DE102006006692A1

DE102006006692A1 - Kraftfahrzeug mit Kurzzeitenergiespeicher und Verfahren zu dessen Betrieb

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Publication number: DE102006006692A1
Application number: DE102006006692A
Authority: DE
Inventors: Alois Schrimpf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Um für ein Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Fahrzeugantrieb einen großen Aktionsradius bereitzustellen, wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen mit einem Mittel zum intermittierenden Aufladen des Energiespeichers, mit einem Energieaufnahmemittel zur Aufnahme von Energie von einer zugeordneten, lokalen und stationären Ladestationseinrichtung während des Fahrbetriebes und einem Energieübertragungsmittel, das zwischen dem Energieaufnahmemittel und dem als Kurzzeitenergiespeicher ausgebildeten Energiespeicher angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine mit diesem Kraftfahrzeug zur Übertragung von Energie wechselwirkende stationäre Ladestation sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Fahrzeugantrieb, eine mit diesem Kraftfahrzeug zur Übertragung von Energie wechselwirkenden stationären Ladestation sowie einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeuges.
Seit vielen Jahren wird auf dem Gebiet alternativer Antriebskonzepte für Kraftfahrzeuge geforscht. Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Fahrzeugantrieb haben sich bislang nicht in erheblichem Maße durchgesetzt, da die momentan verfügbaren Energiespeicher, beispielsweise auf der Basis herkömmlicher, chemischer Batterien vergleichsweise schwer sind und eine geringe Leistungsdichte aufweisen, sodass die Reichweite derartiger Fahrzeuge stark beschränkt sind. Sie liegen heute in der Regel zwischen 100–200 km, sodass derartige Fahrzeuge insbesondere als Stadtfahrzeuge verwendet werden. Ein weiterer Nachteil derartiger Fahrzeuge begründet sich in langen Ladezeiten der Bleibatterie von mehreren Stunden.
Bekannt sind auch sogenannte O-Busse, die insbesondere in Ost blockstaaten als Trolley-Busse bezeichnet werden. Derartige O-Busse weisen gegenüber einer elektrisch betriebenen Straßenbahn den Vorteil auf, dass sie keine Schienen benötigen, es müssen jedoch elektrische Oberleitungen vorgesehen sein, von denen mittels eines am Dach des Busses befindlichen Auslegers die benötigte Energie entnommen werden kann.
Um die Vorteile eines elektromotorischen Fahrzeugantriebs nutzen zu können, jedoch andererseits nicht Gefahr zu laufen, mit entleertem elektrischen Energiespeicher weit entfernt von einer Ladestation stehen zu bleiben, wurden in der Zwischenzeit Hybridkonzepte für Kraftfahrzeuge entwickelt und auch schon umgesetzt. Dabei wird ein elektromotorischer Antrieb mit einem konventionellen Otto- oder Dieselmotor kombiniert. Derartige Fahrzeuge sind jedoch vergleichsweise teuer, da einerseits zwei verschiedene Betriebskonzepte in einem Fahrzeug kombiniert werden und andererseits auch noch Vorkehrungen getroffen werden müssen, damit diese beiden Antriebe in bestimmten Betriebssituationen zusammenwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Fahrzeugen mit elektromotorischem Fahrzeugantrieb zumindest einen Teil der beschriebenen Nachteile zu vermeiden.

Auf überraschend einfache Weise löst die Erfindung diese Aufgabe schon mit einem Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Fahrzeugantrieb und einem Energiespeicher zur Versorgung des Fahrzeugantriebs mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einer stationären Ladestationseinrichtung zur Abgabe von elektrischer Energie an ein derartiges Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 7.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist durch das Vorsehen eines Mittels zum intermittierenden Aufladen des Energiespeichers, der insbesondere als Kurzzeitenergiespeicher ausgebildet ist, in die Lage versetzt, während des Fahrbetriebs Energie mit ei nem Energieaufnahmemittel von einer stationären, lokalen Ladestationseinrichtung aufzunehmen und über ein zwischen dem Energieaufnahmemittel und dem Energiespeicher angeordnetes Energieübertragungsmittel dem Energiespeicher zuzuführen. Dabei wird die Energie nicht wie bei dem oben beschriebenen O-Bus kontinuierlich aufgenommen, sondern wechselweise, beispielsweise in Abständen von einigen oder einigen zehn Kilometern und beispielsweise jeweils nur für wenige Sekunden. Dabei ist die Ladestation örtlich auf einen bestimmten Bereich beschränkt. Beispielsweise kann die Ladestation eine Ausdehnung aufweisen, welche in Ihrer Größenordnung der Ausdehnung, d.h. der Länge des Fahrzeuges entspricht. Insofern ist die Energieladestation örtlich lokalisiert und erstreckt sich nicht wie beim Betrieb des beschriebenen O-Busses über den gesamten Fahrweg. Da die Aufnahme der Energie durch die Verwendung des Kurzzeitenergiespeichers sehr schnell erfolgt, wird der eigentliche Fahrvorgang, d.h. die Bewegung des Fahrzeuges durch den Aufladevorgang kaum beeinflusst.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers während des Fahrbetriebes ausgebildet ist, werden die sonst üblichen, vergleichsweise langen Ladezeiten und damit Standzeiten des Fahrzeugs vermieden, letztlich wird eine beliebige Reichweite des Fahrzeugs bereitgestellt, soweit sich das Fahrzeug auf Straßen bewegt, welche die Aufladung des Energiespeichers während der Fahrt ermöglichen. Die während der Fahrt aufgenommene Energie wird dem Energiespeicher im Fahrzeug zugeführt und steht für den nachfolgenden Betrieb des elektromotorischen Antriebs zwischen den Ladephasen zur Verfügung. Für die Bereitstellung der letztlich beliebigen Reichweite muss nur vorgesehen sein, dass der Abstand der Ladestationen, an welchen das Fahrzeug während der Fahrt die Energie aufnehmen kann, in einem Abstand voneinander platziert sind, der mit der Ladekapazität der Energiespeichereinrichtung im Fahrzeug korrespondiert. Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug im Vergleich zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen ist auch, dass das Fahrzeug während der Fahrt die Energie zum Laden des Energiespeichers aufnimmt, wobei unter Umständen eine Geschwindigkeits- und/oder Richtungsanpassung an die stationäre Ladestation während des Ladevorgangs erfolgt.

Das Energieaufnahmemittel zur Aufnahme der Energie von einer stationären Ladestation kann mittels eines galvanischen Kontaktes, jedoch auch und besonders vorteilhaft, kontaktlos ausgebildet sein. Unter Nutzung eines elektromagnetischen Feldes kann beispielsweise die Energieübertragung über Induktion erfolgen. Die Energieübertragung kann auch mittels Mikrowellen oder elektromagnetisch in gepulster Form erfolgen. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Energie auch als Licht, beispielsweise mittels eines Lasers von einer stationären Ladestation an das sich bewegende Fahrzeug übertragen, von diesem aufgenommen und dem Energiespeicher im Fahrzeug zugeführt werden.

Bei einer kontaktgebundenen Energieübertragung kann das Energieaufnahmemittel des Fahrzeuges einen Ausleger zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes während des Fahrbetriebs mit einer zugeordneten Kontakteinrichtung an der stationären Ladeeinrichtung aufweisen.

Die Ausbildung des Energiespeichers im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist wichtiger Faktor für die durchzuführenden Ladezyklen. Je höher die Ladekapazität des Energiespeichers, desto länger kann sich das Fahrzeug ohne weitere Energieaufnahme bewegen. Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher eine möglichst geringe Ladezeit aufweist, d.h. es sollte vorteilhaft möglich sein, den Speicher in sehr kurzer Zeit aufzuladen. Herkömmliche Batterien auf chemischer Basis sind hierfür nicht geeignet. Vorteilhafterweise können als solche Energiespeicher Schwungradeinrichtung, eine Hochleistungskondensatoreinrichtung und/oder eine supraleitende Spulenein richtung Verwendung finden. Diesen Energiespeichern ist gemein, dass sie im Gegensatz zu chemischen Batterien eine hohe Anzahl von möglichen Ladezyklen (> 10⁶) und eine sehr geringe Ladezeit aufweisen. Insbesondere moderne Schwungräder („flying wheels"), welche in der Regel aus Faserverbundwerkstoffen bestehen und mit Umdrehungsgeschwindigkeiten > 10⁴ – 10⁵ arbeiten, weisen Energie- und Leistungsdichten auf, die sehr viel größer als die einer Bleibatterie sind. Eine supraleitende Spule ist als Energiespeicher auch attraktiv, da die Kühlung heute nicht mehr mit flüssigem Helium, sondern mit Stickstoff durchgeführt werden kann bzw. die Spule sogar bei Zimmertemperatur ein derartiger Energiespeicher betrieben werden kann. Zumindest die Reichweite eines Fahrzeugs mit einem Schwungrad kann an die eines Pkws, der eine Bleibatterie als Energiespeichers aufweist, heranreichen. Derartige Energiespeicher (Kurzzeitenergiespeicher) können mit sehr kurzen Ladezeiten von etwa 2 bis 20 Sekunden bereitgestellt werden.

Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug neben den beschriebenen Kurzzeitenergiespeichern auch einen Langzeitenergiespeicher wie eine elektrochemische Batterie und/oder eine Wasserstoffspeichereinrichtung aufweisen. Somit ist es möglich, durch Erhöhung der Ladezyklen die aufgenommene Energie zu vergrößern, sodass während der Fahrt die Energie von dem Kurzzeitenergiespeicher auf den Langzeitenergiespeicher übertragen werden kann und dieser Vorgang solange durchgeführt wird, bis auch der Langzeitenergiespeicher aufgeladen ist.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug arbeitet mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten stationären Ladestation zur Abgabe von elektrischer Energie an das fahrende Kraftfahrzeug zusammen, wobei die Ladestation eine mit einem Energieaufnahmemittel am Kraftfahrzeug zusammenwirkendes Energieabgabemittel und ein Anschlussmittel zum Verbinden der Ladestation mit einer Versorgungseinrichtung wie einem Kraftwerk aufweist.

Soweit dieses Energieabgabemittel kontaktgebunden arbeitet, kann es eine Leiterschleife aufweisen, welche mit einem Ausleger am Kraftfahrzeug zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zusammenwirkt. Soweit die Energieübertragung von der Ladestation auf das sich zu dieser Ladestation bewegende Kraftfahrzeug kontaktlos erfolgt, kann das Energieabgabemittel der Ladestation beispielsweise induktiv arbeitend ausgebildet sein, das mit einem induktiv arbeitenden Energieaufnahmemittel am Kraftfahrzeug zusammenwirkt. Beispielsweise kann sowohl das Energieabgabemittel als auch das Energieaufnahmemittel eine Spule umfassen, wobei beide Spulen über ein Magnetfeld gekoppelt sind.

Um die Funktionsweise der erfindungsgemäßen stationären Ladestation auch bei widrigen Witterungsverhältnissen wie beispielsweise Frostbildung aufrechtzuerhalten, kann vorgesehen sein, dass ein Heizmittel zum Aufheizen zumindest eines Abschnittes des Energieabgabemittels vorgesehen ist.

Verfahrensseitig wird die oben stehend angegebene Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Grundgedanke ist dabei, dass dem Kraftfahrzeug intermittierend während dessen Bewegung im Fahrbetrieb an stationären Ladestationseinrichtungen Energie, insbesondere elektrische Energie zugeführt wird. Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei einem O-Bus muss demnach nicht während der gesamten Fahrstrecke elektrische Energie bereitgestellt werden, die von dem Kraftfahrzeug aufgenommen wird, sondern nur an voneinander beabstandeten Punkten bzw. Abschnitten, wobei die Distanz zwischen den Ladestationen in Bezug auf die Kapazität der verwendeten Energiespeicher optimiert sein kann.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug über ein Datennetz, beispielsweise das Internet Information über Energiepreise der an seiner Route befindlichen stationären Ladestationseinrichtungen abfragen kann. Diese Kosten können von der aufzunehmenden Energie und vom Zeitpunkt der Energieaufnahme abhängen. Darüber hinaus können über eine der artige Datenverbindung die Ortskoordinaten von Ladestationseinrichtungen in einem vorgegebenen Bereich, beispielsweise in der Nähe des Aufenthaltsortes aufgenommen werden. Dabei kann vorgesehen sein, diese erfassten Ortskoordinaten von Ladestationseinrichtungen im Fahrzeug selbst zu speichern und bei nachfolgenden Routenplanungen in die Ermittlung der Route mit einzubeziehen. Diese Daten können insbesondere im Rahmen des Updates der Datenbasen eines Navigationsgerätes im jeweiligen Fahrzeug übertragen werden.

Um das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kostenoptimiert betreiben zu können, kann ein Verfahren zum Energiemanagement im Kfz ausgeführt werden, bei welchem die Nutzung einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs minimiert und der elektromotorisch zurückgelegte Anteil des als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung der erfassten Ortskoordinaten der Ladestationseinrichtungen maximiert wird. Das Motormanagementsystem kann beispielsweise so eingestellt werden, dass der Betriebsanteil der elektromotorischen Komponenten möglichst groß ist. Hierzu wird unter Berücksichtigung der anfahrbaren Ladestationseinrichtungen eine Route, von welcher zumindest ein Anfangs- und ein Endpunkt voreingegeben wird, derartig bestimmt, dass die Ladestationseinrichtungen entlang der bestimmten Route geografisch so nahe zueinander angeordnet sind, dass ein entleerter Kurzzeitspeicher wieder aufgeladen werden kann.

Dadurch, dass Informationen betreffend den jeweiligen Ladevorgang und Informationen über Identifizierungsdaten des geladenen Kraftfahrzeuges ermittelt und in einer Datenbank gespeichert werden, kann dem Nutzer der Ladestationseinrichtungen der jeweilige Ladevorgang an seinem Kraftfahrzeug in Rechnung gestellt werden. Beispielsweise kann eine dem Ladevorgang nachfolgende Datenverarbeitung zur Inrechnungstellung führen, wobei dem Nutzer die Kosten beispielsweise von dessen Konto oder über die Kreditkarte abgebucht werden. Darüber hinaus kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Kosten für die Energieaufnahme von einer vor der Nutzung aufzuladende Guthabenkarte oder einem vorher aufzuladenden Guthabenkonto abgebucht werden. In diesem Fall werden beispielsweise bei der Verwendung einer Guthabenkarte die jeweiligen Kosten für die Energieaufnahmen automatisch abgebucht, bis das Guthaben aufgebraucht ist.

Um den Fahrer über die zu erwartenden Kosten bei der Nutzung einer Ladestationseinrichtung zu informieren, kann im Fahrzeug eine Anzeigevorrichtung vorgesehen sein, welche über eine Datenverarbeitung ermittelt, wie viel Energie aufgenommen werden kann und wie hoch die Kosten hierfür sind. Dabei kann es auch zweckmäßig sein, wenn der Fahrer mittels Benutzereingaben die aufzunehmende Energiemenge bzw. die hierdurch entstehenden Kosten selbst einzustellen bzw. die vom System ermittelte Energiemenge und damit die entsprechenden Kosten verändern kann. Dabei ist es vorteilhaft, mittels einer Datenverarbeitung die kumulierten Energiemengen, beispielsweise für eine Fahrt, oder auch für eine vorgegebene Zeitdauer ermittelt und dem Fahrer angezeigt wird.

Aus Sicherheitserwägungen kann vorgesehen sein, dass die Ladestationseinrichtung nach der Erfassung eines sich nähernden Kraftfahrzeuges, welches einen aufladbaren Energiespeicher aufweist, zur Abgabe von Energie an das Kraftfahrzeug geschaltet wird. Vorzugsweise wird das aufzuladende Kraftfahrzeug identifiziert, sodass beispielsweise die Ladestation an den aufzuladenden Energiespeicher angepasst werden kann. Information über den Ladevorgang und das betreffende Kraftfahrzeug können gespeichert bzw. an eine Zentraleinheit zur Abrechnung weitergegeben werden. Zur Optimierung der Energieübertragung von der Ladestation auf das Kraftfahrzeug können relevante Parameter wie die Geschwindigkeit des Fahrzeuges die relevante Lage der Energieabgabe Mittel zu dem Energieaufnahmemittel automatisch am Fahrzeug und/oder an der Ladestation so nachgefahren werden, dass der Energieübertrag optimiert ist.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einer Ausführungsform und weiterer erfindungswesentlicher Merkmale unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
1 Primärwicklungen einer stationären Ladestationseinrichtung und mehrere, jeweils in einem Fahrzeug angeordnete Sekundärabnehmer in einer Prinzipskizze,
2a Äquiflusslinien einer Luft-Luftanordnung von Primär- und Sekundärwicklung,
2b Äquiflusslinien einer Luft-Ferritanordnung von Primär- und Sekundärwicklungen,
3 die übertragbare Leistung bei festgelegtem Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärwicklung bei einem beispielhaften Ringspulsystem,
4 den zugehörigen Wirkungsgrad des in 3 vorausgesetzten magnetischen Systems,
5 die Komponenten eines beispielhaften kontaktlosen Energieübertragungssystems und
6 die Ausgangsleistung eines kontaktlosen Energieübertragungssystems mit vorgegebenen Werten für Spulendurchmesser, Anzahl der Wicklungen und Primärstrom zeigt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das erfindungsgemäß ausgebildete Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Fahrzeugantrieb sowie einem Energiespeicher zur Bereitstellung der Energie für den elektromotorischen Fahrzeugantrieb ausgebildet. Als Energiespeicher dient eine Hochenergiekondensatoreinrichtung, bei welcher mehrere der als „super cap" bezeichneten Hochenergiekondensatoren parallel geschaltet sind. Als Energieaufnahmemittel ist in jedem Fahrzeug eine als Sekundärabnehmer arbeitende Spuleneinrichtung vorgesehen, welche mit der Hochenergiekondensatoreinrichtung elektrisch verbunden ist.
1 zeigt zwei derartige Sekundärabnehmer 10, die demnach in zwei unterschiedlichen Fahrzeugen angeordnet sind, welche nicht dargestellt sind. Als Primärwicklung dient ein Linienleiter 20, der über eine vorgegebene Strecke wie wenige oder einige zehn Meter in den Fahrweg 30 eingelassen ist, siehe 1. Wie dargestellt, können gleichzeitig mehrere Sekundärabnehmer, d.h. Fahrzeuge mit elektrischer Leistung versorgt werden. Die in dem Linienleiter 20 transportierte Energie wird über dessen Magnetfeld kontaktlos auf die Sekundärabnehmer 10 übertragen und von diesen den nicht dargestellten Hochenergiekondensatoreinrichtung zugeführt. Zwischen dem Linienleiter 20 und den Sekundärabnehmern 10 besteht ein Luftspalt, welcher durch die Bodenfreiheit der Kraftfahrzeuge vorgegeben ist und bei der beschriebenen Ausführungsform 20 cm beträgt, wobei die Anordnung so ausgelegt ist, dass eine Absenkung der Sekundärabnehmer im Fahrzeug entfallen kann. Typische Äquiflusslinien 13 der Primär- und Sekundärspulenanordnung sind in den 2a, b dargestellt. Während 2a die Verhältnisse bei einer reinen Luftspulenanordnung zeigt, sind in 2b die Verhältnisse bei der Nutzung von Ferritelementen bei den Sekundärspulen angegeben, wie es in dem in 1 dargestellten Beispiel der Fall ist. Die Nutzung von Ferritelementen ist zu bevorzugen, da hierdurch der Wirkungsgrad für die Energieübertragung verbessert wird. Im Hinblick auf die übertragbare Leistung bei vorgegebenem Luftspalt zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter sind prinzipiell keine Grenzen vorgegeben. Die übertragbare Leistung wird durch die Geometrie (Koppelinduktivität, Primärwindungszahl) und elektrischen Größen wie Primärstrom und Übertragungsfrequenz bestimmt. Insofern kann jede erforderliche Leistung bei vorgegebenem Luftspalt übertragen werden, wenn das Spulensystem und der Primärstrom ausreichend groß sind.
Die übertragbare Leistung für eine beispielhafte kreisförmige Spulenanordnung von Primär- und Sekundärspule sind in 3 dargestellt, wobei die übertragbare Leistung P auf das Quadrat der Primärdurchflutung (N_p·i_p) bezogen ist in Abhängigkeit des Verhältnisses des Luftspaltes L zwischen Primär- und Sekundärspule und dem Durchmesser D der kreisförmigen Spulenanordnung. Derartige Verhältnisse können ohne weiteres auch auf die in 1 angegebene Linienleiteranordnung übertragen werden. Der zugehörige Wirkungsgrad η des in 3 zugrunde gelegten magnetischen Systems mit kreisförmiger Spulenanordnung zeigt 4 wieder für das Verhältnis von Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule zu dem Durchmesser der kreisförmigen Spulenanordnung. Wie ersichtlich, beträgt der Wirkungsgrad für die Energieübertragung bei einem Durchmesser der Spule von D = 800 mm bei einem Verhältnis von Luftspalt-zu-Durchmesser L/D von < 0,6 über 95 %.
Die einzelnen Komponenten des kontaktlosen Energieübertragungssystems sind in 5 dargestellt. Die stationäre Ladestationseinrichtung weist eine Energieversorgung, einen HF-Wechselrichter, sowie die Primärspule auf. Im Wechselrichter wird die von der Energieversorgung bereitgestellte Versorgungsspannung in eine Wechselspannung hoher Frequenz umgewandelt, welche an die Primärspule angelegt wird.
Im Kraftfahrzeug ist die Sekundärspule angeordnet, in welcher das von der Primärspule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert, die die mit einem Gleichrichter verbunden ist zur Gleichrichtung des Sekundärstroms für den Fall, dass der elektromotorische Fahrzeugantrieb des Kraftfahrzeugs ein Gleichstrommotor ist. In dem Fall, in welchem stattdessen ein Drehstrommotor verwendet wird, ist im Fahrzeug ein Frequenzumrichter angeordnet, welcher die Frequenz des Sekun därstroms an den Drehstromantrieb im Fahrzeug anpasst. Als wesentliche Einflussgröße des Betriebsverhaltens eines derartigen kontaktlosen Übertragungssystems hat sich die Übertragungsfrequenz herausgestellt.
6 zeigt die Ausgangsleistung P_A für die beiden Übertragungsfrequenzen von 20 und 100 kH bei einem Spulendurchmesser von 800 mm, einer Primärwicklung von 30 Windungen und einem Primärstrom von 50 Ampere in Abhängigkeit des Verhältnisses von Luftspalt zu Spulendurchmesser. Wie 6 zeigt, arbeitet eine erfindungsgemäß gestaltete stationäre Ladestationseinrichtung mit einem erfindungsgemäß gestalteten Kraftfahrzeug bei den angegebenen Verhältnissen von Luftspalt-zu-Spulendurchmesser so zusammen, dass ohne weiteres die notwendigen Ausgangsleistungen bereitstehen, um innerhalb von kürzester Zeit, hier wenigen Sekunden, eine hohe elektrische Energie in die im Kraftfahrzeug angeordnete Sekundärspule zu übertragen, von welcher diese auf den Energiespeicher übertragen werden kann.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Kraftfahrzeug ist in der beschriebenen Ausführungsform über das Internet mit einer Datenbank verbunden, von welcher Information über Energiepreise der an seiner Route befindlichen stationären Ladestationseinrichtungen abgefragt werden können. Ferner werden über diese Datenverbindung die Ortskoordinaten von Ladestationseinrichtungen in einem vorgegebenen Bereich abgefragt und die erfassten Ortskoordinaten von Ladestationseinrichtungen im Fahrzeug selbst gespeichert, sodass diese bei nachfolgenden Routenplanungen in die Ermittlung der Route mit einbezogen werden können. Diese Daten können insbesondere im Rahmen des Updates der Datenbasen eines Navigationsgerätes im jeweiligen Fahrzeug übertragen werden.
Um das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kostenoptimiert zu betreiben, wird ein Verfahren zum Energiemanagement im Kfz ausgeführt, bei welchem die Nutzung der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs minimiert und der elektromotorisch zurückgelegte Anteil des als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung der erfassten Ortskoordinaten der Ladestationseinrichtungen maximiert wird. Das Motormanagementsystem kann beispielsweise so eingestellt werden, dass der Betriebsanteil der elektromotorischen Komponenten möglichst groß ist. Hierzu wird unter Berücksichtigung der anfahrbaren Ladestationseinrichtungen eine Route, von welcher zumindest ein Anfangs- und ein Endpunkt voreingegeben wird, derartig bestimmt, dass die Ladestationseinrichtungen entlang der bestimmten Route geografisch so nahe zueinander angeordnet sind, dass ein entleerter Kurzzeitspeicher wieder aufgeladen werden kann, bevor auf die Verbrennungskraftmaschine geschaltet werden muss.
Dadurch, dass Informationen betreffend den jeweiligen Ladevorgang sowie Informationen über Identifizierungsdaten des geladenen Kraftfahrzeuges ermittelt und in einer Datenbank gespeichert werden, kann dem Nutzer der Ladestationseinrichtungen der jeweilige Ladevorgang an seinem Kraftfahrzeug in Rechnung gestellt werden. Dabei wird eine dem Ladevorgang nachfolgende Datenverarbeitung zur Inrechnungstellung durchgeführt, wobei dem Nutzer die Kosten von dessen Konto abgebucht werden.
Um den Fahrer über die zu erwartenden Kosten bei der Nutzung einer Ladestationseinrichtung zu informieren, ist im Fahrzeug eine Anzeigevorrichtung vorgesehen, wobei über eine Datenverarbeitung ermittelt wird, wie viel Energie aufgenommen werden kann und wie hoch die Kosten hierfür sind. Dabei kann der Fahrer mittels Benutzereingaben die aufzunehmende Energiemenge bzw. die hierdurch entstehenden Kosten jedoch alternativ auch selbst einzustellen bzw. die vom System ermittelte aufzunehmende Energiemenge und damit die entsprechenden Kosten verändern.
Aus Sicherheitserwägungen ist vorgesehen, dass die Ladestationseinrichtung nach der Erfassung eines sich nähernden Kraftfahrzeuges, welches einen aufladbaren Energiespeicher aufweist, zur Abgabe von Energie an das Kraftfahrzeug geschaltet wird. Dabei wird das aufzuladende Kraftfahrzeug identifiziert, sodass die Ladestation an den aufzuladenden Energiespeicher angepasst werden kann. Information über den Ladevorgang und das betreffende Kraftfahrzeug werden gespeichert bzw. an eine Zentraleinheit zur Abrechnung weitergegeben. Zur Optimierung der Energieübertragung von der Ladestation auf das Kraftfahrzeug werden die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und die relevante Lage der Energieabgabemittel zu dem Energieaufnahmemittel automatisch am Fahrzeug und/oder an der Ladestation nachgestellt.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind sowohl ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug als auch eine erfindungsgemäße Ladestationseinrichtung zur Rückspeisung überschüssiger elektrischer Energie vom Fahrzeug in das Versorgungsnetz ausgebildet. Hier entnehmen die Ladestationen ihre Energie aus diesem Versorgungsnetz zur Versorgung eines Kraftfahrzeuges bzw. speisen die Ladestationen die vom Fahrzeug erhaltene Energie in das Versorgungsnetz ein.
Dabei kann das Kraftfahrzeug ein Mittel zur Erzeugung von elektrischer Energie beim Abbremsen des Fahrzeuges aufweisen.
Wenn etwa beim Fahrbetrieb beim Abbremsen auf längeren Gefällstrecken durch die bei der Umwandlung der kinetischen Energie des Fahrzeuges erzeugte elektrische Energie die Zwischenspeichermöglichkeiten im Fahrzeug übersteigt, kann diese elektrische Energie an den Ladepunkten in das Netz rückgespeist werden. Ein ähnliches Verfahren kann bei längerer Ruhezeit des Fahrzeuges durchgeführt werden, z.B. wenn das Fahrzeug am Zielpunkt für längere Zeit abgestellt werden soll. Auch hier kann zur Vermeidung von Energieverlusten die elektrische Energie im Kurzzeitenergiespeicher vom Fahrzeug in das Netz zurückgespeist werden.
Die Übertragung der Energie von einem Kraftfahrzeug auf eine Ladestation kann dabei mit den gleichen oben beschriebenen Mitteln ausgeführt werden, mit welchen Energie von einer Ladestation auf das Fahrzeug übertragen wird.

10: Sekundärabnehmer
11: Ferritkern
12: Sekundärspule
13: Äquiflusslinie
20: Linienleiter
30: Fahrbahn
40: Energieversorgung
50: HF-Wechselrichter
60: Primärspule
70: Sekundärspule
80: Gleichrichter
90: Gleichstrommotor
100: Frequenzumformer
110: Wechselstrommotor

Claims

Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Fahrzeugantrieb und einem Energiespeicher zur Energieversorgung (40) des Fahrzeugantriebs, gekennzeichnet durch Mittel zum intermittierenden Aufladen des Energiespeichers, mit einem Energieaufnahmemittel zur Aufnahme von Energie von einer zugeordneten, lokalen und stationären Ladestationseinrichtung während des Fahrbetriebs und einem Energieübertragungsmittel, das zwischen dem Energieaufnahmemittel und dem als Kurzzeitenergiespeicher ausgebildeten Energiespeichers angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieaufnahmemittel zur kontaktlosen Aufnahme von Energie während des Fahrbetriebs von der zugeordneten, stationären Ladestationseinrichtung, insbesondere über eine induktive Energieübertragung, ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieaufnahmemittel einen Ausleger zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes während des Fahrbetriebs mit einer zugeordneten Kontakteinrichtung an einer stationären Ladestationseinrichtung aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzzeitenergiespeicher eine Schwungradeinrichtung, eine Hochleistungskondensatoreinrichtung und/oder eine supraleitende Spuleneinrichtung aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Kurzzeitenergiespeicher ein Langzeitenergiespeicher, wie eine elektrochemische Batterieeinrichtung und/oder eine Wasserstoffspeichereinrichtung umfasst ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Brennstoffmotor oder eine Brennstoffzelle als alternatives Antriebsmittel.
Stationäre Ladestationseinrichtung zur Abgabe von elektrischer Energie an ein in der Nähe befindliches, fahrendes Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem – mit einem Energieaufnahmemittel am Kraftfahrzeug zusammenwirkendes Energieabgabemittel und – einem Anschlussmittel zur Verbindung der Ladestationseinrichtung mit einer Versorgungsvorrichtung (Kraftwerk).
Stationäre Ladestationseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabgabemittel zumindest eine Leiterschleife aufweist, welche mit einem Ausleger am Kraftfahrzeug zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zusammenwirkt.
Stationäre Ladestationseinrichtung nach Anspruch 7, ge kennzeichnet durch ein induktiv arbeitendes Energieabgabemittel, welches mit einem induktiv arbeitenden Energieaufnahmemittel am Kraftfahrzeug zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie auf das Kraftfahrzeug zusammenwirkt.
Stationäre Ladestationseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Schutz gegen Witterungseinflüsse, insbesondere ein Heizmittel zur Aufheizung zumindest eines Abschnittes des Energieabgabemittels.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei dem Kraftfahrzeug intermittierend während dessen Bewegung im Fahrbetrieb an stationären Ladestationseinrichtungen Energie, insbesondere elektrische Energie zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestationseinrichtung nach der Erfassung eines sich nähernden Kraftfahrzeuges mit aufzuladendem Kurzzeitenergiespeicher zur Abgabe von Energie an das Kraftfahrzeug geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuladende Kraftfahrzeug in der Ladestationseinrichtung eindeutig identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass von der Ladestationseinrichtung erfasste Identifizierungsdaten des Kraftfahrzeuges mit in einer Datenbank abgelegten Fahrzeug-Identifizierungsdaten verglichen werden und im Ansprechen auf den Vergleich die Ladestationseinrichtung zur Abgabe von Energie geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen betreffend den Ladevorgang und Identifizierungsdaten des geladenen Kraftfahrzeuges gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie über elektrisch leitfähige Abschnitte in der Fahrbahn (30) des Kraftfahrzeuges zu diesem übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Relativbewegung des aufzuladenden Kraftfahrzeuges zu einer stationären Ladestationseinrichtung während des Ladevorganges die Energieaufnahmeeinrichtung des Kraftfahrzeuges und/oder die Energieabgabeeinrichtung der Ladestationseinrichtung zur Einhaltung einer optimalen Energieübertragung nachgeführt wird beziehungsweise werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromabnehmer am Kraftfahrzeug horizontal geschwenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des mit Energie zu versorgenden Kraftfahrzeuges bei der Annäherung an eine stationäre Ladestationseinrichtung automatisch auf einen die Energieübertragung optimierenden Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer rechnergestützten Festlegung einer Route für den Betrieb des Kraftfahrzeuges zwischen zumindest zwei vorgegebenen Orten mit zugeordneten Ortskoordinaten die auf möglichen Routen ange ordneten Ladestationseinrichtungen zur Abdeckung des auf der festzulegenden Route benötigten Energiebedarfs berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf des Kraftfahrzeuges auf der Route durch Ladung des Kurzzeitenergiespeichers an den auf der Route angeordneten Ladestationseinrichtungen gedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktualisierung von im Kraftfahrzeug gespeicherten Ortskoordinaten der nutzbaren Ladestationseinrichtungen mittels einer Mobilfunkverbindung und/oder einer Internetverbindung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Stickstoff zur Kühlung eines als supraleitende Spule ausgebildeten Kurzzeitenergiespeichers während des Betriebs des Kraftfahrzeuges an Bord gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Ladevorganges in den Kurzzeitenergiespeicher abgelegte Energie verwendet wird, um einen Langzeitspeicher des Kraftfahrzeuges aufzuladen.