DE102017007213A1

DE102017007213A1 - Mobile Ladestation

Info

Publication number: DE102017007213A1
Application number: DE102017007213.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Matthias Maisch; Ralf Nüßle; Holger Richter; Volker Schempp; Jens Sternemann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-07-29
Filing date: 2017-07-29
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mobile Ladestation (1) zum elektrischen Laden von Batterien (9) in Fahrzeugen (7), mit wenigstens einem Brennstoffzellensystem (12) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung. Die erfindungsgemäße Ladestation ist gekennzeichnet durch Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung für das wenigstens eine Fahrzeug (7), dessen Batterien (9) geladen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Ladestation zum elektrischen Laden von Batterien in einem Fahrzeug, mit wenigstens einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung der elektrischen Leistung.
Ein Problem beim Durchbruch der Elektromobilität bzw. eine Einschränkung bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen besteht darin, dass nicht überall eine entsprechende Ladeinfrastruktur bereitsteht. Dies rührt zum einen daher, dass der bauliche Aufwand mit Kosten verbunden ist und zum anderen daher, dass an vielen Orten aufgrund der Infrastruktur eine Installation der entsprechenden Leistungen für eine Vielzahl von Orten bzw. Ladepunkten schlicht nicht möglich ist. Des Weiteren besteht das Problem, dass zum Beispiel vor allem in Großstädten die Fahrzeuge in Wohngebieten nachts bzw. bei Nichtnutzung nicht geladen werden können, da die Besitzer nicht über eigene Garagen oder Stellplätze verfügen und eine Installation von einer Vielzahl von Lademöglichkeiten mit entsprechender Leistung nicht ohne weiteres möglich ist. Ein weiteres Problem ist, dass Fahrzeuge zum Beispiel bei Großereignissen, wie Konzerten oder Festivals, auf freien Flächen geparkt werden, wo keine Ladeinfrastruktur besteht. Die Fahrzeuge können dann trotz langer Parkzeit nicht nachgeladen werden, was ein weiteres Problem für den Durchbruch der Elektromobilität darstellt.
Ein weiteres Problem kann auch darin bestehen, dass selbst bei vorhandenen Ladesäulen, zum Beispiel an Autobahnraststätten, diese in Spitzenzeiten des Reiseverkehrs nicht ausreichen. Insbesondere in solchen Situationen kann es außerdem zu Problemen mit der Stabilität des elektrischen Netzwerks kommen, wenn die Möglichkeit der Entnahme von elektrischer Leistung nicht mehr gegeben ist, da aufgrund einer Vielzahl von Ladesäulen, welche direkt am Stromnetz hängen, diese mit einer sehr großen Leistung gleichzeitig betrieben werden, was die Stabilität des Stromnetzes nachteilig beeinflusst.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind fest verbaute Ladesäulen unterschiedlicher Leistungsstärke bekannt. Nachteilig sind dabei die Installation und der Anschluss an entsprechende Leistungen, welcher mit Aufwand und Kosten verbunden ist und welcher insbesondere nicht überall problemlos möglich ist.
Aus dem Stand der Technik in Form der DE 20 2010 011 567 U1 ist eine transportable Stromtankstelle aus mehreren Räumen bekannt, welche als modulares System beispielsweise aus Beton aufgebaut ist. Eine solche transportable Stromtankstelle kann bei Bedarf an einer entsprechenden Stelle positioniert werden. Über ein Brennstoffzellenmodul wird dann die elektrische Leistung bereitgestellt, sodass die transportable Stromtankstelle unabhängig vom Anschluss an ein Stromnetz ist. Der Nachteil besteht insbesondere in dem relativ großen Aufbau eines transportablen Stationsgebäudes, vorzugsweise aus Beton, was die Mobilität entsprechend einschränkt und allenfalls die Bereitstellung, beispielsweise in der Art eines Blockheizkraftwerks, wie es aus dem Bereich der Nahenergieversorgung bekannt ist, ermöglicht.
Die WO 2017/28616 A1 beschreibt eine mobile Ladestation, welche ebenfalls mit einer Brennstoffzelle arbeitet. Sie nutzt als Ausgangsmaterialien Methanol und Wasser und stellt hieraus ein wasserstoffhaltiges Gas über eine sogenannte Heißdampfreformierung her. Der Aufbau mit einem solchen Reformer ist relativ aufwändig und energieintensiv. Darüber hinaus ist es so, dass im Bereich der mobilen Ladestation unerwünschte Emissionen entstehen, da immer Reste des Methanols vorhanden sind, welche entsprechend an die Umgebung abgegeben und/oder nachverbrannt werden müssen.
Zu weiteren Einzelaspekten kann außerdem auf weiteren Stand der Technik verwiesen werden. So ist zum Thema der Reformierung, insbesondere der autothermen Reformierung, beispielsweise die DE 103 09 794 A1 bekannt. Zur Thematik der Rückgewinnung und Aufbereitung von Wasser sowie der Nutzung von Restwärme in diesem Wasser des Brennstoffzellensystems kann, hier in einer Fahrzeuganwendung, auf die DE 10 2014 002 042 A1 verwiesen werden.
Die DE 10 2014 006 960 A1 beschäftigt sich mit einem selbstfahrenden Energieversorgungsgerät als mobile Ladestation, nicht jedoch für ein Fahrzeug. Dieses funktioniert ausschließlich über Stromspeicher, sodass anders als im eingangs genannten Stand der Technik keine Brennstoffzelle vorhanden ist. Allerdings bietet das selbstfahrende Energieversorgungsgerät die Möglichkeit, dass es nach Anforderung zu einem zu ladenden Elektrowerkzeug fährt und dieses entsprechend lädt. Der gesamte Ablauf kann dabei die Anforderung des selbstfahrenden mobilen Energieversorgungsgeräts, die Transferierung der Energie und ähnliches enthalten. Ein ähnliches System für Elektrofahrzeuge ist außerdem in der WO 2016/192123 A1 beschrieben.
Abschließend kann hinsichtlich der Verwendung von Roboterarmen, um Ladekabel an ein Fahrzeug zu bewegen, außerdem auf die DE 10 2015 213 160 A1 hingewiesen werden, welche einen Roboter zeigt, welcher innerhalb einer Stromtankstelle das Ladekabel automatisiert zu den zu ladenden Fahrzeugen fährt.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann auf die Kühlung eines Teils eines Fahrzeugs über eine Kühlmasse, wie beispielsweise Trockeneis, auf die DE 10 2015 207 514 A1 hingewiesen werden.
Wünschenswert wäre nun eine mobile Ladestation zum elektrischen Laden von Batterien in einem Fahrzeug, welche das Laden der Batterie möglichst ohne Emissionen, wie beispielsweise Kohlendioxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe, ermöglicht und welche darüber hinaus auch den Anfall von Lärm verhindert oder zumindest reduziert, um so die Möglichkeit des Nachladens auch nachts beispielsweise in Wohngebieten größerer Städte mit minimaler Geräuschbelastung für die Anwohner zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine mobile Ladestation zum elektrischen Laden von Batterien in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, welche ferner die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der mobilen Ladestation ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße mobile Ladestation zum elektrischen Laden von Batterien in Fahrzeugen umfasst wenigstens ein Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung der elektrischen Leistung, welche zum Laden eines oder insbesondere mehrerer Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridfahrzeugen benötigt wird. Die mobile Ladestation gemäß der Erfindung umfasst ferner Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung für das wenigstens eine elektrische Fahrzeug, dessen Batterien geladen werden. Wie eingangs bereits erwähnt, ist das Laden von elektrischen Batterien in Fahrzeugen mit einer entsprechend hohen Wärmeentwicklung in dem Fahrzeug bzw. seiner Batterie verbunden. Typischerweise wird diese beim Laden anfallende Abwärme über das fahrzeugeigene Kühlsystem in die Umgebung abgeführt. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann die Abwärme auch genutzt werden, um beispielsweise den Innenraum des Fahrzeugs zu heizen bzw. vorzuheizen, um so beispielsweise vereiste Scheiben abzutauen oder dergleichen. In diesem Fall muss keine oder nur eine sehr geringe Menge an Abwärme an die Umgebung abgeführt werden. Lärmemissionen, welche durch das Kühlsystem des Fahrzeugs verursacht werden, spielen dann keine bzw. lediglich eine untergeordnete Rolle.
In der Praxis ist es jedoch sehr häufig so, dass die Umgebungstemperaturen entsprechend warm sind. In diesem Fall muss die Abwärme in die Umgebung abgegeben werden, was, vor allem bei höheren Umgebungstemperaturen, einen erheblichen Durchsatz von Kühlluft durch das Kühlsystem des Fahrzeugs benötigt. In diesem sehr häufig auftretenden Anwendungsfall hat nun die mobile Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung den entscheidenden Vorteil, dass über sie Kühlleistung für das wenigstens eine elektrische Fahrzeug, dessen Batterien geladen werden, bereitgestellt werden kann. Ein solches Bereitstellen von zusätzlicher Kühlleistung über die mobile Ladestation kann dabei außerordentlich effizient und entsprechend leise erfolgen, da beispielsweise über die mobile Ladestation bereitgestellte Lüfter sehr viel größer gebaut werden können, als die Lüfter bzw. Gebläse in Fahrzeugen, sodass diese bei demselben Luftdurchsatz eine weitaus geringere Lärmemission verursachen. Auch die Bereitstellung von abgekühlter Luft oder Trockeneisnebel kann zusätzliche Kühlleistung ohne Lärmemissionen ermöglichen.
Die erfindungsgemäße mobile Ladestation ist somit in der Lage, neben der reinen elektrischen Aufladung der Batterie insbesondere auch die Möglichkeit zur Kühlung des Fahrzeugs und damit zur Unterstützung der Abfuhr der Abwärme, welche beim elektrischen Laden auftritt, zu ermöglichen. Dies macht die mobile Ladestation gemäß der Erfindung außerordentlich effizient und erlaubt es ihr, weitgehend emissionsfrei und leise ihre Funktion zu erfüllen.
Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee in der mobilen Ladestation wenigstens ein Druckgasspeicher für Wasserstoff als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, wobei dieser Druckgasspeicher insbesondere in einem Tankanhänger platziert sein kann. Über die Verwendung von in einem Druckgasspeicher gespeichertem Wasserstoff ist die Erzeugung der elektrischen Leistung über das Brennstoffzellensystem praktisch emissionsfrei möglich, sodass nicht nur Lärmemissionen reduziert werden können, sondern auch Emissionen von unerwünschten Stoffen wie beispielsweise Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen oder insbesondere Feinstaubpartikeln oder ähnlichem.
Die Verwendung von Druckgasspeichern in einem Anhänger oder zumindest die Anordnung von einigen der Druckgasspeicher für den Wasserstoff in einem Anhänger hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass der Anhänger sehr schnell und effizient gewechselt werden kann, wenn die Druckgasspeicher leer sind. Insbesondere in der Ausführung mit einem kleinen Druckgasbehälter im Bereich der eigentlichen mobilen Ladestation und weiteren größeren Druckgasspeichern im Bereich des Anhängers ist es möglich, die mobile Ladestation für eine gewisse Zeit weiter zu betreiben, während der Anhänger ausgetauscht wird, um einfach und effizient frischen Brennstoff zur Verfügung stellen zu können.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der mobilen Ladestation gemäß der Erfindung sieht es vor, dass die Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung über wenigstens einen Schwenkarm zu einer Kühlfläche des wenigstens einen Fahrzeugs, dessen Batterien geladen werden, führbar sind. Ein solcher Schwenkarm, vorzugsweise ein automatisiert angesteuerter Schwenkarm bzw. Roboterarm, ist in der Lage, besonders einfach und effizient die Mittel zur Bereitstellung von zusätzlicher Kühlleistung in den relevanten Bereich des Fahrzeugs, also in den Bereich seiner eigenen Kühlfläche, zu bringen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee können, wie oben bereits angedeutet, die Mittel ein Gebläse umfassen. Ein solches Gebläse bzw. ein Lüfter unterstützt die Durchströmung des Kühlers des Fahrzeugs mit Luft und verbessert so dessen Kühlleistung, das Gebläse bzw. der Lüfter der erfindungsgemäßen mobilen Ladeeinrichtung gemäß der beschriebenen Weiterbildung, kann dabei zusätzlich oder alternativ zu einem im Fahrzeug vorhandenen Standlüfter zum Einsatz kommen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee kann es ergänzend oder alternativ hierzu vorgesehen sein, dass die Mittel Medien wie Flüssigkeitsnebel, Trockeneisdampf und/oder ein abgekühltes gasförmiges Medium, wie insbesondere Luft, umfassen. Ein solches die Kühlleistung unterstützendes Medium, beispielsweise zerstäubte Flüssigkeit, welche insbesondere aus dem Produktwasser des Brennstoffzellensystems gewonnen werden kann, oder insbesondere Trockeneisdampf oder entsprechend abgekühlte bzw. heruntergekühlte Luft, deren Temperatur unterhalb der Temperatur der Luft in der Umgebung des Fahrzeugs, dessen Batterien geladen werden, liegt, können helfen, die Kühlleistung durch die mobile Ladeeinrichtung bereitzustellen, um so die Kühlung in dem Fahrzeug zu verbessern, ohne Lärmemissionen zu verursachen. Insbesondere die Zufuhr, beispielsweise von Trockeneisnebel über einen Schlauch, um den oben bereits angedeuteten Roboterarm bzw. Schwenkarm sowie gegebenenfalls ein kleines ergänzendes Gebläse, stellt ein sehr kaltes bewegtes Medium im Bereich der Kühlfläche des Fahrzeugs zur Verfügung, sodass die Kühlleistung des fahrzeugeigenen Kühlsystems stark angehoben werden kann, wodurch es möglich wird, die Abkühlung innerhalb des Fahrzeugs mit hoher Kühlleistung zu realisieren. Der Aufbau erlaubt dabei eine sehr effiziente Abkühlung, ohne dass nennenswerte Lärmemissionen verursacht werden.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Medien direkt verwendbar oder über ein Hilfsmedium mittels eines Wärmetauschers abkühlbar sind. Die Medien können also direkt verwendet werden, beispielsweise Trockeneisdampf oder Flüssigkeitsnebel, welcher beispielsweise am Austritt, vorzugsweise im Bereich des Schwenkarms, direkt durch Zerstäubung von Flüssigkeit entsteht. Hierbei sind verschiedene Zerstäubungsmöglichkeiten denkbar, beispielsweise eine von Luft umströmte Zerstäuberdüse, eine Düse, welche lediglich durch den Wasserdruck für eine Zerstäubung sorgt, oder auch andersartige Zerstäubungsmöglichkeiten, wie beispielsweise Ultraschallzerstäuber oder dergleichen. Alternativ dazu kann das Medium indirekt über einen Wärmetauscher abkühlbar sein, wozu ein Hilfsmedium vorhanden ist. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass in dem Fahrzeug Eis oder Eiswasser oder ein thermochemischer Speicherstoff vorgehalten wird, welcher im Wärmetausch zu einem entsprechenden gasförmigen Medium wie beispielsweise Luft steht und diese damit abkühlt, um so mittelbar für die Abkühlung des Mediums, hier also der Luft, dann wieder direkt verwendet werden kann, zu sorgen.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Medien oder Hilfsmedien in einem Medienspeicher bevorratet sind, wobei der Medienspeicher mit einer Wärmepumpe und/oder einem Kältemittelkreislauf in Verbindung steht. Über eine Wärmepumpe oder einen Kältemittelkreislauf kann innerhalb der mobilen Ladestation die Temperatur der Medien oder Hilfsmedien in einem Medienspeicher abgesenkt werden. Hierfür kann beispielsweise eine Wärmepumpe oder ein Kältemittelkreislauf, letztlich also eine Art „Klimaanlage“ eingesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, die Medien direkt, oder Hilfsmedien, über welche die Medien dann gekühlt werden können, entsprechend abzukühlen, um so immer eine ausreichende Kühlleistung für das wenigstens eine elektrische Fahrzeug, dessen Batterien geladen werden, bereitzustellen, wenn diese angefordert wird.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es dabei ferner vor, dass der Medienspeicher mit einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems gekoppelt ist. Auch das Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung der elektrischen Leistung zum Laden der Batterie verursacht eine gewisse Menge an Abwärme. Auch hier muss die Abwärme in die Umgebung abgeführt werden, was ebenfalls über hocheffiziente und geräuscharme Lüfter bzw. Gebläse erfolgen kann. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen kann jedoch zusätzlicher Kühlbedarf bestehen. Wenn dieser zumindest teilweise über die Medien oder Hilfsmedien in dem Medienspeicher gedeckt werden kann, ist dies ein entscheidender Vorteil, da es der Verringerung von Lärmemissionen innerhalb der mobilen Ladestation hilft.
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der mobilen Ladestation sieht es vor, dass diese selbstfahrend, insbesondere autonom selbstfahrend, ausgebildet ist. Anders als im eingangs genannten Stand der Technik ist es von besonderem Vorteil, wenn die mobile Ladestation nicht nur prinzipiell mobil ist, sondern wenn diese selbstfahrend ausgebildet ist. Eine solche selbstfahrende mobile Ladestation kann beispielsweise auf einem Lastkraftwagen montiert sein oder als eigenständig fahrende mobile Ladestation ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität bei möglichen Ortswechseln. Auf einem Lastwagen können beispielsweise mehrere einzelne Brennstoffzellensysteme in modularer Bauweise miteinander verbunden angeordnet sein, um so eine entsprechend hohe elektrische Leistung zur Verfügung stellen zu können, beispielsweise in dem zehn Brennstoffzellensysteme mit einer Nennleistung von jeweils 30 kW installiert werden.
Neben einer solchen Lösung mit hoher installierter elektrischer Leistung auf einem Lastkraftwagen wäre es prinzipiell auch denkbar, die mobile Ladestation entsprechend klein und damit sehr flexibel zu gestalten. Sie könnte beispielsweise als selbstfahrendes System ausgebildet sein, insbesondere als autonomes selbstfahrendes System. Die Ladestation könnte dann beispielsweise über eine entsprechende Applikation auf einem Smartphone oder einem anderen Smartdevice angefordert werden, sodass diese sich in die entsprechende gewünschte Position bewegt, und dort ein oder mehrere Fahrzeuge mit elektrischer Leistung zum Laden ihrer Batterien versorgt. Neben der Anforderung über eine entsprechende Anwendung bzw. App könnte auch die Erfassung der jeweils übertragenen elektrischen Leistung durch die Ladestation in der Anwendung entsprechend dokumentiert und durch eine Anbindung an ein mobiles Bezahlsystem direkt abgerechnet werden.
Besonders vorteilhaft für eine solche selbstfahrende, insbesondere autonom selbstfahrende, mobile Ladestation ist es dabei, wenn diese über einen Raupenantrieb und/oder Mecanum-Räder verfügt. Ein Raupenantrieb ermöglicht eine außerordentlich große Flexibilität bei der Bewegung der mobilen Ladestation, insbesondere da durch einen gegenläufigen Betrieb der Raupen praktisch auf der Stelle gewendet und in einem entsprechend scharfen Winkel abgebogen werden kann. Ergänzend oder alternativ zu einem solchen Raupenantrieb können sogenannte Mecanum-Räder eingesetzt werden. Das Mecanum-Rad ist ein Rad, welches omnidirektionale Fahrmanöver erlaubt ohne das eine mechanische Lenkung des Rades und damit eine entsprechend aufwendige Radaufhängung notwendig ist. Über den Umfang des Rades sind dabei mehrere drehbar gelagerte tonnenförmige Rollen, meistens in einem Winkel von 45° zur Achse des gesamten Rades, angebracht. Ausschließlich diese Rollen stellen den Kontakt zum Boden her. Die tonnenförmigen Rollen selbst haben damit keinen direkten Antrieb können sich jedoch frei um ihre schräge Lagerachse drehen. Das gesamte Mecanum-Rad selbst wird entsprechend angetrieben, beispielsweise vorwärts, rückwärts und/oder mit variabler Drehzahl. Bei vier unabhängig voneinander angesteuerten Rädern sind dann die oben erwähnten omnidirektionalen Fahrmanöver möglich. Es stellt einen entscheidenden Vorteil hinsichtlich der Beweglichkeit der mobilen Ladestation dar.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften und effizienten Ausbildung der erfindungsgemäßen Ladestation kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Ladekabel, für das wenigstens eine Fahrzeug, dessen Batterien aufgeladen werden sollen, über wenigstens einen Schwenkarm zu einer Ladebuchse des Fahrzeugs führbar ist. Die Verwendung eines Schwenkarms bzw. auch hier wieder eines automatisch gesteuerten Schwenkarms bzw. Roboterarms ist hier besonders einfach und effizient. Ausgehend von der mobilen Ladestation selbst kann der Anschluss des Ladekabels an das Fahrzeug erfolgen, sodass hier kein weiteres Zutun durch eine Person notwendig ist. Dies ermöglicht insbesondere das Laden einer Vielzahl von Fahrzeugen, welche beispielsweise in einem Wohngebiet entlang einer Straße abgestellt sind, während der Nacht. Nachdem eine erste Anzahl von Fahrzeugen, welche über die Ladekabel und Schwenkarme von der mobilen Ladestation gemäß der Erfindung aus erreichbar sind vollgeladen ist, kann die mobile Ladestation weiterfahren und weitere Fahrzeuge laden. Dies kann vollständig autonom erfolgen, da sowohl die Fahrt durch einen autonomen Vortrieb erfolgen kann, als auch über den Roboterarm das Anschließen der Ladekabel. Hierdurch wird es möglich, innerhalb einer Nacht eine Vielzahl von Fahrzeugen aufzuladen, welche nicht alle zwingend innerhalb der ursprünglichen Reichweite des Schwenkarms der mobilen Ladestation abgestellt sein müssen. Dies macht die mobile Ladestation gemäß der Erfindung in dieser Ausgestaltung besonders effizient, um beispielsweise in Großstädten, und hier insbesondere in Wohngebieten von Großstädten, in denen viele Personen nicht über einen eigenen Stellplatz und eine eigene Garage verfügen, Elektrofahrzeuge nachzuladen. Dies ist ein entscheidender Aspekt, welcher beim Durchbruch der Elektromobilität sehr hilfreich sein wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladestation ergeben sich ferner aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine mögliche Ausgestaltung einer mobilen Ladestation, welche ein zumindest teilweise batteriebetriebenes Fahrzeug nachlädt;
2 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform einer mobilen Ladestation gemäß der Erfindung;
3 eine schematische Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform einer mobilen Ladestation in einer alternativen Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems der erfindungsgemäßen Ladestation in einer ersten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems der erfindungsgemäßen Ladestation in einer zweiten Ausführungsform; und
6 eine Darstellung eines möglichen Kältekreislaufs zur Abkühlung von Medien oder Hilfsmedien zur Bereitstellung von Kühlleistung in der mobilen Ladestation.

In der Darstellung der 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine mobile Ladestation 1 zu erkennen. Diese mobile Ladestation kann mehrere Schwenkarme bzw. Gelenk- oder Roboterarme aufweisen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind es zwei Stück. Ein erster Roboterarm 2 trägt ein elektrisches Ladekabel 3, ein zweiter Roboterarm 4 trägt beispielsweise ein Gebläse 5 und kann außerdem über eine später noch erläuterte Leitung 6 zur Zufuhr von die Kühlleistung verbessernden Medien ausgestattet sein. Ein angedeutetes Fahrzeug 7 soll beispielsweise als Elektrofahrzeug oder Plug-In-Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es verfügt über eine Ladebuchse 8, zum Aufladen von innerhalb des Fahrzeugs lediglich angedeuteten Batterien 9, zur Bereitstellung zumindest eines Teils der Antriebsleistung für das Fahrzeug. Beim Laden der Batterien 9 fällt entsprechende Abwärme an. Diese wird über ein nicht näher dargestelltes fahrzeugeigenes Kühlsystem aufgenommen und über einen Fahrzeugkühler 10 in die Umgebung abgeführt.
Ein beispielhaftes Szenario zum elektrischen Laden der Batterien 9 des Fahrzeugs 7 ist dabei in der Darstellung der 1 angedeutet. Beispielsweise soll das Fahrzeug 7 innerhalb eines Wohngebiets in einer Großstadt abgestellt sein, und soll nachts nachgeladen werden. Die Großstadt kann beispielsweise in einer Region liegen, in der auch nachts die Temperaturen nicht sehr stark abfallen, sodass entsprechend hohe Umgebungstemperaturen von beispielsweise 20 oder 25° C herrschen sollen. Über den Roboterarm 2 wird das Ladekabel 3 zu der Ladebuchse 8 des Fahrzeugs 7 geführt und entsprechend mit dieser verbunden. Die von der mobilen Ladestation 1 bereitgestellte elektrische Leistung kann so genutzt werden, um die Batterien 9 des Fahrzeugs 7 zu laden. Typischerweise wird dabei eine relativ große Menge an Abwärme anfallen.
Insbesondere in der Nacht und in einem Wohngebiet führt dies zu einer höchst unerwünschten Lärmbelastung, da zur Abfuhr dieser Abwärme an die Umgebung ein hier nicht dargestellter Lüfter im Kühlsystem des Fahrzeugs 7 betrieben werden muss, um eine ausreichende Luftmenge durch den Fahrzeugkühler 10 zu drücken, sodass die erforderliche Kühlleistung bereitgestellt werden kann. Um dies zu vermeiden und damit die Lärmemission des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren, kann es nun vorgesehen sein, dass über den zweiten Roboterarm 4 ein Gebläse 5 in den Bereich des Fahrzeugkühlers 10 gebracht wird. Ein solches im Bereich der Ladestation 1 angeordnetes Gebläse kann in den meisten Fällen sehr viel effizienter und vor allem leiser den benötigten Kühlluftstrom zur Verfügung stellen, als das in Fahrzeugen verbaute Gebläse. Insbesondere ist es dadurch möglich, die erforderliche Kühlleistung mit weniger Lärmemissionen zur Verfügung zu stellen. Das Gesamtsystem ist also in der Lage, außerordentlich leise die Batterien 9 des Fahrzeugs 7 nachzuladen. Über die Medienleitung 6 kann nun außerdem ein Medium zur Verbesserung der Kühlleistung in den Bereich des Fahrzeugkühlers 10 gebracht werden. Ein solches Medium zur Verbesserung der Kühlleistung kann im einfachsten Fall abgekühlte Umgebungsluft sein, welche durch später noch erläuterte Maßnahmen auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 7 abgekühlt wird und so die zur Verfügung stehende Kühlleistung verbessert. Alternativen könnten hier auch andere Medien bieten, beispielsweise Trockeneisnebel, welcher eine entsprechend niedrige Temperatur aufweist und deshalb besonders gut geeignet ist, um die Kühlleistung im Bereich des Fahrzeugkühlers 10 zu erhöhen. Neben abgekühlter Luft und Trockeneisnebel sind auch andere geeignete Medien denkbar, beispielsweise andersartige abgekühlte Gasströme oder Flüssigkeitsnebel, insbesondere zerstäubte Wassertröpfchen, welche durch das Zerstäuben des beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems in der mobilen Ladestation 1 ohnehin anfallenden Produktwassers entsteht. All dies kann helfen, die Kühlleistung im Bereich des Fahrzeugkühlers 10 und damit die für das Fahrzeug 7 verfügbare Kühlleistung zur Abfuhr der Abwärme beim Laden der Batterie 9 des Fahrzeugs 7 zu verbessern.
Die hier gewählte Darstellung mit einer mobilen Ladestation 1, welche über die beiden Roboterarme 2, 4 verfügt, um damit ein Fahrzeug 7 laden zu können, ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Je nach Größe und Aufbau der mobilen Ladestation kann diese insbesondere über mehrere Roboterarme verfügen, um so mehrere Fahrzeuge gleichzeitig in der im Rahmen der 1 beschriebenen Art und Weise nachzuladen.
In der Darstellung der 2 ist eine schematische Seitenansicht einer selbstfahrenden mobilen Ladeeinrichtung, welche insbesondere autonom fahrend ausgebildet sein soll, gezeigt. Die mobile Ladeeinrichtung 1 zeigt dabei wieder die beiden Roboterarme 4, 2, welche prinzipmäßig im oberen Bereich angedeutet sind. Die mobile Ladeeinrichtung 1 umfasst ferner einen Raupenantrieb 11, welcher eine hochflexible Fortbewegung ermöglicht, da über einen solchen Raupenantrieb 11 eine extrem hohe Wendigkeit erzielt wird, und da kleinere Hindernisse wie Bordsteinkanten und dergleichen problemlos überfahren werden können. Ergänzend oder alternativ zu dem Raupenantrieb könnten auch Mecanum-Räder eingesetzt werden.
Zur Bereitstellung der elektrischen Leistung in der mobilen Ladeeinrichtung 1 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier einzelne jeweils mit 12 bezeichnete Brennstoffzellensysteme vorhanden. Dieser Aufbau mit mehreren kleineren Brennstoffzellensystemen 12, welche jeweils beispielsweise einen Nennleistung von 30 kW aufweisen können, ist besonders effizient, da je nach Bedarf an elektrischer Leistung eines oder mehrere der Brennstoffzellensysteme 12 betrieben werden können, und da insbesondere auf vorhandene Technologien zurückgegriffen werden kann, und kein großes Brennstoffzellensystem mit hoher Nennleistung extra für die mobile Ladeeinrichtung 1 entwickelt werden muss. In der mit 13 bezeichneten Box kann beispielsweise die Leistungs- und Steuerungselektronik angeordnet sein. Die mit 14 markierte Box stellt einen Sammelbehälter für das Produktwasser dar. Dieses beim Betrieb der Brennstoffzellen anfallende Produktwasser kann sinnvoll genutzt werden, beispielsweise nach einer Aufbereitung/Mineralisierung zur Bewässerung oder zur Verwendung als Grauwasser, beispielsweise zur Toilettenspülung oder dergleichen. Insbesondere in Großstädten kann dies ein entscheidender Vorteil sein, da zusätzlich Wasser zur Verfügung gestellt werden kann, und somit ein Teil des Wasserbedarfs nicht über die Wasserleitungen mit wertvollem Trinkwasser gedeckt werden muss.
Die mobile Ladestation 1 umfasst außerdem einen Druckgasspeicher 15 für den Wasserstoff, mit welchem die Brennstoffzellensysteme 12 betrieben werden. Solcher unter Druck gespeicherter Wasserstoff hat dabei den Vorteil, dass er weitgehend rein ist, sodass keine nennenswerten Emissionen in die Umgebung entstehen, wie dies beispielsweise bei Reformersystemen der Fall ist, welche Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Erdgas, Alkohole oder andere flüssige Brennstoffe umsetzen.
In der Darstellung der 2 ist außerdem einen Medienspeicher 16 zu erkennen. Im Bereich dieses Medienspeichers 16 können die Medien zur Bereitstellung der zusätzlichen Kühlleistung für das Fahrzeug 7 gespeichert werden. Alternativ dazu wäre es denkbar, hier entsprechende Hilfsmedien zu speichern, über welche das Medium zur Bereitstellung der Kühlleistung abgekühlt werden kann. Denkbare Beispiele wären hier Eiswasser, thermochemische Speichermaterialien oder dergleichen, welche dann über einen Wärmetauscher beispielsweise Luft sehr stark abkühlen, um diese über die Medienleitung 6 dem Fahrzeugkühler 10 zuzuführen.
Der Aufbau in der Darstellung der 3 entspricht im Wesentlichen dem in 2 bereits erläuterten Aufbau der mobilen Ladestation 1. Diese verfügt zusätzlich über einen Tankanhänger 17, welche über eine Anhängevorrichtung 18 und eine Wasserstoffleitung 19 mit der mobilen Ladestation 1 verbunden sind. Innerhalb des Tankanhängers 17 befinden sich weitere hier ebenfalls mit 15 bezeichnete Druckgasspeicher, in welchen Wasserstoff gespeichert ist. Der Wasserstoff kann beispielsweise bereits auf einem niederen Druckniveau über die Wasserstoffleitung 19 übertragen werden, sodass diese nicht dem Nenndruck der Druckgasspeicher von beispielsweise 70 MPa standhalten muss. Eine solche Niederdruckleitung, welche ein Druckniveau im Bereich von beispielsweise 50 bis 250 kPa aufweisen kann, kann sich dementsprechend flexibel gestalten. Sie kann insbesondere auf eine größere Länge ausziehbar realisiert sein, sodass die mobile Ladestation 1 als kleines autonom fahrbares Modul sich in eine zum Laden der Batterien 9 von einem oder mehreren Fahrzeugen 7 geeignete Position bringen kann, ohne den Tankanhänger 17 mitnehmen zu müssen. Hierfür kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Wasserstoffleitung 19 auf eine Länge von bis zu 20 Metern ausziehbar ist. Darüber hinaus kann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf den in 3 gezeigten aber nicht zwingend notwendigen Druckgasspeicher 15 in der mobilen Ladestation 1 verzichtet werden. Ist dieser dennoch vorhanden, dann kann der Betrieb der mobilen Ladestation 1 für eine gewisse Zeit auch aus diesem Druckgasspeicher erfolgen, was den Aufbau noch flexibler macht. Insbesondere ist es in dem gezeigten Aufbau möglich, durch ein Wechseln des Tankanhängers 17 die Ladestation 1 sehr einfach und effizient mit frischem Brennstoff zu versorgen, sodass eine Fahrt der mobilen Ladestation 1 zu einer Wasserstofftankstelle nicht zwingend notwendig ist, sondern dass die Tankanhänger 17 beispielsweise über einen Transporter oder dergleichen zu den mobilen Ladestationen 1 gebracht werden können, sodass diese über einen längeren Zeitraum hinweg einsatzfähig sind und die Funktionsausfälle in Zeiten, in denen Wasserstoff nachgeladen werden muss, vermieden oder zumindest reduziert werden können.
In der Darstellung der 3 ist der Tankanhänger 17 dabei ebenfalls mit einem Raupenantrieb 11 dargestellt. Dieser muss nicht selbst angetrieben sein, es ist jedoch von Vorteil, um auch hinsichtlich des Tankanhängers eine möglichst hohe Mobilität und einen entsprechend kleinen Wenderadius zu realisieren. Alternativ dazu wären hier selbstverständlich auch Räder oder dergleichen denkbar, da durch die entsprechend lang ausziehbare Wasserstoffleitung 19 eine Mobilität des Gespanns allein durch die hohe Flexibilität und Mobilität der Ladestation 1 gewährleistet werden kann.
In der Darstellung der 4 ist ein prinzipieller Kühlungsaufbau der mobilen Ladestation 1 gezeigt. In der Figur ist dabei ein mit 20 bezeichneter Brennstoffzellenstapel eines der Brennstoffzellensysteme 12 mit seinem typischerweise in den Brennstoffzellenstapel 20 integrierten Brennstoffzellen-Wärmetauscher 21 zu erkennen. Über einen Brennstoffzellenkühlkreislauf und ein darin umgewälztes Wärmeübertragermedium, welches mittels einer Brennstoffzellen-Kühlmittelpumpe 22 im Umlauf gehalten wird, wird die im Brennstoffzellen-Wärmetauscher 21 aufgenommene Abwärme in den Bereich eines Wärmeübertragers 23 gebracht. Durch diesen Wärmeübertrager 23 strömt ein Kühlmedium eines Kühlkreislaufs, welches über eine Kühlmedienpumpe 24 gefördert wird. Nach dem Wärmeübertrager 23 strömt dieses Kühlmedium in den Bereich eines Außenkühlers 25 und wird in dessen Bereich in die Umgebung der mobilen Ladestation 1 abgeführt. Hierfür können entsprechende Gebläse vorhanden sein. Da diese sich sehr viel effizienter bauen lassen, als Gebläse innerhalb des Fahrzeugs 7, sind die von ihnen ausgehenden Lärmemissionen relativ gering. In einem zuschaltbaren Teil dieses Kühlkreislaufs sitzt nun der bereits angesprochene Medienspeicher 16, sodass die in ihm enthaltenen Medien bei Bedarf ergänzend zum Kühlmedium in dem Kühlkreislauf umgepumpt werden können. In dem Kühlkreislauf ist außerdem ein weiterer optionaler Wärmetauscher 26 zu erkennen. Dieser wird von dem Kühlmedium einerseits und von dem in der Medienleitung 6 strömenden Medium andererseits durchströmt. Auf diese Art kann dieses Medium in der Medienleitung 6 entsprechend abgekühlt werden. Dadurch ist es möglich, Kühlleistung in der oben bereits beschriebenen Art und Weise im Bereich des Fahrzeugkühlers 10 zur Verfügung zu stellen. Ergänzend oder alternativ hierzu können die entsprechenden Medien aus dem Medienspeicher 16 auch direkt über die im Bereich des Medienspeichers 16 angedeutete Medienleitung 6 und das Ventil 27 in den Bereich des Fahrzeugkühlers 10 gebracht werden.
In der Darstellung der 5 ist ein alternativer Kühlungsaufbau zu erkennen. Anstelle des Wärmetauschers 26 und der direkten Zuführung der Medien aus dem Medienspeicher 16 befindet sich hier ein Wärmetauscher 26 zwischen dem Medienspeicher 16 und der wiederum über die Ventileinrichtung 27 schaltbaren Medienleitung 6, sodass hier mittelbar über die Hilfsmedien in dem Medienspeicher 16 das zur Kühlung eingesetzte Medium, beispielsweise Luft, abgekühlt wird. In der Praxis führt dies nun dazu, dass bei den Aufbauten gemäß 4 oder 5 entweder über die Medien aus dem Medienspeicher 16 direkt oder mittelbar beispielsweise abgekühlte Luft, Trockeneisdampf oder ähnliches, zur Verfügung gestellt wird. Dieser kann bei Bedarf nicht nur in den Bereich des Kühlers 10 des Fahrzeugs 7 gebracht werden, sondern kann bei Bedarf auch die Kühlung der Brennstoffzelle über den Wärmeübertrager 23 unterstützen. Hierdurch ist es möglich, die sowohl im Bereich der Brennstoffzellensysteme 12 als auch im Bereich der nachgeladenen Batterien 9 des Fahrzeugs 7 anfallende Abwärme effizient und insbesondere ohne nennenswerte Lärmemissionen abzuführen.
In der Darstellung der 6 ist eine Ergänzung zu dem Aufbau in den 4 und 5 zu erkennen. Der Medienspeicher 16 ist in diesem Fall mit einem Verdampfer 31 versehen und über einen Kältemittelkreislauf mit einem Kondensator 28 verbunden. Dieser Kondensator 28 kann insbesondere im Bereich des Behälters 14 für das Produktwasser angeordnet sein. Über einen Kältemittelverdichter 29 und ein Expansionsventil 30 wird in dem Verdampfer 31 eine Abkühlung erzielt. Der Verdampfer 31 befindet sich nun beispielsweise in dem Medienspeicher 16 und kann so die in dem Medienspeicher 16 gespeicherten Medien direkt abkühlen, sodass über sie entweder direkt oder indirekt, wie es oben beschrieben worden ist, die Kühlleistung für das Fahrzeug 7, dessen Batterien 9 nachgeladen werden, im Bereich seines Fahrzeugkühlers 10 zur Verfügung gestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010011567 U1 [0005]
WO 2017/28616 A1 [0006]
DE 10309794 A1 [0007]
DE 102014002042 A1 [0007]
DE 102014006960 A1 [0008]
WO 2016/192123 A1 [0008]
DE 102015213160 A1 [0009]
DE 102015207514 A1 [0010]

Claims

Mobile Ladestation (1) zum elektrischen Laden von Batterien (9) in Fahrzeugen (7), mit wenigstens einem Brennstoffzellensystem (12) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, gekennzeichnet durch Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung für das wenigstens eine Fahrzeug (7), dessen Batterien (9) geladen werden.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung über wenigstens einen Schwenkarm (4) zu einem Fahrzeugkühler (10) des Fahrzeugs (7), dessen Batterien (9) geladen werden, führbar sind.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bereitstellen von Kühlleistung ein Gebläse (5) umfassen.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Medien wie Flüssigkeitsnebel, Trockeneisdampf und/oder ein abgekühltes gasförmiges Medium, wie insbesondere Luft, umfassen.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien direkt verwendbar oder über Hilfsmedien mittels eines Wärmetauschers (26) abkühlbar sind.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien oder Hilfsmedien in einem Medienspeicher (16) bevorratet sind, wobei der Medienspeicher (16) mit einer Wärmepumpe und/oder einem Kältemittelkreislauf in Verbindung steht.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienspeicher (16) mit einem Kühlkreislauf zur zumindest mittelbaren Kühlung wenigstens einer Brennstoffzelle (20) gekoppelt ist.
Mobile Ladestation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine selbstfahrende, insbesondere eine autonome selbstfahrende, Ausbildung.
Mobile Ladestation (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstfahrende Funktion über einen Raupenantrieb (11) und/oder Mecanum-Räder realisiert ist.
Mobile Ladestation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Druckgasspeicher (15) für Wasserstoff als Brennstoff für das wenigstens eine Brennstoffzellensystem (12) vorgesehen ist, wobei wenigstens einer der Druckgasspeicher (15) in einem Tankanhänger (17) angeordnet ist.
Mobile Ladestation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ladekabel (3) über wenigstens einen Schwenkarm (2) zu einer Ladebuchse (8) des wenigstens einen Fahrzeugs (7), dessen Batterien (9) nachgeladen werden, führbar ist.