW in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit weiteren 70 W der vom Generator GE erzeugten Energieleistung werden Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI- Einheit H mit Strom versorgt. In den Gleichrichter GR gelangen daher 150 kW (abzüglich 70 W für den Betrieb Steuereinheit S, Kommunikationseinheit K und HMI-Einheit H). Der vom Generator GE erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt.

Der vom Gleichrichter GE erzeugte Gleichstrom (rund 150 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W. Außerdem speist in diesem Ausführungsbeispiel die Batterie B mit 50 kW Stromleistung den Gleichrichter GR. Diese 50 kW Stromleistung werden als Gleichstrom zusätzlich zu den rund 150 kW der durch den Generator GE erzeugten Stromleistung ebenfalls an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs und/oder an ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug geleitet. Der Gleichrichter GR funktioniert insbesondere als Leistungseinheit. Aufgrund dieser vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ladedauer deutlich verkürzt. Das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebenen Menge elektrischer Energie EA ist vorteilhafterweise größer 1 (EK/EA > 1). Die mehrerzeugte elektrische Energieleistung beträgt 30 kW, erfindungsgemäß sind zwischen 1 kWh und 50 kWh mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs vorgesehen. Diese Menge der mehrerzeugten Energie ist u.a. abhängig von der Dauer des Ladevorgangs bzw. von der Ladeleistung, mit der ein Elektrofahrzeug geladen wird.

Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Der erste Initialvorgang wird durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit rund 150 kW elektrischer Energieleistung versorgt. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die Ladesäule 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Wechselrichter WR auf. In der Ladesäule 1 wird die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch den Verbrennungsmotor M erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist ein Kolben-Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 180 kW, betrieben wird der Verbrennungsmotor M mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in dem Tank T.

Die Batterie B ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Wechselrichter WR mit der Anschlussvorrichtung A für das Ladekabel verbunden. Während des Ladevorgangs fungiert der Wechselrichter GW als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellen. Ein erstes zu ladendes Elektrofahrzeug wird in diesem Ausführungsbeispiel mit rund 150 kW Gleichstrom geladen, ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug mit 50 kW Wechselstrom durch die Batterie B.

Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Diese Einheiten H, K, S werden dabei durch die Batterie B mit Energie versorgt. Die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H benötigen für den Stand-By-Betrieb 70 W. Der erste Initialvorgang wird durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Für den Start und Betrieb des Verbrennungsmotors M wird eine elektrische Leistung von 500 W benötigt, die von der Batterie B zur Verfügung gestellt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK zu an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie EA ist erfindungsgemäß größer als 1, d.h. die Ladesäule 1 erzeugt mehr elektrische Energie, als an das Elektrofahrzeug abgegeben wird. Die mehrerzeugte elektrische Energieleistung beträgt 30 kW, erfindungsgemäß sind zwischen 1 kWh und 50 kWh mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs vorgesehen. Diese Menge der mehrerzeugten Energie ist u.a. abhängig von der Dauer des Ladevorgangs bzw. von der Ladeleistung, mit der ein Elektrofahrzeug geladen wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 6. Primäre Energiequelle für den Ladevorgang ist der im Tank T gelagerte Kraftstoff (Methanol/Ethanol oder ein Gemisch von Methanol und Ethanol) mit einem angenommenen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i. Der Verbrennungsmotor M erzeugt eine Nennleistung von 180 kW, die an den Generator GE übertragen wird. Der Generator GE erzeugt eine elektrische Leistung von 180 kW. Von diesen 180 kW elektrischer Energieleistung wird 30 kW in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit weiteren 70 W der vom Generator GE erzeugten Energieleistung werden Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI- Einheit H mit Strom versorgt. In den Gleichrichter GR gelangen daher 150 kW (abzüglich 70 W für den Betrieb Steuereinheit S, Kommunikationseinheit K und HMI-Einheit H). Der vom Generator GE erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Der vom Gleichrichter GE erzeugte Gleichstrom (rund 150 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W.

Außerdem speist in diesem Ausführungsbeispiel die Batterie B mit 50 kW Stromleistung den Gleichrichter. Diese 50 kW Stromleistung werden als Gleichstrom zusätzlich zu den rund 150 kW der durch den Generator GE erzeugten Stromleistung ebenfalls an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs und/oder an ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug geleitet. Der Gleichrichter GR funktioniert insbesondere als Leistungseinheit. Aufgrund dieser vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ladedauer deutlich verkürzt.

Das Verhältnis der während des Ladevorgangs erzeugten Menge an elektrischer Energie EK zu der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebenen Menge elektrischer Energie EA ist vorteilhafterweise größer 1 (EK/EA > 1).

Vorteilhafterweise erzeugt die erfindungsgemäße Ladesäule 1 während des Ladevorgangs mehr elektrische Energie EK, als die an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Energiemenge EA. Diese mehrerzeugte Energie EK kompensiert nicht nur die Verlustenergie EV, die für alle technischen Anlagen unvermeidlich ist (EK/(EA + EV)> 1). Zusätzlich ist die mehrerzeugte Energie EK größer als die Summe der an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebene Menge elektrischer Energie EA, der Verlustenergie EV und der in der Batterie B gespeicherten Menge elektrischer Energie Es (EK / (EA + EV + ES)> 1). In allen hier vorgestellten Ausführungsbeispielen beträgt die mehrerzeugte Energie während des Ladevorgangs 50 kWh.

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die Ladesäule 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Gleichstromgenerator GGE sowie zwei Wechselrichter GW auf.

In der Ladesäule 1 wird die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch den Verbrennungsmotor M erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist ein Kolben- Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 180 kW, betrieben wird der Verbrennungsmotor M mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in dem Tank T.

Der Verbrennungsmotor M treibt den Generator GGE durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird durch den Generator GGE in elektrische Energie umgewandelt, in einen Gleichstrom. Der Generator GGE erzeugt eine elektrische Leistung von 180 kW. Der vom Generator GGE erzeugte Gleichstrom wird im Wechselrichter GW in einen Wechselstrom umgewandelt. Ein zu ladendes Elektrofahrzeug wird in diesem Ausführungsbeispiel also mit einem Wechselstrom geladen. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn das zu ladende Elektrofahrzeug über einen eingebauten Gleichrichter verfügt.

Die HMI-Einheit H weist die Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf der die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom Generator GGE über einen zweiten Wechselrichter GW während des Ladevorgangs aufgeladen.

Während des Ladevorgangs fungiert der Wechselrichter GW zwischen Generator GGE und Batterie B als Leistungseinheit, der Strom und Spannung des Ladestroms der Batterie B regelt. Üblicherweise sind dies 12 V oder 24 V bei weniger als 200 A, während der Ladestrom zur Aufladung des Elektrofahrzeugs 400 V bei maximal 500 A beträgt. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb.

Das Verfahren zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit einer Registrierung eines ersten Initialvorgangs. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Diese Einheiten H, K, S werden dabei durch die Batterie B mit Energie versorgt. Die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H benötigen für den Stand-By-Betrieb 70 W.

Der erste Initialvorgang wird durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug registriert, d.h. mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den ersten Initialvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Für den Start und Betrieb des Verbrennungsmotors M wird eine elektrische Leistung von 500 W benötigt, die von der Batterie B zur Verfügung gestellt wird. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE erzeugte elektrische Energie.

Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Ladesäule

H HMI-Einheit

GW Gleichstromwandler

GE Generator

S Steuereinheit

K Kommunikationseinheit

B Batterie/Akku

A Anschlussvorrichtung für Ladekabel

T Tankeinheit

GR Gleichrichter

WR Wechselrichter

GGE Gleichstrom-Generator

G Gehäuse

M Verbrennungsmotor

Claims

PATE N TAN S P RÜ C H E

1. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) mit den Verfahrensschritten

Registrieren eines ersten Initialvorganges für eine Aufladung eines Elektrofahrzeuges

Start eines Vorgangs zur Energiekonversion

Start eines Vorgangs zur Aufladung eines Elektrofahrzeuges

Beendigung des Vorgangs zur Energiekonversion

Beendigung des Vorgangs zur Aufladung eines Elektrofahrzeuges dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK ZU an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie E_A

EK/EA > 1 ist.

2. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom (100) für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK ZU an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie E_A und Menge der elektrischen Verlustenergie Ev

EK/(E_A + E_v)> 1 ist.

3. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von während des Ladevorganges erzeugter Menge an elektrischer Energie EK ZU der Summe von an das zu ladende Elektrofahrzeug abgegebener Menge elektrischer Energie EA, Menge der elektrischen Verlustenergie Ev und Menge der während des Ladevorgangs gespeicherten elektrischen Energie Es

EK/(E_A + Ev + E_s)> 1 ist.

4. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Energie Es in einem elektrischen Energiespeicher (B) erfolgt.

5. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mehrerzeugte elektrische Energie E_M größergleich 1 kWh ist.

6. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mehrerzeugte elektrische Energie E_M kleinergleich 50 kWh ist.

7. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte elektrische Energie Es größergleich 5 kWh ist.

8. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der mehrerzeugten elektrische Energie E_M an ein zweites, parallel zu ladendes Fahrzeug abgegeben wird.

9. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der mehrerzeugten elektrische Energie E_M für den Betrieb der Ladesäule (1) verwendet wird.

10. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug (10) in einer Ladesäule (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekonversion die Konversion eines flüssigen und/oder gasförmigen Energieträgers in elektrische Energie umfasst.

11. Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug (10) in einer Ladesäule (1) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Energieträger aus einem Tank (T) in der Ladesäule (1) verwendet wird.

12. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, umfassend eine Energiekonversionsvorrichtung (M) eine an die Energiekonversionsvorrichtung (M) angeschlossene

Generatoreinheit (GE) einen an die Generatoreinheit (GE) angeschlossenen Gleichrichter (GR) wobei der Gleichrichter (GR) über eine Stromleitung mit einem Anschluss für ein Ladekabel (A) verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbraucher und/oder ein Energiespeicher (B) über eine Stromleitung an die Generatoreinheit (GE) angeschlossen ist, wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, elektrische Energie zum Betrieb des Verbrauchers oder zur Speicherung der elektrischen Energie zu übertragen.

13. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher eine HMI-(H) und/oder Leistungseinheit umfasst.

14. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die HMI-Einheit (H) einen Bildschirm, eine Bedienungsvorrichtung, eine Sensoreinheit, Kommunikationseinheit (K) und/oder eine Steuerung (S) umfasst.

15. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) (der Stromspeicher, s. Anspruch 12) über eine Stromleitung an die Energiekonversionsvorrichtung (M) angeschlossen ist, wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, elektrische Energie zum Start und/oder Betrieb der Energiekonversionsvorrichtung (M) zu übertragen.

16. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) über eine Stromleitung an die HMI-/Leistungseinheit (H) angeschlossen ist, wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, elektrische Energie zum Start, Standby und/oder Betrieb der HMI-/Leistungseinheit (H) zu übertragen.

17. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) über eine Stromleitung an das Ladekabel (A) angeschlossen ist wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, elektrische Energie zum Laden des Elektrofahrzeugs an das Ladekabel (A) zu übertragen.

18. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) über eine Stromleitung an den Gleichrichter (GW) angeschlossen ist, wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, elektrische Energie zur Konversion des Stroms an den Gleichrichter (GW) zu übertragen.

19. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) über Wechselrichter (WR) an den Gleichrichter (GW) angeschlossen ist.

20. Ladesäule (1), die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) über eine Stromleitung an die Generatoreinheit (GE) angeschlossen ist, wobei die Stromleitung dafür geeignet und dafür vorgesehen ist, die von der Generatoreinheit (GE) übertragene elektrische Energie in der Batterie (B) zu speichern.