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DE102017115641A1 - Anlage zum Laden von Elektroautos - Google Patents

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DE102017115641A1
DE102017115641A1 DE102017115641.0A DE102017115641A DE102017115641A1 DE 102017115641 A1 DE102017115641 A1 DE 102017115641A1 DE 102017115641 A DE102017115641 A DE 102017115641A DE 102017115641 A1 DE102017115641 A1 DE 102017115641A1
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cooling
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Stefan Götz
Volker Reber
Manuel Groß
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Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung stellt eine Anlage zum Laden von Elektroautos mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Anlage (10) umfasst Ladesäulen (11), Gleichstromleitungen (12), Gleichrichter (13), Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14), eine Einphasen-Wechselstromleitung (15) und eine Kühlung (16); die Gleichstromleitungen (12) verbinden die Ladesäulen (11) elektrisch mit den Gleichrichtern (13); die Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14) verbinden die Gleichrichter (13) elektrisch mit einem Mittelspannungstransformator (56); und die Einphasen-Wechselstromleitung (15) verbindet den Mittelspannungstransformator (56) elektrisch mit der Kühlung (16).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Laden von Elektroautos.
  • Stand der Technik
  • Als Ladestation wird in der Elektrotechnik jedwede stationäre Vorrichtung oder elektrische Anlage bezeichnet, welche dazu dient, mobilen akkubetriebenen Geräten, Maschinen oder Kraftfahrzeugen durch einfaches Einstellen oder Einstecken Energie zuzuführen, ohne den Energiespeicher - etwa die Traktionsbatterie eines Elektroautos - entnehmen zu müssen. Ladestationen für Elektroautos werden mitunter auch als „Stromtankstellen“ bezeichnet und können mehrere Ladepunkte umfassen.
  • Bekannt sind hier insbesondere Gleichstrom-Schnellladesysteme wie das in Europa verbreitete sogenannte kombinierte Ladesystem (combined charging system, CCS). Beim gattungsmäßigen Gleichstromladen wird Gleichstrom aus der Ladesäule direkt in das Fahrzeug eingespeist und hierzu durch einen leistungsstarken Gleichrichter vom Stromnetz oder durch große Pufferakkumulatoren an Solartankstellen bereitgestellt. Im Fahrzeug befindet sich ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladesäule kommuniziert, um die Stromstärke anzupassen oder bei Erreichung einer Kapazitätsgrenze den Vorgang zu beenden.
  • Die Leistungselektronik befindet sich hierbei üblicherweise in der Ladesäule. Da die Gleichstromanschlüsse der Ladesäule direkt mit entsprechenden Anschlüssen der Traktionsbatterie verbunden werden, können verlustarm hohe Ladeströme übertragen werden, was kurze Ladezeiten ermöglicht, aber auch eine beträchtliche Abwärme erzeugt.
  • Bekannt sind ferner verschiedene Konzepte zur Kühlung von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge. DE102011082565A1 etwa offenbart ein elektrisches Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge, das auf eine Integrierung des Batteriemoduls in den fahrzeugseitigen Kühl-/Kältemittelkreislauf verzichtet, sodass nur über eine mechanische Schnittstelle bei Bedarf während eines Ladevorgangs ein Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und einem externen Kühlsystem stattfindet. Eine am externen Kühlsystem angebrachte Kontaktfläche, die als Einzelteil eine zweite Hälfte des Wärmetauschers darstellt, soll dazu beitragen, dass das externe Kühlsystem als Teil einer Ladeinfrastruktur besser genutzt werden kann, wobei eine Vielzahl von Fahrzeugen bedienbar ist.
  • US2014322570A betrifft eine Batterievorrichtung mit einer Batterie, die mit externer elektrischer Leistung geladen wird, eine ladungsbezogene Vorrichtung mit einer Ladevorrichtung, die zum Laden der Batterie verwendet wird, und eine Kühlmittelvorrichtung, die zum Einbringen eines Kühlmittels zum Kühlen der Batterie und der Ladevorrichtung in die Batterievorrichtung und die ladungsbezogene Vorrichtung dient. Die erste Kühlmittelvorrichtung soll ein Umschalten zwischen einem ersten Zustand, in dem das Kühlmittel in die Batterievorrichtung eingebracht wird, und einem zweiten Zustand, in dem das Kühlmittel in die ladungsbezogene Vorrichtung eingebracht wird, ermöglichen.
  • FR2978702A , US2009256523A und US2011111269A erörtern weitere Systemkühlungskonzepte.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine Anlage zum Laden von Elektroautos gemäß Anspruch 1 bereit.
  • Ein Vorzug dieser Lösung liegt in ihrer zentralisierten Flüssigkeitskühlung, welche die geometrische und funktionale Anordnung von Bauteilen und unterschiedlichen Ausstattungsvarianten auf kleinstem Bauraum (packaging) maßgeblich erleichtert. Die Erfindung ermöglicht somit eine hochgradig skalierbare Leistung und flexible Positionierung vor Ort sowie eine beträchtliche Kostenersparnis bei der Installation und im Einsatz.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann durch geräuscharme und schlanke Ladeausgänge im Benutzerinteraktionsbereich eine hohe Benutzerakzeptanz erreicht werden. Hinsichtlich Verfügbarkeit und Redundanz bleibt eine entsprechende Ausführungsform dabei nicht hinter konventionellen Lösungen zurück und vermag diese im Einzelfall sogar zu verbessern.
  • Weitere technische Vorteile des erfindungsgemäßen Konzeptes umfassen die Skalierbarkeit der Kühlleistung, die bis zu sechs Ladesäulen pro Kühlung erlaubt, sowie der durch den Einsatz einfacher Wärmetauscher verminderte Platzbedarf der Ladesäulen selbst.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
    • 1 zeigt einen Überblick des vorgeschlagenen Systems und dessen Verkabelung.
    • 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Kühlkonzept.
    • 3 zeigt eine Ansicht der Kühlung aus einem ersten Blickwinkel.
    • 4 zeigt eine Ansicht der Kühlung aus einem zweiten Blickwinkel.
    • 5 zeigt eine teiltransparente Ansicht der Kühlung gemäß 3 und 4.
    • 6 zeigt den perspektivischen Teilschnitt eines Kühlmoduls.
    • 7 zeigt eine Rückansicht des Moduls.
    • 8 zeigt eine Seitenansicht des Moduls.
    • 9 zeigt eine Vorderansicht des Moduls.
    • 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Moduls.
    • 11 zeigt eine Ansicht des Moduls von unten.
    • 12 zeigt den Teilschnitt einer Ladesäule.
    • 13 zeigt eine teiltransparente Ansicht der Ladesäule gemäß 12.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage (10) mit Ladesäulen (11), Gleichstromleitungen (12), Gleichrichtern (13), Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14), einer Einphasen-Wechselstromleitung (15) sowie einer zentralen Kühlung (16). Die beispielsweise für 800 V ausgelegten Gleichstromleitungen (12) verbinden die Ladesäulen (11) hierbei mit den Gleichrichtern (13), die ihrerseits - etwa mit einer Spannung von 480 V - über die Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14) von einem Mittelspannungstransformator (56) mit Schaltfeld gespeist werden. Letzterer wiederum ist zudem mittels einer herkömmlichen Einphasen-Wechselstromleitung (15) mit der Kühlung (16) verbunden und versorgt diese mit einer haushaltsüblichen Niederspannung. Fluidtechnisch umfasst die Anlage (10) dabei einen gemeinsamen Primärkühlkreislauf (47), der die Ladesäulen (11), Gleichrichter (13) und Kühlung (16) über einen von letzterer zu den Ladesäulen (11) führenden Vorlauf (18) und einen von den Gleichrichtern (13) zu der Kühlung (16) führenden Rücklauf (17) verbindet.
  • 2 verdeutlicht den Aufbau dieser Kühlung (16) anhand eines Blockschaltbildes. Erkennbar werden hier mehrere Module (19), die jeweils ein Gebläse (20), einen Tank (21), eine Pumpe (22) sowie einen Kühlmitteleintritt (27) und einen Kühlmittelaustritt (28) umfassen, welche das jeweilige Modul (19) fluidisch mit den Gleichrichtern (13) beziehungsweise Ladesäulen (11) verbinden. Ein zwischen Pumpe (22) und Kühlmittelaustritt (28) angeordnetes Manometer (29) erlaubt dabei eine präzise Druckregelung.
  • Während die 3 und 4 die solchermaßen modular aufgebaute Kühlung (16) aus der Sicht eines Nutzers in ihrem geschlossenen Zustand wiedergeben, gewährt die teiltransparente Darstellung gemäß 5 einen Einblick in ihr Gehäuse. Dieses beherbergt mindestens ein Modul (19) und lässt dessen Schaltkasten (23) mit Hauptschalter (24) sowie Griffe (25) und einen elektrischen Anschlusskasten (26) erkennen, der ebenso wie der Schaltkasten (23) gut zugänglich und somit wartungsfreundlich zwischen den beiderseitigen Griffen (25) angeordnet ist.
  • Die 6 bis 11 beleuchten aus verschiedenen Blickwinkeln die baulichen Merkmale des Modules (19) selbst. Dessen Gebläse (20) ist, wie insbesondere 11 verdeutlicht, derart innerhalb des Modules (19) angeordnet, dass dessen Lufteintritt (31) und Luftaustritt (32) zueinander rechtwinklig stehen. Die 7 bis 9 lassen ferner einen bodennahen Überlauf (30) für Ausdehnungsgefäß und Kondenswasser erkennen.
  • 12 illustriert den Aufbau einer Ladesäule (11), die ihrerseits einen Sekundärkühlkreislauf (33), eine weitere Pumpe (34), einen Wärmetauscher (35), eine Niederspannungsversorgung (36) und einen Ausgleichsbehälter (46) umfasst. Der mit Öl, Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) oder anderweitigem nichtwässrigen Kühlmittel befüllte Sekundärkühlkreislauf (33) verbindet hierbei die von der Niederspannungsversorgung (36) gespeiste Pumpe (34) fluidisch mit dem Ausgleichsbehälter (46) und dem Wärmetauscher (35), der wiederum den Primärkühlkreislauf (47) thermisch mit dem Sekundärkühlkreislauf (33) koppelt. Abbildungsgemäß weist die Ladesäule (11) ferner eine Ladesteuereinheit (37), einen Energiezähler (38) zum Messen des Gleichstromverbrauches, einen Stromfühler (39), einen Spannungsfühler (48), zwei Hochspannungsklemmen (40, 43), eine Kabelverschraubung (44) und Gleichspannungskabel (45) auf, welche die erste Hochspannungsklemme (40) über die Ladesteuereinheit (37), den Energiezähler (38), den Stromfühler (39) und den Spannungsfühler (48) mit der zweiten Hochspannungsklemme (43) verbinden und ihrerseits durch die Kabelverschraubung (44) aneinander fixiert sind. Ein oberer Anschlussbereich beherbergt hierbei die zweite Hochspannungsklemme (43), während ein unmittelbar über dem Stahlsockel (41) der Ladesäule (11) befindlicher unterer Anschlussbereich derselben die erste Hochspannungsklemme (40) aufweist.
  • 13 richtet die Aufmerksamkeit des Betrachters auf das äußere Erscheinungsbild der Ladesäule (11), deren als Aluminium-Strangpressprofil hergestelltes Gehäuse (55) von einem Kabelführungsrahmen (50) in Gestalt einer Aluminiumverbundplatte umrahmt wird. Von außen zugänglich sind somit lediglich ihr CCS-Ladestecker (54), ein diesem benachbarter Not-Ausschalter (53) sowie eine 25,4-cm-Anzeige (51), die von einer Schwarzglasscheibe getragen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011082565 A1 [0005]
    • US 2014322570 A [0006]
    • FR 2978702 A [0007]
    • US 2009256523 A [0007]
    • US 2011111269 A [0007]

Claims (10)

  1. Anlage (10) zum Laden von Elektroautos, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Anlage (10) umfasst Ladesäulen (11), Gleichstromleitungen (12), Gleichrichter (13), Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14), eine Einphasen-Wechselstromleitung (15) und eine Kühlung (16), - die Gleichstromleitungen (12) verbinden die Ladesäulen (11) elektrisch mit den Gleichrichtern (13), - die Dreiphasen-Wechselstromleitungen (14) verbinden die Gleichrichter (13) elektrisch mit einem Mittelspannungstransformator (56) und - die Einphasen-Wechselstromleitung (15) verbindet den Mittelspannungstransformator (56) elektrisch mit der Kühlung (16).
  2. Anlage (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Anlage (10) umfasst einen gemeinsamen Primärkühlkreislauf (47) und - der Primärkühlkreislauf (47) verbindet die Ladesäulen (11), die Gleichrichter (13) und die Kühlung (16) fluidisch über einen Vorlauf (18) von der Kühlung (16) zu den Ladesäulen (11) und einen Rücklauf (17) von den Gleichrichtern (13) zu der Kühlung (16).
  3. Anlage (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kühlung (16) umfasst mehrere Module (19), - jedes Modul (19) umfasst ein Gebläse (20), einen Tank (21), eine Pumpe (22), einen Kühlmitteleintritt (27) und einen Kühlmittelaustritt (28), - der Kühlmitteleintritt (27) verbindet das jeweilige Modul (19) fluidisch mit den Gleichrichtern (13) und - der Kühlmittelaustritt (28) verbindet das jeweilige Modul (19) fluidisch mit den Ladesäulen (11).
  4. Anlage (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jedes Modul (19) umfasst ferner einen Schaltkasten (23) mit einem Hauptschalter (24), Griffe (25) und einen elektrischen Anschlusskasten (26) und - der Schaltkasten (23) und der Anschlusskasten (26) sind zwischen den Griffen (25) angeordnet.
  5. Anlage (10) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jedes Modul (19) weist einen Lufteintritt (31) und einen Luftaustritt (32) auf und - das Gebläse (20) ist derart innerhalb des Modules (19) angeordnet, dass der Lufteintritt (31) und der Luftaustritt (32) zueinander rechtwinklig stehen.
  6. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jede Ladesäule (11) umfasst einen Sekundärkühlkreislauf (33), eine weitere Pumpe (34), einen Wärmetauscher (35), eine Niederspannungsversorgung (36) und einen Ausgleichsbehälter (46), - der Sekundärkühlkreislauf (33) verbindet die weitere Pumpe (34) fluidisch mit dem Wärmetauscher (35) und dem Ausgleichsbehälter (46), - der Wärmetauscher (35) verbindet den Primärkühlkreislauf (47) thermisch mit dem Sekundärkühlkreislauf (33) und - die weitere Pumpe (34) ist elektrisch mit der Niederspannungsversorgung (36) verbunden.
  7. Anlage (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jede Ladesäule (11) umfasst eine Ladesteuereinheit (37), einen Energiezähler (38), einen Stromfühler (39), einen Spannungsfühler (48), eine erste Hochspannungsklemme (40), eine zweite Hochspannungsklemme (43), eine Kabelverschraubung (44) und Gleichspannungskabel (45) - die Gleichspannungskabel (45) verbinden die erste Hochspannungsklemme (40) über die Ladesteuereinheit (37), den Energiezähler (38), den Stromfühler (39) und den Spannungsfühler (48) mit der zweiten Hochspannungsklemme (43) und - die Kabelverschraubung (44) verbindet die Gleichspannungskabel (45) miteinander.
  8. Anlage (10) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jede Ladesäule (11) umfasst einen Sockel (41), einen oberen Anschlussbereich (42) und einen unteren Anschlussbereich (49), - die erste Hochspannungsklemme (40) ist im unteren Anschlussbereich (49) angeordnet, - die zweite Hochspannungsklemme (43) ist im oberen Anschlussbereich (42) angeordnet und - der Sockel (41) ist dem unteren Anschlussbereich (49) benachbart.
  9. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - jede Ladesäule (11) umfasst einen Kabelführungsrahmen (50), eine Anzeige (51), eine Schwarzglasscheibe, einen Not-Ausschalter (53), einen Ladestecker (54) und ein Gehäuse (55), - der Kabelführungsrahmen (50) umrahmt das Gehäuse (55) und die Schwarzglasscheibe und - die Schwarzglasscheibe trägt die Anzeige (51).
  10. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Sekundärkühlkreislauf (33) umfasst ein nichtwässriges Kühlmittel und - das Kühlmittel enthält Öl oder ein synthetisches Fluid, vorzugsweise Fluorchlorkohlenwasserstoff.
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