DE102006047654A1

DE102006047654A1 - Tankstelle für Elektro-Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102006047654A1
Application number: DE102006047654A
Authority: DE
Inventors: Mario Roessler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugs (1) mit einem Elektro-Antrieb, der von wenigstens einem Energiespeicher (5) gespeist wird. Die Standzeit des Fahrzeugs beim Betanken kann wesentlich verkürzt werden, wenn die Stromtankstelle eine Tankeinrichtung (2) umfasst, mittels derer wenigstens ein Energiespeicher (5) des Fahrzeugs durch einen anderen ausgetauscht werden kann.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugs mit Elektro-Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Fahrzeuge mit Elektro-Antrieb, wie z. B. Hybrid-Fahrzeuge, umfassen einen Akkumulator, der meist fest im Fahrzeug eingebaut ist. Zum Aufladen des Akkumulators wird dieser an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Die Kosten für das „Betanken" berechnen sich dabei nach der entnommenen Energiemenge (kWh). Der Begriff „Betanken" wird hier in Analogie zum Betanken mit flüssigem Kraftstoff verwendet, wobei natürlich das Aufladen des Energiespeichers gemeint ist.
Das Betanken des Fahrzeugs dauert bei den heute verwendeten Akkumulatoren, wie z. B. Li-Ionen oder NiMH-Akkumulatoren, relativ lange, wobei zum vollständigen Aufladen eines Akkumulators Standzeiten von 12 h (über Nacht) in Kauf genommen werden müssen. Bei kürzeren Ladevorgängen wird nur eine entsprechend geringere Reichweite des Fahrzeugs erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer der Tankvorgang wesentlich verkürzt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Energiespeicher nicht im Fahrzeug aufzuladen, sondern einfach durch einen anderen Energiespeicher auszutauschen. Sofern das Fahrzeug mehrere einzelne Energiespeicher aufweist, können ein oder mehrere der Energiespeicher getauscht werden. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Tankeinrichtung vorgesehen, die so ausgelegt ist, dass sie zumindest den zu tauschenden Energiespeicher aufnehmen und einen Ersatz-Energiespeicher bereitstellen kann. Dies hat den Vorteil, dass die Standzeit des Fahrzeugs wesentlich verkürzt werden kann.
Der Austausch des Energiespeichers, d.h. das Herausnehmen des alten und Zuführen des neuen Energiespeichers kann entweder automatisch erfolgen oder durch den Fahrer manuell unterstützt werden. Für den ersten Fall umfasst die Tankeinrichtung geeignete Mittel, wie z. B. einen Greifarm oder dgl..
Die erfindungsgemäße Tankeinrichtung umfasst gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein rotierbares Magazin, das mehrere Fächer für jeweils einen oder mehrere Energiespeicher aufweist. Beim Betanken des Fahrzeugs wird der zu tauschende Energiespeicher z. B. mittels einer geeigneten Vorrichtung aus dem Fahrzeug entnommen und in ein leeres Fach des Magazins gelegt. Danach rotiert das Magazin an die Position des nächsten Faches, in dem ein passender und aufgeladener Ersatz-Energiespeicher liegt, der dann in das entsprechende Fach des Fahrzeugs transportiert wird.
Das Magazin kann entweder nur einen oder mehrere Typen von Energiespeichern enthalten. Im letzteren Fall sind die Fächer des Magazins von ihrer Geometrie her entsprechend auszulegen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Tankeinrichtung ein Fördersystem, das einen oder mehrere der im Fahrzeug befindlichen Energiespeicher entnimmt und einen oder mehrere Austausch-Energiespeicher dem Fahrzeug wieder zuführt. Das Fördersystem umfasst in diesem Fall kein Magazin, sondern verschiedene Fördervorrichtungen, wie sie z. B. bei einem automatisierten Lagersystem eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Einrichtung zum Ermitteln der dem Fahrzeug netto zugeführten Energiemenge. Auf Basis dieser Energiemenge können dann die Tankkosten bestimmt werden. Die netto zugeführte Energiemenge ergibt sich als Differenz aus der im ausgetauschten Energiespeicher enthaltenen Energiemenge und der im Ersatz-Energiespeicher enthaltenen Energiemenge. Zur Berechnung der Energiemenge eines Energiespeichers können z. B. so genannte Batterie-Zustandserkennungs-Einrichtungen (BZE) eingesetzt werden, die aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind. Die Energiemenge ergibt sich z. B. über einen geeigneten Algorithmus aus dem Ladezustand (SOC, state of charge) der Batterie, der aktuellen Kapazität und der Spannung der Batterie. An den Energiespeichern kann beispielsweise jeweils ein Steuergerät mit einem BZE-Algorithmus angeordnet sein, das die erforderlichen Messungen durchführt und den Energieinhalt bestimmt. Wahlweise kann die Messung aber auch erst in der Tankeinrichtung durchgeführt werden, wenn diese eine entsprechende Messeinrichtung umfasst.
Der wenigstens eine Energiespeicher des Fahrzeugs wird vorzugsweise ohne die zugehörige Peripherie, wie z. B. eine Kühleinrichtung oder ein zugehöriges Steuergerät getauscht. Es wird vorzugsweise nur der reine Akkumulator gewechselt. Wahlweise könnte der Energiespeicher auch zusammen mit der BZE, aber ohne weitere Steuerelektronik getauscht werden.
Die getauschten Energiespeicher werden vorzugsweise in der Tankeinrichtung wieder aufgeladen. Hierzu umfasst die Tankeinrichtung geeignete Mittel zum Aufladen und gegebenenfalls auch zum vorherigen Entladen der getauschten Energiespeicher.
Um ein Schnellaufladen zu ermöglichen, werden die Akkumulatoren vorzugsweise gekühlt. Die Kühlung kann entweder durch Luftkühlung erfolgen, oder die Fächer des Magazins können z. B. mit Kühlschlangen versehen sein, durch die eine Kühlflüssigkeit zirkuliert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine seitliche Ansicht einer Stromtankstelle mit einem rotierbaren Magazin; und
2 eine Rückansicht auf die Stromtankstelle von 1.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine seitliche Ansicht auf eine Stromtankstelle, an der ein Fahrzeug 1 zum Tanken gehalten hat. Die Stromtankstelle umfasst eine Zapfsäule 9 (Tankeinrichtung) mit einer Einrichtung zum Austauschen der im Fahrzeug befindlichen Akkumulatoren. Die Tauscheinrichtung ist hier als rotierbares Magazin 2 realisiert, das mehrere Fächer 6 für insgesamt N-Akkumulatoren 5a–5n aufweist. Das Magazin ist teilweise überirdisch und teilweise unterirdisch angeordnet. Die einzelnen Fächer 6 des Magazins 2 sind jeweils mit Akkumulatoren gleichen Typs befüllt. Wahlweise könnte das Magazin 2 auch mehrere Akkumulatoren unterschiedlichen Typs aufweisen. Wenigstens eines der Fächer 6 ist dabei leer, um den Akkumulator des Fahrzeugs 1 aufzunehmen.
Zum „Betanken" des Fahrzeugs, d.h. zum Austausch des Akkumulators, fährt der Fahrer sein Fahrzeug 1 vor die Zapfsäule 9 und öffnet eine Abdeckung des Batteriefachs 4. Wenn die Öffnung 10 der Zapfsäule 9 nicht mit dem Batteriefach 4 des Fahrzeugs 1 fluchtet, wird die Öffnung 10 mit dem Batteriefach 4 in Position gebracht. Hierzu kann das Magazin 2 in wenigstens zwei Richtungen A, B verstellt werden. Die genaue Position der Öffnung am Fahrzeug 1 kann beispielsweise mittels einer optischen Bilderkennung erkannt werden. Wenn sich die Öffnung 10 in der richtigen Position befindet, wird zunächst der im Fahrzeug 1 befindliche Akkumulator herausgenommen und in ein leeres Fach 6 des Magazins 2 befördert. Dies kann im Prinzip mittels jedes beliebigen Betätigungsmechanismus durchgeführt werden. Wahlweise könnte der Fahrer den Akkumulator 5 aber auch manuell herausziehen und in das leere Fach 6 schieben.
Danach wird der passende Batterietyp im Magazin 2 ausgewählt und das Magazin so lange angetrieben, bis der entsprechende Akkumulator an der Öffnung 10 angekommen ist. Die Erkennung des passenden Akkumulatortyps kann beispielsweise per Funk vom Fahrzeug abgefragt werden. Wahlweise könnte der Akkumulatortyp auch durch optische Mustererkennung des ausgetauschten Akkumulators erkannt werden. Vorzugsweise wird nur der reine Akkumulator 5 ohne weitere Peripherie, wie z. B. eine Kühleinrichtung oder ein zugehöriges Steuergerät, ausgetauscht.
Die Kosten für einen solchen Tankvorgang berechnen sich aus der dem Fahrzeug 1 netto zugeführten Energiemenge. Um die Netto-Energiemenge berechnen zu können, muss die (Rest-)Kapazität des ausgetauschten und des neuen Akkumulators 5 bestimmt werden. Vorzugweise werden hierzu der aktuelle Ladezustand (SOC), die aktuelle Kapazität und die Batteriespannung ermittelt. Die (Rest-)Kapazität des ausgetauschten Akkumulators 5 kann entweder bereits im Fahrzeug 1 oder später im Magazin 2 bestimmt werden. Im ersteren Fall umfasst das Fahrzeug eine entsprechende Diagnoseeinrichtung (BZE: Batteriezustandserkennung), die die Batterie-Kapazität ermittelt. Die entsprechenden Daten können z. B. per Funk an eine externe Steuereinheit 7 gesendet werden. Der Kapazitätswert kann aber auch direkt (drahtgebunden) von der Steuereinheit 7 gemessen werden. In gleicher Weise kann auch die Kapazität des neuen Akkumulators 5 ermittelt werden. Die Steuereinheit 7 berechnet danach die Differenz der Energien und daraus die Kosten für den Tankvorgang.
Die getauschten Akkumulatoren 5 werden vorzugsweise direkt im Magazin 2 wieder aufgeladen. Vor dem Aufladen können die Akkumulatoren – sofern erforderlich – zunächst entladen werden. Um beim Laden und Entladen der Akkumulatoren eine Überhitzung zu vermeiden, ist im Magazin 2 vorzugsweise eine Kühleinrichtung integriert. Die Akkumulatoren 5 können dabei z. B. über einen Luftstrom oder durch im Magazin 2 integrierte Kühlschlangen gekühlt werden.
Die Zapfsäule 9 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass auch mehrere Akkumulatoren nacheinander oder gleichzeitig ausgetauscht werden können, für den Fall, dass das Fahrzeug mehrere Akkumulatoren enthält. Die Anzahl der zu tauschenden Akkumulatoren kann beispielsweise über Funk an ein Steuergerät 7 der Zapfsäule 9 übertragen werden.
Die Tauschvorrichtung umfasst vorzugsweise auch Mittel zum Erkennen der Verfügbarkeit neuer Akkumulatoren. Wenn sämtliche Plätze der Tauscheinrichtung 2 leer sind oder kein geladener Akkumulator zur Verfügung steht, wird z. B. automatisch ein Signal erzeugt, das den entsprechenden Zustand anzeigt. An der Zapfsäule 9 kann beispielsweise ein rotes Lämpchen oder dergleichen angesteuert werden, das den Fahrer darauf hinweist, dass diese Zapfsäule 9 außer Betrieb ist.
1b zeigt eine Rückansicht der Stromtankstelle von 1a. Dabei sind insbesondere die einzelnen Akkumulatoren 5a–5n und der Austausch eines der Akkumulatoren 5 gut zu erkennen.

Claims

Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugs (1) mit Elektroantrieb, der von wenigstens einem Energiespeicher (5) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tankeinrichtung (9) vorgesehen ist, die einen oder mehrere Energiespeicher (5) des Fahrzeugs (1) aufnehmen und wenigstens einen Ersatz-Energiespeicher (5) bereitstellen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankeinrichtung (9) ein rotierbares Magazin (2) umfasst, das mehrere Fächer (6) für jeweils einen oder mehrere Energiespeicher (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankeinrichtung (9) Fächer (6) aufweist, in denen Energiespeicher (5) unterschiedlicher Typen gelagert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankeinrichtung (9) Mittel zum automatischen Entnehmen und Zuführen eines Energiespeichers (5) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (7) zum Ermitteln der dem Fahrzeug (1) netto zugeführten Energiemenge vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) basierend auf der netto zugeführten Energiemenge die Kosten der Betankung bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankeinrichtung (9) Mittel (8) zum Aufladen und, sofern erforderlich, auch zum Entladen des getauschten Energiespeichers (5) umfasst.
Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugs (1) mit Elektroantrieb, der von wenigstens einem Energiespeicher (5) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Fahrzeug (1) befindliche Energiespeicher (5) aus dem Fahrzeug (1) entnommen und einer Tankeinrichtung (9) zugeführt wird, die wenigstens einen Ersatz-Energiespeicher (5) zum Austausch bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Fahrzeug (1) befindliche Energiespeicher (5) ohne die zugehörige Kühleinrichtung getauscht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Fahrzeug (1) befindliche Energiespeicher (5) ohne ein zugehöriges Steuergerät getauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) eine Batteriezustandserkennung (BZE) umfasst, die zusammen mit dem Energiespeicher (5) getauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des getauschten Energiespeichers (5) und des Ersatz-Energiespeichers (5) ermittelt und daraus die dem Fahrzeug (1) netto zugeführte Energiemenge bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der getauschte Energiespeicher (5) in einem Magazin (2) wieder aufgeladen und, sofern erforderlich, zuvor entladen wird.