AT507275A2 - Nachhaltiges verkehrssystem - Google Patents

Description

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Nachhaltiges Verkehrssystem

Der steigende ölpreis und die Klimadiskussion führen zu verstärkten Anstrengungen auch den Verkehr, der den weltweit am starteten wachsende Sektor hinsichtlich Energieverbrauch und Emissionen darstellt, in ein nachhaltiges System zu QberfQhren. Trotz der Rückschläge der Wasserstofftechnik, die lange Zeit als die Zukunftslosung gesehen wurde, aber energetisch wenig Sinn macht, scheint ein emissionsfreier Antrieb dank der großen Fortschritte bei der Batterietechnik unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Viele große Fahrzeughersteller haben das Elektrofahrzeug wieder auf die Agenda genommen. Hier sind aber noch große Hoden technischer, infrastruktureller und Ökonomischer Art zu nehmen. Der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors durch den Elektroantrieb stellt aus energetischer und klimapolitischer Sicht noch keinen wesentlichen Fortschritt dar, da Elektroautos deutlich schwerer als ihre konventionellen Pendants sind und auf die gesamte Energiekette (well to wheei) bezogen nur ein kleiner Vorteil erreichbar ist. Hinzu kommen bislang ungelöste Probleme bei der Fahrzeugheizung und -klimatisierung, die die Batterien zusätzlich belasten. Ferner sind die erreichbaren Zyklenzahlen und die Energiedichte den zulässigen Ladeströmen entgegengesetzt. Für Elektroautos konventioneller Bauart, die etwa 20 kWh auf 100 km benötigen und die aus Akzeptanzgründen über mindestens 200 km Reichweite verfügen müssen, würden Zeiten für die volle Ladung an 16 A - Steckdosen von ca. 10 -15 Stunden resultieren, was kaum akzeptabel ist. Die ökonomische Schwierigkeit liegt darin, dass die erforderlichen 40 kWh Batteriekapazität derzeit über 80.000 $ kosten, wobei schneiladefähige Akkutypen meist noch teurer sind. Batterieexperten hoffen diesen Wert mittelfristig auf V* reduzieren zu können (0,5 $ /Wh), was immer noch mehr als der heutige durchschnittliche Fahrzeugpreis wäre. Um dieses Problem zu lösen, werden Batterie-Leasing-Systeme diskutiert, die den Anschaffungspreis der Batterie also nicht im Fahrzeugpreis, sondern im Kilometerpreis enthalten. Dies würde bei einer Lebensdauer der Batterie von 100.000 km derzeit 0,80 $/km Batteriekosten zuzüglich Stromkosten und Leasinggebühren bedeuten, was wohl niemand bezahlen will. Auch wird die Möglichkeit der Doppelnutzung der Fahrzeugbatterien vorgeschlagen, zum einen für die Fahrenergie, zum anderen für die Rückspeisung von Strom ins Netz, um Schwankungen zwischen Nachfrage und Erzeugung des Stroms ausgleichen zu können. Wenn also mit dem Bezug von Grundlaststrom Geld gespart und mit der Erzeugung von Spitzenlaststrom Geld verdient werden kann, reduziert sich die

2 ökonomische Hürde etwas. In US 2008/0052145 A1 und auch in US 5 642 270 ist ein solches System (vehicle-to-grid) ausführlich beschrieben. Obwohl dieser Ansatz auf den ersten Blick attraktiv erscheint, hat er doch eine Reihe von Nachteilen: Ungünstig ist, dass nur Garagen- und SteHplatzbesitzer davon profitieren und dass die Fahrzeuge zu den Spitzenlastzeiten (morgens, mittags, abends) selbst unterwegs sind, also nicht ins Netz einspeisen können. Auch kann der Mittagspeak der Solarenergie kaum aufgefangen weiden, so dass die energetischen und ökonomischen Möglichkeiten dieser Variante sehr beschrankt sind. Ferner muss der Fahrzeugbesitzer die Kosten des Rückspeisegerätes übernehmen. Am gravierendsten aber ist, dass die allermeisten privaten Stromanschlüsse nicht auf die für die Spitzenlast erforderlichen Ströme ausgelegt, sondern meist nur mit 10 oder 16 A abgesichert sind, woraus sich bei 230 V relativ geringe Einspeiseleistungen von 2,3 bzw 3,7 kW ergeben. Dies ist unbefriedigend, da die Batterien das 10- bis 20-fache leisten könnten.

Ein weiterer Ansatz, um das ökonomische Problem zu mildem, mehr aber noch, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, hat man vorgeschlagen, die Fahrzeugbatterien leicht austauschbar zu machen, so dass sie in Batteriewechselstationen, sogenannten Akkutankstellen, rasch und automatisiert gewechselt werden können. Beispiele hierfür sind in DE 10 2008 047 654 A1 und EP 1 810 869 A1 gezeigt. Shai Agassi, ehemaliger Vorstand von SAP will in naher Zukunft ein weltweites Netz von Akkutankstellen aufbauen (www.betterplace.com), was in der gezeigten Version mit einem unterflurigen Austausch der Batterien und Induktionsladestetionen neben erheblichen Investitionen auch neue Autos mit anderem Package und Design notwendig macht. Drei Gründe sprechen dafür, dass auch dies nicht genügen wird, die ökonomische Hürde zu nehmen. Erstens ist der Ersatz der Batterien eines Elektroautos wegen der hohen Batteriemasse von ca. 450 kg technisch aufwändig, zweitens müssen auf die Batteriekosten noch die Infrastrukturkosten und der Gewinn des Tankstellenbetreibers aufgeschlagen werden, was den elektrischen „Sprit“ wieder sehr teuer macht und drittens bedeutet der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor nur die Fortschreibung der Energieverschwendung mit anderen Mitteln. Das kann sich eine Weitbevölkerung, deren Energiebedarf noch auf viele Jahizehnte über dem Angebot an regenerativen Energien liegen wird, nicht leisten.

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Ein nachhaltiges und umweltfreundliches Verkehrssystem fusst fraglos auf dem Elektroantrieb einerseits und regenerativen Energien andererseits, doch wie seine Komponenten aussehen müssen, ist nach wie vor unklar. Klar ist allerdings, dass ein solches System einen hohen Effizienzfortschritt bringen und in globalem Maßstab rasch umsetzbar sein muss, denn die Zeit drangt Es ist dem Fachmann auch offenkundig, dass nur ein Denken im Gesamtsystem „Verkehr“ weiterführend ist und der Weg der Modifizierung des jetzigen Systems (conversion design) nicht möglich ist. Dies zeigt sich z.B. in der oben erwähnten Patentschrift DE 10 2008 047 654 A1, da das dort gezeigte Beispielfahrzeug keinesfalls mit der beschriebenen Art und Weise des seitlichen Batterieaustausches kompatibel ist. Es fehlt das dazu notwendige seitliche Karosseriefenster, das erforderliche Batterievolumen ist viel zu klein dargestellt und der Schwerpunkt ist zu hoch. Nachhaltige Mobilität erfordert die optimale Anpassung der Fahrzeugflotte sowohl an die tatsächliche Nutzung, die heute schon überwiegend auf der Kurzstrecke stattfindet, als auch an die besonderen Eigenschaften der regenerativen Antriebstechniken.

Im Stand der Technik ist bislang kein praktikabler Weg für die breite Einführung eines Verkehrssystems auf der Basis von Elektrofahrzeugen beschrieben, die gleichermaßen energieeffizient wie kostengünstig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten zu überwinden und ein nachhaltiges, hocheffizientes und ökonomisch günstiges Verkehrssystem zu entwickeln, das den Einsatz regenerativ erzeugten Stroms für den Straßenverkehr optimal und auf praktikable Weise nutzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen: 1. Einsatz von Elektrofahrzeugen spezieller Bauart, deren Batterien leicht und schnell ausgetauscht werden können, 2. Einsatz von Akkutankstellen (AT), die es ertauben die Batterien aus den Fahrzeugen zu entnehmen, zu lagern und mit Energie aus dem Stronetz (SN) zu laden, 3. Nutzung der den Fahrzeugen entnommenen und geladenen oder zumindest teilgeladenen Batterien zur Rockspeisung von Energie ins Netz mittels DC/AC-Wandler, z.B. Sinuswechselrichter (DC/AC). Ι^·ΜΜΒ·«

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Erfindungsgemäß werden überwiegend hocheffiziente Elektrofahrzeuge (EEV) verwendet, die sich nicht nur im Antrieb vom konventionellen Auto deutlich unterscheiden, sondern durch folgende Eigenschaften charakterisierbar sind: 1. Extremer Leichtbau mit einem überwiegenden Anteil an Leichtmetallen, Faser-verbundwerkstoffen und Kunststoffen, 2. Leichtlaufreifen mit einem Gasdruck über 4 bar und relativ geringer Breite, 3. gegenüber dem heutigen Durchschnittsauto erheblich reduzierte Höchstgeschwindigkeit und Motorleistung, 4. auf die schwerpunktsnahe Unterbringung der Batterien und deren leichten Austausch ausgerichtete Karosseriestruktur (kein Conversion Design).

Da in naher Zukunft 70% der Menschheit in Städten und Ballungsgebieten leben werden, wird außerdem vorgeschlagen, speziell für den urbanen Raum optimierte, sehr kompakte, 2 oder 2 + 2 sitzige Leichtfahrzeuge, wie sie z.B. in DE 10 2007 050 552 und in DE 198 55 585 beschrieben sind, zu verwenden, die unter 300 kg schwer sind, die EU-weit als „vierrädriges Kleinkraftfahrzeug* zugelassen werden können und die aufgrund der geringen Masse und ihrer geringen Komplexität äußerst kostengünstig herzustellen und zu betreiben sind. Nur sehr preiswerte Fahrzeuge können im globalen Maßstab ausreichend viele Käufer finden, um das System überall schnell etablieren und die für den raschen Aufbau der regenerativen Eneigieanlagen notwendigen Speicherkapazitäten aufbauen zu können.

Die Erfindung sieht auch vor, in den Elektrofahrzeugen ein oder mehrere Batterieeinheiten (BE) unter den Sitzen (30) von Fahrer und Beifahrer in einem seitlich zugänglichen Quertunnel (20) unterzubringen und sie beim Wechsel seitlich herauszufahren. Dabei wird vorgeschlagen, ein automatisches Kuppeln/Entkuppeln der Stromkontakte in der Endlage vorzusehen und die Batteriemodule mit Rollen oder Rädern zu versehen. So können die Batteriemodule manuell oder automatisch ohne großen Kraftaufwand Ober Schienen oder Flächen bewegt werden. Dabei wird der Quertunnel vorzugsweise so mit der übrigen Karosseriestruktur verbunden, dass er Torsions- und Seitenkräfte aufnehmen kann.

Es wird ferner vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) mit Informationen über die

5 aktuelle Stromproduktion und Nachfrage zu versorgen und mit einem Energiemanage-mentsystem auszustatten, das zwischen Strombezug und Stromeinspeisung je nach Lage umschalten kann. Dieses System kann auf Softwarebasis autonom entscheidend oder ferngesteuert, z.B. durch den Netzbetreiber, arbeiten. Auch ist vorgesehen, die in den Batterien enthaltene Energie für die Notstromversorgung zu verwenden. Dazu wird vorgeschlagen, den Behörden von Landkreisen, Städten und Gemeinden, Zugriff auf die Batteriekapazität zu geben, indem sie per Funk oder Datenleitung 13 femsteuemd ins Energiemanagmentsystem (EMS) der Akkutankstelle (AT) eingreifen können. Da die den Fahrzeugen entnommenen Batterien rund um die Uhr geladen werden können, ist es auch möglich, tagsüber Strom aus Sonnenkraftwerken zu verwenden.

Eine weitere Verbesserung dieser Erfindung sieht vor, die Akkutankstellen (AT) mit einem Messgerät für die Batteriekapazität und den -zustand auszustatten oder ein mit den Batterien stets verbundenes Gerät zur Batteriezustandserkennung auszulesen und Batterien, deren Kapazität zu weitgesunken ist, um wieder im Fahrzeug verwendet zu werden, nur noch für die Rückspeisung von Energie zu verwenden. Sie erhalten damit eine Art „zweites Leben“ bevor sie endgültig entsorgt werden müssen. Es ist vorteilhaft, diese Batterien aus dem fahrzeugnahen und in stetem Umschlag befindlichen Batteriemagazin zu entfernen und in ein separates Lager einzubringen. Es kann, z.B. aus Platzgründen, sinnvoll sein, dieses Lager nicht auf dem Gelände der Akkutankstelle (AT) aufzustellen, sondern an einem anderen Ort, und die entsprechenden Batterien dorthin zu transportieren. Dann wird es auch günstig sein, Batterien aus verschiedenen Akkutankstellen (AT) dort zu versammeln. In dieser Variante der Erfindung befindet sich der DC-AC-Wandler nicht mehr oder zumindest nicht mehr allein an der Akkutankstelle (AT) sondern in einem zentralen Rückspeisemagazin.

Ferner ist vorgesehen, stets einen Teil der Batterien von der Rückspeisung auszunehmen, damit sie voligeladen in die nächsten Fahrzeuge überführt werden können. Die von den Fahrzeugen übernommenen, weitgehend leeren Batterien werden zunächst vorgeladen, z.B. auf 75% der Nennkapazität, bevor sie zur Netzeinspeisung verwendet werden. Dazu wird ein Energiemanagementsystem (EMS) verwendet, das über den Ladezustand der einzelnen Batterien informiert ist und das mit Informationen zu den kurzfristig erwarteten Fahrzeugzahlen und der erwarteten Stromsituation versorgt wird.

Es wird auch vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) an ein leistungsfähiges Stromnetz (SN), z.B. Mittelspannungsnetz mit 10 kV, anzuschließen.

Um eine möglichst breite Fahrzeugpalette versorgen zu können, wird vorgeschlagen, die Batterien in standardisierte und relativ kleine Batterieeinheiten (BE), z.B. 48 V 40 Ah, aufzuteilen, die bezüglich Gewicht und Abmessungen relativ leicht handhabbar sind und die in Reihen- oder Parallelschaltung zu größeren Modulen unterschiedlicher Spannung und Kapazität im jeweiligen Fahrzeug auf einfache Weise kombiniert werden können. Aus Gründen des Wärmemanagements der Zellen im Fahrzeug und innerhalb der Batteriemagazine und um die Fahrzeuge nicht unnötig hoch zu machen, ist ferner vorgesehen, die Batterieeinheiten (BE) relativ flach auszuführen, indem man die Höhe auf nicht mehr als etwa 1/2 der größten Seitenlänge bemisst. Eine Batterieeinheit (BE) mit obigen Kennwerten und integriertem Batteriemanagmenstsystem (BMS) hätte bei Verwendung von LiFePo4-Zellen und ausreichend Kühlluftkanölen Maße von ca. L x B x H = 0,40 m x 0,35 m x 0,18 m, was einem Volumen von 25 Litern entspricht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, für Transporter, leichte Lkw und Busse erheblich größere Batterieeinheiten (BE) zu wählen und über separate Wechselstationen (6, 7) auszutauschen. Entsprechend kann auch für Eiektrofahrräder (5) eine eigene Wechselstation (8) mit einer kleinen Batterieeinheit (BE) vorgesehen werden.

Ferner wird vorgeschlagen, sogenannte Lithium Power Cells zu verwenden, die hohe Entladeströme von über 5 C bis derzeit max. 10 C vertragen, da der Ausgleich der Stromschwankungen hohe Leistungen erfordert, aber auch, weil dieser Akkutyp besonders schnell geladen werden kann. Dies wiederum verkleinert die Anzahl der Batterien in der jeweiligen Akkutankstelie (AT), die aus oben genannten Gründen nicht an der Rückspeisung teilnehmen können, was zu einer insgesamt höheren spezif-schen Rückspeiseleistung führt.

Schließlich wird vorgeschlagen, die bei der Batterieladung und -entiadung entstehende Abwärme in Batterien, Ladegeräten, Gleich- und Wechselrichtern mittels Wärmetauscher für Heizzwecke oder zur Brauchwassererwärmung zu verwenden. 7 7 ·«· ·» · ♦* » * · »M · · I # > · « »· e

Vorteile der Erfindung: Gegenüber dem Stand der Technik werden eine ganze Reihe erheblicher Vorteile erzielt:

Die Kombination von hocheffizienten Elektrofahrzeugen einerseits und regenerativ erzeugter Energie andererseits erlaubt einen Effizienzsprung gegenüber dem heutigen System um mindestens den Faktor 3 bis 5. Der Energiebedarf der individuellen Mobilität wird erheblich gesenkt, die wertvollen und knappen regenerativen Energiequellen also effektiv genutzt und die C02-Emission drastisch reduziert

Der Energietransfer über Akkutankstellen, die auch für die Strompufferung verwendet werden können, bietet nicht nur ein praktisches und zeitsparendes System für jedermann, sondern senkt die Kosten des Gesamtsystems durch Doppelnutzung der Batterien und durch die Größendegression der elektrotechnischen Anlagekosten. Ein solches System erlaubt es auch, die Fahrzeuge ohne die Batterie zu kaufen, was die Anschaffungskosten erheblich senkt.

Im Gegensatz zum Vehicle-to-Grid-System kann es jederzeit erhebliche Stromleistungen bereitstellen und dem tatsächlichen Strombedarf weit besser folgen. Beispielsweise kann eine Tankstelle mit 1000 kWh für die Rückspeisung verfügbarer Batteriekapazität eine Rückspeiseleistung von über 5000 kW erreichen. Bereits 200 solcher Tankstellen können zusammen die Leistung eines Großkraftwerks von 1 Gigawatt liefern. Zum Vergleich: In Deutschland sind derzeit ca. 7 GW Regelleistung in Pumpspeicherkraftwerken installiert. Die durch eine verstärkte Nutzung regenerativer Energiequellen notwendige zusätzliche Speicherkapazität kann bei einem fiächendeckenden Einsatz dieses Verkehrssystems ohne weiteres gedeckt werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die einfache Einbindung der Akkutankstellen (AT) in die Notstromversorgung von Gemeinden und Städten, da das System rund um die Uhr zur Verfügung steht und nur relativ wenig Einheiten zur Rückspeisung angesteuert werden müssen. Auch bei großflächigen Netzzusammenbrüchen ist dieser Notbetrieb zumindest für einige Stunden möglich.

Der seitliche Austausch der unter den Fahrersitzen befindlichen Batterien erlaubt ebenerdig aufgestellte und daher kostengünstige Batteriemagazine und Wechselvor- richtungen. Teure unterirdische Systeme sind nicht notwendig. Die Aufteilung der Batterien in relativ kleine, standardisierte Einheiten ergibt ein äußerst flexibles und auf viele Fahrzeugtypen anwendbares System. Dies bietet auch den Vorteil, dass nicht jeder Fahrzeughereteller sein eigenes Batteriesystem entwickeln muss, so dass sich nochmals ganz erhebliche Kosteneinsparungen ergeben werden. Natürlich bleibt es weiterhin möglich und je nach den Umständen sinnvoll, die Fahrzeugbatterien an der heimischen Steckdose aufzuladen, um sich den Weg zur Tankstelle zu sparen. Auch eine private Rückspeisung kann für einen bestimmten Pereonenkreis Sinn machen.Für die meisten Menschen aber wird die Akkutankstelle, die sich z.B. auch an Einkaufszentren oder an Parkplätzen großer Firmen befinden kann, der bequemere und meist auch einzig mögliche Weg sein. Wegen der großen Kostenvorteile und der breiten Anwendbarkeit kann dieses nachhaltige Verkehresystem vergleichsweise rasch realisiert werden, was ein entscheidender Vorteil gegenüber den anderen diskutierten Lösungen ist.

Das hier entwickelte elektrische Verkehrssystem ergänzt in idealer Weise den sicher auch in Zukunft verbrennungsmotorisch betriebenen Pkw·, Bus- und Lkw-Femverkehr, für den man die nachwachsenden, aber immer nur begrenzt verfügbaren Biotreib-stoffe, z.B. BtL, reservieren sollte.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile gehen aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor. Die Ausführungsbeispiele sind im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verkehresystems Fig. 2 eine typische Angebotskurve an Solarstrom im Vergleich zu typischen Stromver brauchkurven im Tagesgang.

Fig. 3 ein Schema einer Akkutankstelle

Fig. 4 den Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtfahrzeugs Fig. 5 den Größenvergleich zwischen Mittelklasse-Pkw und einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug

Fig. 6 ein hocheffizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen Merkmalen

Fig. 7 das gleiche Fahrzeug in Draufsicht ohne Dach

Fig. 8 ein effizientes Elektrofahrzeug mit 3 x 2 Batterieeinheiten Fig. 9 die modulare Zusammenstellung der Batteriemodule aus Batterieeinheiten Fig. 10 eine Kurve des Energieinhalts einer Batterie im Verlauf des gesamten Prozesses

Fig. 1 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Verkehrssystems. Dargestellt ist die elektrisch betriebene, hocheffiziente Fahrzeugflotte EEV einerseits, die regenerativen Kraftwerke RE und die vorerst noch mit dem Netz verbundenen fossilen Kraftwerke FE andererseits und dazwischen die Verknüpfung Ober Stromnetz SN, Akkutankstellen AT und austauschbare Batteriemodule BM. Gestrichelt angedeutet ist auch die Möglichkeit, die Fahrzeuge EV an der Steckdose der Garage G aufzuladen und sie nach dem Vehicle-to-Grid-Prinzip für die Rückspeisung von Energie zu benutzen. Daneben ist das über Energiepflanzen nachhaltig betriebene System des Straßenfomverkehrs gezeigt, bei dem nach wie vor Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor CV verwendet werden, wobei vorwiegend Biomass-to-Uquid BtL, Biodiesel BD, Bioethanol BET und Biogas BG eingesetzt werden. Der von den Kraftwelken RE und FE erzeugte Strom wird über das Stromnetz SN als Mittelspannung von 10 kV an die Akkutankstelle AT geliefert, dort auf Niederspannung heruntertransformiert und über einen als Ladegerät ausgelegten AC/DC-Wandler in die Batteriemodule BM geleitet. Natürlich können mehrere solcher Geräte parallel betrieben werden und auch die AC/DC-Wandlung und die l/U-gesteuerte Ladung in verschiedenen durch einen Gteichsbomzwischenkreis verbundenen Gehäusen untergebracht werden. Übersteigt die Stromnachfrage das kraftwerksseitige Angebot wird aus einem Teil der Batterien Strom entnommen und über einen DC/AC-Sinuswechselrichter in das Netz zurückgespeist. Die strichpunktierte Linie deutet an, dass Batteriewechselstationen BW und Zapfsäulen für Biotreibstoffe auch gemeinsam auf dem Gelände einer Tankstelle angeboten werden können, allerdings nur mit ausreichendem Sicherheitsabstand wegen der Gefahr der Funkenexplosion. Aus dem Stromnetz SN beziehen die übrigen Stromverbraucher SV ebenfalls Energie.

Fig. 2 zeigt mit der gestrichelten Linie eine typische Angebotskurve an Solarstrom im Vergleich zu typischen Stromverbrauchkurven im Tagesgang. Schraffiert sind die Stoßverkehrszeiten, in denen die wenigsten Fahrzeuge am Netz hängen können. Man sieht hier sehr deutlich den Vorteil des erfindungsgemäßen Systems gegenüber der

Stromeinspeisung durch im Fahrzeug befindliche Batterien, die nur zu einem Bruchteil wirklich für die Spitzenlastabdeckung oder für die Verwendung von Solarstrom genutzt werden könnten. Das erfindungsgemäße System bietet demgegenüber eine viel höhere Zahl an mit dem Stromnetz SN verbundenen Batterien, insbesonder auch wegen der Zweitnutzung derjenigen Batterien, die aufgrund zu geringer Restkapazität aus dem Fährbetrieb ausgesondert worden sind. Man kann erwarten, dass sie etwa noch einmal soviele Zyklen wie im Fahrzeug durchlaufen können, bevor sich ihre Verwendung nicht mehr lohnt.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Akkutankstelle AT in Draufsicht mit den drei verschiedenen Fahrzeugtypen Elektrobus 1, Elektrofahrzeug 2, Stadtfahrzeug 3, 4 und Eiektro-fahrrad 5, die einen Akkutausch an verschiedenen Batteriewechselstationen 6,7,8 mit den jeweiligen, dem Fahrzeugleistungsbedarf angepassten Batterieeinheiten BE vornehmen. Außer beim Elektrofahrrad 5 werden die Batterien durch automatisierte Wechseleinrichtungen seitlich entnommen bzw. zugeführt. Gezeigt sind auch die zugeordneten Batteriemagazine. Mit den gestrichelten Pfeilen ist dargestellt, dass die von der Abwärme der Batterien, Ladegeräte und Wechselrichtern erwärmte Luft mittels Gebläse 12 abgesaugt und über einen Luft-Wasser-Wörmetauscher zu Heizzwecken verwendet wird. Das elektronische Energiemanagmentsystem EMS wird über eine Datenleitung 13 mit den notwendigen Informationen über die Stromlage versorgt und gegebenenfalls durch den Stromversorger oder die Behörden angesteuert. Es ist mit einer Signalleitung mit dem oder den DC-AC-lnvertem verbunden und entscheidet auf Softwarebasis über den Zeitpunkt, die Leistung und die Menge des zurückzuspeisenden und des für die Ladung zu verwendenden Stroms. Ein geeichter Stromzähler erfasst zeitgenau den Strombezug, bzw. die Stromlieferung bei Rückspeisung. Es ist möglich jede Batterieeinheit BE einzeln oder in Gruppen zu laden. Dazu sind entsprechende Leistungsschaltelemente vorgesehen. An jeder Wechseleinrichtung kann eine Testmessung an den Batterien vorgenommen werden, die den aktuellen Lade- und Leistungszustand der Batterie erfasst und eventuelle Defekte feststellt. Batterien, die defekt sind, werden aussortiert, und solche, deren Kapazität zu weit abgesunken ist, um im Fahrzeug verwendet werden zu können, werden in das Rückspeisemagazin 9 überführt. Die übrigen Batterien werden nach der Messung zunächst auf mindestens 75 % der Kapazität aufgeladen und erst danach für die Rekuperation verwendet. Die Batterien des jeweiligen Magazins, die bereits am längsten im Zyklus sind, weiden für den bevorstehenden Austausch in ein Fahrzeug von der Rückspeisung ausgenommen und voll geladen. Etwa 1/3 der Batterien nehmen jeweils an der Rückspeisung teil. Es ist auch möglich, ausschließlich die Batterien des Rückspeisemagazins 9 für die Rückspeisung zu verwenden. Die einzelnen Batterien sind über elektronische Leistungsschaltelemente mit dem DC/AC-Konverter verbunden und können nach Aufschaltung durch des Energiemanagmentsystem EMS ins Netz zurückspeisen. Das Energiemanagmentsystem EMS protokolliert den Energiefluss und wacht auch darüber, dass keine Batterie zu stark oder zu tief entladen wird oder steh zusehr erhitzt. Die Batteriemagazine sind in Etagenbauweise ausgeführt, wobei wegen der geringen Bauhöhe der Batterieeinheiten BE 10-20 Etagen ohne Schwierigkeit möglich sind. Das Einlegern und Entnehmen der Batterieeinheiten BE oder auch ganzer Batteriemodule BM erfolgt über einen automatischen Zuführroboter.

Fig. 4 zeigt den Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtlahrzeugs. In diesem sind die Batterien in einem Quertunnel 20 untergebracht, der sich unter den Sitzen 30 von Fahrer und Beifahrer befindet. Dieser Quertunnel 20 ist mit der übrigen Karosserie solide verbunden und trägt in erheblichem Maß zur Torsionssteifigkeit der Karosserie und zur Aufnahme von seitlichen Stoßkräften bei. Auf ihm sind Fahrer- und Beifahrersitz montiert. Die Batterien werden über Be- und Entladeschienen 17 in das Batteriemagazin nahezu höhengleich Oberführt. Dazu kuppelt ein servomotorisch betriebener Teleskoparm 34, der seitlich an den Batterien vorbei geführt wird, am hinteren Ende des aus zwei Batterieeinheiten BE bestehenden Batteriemoduls BM. Dargestellt ist ein einfaches, rotierendes Trommelmagazin 21 mit 6x2 Ladeplätzen. Die in Fig. 2 gezeigten Etagenmagazine mit einem Zuführroboter können erheblich mehr Batteriemodule BM im gleichen Volumen einlagem, sind aber auch teurer. Die Batterieeinheiten BE werden im Fahrzeug nach Fixierung in der Endposition durch automatische Kontakte 35 auf 48 V 80 Ah verschaltet Auch im Trommelmagazin 21 werden automatische Kontakte 35 verwendet.

Fig. 5 zeigt den Größenvergleich zwischen Mitteiklasse-Pkw und einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug. Neben der gezeigten drastischen Verkürzung des Fahrzeugs sinkt auch die Fahrzeugbreite um etwa 25%. Dies wird vor allem durch einen im Ellenbogenbereich sehr schmalen Türaufbau erreicht Damit wird nur etwa 40% des Parkraums benötigt. ι· · ·· • t * m« · · · · * ·«·« ·· ♦ ·♦ ·· #·*! Λ • * · · · · • · · · ♦ * · ♦ i · ·· • · « · · · #· ♦· · 12

Fig. 6 zeigt ein hochefFizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen Merkmalen. Es misst 2,4 x 1,35 x 1,45 m und wiegt etwa 200 kg. Seine Karosserie besteht im unteren Teil aus einer selbststragenden Struktur 22 aus hochfesten Aluminiumblechen. Im oberen Teil wird ein Spaceframe 23 aus AlumiumprofHen verwendet, an dem eine Kunststoffverkleidung 25 abgebracht ist. Lediglich der Bereich der Frontscheibe, der vom Scheibenwischer Qberstrichen wird, besteht aus Sicherheitsglas, alle anderen Scheiben aus kratzfest beschichtetem Polycarbonat. Das Fahrzeug rollt auf 6 cm schmalen Hochdruckgürtelreifen mit einem Cr von 0,007. Die Nennleistung der beiden Elektromotoren 26 beträgt zusammen 4 kW, die Kurzzeitspitzenleistung 10 kW. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt 45 km/h. Es kann sowohl vollkommen geschlossen als auch weitgehend offen gefahren werden, was eine Klimaanlage in vielen Fällen unnötig macht. Die Motorsteuerung erfolgt über die Tretkurbel 28 des Fahrers ähnlich wie bei Pedelecs. Durch eine gewisse körperliche Aktivität des Fahrers wird innere Wärme frei, so dass die Heizanlage wesentlich kleiner dimensioniert werden kann und im wesentlichen der Scheibendefrostung oder •Trocknung dient. Beim Bremsen wird elektrische Energie zurückgewonnen. Das Batteriemodul (BM) befindet sich sich in einem Quertunnel 20 unter dem Fahrer- und Beifahrersitz. Eine Seitenklappe 16 erlaubt den horizontalen Batteriewechsel. Das Batteriemodul BM besteht aus zwei Batterieeinheiten BE von je 48V/40 Ah. Sie besitzen auf jeder Längsseite vier kugelgelagerte Rollen, die ein sehr leichtes Verfahren und die Überbrückung eines geringen Spaltes oder Höhenunterschiedes zwischen Batteriewechselstation und Fahrzeug erlauben. Die Batterieeinheiten BE können auch wegen des geringen Gewichts von unter 25 kg mittels eines ausziehbaren Handgriffs auf den Rollen wie ein Reisekoffer von Hand bewegt werden, was ein großer Vorteil bei der Einführung der Fahrzeuge ist, da sich automatisierte Batteriewechselstationen 6,7,8 erst bei einer höheren Fahrzeugzahl lohnen. Die Anzahl der elektrischen Verbraucher an Bord und deren Leistungsaufnahme ist auf ein Minimum beschränkt. Schiebedach und Seitenfenster werden von Hand betätigt. Durch das geringe Gewicht und die schmalen Reifen mit geringem Reifenlatsch ist keine Servolenkung notwendig. Zudem kann wegen der geringen Höchstgeschwindigkeit auf ein ABS und ESP verzichtet werden. Als Cabrio benötigt es zudem keine Klimaanlage.

Fig. 7 zeigt das gleiche Fahrzeug in Draufeicht ohne Dach. Der Quertunnel 20 und die mit ihm solide verbundenen Elemente der selbsttragenden Karosseriestruktur sind fett hervorgehoben. Der Quertunnel 20 bildet mit Mittelkasten 32, Bodenblech 33 und den beiden Seitenkästen 31 durch großflächige Verklebung eine verwindungssteife Einheit, die auch hohe Querkräfte aufnehmen kann. Der Quertunnel bildet für die Batterien ein geschlossenes, vom Fahrgastraum getrenntes Gehäuse. Bei Bedarf wird er von Gebläseluft durchströmt, um die Batterien zu temperieren oder zu kühlen.

Fig. 8 zeigt ein effizientes Elektrofahrzeug EEV mit 3 x 2 Batterieeinheiten BE, die alle im Fahrzeugboden und ebenfalls in einem Quertunnel 20 untergebracht sind. Es hat eine entsprechend hohe Reichweite (bis 200 km), Motorleistung (15/30 kW) und Höchstgeschwindigkeit (80 km/h). Es besitzt ebenfalls Hochdruckgürtelreifen.

Fig. 9 zeigt die modulare Zusammenstellung der Batteriemodule BM aus Batterieeinheiten BE mit den darin enthaltenen Power Cells. Jede Batterieeinheit BE verfügt über ein normiertes Gehäuse und ein Batteriemanagmentsystem BMS, das die gleichmäßige Ladung aller Zellen steuert und überwacht und deren Zustand abspeichert, so dass sowohl der Bordcomputer 27 des Fahrzeugs als auch das Energiemanagment-system EMS der Akkutankstelle AT diese Daten lesen kann. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass es von einem Kühlluftstrom, der jede einzelne Zelle erreicht, durchflossen werden kann. Dargestellt sind Batteriemodule BM aus zwei, vier und sechs Batterieeinheiten BE, die jeweils die gleiche Kapazität aber unterschiedliche Spannungsniveaus besitzen. Fahrzeuge höherer Leistung benutzen vorzugsweise höhere Spannungen, um die Ströme beherrschbar zu halten.

Fig. 10 zeigt eine Kurve des Energieinhalts einer Batterie kn Verlauf des gesamten Prozesses. Abschnitt A: Die vom Fahrzeug übernommene, weitgehend entleerte Batterie wird zunächst auf 75% vorgeladen. Abschnitt B: Ab diesem Ladezustand kann sie für die Stromeinspeisung verwendet werden. Im Beispiel wird fünfmal Strom mit relativ hohen Entladeraten entnommen. Dazwischen wird die Batterie stets weiter aufgeladen. Abschnitt C: Nach einer gewissen Zeit wird sie von der Netzeinspeisemöglichkeit abgekoppelt und fertig geladen, um als volle Batterie ins Fahrzeug zu kommen. Abschnitt D: Im Fahrzeug wird sie fehrzeugtypisch entladen. Die Abschnitte C und D entfallen bei denjenigen Batterien, die ins Rückspeisemagazin überführt worden sind, der Abschnitt B wird hingegen vielfach durchlaufen.

Liste der Bezugszeichen AC/DC Gleichspannungsnetzteil 12 Gebläse AL Abluft 13 Datenleitung AT Akkutankstelle 14 Gleichstromzwischenkrei8 BD Biodiesel 15 Lade- und Bedieneinheit BE Batterieeinheit 16 Seitenklappe BET Bioethanol 17 Be- und Entladeschiene BG Biogas 18 Radführungskörper BM Batteriemodul 19 Rollen BMS Batteriemanagementsystem 20 Quertunnel BtL Biomass-to-Liquid 21 rotierendes Trommelmagazin BFT Tankstelle für Biotreibstoffe 22 selbsttragende Struktur aus CV KFZ m. Verbrennungsmotor Aluminiumblechen DC/AC Sinuswechselrichter 23 Spaceframe EEV effizientes Elektrofahrzeug 24 Kunststoffecheiben EMS Energiemanagementsystem 25 Kunststoffverkleidung FE fossile Energie 26 Elektromotor G Garage 27 Bordcomputer RE regenerative Energie 28 Tretkurbel SN Stromnetz 29 Hochdruckgürtelreifen SV Stromverbraucher 30 Sitze ZL Zuluft 31 Seitenkasten 1 Elektrobus 32 Mittelkasten 2 Elektrofahrzeug 33 Bodenblech 3,4 Stadtfahrzeuge 34 Teleskoparm 5 Elektrofahrrad 35 automatischer Stromkontakt 6 Batteriewechselstation Bus 7 Batteriewechselstation Pkw 8 Batteriewechselstation Fahrrad 9 Rüdespeisemagazin 10 Verkauferaum Tankstelle 11 Luft/Wasser-Wärmetauscher

Claims (11)

1. 0 CARBIKE GmbH • 0 V · • · Φ0 00

   1 04.08.2008 Patentansprüche 1. Nachhaltiges Verkehrssystem auf der Basis von Elektrofahrzeugen, deren Batterien in Batterie-Wechselstationen, sogenannten Akkutankstellen (AT), in kurzer Zelt ausgetauscht werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Batterien enthaltene elektrische Energie über DC/ACWandler, z.B. Sinuswechselrichter (DC/AC), und entsprechende Stromleitungen in das Stromnetz (SN) zurückgespeist werden kann, nachdem die Batterien den Fahrzeugen entnommen und geladen oder zumindest teilgeladen wurden.
2. 2. Verkehrssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrofahrzeuge, neben Elektrofahrrddem, Elektrobussen des öffentlichen Personenverkehrs und leichten Etektronutztehrzeugen, vor allem speziell für den urbanen Verkehr entwickelte, besonders effiziente Leichtfahrzeuge (EEV) verwendet werden, deren Baumerkmale - ein extremer Leichtbau mit einem überwiegenden Anteil an Leichtmetallen, Faserverbundwerkstoffen und Kunststoffen, - Leichtlaufreifen mit einem Gasdruck über 4 bar und relativ geringer Breite, - gegenüber dem heutigen Durchschnittsauto erheblich reduzierte Höchstgeschwindigkeit und Motorleistung, und - eine auf die schwerpunktsnahe Unterbringung der Batterien und deren leichten Austausch ausgerichtete Karosseriestruktur sind.
3. 3. Verkehrssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Batterien der Leichtfahrzeuge (EEV) unter dem Fahrer- und Beifahrersitz in einem Quertunnel (20) platziert sind und zum Austausch seitlich herausgezogen werden können, wobei der Quertunnel (20) vorzugsweise mit der Karrosserie solide verbunden ist und Torsionsund Seitenkräfte aufnehmen kann.
4. 4. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den urbanen Raum optimierte, sehr kompakte, 2 oder 2+2-sitzige Leichtfahrzeuge verwendet werden, die unter 300 kg wiegen und die vorzugsweise der europäischen Fahrzeugklasse »vierrädriges Kleinkraftfahrzeug“ entsprechen.
5. 5. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkutankstellen (AT) ein Energiemanagmentsystem (EMS) besitzen, das Informationen über die momentane Stromsituation hinsichtlich Angebot, Nachfrage und Preis benutzt, um zwischen dem Bezug von Strom aus dem Netz und der Einspeisung in dieses umzuschalten, wobei das Laden der Batterien vorzugsweise in Zeiten des Spitzenangebots an regenerativ erzeugtem Strom erfolgt und dass die Akkutankstellen über Stromzähler verfügen, die eine zeitgenaue Abrechnung des ins Netz eingespeisten Stroms ermöglichen, vorzugsweise auch des bezogenen Stroms.
6. 6. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der sich in der jeweiligen Akkutankstelle (AT) befindenden Batterien zur Netzeinspeisung benutzt wird und ein anderer Teil für die vollständige Ladung mit anschließender Nutzung im Fahrzeug reserviert bleibt und dass die vom Fahrzeug übernommenen leeren Batterien zunächst mindestens bis zu einem bestimmten Wert ihrer Kapazität, z.B. 75%, vorgeladen werden, bevor sie zur Rückspeisung ins Stromnetz verwendet werden.
7. 7. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkutankstellen (AT) ein System zur Erfassung der aktuellen Batteriekapazität verfügen und dass zur Rückspeisung ins Netz vorzugsweise diejenigen Batterien verwendet werden, deren Batteriekapazität durch den Gebrauch im Fahrzeug bereits unter einen bestimmten Prozentsatz, z.B. 70%, der Nennkapazität gesunken sind und die nicht mehr in die Fahrzeuge zurückgetauscht werden sollen.
8. 8. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien in standardisierte und relativ kleine Batterieeinheiten (BE), z.B. 48 V 40 Ah, aufgeteilt sind, die bezüglich Gewicht und Abmessungen leicht handhabbar sind und die in Reihen- oder Parallelschaltung zu größeren Batteriemodulen (BM) unterschiedlicher Spannung und Kapazität kombiniert werden können, wobei vorzugsweise für Busse, Lieferfahrzeuge und leichte Lkw wesentlich größere und für Elektrofahr-räder wesentlich kleinere Batterieeinheiten (BE) vorgesehen werden und wobei die t * * Ο ·· Μ ·· • · • « • · 9 · ·· ♦ ··· ·· • · • ··· • · • · • ···· ·· • · • · ··· • ·· · ·· 3 jeweiligen Sorten in eigenen Batteriewechselstationen (6,7,8) angeboten werden.
9. 9. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeiteinheiten der Batterien sogenannte Lithium Power Cells verwendet werden, die hohe Entladeströme von über 5 C vertragen, und dass die Zeiteinheiten zu relativ flachen Batterieeinheiten (BE) zusammengestellt sind, deren Höhe nicht mehr als die Hälfte der grüßten Seitenlänge bemisst.
10. 10. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Batterieladung und -entladung entstehende Abwärme in Batterien, Ladegeräten und Gleich- und Wechselrichtern mittels Wärmetauscher für Heizzwecke verwendet wird.
11. 11. Verkehrssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass die die Behörden von Kreisen, Städten und Gemeinden im Falle des Stromausfalls das Energiemanagmentsystem (EMS) der Akkutankstelle (AT) per Funk oder Datenleitung (13) femsteuem und auf Rückspeisung umstellen können.