Die Erfindung betrifft eine Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, mit einem Verbrennungsmotor, einem Tank für einen flüssigen Energieträger, einer Kraftstoffleitung vom Tank zum Verbrennungsmotor, einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung zur Erwärmung des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung, einem Generator, einer Anschlussvorrichtung, die eingerichtet ist, um an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden, wobei die Vorrichtung zum Anschluss des Elektrofahrzeuges geeignet ist, elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen und wobei der Generator an den Verbrennungsmotor derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie durch den Generator in elektrische Energie umwandelbar ist.

Stand der Technik

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

Bekannt sind stationäre Systeme zur elektrischen Versorgung von stationären Ladesäulen, um die T raktionsbatterie eines Plug-In-Fahrzeuges - Hybrid- oder Elektrofahrzeug - wieder aufzuladen, wie z.B. in DE 102009016 505 A1 beschrieben. Die Ladesäule selbst wird auf einer Stromschiene an der Stromversorgung angeschlossen. Ein bestehendes Stromnetz weist dabei ein Anschlusselement zum Ausgeben elektrischer Energie an ein Elektrofahrzeug auf.

Eine derartige Ladesäule weist den Nachteil auf, dass sie nicht flexibel aufstellbar bzw. abzubauen ist. Die Kosten für den Aufbau und insbesondere den Anschluss der Ladesäule an das bestehende Stromnetz sind ebenfalls sehr hoch. Falls also die Ladesäule nur temporär an dem derzeitigen Ort verbleiben soll, verursacht ihre Aufstellung und ihr Abbau unnötig hohe Kosten. Flexibler ersetzbar sind Ladesäulen, die derart aufgebaut sind, dass sie transportabel sind.

Die Patentschrift “DE 10 2010 043 516 A1 - Vorrichtung zur Schnellladung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs“ der Firma Power Innovation Stromversorgungstechnik GmbH offenbart eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie. Die Vorrichtung weist einen elektrischen Energiespeicher (Akku) auf, der über eine programmierbare Steuerung und einen AC/DC-Wandler den Energiespeicher des Fahrzeugs lädt. Der Energiespeicher der Vorrichtung selbst wird über verschiedene Gleichspannungsquellen wieder aufgeladen. Alle Komponenten (Energiespeicher, Steuerung, Wandler) sind in einer Einrichtung angeordnet, die Gleichspannungsquelle zur Aufladung des Energiespeichers extern und entfernt von der Einrichtung.

Diese Ladesäule weist den Nachteil auf, dass sie so groß und schwer gestaltet ist, dass sie nur auf großen Fläche aufgebaut und betrieben werden kann, z.B. auf Parkplätzen von Einkaufszentren. Ihr Einsatz in z.B. Parkhäusern ist nicht möglich. Ebenfalls ist ein Anschluss an ein bereits bestehendes Stromnetz notwendig.

Die Gebrauchsmusterschrift “DE 20 2010 011 567 U1 - Mobile Stromtankstelle“ der Firma Beton- und Energietechnik Heinrich Gräper GmbH & Co. KG offenbart eine transportable Stromtankstelle, die innerhalb eines transportablen Stationsgebäudes angeordnet ist. Das Gebäude weist mehrere Räume auf und besteht aus Beton. Im Gebäude sind sowohl Brennstoffzellenmodule, Speicherbehälter für den Brennstoff (Wasserstoff, Methan, Biogas) als auch ein Wechselrichter angeordnet. Außerdem weist das Gebäude eine Photovoltaikanlage zur Eigenversorgung auf.

Diese Ladesäule ist ebenfalls sehr groß und schwer. Für ihren Transport wird mindestens ein Lastkraftwagen benötigt.

Die Patentschrift “DE 10 2017 207 023 B4 - Ladesystem und Verfahren zum Betreiben eines Ladesystems“ der Firma AUDI AG offenbart ein Ladesystem, das eine transportierbare Ladestation aufweist. Die Ladestation weist einen Generator auf, der mittels eines synthetischen Kraftstoffs betrieben wird. Überschüssige Energie wird in einer Zwischenspeichereinrichtung (Akku), die in der Ladestation angeordnet ist, gespeichert. Der Kraftstoff selbst wird in einer externen Kraftstoffherstellungseinrichtung hergestellt. Dabei wird mittels regenerativer Energiequellen aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre der Kraftstoff synthetisiert.

Diese Ladesäule benötigt für ihren Betrieb synthetischen Kraftstoff, der derzeit nicht oder nur in geringen Mengen zur Verfügung steht und deshalb sehr teuer ist. Ein Betrieb der Ladesäule ist daher ebenfalls sehr teuer, eine Versorgung mit dem benötigten synthetischen Kraftstoff nicht garantiert.

Die Schrift „EP 1 513 211 A2 - Fuel supply device for direct methanol fuel cells“ der Firma Samsung Electronics Co., Ltd. beschreibt eine methanol-betriebene Brennstoffzelle, die einen abnehmbaren und hinzufügbaren Tank für das Methanol aufweist. Durch den Tank wird der in der Brennstoffzelle befindliche Hohlraum befüllt. Diese Ladevorrichtung gibt eine derart geringe Leistung ab, dass sie für Kraftfahrzeuge nicht nutzbar ist. Die Brennstoffzelle ist im Wesentlichen zur Wiederaufladung von elektronischen Handgeld-Geräten (PDA, Notebooks, Smartphones...) konzipiert. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine autark funktionierende Ladesäule für Kraftfahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist, Elektrofahrzeuge in kurzer Zeit wiederaufzuladen und hierbei möglichst umweltschonend arbeitet.

Die genannte Aufgabe wird mittels der Ladesäule gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, weist einen Verbrennungsmotor, einen Tank für einen flüssigen Energieträger sowie eine Kraftstoffleitung zwischen Tank und Verbrennungsmotor auf. Außerdem weist die Ladesäule eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung auf, die geeignet ist, den flüssigen Energieträger in der Kraftstoffleitung zu erwärmen. Weiterhin weist die Ladesäule einen Generator auf, der an den Verbrennungsmotor derart gekoppelt ist, dass die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Zusätzlich weist die Ladesäule eine Anschlussvorrichtung auf, die eingerichtet ist, an ein Elektrofahrzeug angeschlossen zu werden und elektrische Energie an das Elektrofahrzeug zu übertragen.

Die Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigem Dampfdruck und insbesondere einer hohen Verdampfungswärme zum Betreiben eines Ottomotors weist insbesondere bei Kaltstart und in der kalten Betriebsphase - wenn der Verbrennungsmotor noch nicht die optimale Betriebstemperatur erreicht hat - Probleme auf. Es hat sich herausgestellt, dass es aufgrund des niedrigen Dampfdrucks und der hohen Verdampfungswärme schwierig bis unmöglich ist, Verbrennungsmotoren mit solchen Kraftstoffen bei Umgebungstemperaturen unter 20 °C zu starten. In der Kaltlaufphase läuft der Verbrennungsmotor unruhig und/oder weist hohe Kohlenmonoxid- (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen auf. Die Abgase insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase erfordern eine aufwändige Nachbehandlung. Diese Probleme treten bei Verbrennungsmotoren, die mit herkömmlichem Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden, die eine geringere Verdampfungswärme aufweisen, so nicht auf. Eine geeignete Maßnahme zur Abhilfe dieser Probleme ist eine Kraftstoffvorwärmung, die mittels einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung sehr einfach und damit auch kostengünstig umgesetzt werden kann. Das Luft- Kraftstoff- Gemisch weist bei Verwendung einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine derart hohe Temperatur auf, dass die Kraftstoffpartikel fein verteilt sind und nahezu stöchiometrisch im Verbrennungsmotor verbrannt werden. Das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase wird so wesentlich verbessert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ladesäule eine stationäre Ladesäule, die für den stationären Betrieb vorgesehen und ausgelegt ist. Unter stationärem Betrieb wird im Sinne dieser Erfindung der Betrieb zur Durchführung von mehreren Ladevorgängen an einer Position verstanden. Dies schränkt hingegen nicht die leichte Portierbarkeit der Ladesäule ein, die unabhängig von Ver- oder Entsorgungsanschlüssen aufgestellt werden kann und autark funktioniert. Daher besteht auch die Möglichkeit, die Ladesäule mit einem geringen Aufwand umzustellen, falls sich der bisherige Aufstellungsort als ungeeignet erweist, anders genutzt werden soll oder ein besserer Stellplatz für Ladesäule gefunden wurde. Weiterhin kann die Ladesäule zum Zwecke der Wartung oder der Reparatur in einfacher Weise auf ein Transportfahrzeug geladen, um diese Arbeiten in einer Werkstatt durchzuführen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Ladesäule einen elektrischen Energiespeicher auf, der geeignet und dafür vorgesehen ist, die zum Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung benötigte elektrische Energie bereitzustellen. Der Energiespeicher versorgt die Kraftstofferwärmungsvorrichtung mit Energie. Der elektrische Energiespeicher ist vorteilhafterweise wiederaufladbar ausgebildet.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor geeignet und dafür vorgesehen, mit einem flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanol- Anteil von mindestens 50 Vol.-% betrieben zu werden. Der Tank enthält den flüssigen Energieträger mit einem Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-%. Beide Kraftstoffarten können aus Biomasse umweltverträglich und nachhaltig hergestellt werden, sind weltweit als Kraftstoffe seit Langem etabliert und stehen somit preiswert zur Verfügung. Ihr Transport und ihre Lagerung sowie ihr Betrieb sind vergleichbar mit herkömmlichem Benzin und damit unproblematisch. Optional sind auch Kraftstoffe mit Ethanol- und/oder Methanol-Gehalt von mindestens 75 Vol.%, bevorzugt 85 Vol.% und besonders bevorzugt 95 Vol.% zu verwenden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Ladesäule eine Steuereinheit auf, die geeignet und dafür vorgesehen ist, den Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung zu steuern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird mit Beginn des Ladevorgangs gestartet, bei Beendigung des Ladevorgangs wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung abgeschaltet. Je nach Ausführung der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird außerdem ihre Energieabgabe geregelt, damit die Temperatur des durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung erwärmten Kraftstoffs innerhalb eines durch den Betreiber der Ladesäule gewählten Bereichs liegt. Der Beginn des Ladevorgangs ist beispielsweise die erste Information an die Ladesäule, dass ein Ladevorgang gestartet werden soll. Dies kann beispielsweise die Authentifizierung des Nutzers sein, der Anschluss eines Ladekabels oder auch das Aufwecken der Ladesäule aus dem Stand-By-Betrieb. Der Beginn des Ladevorgangs liegt aber in jedem Fall vor dem Start des Verbrennungsmotors zur Erzeugung der elektrischen Energie.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine PTC-Keramik oder einen elektrischen Widerstandsheizer auf. Beide Bauformen arbeiten zuverlässig, sind überden durch sie geleiteten Strom gut zu kontrollieren und kostengünstig zu implementieren. Ein PTC-Zuheizer weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass er selbstregulierend ist, d.h. eine voreinstellbare Maximaltemperatur kann bauartbedingt nicht überschritten werden. In einerweiteren Ausführung der Erfindung istdie Kraftstofferwärmungsvorrichtung in derart unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung angeordnet, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung effektiv und ohne großen Wärmeverlust erwärmt werden kann.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist die Abwärme der Kraftstofferwärmungsvorrichtung nutzbar, um die Kraftstoffleitung zu erwärmen. Üblicherweise wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung selbst erwärmt, die Wärme der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird zur Erwärmung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung genutzt.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Kraftstofferwärmungsvorrichtung der Motorblock des Verbrennungsmotors erwärmt, um ein zündfähiges Kraftstoffgemisch zu erhalten.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Ladesäule eine Einhausung auf, in der der Verbrennungsmotor, die Kraftstoffleitung, die Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die Steuereinheit, der Generator und/oder der elektrische Energiespeicher angeordnet sind. Die Dimensionen der Ladesäule sind sehr kompakt und diese kann als ganzes Bauteil transportiert, aufgestellt, betrieben und wieder abgebaut werden. Insbesondere für den ländlichen Bereich bietet die erfindungsgemäße Ladesäule Vorteile gegenüber herkömmlichen Ladesäulen, die an ein bestehendes Stromnetz angeschlossen werden müssen: Die Kosten der Ladesäule und damit die Investitionen für Installation und Betrieb sind niedrig. Falls die Ladesäule an dem gewählten Standort nicht rentabel betrieben werden kann, ist sie leicht wieder abzubauen. Auch im Falle von baulichen Maßnahmen in unmittelbarer Umgebung der Ladesäule ist diese schnell zu entfernen und an einer anderen, geeigneteren Stelle wieder aufbaubar.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Ladesäule ausschließlich Leitungen und/oder Anschlüsse auf, die dazu geeignet sind, elektrische Energie aus der Ladesäule heraus zu leiten. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse (Ladekabel) wird die in der Ladesäule erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben. Die Ladesäule weist keine weiteren elektrischen Anschlüsse auf, die außerhalb des Gehäuses liegen. Die Ladesäule benötigt daher keinen Anschluss an ein bestehendes Stromnetz. Die Kosten der Ladesäule und damit die Investitionen für Installation und Betrieb sind niedrig.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung der Ladesäule als eine Erwärmungsvorrichtung zur Erwärmung der angesaugten Luft ausgebildet. Beim Bilden des Kraftstoff-Luftgemisches mit der vorerwärmten Luft wird dann auch der Kraftstoff erwärmt. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung kann in dieser Ausführungsform beispielsweise als Wärmetauscher, PCT-Heizer und/oder Widerstandsheizer ausgebildet sein. Weiterhin kann die angesaugte Luft auch durch Abwärme von anderen Bauteilen der Ladesäule wie beispielsweise dem Motor oder elektrischen Bauelementen, wie dem Gleichrichter erwärmt werden. Hierfür ist es allerdings erforderlich, dass die Luftführung über eine gewisse Strecke entlang eines entsprechend wärmeabgebenden Bauelements der Ladesäule geführt wird.

Die genannte Aufgabe wird ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen gemäß Anspruch 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Energie in einer Ladesäule für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird ein flüssiger Energieträger von einem Tank einem Verbrennungsmotor zugeführt. Üblicherweise wird dazu eine Kraftstoffpumpe eingesetzt, die mittels des in der Ladesäule verbauten Energiespeichers betrieben wird. Der Ladevorgang beginnt, wenn beispielsweise ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Im zweiten Verfahrensschritt wird der flüssige Energieträger erwärmt. Die Erwärmung erfolgt durch eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die z.B. die Kraftstoffleitung erwärmt. Im dritten Verfahrensschritt wird der Verbrennungsmotor mit dem erwärmten flüssigen Energieträger betrieben. Im vierten Verfahrensschritt wird die vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Im fünften Verfahrensschritt wird die erzeugte elektrische Energie an ein Elektrofahrzeug abgegeben.

Es hat sich herausgestellt, dass es schwierig ist, bei der Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigen Dampfdrücken und hohen Verdampfungsenthalpien Verbrennungsmotoren bei Umgebungstemperaturen unter 10 °C zu starten. In der Kaltlaufphase läuft der Verbrennungsmotor unruhig und/oder weist hohe Kohlenmonoxid- (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen auf. Die Abgase insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase erfordern eine aufwändige Nachbehandlung. Diese Probleme treten bei Verbrennungsmotoren, die mit herkömmlichem Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden, die eine geringere Verdampfungswärme aufweisen, so nicht auf. Eine geeignete Maßnahme zur Abhilfe dieser Probleme ist eine Kraftstoffvorwärmung, die mittels einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung sehr einfach und damit auch kostengünstig umgesetzt werden kann. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch weist bei Verwendung einer Kraftstofferwärmungsvorrichtung eine derart hohe Temperatur auf, dass die Kraftstoffpartikel fein verteilt sind und nahezu stöchiometrisch im Verbrennungsmotor verbrannt werden. Das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors insbesondere beim Startvorgang und während der Kaltlaufphase wird so wesentlich verbessert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in einer stationären Ladesäule in einem stationären Betrieb durchgeführt. Unter stationärem Betrieb wird im Sinne dieser Erfindung der Betrieb zur Durchführung von mehreren Ladevorgängen an einer Position verstanden. Dies schränkt hingegen nicht die leichte Portierbarkeit der Ladesäule ein, die unabhängig von Ver- oder Entsorgungsanschlüssen aufgestellt werden kann und autark funktioniert. Daher besteht auch die Möglichkeit, die Ladesäule mit einem geringen Aufwand umzustellen, falls sich der bisherige Aufstellungsort als ungeeignet erweist, anders genutzt werden soll oder ein besserer Stellplatz für Ladesäule gefunden wurde. Weiterhin kann die Ladesäule zum Zwecke der Wartung oder der Reparatur in einfacher Weise auf ein Transportfahrzeug geladen, um diese Arbeiten in einer Werkstatt durchzuführen. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt Start und/oder Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung durch elektrische Energie aus einem Energiespeicher. Der Energiespeicher ist vorteilhafterweise wieder aufladbar und versorgt die Kraftstofferwärmungsvorrichtung mit Energie, sobald der Ladevorgang durch einen Benutzer gestartet wird.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der flüssige Energieträger, der in der Kraftstoffleitung erwärmt wird, einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% auf. Beide Kraftstoffarten können aus Biomasse umweltverträglich und nachhaltig hergestellt werden, sind weltweit als Kraftstoffe seit Langem etabliert und stehen somit preiswert zur Verfügung. Ihr Transport und ihre Lagerung sowie ihr Betrieb sind vergleichbar mit herkömmlichem Benzin und damit unproblematisch. Optional sind auch Kraftstoffe mit Ethanol- und/oder Methanol-Gehalt von mindestens 75 Vol.%, bevorzugt 85 Vol.% und besonders bevorzugt 95 Vol.% zu verwenden.

In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Kraftstoffs durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung, die in derart unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung angeordnet, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung effektiv und ohne großen Wärmeverlust erwärmt werden kann.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt der Betrieb der Kraftstofferwärmungsvorrichtung durch eine Steuereinheit. Die

Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird mit Beginn des Ladevorgangs gestartet, bei Beendigung des Ladevorgangs wird die Kraftstofferwärmungsvorrichtung abgeschaltet. Je nach Ausführung der Kraftstofferwärmungsvorrichtung wird außerdem ihre Energieabgabe geregelt, damit die Temperatur des durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung erwärmten Kraftstoffs innerhalb eines durch den Betreiber der Ladesäule gewählten Bereichs liegt. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Kraftstoffs durch eine PTC-Keramik oder einen elektrischen Widerstandsheizer. Beide Bauformen arbeiten zuverlässig, sind überden durch sie geleiteten Strom gut zu kontrollieren und kostengünstig zu implementieren. Ein PTC-Zuheizer weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass er selbstregulierend ist, d.h. eine voreinstellbare Maximaltemperatur kann bauartbedingt nicht überschritten werden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der erwärmte Kraftstoff zerstäubt, z.B. mittels eines Vergasers oder einer Einspritzdüse.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der erwärmte Kraftstoff mit einem Gas zu einem Kraftstoff-Gas-Gemisch vermischt und anschließend in der Brennkammer des Verbrennungsmotors gezündet. Der Verbrennungsmotor ist ein Kolben- Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird und mit einer Saugrohreinspritzung arbeitet. Mittels eines Kraftstoff- Einspritzventils im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors wird der erwärmte Kraftstoff zerstäubt, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird die von dem Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie zu einem Generator übertragen und von diesem in elektrische Energie umgewandelt. Der Verbrennungsmotor treibt den Generator durch Rotation an, die durch den Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie wird also durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Steuerung der Leistungsabgabe der elektrischen Energie durch Veränderung der Last und/oder der Kraftstoffdosierung. Die Leistung der Ladesäule ist damit skalierbar und kann verschiedenen zu ladenden Kraftfahrzeugen angepasst werden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Verbrennungsmotor in einem konstanten Drehzahlbereich von 1500 U/min bis 6000 U/min betrieben. Der Verbrennungsmotor läuft in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich von mit +/- 200 U/min. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Gleichzeitig wird dadurch der Verschleiß vermindert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Getriebe zwischen Verbrennungsmotor und Generator angeordnet, dass derart ausgelegt ist, dass der durch den Generator erzeugte Strom mit einer Frequenz von 50 Hz wechselt. Diese Frequenz entspricht der Frequenz des Wechselstroms in Haushalten. Mittels der erfindungsgemäßen Ladesäule und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie können daher auch Kraftfahrzeuge aufgeladen werden, die nicht über Einrichtungen zur Änderung des Ladestroms verfügen und/oder über Haushaltsstrom aufgeladen werden müssen, z.B. E- Bikes o.ä.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt die Übertragung der kinetischen Energie vom Verbrennungsmotor zum Generator mittels Zahnriemen oder Kette. Ein Antrieb des Generators mittels Zahnriemen oder Zahnkette ist kostengünstig und gleichzeitig nicht störanfällig. Außerdem kann eine Unter- oder Übersetzung der Drehzahlen von Verbrennungsmotor und Generator einfach realisiert werden.

In einer besonders vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird der Kraftstoff durch die Kraftstofferwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur T von mindestens 25 °C, bevorzugt mindestens 30 °C und besonders bevorzugt von mindestens 35 °C erwärmt. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors kann ein Betreiber der Ladesäule die Temperatur des Kraftstoffs einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors von mindestens 35 °C. Es hat sich herausgestellt, dass diese Temperatur des Kraftstoffs einen zügigen Startvorgang gewährleistet. Die Kaltlaufphase ist verkürzt und die Abgase müssen nicht aufwändig nachbehandelt werden. Je nach Kraftstoffart kann auch eine Erwärmung des Kraftstoffs auf 10°C, bevorzugt auf 15°C und besonders bevorzugt auf 20°C erfolgen. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung von Methanol der Fall.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kraftstoff infolge der Vermischung mit vorerwärmter Luft erwärmt. Bei diesem optionalen Verfahren erfolgt zunächst eine Erwärmung der dem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors zugeführten Luft. Bei der Vermischung der vorerwärmten Luft mit dem zerstäubten Kraftstoff wird der Kraftstoff vor der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erwärmt. In einer alternativen Ausführungsform wird der Kraftstoff bereits vor der Zerstäubung im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors durch die vorgewärmte Luft erwärmt. Für die Erwärmung der angesaugten Luft kann die Abwärme von Bauelementen der Ladesäule wie beispielsweise dem Motor selbst, oder auch elektrischen Bauelementen der Ladesäule genutzt werden. Alternativ können zusätzliche Heizelemente die angesaugte Luft erwärmen. Dies können Wärmetauscher, PTC-Heizer oder auch andere Widerstandsheizer sein.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladesäule für die Aufladung von Elektrofahrzeugen und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule mit

Widerstandsheizer

Fig. 2: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule mit PTC-Heizer Fig. 3: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule ohne separate

Kraftstofferwärmungsvorrichtung,

Fig. 4: Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufladung von Elektrofahrzeugen

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 zeigt Fig. 1. Die Ladesäule 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist üblicherweise ein Kolben-Verbrennungsmotor 3, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird. Möglich sind aber auch andere Bauformen wie z.B. Wankelmotor oder T urbine. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Saugrohreinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff-Einspritzventils 14 im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden.

Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% aufweist. Bevorzugt wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 reines Methanol (Methanol-Gehalt > 95 Vol.%) zum Betrieb verwendet.

Dieser Kraftstoff kann aus Biomasse umweltverträglich hergestellt werden, ist weltweit als Kraftstoff seit Langem etabliert und steht daher preiswert zur Verfügung. Transport und Lagerung sowie der Betrieb von Methanol in Verbrennungsmotoren 3 ist vergleichbar mit herkömmlichem Benzin (für Kraftfahrzeuge) und damit unproblematisch.

Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, ist in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung 12 eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 verbaut. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 eine elektrische Widerstandsheizung, deren stromdurchflossene Wendeln um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt sind und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt.

Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.

Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 9 derart gesteuert, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 stets, aber insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3, eine Temperatur von mindestens 15 °C aufweist. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 3 kann ein Betreiber der Ladesäule 1 eine Temperatur des Kraftstoffs von mindestens 30 °C einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 von mindestens 35 °C. Der Strom für den Widerstandsheizer der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 wird vom elektrischen Energiespeicher 5 bereitgestellt.

Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs.

Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben.

Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone.

Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Tank 6, Energiespeicher 5, Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüsse 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Die Ladesäule 1 kann daher autark betrieben werden, d.h. sie benötigt keinen elektrischen Anschluss an ein bestehendes Stromnetz.

Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) 10 in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 35 °C erwärmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 eine Widerstandsheizung, deren stromdurchflossene Wendeln um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt sind und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.

Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.

Die Verwendung von Methanol zum Betreiben eines Ottomotors war jedoch bisher mit einem erheblichen Kaltstart und / oder Laufbetriebsproblem konfrontiert, das normalerweise bei Benzin- und Dieselmotoren nicht auftritt. Es hat sich herausgestellt, dass es aufgrund des niedrigen Dampfdrucks und der hohen Verdampfungswärme von Methanol schwierig ist, mit Methanol betriebene Fahrzeugmotoren bei Umgebungstemperaturen unter 10 ° C zu starten. Selbst wenn ein mit Methanol betriebener Motor irgendwie gestartet wurde, wurde festgestellt, dass das zugehörige Fahrzeug ein schlechtes Fahrverhalten hatte und / oder hohe Kohlenmonoxid- (CO-) und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen von dem Motor ausstrahlten.

Bisher wurden verschiedene Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, um diese Probleme zu lösen, einschließlich der Verwendung von Brennstoff- und Vergaserheizungen zur Unterstützung der Brennstoffverdampfung, der Verwendung von Methanol- Dissoziationsreaktoren zur Erzeugung leicht brennbarer Gase und der Zugabe flüchtiger Verbindungen zum Methanol Treibstoff. In Bezug auf die elektrische Erwärmung eines Luft / Methanol-Kraftstoff-Gemisches, um dadurch einen Kaltstart bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, hat sich herausgestellt, dass die erforderliche elektrische Leistung dramatisch ansteigt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 , deren Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer ist. Die Ladesäule 1 wird stationär betrieben und weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist ein Kolben-Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) arbeitet. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Direkteinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff-Einspritzventils 14 im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden, das im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird.

Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 75 Vol.-% aufweist. Alternativ wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 reines Ethanol (Ethanol-Gehalt > 95 Vol.%) zum Betrieb verwendet.

Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, ist in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffleitung 12 eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 verbaut. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer, der bauartbedingt eine Eigenregelung aufweist und daher keine zusätzliche Temperatursensorik benötigt.

Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.

Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern. Die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 9 derart gesteuert, dass der Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 stets, aber insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3, eine Temperatur von mindestens 25 °C aufweist. Je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 3 kann ein Betreiber der Ladesäule 1 eine Temperatur des Kraftstoffs von mindestens 30 °C einstellen, besonders bevorzugt wird eine Temperatur des Kraftstoffs insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 von mindestens 35 °C. Der Strom für den PTC-Zuheizer der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 wird vom elektrischen Energiespeicher 5 bereitgestellt.

Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs. Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben.

Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone.

Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Energiespeicher 5, Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüssen 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Der Tank 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel räumlich getrennt angeordnet. Ein Tank 6 kann so mehreren Ladesäulen 1 zur Verfügung stehen und diese mit Kraftstoff versorgen. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere für die Einrichtung von Stromtankstellen, die mehrere Ladesäulen 1 umfassen, besonders günstig.

Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer den elektrischen Anschluss (Ladekabel) 10 in die entsprechende Steckdose des zu ladenden Kraftfahrzeuges steckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 25 °C erwärmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 ein PTC-Zuheizer, dessen Keramikummantelung um die Kraftstoffleitung 12 gewickelt ist und so den Kraftstoff in der Kraftstoffleitung 12 erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 15 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.

Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 ohne eine Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 als separates Bauteil zeigt Fig. 3. Die Kraftstofferwärmung erfolgt durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3. Die Ladesäule 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 ist ein Kolben- Verbrennungsmotor, der nach dem Otto-Prinzip (4-Takt) arbeitet. Der Verbrennungsmotor 3 weist eine Saugrohreinspritzung auf, bei der der Kraftstoff mittels eines Kraftstoff- Einspritzventils 14 im Ansaugtrakt vor dem Einlassventil des Verbrennungsmotors 3 zerstäubt wird, um mit dem Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch zu bilden, das im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 3 mittels z.B. einer Zündkerze fremdgezündet wird.

Betrieben wird der Verbrennungsmotor 3 vorteilhafterweise vorzugsweise mit einem flüssigen Energieträger (Kraftstoff), der einen Methanol- und/oder Ethanol-Anteil von mindestens 50 Vol.-% aufweist. Bevorzugt wird in der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Ladesäule 1 ein Kraftstoffgemisch mit einem Ethanol-Gehalt von 85 Vol.% zum Betrieb verwendet.

Die Lagerung des Kraftstoffs in der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 erfolgt in einem Tank 6, der über die Kraftstoffleitung 12 mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. Um insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors 3 und in dessen Kaltlaufphase den Kraftstoff vorzuwärmen, wird in diesem Ausführungsbeispiel die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 genutzt. Dazu ist die Kraftstoffleitung 12 derart angeordnet, dass sie zumindest in einem Bereich so nahe an dem Kühlmantel des Verbrennungsmotors 3 verläuft, dass der in der Kraftstoffleitung 12 befindliche Kraftstoff auf mindestens 35 °C erwärmt wird. Eine derartige Anordnung der Kraftstoffleitung 12 benötigt keine zusätzliche Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15. Der Verbrennungsmotor 3 treibt den Generator 4 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt kinetische Energie wird also durch den Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom, der eine Frequenz von 50 Hz aufweist. Die Konstanz der Frequenz des Wechselstroms wird durch eine Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 3 und Generator 4 gewährleistet. Die Übersetzung wird z.B. mittels eines Getriebes realisiert, einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster im täglichen Betrieb ist ein Antrieb des Generators 4 mittels Zahnriemen oder Zahnkette.

Weiterhin ist in der Ladesäule 1 ein elektrischer Energiespeicher 5 (wiederaufladbarer Akku) 9 sowie eine Vorrichtung zur Beförderung des flüssigen Energieträgers 11 verbaut. Der Energiespeicher 5 versorgt die Steuereinheit 9, mittels der die Ladesäule 1 den Beginn bzw. die Beendigung eines Ladevorgangs erkennt und initiiert. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 9 den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 derart, dass der

Verbrennungsmotor 3 in einem definierten, konstant gehaltenen Drehzahlbereich läuft. Üblicherweise befindet sich dieser im Teillastbereich, um einen effizienten

Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Um eine erhöhte bzw. verminderte Leistungsabgabe zu ermöglichen, kann die Steuereinheit 9 die Kraftstoffdosierung des Verbrennungsmotors 3 entsprechend anpassen bzw. die Last des Generators 4 verändern.

Der elektrische Energiespeicher 5 startet über einen Anlasser und eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 3 fördert, ebenfalls den Verbrennungsmotor 3 bei Beginn eines Ladevorgangs. Der elektrische Energiespeicher 5 wird ggf. durch die durch den Generator 4 erzeugte elektrische Energie wieder aufgeladen. Über einen oder mehrere elektrische Anschlüsse 10 (Ladekabel) wird die in der Ladesäule 1 erzeugte elektrische Energie an ein Kraftfahrzeug abgegeben. Ein Benutzer der Ladesäule 1 kann mittels der Steuereinheit 9 den Ladevorgang bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten oder über ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone. Verbrennungsmotor 3 und Generator 4, Energiespeicher 5, Steuereinheit 9 sowie die elektrischen Anschlüssen 10 sind alle vorteilhafterweise in einer Einhausung 2 verbaut. Der Tank 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie im vorigen (Fig. 2) räumlich getrennt angeordnet. Ein Tank 6 kann so mehreren Ladesäulen 1 zur Verfügung stehen und diese mit Kraftstoff versorgen. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere für die Einrichtung von Stromtankstellen, die mehrere Ladesäulen 1 umfassen, besonders günstig.

Die benötigte elektrische Energie für ihren Betrieb wird durch den wiederaufladbaren Energiespeicher 5 geliefert. Die Dimensionen der Ladesäule 1 sind ebenfalls sehr kompakt, den meisten Raum nimmt üblicherweise der Kraftstofftank 6 ein. Durch eine geeignete Wahl der Größe des Tanks 6 können die Abmessungen der Ladesäule 1 klein gehalten werden, nötig ist dann aber ggf. eine häufige Befüllung des Tanks 6 mit Kraftstoff. Die Steuereinheit 9 ist dazu vorteilhafterweise über WLAN oder ähnliche Kommunikationseinrichtungen mit dem Betreiber der Ladesäule 1 verbunden und gibt eine entsprechende Meldung ab, wenn der Tank 6 wieder befüllt werden muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt mit der Authentifizierung des Benutzers an der Ladesäule. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 35 °C erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser und Kraftstoffpumpe werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.

Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.

Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Ladestroms für die Aufladung von Elektrofahrzeugen weist fünf Verfahrensschritte auf: Der Ladevorgang beginnt, wenn ein Benutzer die Ladesäule durch eine Eingabe aus dem Stand-By-Modus weckt. Die Steuereinheit 9 erkennt dies, und im ersten Verfahrensschritt 100 wird der Kraftstoff (Gemisch mit Methanol-Gehalt > 75 Vol%) aus dem Tank 6 durch die Kraftstoffpumpe dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Kraftstoff mittels der Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 oder durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 3 insbesondere während des Startvorgangs und in der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 3 auf mindestens 20 °C erwärmt. Der Verbrennungsmotor 3 wird mittels eines Anlassers gestartet. Anlasser, Kraftstoffpumpe und Kraftstofferwärmungsvorrichtung 13/15 werden dabei durch den Energiespeicher 5 mit Energie versorgt.

Im dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verbrennungsmotor 3 mit dem erwärmten Kraftstoff betrieben und treibt den Generator 4 an, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie wird also in kinetische Energie konvertiert. Im vierten Verfahrensschritt 400 wird die kinetische Energie, die durch den Verbrennungsmotor 3 erzeugt wird, in elektrische Energie konvertiert. Diese elektrische Energie wird im fünften Verfahrensschritt 500 über das Ladekabel 10 an das Kraftfahrzeug abgegeben. Der Ladevorgang endet, wenn der Benutzer das Ladekabel 10 vom Kraftfahrzeug löst bzw. wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs ausreichend (80% der Kapazität des Energiespeichers oder mehr) geladen ist. Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Verbrennungsmotor 3 gestoppt, der Kraftstoff nicht mehr erwärmt und kein Kraftstoff mehr zum Verbrennungsmotor 3 gefördert. Die Ladesäule 1 fährt in einen Standby-Modus bis zum Beginn des nächsten Ladevorgangs.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Ansaugluft mit Hilfe eines PCT- Heizelements erwärmt bevor sie mit dem zerstäubten Kraftstoff im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors vermischt wird und den Kraftstoff dadurch erwärmt. Das PTC- Heizelement umfasst eine PTC-Keramik, die an einem Metalllamellenelement anliegt, und ein Gebläse. Das Gebläse dient zur Durchleitung der zu erwärmenden Luft durch das Metalllamellenelement. Wird die PTC-Keramik an einen Strom angeschlossen, erwärmt sie sich selbst und gibt diese Wärme an das Metalllamellenelement ab. Das Metalllamellenelement fungiert als Wärmetauscher und gibt die Wärme an die durch das Metalllamellenelement durchströmende Luft ab. Der in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors zerstäubte Kraftstoff wird dann bei der Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff erwärmt.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorerwärmung der angesaugten Luft durch die Abwärme des Verbrennungsmotors der Ladesäule. Hierzu wird der luftführende Kanal über eine Strecke von 5 cm entlang einer wärmeabgebenden Stelle des Verbrennungsmotors geführt bevor sie in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors geleitet wird. Dort erwärmt die vorgewärmte angesaugte Luft den Kraftstoff und bildet mit dem Kraftstoff ein zündfähiges Gemisch. BEZUGSZEICHENLISTE

Ladesäule

Einhausung

Verbrennungsmotor

Generator

Energiespeicher

Tank

Welle zw. VM und Generator Steuereinheit Elektrischer Anschluss Kraftstoffleitung

Kraftstofferwärmungsvorrichtung/Widerstandsheizung

Kraftstofferwärmungsvorrichtung/PTC-Heizer

Einspritzdüse

Zuführen des flüssigen Energieträgers Erwärmung des flüssigen Energieträgers Betrieb des Verbrennungsmotors Konvertierung der kinetischen/elektrischen Energie Abgabe des Wechselstroms an ein Elektrofahrzeug