BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Ladesäulensystems aus mindestens zwei Ladesäulen, die jeweils mit wenigstens einer Festoxid- brennstoffzelle sowie mit einer elektrisch mit der Festoxidbrennstoffzelle elektrisch verbindbaren oder elektrisch verbundenen Hochvoltbatterie ausgerüstet sind, wobei die Ladesäulen eingerichtet sind, über einen Wandler einen elektrischen Ladestrom an einer Schnittstelle zum Anschluss eines batterieelektrisch betriebenen Verbrauchers bereitzustellen, umfassend die Schritte:

- Prüfen des Ladezustands der Hochvoltbatterie einer ersten Ladesäule, durch welche die elektrische Energie zum Aufladen des Verbrauchers über die Schnittstelle bereitgestellt wird,

- Aufladen der Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule, und ggfs. des Verbrauchers, durch einen stromerzeugenden Betrieb der Festoxidbrennstoffzelle der ersten Ladesäule, wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule unter einen ersten Grenzwert gesunken ist, und

- Aufladen der Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule mittels eines von einer zweiten Ladesäule bereitgestellten elektrischen Stroms, wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie unter einen zweiten Grenzwert gesunken ist, der unterhalb des ersten Grenzwerts liegt.

Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brenn- stoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O ^2- bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Ka- thodenseitig findet die folgende Reaktion statt: O2 + 2e ^_ 2O ² ’ (Reduk- tion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgende Reaktionen: H2

Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen über 700°C, bei denen sie betrieben werden.

Bei der steigenden Anzahl an Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird eine steigende Anzahl an Ladesäulen, an strategisch günstigen Punkten, wie zum Beispiel einem Supermarktparkplatz, benötigt. Allerdings sind die elektrischen Netze nicht für derartige Leistungen ausgelegt. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine Fest- oxidbrennstoffzelle zur Erzeugung des elektrischen Stroms in den Ladesäulen anzuordnen, deren Brennstoff über ein Gasnetz, insbesondere für Erdgas, bereit gestellt werden kann, da die Kapazität des Gasnetzes für den Energietransport ausreicht. Diese Festoxidbrennstoffzelle produziert eine große Menge an Abwärme.

In der KR 100963529 B1 wird eine Ladestation mit Batterieladegerät und Steuerungsverfahren beschrieben, die die Zyklen des Ein- und Ausschaltens einer Brennstoffzelle während des Ladens mehrerer Elektrofahrzeuge minimiert. Die CN 104 393 626 A1 offenbart eine Ladestation, die mit einer Fest-oxid-Brenn- stoffzelle betrieben wird. Ein System aus mehreren parallel geschalteten Brennstoffzellen für die Versorgung einer elektrischen Last ist aus der JP 2005 019 182 A bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, um den Energieverlust, der durch das Aufheizen der Festoxidbrennstoffzelle in einer Ladestation entsteht, durch Zusammenschalten mehrerer Ladesäulen zu minimieren. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Ladesäule für ein Ladesäulensystem zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Ladesäule mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Ladesäulen mit einer Festoxidbrennstoffzelle in einem Ladesäulensystem verwendet werden, wobei die Festoxidbrennstoffzellen mit den Hochvoltbatte- rien elektrisch verbindbar oder elektrisch verbunden sind, und wobei der Ladezustand einer ersten Ladesäule geprüft wird, die Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule aufgeladen wird sobald der Ladezustand unter einen ersten Grenzwert gesunken ist, und die Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule mittels einer zweiten Ladesäule aufgeladen wird, wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie unter einen zweiten Grenzwert gesunken ist. Der Energieverlust durch das häufige Aufheizen der als Festoxidbrennstoffzelle gebildeten Hochtemperaturbrennstoffzelle in der jeweiligen Ladesäule kann durch ein intelligentes elektrisches Zusammenschalten mehrerer solcher Ladesäulen minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad der verwendeten Brennstoffzellen gesteigert ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der von der zweiten Ladesäule bereitgestellte elektrische Strom von der Festoxidbrennstoffzelle der zweiten Ladesäule erzeugt wird. Als Voraussetzung hierfür kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der Festoxidbrennstoffzelle der zweiten Ladesäule eine Mindesttemperatur besitzt, wobei andernfalls auch ein Laden über die Hochvoltbatterie der zweiten Ladesäule erfolgt. Dadurch wird die Ladeenergie einer Ladesäule bei ungleicher Nutzungsverteilung erhöht, da die Festoxidbrennstoffzelle nicht extra erwärmt werden muss.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn mehr als zwei der Ladesäulen im Ladesäulensystem vorhanden sind, und wenn die Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule mit dem elektrischen Strom der Festoxidbrennstoffzelle derjenigen Ladesäule versorgt wird, bei der die wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle in Betrieb ist und eine vorgegebene Mindesttemperatur aufweist. Dadurch ist eine Auswahl einer bereits „warmen“ Festoxidbrennstoffzelle möglich, wodurch Verluste für das Heizen der „kälteren“ Festoxidbrennstoffzelle gemieden werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn mehr als zwei der Ladesäulen im Ladesäulensystem vorhanden sind, wenn die Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule in einem Ruhezustand vollständig durch die Festoxidbrennstoffzelle der ersten Ladesäule geladen wird, wenn anschließend diejenige Ladesäule des Ladesäulensystems identifiziert wird, deren Hochvoltbatterie den geringsten Ladezustand aufweist, und wenn diese Hochvoltbatterie mit dem von der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom der ersten Ladesäule aufgeladen wird, wodurch das gesamte Ladesäulensystem wirtschaftlicher genutzt werden kann.

Es ist weiterhin sinnvoll, wenn die wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle der ersten Ladesäule abgeschaltet wird, wenn festgestellt wird, dass die Hochvoltbatterien aller weiteren Ladesäulen des Ladesäulensystems einen Ladezustand aufweisen, der den ersten Grenzwert erreicht oder überschritten hat, wodurch ungleiche Ladezustände ausgeglichen werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn im Falle des Unterschreitens des ersten Grenzwerts bei der ersten Ladesäule, diejenige Ladesäule identifiziert wird, deren Hochvoltbatterie als nächstes den ersten Grenzwert erreicht oder überschreitet, und wenn die elektrische Leistung der Festoxidbrennstoffzelle dieser Ladesäule zum Nachladen der ersten Ladesäule verwendet wird. Es ist allerdings auch möglich, dass diese Ladesäule zuerst vollgeladen und anschließend die erste Ladesäule mit einem geringeren Ladezustand geladen wird. Eine gute Wärmenutzung der Festoxidbrennstoffzelle ist dadurch möglich, da Start- und Auf- wärmverluste minimiert werden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass im Falle des Unterschreitens des ersten Grenzwerts bei der ersten Ladesäule und bei abgeschalteter Festoxidbrennstoffzelle aller weiteren Ladesäulen, diejenige Ladesäule identifiziert wird, deren Festoxidbrennstoffzelle am wärmsten ist, wonach diese Festoxidbrennstoffzelle zuerst eingeschaltet und für das Nachladen der Hochvoltbatterie der ersten Ladesäule genutzt wird. Durch das Einsetzen der wärmsten Festoxidbrennstoff- zelle für das Aufladen der Hochvoltbatterie kann ein häufiges Erwärmen aller Festoxidbrennstoffzellen vermieden werden, was sich durch eine längere Lebensdauer und geringeren Investitionskosten für das Ladesäulensystem auszeichnet.

Sinnvoll ist es weiterhin, wenn der erste Grenzwert in einem Bereich von 60 bis 80 Prozent einer Gesamtbatteriekapazität liegt. Auf diese Weise muss die Ladesäule also nicht sofort oder permanent nachgeladen werden. Dies kann aufgrund der benötigten Aufheizenergie für die Festoxidbrennstoffzelle von Vorteil sein, da sie erst dann ein (verspätetes) Nachladen bewirkt, wenn sie eine wirkungsgradoptimierte Betriebstemperatur besitzt.

Es ist weiterhin für ein betriebssicheres Laden eines Verbrauchers vorteilhaft, wenn der zweite Grenzwert in einem Bereich von 40 bis 50 Prozent einer Gesamtbatteriekapazität liegt. Es ist aus Sicherheitsgründen und der Vermeidung einer Tiefenentladung der Hochvoltbatterie sinnvoll, wenn ein dritter Grenzwert vorgegeben wird, der in einem Bereich von 15 bis 20 Prozent der Gesamtbatteriekapazität liegt.

Erfindungsgemäß wird außerdem eine Ladesäule vorgeschlagen, umfassend eine Hochvoltbatterie und wenigstens eine über einen Gleichspannungswandler verbundene oder verbindbare Festoxidbrennstoffzelle, wobei die Hochvoltbatterie und/oder die Festoxidbrennstoffzelle über einen Wandler mit einer Schnittstelle verbunden oder verbindbar sind, um einen batterieelektrisch betriebenen Verbraucher anzuschließen und nachzuladen. Die Ladesäule zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass batterieseitig des Gleichspannungswandlers eine weitere elektrische Schnittstelle zur elektrischen Anbindung einer weiteren Ladesäule vorliegt, dass in einer zur weiteren elektrischen Schnittstelle verlaufenden Verbindung ein erster Schalter zur elektrischen Anbindung oder zur elektrischen Trennung der weiteren Ladesäule eingebunden ist, und dass batterieseitig ein zweiter Schalter zur elektrischen Anbindung oder zur elektrischen Trennung der Hochvoltbatterie von der zur weiteren elektrischen Schnittstelle verlaufenden Verbindung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine noch aktive oder eine Mindesttemperatur besitzende Brennstoffzelle zum Laden einer Hochvoltbatterie einer anderen Ladesäule verwendet werden kann, wodurch Aufheizverluste reduziert werden. Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile, Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleichem Maße für die erfindungsgemäße Ladesäule.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematischer Betrieb eines Ladesäulensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ladesäule für das Ladesäulensystem, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des aus mehreren Ladesäulen gebildete Ladesäulensystems.

Die Figur 1 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Steuerung eines Ladesäulensystems 10, wobei zuerst der Ladezustand einer Hochvoltbat- terie 12 einer ersten Ladesäule 8 geprüft wird (S100). Wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 unter einen ersten Grenzwert, der sich beispielsweise in einem Bereich von 60 bis 80 Prozent einer Gesamtbatteriekapazität befindet, gesunken ist (S200), wird die Hochvoltbatterie 12 durch eine Festoxidbrennstoffzelle 1 der ersten Ladesäule 8 aufgeladen (S300). Gegebenenfalls wird auch die Batterie eines an die erste Ladesäule 8 angeschlossenen Verbrauchers 13 ebenfalls mit aufgeladen. Alternativ besteht im Falle des Unterschreitens des ersten Grenzwerts durch die Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 die Möglichkeit der Prüfung, ob weitere Hochvoltbatterien von anderen Ladesäulen ggf. voll oder annähernd vollgeladen sind, und ob die Festoxidbrennstoffzelle einer der anderen Ladesäulen für ein Nachladen der ersten Säule zur Verfügung steht, die noch „warm“ ist und deshalb mit einem besseren Wirkungsgrad das Nachladen bewirken kann.

Wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 unter einen zweiten Grenzwert, der sich beispielsweise in einem Bereich von 40 bis 50 Prozent der Gesamtbatteriekapazität liegt, gesunken ist (S400), wird die Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 mittels eines von einerzweiten Ladesäule 9 bereitgestellten elektrischen Stroms aufgeladen (S500). Der bereitgestellte elektrische Strom wird durch die Festoxidbrennstoffzelle 2 von der zweiten Ladesäule 9 bereitgestellt. Wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 unter einen dritten Grenzwert, der sich beispielsweise in einem Bereich von 15 bis 20 Prozent der Gesamtbatteriekapazität liegt, gesunken ist (S600), wird die Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 mittels Festoxidbrennstoffzellen von mehreren anderen Ladesäulen aufgeladen (S700).

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ladesäule 8 für ein batterieelektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 13, wobei auch ein Hybrid-Fahrzeug in diese Definition eingeschlossen sein soll. Alle weiteren Ladesäulen des Ladesäulensystems 10 weisen vorzugswiese einen identischen Aufbau auf. Die Ladesäule 8 enthält eine Festoxidbrennstoffzelle 1 , die unter Nutzung eines Brennstoffes 14, beispielsweise aus einem Erdgasnetz bereit gestelltes Erdgas, elektrischen Strom für die Ladung der Hochvoltbatterie 12 und/oder der Batterie eines Verbrauchers 13 (z.B. eines Elektro-Kraftfahrzeugs) generiert. In der Ladesäule 8 ist die Hochvoltbatterie 12 über einen Gleichspannungswandler 18 mit der Festoxidbrennstoffzelle 1 elektrisch verbunden, wobei die Hochvoltbatterie 12 und/oder die Festoxidbrennstoffzelle 1 über einen Wandler 3 mit einer Schnittstelle 4 verbunden oder verbindbar ist. Batterieseitig des Gleichspannungswandlers 18 liegt eine weitere elektrische Schnittstelle 5 zur elektrischen Anbindung einer weiteren Ladesäule 9 des Ladesäulensystems 10 vor, wobei in einer zur weiteren elektrischen Schnittstelle 5 verlaufenden Verbindung ein erster Schalter 6 zur elektrischen Anbindung oder zur elektrischen Trennung der weiteren Ladesäule 9 eingebunden ist. Batterieseitig liegt außerdem ein zweiter Schalter 7 zur elektrischen Anbindung oder zur elektrischen Trennung der Hochvoltbatterie 12 von der zur weiteren elektrischen Schnittstelle 5 verlaufenden Verbindung vor, um die Hochvoltbatterie selektiv mit der weiteren, zwei- ten Ladesäule 9 oder mit ihrer eigenen Festoxidbrennstoffzelle 1 elektrisch zu koppeln.

Die Figur 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ladesäulensystems 10. Wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 unter einen ersten Grenzwert sinkt, wird die Hochvoltbatterie 12 von der Festoxid- brennstoffzelle 1 der ersten Ladesäule 8 geladen. Wenn der Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 unter einen zweiten Grenzwert sinkt, der unterhalb des ersten Grenzwerts liegt, wird die Hochvoltbatterie 12 der ersten Ladesäule 8 mittels einer Festoxidbrennstoffzelle 2 der zweiten Ladesäule 9 mit elektrischem Strom aufgeladen. Dabei wird die erste Ladesäule 8 von derjenigen Ladesäule elektrisch versorgt, bei der wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle 2 in Betrieb ist und/oder eine vorgegebene Mindesttemperatur aufweist, damit Aufheizverluste vermieden werden können.

BEZUGSZEICHENLISTE: Festoxidbrennstoffzelle zweite Festoxidbrennstoffzelle Wandler (DC/DC - Wandler) erste Schnittstelle zweite Schnittstelle erster Schalter zweiter Schalter erste Ladesäule zweite Ladesäule Ladesäulensystem Thermokompressor Hochvoltbatterie Kraftfahrzeug Brennstoff/Erdgas Luft Ladestrom Thermische Isolierung Gleichspannungswandler (DC/DC - Wandler)