CH715056A2 - Verfahren und System zum Laden von mobilen Ultracaps. - Google Patents

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Abstract

Zum Laden mobiler Ultracaps an einer Ladestation werden nach dem erfindungsgemässen Verfahren diese mehrfach zeitlich nacheinander mit stationären geladenen Ultracaps verbunden. Die Ladung der stationären Ultracaps ist bei jedem Ladeschritt jeweils höher als diejenige der mobilen Ultracaps. Ein System zur Durchführung dieses Ladeverfahrens umfasst Ladestationen mit geladenen stationären Ultracaps, mit denen die mobilen Ultracaps in mehreren Ladeschritten in unterschiedlichen Verbindungskombinationen verbunden werden. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Laden mobiler Kondensatoren.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen Laden von Kondensatoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System gemäss Anspruch 3 zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0002] Elektroautos beziehen gemäss dem derzeitigen Stand der Technik die zur Fortbewegung nötige elektrische Energie vorwiegend aus Akkumulatoren auf elektrochemischer Basis. Von den Speicherelementen für elektrische Energie sind diese derzeit diejenigen mit der grössten Energiedichte und erlauben somit die grösste Reichweite bezogen auf ihr Gewicht. Alternative Speicher, die ebenfalls bereits in Fahrzeugen genutzt werden, sind kapazitive Speicher, die jedoch derzeit nur etwa 10% der Energiedichte von Akkumulatoren erreichen und deshalb nur eingesetzt werden können, wo eine Aufladung in kurzen Abständen möglich ist.
[0003] Dem Vorteil der hohen Energiedichte von Akkumulatoren stehen einige gewichtige Nachteile gegenüber, wie z.B. die lange Ladedauer, die vergleichsweise geringe Lebensdauer etc. In dieser Hinsicht bieten kapazitive Speicher Vorteile. Aber obwohl beispielsweise die Ladedauer von kapazitiven Speichern deutlich kürzer ist als die von Akkumulatoren, genügt dies noch nicht, um den Nachteil der kürzeren Reichweite auszugleichen.
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dauer für das Laden von Kondensatoren, insbesondere mobilen Ultracaps in Fahrzeugen, so zu verkürzen, dass damit die vergleichsweise geringere Energiedichte von Kondensatoren keinen Nachteil mehr darstellt.
[0005] Erfindungsgemäss wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 erreicht.
[0006] Bevorzugte Ausführungsbeispiele zeichnen sich durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale aus.
[0007] In der vorliegenden Beschreibung werden folgende Begriffsdefinitionen verwendet:
[0008] Mit dem Begriff «Ultracaps» werden Kondensatoren unterschiedlicher Technologie mit hohen Kapazitäten im Bereich von 1 F und mehr bezeichnet, die prinzipiell für den Antrieb von Elektrofahrzeugen geeignet sind. Das erfindungsgemässe Ladeverfahren eignet sich aber grundsätzlich nicht nur für Ultracaps, sondern für jegliche Art von Kondensatoren.
[0009] »Energiedichte» ist das Mass der speicherbaren elektrischen Energie. Sie wird auf die Masse des Kondensators bezogen und als gravimetrische Energiedichte in Wh/kg angegeben. Unter «Leistungsdichte» wird die Geschwindigkeit verstanden, mit der die Energie an eine Last geliefert oder von einer Energiequelle aufgenommen werden kann. Die Leistungsdichte ist durch die Wärmeentwicklung bei der Strombelastung überden Innenwiderstand bestimmt.
[0010] »Definierte Grenzwerte des Stromflusses» sind solche, bei denen keine Schäden an Leitungen oder Bauelementen entstehen. Sie sind von verschiedenen Faktoren abhängig und können vom Fachmann ohne weiteres festgelegt werden. Die Grenzwerte sind wichtig, weil wegen des geringen Innenwiderstandes von Kondensatoren sowohl bei Laden als auch beim Entladen extrem hohe Ströme auftreten können.
[0011] Der Begriff «virtuell» im Zusammenhang mit Reserven bezieht sich auf die technisch korrekte, wissenschaftlich belegte und fundierte Definition «dank logischer Neuanordnung bestehender physischer Einheiten neu gewonnene, bewusst gewählte und absolut genau definierter neuen Objekte zwecks optimierter, effizienterer Verwaltung» wie es z. B. aus der Informatik bezüglich virtueller Rechner Standard ist.
[0012] Im Folgenden sind anhand der beiliegenden Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen typischen Verlauf eines Ladestroms
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems zum Laden mobiler Ultracaps,
Fig. 3 eine tabellarische Darstellung eines praxisnahen Ladevorgangs.
[0013] In Fig. 1 ist auf der linken Seite ein mobiler Kondensator 1 undauf der rechten Seite eine Batterie 2 aus stationären Kondensatoren 3-10 gezeigt. Der als mobiler Kondensator 1 dargestellte einzelne Kondensator kann, und wird in der Regel, ebenfalls aus einer Batterie von mehreren Kondensatoren bestehen. Die stationären Kondensatoren 3-10 stehen mit unterschiedlicher Ladung an einer Ladestation für das Laden mobiler Kondensatoren zur Verfügung.
[0014] Das Ladesystem gemäss Fig. 1 zeigt eine grundsätzliche Möglichkeit zum schrittweisen Laden von mobilen Ultracaps, die beispielsweise als Stromspeicher in einem Elektroauto eingebaut sind. Die stationären Ultracaps sind Teil einer Ladestation 2. In untereinander angeordneten Zeilen a)-i) sind unterschiedliche Verbindungsschritte zwischen dem mobilen und den stationären Ultracaps dargestellt, mit denen der bzw. die mobilen Ultracaps stufenweise bis auf 100%, also Vollladung, auf geladen werden. Selbstverständlich ist jede andere zweckmässige Zahl von Ultracaps in einer Batterie, sowohl im Fahrzeug, als auch in der Ladestation, möglich. Der Einfachheit halber wird für das beschriebene Ausführungsbeispiel angenommen, dass die mobilen Ultracaps 1 und die stationären Ultracaps 3-9 die gleiche Kapazität aufweisen.
[0015] In der ersten Zeile a) ist die Ausgangssituation gezeigt, in der ein Elektroauto mit einem leeren Ultracap 1 an einer Ladestation ankommt, um zu laden. Die Ultracaps 3-10 der Ladestation sind unterschiedlich geladen.
CH 715 056 A2 [0016] Zeile b) zeigt die Verbindung des mobilen Ultracaps 1 mit dem stationären Ultracap 3 mit einer Ladung von 25%. Mit dieser Verbindung findet ein Ladungsausgleich zwischen den beiden verbundenen Ultracaps statt, nach dem beide dieselbe Ladung von 12,5% besitzen. Trotz des geringen Innenwiderstands der Ultracaps fliesst wegen des kleinen Ladungsunterschieds nur ein begrenzter Strom, wie in Fig. 1 gezeigt. Andererseits erfolgt, ebenfalls wegen des geringen Innenwiderstands, der Ladungsausgleich innerhalb von Millisekunden. Die Dauer der Aufladung des mobilen Ultracaps 1 von 0% auf 12,5% ist vernachlässigbar kurz.
[0017] Wenn bei diesem Ladeschritt der Ultracap 1 mit einem stationären Ultracap mit grösserer Ladung verbunden, würde anfänglich ein so grosser Strom fliessen, dass Verbindungsleitungen und oder die Ultracaps selbst Schaden nehmen könnten. Wenn der Unterschied der Ladungen zwischen dem zu ladenden und dem ladenden Ultracap kleiner ist, ist auch der anfängliche Stromfluss kleiner, so dass keine Schäden auftreten. Die Ladungsdifferenz zwischen den zu ladenden und den ladenden Ultracap muss immer so gewählt werden, dass ein definierter Grenzwert des Stromflusses nicht überschritten wird. Dies bedeutet, dass ganz oder fast leere mobile Ultracaps nicht direkt mit höher geladenen Ultracaps verbunden werden dürfen.
[0018] Mit dem ersten Ladungsschritt gemäss Fig. 2b) wird der anfänglich leere mobile Ultracap 1 zuerst auf eine Mindestladung gebracht, bevor die eigentliche Schnellladung beginnt.
[0019] Die notwendige Mindestladung kann auch auf andere Weise, beispielsweise mit einem Akkumulator oder dem Einsatz eines Verbrennungshilfsmotors, von Solarzellen etc. erreicht werden.
[0020] Selbstverständlich könnten die hohen Stromstärken auch durch das Zwischenschalten von Widerständen vermieden werden. Dies hätte aber Verluste zur Folge, die bei der Aufladung auf Teilladungen mit teilweise geladenen stationären Ultracaps nicht auftreten.
[0021] Zeile c) zeigt als nächsten Schritt die Verbindung des auf 12,5% geladenen mobilen Ultracaps 1, mit dem stationären Ultracap 4 mit einer Ladung von 37,5%. Durch den Ladungsausgleich erreicht der mobile Ultracap eine Ladung von 25%.
[0022] Die folgenden Zeilen d)-h) zeigen die nacheinander erfolgende Verbindung des mobilen Ultracaps mit jeweils weiteren stationären Ultracaps 5-9 mit jeweils höherer Ladung von 50%, 62,5%, 75%, 87,5%, 100%.
[0023] In der Zeile I der Fig. 2 ist der letzte Ladeschritt gezeigt, der den mobilen Ultracap auf Vollladung bringt. Zu diesem Zweck hat der stationäre Ultracap 10 eine höhere Ladung als der zuvor verbundene Ultracap 9, nämlich eine Ladung, die 112,5% einer Vollladung eines gleich grossen Ultracaps entspricht. Diese Ladung wird durch zwei in Serie geschaltete Ultracaps mit je 60,25% Ladung erreicht. Zu beachten ist also, dass die einzelnen stationären Ultracaps nicht vollgeladen sein müssen. Alternativ kann für den Ultracap 10 einer mit grösserer Kapazität verwendet werden.
[0024] Die Wahl der Einzelschritte kann auf vielfältige Weise variiert werden. Ebenso kann das Verfahren durch Einsatz von Ultracaps mit unterschiedlichen Kapazitäten in der Ladestation variiert werden, ohne vom grundsätzlichen Verfahren abzuweichen.
[0025] So werden gemäss einem alternativen Ausführungsbeispiel die in Fig. 2 gezeigten und vorstehend beschriebenen Ladungsschritte, bei denen die mobilen und die stationären Ultracaps die gleiche Kapazität, letztere aber unterschiedliche Ladung aufweisen, mit stationären Ultracaps unterschiedlicher Kapazität, aber immer voller Ladung ausgeführt. Wenn die mobilen Ultracaps ganz oder weitgehend entladen sind, werden an der Ladestation zunächst stationäre Ultracaps mit kleinerer Kapazität angeschlossen, die aber voll geladen sind und somit ein Maximum an Ladung übertragen.
[0026] Beispielsweise wird ein mobiler Ultracap mit 1000 F, der nur noch eine Ladung von 4% entsprechend 0.108 V aufweist, für den ersten Ladungsschritt mit einem voll geladenen stationären Ultracap mit einer Kapazität von lediglich 5% des mobilen Ultracaps verbunden. In den folgenden Schritten erfolgt nacheinander die Verbindung mit voll geladenen stationären Ultracaps mit jeweils höherer Kapazität. Auf diese Weise kann der fliessende Ladestrom ebenfalls auf die zulässige Stärke begrenzt werden.
[0027] Das schrittweise Vorgehen gemäss Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Art eines stufenweisen Ladevorgangs. In der praktischen Anwendung wird eine Alternative angewendet, bei der vermieden wird, dass nach jedem Ladeschritt Energie in unterschiedlich und zum Teil beachtlich geladenen Ultracaps «übrig» bleibt. Ein solches alternatives Verfahren ist in der als Fig. 3 beigefügten Tabelle dargestellt. In dieser Tabelle stellen die ersten beiden Zeilen den Ausgangszustand dar. In der zweiten Zeile stehen das Symbol «X» für den mobilen Ultracap, und die acht Symbole A-H für stationäre Ultracaps. Die Ladung dieser Ultracaps ist darüber in der ersten Zeile angegeben. Darunter sind in den Rahmen 0-7 die einzelnen Ladeschritte gezeigt. Dabei sind die ersten beiden Schritte 0 und 1 gleich wie die Schritte b) und c) der Fig. 2.
[0028] Die nachfolgenden Schritte 2-7 zeigen ein anderes Vorgehen in den folgenden Phasen. Einzelne Ultracaps werden seriell kombiniert. Im Schritt 2 werden die stationären Ultracaps A B und C mit der jeweils nach dem vorangegangenen Ladeschritt 1 noch verbliebenen Ladung in Serie geschaltet und mit dem mobilen Ultracap X verbunden. Ultracap A hat am Ende des Schritts 1 noch 12,5%, Ultracap B noch 25% und Ultracap C noch die ursprünglichen 12,5% Ladung. In Serie ergibt dies 50% Ladung des Verbunds, die den mobilen Ultracap X auf 37,5% laden. Entsprechend werden in Schritt 3 die Ultracaps C und D in Serie geschaltet und mit dem mobilen Ultracap verbunden Der Verbund hat 62,5% Ladung, mit der der mobile Ultracap auf 50% aufgeladen wird. Die weiteren Schritte sind aus der Tabelle unmittelbar zu entnehmen.
CH 715 056 A2 [0029] Durch die Serienschaltung in den jeweils nächstfolgenden Schritten wird erreicht, dass weniger Energie in den in der Ladestation verbleibenden Ultracaps «übrig» bleibt, dass «innen-widerstandslose» Einheiten vermieden werden, d.h. beladungs-problematische Ultracaps per Design ausgeschlossen sind, dass die Ladestation schneller wieder zur «Ladebereitschaft einer Mobileinheit» geladen werden können (da weniger Energie «gebunkert» werden muss), und dass somit der Prozess effizienter, sparsamer und zeitnaher durchzuführen ist.
[0030] Kommt eine Ladestation zum Einsatz, an der aufeinander folgend mobile Einheiten geladen werden, so stellen die unterschiedlich und teilweise beachtlich geladenen verbleibenden, ladenden Ultracaps kein Problem dar, da sie weiter zum Einsatz kommen und da bei einer passenden Dimensionierung nur der am stärksten geladene Ultracap erneut in den Verbund eingebracht werden muss. Ein Ultracap, welcher aus dem ladenden, stationären Verbund ausgeschieden ist, weil er zu schwach geladen ist, muss wieder so voll aufgeladen werden, dass er in der Kaskade an die oberste Stelle treten kann.
[0031] Bei einem Verfahren, in dem eine Anzahl mobiler Ultracaps gleichzeitig geladen werden, ist es belanglos, wie stark ausgeschiedene Ultracaps aufgeladen sind. Ausschlaggebend ist lediglich, dass man einen ladenden Verbund seriell zusammenstellen kann, dessen Summe der elektrostatischen Felder eine Ladung aufweisen, welcher der einem in der Kaskade an oberster Stelle einzufügenden Ultracap entspricht. Ladestationen dieses Typs sind auf massiven Durchlauf ausgerichtet. Deshalb müssen sie, im Gegensatz zu den zuvor erwähnten Ladestationen, eine markant höhere Anzahl «freier», d.h. nicht zwingend zu 100% beladener» Ultracaps auf Vorrat halten und laden können, sobald diese frei werden. Weiter muss eine derartige Ladestation in der Lage sein, diese situativ und dynamisch zu virtuellen Einheiten zu gruppieren. Diese können auch als virtuelle Reserven bezeichnet werden und machen den Unterschied dieses Typs zu dem vorgängig erwähnten Typ aus, welcher lediglich nur physische Reserven aufweist, was ihn wesentlich günstiger und einfacher, aber auch ineffizienter macht.
[0032] Ein Verfahren des Loadbalancing von Webservern ist Round-Robin: die zur Verfügung stehenden Server sind durchnummeriert, jede neue Anfrage aus dem Web erhält ein Inkrement des Indexes um eins, und bei Erreichen des letzten Servers wird wieder am Anfang weiter geführt. Ein Analog dazu ist ein hieranzuwendendes «Reih-Um-Verfahren»: In der Art eines Zifferblatts einer Uhr entspricht jede Minute einem Sechzigstel eines vollen Kreises und wird einem Verbindungspunkt gleichgesetzt.
[0033] Wenn der Ladevorgang einer mobilen Einheit in sechzig einzelne Einheiten aufgeteilt wird, so repräsentiert jeder Verbindungspunkt eine Untereinheit der Ladestation, welche um eine Differenz des Ladevorgangs höher geladen ist, als der im Gegenuhrzeigersinn daneben liegende Verbindungspunkt. Die komplett leere Mobileinheit wird zuerst mit dem «Minute 1 »-Punkt verbunden und somit geladen, eine Sekunde später mit dem «Minute 2»-Punkt, usw., bis sie mit dem Verbinden mit dem letzten Punkt zu 100% geladen ist.
[0034] Alle dem Zifferblatt entsprechenden Punkte haben jeweils ein Quantum Ladung abgegeben und müssen bei einem erneuten Durchgang/Ladevorgang im Gegenuhrzeigersinn eine Position verschoben werden. Die «oberste Position in der Kaskade» wird dadurch unbesetzt und muss durch eine vollständig geladene Einheit ersetzt, bzw. aufgefüllt werden. Danach ist das System wieder bereit, eine neue Mobileinheit vollständig aufzuladen.
[0035] Das stufenweise Verbinden der stationären Ultracaps in der Ladestation mit den mobilen Ultracaps im Fahrzeug wird durch eine technisch einfache elektronische Steuerung vorgenommen, die vom Fachmann ohne weiteres erstellt werden kann. Auch im Fahrzeug kann in der Bordelektronik eine Kontrolle vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass der Ladungszustand der mobilen Batterie nicht unter einen Mindestwert fällt, um an der Ladestation direkt die Schnellladung vorzunehmen und den vorgängigen Schritt für das teilweise Laden zu vermeiden.
[0036] Das beschriebene stufenweise Ladeverfahren für mobile Ultracaps ist um mehralszwei Grössenordnungen schneller als das Laden einer Traktionsbatterie mit elektrochemischen Akkumulatoren. Da der Ladungsausgleich in jedem Einzelschritt weniger als eine Sekunde dauert, ist auch bei einer Vielzahl von Schritten eine Vollladung einer mobilen Batterie in wenigen Minuten möglich. Durch diesen Vorteil wird der Nachteil der geringeren Reichweite wegen der geringeren Energiedichte von kapazitiven Speichern gegenüber den Akkumulatoren deutlich überkompensiert.
[0037] Ultracaps eignen sich ideal dafür, beim Bremsen die kinetische Energie zurück zu gewinnen. Konventionelle Akkumulatoren-Batterien sind dafür nur begrenzt geeignet. Dies muss im Design eines Fahrzeugs berücksichtigt werden, u.a. auch um die Reichweite zu erhöhen, speziell im städtischen Bereich.
[0038] Durch die extrem kurzen Ladezeiten liegen vielfältige Systemerweiterungen nahe: So wird es Benutzern ermöglicht, ähnlich wie bei Autobahn-Zahlstellen in eine Box zu fahren, das Fahrzeug automatisch beladen zu lassen und nach ein oder zwei Minuten weiter zu fahren. Dabei identifiziert ein Überwachungssystem anhand z.B. des Zulassungskennzeichens das Fahrzeug, prüft die Bonität und ladet ohne menschliches Zutun z.B. von unten die mobile Einheit.
[0039] Ein ähnliches System kann an stark frequentierten Ampeln eingebaut werden. Während der Rot-Phase wird beladen, und erst nach Beendigung des Ladevorgangs wird auf Grün geschaltet. Da die Phasen und deren Länge dem Ampelsystem bekannt sind, integrieren sich beide Steuerungssysteme harmonisch und ergeben einen zusätzlichen Nutzen.
[0040] Optional kann eine Funktionalität verbaut werden, dass ggf. e-Autos andere e-Autos beladen können.
CH 715 056 A2

Claims (7)

Patentansprüche
1 XI 12.5 X14B1 25 25 Al 12.5 1Z.5 Bl 375 25 25 Cl 12.5 12.5 DI 25 25 El 25 25 Fl 25 25 Gl 25 25 Hl 25 25 2 X2 Al B2 C2 D2 E2 F2 G2 H2 25 12.5 25 12.5 25 25 25 25 25 A1+B2+C2 12.5+25+12.5 50 {=Verbund$zelle) X2+(A1+B2+C2 37.S 37.5 37.5 37.5 25 25 25 25 25
1. Verfahren zum Laden mobiler Kondensatoren an einer Ladestation, dadurch gekennzeichnet, dass die mobilen Kondensatoren an der Ladestation mehrfach zeitlich nacheinander mit stationären geladenen Kondensatoren verbunden werden, deren Ladung jeweils höher ist als diejenige der mobilen Kondensatoren.
2~
hig.L
CH 715 056 A2
0 25 37.5 12.5 25 25 25 25 25 X A D G H 0 XO AO 60 CO DO EO FO GO HO 0 25 37.5 12.5 25 25 25 25 25 XO + AO 125 12.5 12.5 12.5 37.5 12.5 25 25 25 25 25
2. Ladeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationären Kondensatoren für die anfänglichen Ladeschritte einen Bruchteil der Kapazität der mobilen Kondensatoren aufweisen und nacheinander stationäre Kondensatoren mit jeweils höherer Kapazität verbunden werden, wobei die stationären Kondensatoren jeweils voll geladen sind.
3 X3 37.5 X3+[C3+D3) C3 D3 E3 F3 37.5 25 25 25 C3+D3 37.5+25 62.5 (=Verbund$zelle) G3 25 H3 25 SO 50 50 50 25 25 25 25
3. Ladeverfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren Ultracaps sind.
4 X4 D4 E4 F4 G4 H4 SO 50 25 25 25 25 D4+E4 X4+(O4+E4) 50+25. 75 (=Verbundszel(e=VZ)
62.5 625 62.5 625 25 25
4. System zum Laden mobiler Kondensatoren gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ladestation mit stationären geladenen Kondensatoren verbunden werden, deren Ladung jeweils höher ist als diejenige der mobilen Kondensatoren.
5. Ladesystem gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren Ultracaps sind.
CH 715 056 A2
CH 715 056 A2
6 X6 75 X6+(G6+D4) F6 G6 H6 75 25 28 F6+G6 75*25 100 (=VZ) 375 875 87.5 875 25
7 X7 875 X7+(G7*H7J G7 H7 875 25 G7+H7 87.5+25 1125 100 100 100 1C0
(νζι
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