DE102007039480A1

DE102007039480A1 - Elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102007039480A1
Application number: DE102007039480A
Authority: DE
Inventors: Ina Fischer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-26
Also published as: DE102008005551A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ausschließlich über einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben wird und das zur Energieversorgung dieser Elektromotoren mindestens eine austauschbare und wieder aufladbare Batterie aufweist. Um eine verbrauchsabhängige Abrechnung bei schnellstmöglichem Batteriewechsel zu ermöglichen, weist die Batterie erfindungsgemäß eine integrierte Datenerfassungs- und -speichereinrichtung auf, die den momentanen Ladezustand und/oder den Zeitpunkt des letzten Batteriewechsels und/oder insgesamt oder seit dem letzten Batteriewechsel erfolgte Ladezyklen erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ausschließlich über einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben wird und das zur Energieversorgung dieser Elektromotoren mindestens eine austauschbare und wieder aufladbare Batterie aufweist.
Nach dem Stand der Technik sind Hybridfahrzeuge bekannt, die neben einem Verbrennungsmotor einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. In konkreten Anwendungsfällen wird die Antriebsenergie beim Beschleunigen aus dem Stand zunächst fast ausschließlich von dem drehmomentstarken Elektromotor aufgebracht. Soll die Beschleunigung noch erhöht oder sollen hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, wird automatisch der Verbrennungsmotor hinzugeschaltet, so dass das Fahrzeug mit beiden Antriebsmotoren angetrieben wird. In Einzelfällen, insbesondere beim gleichmäßigen Fahren mit nur geringer Last wird der Elektromotor abgeschaltet. Zur Energieeinspeisung werden leistungsfähige Batterien benötigt, die über die vorgesehene Lichtmaschine im Fahrbetrieb aufgeladen werden. Zusätzlich besitzen solche Fahrzeuge ein regeneratives Bremssystem, bei dem die Bremsenergie – soweit möglich – wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Nachteil solcher Fahrzeuge liegt darin, dass zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor sowie weiteren Aggregaten bis hin zur Abgasreinigung ein Elektromotor mit den entsprechenden Kupplungselementen vorgesehen sein muss. Zudem muss eine ausreichende Batteriekapazität vorhanden sein, um eine genügend effiziente Beschleunigung gewährleisten zu können. Die Zielsetzung, mit einem solchen Hybridmotor Brennstoff einzusparen, wird aufgrund der höheren zu bewegenden Gewichte teilweise zunichte gemacht. Ein weiterer Nachteil solcher Hybridfahrzeuge besteht darin, dass der Platzbedarf für die zusätzlichen Aggregate relativ groß ist.
Die wünschenswerte Alternative ist ein rein elektromotorisch betriebenes Fahrzeug, das mangels Verbrennungsmotoren schadstoff- und emmissionsfrei betrieben werden kann. Derzeit scheitern Bestrebungen jedoch daran, dass die Reichweite eines ausschließlich mit einem Elektromotor betriebenen Fahrzeuges relativ gering ist. Eine größere Reichweite lässt sich lediglich mit einer Vergrößerung der Batterieka pazität erreichen, welche das Fahrzeug mit zusätzlichem Gewicht belastet und weiteren Fahrzeugraum in Anspruch nimmt.
Ein noch größeres Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass eine entladene (Auto)-Batterie nur schonend aufgeladen werden kann, da ein zu hoher Ladestrom die Lebensdauer der Batterie aufgrund der hohen entstehenden Wärme zu einer Zerstörung der Batterie führt. Außerdem würde der Leistungsbedarf der Ladestation sehr hoch und eine flächendeckende Energieversorgung für stochastisch auftretende Leistungsspitzen wäre problematisch. Aus diesem Grund ist die Reichweite eines mit einem Elektromotor betriebenen Fahrzeuges beschränkt, da bei längeren Fahrten stets unzumutbar lange Zeiten für die Wiederaufladung der Batterie aufgewendet werden müssen. In der Praxis sind daher rein elektromotorisch betriebene Fahrzeuge nur als Gabelstapler oder als Golfwagen zum Transportieren eines Golfbags bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung hier Abhilfe mit einem Fahrzeug zu schaffen, das nach Verbrauch der zur Verfügung stehenden Batterieleistung in kurzer Zeit von maximal 5 min bis 10 min zur Weiterfahrt ausgerüstet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Fahrzug nach Anspruch 1 gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Batterie eine integrierte Datenerfassungs- und Datenspeicherungseinrichtung aufweist, die den momentanen Ladezustand und/oder den Zeitpunkt des letzten Batteriewechsels und/oder insgesamt oder seit dem letzten Batteriewechsel erfolgte Ladezyklen erfasst. Die vorgenannte Ausstattung der Batterie führt im Ergebnis dazu, dass die Batterie ohne Nachteil für den Fahrzeugbenutzer ausgetauscht und durch eine geladene Batterie ersetzt werden kann. Die Datenerfassungs- und speicherungseinrichtung ermöglicht eine unmittelbare Kontrolle, welche Energie tatsächlich verbraucht worden ist. Der Fahrzeugbesitzer oder Fahrzeugbenutzer rechnet mit der Tankstelle somit nur die aus der Batterie entnommene Energie ab. Ähnlich wie es bei Propangasflaschen derzeit praktiziert wird, kann somit verbrauchsorientiert eine Abrechnung erfolgen. Das Wechseln der Batterie kann durch deren Lage und deren Anbringung am oder im Fahrzeug erheb lich erleichtert werden. Vorzugsweise soll der Batteriewechsel erfolgen können, ohne dass der Fahrer das Fahrzeug verlassen muss. Die entnommene Batterie kann dann in einer batterieschonenen Weise wieder aufgeladen und in ein anderes Fahrzeug eingebaut werden. Die Abrechnung, die der Fahrzeugbetreiber erhält, ist verbrauchsorientiert, wobei die jeweiligen Datenerfassungs- und speicherungseinrichtungen der Batterie, verbunden mit einer Batteriecodierung hinreichende Auskünfte darüber verschaffen, welches Alter die Batterie erreicht hat. Der Wechsel einer Batterie zu einem anderen Fahrzeug ist auch deshalb von Vorteil, weil auf diese Art und Weise ein einseitiger Belastungszustand, wie er bei reinen Stadtfahrern oder bei Vielfahrern häufig anzutreffen ist, vermieden wird. Stattdessen werden die Batterien einem Mischbetrieb durch entsprechend viele Fahrzeugwechsel ausgesetzt, der sich insgesamt lebensdauererhöhend auswirkt.
Insbesondere können ein Verbrennungsmotor einschließlich der Zusatzaggregate bis hin zum Katalysator völlig eingespart werden. Hiermit ist nicht nur ein preislicher Vorteil verbunden, sondern auch eine erhebliche Gewichtsminimierung. Zudem wird gegenüber Hybridfahrzeugen, aber auch Fahrzeugen, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind, ein erheblicher Platz für Verbrennungsmotor und Nebenaggregate eingespart, welcher den Fahrgästen zu Gute kommt.
Vorzugsweise besteht die Batterie aus mehreren einzelnen Zellen mit jeweiligen Ausgängen, die nur im Bedarfsfall, d. h. im Fahrbetrieb, automatisch in Reihe geschaltet werden, um die notwendige Spannung von 300 V bis 400 V abgreifen zu können. Dies hat den Vorteil, dass die extrem hohe Spannung nur im Fahrbetrieb anliegt und somit Personengefährdungen bei Kurzschlüssen in stillstehenden Fahrzeugen ausgeschlossen sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Fahrzeug eine fahrzeugeigene Ladestation, die es ermöglicht, dass der Besitzer oder Fahrer dieses Fahrzeuges über die Ladestation selbst die vorhandene Batterie wieder aufladen kann. Die integrierte Datenerfassung und -speicherung lässt über ein Kontrollsystem jederzeit die noch vorhandene Ladekapazität der Batterie erkennen, so dass es dem Fahrzeugbenutzer überlassen bleibt, eine Wiederaufladung vorzunehmen oder zu verschieben. Hiermit können günstige Stromtarife ausgenutzt werden, etwa dergestalt, dass – von Ausnahmefällen abgesehen – stets nur so viel Ladung in die Batterie zurückgeführt wird, wie tatsächlich für den nächsten Fahrtabschnitt oder die nächsten Fahrtabschnitte benötigt wird, grundsätzlich jedoch eine Wiederaufladung nur dann stattfindet, wenn ein günstiger Stromtarif ausgenutzt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie oder jede Batterie auf der Fahrzeugunterseite montiert, vorzugsweise unterhalb einer als Brandschutzwand (Brandschott) ausgebildeten Bodenplattform. Eine derartige Anbringung hat den besonderen Vorteil, dass der Schwerpunkt des Fahrzeuges so tief wie möglich gelegt wird. Bei Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen bzw. solchen Fahrzeugen, die über eine hinreichend große Bodenplattform verfügen, können gegebenenfalls auch zwei oder mehr Batterien angeordnet werden, etwa um die Reichweite entsprechend zu erhöhen. Die verwendeten Batterien sollten möglichst flach ausgebildet sein, wohingegen die Länge und Breite entsprechend dem zur Verfügung stehenden Längen/Breiten-Verhältnisses des Fahrzeugtyps angepasst gewählt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Batterie eine sich zur Oberseite verjüngende, vorzugsweise konische Form, die in einen entsprechend angepassten korrespondierenden Hohlraum an der Fahrzeugunterseite von unten oder von der Seite her einführbar ist, wobei vorzugsweise die Batterieseitenwände unter leichter Druckspannung an den Fahrzeughohlraumseitenwänden anliegen, so dass hierdurch die Fahrzeugbodensteifigkeit erhöht wird. Die konische Form hilft beim automatischen Einführen der Batterie in den entsprechenden Fahrzeughohlraum, so dass etwaige Fehldispositionen des Fahrzeugs gegenüber dem Hubgerät, mit dem die Batterie in den Hohlraum angehoben wird, ausgeglichen werden können. Vorzugsweise besitzt die Batterie einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt. Der runde Querschnitt besitzt gegenüber dem rechteckigen Querschnitt noch den Vorteil, dass etwaige Schrägstellungen des Fahrzeugs bei der Batterieaufnahme keine Rolle spielen.
Um auch ohne fremde Hilfsvorrichtungen einen Batteriewechsel vornehmen zu können, ist zusätzlich eine fahrzeugeigene Hub- und Schnellspannvorrichtung vorgesehen, die zum Lösen der Batterie oder der Batterien, zu deren Ablage, zur Aufnahme einer neuen Batterie und zu deren Befestigung am Fahrzeug ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann es sich hierbei um spindelgeführte Halterungen handeln, die entweder per Hand oder mittels eines Notstromaggregates angetrieben werden.
Sofern – nach einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung – eine fahrzeugintegrierte Datenerfassungs- und speichervorrichtung mit einem Dateneingang vorgesehen ist, der über vorhandene Leitungen oder drahtlos gesendete Signale empfängt, welche die in der ausgetauschten Batterie entnommene Energie, die Nutzungszeit, etwaige Ladezyklen betreffen und welche aus der Datenerfassungs- und speicherungseinrichtung der Batterie vor dem Austausch ausgelesen bzw. von hier aus gesendet werden, ist eine weitestgehende Automatisierung eines Abrechnungssystems möglich. Alle abrechnungstechnischen Daten, insbesondere die verbrauchte Energie, werden sowohl am Ort erfasst, wo die entleerte Batterie zur Wiederaufladung zurückgelassen wird als auch im Fahrzeug, so dass der Fahrer dort eine Kontrolle über den Energieverbrauch bzw. den zu zahlenden Betrag erhält.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es unter Umständen möglich, besonders günstige Stromtarife auszunutzen, d. h. die Batterie zu den Zeiten zu laden, zu denen der Strompreis niedrig ist. Um dies umsetzen zu können, ist die fahrzeugeigene Ladestation mit einer Überwachungseinrichtung verbunden, welche die Zeitpunkte, die Dauer und die Energiemenge nach einstellbaren Vorgaben steuert, vorzugsweise derart, dass die Ladevorgänge in Abhängigkeit der tatsächlich benötigten oder gewünschten Energie, des temporären Strompreises oder des Batteriezustandes zur Vermeidung einer Tiefenentladung gesteuert werden. Entspricht die Restkapazität einer Batterie beispielsweise 100 km und will der Fahrer eine geringfügig, beispielsweise um 50 km weitere Strecke zurücklegen, so reicht es inklusive einer Sicherheitsmarge regelmäßig, nur eine Batteriekapazität zu laden, die für ca. 200 km ausreichend ist. Die vollständige Wiederaufladung der Batterie kann dann auf einen Zeitpunkt verschoben werden, zu dem der Stromtarif günstiger ist. Allerdings ist bei einer solchen Verfahrensweise stets eine sogenannte Tiefenentladung der Batterie zu vermeiden, welche die Batterie irreversibel zerstört.
Vorzugsweise ist die in der Batterie integrierte Datenerfassungs- und speicherungseinrichtung mit einem Navigationsgerät verbunden, das eine automatische Routenführung in Abhängigkeit von der verfügbaren Restkapazität der Batterie sendet. Bei nicht ausreichender Restkapazität der Batterie wird der Fahrzeugführer über die Routenführung zu der nächst möglichen Batterie-Austausch-Station geleitet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung leitet der als einziger Antriebsmotor vorhandene Elektromotor zumindest mehr als 60% der Antriebsenergie, vorzugsweise mehr als 70% der Antriebsenergie, auf die Hinterräder des Fahrzeuges und nur den verbleibenden Rest auf die Vorderräder. Die aus Bremsvorgängen regenerierbare Energie wird hingegen über die Vorderräder zur Wiederaufladung der Batterie entnommen.
Weiterhin vorzugsweise wird die Regeneration durch eine Distanz- und Bremspunktkontrolle gesteuert, d. h. dass das Fahr- und Bremsverhalten des Fahrzeuges teilweise automatisiert wird, um unnötige Brems- und Beschleunigungsvorgänge zu vermeiden.
Dieselbe Zielsetzung verfolgt auch ein Abstandssensor, der die Distanz zu stehenden oder bewegten Objekten in Fahrtrichtung misst, und deren Signale zur Steuerung oder Regelung der Gaspedalrückstellkraft verwendet werden. Taucht vor dem Fahrzeug ein Hindernis auf, das die Einleitung eines Bremsvorganges sinnvoll macht, wird die Gaspedalrückstellkraft leicht erhöht, um eine weitere Beschleunigung zu vermeiden bzw. eine Geschwindigkeitsminimierung einzuleiten. Der Fahrer kann diese jedoch verhindern, indem er mit entsprechend größerer Kraftwirkung das Gaspedal betätigt.
Es ist auch zweckmäßig bei Bremsvorgängen andere Getriebe-Übersetzungsverhältnisse zu wählen als beim Beschleunigen. Letztere sollten bei möglichst hohen Drehzahlen (im Vergleich der Bremsvorgänge) durchgeführt werden. Um auch hier eine entsprechende Einstellung zu gewährleisten, ist je nach Leistungsflussrichtung über ein vorhandenes Getriebe eine unterschiedliche Übersetzung einstellbar.
Die einfachste Form eines Batteriewechsels kann darin bestehen, dass das Fahrzeug in eine Transferstation einfährt, wo an einem ersten Ort die zu tauschende Batterie aus einer Spannvorrichtung gelöst und abgelegt wird. Damit das (batterielose) Fahrzeug selbsttätig fortbewegt werden kann, ist ein Notstromakkumulator vorgesehen, der einen Kurzstreckenantrieb bis zur zweiten Station erlaubt, in der die neue Batterie aufgenommen und angeschlossen wird. Das Notstromaggregat ist auch aus dem Grund nützlich, da während des Batteriewechsels vorhandene elektrische Einrichtungen wie insbesondere das Navigationssystem, das Autotelefon, Radio, vorhandene Klimaanlagen etc. weiterhin mit Strom versorgt werden können.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch das Fahrzeug mit einem elektrischen Stecker zum Stromanschluss an die Batterie eines weiteren Fahrzeuges ausgestattet sein. Dies ist bei Abschlepp- und sonstigen Notfällen sinnvoll, in denen die elektrische Stromzuführung oder die Batterie selbst versagen.
Zur größeren Sicherheit ist vorgesehen, dass die Batterie(n) derart gelagert wird, das bei Überschreiten eines Impulses, beispielsweise hervorgerufen durch ein Zusammenstoß mit einem anderen Fahrzeug, die Batteriezellen durch vorhandene Sollbruchstellen elektrisch voneinander getrennt werden und/oder die Batterie(n) abgekoppelt werden. Auf diese Weise wird die vorhandene hohe Spannung von 400 V aufgehoben, so dass im ungünstigsten Fall nur die Spannungen offen liegen, die jeweils die Zellen einzeln liefern (also beispielsweise 6 V oder 12 V).
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Hochleistungkondensatoren mit hohen Kapazitäten als zusätzliche Energiespeicher vorgesehen (auch gegebenenfalls alternativ zu dem bereits erwähnten Notstromaggregat).
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor über ein Sterngetriebe, das vorzugsweise stufenlose Übersetzungsverhältnisse zulässt, mit einer Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden.
Unter einem Sterngetriebe wird ein oszillierendes Schaltwerk verstanden, bei dem das Drehmoment aus einer Eingangswelle in eine sinusförmige Hubbewegung umgewandelt wird, deren Amplitude von einer stufenlos wählbaren Exzentrizität eines Doppelexzenters und damit vom Hub eines Kurbelzapfens bestimmt wird. In sternförmig angeordneten Freiläufen wird diese Hubbewegung in einer Oszillation und schließlich durch eine richtungsgeschaltete Kupplungswirkung der Freiläufe in eine Rotation umgewandelt, die über Zahnräder gesammelt und auf eine Abtriebswelle übertragen wird, die als Antriebswelle für die Hinterräder dient. Die genannten Freiläufe können Satellitenfreiläufe sind, die beispielsweise aus der EP 1 003 984 B1 bekannt sind.
Die aus der Abwärme des Elektromotors, der Batterie sowie aus Brems- und Dämpfungsvorgängen stammende Wärme kann über einen Wärmetauscher als Zusatzheizung genutzt werden. Zur Kühlung können in die Sitze integrierte Peltierelemente als steuer- oder regelbare Kühlkörper verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, jedes Antriebsrad mit einem getrennten Antrieb zu versehen, wobei ein ansonsten notwendiges Differential eingespart werden kann. Die Antriebssynchronisation der beiden gegenüberliegenden Antriebsräder lässt sich elektronisch regeln.
Auch für ein Fahrzeug notwendige Dämpfer und Stabilisatoren können elektrisch steuerbar ausgebildet sein. Hierbei besteht auch die Möglichkeit die Batterien im Fahrzeug so zu befestigen, dass ihre Masse als aktiver oder passiver Schwingungstilger dient.
Der Fahrzeugaufbau kann infolge des Wegfalls des Verbrennungsmotors völlig neu konzipiert werden, wobei sich hinsichtlich der Karosserieformen mehr Freiheiten eröffnen. So lässt sich beispielsweise der Frontscheibenwischer als Rotationsscheibenwischer ausbilden, der die aufwendige Umlenkung, die ansonsten notwendig ist, überflüssig macht. Der Rotationswischer kann so ausgebildet sein, dass lediglich das Sichtfeld über einen Winkel von 180° berührend überfahren wird und dass in der zweiten Kreishälfte das Wischerblatt über eine Führung von dortigen Karosserieteilen abgehoben wird. Da stets in derselben Richtung die Frontscheibe gewischt wird, lässt sich der Aufbau des Wischerblattes nicht nur vereinfachen, sondern auch effizienter gestalten, da auf umschwenkbare Wischerlippen verzichtet wird.
Weitere Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden auch hinsichtlich der benötigten Batterieaustauschstationen erörtert. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Fahrzeug, das ausschließlich mit einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben wird, eine leicht zugängliche flache und unterhalb einer Basisplattform angeordnete Batterie mit einer Reichweite von bis zu 400 km aufweist, die an einer Batteriewechselstation wegen ihrer leichten Zugänglichkeit schnell austauschbar ist. Das Auswechseln einer Batterie erspart die Wartezeit, die zum batterieschonenden Wiederaufladen notwendig ist. Um dieses System in der Praxis rentabel umsetzen zu können, wird erfindungsgemäß jede Batterie mit einer integrierten Datenerfassungs- und speicherungseinrichtung versehen, die den momentanen Ladezustand und/oder den Zeitpunkt des letzten Batteriewechsels und/oder insgesamt oder seit dem letzten Batteriewechsel erfolgte Ladezyklen erfasst. Die vorgenannten Daten ermöglichen eine verbrauchsorientierte Abrechnung, die für den Fahrzeuginhaber oder Fahrzeugführer ebenso transparent ist wie für den Betreiber einer Batteriewechselstation. Sinnvollerweise müssen die Batterien hinsichtlich ihrer Größe sowie der Polanordnung genormt sein, wobei auch eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Normen für Pkw, Nutzfahrzeuge und Lkw denkbar ist. Die für Nutzfahrzeuge oder Lastkraftwagen wegen der längeren Fahrwege benötigte größere Batteriekapazität kann jedoch auch bei Verwendung nur eines einzigen Batterietyps dadurch bereitgestellt werden, dass am Fahrzeugboden zwei oder mehr Batterien befestigt sind, die sukzessive zur Stromabnahme verwendet werden. Die Servicestationen, an denen die Batterie gewechselt wird, muss auch nur dann angefahren werden, wenn für eine schonende Wiederaufladung der Batterie keine Zeit bleibt. Pkw-Stillstandszeiten hingegen lassen sich bei erreichbarem Stromnetz dazu nutzen, dass die Batterie während der Stillstandszeit, gegebenen falls geregelt geladen wird. Hierzu besitzt das Fahrzeug eine eigene Ladestation, die jedoch auch fahrzeugextern, z. B. in der Garage des Fahrzeugführers oder am Arbeitsplatz fest installiert sein kann, was den Vorteil hat, dass die Ladestation nicht mit dem Fahrzeug mitbewegt werden muss. Für den Kurzstreckenbetrieb braucht die Batterie daher nicht gewechselt zu werden. Die für die Nutzung der Batterie über den benutzten Zeitraum sowie für die Abnutzung durch verbrauchte Ladezyklen, die für die Lebensdauer der Batterie entscheidend sind, entstehenden Kosten lassen sich mittels der batterieintegrierten Einrichtung erfassen und ablesen. Der Fahrzeugeigentümer muss nicht gleichzeitig Eigentümer der Batterie sein, vielmehr wird eine Batterie jeweils für einen Nutzungszeitraum entliehen und dann verbrauchsorientiert an den Ladezyklen abgerechnet. Mit dieser Maßgabe kann ein System realisiert werden, bei dem Serviceunternehmen die Batterien besitzen und eine Kette von Lade- und Wechselstationen, so dass eine präzise Kostenzuordnung bei der Rücknahme der Batterie für jeden Kunden möglich ist. Kundenspezifische Daten lassen sich bei der Erstausgabe des Fahrzeuges oder beim Inhaberwechsel im Datenspeicher der Batterie ebenso erfassen wie die Zeitnutzung, die verbrauchte Energie und die verbrauchten Ladezyklen durch eigene Wiederaufladungen, die der Kunde vorgenommen hat. Als zusätzliche Sicherheit gegen Missbrauch oder Diebstahl kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung am Fahrzeug ein zusätzlicher Chip angebracht werden, der bei jedem Wechselstopp ausgelesen wird. Über Ort und Zeitpunkt entsteht so eine redundante Erfassung und Transparenz für eine Abrechnung ähnlich wie bei Handy-Gebühren oder Kreditkartenabbuchungen.
Beim derzeitigen Stand der Technik ergeben sich damit z. B. beim Einsatz von Lithium-Ionen-Polymer-Batterien für ein Mittelklassefahrzeug Reichweiten von 200 km bei Fahrleistungen, die einem 100 kW-Verbrennungsmotor entsprechen, mit einer Batteriemasse von ca. 300 kg. Auf einer 600 km langen Fahrstrecke würden drei Batteriewechselstopps von etwa 2 min erforderlich sein, wenn das Fahrzeug am Zielort wieder voll beladen verfügbar sein soll. Ein Pkw herkömmlicher Bauart mit einem Verbrennungsmotor würde im Vergleich einen Tankstopp benötigen, bei dem der Fahrer aussteigen, tanken, den Wagen verriegeln, zur Kasse gehen, bezahlen, zum Wagen zurückgehen, aufschließen, anlassen und losfahren muss, was im Regelfall 5 bis 10 min erfordert. Der Zeitaufwand mit dem erfindungsgemäßen System ist also bei gleicher Reichweite nicht höher, dafür für den Fahrer komfortabler, da er während des Batteriewechsels im Fahrzeug verbleiben kann. Eine Kontrolle über eine zutreffende Registrierung hat der Fahrzeugführer über ein bordeigenes Datenerfassungssystem, gegebenenfalls mit einer Anzeige.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrzeuges liegt selbstverständlich in dem abgasfreien Betrieb. Mit einem reinen Elektromotorantrieb, der aufgrund der höheren verfügbaren Drehmomente im Stadtverkehr ohnehin unbestritten Vorteile hat, lassen sich bei etwa gleichen Fahrleistungen und gleicher Reisezeit auch Langstrecken komfortabler zurücklegen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das Wiederaufladen der Batterien an den Servicestationen zu Zeiten geschehen kann, in denen der Strompreis gering ist. Sofern im Wege einer Strombörse der Energieverbrauch abhängig von der temporär aktuellen Nachfrage abgerechnet wird, lässt sich somit ein am geringen Verbrauch orientierter günstiger Strompreis wirkungsvoll nutzen. Diese zusätzliche Stromabnahme in verbrauchsarmen Zeiten macht es gegebenenfalls auch überflüssig die vorhandene Energie in Speicherkraftwerken z. B. zum Pumpen von Wasser auf ein höheres Niveau, dessen kinetische Energie anschließend in elektrische Energie umgewandet werden muss, zu nutzen. Für den Endkunden ergeben sich keine zusätzlichen Kosten, da er lediglich den Anteil an der Batterie zahlen muss, den er durch Ladezyklen etc. verbraucht hat. Die Gesamtlebensdauer der Batterien erhöht sich, da jede Batterie im Regelfall von verschiedenen Fahrern mit unterschiedlichen Nutzungsprofilen belastet wird, was günstiger ist als extreme Belastungen, denen vereinzelt Batterien durch einseitige Nutzung ausgesetzt sind.
Durch eine Vernetzung mit einem bordeigenen Navigationssystem wird dem Fahrer automatisch der günstigste Ort zum nächsten Batteriewechsel angezeigt. Das bordeigene Energieverbrauchs- und Wechselzyklussystem lässt die Abrechnung kontrollieren, womit eine weitere Redundanz der Kostenerfassung gewährleistet ist.
Die Wechselbatterie ist vorzugsweise im Fahrzeugboden und von unten zugänglich befestigt, da dort ein schneller Zugriff durch ein automatisches Handlingssystem möglich ist. Der Fahrzeugschwerpunkt lässt sich niedrig legen. Zudem kann durch eine entsprechend ausgestattete Bodengruppe die Crashsicherheit maximiert werden. Dies folgt bereits daraus, dass komplexe Fahrzeugaufbauten, wie sie durch Verbrennungsmotoren sowie die Abgasführung notwendig sind, von vornherein durch ein stabiles Bodenchassis vermieden werden, auf dem die Fahrgastzelle etc. angeordnet sind. Hinsichtlich des Fahrzeugdesigns ergeben sich somit größere Freiheiten.
Auch die Radaufhängung und Federung lässt sich bei Verwendung eines Elektromotors als Antriebseinheit vereinfachen. So kann beispielsweise, gegebenenfalls über getrennte Elektromotoren, die synchronisiert werden, die Antriebsenergie über eine Transmission auf zwei Hinterräder geleitet werden, die in nur einer Schwingungsrichtung bzw. in nur einer Schwingungsebene abgefedert werden. Komplizierte Radaufhängungen und Federungssysteme lassen sich hiermit umgehen.
Selbstverständlich und wie im Prinzip nach dem Stand der Technik auch bekannt, lässt sich die Batterie über ein regeneratives Bremsen laden, wobei lediglich bei einer geladenen Batterie und einer Talfahrt mit überdurchschnittlich vielen Bremsvorgängen über eine Steuerung verhindert werden muss, dass eine Batterieüberladung stattfindet. Bei normalem Fahrbetrieb können solche Situationen (mangels Lichtmaschine) nicht auftreten.
Vorzugsweise soll der Batteriewechsel in einer Batteriewechselstation durch einen Automaten erfolgen. Im einfachsten Fall sind hierzu die geladenen Batterien auf dem Boden aufgereiht. Nachdem der Fahrer seine entleerte Batterie an einem vorgesehen Ort entweder über den fahrzeugeigenen Mechanismus abgelegt hat, wird das Fahrzeug (entweder über ein Notstromaggregat oder passiv) zu einem Ort bewegt, wo die aufzunehmende Batterie am Boden liegend bereit steht. Über einen Automaten wird diese Batterie nunmehr in das vorhandene Fach eingeführt und dort verriegelt und angeschlossen, so dass der Batteriewechsel nur kurze Zeit in Anspruch nimmt. Die entleerten Batterien werden über eine Transferstraße in eine Ladestation geführt, wo, gegebenenfalls zu Zeiten mit günstigem Stromtarif, die Wiederaufladung durchgeführt wird, bevor die Batterien wieder zum Austausch bereitgestellt werden. Alternativ denkbar sind jedoch auch solche Stationen, in denen der Fahrer über eine Bodenöffnung (Grube) fährt, in der ein Batteriewechselautomat installiert ist, der sowohl für die Batterieentnahme als auch für die Batteriezuführung ausgebildet ist. Bei solchen Konstruktionen ist das Notstromaggregat für eine Kurzstrecken-Fortbewegung des Fahrzeuges entbehrlich. Andererseits sollte zur Aufrechterhaltung der Bordspannung für Navigationssysteme, Autotelefon, Radio etc. fakultativ eine Spannung auch während des Batteriewechsels zur Verfügung stehen.
Grundsätzlich möglich sind auch mobile Batteriewechselstationen, die auf einem Lkw oder einem Anhänger zu Bedarfsplätzen gefahren werden können. Ähnlich wie bei Pannenfahrzeugen lässt sich eine solches Fahrzeug zur Vermeidung eines Umweges zu einer stationären Batteriewechselstation über Funk zu einem Autobahnparkplatz ordern, wo die Wechselbatterie zur gewünschten Zeit bereitgestellt wird. Auch solche mobilen Fahrzeuge besitzen zweckmäßiger Weise einen Wechselautomaten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1003984 B1 [0025]

Claims

Fahrzeug, das ausschließlich über einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben wird und das zur Energieversorgung dieser Elektromotoren mindestens eine austauschbare und wiederaufladbare Batterie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine integrierte Datenerfassungs- und Speichereinrichtung aufweist, die den momentanen Ladezustand und/oder den Zeitpunkt des letzten Batteriewechsels und/oder insgesamt oder seit dem letzten Batteriewechsel erfolgte Ladezyklen erfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie aus mehreren einzelnen Zellen mit jeweiligen Ausgängen besteht, die nur im Bedarfsfall (Fahrbetrieb) automatisch in Reihe geschaltet werden, um eine Spannung von 300 V bis 400 V abgreifen zu können.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine fahrzeugeigene Ladestation.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie oder jede Batterie auf der Fahrzeugunterseite montiert ist, vorzugsweise unterhalb einer als Brandschutzwand ausgebildeten Bodenplattform.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine sich zur Oberseite verjüngende, vorzugsweise konische Form aufweist, die in einen entsprechend angepassten korrespondierenden Hohlraum an der Fahrzeugunterseite von unten oder von der Seite her einführbar ist, wobei vorzugsweise die Batterieseitenwände unter leichter Druckspannung in den Fahrzeughohlraumseitenwänden anliegen, so dass hierdurch die Fahrzeugbodensteifigkeit erhöht wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie einen rechteckigen oder runden Querschnitt aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine fahrzeugeigene Hub- und Schnellspannvorrichtung vorgesehen ist, die zum Lösen der Batterie(n), zu deren Ablage, Aufnahme einer neuen Batterie und zu deren Befestigung am Fahrzeug ausgebildet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine fahrzeugintegrierte Datenerfassungs- und speichervorrichtung mit einem Dateneingang vorgesehen ist, der über vorhandene Leitungen oder drahtlos gesendete Signale empfängt, welche die in der ausgetauschten Batterie entnommene Energie, die Nutzungszeit und/oder etwaige Ladezyklen betreffen und welche aus der Datenerfassungs- und speichereinrichtung der Batterie vor dem Austausch ausgelesen bzw. von hier gesendet werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugeigene Ladestation mit einer Überwachungseinrichtung verbunden ist, welche die Zeitpunkte, die Dauer und die Energiemenge nach einstellbaren Vorgaben steuert, vorzugsweise derart, dass Ladevorgänge in Abhängigkeit der tatsächlich benötigten oder gewünschten Energiemenge, des temporären Strompreises oder des Batteriezustandes zur Vermeidung einer Tiefenentladung gesteuert werden.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die batterieintegrierte Datenerfassungs- und speichereinrichtung mit einem Navigationsgerät verbunden ist, das eine automatische Routenführung in Abhängigkeit von der verfügbaren Restkapazität der Batterie sendet.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als einziger Antriebsmotor vorhandene Elektromotor zumindest mehr als 60% der Antriebsenergie, vorzugsweise mehr als 70% der Antriebs energie auf die Hinterräder des Fahrzeugs leitet und/oder dass die Batterie über ein regeneratives Bremsen im wesentlichen über die Vorderräder geladen wird.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration der Batterie durch eine Distanz- und Bremspunktkontrolle gesteuert wird.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abstandssensor, der die Distanz zu stehenden oder bewegten Objekten in Fahrtrichtung misst und dessen Signale zur Steuerung oder Regelung der Gaspedalrückstellkraft verwendet werden.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich je nach Leistungsflussrichtung über ein Getriebe unterschiedliche Übersetzungen beim Beschleunigen oder Bremsen einstellen.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Notstromakkumulator zur Energieeinspeisung für eine langsame Fortbewegung während des Batteriewechsels in einer Transferstation, die zum Ablegen der weitgehend entladenen Batterie und zum anschließenden Aufnehmen einer neuen Batterie durchfahren werden muss.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen elektrischen Stecker zum Stromanschluss an die Batterie oder das Stromnetz eines weiteren Fahrzeuges aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie(n) derart gelagert ist/sind, dass bei Überschreiten eines Impulses, beispielsweise hervorgerufen durch einen Zusammenstoß mit einem anderen Fahrzeug, die Batteriezellen durch vorhandene Sollbruchstel len elektrisch voneinander getrennt und/oder die Batterie(n) abgekoppelt werden.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hochleistungskondensatoren mit hohen Kapazitäten als zusätzliche Energiespeicher vorgesehen sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor über ein Sterngetriebe, das vorzugsweise stufenlose Übersetzungsverhältnisse zulässt, mit einer Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Fahrgastraum notwendige Heizenergie zumindest zum Teil aus der Abwärme des Elektromotors, der Batterie sowie aus Brems- und Dämpfungsvorgängen gewonnen wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in die Sitze Peltierelemente als steuer- oder regelbare Kühlkörper integriert sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antriebsrad mit einem separaten Antrieb versehen ist, wobei die Antriebsleistungen elektronisch synchronisiert werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch elektrisch gesteuerte Dämpfer und Stabilisatoren.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien im Fahrzeug so befestigt sind, dass ihre Masse als aktiver oder passiver Schwingungstilger dient.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Frontscheibenwischer als Rotationswischer ausgebildet ist.