Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule mit den Verfahrensschritten Erzeugen von kinetischer Energie, Speisen eines ersten Generators mit der erzeugten kinetischen Energie und Konvertieren der erzeugten kinetischen Energie in elektrische Energie mittels des ersten Generators, sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Stand der Technik

Mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die mit einem Elektromotor betrieben werden, geht eine funktionierende Infrastruktur zum Laden der Elektrofahrzeuge einher. Neben dem Laden an der Haussteckdose muss den Benutzern von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit eingeräumt werden, auch im öffentlichen Bereich Energie zu beziehen. Bei den zur Zeit 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 Ladesäulen, um die Traktionsbatterie eines Plug-In-Fahrzeuges - Hybrid oder Elektrofahrzeug - wieder aufzuladen, wie z.B. in DE 102009016 505 A1 beschrieben. Die Ladesäule selbst wird auf eine Stromschiene der Stromversorgung angeschlossen. Ein bestehendes Stromnetz weist dabei ein Anschlusselement zum Ausgeben elektrischer Energie an ein Elektrofahrzeug auf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufladung von Elektrofahrzeugen bereitzustellen, mit der eine Aufladung kostengünstiger möglich ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladesäule zur Aufladung von Elektrofahrzeugen bereitzustellen, die kostengünstiger betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von Ladestrom für ein Elektrofahrzeug in einer Ladesäule weist drei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird kinetische Energie erzeugt. Die kinetische Energie tritt insbesondere als Translations- und/oder Rotationsbewegung auf und erfolgt in einer Energiekonversionsvorrichtung. Die Energiekonversionsvorrichtung ist z.B. ein Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist üblicherweise ein Kolben- Verbrennungsmotor, möglich sind auch andere Verbrennungsmotoren wie z.B. ein Wankelmotor oder eine Turbine. Durch geeignete Wahl des Startzeitpunktes eines Verbrennungsmotors wird der Ladevorgang für einen Nutzer deutlich verringert. Im zweiten Verfahrensschritt wird ein erster Generator mit kinetischer Energie aus der Energiekonverionsvorrichtung gespeist. Der erste Generator ist mit der Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt und wird durch diese angetrieben. Im dritten Verfahrensschritt wird mittels des ersten Generators die von der Energiekonversionsvorrichtung erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie konvertiert. Der durch die Energiekonversionsvorrichtung angetriebene erste Generator erzeugt einen Strom, der überwiegend zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird ein zweiter Generator mit kinetischer Energie aus der Energiekonverionsvorrichtung gespeist. Der zweite Generator konvertiert die kinetische Energie in elektrische Energie. Der zweite Generator ist ebenfalls mit der Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt und wird durch diese angetrieben. Der zweite Generator erzeugt einen Strom, der in erster Linie zum Betrieb der Ladesäule verwendet wird.

Energiekonversionsvorrichtungen im Sinne dieser Erfindung sind im Wesentlichen Vergbrennungsmotoren, die Wahlweise mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden können. Sie konvertieren die Energie eines flüssigen und/oder gasförmigen Energieträgers in kinetische Energie. Als Energiekonversionsvorrichtungen werden auch Brennstoffzellen , Windräder und/oder Solarzellen verstanden. Weiterhin werden auch Gleichrichter und/oder Wechselrichter als Energiekonversionsvorrichtungen verstanden.

Aufgrund dieses vorteilhaften Verfahrens ist die Ladesäule völlig autark zu betreiben, ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. ein bestehendes Stromnetz, ist nicht nötig. Dadurch werden die Kosten für die Installation der Ladesäule gegenüber z.B. durch Mittelspannungsnetze betriebene Ladesäulen deutlich verringert. Zugleich kann der Aufstellungsort der Ladesäule flexibler gewählt werden, ein in unmittelbarer Nähe befindlicher Stromanschluss ist nicht notwendig. Diese Eigenschaft ist insbesondere in ländlichen Räumen wichtig.

In einer Weiterbildung der Erfindung wir der erste Generator und der zweite Generator mit kinetischer Energie aus der gleichen Energiekonverionsvorrichtung gespeist. Hierbei wird dann die von der Energiekonversionsvorrichtung erzeugte kinetische Energie in durch den ersten und durch den zweiten Generator in elektrische Energie konvertiert.

In einerweiteren Gestaltung der Erfindung erzeugt der erste Generator einen elektrischen Strom mit einer Spannung von mehr als 100 V. Der vom ersten Generator erzeugte Strom ist üblicherweise ein Drehstrom mit einer Spannung von 400 V. Damit ist die Auslegung der Ladesäule für eine Schnellladung von Elektrofahrzeugen möglich. In einer weiteren Ausführung der Erfindung erzeugt der zweite Generator einen elektrischen Strom mit einer Spannung von weniger als 250 V. Für den Betrieb der in der Ladesäule verbauten Komponenten werden üblicherweise elektrische Spannungen von 12 V, 24 V oder 48 V benötigt. Eine durch den zweiten Generator erzeugte elektrische Spannung von 220 V ermöglicht das Betreiben von elektrischen Geräten, wie sie in Haushalten üblich sind. Die Ladesäule kann aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens daher neben der Aufladung von Elektrofahrzeugen auch als Hausstromgenerator eingesetzt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der vom ersten Generator erzeugte elektrische Strom zu 100 % für die Aufladung eines Elektrofahrzeugs verwendet. Die Stromleistung des ersten Generators ist derart skaliert, dass eine Aufladung eines Elektrofahrzeugs innerhalb eines vertretbaren Zeitraumes möglich ist. Diese Stromleistung beträgt vorteilhafterweise mindestens 3,7 kW, für eine Schnellladung werden mindestens 22 kW benötigt.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der vom zweiten Generator erzeugte Strom für die Ladung eines in der Ladesäule angeordneten Energiespeichers verwendet. Der elektrische Energiespeicher ist üblicherweise eine wiederaufladbare Batterie, z.B. ein Li-Ionen-Akku oder eine Säurebatterie. Ein derartiger Energiespeicher hat eine hohe Energiedichte, ist technisch ausgereift und verfügbar.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiespeicher (die Batterie?) in der Ladesäule angeordnet. Die wiederaufladbare Batterie, z.B. ein Li-Ionen-Akku, benötigt je nach Energiegehalt (Kapazität) so wenig Platz, dass sie in einer Ladesäule angeordnet werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der erste Generator über ein erstes Kopplungselement mit der erzeugten kinetischen Energie gespeist. Das erste Kopplungselement weist üblicherweise eine ausrückbare Kupplung und einen Zahnriemen auf. Möglich ist auch eine Verbindung durch Keilriemen oder Kette.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Generator über ein zweites Kopplungselement mit der erzeugten kinetischen Energie gespeist. Das zweite Kopplungselement weist vorteilhafterweise einen wartungsarmen Riemenantrieb ohne dazwischenliegende Kupplung auf.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist die zweite Kopplungseinrichtung separat von der ersten Kopplungsanordnung angeordnet. Daher ist jedes Kopplungselement separat zugänglich und im Wartungsfall einfach zu warten und zu reparieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der vom zweiten Generator erzeugte Strom für den Betrieb einer HMI-Einheit, einer Steuerung und/oder einer Kommunikationseinheit verwendet. Die HMI-Einheit, die Steuerung und/oder die Kommunikationseinheit sind in der Ladesäule angeordnet. Mittels der HMI-Einheit werden die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Die Leistungseinheit ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform (z.B. Gleich oder Wechselspannung), die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der vom zweiten Generator erzeugte elektrische Strom für die Aufladung eines Elektrofahrzeuges verwendet. Neben der Versorgung der Komponenten der Ladesäule mit elektrischer Energie kann die vom zweiten Generator erzeugte elektrische Energie auch zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs verwendet werden. Der Aufladevorgang kann so beschleunigt werden, indem mehr elektrische Leistung in das Elektrofahrzeug eingespeist wird. Alternativ oder zusätzlich kann für den Aufladevorgang der Energiespeicher (Akku) der Ladesäule verwendet werden, der durch den zweiten Generator aufgeladen wird. Die Aufgabe wird außerdem durch die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet und dafür vorgesehen ist, gemäß Anspruch 12 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ladesäule, die zur Aufladung von Elektrofahrzeugen geeignet ist, weist eine Energiekonversionsvorrichtung sowie einen an die Energiekonversionsvorrichtung angeschlossenen ersten Generator auf. Die Energiekonversionsvorrichtung ist z.B. ein Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist üblicherweise ein Kolben-Verbrennungsmotor, möglich sind auch andere Verbrennungsmotoren wie z.B. ein Wankelmotor oder eine Turbine. Der erste Generator ist mit der Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt und wird durch diese angetrieben. Der durch die Energiekonversionsvorrichtung angetriebene erste Generator erzeugt einen Strom, der überwiegend zur Aufladung eines Elektrofahrzeugs verwendet wird.

Erfindungsgemäß ist ein zweiter Generator an die Energiekonversionsvorrichtung angeschlossen. Der zweite Generator ist ebenfalls mit der Energiekonversionsvorrichtung gekoppelt und wird durch diese angetrieben. Der zweite Generator erzeugt einen Strom, der in erster Linie zum Betrieb der Ladesäule verwendet wird. Aufgrund dieser vorteilhaften Anordnung der Generatoren ist die erfindungsgemäße Ladesäule völlig autark zu betreiben, ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. ein bestehendes Stromnetz, ist nicht nötig. Dadurch werden die Kosten für die Installation der Ladesäule gegenüber z.B. durch Mittelspannungsnetze betriebene Ladesäulen deutlich verringert. Zugleich kann der Aufstellungsort der Ladesäule flexibler gewählt werden, ein in unmittelbarer Nähe befindlicher Stromanschluss ist nicht notwendig. Diese Eigenschaft ist insbesondere für die Nutzung der erfindungsgemäßen Ladesäule in ländlichen Räumen wichtig.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung sind der erste Generator und der zweite Generator über jeweils separate Kopplungselemente mit der Energiekonversionsvorrichtung verbunden. Das erste Kopplungselement weist üblicherweise eine ausrückbare Kupplung und einen Zahnriemen auf. Möglich ist auch eine Verbindung durch Keilriemen oder Kette. Das zweite Kopplungselement weist vorteilhafterweise einen wartungsarmen Riemenantrieb ohne dazwischenliegende Kupplung auf. Aufgrund der getrennten Anordnung sind die Kopplungselemente separat zugänglich und im Wartungsfall getrennt zu warten bzw. zu reparieren.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der erste Generator über eine Stromleitung, die geeignet und dafür vorgesehen ist, den erzeugten Strom zu leiten, mit dem Anschluss für ein Ladekabel verbunden. Die vom ersten Generator erzeugte elektrische Energie wird verwendet, um den Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs aufzuladen. Mittels des Ladekabels erfolgt die Verbindung zwischen Ladesäule und Energiespeicher des Elektrofahrzeugs.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Generator ausschließlich über eine oder mehrere Stromleitungen, die geeignet und dafür vorgesehen sind, den erzeugten Strom zu leiten, mit einem oder mehreren Ladekabelanschlüssen verbunden. Mittels eines Ladekabels erfolgt die Verbindung zwischen Ladesäule und Energiespeicher eines zu ladenden Elektrofahrzeugs. Mehrere Anschlüsse für Ladekabel ermöglichen die gleichzeitige Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge. Die vom ersten Generator erzeugte elektrische Leistung wird dann zwischen mehreren Elektrofahrzeugen aufgeteilt.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist zwischen dem ersten Generator und dem Ladekabelanschluss ein erster Gleichrichter geschaltet. Der erste Generator erzeugt üblicherweise einen Wechselstrom. Ein Batteriespeicher eines Elektrofahrzeugs benötigt jedoch zur Aufladung einen Gleichstrom. Durch einen in der erfindungsgemäßen Ladesäule angeordneten Gleichrichter ist im zu ladenden Elektrofahrzeug kein Gleichrichter notwendig, wodurch Kosten und Gewicht des Elektrofahrzeugs reduziert werden können. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist der zweite Generator über eine Stromleitung, die geeignet und dafür vorgesehen ist, den erzeugten Strom zu leiten, mit einer Batterie verbunden. Die Ladesäule wird daher durch die in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig, die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einerweiteren Ausführung der Erfindung ist zwischen dem zweiten Generator und der Batterie ein zweiter Gleichrichter geschaltet. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird als Gleichstrom an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs geleitet. Der Gleichrichter funktioniert insbesondere als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellt. Die erfindungsgemäße Ladesäule lädt also ein zu ladendes Elektrofahrzeug nicht nur mit der durch die Generatoreinheit erzeugten elektrischen Energie, sondern auch zusätzlich durch die in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie. Dadurch wird die Ladedauer deutlich verkürzt. Alternativ kann parallel ein zweites Elektrofahrzeug geladen werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Batterie über eine Stromleitung mit der Energiekonversionsvorrichtung verbunden, wobei die Stromleitung dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, den Motor mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Motor benötigt für Start und Betrieb elektrische Energie. Die Ladesäule wird daher durch die in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig, die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der zweite Generator über eine Stromleitung, die geeignet und dafür vorgesehen ist, den erzeugten Strom zu leiten, mit einer HMI-Einheit, einer Kommunikationseinheit und/oder einer Steuerung verbunden. Der Ruhezustand (Stand-by-Betrieb) der Ladesäule erfordert eine geringe Energiezufuhr der HMI-Einheit und der Leistungseinheit, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Diese Energiezufuhr erfolgt durch die Batterie. Start und Betrieb der HMI-Einheit und der Leistungseinheit erfolgen ebenfalls mit gespeicherter elektrischer Energie in der Batterie. Die Ladesäule wird daher durch die in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie autark betrieben. Ein Anschluss der Ladesäule an eine externe Energiequelle, z.B. eine Stromleitung, ist nicht notwendig, die Kosten für die Installation der Ladesäule werden dadurch verringert.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie über einen Wechselrichter und eine Stromleitung mit dem ersten Gleichrichter verbunden. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird als Gleichstrom an den Wechselrichter geleitet, die den Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt. Der danach geschaltete Gleichrichter wandelt den Wechselstrom wieder in einen Gleichstrom. Wechselrichter und Gleichrichter funktionieren beide als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellen.

In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Batterie über einen Gleichstromwandler und eine Stromleitung mit dem Ladekabelanschluss verbunden. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie wird als Gleichstrom an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs geleitet. Der Gleichrichter funktioniert insbesondere als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule einstellt. Der Gleichrichter kann auch ein Netzteil sein bzw. den Funktionsumfang eines Netzteils aufweisen. Die erfindungsgemäße Ladesäule lädt also ein zu ladendes Elektrofahrzeug nicht nur mit der durch die Generatoreinheit erzeugten elektrischen Energie, sondern auch zusätzlich durch die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie. Dadurch wird die Ladedauer deutlich verkürzt. Alternativ oder zusätzlich kann parallel ein zweites Elektrofahrzeug geladen werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Generator dafür vorgesehen und dafür geeignet, Strom mit einer Spannung größer 100V zu erzeugen. Der vom ersten Generator erzeugte Strom ist üblicherweise ein Drehstrom mit einer Spannung von 400 V. Damit ist die Auslegung der Ladesäule für eine Schnellladung von Elektrofahrzeugen möglich.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der zweite Generator dafür vorgesehen und dafür geeignet, Strom mit einer Spannung kleiner 250V zu erzeugen. Für den Betrieb der in der Ladesäule verbauten Komponenten werden üblicherweise elektrische Spannungen von 12 V, 24 V oder 48 V benötigt. Eine durch den zweiten Generator erzeugte elektrische Spannung von 220 V ermöglicht das Betreiben von elektrischen Geräten, wie sie in Haushalten üblich sind. Die Ladesäule kann daher neben der Aufladung von Elektrofahrzeugen auch als Hausstromgenerator eingesetzt werden.

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

Es zeigen:

Fig. 1: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 2: Ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des

Ladevorgangs.

Fig. 3: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 4: Ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des Ladevorgangs.

Fig. 5: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule.

Fig. 6: Ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Energieverteilung während des Ladevorgangs.

Fig. 7: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladesäule. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die erfindungsgemäße Ladesäule 1 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Nennleistung von 150 kW, d.h. ein Elektrofahrzeug kann mit 150 kW Ladeleistung geladen werden. In der Ladesäule 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch einen Verbrennungsmotor M als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist hier ein Kolben-Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 180 kW, möglich sind aber auch andere Bauformen wie z.B. ein Wankelmotor oder Turbine. Betrieben wird der Verbrennungsmotor M vorteilhafterweise mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Betriebsstoffe sind z.B. aus pflanzlichen Rohstoffen klimaneutral herstellbar, ihre Lagerung und Handhabung ist mit der Lagerung von herkömmlichem Benzin vergleichbar und benötigt daher keine außergewöhnlichen Sicherungsmaßnahmen für die sichere Lagerung und Transport.

Ein derartiger Betriebsstoff hat typischerweise einen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i und ist die primäre Energiequelle der Ladesäule 1. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in einem Tank T. Der Verbrennungsmotor M ist über das erste Kopplungselement KE1 mit dem ersten Generator GE1 verbunden. Das Kopplungselement KE1 weist üblicherweise eine ausrückbare Kupplung und einen Zahnriemen auf. Möglich ist auch eine Verbindung durch Keilriemen oder Kette. Der erste Generator GE1 ist vorteilhafterweise ein durch Permanentmagneten selbsterregter dreipoliger Drehstrom-Synchrongenerator. Ein derartiger Generator benötigt zur Erzeugung des Magnetfeldes keine Energie und weist daher gegenüber fremderregten Generatoren einen höheren Wirkungsgrad von ca. 98 % auf. Außerdem kann ein Synchrongenerator eine gezielt einstellbare Leistung erzeugen, um die in der Ladesäule 1 unvermeidlich auftretende Blindleistung zu kompensieren.

Der Verbrennungsmotor M treibt den ersten Generator GE1 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird also durch den ersten Generator GE1 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom. Der erste Generator GE1 erzeugt eine elektrische Leistung von 150 kW bei einer Spannung von erfindungsgemäß mehr als 100 V, in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen 400 V. Der vom Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR1 in einen Gleichstrom umgewandelt. Über das von dem ersten Kopplungselement KE1 separat angeordnete zweite Kopplungselement KE2 ist der Verbrennungsmotor M mit einem zweiten Generator GE2 verbunden. Das zweite Kopplungselement KE2 weist einen wartungsarmen Riemenantrieb ohne Kupplung auf. Der zweite Generator GE2 wird ebenfalls wie der erste Generator GE1 durch Rotation des Verbrennungsmotors M angetrieben, die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M in elektrische Energie umgewandelt. Der zweite Generator GE2 ist wie der erste Generator GE1 ein selbsterregter Synchrongenerator mit hohem Wirkungsgrad. Der zweite Generator GE2 erzeugt einen Gleichstrom mit einer Spannung von erfindungsgemäß bis zu 250 V, in diesem Ausführungsbeispiel von 24 V.

Die HMI-Einheit H weist eine Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf dem die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Dabei sind verschiedene Bezahlsysteme möglich, z.B. über verschiedene Kreditkarten. Andere Bezahlsysteme sind ebenfalls möglich, z.B. über ein mobiles Endgerät (Smartphone). Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom zweiten Generator GE2 während der Aufladung des Elektrofahrzeugs aufgeladen. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb.

Die Ladesäule 1 weist außerdem die Anschlussvorrichtung A für ein oder mehrere Ladekabel auf, mit dem ein zu ladendes Elektrofahrzeug geladen wird. Das Ladekabel weist außerdem eine Datenleitung auf, die eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit S und Elektrofahrzeug herstellt. Über die Datenleitung wird eine Kommunikation zur Batterie des zu ladenden Elektrofahrzeugs aufgebaut und die erforderlichen Daten wie Ladezustand, Ladespannung und Ladestrom abgefragt. Die Steuereinheit S stellt aufgrund dieser Daten die Parameter des Ladestroms ein. Über die Kommunikationseinheit K, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule 1 mit dem Betreiber der Ladesäule 1 und einer Mehrzahl von weiteren Ladesäulen verbunden.

Alle diese hier genannten Komponenten der Ladesäule 1 - Tank T, Verbrennungsmotor M, die Kopplungselemente KE2, KE2, erster Generator GE1, zweiter Generator GE2, Gleichrichter GR, Anschlussvorrichtung A, Batterie B, HMI-Einheit H, Kommunikationseinheit K, Steuereinheit S - sind vorteilhafterweise in der Ladesäule 1 selbst angeordnet. Dazu weist die Ladesäule 1 ein Gehäuse auf, das die Komponenten innerhalb der Ladesäule 1 vor Witterungseinflüssen und Beschädigungen schützt.

Das Verfahren zur Erzeugung und Aufladung eines Elektrofahrzeugs beginnt mit der Erzeugung von kinetischer Energie durch die Energiekonversionsvorrichtung, in diesem Ausführungsbeispiel der Verbrennungsmotor M. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Diese Einheiten H, K, S werden dabei durch die Batterie B mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H benötigen für den Stand-By- Betrieb 70 W.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert, in diesem Ausführungsbeispiel durch die Verbindung des Ladekabels mit dem zu ladenden Elektrofahrzeug. Mittels einer Steckverbindung werden Ladesäule 1 und Elektrofahrzeug durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel verbunden. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Für den Start und Betrieb des Verbrennungsmotors M wird eine elektrische Leistung von 500 W benötigt, die von der Batterie B zur Verfügung gestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch Sensoren, z.B. einen Radarsensor, initiiert werden, der das zu ladende Elektrofahrzeug an dem der Ladesäule 1 zugeordneten Stellplatz erfasst. Möglich ist auch die Voranmeldung eines Nutzers durch ein mobiles Endgerät, z.B. ein Smartphone mit einer geeigneten App, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem festgelegten Zeitfenster startet. Denkbar ist auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten. Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet. In alternativen Anwendungsfällen, kann ein Teil der durch den ersten Generator GE1 erzeugten Energie auch zur Aufladung des Energiespeichers verwendet werden. Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung.

Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt. Ein Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 2. Der Verbrennungsmotor M als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt eine Nennleistung von 180 kW, die an die Generatoren GE1 und GE2 übertragen werden. Der erste Generator GE1 erzeugt einen elektrischen Strom mit der Leistung von 150 kW, der zweite Generator GE2 eine Stromleistung von 6 kW. Die vom zweiten Generator GE2 erzeugten 30 kW Stromleistung werden in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit 70 W der vom ersten Generator GE1 erzeugten Energieleistung werden Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit Strom versorgt. In den Gleichrichter GR gelangen daher 150 kW. Der vom ersten Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Der vom Gleichrichter GR erzeugte Gleichstrom (150 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W.

Die erfindungsgemäße Ladesäule 1 wird wie dargelegt also durch die in der Batterie B gespeicherte elektrische Energie, den diese speisenden Generator GE2 und letztlich durch den im Tank T gelagerten Kraftstoff als primäre Energiequelle mit Energie versorgt. Die erfindungsgemäße Ladesäule 1 benötigt daher keine externe Energiequelle, z.B. einen Stromanschluss, für die Aufladung eines Elektrofahrzeugs. Die Kosten für den Anschluss an eine externe Stromquelle erfordern erfahrungsgemäß einen hohen Aufwand und sind mit hohen Kosten verbunden. Die erfindungsgemäße Ladesäule 1 ist kostengünstiger zu installieren als z.B. eine Ladesäule, die ihren Primärstrom aus dem verfügbaren Stromnetz bezieht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion mithilfe der Energiekonversionsvorrichtung, in diesem Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsmotor, gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet.

Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die Ladesäule 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter WR auf. In der Ladesäule 1 wird die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch den Verbrennungsmotor M als Energiekonversionsvorrichtung erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist ein Kolben-Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 70 kW, betrieben wird der Verbrennungsmotor M mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in dem Tank T.

Der Verbrennungsmotor M treibt den ersten Generator GE1 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird also durch den ersten Generator GE1 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom. Der Verbrennungsmotor M ist über das erste Kopplungselement KE1 mit dem ersten Generator GE1 verbunden. Der erste Generator GE1 erzeugt eine elektrische Leistung von 50 kW. Der vom ersten Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Über das von dem ersten Kopplungselement KE1 separat angeordnete zweite Kopplungselement KE2 ist der Verbrennungsmotor M mit einem zweiten Generator GE2 verbunden. Der zweite Generator GE2 wird ebenfalls wie der erste Generator GE1 durch Rotation des Verbrennungsmotors M angetrieben, die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M in elektrische Energie umgewandelt. Der zweite Generator GE2 erzeugt einen Gleichstrom mit einer Spannung von 12 V.

Die HMI-Einheit H weist die Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf dem die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom zweiten Generator GE2 während der Aufladung des Elektrofahrzeugs aufgeladen. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb. Die Ladesäule 1 weist außerdem die Anschlussvorrichtung A für ein oder mehrere Ladekabel auf, mit dem ein zu ladendes Elektrofahrzeug geladen wird. Das Ladekabel weist außerdem eine Datenleitung auf, die eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit S und Elektrofahrzeug herstellt. Über die Datenleitung wird eine Kommunikation zur Batterie des zu ladenden Elektrofahrzeugs aufgebaut und die erforderlichen Daten wie Ladezustand, Ladespannung und Ladestrom abgefragt. Die Steuereinheit S stellt aufgrund dieser Daten die Parameter des Ladestroms ein. Über die Kommunikationseinheit K, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule 1 mit dem Betreiber der Ladesäule 1 und einer Mehrzahl von Ladesäulen verbunden. Die Batterie B ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Wechselrichter WR und dem Gleichrichter GR mit der Anschlussvorrichtung A für das Ladekabel verbunden. Während des Ladevorgangs funktionieren Wechselrichter GW und Gleichrichter GR als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule 1 einstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M (Energiekonversionsvorrichtung) verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet. Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 4. Primäre Energiequelle für den Ladevorgang ist der im Tank T gelagerte Kraftstoff (Methanol/Ethanol oder ein Gemisch von Methanol und Ethanol) mit einem angenommenen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i. Der Verbrennungsmotor M (Energiekonversionsvorrichtung) erzeugt eine Nennleistung von 70 kW, die an die Generatoren GE1 und GE2 übertragen werden. Der erste Generator GE1 erzeugt einen elektrischen Strom mit der Leistung von 50 kW, der zweite Generator GE2 eine Stromleistung von 5 kW. Die vom zweiten Generator GE2 erzeugten 5 kW Stromleistung werden abzüglich 70 W in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit 70 W der vom zweiten Generator GE2 erzeugten Energieleistung werden die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit Strom versorgt. In den Gleichrichter GR gelangen daher 50 kW Stromleistung, erzeugt vom ersten Generator GE1. Der vom ersten Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Der vom Gleichrichter GR erzeugte Gleichstrom (50 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W. Außerdem speist in diesem Ausführungsbeispiel die Batterie B mit 50 kW Stromleistung den Gleichrichter GR. Diese 50 kW Stromleistung werden als Gleichstrom zusätzlich zu den rund 50 kW der durch den ersten Generator GE1 erzeugten Stromleistung ebenfalls an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs und/oder an ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug geleitet, das mittels eines an der Anschlussvorrichtung A angeschlossenen zweiten Ladekabels mit der Ladesäule 1 verbunden ist. Der Gleichrichter GR funktioniert insbesondere als Leistungseinheit. Aufgrund dieser vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ladedauer deutlich verkürzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M als Energiekonversionsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet. Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet. Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 150 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt. Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Ladesäule 1 mit Darstellung der Verbindungen mittels Stromleitungen zwischen den Komponenten innerhalb der Ladesäule 1. Die Ladesäule 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Wechselrichter WR auf. In der Ladesäule 1 wird die elektrische Energie zur Abgabe an ein Elektrofahrzeug durch die Energiekonversionsvorrichtung, den Verbrennungsmotor M, erzeugt. Der Verbrennungsmotor M ist ein Kolben- Verbrennungsmotor mit einer Wellenleistung von 220 kW, betrieben wird der Verbrennungsmotor M mit Methanol oder Ethanol oder einem Gemisch von Methanol und Ethanol. Die Lagerung des Kraftstoffs erfolgt in der Ladesäule 1 in dem Tank T.

Der Verbrennungsmotor M treibt den ersten Generator GE1 durch Rotation an. Die durch den Verbrennungsmotor M erzeugte kinetische Energie wird also durch den ersten Generator GE1 in elektrische Energie umgewandelt, in einen Wechselstrom. Der Verbrennungsmotor M ist über das erste Kopplungselement KE1 mit dem ersten Generator GE1 verbunden. Der erste Generator GE1 erzeugt eine elektrische Leistung von 200 kW. Der vom ersten Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Über das von dem ersten Kopplungselement KE1 separat angeordnete zweite Kopplungselement KE2 ist der Verbrennungsmotor M mit einem zweiten Generator GE2 verbunden. Der zweite Generator GE2 wird ebenfalls wie der erste Generator GE1 durch Rotation des Verbrennungsmotors M angetrieben, die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M in elektrische Energie umgewandelt. Der zweite Generator GE2 erzeugt einen Gleichstrom mit einer Spannung von 48 V.

Die HMI-Einheit H weist die Anzeige- und Bedieneinrichtung auf, auf dem die für einen Nutzer wichtigen Daten wie zum Beispiel Ladestrom, Ladedauer und Kosten des Ladevorgangs abgerufen und angezeigt werden. Außerdem kann ein Nutzer den Ladevorgang einleiten bzw. beenden sowie bezahlen. Die wiederaufladbare Batterie B (Akku) weist eine Kapazität von 50 kWh auf und wird vom zweiten Generator GE2 während der Aufladung des Elektrofahrzeugs aufgeladen. Gleichzeitig versorgt die Batterie B die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit elektrischer Energie für den Betrieb sowie den Verbrennungsmotor M mit elektrischer Energie für Start und Betrieb.

Die Ladesäule 1 weist außerdem die Anschlussvorrichtung A für ein oder mehrere Ladekabel auf, mit dem ein zu ladendes Elektrofahrzeug geladen wird. Das Ladekabel weist außerdem eine Datenleitung auf, die eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit S und Elektrofahrzeug herstellt. Über die Datenleitung wird eine Kommunikation zur Batterie des zu ladenden Elektrofahrzeugs aufgebaut und die erforderlichen Daten wie Ladezustand, Ladespannung und Ladestrom abgefragt. Die Steuereinheit S stellt aufgrund dieser Daten die Parameter des Ladestroms ein. Über die Kommunikationseinheit K, die eine Internetverbindung z.B. mit einem Cloud-Speicher herstellt, ist die Ladesäule 1 mit dem Betreiber der Ladesäule 1 und einer Mehrzahl von Ladesäulen verbunden.

Die Batterie B ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Wechselrichter WR und dem Gleichrichter GR mit der Anschlussvorrichtung A für das Ladekabel verbunden. Während des Ladevorgangs funktionieren Wechselrichter GW und Gleichrichter GR als Leistungseinheit, die Ladezustand des zu ladenden Elektrofahrzeugs, Ladespannung und Ladestrom der Ladesäule 1 einstellen. Ein erstes zu ladendes Elektrofahrzeug wird in diesem Ausführungsbeispiel mit rund 200 kW Gleichstrom geladen, der von dem ersten Generator GE1 erzeugt wird. Ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug wird mit 50 kW Wechselstrom durch die Batterie B geladen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion in der Energiekonversionsvorrichtung (Verbrennungsmotor M) gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird.

Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet. Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet.

Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 200 kW. Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Energiefluss während des Ladevorgangs zwischen den Komponenten der Ladesäule 1 zeigt Fig. 6. Primäre Energiequelle für den Ladevorgang ist der im Tank T gelagerte Kraftstoff (Methanol/Ethanol oder ein Gemisch von Methanol und Ethanol) mit einem angenommenen nutzbaren Energiegehalt von 6,28 kWh/i. Der Verbrennungsmotor M (Energiekonsversionsvorrichtung) erzeugt eine Nennleistung von 220 kW, die an die Generatoren GE1 und GE2 übertragen werden. Der erste Generator GE1 erzeugt einen elektrischen Strom mit der Leistung von 200 kW, der zweite Generator GE2 eine Stromleistung von 5 kW. Die vom zweiten Generator GE2 erzeugten 5 kW Stromleistung werden abzüglich 70 W in die Batterie B geleitet, um diese aufzuladen. Mit 70 W der vom zweiten Generator GE2 erzeugten Energieleistung werden Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit Strom versorgt.

In den Gleichrichter GR gelangen daher 200 kW Stromleistung, erzeugt vom ersten Generator GE1. Der vom ersten Generator GE1 erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter GR in einen Gleichstrom umgewandelt. Der vom Gleichrichter GR erzeugte Gleichstrom (200 kW) wird in das an der Anschlussvorrichtung A angeordnete Ladekabel gespeist. Die Batterie B mit einer Kapazität von 50 kWh versorgt im Ruhezustand die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H mit insgesamt 70 W und den Verbrennungsmotor M mit 500 W. Außerdem speist in diesem Ausführungsbeispiel die Batterie B mit 50 kW Stromleistung den Gleichrichter GR. Diese 50 kW Stromleistung werden als Gleichstrom zusätzlich zu den 200 kW der durch den ersten Generator GE1 erzeugten Stromleistung ebenfalls an den Energiespeicher des zu ladenden Elektrofahrzeugs und/oder an ein zweites zu ladendes Elektrofahrzeug geleitet, das mittels eines an der Anschlussvorrichtung A angeschlossenen zweiten Ladekabels mit der Ladesäule 1 verbunden ist. Der Gleichrichter GR funktioniert insbesondere als Leistungseinheit. Aufgrund dieser vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ladedauer deutlich verkürzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Startvorgang initiiert. Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Ladesäule 1 in einem Ruhezustand (Stand-By), in dem lediglich die Steuereinheit S, die Kommunikationseinheit K und die HMI-Einheit H betriebsbereit sind. Durch den Startvorgang wird die Ladesäule 1 in einen Betriebszustand versetzt. Dazu wird zuerst der Vorgang der Energiekonversion gestartet. Eine am Verbrennungsmotor M (Energiekonversionsvorrichtung) verbaute Starteinrichtung startet den Verbrennungsmotor M, der mit Kraftstoff aus dem Tank T versorgt wird. Der mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte erste Generator GE1 wird durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den ersten Generator GE1 erzeugte elektrische Energie wird ausschließlich und zu 100 % für die Aufladung des Elektrofahrzeugs verwendet. Der ebenfalls mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelte zweite Generator GE2 wird ebenso durch die kinetische Energie des Verbrennungsmotors M angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Diese durch den zweiten Generator GE2 erzeugte elektrische Energie wird zur Aufladung des in der Ladesäule 1 angeordneten Energiespeichers sowie während der Aufladung des Elektrofahrzeugs für den Betrieb der HMI-Einheit H, der Steuerung S und der Kommunikationseinheit K verwendet.

Danach erfolgt der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs durch die vom Generator GE1 erzeugte elektrische Energie. Üblicherweise gibt ein Nutzer über die HMI-Einheit H einen Startbefehl zur Aufladung. Das Elektrofahrzeug wird durch das an der Anschlussvorrichtung A angeschlossene Ladekabel durch die Ladesäule 1 mit elektrischer Energie versorgt, in diesem Ausführungsbeispiel mit maximal 250 kW (200 kW durch den ersten Generator GE1 , 50 kW durch die Batterie B). Nach erfolgter Aufladung des Elektrofahrzeugs wird der Vorgang der Energiekonversion beendet, der Verbrennungsmotor M wird gestoppt und der Vorgang der Aufladung des Elektrofahrzeugs beendet. Es fließt also keine elektrische Energie mehr von der

Ladesäule 1 an das Elektrofahrzeug. Die Ladesäule 1 wird wieder in den Ruhezustand versetzt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Ladesäule

H HMI-Einheit

GW Gleichstromwandler

GE1 1. Generator

GE2 2. Generator

S Steuereinheit

K Kommunikationseinheit

B Batterie/Akku/Energiespeicher

A Anschlussvorrichtung für Ladekabel

T Tankeinheit

GR1, GR2 Gleichrichter

WR Wechselrichter

KE1 1. Kopplungselement

KE2 2. Kopplungselement

G Gehäuse

M Energiekonversionsvorrichtung (Verbrennungsmotor)