CN106059032A - 具有快速充电功能的电动运输工具 - Google Patents

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Abstract

一种运输工具(2)，具有驱动电机(13)和电化学蓄电池(9)，蓄电池(9)设计用于在充电时仅获得小于预定的最高功率值(25)的充电功率。运输工具(2)还具有附加储存器(10)，附加储存器(10)设计用于在充电时获得大于最高功率值(25)的充电功率。充电装置(6)设计用于从运输工具外部的充电站(5)接收能量(E)。能量(E)的传输应在运输工具(2)运行中的短时间内进行。充电装置(6)设计用于，接收能量(E)作为功率脉冲(7)并将接收的能量(E)储存在附加储存器(10)中，该功率脉冲具有大于最高功率值(25)的幅度(P)。随后从附加储存器(10)中将能量(E)以小于最高功率值(25)的充电功率传输到蓄电池(9)中。

Description

具有快速充电功能的电动运输工具
技术领域
本发明涉及一种运输工具，具有驱动电机和用于储存和提供用于驱动电机的电能的电化学蓄电池。另外的能量可以被储存在电的附加储存器中。两个储能器、即蓄电池和附加储存器可以通过充电装置充电，该充电装置可以从运输工具外部的充电装置接收电能。
背景技术
所述类型的运输工具由DE 10 2011 014 924 A1已知。该运输工具构造为地面运输工具且具有电驱动装置以及电压源。一个电压源由多个串联的电池形成，而另一个电压源由多个串联的电容器形成。为了给这两个电压源充电，地面运输工具可以通过线路与电源电压连接。
在这种地面运输工具中不利的是，为了给特别是电池充电，需要在相当长的时间内、特别是在一整夜与电源电压连接。可能甚至需要拆下电池组并通过已充电的电池组来替换，以便能够实现电池组的电池的安全的充电过程，且不会由此过长时间地锁定地面运输工具。
由WO 2010/039795 A2已知了一种相应可连接和可更换的电池。其中描述了一种运输工具，该运输工具具有电池和电容器组。电池可以通过连接装置耦合到电容器组上。借助于电容器组可以在此帮助电池在突然的功率升高的情况下运行电动机。
由DE 20 2008 015 230 U1已知了一种用于运输工具的充电系统，其中，运输工具的车轮滚动经过行驶路面中的感应元件并在此在车轮中的导电元件中感应出电流。
在这种移动式充电系统中的缺点在于，通过感应增大了车轮的滚动阻力，因为根据感应原理始终产生反作用于感应电流的力的起因之一。
发明内容
本发明的目的是，给运输工具、特别是地面运输工具供给电能。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求的特征得出。
本发明包括一种运输工具，该运输工具以本身已知的方式具有：用于驱动运输工具的驱动电机、即电机，以及用于储存和提供用于驱动电机的电能的电化学蓄电池。对于电化学蓄电池的另一名称是电池。蓄电池设计为用于在充电时仅获得小于预定的最高功率值的充电功率。换句话说，必须在给定的运行电压的情况下限制蓄电池的充电电流。这使得蓄电池的充电变得费时。运输工具还具有用于储存和提供用于驱动电机的能量的电的附加储存器。附加储存器设计为用于在充电时获得大于最高功率值的充电功率。换句话说，附加储存器可以借助于比蓄电池大的充电功率充电。此外设有用于从运输工具外部的充电装置接收能量的充电装置。
现在为了从运输工具外部的充电站给运输工具充电，充电装置设计为用于，作为功率脉冲接收能量。功率脉冲是指从充电站朝向充电装置的功率流，其具有大于最高功率值的幅度。换句话说，蓄电池不能获得该功率脉冲。功率脉冲的长度特别可以在从1秒钟到10分钟的范围内。
通过功率脉冲传输充电能量，该充电能量从功率脉冲的幅度对时间求积分的方式得出。充电装置设计为用于，将所接收的能量储存在附加储存器中。将附加储存器与蓄电池耦合的耦合电路设计为用于，从附加储存器中将能量以小于最高功率值的充电功率传输到蓄电池中。
通过本发明得出以下优点，即运输工具在运行中可以重复地接收功率脉冲，该功率脉冲与蓄电池的最高功率值无关地从充电站朝向运输工具传输充电能量。随后可以通过以下方式实现蓄电池的安全的充电过程，即耦合电路将所接收的能量从附加储存器传输到蓄电池中。作为蓄电池例如可以提供锂离子蓄电池。
本发明还包括改进方案，通过该改进方案的特征得出附加的技术优点。
为了能够储存来自具有大于最高功率值的充电功率的功率脉冲的能量，根据一个改进方案，用于储存通过充电装置接收的能量的附加储存器至少具有电容器、特别是双层电容器和/或飞轮质量储存器和/或磁性储存器。将能量作为电场储存在电容器中、作为旋转能量储存在飞轮质量中和/或作为磁场储存的优点是，可以从附加储存器接收具有高充电功率的所接收的能量。由此以有利的方式缩短了充电过程。
一种改进方案提出，充电装置具有电的电容器元件，该电容器元件设计为用于，作为交变电场接收功率脉冲。换句话说，从充电站到充电装置借助于交变电场传输功率。与交变磁场不同，交变电场的优点是，在运输工具的导磁的组件、例如衬板中没有感应出感应电流或涡流。借助于交变电场传输能量例如能够基于根据WO 2007/107642 A的充电系统实现。
一个改进方案能够实现，在运输工具行驶期间接收功率脉冲、也就是说给运输工具补充充电。在这个改进方案中，用于控制驱动电机的逆变器的逆变器控制装置设计为用于，在接收功率脉冲期间运行驱动电机。由此运输工具可以在行驶期间重复地接收功率脉冲且由此分批地或逐步地给蓄电池补充充电。
一个改进方案防止运输工具耗尽能量，也就是说蓄电池和附加储存器都被完全放电。在该改进方案中，运输工具的计算装置设计为用于，这样调整通往行驶目的地的路线规划，使得运输工具在通往行驶目的地的道路上依次经过或驶向多个充电站。这个改进方案特别是在无人驾驶的运输工具中是有利的，在无人驾驶的运输工具中通过中央控制装置设定行驶目的地和/或路线规划。中央控制装置例如可以是仓库管理计算机。无人驾驶的运输工具随后可以利用其计算装置这样调整所接收的路线规划和/或通往所接收的行驶目的地的路线规划，使得在运输工具中始终维持用于运行的足够能量。
一个改进方案能够实现运输工具的特别高效的运行。为此，充电装置和附加储存器设计为用于，接收大于8千瓦的功率脉冲。由此，在充电站上的停留时间特别短。
一个改进方案使用另一个能量源，以便给蓄电池充电。在这个改进方案中，附加储存器设计为用于，也从驱动电机和/或不同于驱动电机的机电转换器接收和储存电的回收功率。例如可以在构造为叉式装卸机的运输工具中，在负载下降时借助于机电转换器将释放的势能转换为电的回收能量。
根据一个改进方案，运输工具构造为地面运输工具。作为地面运输工具，运输工具例如可以是叉式装卸机或起重汽车。作为地面运输工具，运输工具以大概率经过依次始终经过非常类似的行驶路程，使得能够特别高效地布置充电站。
另一个改进方案提出，运输工具构造为无人驾驶的运输工具。例如运输工具可以构造为无驾驶员的地面运输工具或机器人。通过根据本发明的充电系统在此可以在持续运行模式中运行运输工具。
本发明还包括一种用于输运运输货物——例如仓库中的货物——的运输系统。运输系统具有至少一个作为根据本发明的运输工具的一个实施方式的运输工具以及至少一个用于至少一个运输工具的行车道，用于运送运输货物。在根据本发明的运输系统中，在行车道中和/或在行车道的边缘上集成有充电站，所述充电站中的每个充电站都设计为用于，产生用于至少一个运输工具的相应的充电装置的功率脉冲。例如充电站可以设计为用于，当运输工具的充电装置位于充电站的预定的充电区域中时，产生交变电场。功率脉冲例如也可以有线地通过以下方式传输，即例如提供有滑动触头，运输工具的充电装置在行驶时可以沿该滑动触头滑动。每个充电站都可以与供电电网耦合且例如分别具有用于储存产生功率脉冲的能量的电容器组。
通过根据本发明的运输工具的运行得出同样属于本发明的、用于将电能传输到运输工具中的方法。运输工具依次驶向相应的充电站且从所驶向的充电站接收功率脉冲。运输工具将来自功率脉冲的能量暂存在其电的附加储存器中。在离开所驶向的充电站之后，运输工具以所接收的功率脉冲的能量给其蓄电池充电。
本发明还包括根据本发明的方法的改进方案，该方法具有和已经结合根据本发明的运输工具的改进方案所描述的特征相同的特征。因此在这里不再次描述根据本发明的方法的相应的改进方案。
附图说明
下面描述本发明的实施例。图中示出：
图1示出根据本发明的运输系统的一个实施方式的示意图；
图2示出根据本发明的运输工具的一个实施方式的示意图；
图3示出图2的运输工具的电组件的示意图；
图4示出充电站和充电装置的示意图，如其在图1的运输系统和图2的运输工具中也可以提供地那样。
具体实施方式
下面说明的实施例涉及本发明的一种优选的实施方式。在该实施例中，实施方式的所述组件分别构成各个彼此独立地观察的发明特征，这些特征也分别彼此独立地改进本发明并且因此也单独地或在另一个所示的组合中可视为本发明的组成部分。
此外，所述实施方式也可以通过其它的已经描述的发明特征补充。
在附图中，功能相同的元件分别具有相同的附图标记。
图1示出运输系统1，该运输系统例如可以在仓库中或在用于制造产品的工厂中提供。运输系统1具有运输工具2和用于运输工具2的行车道3。运输工具2可以是地面运输工具、例如叉式装卸机。行车道3可以是走行道或用于运输工具2的道路。行车道3例如可以沿(未示出的)货架之间引导。
运输工具2在图1中显示为沿行车道3行驶。运输工具2例如可以输运运输货物4、例如箱子。沿行车道3的路线例如在行车道3的底部中或在行车道3的边缘上布置有多个充电站5。
机动车2以电能行驶。运输工具2借助于充电装置6接收能量，该充电装置例如布置在机动车2的底盘的车底处。如果机动车2越过充电站5之一行驶或在充电站5旁边驶过或停留在那里，则能量E被从充电站5传输给运输工具2的充电装置6。能量E被作为功率脉冲7传输、也就是说在时间t上以幅度P传输功率，其中，幅度P可以在大于8千瓦的值范围内。功率脉冲7的持续时间可以在从例如1秒钟到10分钟的范围内。也可以规定，功率脉冲7的持续时间这样短，使得能量E被传输，而运输工具2沿行车道3继续行驶。可以规定，运输工具在充电站5上这样自动地降低其行驶速度，因此保留了足够的时间，以便借助于功率脉冲7将预定的最小量的能量E传输到运输工具2中。
图2从运输工具2一侧示出能量储存装置8，在该能量储存装置中储存所接收的能量E。储存装置8具有电化学蓄电池9，该蓄电池例如可以具有电化学电池或原电池。蓄电池9优选地构造为锂离子蓄电池。然而，可以给蓄电池9充电的充电功率小于功率脉冲7的最大幅度P。
储存装置8还具有附加储存器10，该附加储存器例如可以基于双层电容器或飞轮质量储存器或磁性储存器形成。附加储存器10设计为用于进行充电，其中，附加储存器10的最大充电功率大于功率脉冲7的最大幅度P。
所接收的能量E首先被储存在附加储存器10中。在附加储存器10中也可以储存回收能量，该回收能量例如在运输工具2制动时或在例如运输货物4的负载下降11时被获得。抬起过程12或运输工具2的加速可以同样通过来自附加储存器10的能量实现，因此抬起过程12和/或运输工具2的加速不受蓄电池9的最大输出功率的限制。
通过来自能量储存器8的能量也运行驱动电机13，该驱动电机例如可以——如在图2中所示——布置在运输工具2的车轮中。运输工具2可以具有多个这种轮毂电机。驱动电机13通过电机EM提供。
图3示出了如何由站5提供充电能量并传输到蓄电池9中。图3为此示出充电站5之一，运输工具2位于该充电站上方。充电站5可以连接在电的供电电网14上，充电站5从该供电电网例如可以接收三相电流、也就是说多相交流电流，例如在有效电压为400伏特时。充电站5例如可以设计为用于，从供电电网14接收从8千瓦到60千瓦的范围的功率。
为了输出功率脉冲7，充电站5可以具有电容器元件15，充电站5借助于该电容器元件可以产生交变电场16。交变电场的频率例如可以通过控制电子装置17调节。该控制电子装置也可以接通和断开交变场16。控制电子装置17例如可以从运输工具2接收标识和/或位置并根据标识和/或位置接通交变场16。由此可以确保，仅那些也设计用于接收功率脉冲7的运输工具被施加交变场16。通过分析处理位置可以确保，运输工具2的充电装置6位于充电站5上的预定的传输区域中。否则断开交变场16。
充电装置6可以具有电容器元件18。充电装置6通过该电容器元件接收交变场16。借助于接收电子装置19可以由通过交变场16产生的交流电流产生直流电流，该直流电流可以被引导到附加储存器10中，由此附加储存器10被充电。为了进行整流，接收电子装置19可以具有整流器电路。
附加储存器10的充电过程20可以这样快速地进行，即附加储存器10被以功率脉冲7充电，也就是说在给定的直流电压的情况下充电电流这样大，使得能量E可以不拖延地从充电装置6传输到附加储存器10中。从附加储存器10出发，储存在其中的能量可以根据需要直接例如通过逆变器21被用于运行驱动电机13。由此，驱动能量22从储存装置8流入驱动电机13中。通过耦合装置23可以在充电过程24中将能量从附加储存器10传输到蓄电池9中。功率在此所传输的幅度P在此小于最高功率值25，该最高功率值在蓄电池9充电时不允许被超过。由此得出在图3中示出的在时间t上延伸的功率曲线26。耦合电子装置23可以基于半导体模块以本身已知的方式形成。例如可以作为耦合装置23提供有DC-DC转换器。优选的是，耦合装置双向地构造，从而可以通过来自蓄电池9的能量给附加储存器10充电。
另一个充电可能性以所述方式通过在机动车2借助于驱动电机13制动时传输回收能量27得出。该回收能量27也可以被暂存在附加储存器10中并且随后借助于耦合装置23传输到蓄电池9中。
图4示出传输原理，借助于该传输原理基于交变电场可以将能量从充电站5传输给充电装置6。充电站5可以具有振荡回路28，该振荡回路可以通过变压器29从供电电网14馈送电能。振荡回路28可以具有电感30以及电容31。可选地，振荡回路28的固有频率可以借助于另一个电容32调节。充电装置6同样可以具有振荡回路33，该振荡回路可以具有电感34和电容35。振荡回路33的固有频率也可以可选地通过附加的电容36调节。振荡回路28的电容31和振荡回路33的电容35可以分别通过电容器元件形成，该电容器元件分别具有一对导电的电容器体或电容器板或以其它方式形成的电容器极或电容器电极。
电容器电极的形式这样选择，即在电容31、35之间形成耦合电容C，以便使得在电容31的电容器电极之间在振荡回路28运行中形成的交变电场这样散射，使得其也作用于振荡回路33的电容35的电容器电极上并交替地给电容35充电和重新放电。由此在振荡回路33中产生交流电流I，该交流电流可以从振荡回路33中借助于变压器37输出并例如借助于整流器38转换为用于给附加储存器10充电的直流电流。另选地，充电站5和充电装置6可以根据WO 2007/107642(PCT/FR2006/000614)所述地构造。
在运输系统1中相对于现有技术得出许多优点。当前借助于铅蓄电池运行许多地面运输工具(FFZ)。铅蓄电池包含污染物质。此外需要长的充电时间，因此必须将铅蓄电池从地面运输工具中拆下并且通过被充电的铅蓄电池替换，以便能够给铅蓄电池充电，而地面运输工具保持为可继续使用。此外对于铅蓄电池的独立的充电产生大的位置需要。铅蓄电池的快速充电会导致使用寿命受限，即快速老化或循环次数减少。
具有锂离子蓄电池9和附加储存器10的能量储存器8的所述的混合能量储存系统提供了一种附加储存器10形式的高功率能量储存器和一种蓄电池9形式的高能量储存器。换句话说，通常蓄电池具有比附加储存器大的储存电容。此外，电容式的能量传输在地面运输工具补给能量时进行。这种电容式的补给布置结构是无线的且可以多次集成在一个生产线中，也就是说沿着行车道。借助于单独的功率脉冲7不必传输许多能量以使得蓄电池9能够被完全充电。更确切地说，通过多次接收相应的功率脉冲7可以实现蓄电池9的逐级充电。由于蓄电池9的运行能够非常安全地实现，因此还可以在混合能量储存系统中使用用过的/老化的蓄电池。通过给功率脉冲7确定尺寸也可以使用用过的/老化的附加储存器、例如双层电容器。
优点在于，可以原理上通过电容式的能量传输装置在短时间内将大的能量、例如10千瓦——在1秒钟到10分钟内——以功率脉冲的形式(快速脉冲充电)从电网馈电的充电站5传输到高功率能量储存器10中且因此通过充电电子装置将储存或暂存在高功率能量储存器中的能量缓慢且安全地输出给高能量储存器。因此高能量储存器的使用寿命显著地延长。此外，混合能量储存系统在这种布置结构中也不需要从地面运输工具中移除，也就是说通过取消蓄电池的更换实现了调试时间和花费的节省。
同时，该混合能量储存系统可以用于回收，例如在负载降低时或在地面运输工具的制动过程中。由于可以在充电站上的多个充电地点在小的时间段内例如在生产线中进行补给，因此可以在结构空间充分利用和能量储备方面优化整个运输系统。
如在图3和图4中所示，通过控制单元17和电容31、33的电极在理想情况下实现沿接收单元16的方向的“脉冲式”能量传输(例如作为接近的狄拉克脉冲)。能量的暂存在储存器10的高功率能量储存系统(例如超级电容)中进行。优选仅在已知的能量发射器和接收器中(需要通信)通过高电压(大于1千伏特)传输并因此使用大的能量脉冲，以及分配到蓄电池9的(智能电池)电池单体上。
借助于(充电)电子装置可以通过高功率能量储存器明显更缓慢地在高能量储存器(例如锂离子电池系统)中非常安全地传输现有的能量(能量＝功率×时间)。高能量储存器(锂离子电池)可以通过低充电率非常耐用地运行。如果导致了从能量储存系统中的能量输出，则高能量储存器可以和高功率能量储存器以及连接在其间的“(充电)电子装置”相结合地对需要的负载输出作出反应。首要地，高功率能量储存器可以设置用于动态的负载特性(回收：制动，负载降低，…)，而高能量储存器可以设置用于稳定的能量供给(例如在FFZ从站到站行驶时)。
原则上这种布置结构也可以用于各个配备有电的能量储存系统的机动车。
能量耦合通常可以电容式地设计(参见图4)。在地面运输工具中则设有另一个高伏特回路/储存器，其中，高伏特指大于60伏特的电压值。能量耦合当然也可以用作电感式的以及与触点连接的实施方式。
借助于运输系统也可以在电池系统损坏时形成所谓的“跛行”运行模式。
通过整个系统的优化因此可以实现耐用的和高效的FFZ实施方式。甚至例如电动运输工具的用过的/老化的电池系统/模块的“二次寿命/使用”原理可以由此被使用。此外存在以下可能性：加装例如用过的双层电容器(超级电容)，该双层电容器例如经常在风力发电站中或者来自于其它超级电容(起重机设备，稳流器，…)并在多年使用之后被更换/更新，但这些超级电容还继续适用。因此可以实现连续的“二次寿命”或新组件设计。
特别在风力发电站中例如在10年之后许多机械部件会老化——因此所有组件连同双层电容器被更换。随后这种用过的双层电容器大多时候简单地仅报废。双层电容器在风力发电设备中用于例如在“电流中断”时转动叶片的中间位置。因此不会导致风力发电设备的不受控的转动或毁坏。
实施例整体上揭示了，如何能够通过本发明提供用于电动运输工具的快速的脉冲式充电(快速脉冲充电)。

Claims (10)

1.一种运输工具(2)，具有：
-用于驱动运输工具(2)的驱动电机(13)，
-用于储存和提供用于驱动电机(13)的电能的电化学的蓄电池(9)，其中，蓄电池(9)设计为用于在充电时仅接收小于预定的最高功率值(25)的充电功率，
-用于储存和提供用于驱动电机(13)的电能的电的附加储存器(10)，其中，该附加储存器(10)设计为用于在充电时接收大于最高功率值(25)的充电功率，
-用于从运输工具外部的充电站(5)接收能量(E)的充电装置(6)，
其特征在于，
充电装置(6)设计为用于，作为功率脉冲(7)接收能量(E)并将所接收的能量(E)储存在附加储存器(10)中，该功率脉冲具有大于最高功率值(25)的幅度(P)，其中，将附加储存器(10)与蓄电池(9)耦合的耦合电路(23)设计为用于，从附加储存器(10)中将能量(E)以小于最高功率值(25)的充电功率传输到蓄电池(9)中。
2.根据权利要求1所述的运输工具(2)，其特征在于，附加储存器(10)至少具有电容器和/或飞轮质量储存器和/或磁性储存器，用于储存通过充电装置接收的能量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，充电装置(6)具有电容器元件(18)，该电容器元件设计为用于，作为交变电场(16)接收功率脉冲(7)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，用于控制驱动电机(13)的逆变器(21)的逆变器控制装置设计为用于，在接收功率脉冲(7)期间运行驱动电机(13)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，计算装置设计为用于，这样调整通往行驶目的地的路线规划，使得运输工具在通往行驶目的地的道路上依次经过多个充电站(5)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，充电装置(6)和附加储存器(10)设计为用于，接收大于8千瓦的幅度(P)作为功率脉冲(7)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，附加储存器(10)设计为用于，从驱动电机(13)和/或不同于驱动电机(13)的机电转换器接收和储存电的回收功率(27)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)，其特征在于，运输工具(2)构造为地面运输工具和/或无人驾驶的运输工具。
9.一种用于输运运输货物(4)的运输系统(1)，其中，为了运送运输货物(4)，运输系统(1)具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的运输工具(2)以及至少一个用于至少一个运输工具(2)的行车道(3)，
其特征在于，
在行车道(3)中和/或在行车道(3)的边缘上集成有充电站(5)，所述充电站中的每个充电站都设计为用于，产生用于至少一个运输工具(2)的相应的充电装置(6)的功率脉冲(7)。
10.一种用于将能量(E)传输到根据权利要求1至8中任一项所述的运输工具(2)中的方法，其中，运输工具(2)依次驶向相应的充电站(5)且从所驶向的充电站(5)接收功率脉冲(7),在离开所驶向的充电站(5)之后以所接收的功率脉冲(7)的能量(E)至少部分地给其蓄电池(9)充电。
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