DE112012003109T5

DE112012003109T5 - System und Verfahren zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE112012003109T5
Application number: DE112012003109.1T
Authority: DE
Inventors: Christopher K. Dyer; Michael L. Epstein; Duncan Culver
Original assignee: Lightening Energy
Current assignee: Lightening Energy
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-07-10
Also published as: CA2842630C; US20130026998A1; US8587253B2; CN103828176A; US8174235B2; WO2013015925A1; CA2842630A1; US20120043943A1; CN103828176B

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem. Das Verfahren umfasst das Laden des Elektrofahrzeugs über einen ersten Zeitraum mit einem ersten elektrischen Strom und das Laden des Elektrofahrzeugs über einen zweiten Zeitraum, der kürzer als der erste Zeitraum ist und mit einem zweiten elektrischen Strom erfolgt, der höher als der erste elektrische Strom ist. Das Laden umfasst die Zuführung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug, um die Elektrobatterie während des zweiten Ladevorgangs zu kühlen. Weitere Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Elektrofahrzeuge und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Weiterentwicklung von reinen Elektrofahrzeugen – also Fahrzeugen, die ausschließlich batterieelektrisch betrieben werden, im Gegensatz zu den zusätzlich mit Verbrennungsmotoren ausgestatteten Hybridelektrofahrzeugen – ist durch vielfältige Hürden behindert, zumal, wenn die entwickelten Elektrofahrzeuge auf einem Massenmarkt behauptungsfähig sein sollen. Eine der zu überwindenden Hürden ist die sogenannte ”Reichweitenangst”, also die Sorge der Fahrer, mit der Ladung der Elektrobatterie nicht ihr Reiseziel erreichen zu können. Während der Energieverbrauch der Peripheriegeräte ohne eigenen Antrieb (Klimaanlage, Heizung, Beleuchtung usw.) konstant bleibt, ist die tatsächliche Reichweite des Elektrofahrzeugs variabel und abhängig von der Fahrweise, und die Reichweite liegt dabei häufig besorgniserregend unterhalb den Erwartungen, insbesondere bei Fahrten in dicht besiedelten Gebieten mit variierenden Fahrtgeschwindigkeiten. Aufgrund dieser Schwankungsbreite tendieren die Nutzer von Elektrofahrzeugen dazu, die tatsächlich mögliche Beförderungsreichweite nicht präzise vorauszuplanen, selbst wenn ihnen der Ladezustand der Batterie bei Fahrtantritt bekannt ist. Ein Ansatz, um der Reichweitenangst entgegenzuwirken, besteht darin, die Reichweite des jeweiligen Fahrzeugs durch Erhöhung der verfügbaren Batterieenergie auszudehnen (d. h. in einer „Reichweitenerhöhung”). Der Erhöhung der jeweils pro Fahrzeug verfügbaren Batterieenergie sind jedoch Grenzen gesetzt, da der Fortschritt bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte für große Elektrofahrzeugbatterien nur langsam vorankommt. Darüber hinaus senkt zwar der Einsatz von Hybridelektrofahrzeugen die Reichweitenangst, allerdings fallen bei der Nutzung der kombinierten Elektroantriebe mit Verbrennungsantriebssystemen höhere Kosten an; und gleichzeitig werden weitergehende Zielsetzungen, wie die Reduzierung von Schadstoffemissionen und Erdölverbrauch bis auf null, durch den Einsatz von Hybridfahrzeugen nicht erfüllt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem bereit, dieses Verfahren umfassend:
Laden des Elektrofahrzeugs über einen ersten Zeitraum mit einem ersten elektrischen Strom; und
Laden des Elektrofahrzeugs über einen zweiten Zeitraum, der kürzer als der erste Zeitraum ist, mit einem zweiten elektrischen Strom, der höher als der erste elektrische Strom ist, wobei während des zweiten Ladevorgangs die Zuführung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug vorgesehen ist, um die Elektrobatterie über diesen zweiten Zeitraum zu kühlen.
Indem der erste Ladezeitraum beispielsweise über Nacht erfolgt, während das Fahrzeug in einer Garage steht, und der zweite Ladezeitraum an einer für schnelles Laden ausgestatteten und öffentlich zugänglichen, an der Straße gelegenen Hochleistungsladestation auch unterwegs stattfinden kann, ist es durch diese Aufteilung in zwei separate Ladevorgänge möglich, die Reichweitenangst zu mindern.
Die verschiedenen Ausführungsvarianten des oben beschriebenen Verfahrens können eine oder mehrere der folgenden vorteilhaften Eigenschaften aufweisen:
Der erste Ladezeitraum kann ohne Zuführung eines Kühlmittels von außen zum Fahrzeug stattfinden. Der erste Ladezeitraum kann über Nacht erfolgen. Der erste Ladezeitraum kann unter Verwendung einer Standardstromversorgung mit 120 oder 240 Volt erfolgen, an die das mit der Fahrzeugbatterie verbundene elektrische Ladegerät angeschlossen wird. Das Elektrofahrzeug kann ausschließlich elektrisch betrieben sein. Der erste elektrische Strom kann weniger als 10 kW betragen und kann bei etwa 3 kW liegen. Der zweite elektrische Strom kann über 100 kW betragen und kann bei 300 kW liegen. Der erste Ladezeitraum kann länger als 8 Stunden dauern und kann beispielsweise etwa 12 Stunden betragen. Der zweite Ladezeitraum kann kürzer als eine Stunde und vorzugsweise weniger als 10 Minuten, zum Beispiel etwa 5 Minuten dauern. Der zweite Ladezeitraum kann derart ausgelegt sein, dass die Batterie nicht voll aufgeladen wird, sondern nur bis zu einem bestimmten Ladeniveau, zum Beispiel bis zu einer Kapazität von 50% oder, in einer bevorzugten Variante, bis zu einer Kapazität von über 80%. Das Kühlmittel kann als Gas oder als Flüssigkeit zugeführt werden. Das Kühlmittel kann das im Elektrofahrzeug bereits vorhandene Kühlungssystem verwenden oder aber vorzugsweise eine externe Kühlung für den zweiten Ladezeitraum umfassen. Dieses Kühlmittel kann ein Öl sein, das der Batterie bei einer Geschwindigkeit von einem Liter pro Sekunde oder schneller während des zweiten Kühlzeitraums zugeführt wird. Das Kühlmittel kann Luft sein, die der Batterie bei einer Geschwindigkeit von 1.600 Kubikfuß (circa 45 Kubikmeter) pro Minute oder schneller während des zweiten Kühlzeitraums zugeführt wird. Das Kühlmittel kann vor der Zuführung zur Batterie mittels einer Kühleinheit gekühlt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin ein Fahrzeug vor, das entsprechend des oben beschriebenen Verfahrens elektrisch aufgeladen werden kann sowie eine Fahrzeugladestation im öffentlichen Raum entlang der Straße, mittels der das Elektrofahrzeug in dem zweiten Ladezeitraum auch unterwegs elektrisch aufgeladen werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem vor, dieses Verfahren umfassend:
Laden der Elektrobatterie unter Verwendung einer entlang der Straße gelegenen Ladestation, wobei der Ladevorgang zur Kühlung der Elektrobatterie die Zuleitung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug während des Ladens umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem vor, dieses Verfahren umfassend:
Laden der Elektrobatterie bis zu einer Kapazität von mindestens 50% innerhalb von 10 Minuten, wobei der Ladevorgang zur Kühlung der Elektrobatterie die Zuleitung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug während des Ladens umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht des Weiteren ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem vor, dieses Verfahren umfassend:
Laden der Elektrobatterie bei 100 kW oder mehr, wobei der Ladevorgang zur Kühlung der Elektrobatterie die Zuleitung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug während des Ladens umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei die Figuren wie folgt zeigen:
1a zeigt eine schematische Ansicht eines Ladesystems für eine Elektrofahrzeugbatterie in einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
1b zeigt eine alternative Ausführungsform eines Elektrofahrzeugs, das in Verbindung mit dem Ladesystem für eine Elektrofahrzeugbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante einer Elektrofahrzeugbatterie zum Laden gemäß der vorliegenden Erfindung; und in dem Diagramm in 3 sind zwei Kurven abgebildet, in denen für eine Batterie mit drei Zellen und einer 20-minütigen Laderate die Batterietemperatur gegenüber der Ladezeit beim Schnellladen abgetragen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Da es einerseits schwierig ist, die Reichweite eines Elektrofahrzeugs genau vorherzusagen und anderseits nur langsame Fortschritte auf dem Gebiet der Erhöhung der praktischen Energiedichte bei großen Elektrofahrzeugbatterien gemacht werden, wird eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Akzeptanz von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen darin gesehen, mehr Schnellladesäulen entlang von Straßen im öffentlichen Raum bereitzustellen. Wenn in diesem Zusammenhang die Wendung ”entlang von Straßen” benutzt wird, so ist damit jeglicher Standort gemeint, der von einer öffentlichen Straße aus mit dem Fahrzeug allgemein zugänglich ist. So haben entsprechend dieser Definition beispielsweise alle allgemein öffentlich zugänglichen Tankstellen ihren Standort entlang einer Straße. Für sich genommen können die regulären nächtlichen Ladevorgänge zwar nicht die Reichweitenangst abmildern, da sie nicht die Reichweite eines fahrenden Fahrzeugs unterwegs erhöhen, doch kombiniert mit dem Ausbau der Infrastruktur von Schnellladesäulen entlang von Straßen kann die Bedienfreundlichkeit und Attraktivität von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen gesteigert werden. Eine größere Akzeptanz für Elektrofahrzeuge kann durch Massenproduktion bedingte Skaleneffekte mit sich bringen und damit zu erheblichen Kostensenkungen bei den Fahrzeugen selbst und in Verbindung damit auch zu niedrigeren Kosten für den Energieverbrauch bei der Ladung der Batterien führen, was in der Folge dazu führen kann, dass Elektrofahrzeuge erheblich kostengünstiger werden als Fahrzeuge mit konventionellen Verbrennungsmotoren oder als Hybridelektrofahrzeuge.
Die Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sehen Gleichstrom-Hochleistungs-Schnellladestationen entlang von Straßen vor, wobei die Schnellladestation bis zu 300 kW je Elektrofahrzeug oder mehr liefern können (zum Beispiel, um eine Elektrofahrzeugbatterie von 30 kWh in 6 Minuten aufzuladen), und wobei zusammen mit dem Ladevorgang ein Kühlmittel zur Kühlung der Elektrofahrzeugbatterie vorgesehen ist, um eine Überhitzung der Batterie während des Ladens zu verhindern (während eines 6-minütigen Ladevorgangs können beispielsweise absehbar bis zu circa 50 kW Wärme erzeugt werden). Herkömmliche Kühlmethoden, die eine Kühlung von außen vorsehen, wie zum Beispiel die Kühlung der Oberflächen oder der Außenseiten von Hochspannungsbatterien, eignen sich nicht, um die von Schnellladestationen beim Laden mit bis zu 300 kW oder mehr je Elektrofahrzeug erzeugte Wärme effizient herabzusetzen. Denn die Wärme wird beim Ladevorgang vorrangig innerhalb der Elektrofahrzeugbatterie erzeugt, was eine Kühlung von außen nicht nur ineffizient macht, sondern auch dazu führt, dass innerhalb des Zellstapels der Batterie hohe Temperaturgradienten auftreten, die Schäden an der Batterie und frühzeitigen Batterieausfall verursachen können, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt und das Risiko gefährlicher thermischer Instabilität erhöht.
Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können des Weiteren ein effizientes und sicheres Verfahren zur internen Kühlung des Zellstapels – des sogenannten Batteriestacks – bei hohen Laderaten vorsehen, und sie können ein einzigartiges, hocheffektives, universell einsetzbares thermisches Managementsystem bereitstellen. Hinzu kommt, dass sowohl das Kühlmittel als auch ein optional angewandter Wärmetauscher nicht im Fahrzeug mitgeführt werden müssen, sondern extern für den Zweck des Ladevorgangs zur Verfügung gestellt werden, was bewirkt, dass durch die erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten nur minimal zusätzliches Gewicht zugeladen wird und der zusätzliche Platzbedarf im Elektrofahrzeug ebenfalls gering gehalten wird. Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen mit einem ausschließlich fahrzeuginternen Kühlsystem, können eine Kühlmittelzufuhr von außen sowie ein externer Wärmetauscher somit dazu beitragen, die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen und so auch die Reichweitenangst zu mindern.
Vorteilhafterweise kann ein vorhandenes, internes Kühlsystem so modifiziert werden, dass es mit der externen Kühlmittelzufuhr der erfindungsgemäßen Ladestationen verbunden werden kann.
In 1a ist eine schematische Ansicht eines Ladesystems 10 für eine Elektrofahrzeugbatterie in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante gezeigt. Das Ladesystem 10 umfasst ein Elektrofahrzeug 20. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist das Elektrofahrzeug 20 ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Elektrofahrzeugbatterie 30, aber ohne einen integrierten Verbrennungsmotor. In einer alternativen Ausführungsvariante kann das Elektrofahrzeug 20 ein Hybridelektrofahrzeug sein, das zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist, so dass das Fahrzeug mit dem Motor in Kombination mit der Elektrofahrzeugbatterie 30 betrieben wird.
Anhand von 2 wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Elektrofahrzeugbatterie 30 näher erläutert. Bei der Elektrofahrzeugbatterie 30 kann es sich um eine modulare Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen 32 handeln, die durch eine Vielzahl von innerhalb der Batterie 30, zwischen den Zellen 32 verlaufenden internen Kanälen 34 getrennt sind. Die Kanäle 34 sind vorzugsweise wenigstens zum Teil mit porösen, komprimierbaren Zwischenverbindungen oder Interkonnektoren 36 versehen, die dazu dienen, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Zellen 32 herzustellen und die gleichzeitig ermöglichen, dass das Kühlmittel während des Ladevorgangs durch die internen Kanäle 34 zwischen den Zellen 32 hindurchgeführt werden kann, um die Zellen 32 zu kühlen. In bevorzugten Ausführungen ist die Elektrofahrzeugbatterie 30 die in U.S. Pub. Nr. 2009/0239130 offenbarte Batterie, die hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, wobei die Interkonnektoren 36 und die Batteriezellen 32 jeweils in der gleichen Weise gebildet werden wie die Interkonnektoren und die planaren Zellmodule, die in U.S. Pub. Nr. 2009/0239130 offenbart sind. Jede Zelle 32 umfasst eine positive und eine negative Elektrode, wobei die positive Elektrode die Verbindung zu einem positiven Anschluss 39 herstellt und die negative Elektrode die Verbindung zu einem negativen Anschluss 40 herstellt.
Die komprimierbaren Zwischenverbindungen oder Interkonnektoren 36 können aus jeder Art von Material hergestellt sein – wie zum Beispiel aus einem Drahtgeflecht, einer komprimierbaren Elastomermatrix aus Metall- oder Karbonfasern oder aus einer Leitermatte –, das hinreichend geeignet ist und die Anforderung erfüllt, eine komprimierbare, flexible, elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Oberflächen von Zellplattenmodulen zu bilden unter Einhaltung eines ausreichenden Zwischenraums, um das Kühlmittel zur Kühlung der Zellen 32 während des Ladevorgangs durch die internen Kanäle 34 leiten zu können. In dem erläuternden Beispiel in 2 sind innerhalb eines Gehäuses 25, das in dieser Ausführungsvariante einen rechteckigen Querschnitt aufweist, sechs in einem Stapel angeordnete Zellen 32 veranschaulicht. Bei den sechs dargestellten Zellen 32 handelt es sich um eine exemplarische Darstellung der Batterie 30, die allerdings auch Dutzende oder Hunderte von untereinander verbundenen Zellen umfassen und so einen Batteriestack mit sehr hoher Spannung bilden kann. Das Gehäuse 25 umfasst Eingänge und Ausgänge, über die das Kühlmittel durch die internen Kanäle 34 geleitet werden kann, wobei die Eingänge und Ausgänge automatisch zu öffnen oder zu schließen sein können.
Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen können die Interkonnektoren 36 alternativ aus einem nicht elektrisch und/oder thermisch leitenden Material bestehen und somit lediglich als Abstandshalter zwischen den Zellen 32 vorgesehen sein, um so die Kanäle 34 zwischen den Zellen 32 zu bilden. Bei solchen Ausführungen können die Zellen 32 als isolierende Taschen ausgebildet sein, die an den Enden mit elektrisch leitenden Abgriffen versehen sind, die es dem Kühlmittel ermöglichen, die Zellen 32 zu kühlen, während es durch die mittels von Interkonnektoren 36 gebildeten Kanäle 34 geleitet wird.
Die Anschlüsse 39, 40 bilden die interne Verbindung zu den Enden des Stapels oder Stacks aus Batteriezellmodulen, wobei ein interner Strombus 28 als Verbindung zum positiven Anschluss 39 dient und entweder das elektrisch leitende Gehäuse 25 als negativer Strombus 29 zum negativen Anschluss 40 dient, oder ein zusätzlicher negativer Strombus zum negativen Anschluss 40 vorgesehen ist. Zur Überwachung der Zellspannung und Zelltemperatur kann das Gehäuse 25 jeweils externe, mehrpolige Steckverbindungen 37, 38 umfassen, die über Senseleitungen zu elektrischen Durchgängen 35 leitend verbunden sind. Für jede Zelle 32 kann jeweils ein Satz mehrpoliger Steckverbinder 37, 38 vorgesehen sein. Um Daten zur Zellspannung und Zelltemperatur für die Steuerung des Ladevorgangs der Batterie 30 zur Verfügung zu stellen, können die mehrpoligen Steckverbinder 37, 38 so ausgebildet sein, dass sie die ermittelten Spannungs- und Temperaturmesswerte zur Steuereinheit 28 (siehe 1a) übermitteln.
Unter Rückbezug auf 1a kann mit der Elektrofahrzeugbatterie 30 eine Steuereinheit 28 gekoppelt sein, die den Status der Batterie 30 feststellt und entsprechend den Ladevorgang der Batterie 30 steuert. Um während eines längeren Zeitraums, in dem das Fahrzeug nicht benutzt wird, die Batterie 30 aufladen zu können, kann es möglich sein, die Batterie 30 mit einem Ladegerät 44 zu verbinden, wobei das Ladegerät 44 mittels eines mit Stecker versehenen Kabels 54 an einen elektrischen Ausgang 56, zum Beispiel eine Standardsteckdose mit 120 oder 240 Volt Wechselstrom, angeschlossen wird. Um das volle oder teilweise Laden der Elektrofahrzeugbatterie 30 zu ermöglichen, kann sich der Ausgang 56 in einer Garage 52 eines Wohnhauses 50 oder jeglicher anderer Art von Unterkunft befinden oder auch bei einem gewerblichen Anbieter für das Laden über Nacht bereitgestellt sein. Zur vollen oder teilweisen Ladung der Elektrofahrzeugbatterie 30 können das Ladegerät 44 und die Batterie 30 mittels einer Ladeschnur 46 lösbar an eine mit den Anschlüssen 39, 40 (siehe 2) verbundene, im Fahrzeug 20 angeordnete Elektroleitung 24 gekoppelt sein. Aufgrund der begrenzten möglichen Batterieladerate beim Laden der Batterie 30 über den elektrischen Ausgang 56 und das Ladegerät 44 ist es nicht nötig, der Batterie 30 während des Ladevorgangs über Nacht am Ausgang 56 ein zusätzliches Kühlmittel von außen zuzuführen.
In 1b ist eine alternative Ausführungsform eines Elektrofahrzeugs 20' gezeigt, das in Verbindung mit dem Batterieladesystem 10 für Elektrofahrzeugbatterien gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Elektrofahrzeug 20' hat die gleiche Konfiguration wie das Elektrofahrzeug 20 in 1a, mit dem Unterschied, dass die in Fahrzeug 20 lösbar mit der Elektroleitung 24 gekoppelte Ladeschnur 46 in dem Elektrofahrzeug 20' in eine separate Aufnahme 122 eingeführt wird, die mit den Anschlüssen 39, 40 (siehe 2) über eine Elektroleitung 124 gekoppelt ist.
Das Ladegerät 44 kann zum Beispiel ein 3-kW-Ladegerät sein, das in einem Zeitraum von etwa acht Stunden eine komplett entladene Elektrofahrzeugbatterie 30 in einer erfindungsgemäßen Ausführung von 600 V, 40 Ah, 24 kWh voll aufladen kann. Ein Fahrzeug 20 mit einer Elektrofahrzeugbatterie 30 in der beschriebenen Ausführung von 600 V, 40 Ah, 24 kWh kann unter günstigen Voraussetzungen etwa 4 Meilen (circa 6,44 km) pro kWh und eine Reichweite von etwa 96 Meilen (circa 154 km) realisieren. Überschreiten Fahrten diese Entfernung, könnten angesichts der derart begrenzten Batterieeinsatzdauer weitere Ladevorgänge für die Elektrofahrzeugbatterie 30 benötigt werden. Der Führer des Fahrzeugs 20 müsste entsprechend an Tagen, an denen weitere Entfernungen als 96 Meilen (circa 154 km) zurückgelegt werden, die Batterie 30 zwischendurch aufladen.
Um die Elektrofahrzeugbatterie 30 außerhalb der nächtlichen oder sonstigen üblichen Ladevorgänge zwischendurch schnell aufladen zu können, sollten an strategisch günstigen Stellen entlang von öffentlichen Straßen 80 Schnellladestationen 60 positioniert sein, um zu ermöglichen, dass mit Fahrzeug 20 auch Fahrten gelassen angetreten werden können, wenn diese Fahrten die Reichweite der Batterie 30 möglicherweise überschreiten. In einer bevorzugten Ausführung entsprechen diese Schnellladestationen 60 zum Beispiel jenen Schnellladestationen, die offenbart sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung derselben Erfinder mit gleichem Datum unter dem Anwaltsaktenzeichen 617.1009 und dem Titel STATION FOR RAPIDLY CHARGING AN ELECTRIC VEHICLE BATTERY (LADESTATION ZUR SCHNELLLADUNG EINER ELEKTROFAHRZEUGBATTERIE), deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Das Fahrzeug 20 kann zum Beispiel ähnliche Eigenschaften haben wie jene Fahrzeuge, die offenbart sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung derselben Erfinder mit gleichem Datum unter dem Anwaltsaktenzeichen 617.1009 und dem Titel STATION FOR RAPIDLY CHARGING AN ELECTRIC VEHICLE BATTERY (LADESTATION ZUR SCHNELLLADUNG EINER ELEKTROFAHRZEUGBATTERIE) und/oder der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit gleichem Datum unter dem Anwaltsaktenzeichen 617.1010 und dem Titel RAPID CHARGING ELECTRIC VEHICLE AND METHOD AND APPARATUS FOR RAPID CHARGING (SCHNELLLADEFÄHIGES ELEKTROFAHRZEUG SOWIE METHODE UND VORRICHTUNG ZUM SCHNELLLADEN), deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die Schnellladestation 60 kann eine hochleistungsfähige Ladequelle 62 – in einer bevorzugten Ausführungsform eine Hochleistungs-Gleichstromquelle – zum Schnellladen der Batterie 30 des Elektrofahrzeugs 20 umfassen sowie eine Kühlmittelquelle 64, um während des Schellladevorgangs der Batterie 30 an der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 über die internen Kanäle 34 (siehe 2) in die Batterie 30 Kühlmittel einleiten zu können. In bevorzugten Ausführungen kann die hochleistungsfähige Ladequelle 62 eine Batterie oder ein Superkondensator mit hoher Entladerate und der Möglichkeit zum Laden mit Nachtstrom oder Niedertarifstrom sein, da dieser nicht nur kostengünstiger ist, sondern auch weniger störungsanfällig bereitgestellt werden kann. Der Führer des Fahrzeugs 20 kann jede der Schnellladestationen 60 (von denen nur eine zur Verdeutlichung in 1a näher erläutert ist) anfahren, das Fahrzeug 20 ausschalten und einen Anschluss 68c an einem Ende einer Zuführung 68 der Schnellladestation 60 in eine entsprechende, von außerhalb des Fahrzeugs 20 zugängliche Aufnahme in das Fahrzeug 20 einführen. In der in 1a gezeigten Ausführungsvariante führt die Zuführung 68 aus einem Sockelbereich 72 der Schnellladestation 60 heraus und umfasst ein Kabel 68a, das mit einer hochleistungsfähigen Ladequelle 62 gekoppelt ist, sowie einen Schlauch 68b, der an eine Kühlmittelquelle 64 gekoppelt ist. Der Anschluss 68c kann in die Aufnahme im Fahrzeug 20 so eingeführt werden, dass der Anschluss 68c vorübergehend in die Aufnahme einrastet. Der Führer des Fahrzeugs 20 kann dann einen Stromschalter bedienen, der entweder am Anschluss 68c oder aber am Sockelbereich 72 der Schnellladestation 60 angebracht sein kann, um damit den Ladevorgang der Elektrofahrzeugbatterie 30 an der Schnellladestation 60 in Gang zu setzen. Nach der Betätigung des Stromschalters der Schnellladestation 60 versorgt diese die Elektrofahrzeugbatterie 30 so lange mit Strom von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 und mit Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64, bis die Batterie 30 hinreichend aufgeladen ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung liefert die Schnellladestation 60 an das Fahrzeug 20 bis zu 300 kW und kann entsprechend eine erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 30 kWh in etwa 6 Minuten aufladen. Während des etwa 6-minütigen Schnellladevorgangs für die 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 können in den Zellen 32 der 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 etwa 50 kW Wärme erzeugt werden. Ohne Kühlmittel, das vorzugsweise während eines solchen Schnellladevorgangs innerhalb der erfindungsgemäßen 30-kWh-Ausführung der Batterie 30 bereitgestellt wird, könnte die Batterie 30 durch einen unerwünschten Temperaturanstieg dauerhaft beschädigt oder zerstört werden. Wenn jedoch genügend Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64 durch die Zuführung 68 und die Kühlmittelleitung 26 in die Batterie 30 gepumpt werden kann, während die Batterie 30 mit Strom von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 über die Zuführung 68 und die Elektroleitung 24 versorgt wird, kann ein Teil der innerhalb der Batterie 30 erzeugten Wärme durch das Kühlmittel absorbiert werden und es kann entsprechend verhindert werden, dass die Batterie 30 während des Ladevorgangs beschädigt oder zerstört wird.
In einer alternativen Ausführungsvariante, die insbesondere dann Anwendung findet, wenn das von der Kühlmittelquelle 64 bereitgestellte Kühlmittel Öl oder eine andere Flüssigkeit ist, aber potenziell auch, wenn das bereitgestellte Kühlmittel Luft oder ein anderes Gas ist, kann an den Ausgangsenden der Kanäle 34 eine Rückführungsleitung im Fahrzeug 20 vorgesehen sein, um das Kühlmittel, das durch die Batterie 30 geleitet worden ist, durch die Zuführung 68 zur Kühlmittelquelle 64 zurückleiten zu können. In dieser alternativen Ausführungsform kann auch ein zusätzlicher Rückführungsschlauch, entweder in die Zuführung 68 integriert oder unabhängig von der Zuführung 68, zwischen dem Elektrofahrzeug 20 und der Schnellladestation 60 vorgesehen sein, um das Kühlmittel zur Kühlmittelquelle 64 zurückzuleiten. Die Schnellladestation 60 kann in dem Fall des Weiteren mit einem Wärmetauscher zur Entfernung der innerhalb der Batterie 30 erzeugten Energie aus dem recycelten Kühlmittel ausgestattet sein.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung kann das Fahrzeug 20 an der Schnellladestation 60 anstelle von aus einer einzigen Zuführung 68 den Strom aus der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 und das Kühlmittel aus der Kühlmittelquelle 64 auch separat erhalten, so dass zwei voneinander unabhängige Zuführungen zwischen der Schnellladestation 60 und dem Fahrzeug 20 vorgesehen sein können. So können die beiden unabhängigen Zuführungen beispielsweise zum einen ein mit der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 gekoppeltes Kabel sein, das mittels eines Verbindungssteckers eine trennbare Verbindung zu einer mit der Elektroleitung 24 gekoppelten elektrischen Aufnahme herstellt, sowie zum anderen ein mit einer Kühlmittelquelle 64 gekoppelter Schlauch sein, der mittels eines Verbindungsstutzens eine trennbare Verbindung zu einer mit der Kühlmittelleitung 26 gekoppelten Kühlmittelaufnahme herstellt. In weiteren Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Zuführung ausschließlich für die Kühlmittelquelle 64 benutzt wird, während die hochleistungsfähige Ladequelle 62 drahtlos die Batterie 30 in einem Ladevorgang per Induktion oder per magnetischer Resonanz lädt. Eine weitere alternative Ausführung kann eine separate Kühlmittelrückführung vorsehen, die mit einem Wärmetauscher in der Schnellladestation 60 verbunden wird.
Zum Zweck der Überwachung der von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 zur Batterie 30 zugeführten Lademenge sowie zur Überwachung der von der Kühlmittelquelle 64 zur Batterie 30 zugeführten – und bei Ausführungen, die Kühlmittelrecycling vorsehen, auch der zurück in die Kühlmittelquelle 64 geführten – Kühlmittelmenge kann in der Schnellladestation 60 eine Steuereinheit 70 vorgesehen sein. Während das Fahrzeug 20 zum Laden der Batterie 30 mit der Schnellladestation 60 verbunden ist, kann zwischen der Steuereinheit 70 und der Steuereinheit 28 der Batterie 30 eine Kommunikation aufgebaut werden, so dass die Steuereinheit 70 die Zuführung von Ladung von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 und die Zuführung von Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 64 entsprechend des jeweils aktuellen Zustands der Batterie 30 steuern kann. Wenn zum Beispiel aufgrund der bestehenden Witterungsverhältnisse oder der Fahrweise, mit der das Fahrzeug 20 zuvor gefahren wurde, die Batterie 30 warmer oder kälter als üblich ist (gemessen, beispielsweise, mittels der Verbindungen 37, 38, wie in 2 dargestellt), kann die Zuführungsrate und/oder die Temperatur des von der Kühlmittelquelle 64 zugeführten Kühlmittels entsprechend herunter- oder heraufgeregelt werden. Falls die Batterie 30 noch teilweise geladen ist und nur um eine geringe Menge aufgeladen werden muss, kann die Steuereinheit 70 auch die Zuführung von Ladung von der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 auf eine Laderate unterhalb der maximalen Laderate begrenzen und die Zuflussrate und/oder die Temperatur des Kühlmittels von der Kühlmittelquelle 64 auf einen entsprechenden Wert regeln. Die Steuereinheit 70 kann einen Speicher umfassen, der die Menge an zuzuführendem Kühlmittel mit der zugeführten Ladung und optional auch mit der Temperatur der Batterie 30 korreliert. Die Steuereinheit 70 kann außerdem einem Betreiber der entlang einer Straße befindlichen Ladestation 60 Informationen zum Zweck der Rechnungsstellung an den Fahrzeugbesitzer übermitteln, indem zum Beispiel die gelieferte Ladung und der für den Ladevorgang an der Ladestation 60 in Rechnung zu stellende Preis kalkuliert werden. Des Weiteren kann die Steuereinheit 28 Daten bezüglich des aktuellen an der Batterie 30 gemessenen chemischen Zustands der Batterie 30 zur Steuereinheit 70 übermitteln, so dass die Steuereinheit 70 auf der Grundlage der chemischen Daten der Batterie 30 den Ladevorgang und das Kühlen der Batterie 30 steuern und das sicherste Verfahren für das Laden der Batterie 30 ermöglichen kann. Eine ältere Batterie 30, zum Beispiel, die möglicherweise eine langsamere Laderate besser verträgt, oder die einen geringfügig abweichenden chemischen Zustand aufweist, kann von der Schnellladestation 60 zu den diesen chemischen Daten entsprechend definierten und in der Steuereinheit 70 gespeicherten Lade- und Kühlungsraten aufgeladen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Batterie 30 um eine 300-Volt-Elektrobatterie mit einem Gewicht von 100 kg, die voll aufgeladen das Elektrofahrzeug 20 mit 30 kWh versorgen kann. In diesem Beispiel erreicht die Batterie 30, die hundert Zellen 32 zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm umfasst, an der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 nach zehn Minuten zu 180 kW ihre volle Ladung. Während des Ladens werden in 10 Minuten etwa 36 kW Wärme erzeugt (circa 6 kWh). Um die Batterie 30 während dieses Ladevorgangs ausreichend zu kühlen, so dass eine akzeptable Batterietemperatur von etwa 45 Grad Celsius aufrechterhalten wird, kann durch die Kühlmittelquelle 64 Öl (zugeführt mit einer Temperatur von 20 Grad Celsius) bei einer Rate von mindestens 0,73 Liter pro Sekunde (44 Liter pro Minute) oder Luft (zugeführt mit einer Temperatur von 0 Grad Celsius) bei einer Rate von mindestens 1.800 Kubikfuß (circa 50,9 Kubikmeter) pro Minute bereitgestellt werden. Lade- und Entladeraten von Elektrobatterien werden branchenüblich mit dem sogenannten C-Faktor (C steht für ”capacity” bzw. Kapazität der Batterie), dem Quotienten aus Strom und Batteriekapazität, angegeben. Unabhängig von der Größe einer Elektrobatterie besagt ein Ladestrom von 1 C oder ein Entladestrom von 1 C, dass die Batterie innerhalb von einer Stunde komplett geladen beziehungsweise entladen ist. Ein C-Faktor von C/8 bedeutet, dass Auf- oder Entladen jeweils acht Stunden dauert, bei 2 C dauert Auf- oder Entladen jeweils eine halbe Stunde. Entsprechend beträgt der C-Faktor der Batterie 30 mit zehnminütigem Laden aus dem oben aufgeführtem Beispiel 6 C.
Um beispielsweise eine erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 24 kWh innerhalb von sechs Minuten aufzuladen, ist es möglich, ein 240-kW-Ladegerät, das über sechs Minuten 400 Ampere bei 600 Volt (Gleichstrom) liefert, als hochleistungsfähige Ladequelle 62 einzusetzen. Die zuzuführende Energie kann aufgrund beträchtlicher Wärmeverluste auch wesentlich höher sein, als wenn der Ladevorgang komplett effizient verläuft. Wären es beispielsweise zweihundert Zellen zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm, könnte 32 kW Wärme erzeugt werden, so dass für den Ladevorgang eine Minute länger benötigt würde (etwa sieben Minuten insgesamt).
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Batterie 30 nicht komplett auf 100% ihrer Ladekapazität mittels der hochleistungsfähigen Ladequelle 62 aufgeladen wird, sondern stattdessen innerhalb von etwa 5 Minuten durch die hochleistungsfähige Ladequelle 62 zu 80% ihrer Batterieladekapazität aufgeladen wird. Durch ein solches Vorgehen, die Batterie 30 bis auf 80% Ladekapazität zu laden, können in einigen Zellen der Batterie 30 Überspannungen vermieden werden. Falls gewünscht, kann dann nach dem Erreichen von 80% der Ladekapazität der Batterie 30 der Ladevorgang unter Verringerung des von der Ladequelle 62 zugeführten Stroms fortgesetzt werden, um die Batterie 30 zu mehr als 80% der Ladekapazität aufzuladen. Wird eine komplett entladene erfindungsgemäße Ausführung der Batterie 30 mit 600 Volt, 24 kWh und mit zweihundert Zellen zu je 3 Volt und einem Widerstand von je 1 Milliohm wieder auf 80% der Ladekapazität (19,2 kWh) in fünf Minuten aufgeladen, werden 2,7 kWh Wärme (32 kW über fünf Minuten entsprechend etwa 10⁷ Joule) in der Batterie 30 erzeugt. Um diese 2,7 kWh Wärme in fünf Minuten in einem hinreichenden Maß abführen zu können, kann 01 bei einer Rate von mindestens 40 Liter pro Minute oder Luft bei einer Rate von mindestens 1.600 Kubikfuß (circa. 45,3 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 geleitet werden. Der damit verbundenen verzögerten Wärmeübertragung an das Kühlmittel wird in bevorzugten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung entgegengewirkt, indem das Öl oder die Luft mit höheren Raten als mindestens notwendig durch die Batterie 30 geleitet wird. In solchen Ausführungen kann bei der oben beschriebenen 600-Volt-Batterie das Öl mit etwa 50 bis 200 Liter pro Minute oder die Luft mit etwa 2.000 bis 8.000 Kubikfuß (circa 56,6 bis circa 226,5 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 geleitet werden. Die Kühlraten können für größere oder kleinere Batterien jeweils proportional höher oder niedriger liegen.
Weitere erfindungsgemäße Ausführungen können eine Kühleinheit 66 vorsehen, um die zur Kühlung der Batterie 30 benutzte Luft oder das zur Kühlung benutzte Öl zusätzlich zu kühlen. Die Kühleinheit 66 kann besonders vorteilhaft zur Kühlung von Kühlluft eingesetzt werden, indem es so ermöglicht wird, die Luft zu niedrigeren Raten als mit etwa 2.000 bis 8.000 Kubikfuß (circa 56,6 bis circa 226,5 Kubikmeter) pro Minute über die internen Kanäle 34 durch das Innere der Batterie 30 zu leiten.
Nach dem Laden der Batterie 30 mittels der Schnellladestation 60 kann die Batterie 30 intern luftgekühlt oder erwärmt werden, indem Luft durch die Interkonnektoren 36 geleitet wird. Die Luft kann über eine im Fahrzeug 20 vorhandene Vollklimaanlage zur Beheizung, Kühlung und Belüftung mittels der Lüftungsfunktion als Zuluft eingeführt werden. So ist es vorteilhaft, zum Beispiel an kalten Tagen in den Wintermonaten mittels der Heizung zusammen mit der Lüftungsfunktion für die effiziente und rasche Aufwärmung der Batterie zu sorgen, denn bei niedrigen Temperaturen sind sonst die Batteriekapazitätsverluste erheblich (was wiederum auch die Reichweite reduziert). Während sich die Batterie dann auf die normale Betriebstemperatur erwärmt, kann die gegebenenfalls anfallende Abwärme (zum Beispiel mittels einer kleinen Wärmepumpe) zum Heizen oder Kühlen des Innenraums genutzt werden – wodurch außerdem überschüssige Energie nicht ungenutzt vergeudet, sondern eingesetzt (und damit die Reichweite des Fahrzeugs 20 weiter ausgedehnt) wird – und zum Regulieren der steigenden Temperatur der Batterie 30 bei durch Beschleunigen oder Bremsen verursachten Transienten verwendet werden. Eine alternative Ausführungsvariante kann vorsehen, dass die Batterie 30 nach dem Ladevorgang an der Schnellladestation 60 im Innern flüssigkeitsgekühlt oder flüssigbeheizt wird, indem Flüssigkeit von einem im Fahrzeug 20 vorhandenen Flüssigkeitswärmetauscher durch die Interkonnektoren 36 geleitet wird, wobei der Flüssigkeitswärmetauscher wiederum durch ein im Fahrzeug 20 vorhandenes Kühl- oder Heizsystem gekühlt beziehungsweise aufgewärmt wird, und wobei dieses Kühl- oder Heizsystem ebenfalls dazu dienen kann, die Kühlung und Heizung des Fahrzeuginnenraums zu steuern.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Kühlmittelleitung 26 – und, falls vorgesehen, die Rückführungsleitung für das Kühlmittel – in die Vollklimaanlage des Elektrofahrzeugs 20 integriert sein. Entsprechend ist es möglich, die Kühlmittelleitung 26 und die Rückführungsleitung für das Kühlmittel sowohl für das thermische Management der Batterie 30 zu nutzen, während das Fahrzeug 20 in Betrieb ist – indem die Kühlmittelleitung 26 und die Rückführungsleitung für das Kühlmittel zum Durchleiten des Kühlmittels durch die Kanäle 34 (siehe 2) dienen können – als auch sie dann während des Schnellladevorgangs zur Kühlung der Batterie 30 zu nutzen, um das von der Schnellladestation 60 bereitgestellte Kühlmittel durch die Kanäle 34 zu leiten. Um die Kühlmittelleitung 26 und die Rückführungsleitung abwechselnd während der Fahrt mit der Vollklimaanlage und während des Ladens mit der Zuführung 68 zu koppeln, können Umschaltventile vorgesehen sein.
Darüber hinaus ist es beispielsweise möglich, die mittels des hindurchgeleiteten Kühlmittels von der Batterie 30 abgeführte thermische Energie entweder im Fahrzeug 20 oder in der Schnellladestation 60 in elektrische Energie umzuwandeln. Beispielsweise kann im Kühlmittel enthaltene Energie stromabwärts von der Batterie 30 zurückgewonnen werden, indem eine Turbinenvorrichtung oder eine thermoelektrische Vorrichtung im Fahrzeug 20 oder im Fahrzeug 20' oder aber in der Schnellladestation 60 oder der Schnellladestation 60' mit den Ausgängen der Kanäle 34 gekoppelt wird.
Die Batterie 30 umfasst in bevorzugten Ausführungsformen nanoskalige Partikel, die grundsätzlich hohe Laderaten ermöglichen. Die nanoskaligen Partikel können mit einer dünnen Karbonschicht versehen sein. Zum Beispiel können die Anoden der Zellen 32 aus Lithium-Titanoxid-(LTO)-Nanoteilchen und die Kathoden aus Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Nanopartikeln gebildet sein, so dass die Batterie 30 mit einer Rate von bis zu 3 Minuten (entsprechend einem C-Faktor von 20 C) schnell aufgeladen werden kann und zudem viele Tausende von Ladevorgängen durchlaufen kann, ohne dass die Batterie 30 während der Lebensdauer des Fahrzeugs 20 oder 20' ersetzt werden müsste. Unter Verwendung solcher Nanopartikel in der Batterie 30 in Kombination mit der vorliegenden Erfindung, die den Temperaturanstieg der Batterie 30 begrenzt, kann es beispielsweise möglich sein, die Batterie 30 mehr als 10.000 Mal aufzuladen. Unter der Annahme einer Reichweite von 100 Meilen (circa 160,9 km) je Ladevorgang, könnte die Batterie 30 so theoretisch über 1.000.000 Meilen (circa 1.609.344 km) während ihrer Lebensdauer zurücklegen. Eine derartig langlebige Batterie 30 hätte einen hohen Restwert und könnte beispielsweise erneut in einem weiteren Fahrzeug eingesetzt werden. Des Weiteren kämen dabei ökologische und strategische Vorteile für die Vereinigten Staaten zum Tragen, da der Bedarf an Rohstoffen für die Herstellung von Batterien gesenkt würde und weniger der benötigten Rohstoffe importiert werden müssten.
Andere Kühlmittel als Luft oder Öl können ebenfalls durch die Kühlmittelquelle 64 bereitgestellt werden. Dies können zum Beispiel fließfähige flüssige oder gasförmige Substanzen mit einer optimalen Wärmekapazität sein. Um die Wärmetauschfähigkeit zu erhöhen, können dem Kühlmittel Zusatzstoffe beigefügt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Kühlmittel elektrisch isolierende Eigenschaften.
Es ist darüber hinaus möglich, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Hybridelektrofahrzeugen einzusetzen sowie in anderen Anwendungen, in denen Großbatterien benötigt werden und für die ein Schnellladen mit zusätzlich zugeführter, fahrzeugexterner Kühlung von Vorteil sein kann. Schnellladestationen könnten beispielsweise zum Laden und Kühlen bei Zügen, Flugzeugen, Militärfahrzeugen inklusive Waffen- und Kampfanwendungen, wie zum Beispiel Großrobotern, Panzern, Drohnen, M777 Haubitzen und Railguns usw. eingesetzt werden, wobei für alle diese Anwendungen die Möglichkeit zum schnellen Batterieladen vorteilhaft wäre, und wobei sich die Menge des benötigten und zuzuführenden Kühlmittels proportional zur Größe der Batterie und der gewünschten Ladegeschwindigkeit verhält. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff „Fahrzeug” benutzt, um jegliche Art von im weitesten Sinne mechanischen Geräten und Vorrichtungen zu umfassen.
Insbesondere für militärische Zwecke kann es sinnvoll sein, in weiteren Ausführungen die Schnellladestationen 60, 60' als mobile Ladestationen bereitzustellen, die dort von Ort zu Ort transportiert werden können, wo keine stationären Ladestationen zur Verfügung stehen. Entsprechend können die Schnellladestationen in ein Fahrzeug integriert werden, zum Beispiel in ein Panzerfahrzeug, ein Flugzeug oder einen LKW, oder sie können so ausgebildet sein, dass sie zu Transportzwecken auf ein Fahrzeug geladen werden oder anderweitig von einem Fahrzeug transportiert werden können.
Das Diagramm in 3 zeigt zwei Kurven, in denen für eine Batterie mit drei Zellen und einer 20-minütigen Laderate (d. h. einem C-Faktor von 3 C) die Batteriekerntemperatur gegenüber der Ladezeit beim Schnellladen abgetragen ist. Die dreizellige Batterie umfasst elektrisch leitfähige Interkonnektoren 36 (siehe 2) zwischen den Zellen. Mit der Kurve 200 ist die Temperatur der dreizelligen Batterie in Abhängigkeit von der Ladezeit ohne Kühlmittelzufluss durch die Interkonnektoren 36 abgetragen, und mit der Kurve 202 ist die Temperatur der dreizelligen Batterie in Abhängigkeit von der Ladezeit abgetragen, wenn Kühlmittel bei einer Geschwindigkeit von einem Liter pro Minute durch die Interkonnektoren 36 in die Batterie 30 hineingeleitet wird. In dem zugrundeliegenden Experiment wurde eine im Handel erhältliche Wärmeträgerflüssigkeit benutzt, das Thermoöl Paratherm LR, das ein paraffinhaltiger Kohlenwasserstoff mit einem breiten Einsatzspektrum zwischen – 50 und 230 Grad Celsius ist. Paratherm LR zeichnet sich durch einen spezifischen Widerstand von etwa 10E14 Ohm cm und einer dielektrischen Durchschlagspannung (nach ASTM-Standard D1816-04, 0,1 Zoll/circa 0,254 cm Spalt) von über 22 kV aus, was im Experiment ausreichte, um die elektrischen Batteriekomponenten vor Schäden zu schützen, die beispielsweise durch einen Kurzschluss verursacht werden könnten, der außerdem zu einer unzureichenden Batterieaufladung führen würde. Das Diagramm verdeutlicht, wie die Zuführung von Kühlmittel in eine Batterie den Anstieg der Batterietemperatur begrenzt. Ohne Kühlung steigt entsprechend 3 die Batterietemperatur von einer Ausgangstemperatur von 22 Grad Celsius in einem Ladevorgang von 4 Minuten auf etwa 30 Grad Celsius an und in 11 Minuten auf etwa 39 Grad Celsius. Im Vergleich dazu erreicht die Batterietemperatur erst nach 11 Minuten 30 Grad Celsius, wenn beim Laden Kühlmittel durch die Batterie geleitet wird. Der Temperaturanstieg in der Batterie ist unter Kühlmittelzugabe (Differenz von 8 Grad Celsius gegenüber der Ausgangstemperatur) entsprechend weniger als halb so hoch wie ohne Kühlmittel (Differenz von 17 Grad Celsius gegenüber der Ausgangstemperatur). Weitere Eigenschaften des Thermoöls Paratherm LR sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Die Erfindung wurde in den vorangehenden Ausführungen unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und Beispiele davon beschrieben. Es ist jedoch durchaus vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Die Beschreibung und die Figuren illustrieren und verdeutlichen nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Claims

Ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem, dieses Verfahren umfassend: Laden des Elektrofahrzeugs über einen ersten Zeitraum mit einem ersten elektrischen Strom; und Laden des Elektrofahrzeugs über einen zweiten Zeitraum, der kürzer als der erste Zeitraum ist, mit einem zweiten elektrischen Strom, der höher als der erste elektrische Strom ist, wobei während des zweiten Ladevorgangs die Zuführung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug vorgesehen ist, um die Elektrobatterie über diesen zweiten Zeitraum zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Ladezeitraum ohne externe Zuführung von Kühlmittel zum Fahrzeug erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Ladezeitraum über Nacht stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Ladezeitraum zur Ladung der Fahrzeugbatterie an einem Standardanschluss mit 120 oder 240 Volt vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Elektrofahrzeug ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste elektrische Strom weniger als 10 kW beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite elektrische Strom mehr als 100 kW beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Ladezeitraum mindestens 8 Stunden dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite Ladezeitraum kürzer als eine Stunde dauert.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der zweite Ladezeitraum kürzer als 10 Minuten dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im ersten Ladezeitraum die Batterie zu mindestens 50% ihrer Kapazität aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für das Kühlmittel ein im Elektrofahrzeug vorhandenes Kühlsystem genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kühlmittel gasförmig vorliegt und mit einer Rate von 100 Kubikfuß (circa 2,8 Kubikmeter) pro Minute oder schneller zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kühlmittel in flüssiger Form vorliegt und mit einer Rate von 0,1 Liter pro Sekunde oder schneller zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kühlmittel vor der Zuführung zur Batterie mittels einer Kühleinheit heruntergekühlt wird.
Ein Fahrzeug, das entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 aufgeladen wird.
Eine Ladestation, die entlang einer öffentlichen Straße aufgestellt ist und mittels derer ein Fahrzeug nach Anspruch 16 im zweiten Ladezeitraum aufgeladen werden kann.
Ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem, dieses Verfahren umfassend: Laden der Elektrobatterie unter Verwendung einer entlang der Straße gelegenen Ladestation, wobei der Ladevorgang zur Kühlung der Elektrobatterie während des Ladens die Zuleitung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug umfasst.
Ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektrobatterie als Fahrzeugantriebssystem, dieses Verfahren umfassend: Laden der Elektrobatterie bis zu einer Kapazität von mindestens 50% innerhalb von 10 Minuten, wobei der Ladevorgang zur Kühlung der Elektrobatterie während des Ladens die Zuleitung eines Kühlmittels zum Elektrofahrzeug umfasst.