DE102008005552A1 - Battery change station - Google Patents

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Abstract

Eine Station zum Austausch der Akkumulatoren batteriebetriebener Fahrzeuge mit einer Schnellwechselvorrichtung in einem Wechselrahmensystem und einem umlaufenden Förderband, vorzugsweise in vertikaler Anordnung.A station for replacing the batteries of battery-powered vehicles with a quick-change device in a removable frame system and a circulating conveyor belt, preferably in a vertical arrangement.

Description

Batteriegetriebene Fahrzeuge erzielen aktuell nur begrenzte Reichweiten infolge der beschränkten Energiedichte der Batterien. Nach Überschreiten einer gewissen Fahrstrecke, die auch für absehbare Zeit kürzer bleiben wird als die Reichweite kraftstoffgetriebener Fahrzeuge, muss der Akku geladen werden. Die dazu benötigte Ladezeit beträgt mehrere Stunden, da bei Schnellladung einerseits die Batterielebensdauer leiden würde und andererseits die Stromversorgung in einem Schnelllade- und Hochleistungsbetrieb im Netz der Energieversorger infolge hoher Lastschwankung nicht stabil bleiben würde.A battery powered Vehicles currently achieve only limited ranges as a result of the limited Energy density of the batteries. After exceeding a certain Driving distance, which also for shorter time for the foreseeable future will remain as the range of fuel-powered vehicles, the battery has to be charged. The required charging time is several hours, because with fast charge on the one hand the battery life would suffer and on the other hand, the power supply in a fast-charging and high-performance operation in the network of energy suppliers due to high load fluctuation not would remain stable.

Deswegen werden Systeme vorgeschlagen z. B. in der 10 2007 039 480.4, bei denen leere Batterien in einem Netzwerk von Wechselstationen gegen geladene Batterien ausgetauscht werden, so dass die Aufladung in der Station zu beliebigen Zeiten erfolgen kann, während das Fahrzeug mit geladenen Batterien weiterfährt.therefore Systems are proposed z. B. in the 10 2007 039 480.4, at which empty batteries in a network of exchange stations against Charged batteries are replaced, so that the charge in the station can be done at any times while the Vehicle with charged batteries weiterfährt.

Das Netzwerk dieser Stationen erfordert ein Infrastrukturinvestment mit hohen Kosten, die schwierig zu amortisieren sind, da bei der Einführung solcher Verkehrssysteme zunächst wenige Fahrzeuge im Markt vorhanden sind, durch die hinreichende Einnahmen erzielt werden können, aber dennoch ein flächendeckendes Netzwerk vorhanden sein muss, wenn ein solches System etabliert werden soll, da Fahrzeuge unverkäuflich wären, wenn kein deutschlandweites bzw. europaweites Servicenetz verfügbar ist.The Network of these stations requires an infrastructure investment with high costs, which are difficult to amortize because of the Introduction of such Traffic systems first few vehicles are present in the market, due to the sufficient revenue can be achieved but still a nationwide Network must be present when such a system is established is to be because vehicles are not for sale would, if no Germany-wide or Europe-wide service network is available.

Die vorliegende Erfindung reduziert diese Problematik, in dem statt fester Gebäude industriell vorgefertigte und transportable Module die ohne bzw. mit sehr vereinfachten Fundamenten aufgebaut werden können, ähnlich wie fliegende Bauten als Wechselstationen für die Batterien dienen. Um besonders raumsparend einsetzbar zu sein, da der Platz auf Tank- und Raststätten knapp und teuer ist, sind diese Stationen turmartig auf minimaler Grundfläche errichtet. Die Akkus werden sequentiell auf einem Fördersystem als Band oder Kette o. Ä. in diesen Türmen ähnlich einem Paternosteraufzug kontinuierlich geführt. Die Kontaktelektroden sind dabei in das Fördersystem integriert, so dass die Akkus während des Umlaufes ohne Unterbrechung geladen und hinsichtlich ihrer Temperatur konstant gehalten werden. Die Steuerelektronik befindet sich dabei vorzugsweise im Akku oder auch in jeder einzelnen Ladebox des Fördersystems.The The present invention reduces this problem by taking place solid building industrially prefabricated and transportable modules with or without very simplified foundations can be constructed, much like flying structures serve as changing stations for the batteries. Around to be particularly space-saving, since the space on tank and service areas scarce and expensive, these stations are tower-like on minimal Floor space built. The batteries are sequentially on a conveyor system as a band or chain o. Ä. in these towers similar to one Paternoster lift continuously guided. The contact electrodes are in the funding system integrated, so that the batteries during of the circulation charged without interruption and in terms of their temperature kept constant. The control electronics are located here preferably in the battery or in each individual loading box of the conveyor system.

Neben dem Batterieturm ist eine Zufahrtspur mit einem Leitsystem ähnlich einer Führungsschiene in Fahrzeugwaschanlagen angebracht und in einer besonderen Ausführung mit einem elektronischen Leitsystem unterstützt, das optisch oder akustisch dem Fahrer Anweisungen zur Richtungskorrektur oder zum Anhalten bzw. Weiterfahren gibt und das weiterhin den Wagen auf zwei Fahrspuren (beidseitig) über das Straßenniveau anhebt, um so den Wechsel der unter dem Fahrzeugboden befindlichen Batterie zu erleichtern.Next The battery tower is an access lane with a guidance system similar to one Guide rail in Vehicle washing systems attached and in a special design with an electronic guidance system that visually or acoustically supports the Driver instructions for directional correction or for stopping or Continue driving there and continue the car in two lanes (on both sides) over the street level so as to change the battery located under the vehicle floor to facilitate.

Ein Wechselrahmen, ähnlich wie bei einem Diaprojektor, der unter das Fahrzeug gefahren wird, nimmt die leere Batterie aus dem Wagen, wobei elektronisch über eine RFID oder Barcode Fahrzeug und Batteriekennummern ermittelt werden, indem eine feinmotorische Steuerung im Wechselrahmen oder auf dem Fahrzeugträgersystem zunächst Fehlstellungen ausgleicht und so sicherstellt, dass der leere Akku lagegenau in den Rahmen passt. Dabei werden Akkurestenergiemenge, Nutzungszeit seit dem letzten Wechsel und Ladezyklen im angekoppelten Zustand am Fahrzeug erfasst.One Removable frame, similar like a slide projector being driven under the vehicle the empty battery from the car, being electronically via a RFID or barcode vehicle and battery identification numbers are determined by a fine motor control in the interchangeable frame or on the Vehicle carrier system first Mismatch compensates and thus ensures that the empty battery exactly in the frame fits. In doing so, the smallest possible amount of energy, Usage time since the last change and load cycles in the docked Condition recorded on the vehicle.

Der Wechselrahmen wird nun translatorisch oder rotatorisch vom Fahrzeug entfernt und – vorzugsweise mit der gleichen Bewegung der neu geladene Akku unter das Fahrzeug gebracht und dann am Fahrzeugboden fixiert und elektrisch angeschlossen und dabei wird der neue Ladezustand erfasst.Of the Removable frame is now translational or rotational of the vehicle removed and - preferably with the same movement the recharged battery under the vehicle brought and then fixed to the vehicle floor and electrically connected and the new state of charge is recorded.

Alle ermittelten Daten werden sowohl im Fahrzeug als auch in der Station erfasst und gespeichert, so dass eine redundante Kostenermittlung ermöglicht wird.All The data collected is recorded both in the vehicle and in the station captured and stored, allowing a redundant costing allows becomes.

Aufgrund der sequentiellen Anordnung, mit der der jeweils letzte, entleerte Akku in einer Richtung vom Fördersystem weggefahren und der vollgeladene Akku aus der anderen Richtung zum Einbau entnommen wird, ist sehr einfach ein First in/First out Prinzip erreicht, das die längstmöglichen Ladezeiten bis zur nächsten Entnahme sicherstellt.by virtue of the sequential arrangement with which the last, emptied Battery in one direction from the conveyor system weggefahren and the fully charged battery from the other direction to Installation is very simply a first in / first out principle achieved, the longest possible Loading times until the next Removal ensures.

Die Elektroden der Akkus sind angefedert und so verschaltet, dass an jeder Elektrode relativ geringe Spannungen anliegen, so dass einerseits jede Gefahr für Personen durch elektrische Schläge minimiert werden und andererseits auch Funkenüberschläge während des Anschlussvorganges nicht auftreten.The Batteries of the batteries are spring-loaded and connected to that each electrode to bear relatively low voltages, so that on the one hand each danger for Persons minimized by electric shocks and on the other hand also flashovers during the connection process do not occur.

Das Fördersystem wird an die elektrische Versorgung über Schleifkontakte und/oder über Spannrollen/Wickelfedern mit großem Umschlingungswinkel in grossen Querschnitten angeschlossen, so dass während der Förderbewegung weiter ohne Versorgungsunterbrechung elektrische Energie an den Akkus verfügbar bleibt.The conveyor system is connected to the electrical supply via sliding contacts and / or via tensioning rollers / coil springs with big Wrap angle connected in large cross sections, so that while the conveyor movement continue without supply interruption electrical energy to the Batteries available remains.

In einer weiteren Ausführung stehen zwei Türme mit einem verbundenen Fördersystem gegenüber und die Fahrzeuge fahren zwischen die Türme. Das Fördersystem läuft so beim Akkuwechsel in einer Richtung weiter und die Bewegung des Wechselrahmens benötigt keinen Richtungswechsel. Das Fördersystem ist geschlossen und wechselt einmal von Turm 1 zu Turm 2 beim Akkuwechsel unterhalb des Fahrzeuges und ein zweites mal in einer 2. Ebene unter- oder auch oberhalb des Fahrzeuges.In another embodiment, two towers face a connected conveyor system and the vehicles drive between the towers. The conveyor system runs so when changing the battery in egg ner direction and the movement of the removable frame requires no change of direction. The conveyor system is closed and changes once from tower 1 to tower 2 when changing the battery below the vehicle and a second time in a second level below or above the vehicle.

Die Steuerung der Ladevorgänge erfolgt in einem Dialog mit dem aktuellen Strompreis. Dazu wird vom Energieversorgungsunternehmen (EVU) der nach Angebot und Nachfrage ermittelte Strompreis über eine Funkstrecke (z. B. WLAN o. ä.), über eine Datenleitung oder auch durch ein Signal, das auf die Energieversorgungsleitung aufmoduliert wird, in einer Software zur Optimierung der Ladekosten genutzt, indem z. B. für den Fall dass genügend geladene Batterien vorrätig sind, vorzugsweise mit günstigen Nachttarifen geladen wird. Die Kommunikation mit dem Bordcomputer der Fahrzeuge erfolgt über eine Funkstrecke (z. B. WLAN o. ä.). Damit ist mittels eines bidirektionalen Datenaustauschs sichergestellt, dass die Fahrzeuge immer zu der Station geleitet werden, die aktuell geladene Batterien bereithält.The Control of charging takes place in a dialogue with the current electricity price. This will be from the power company (EVU) according to supply and demand calculated electricity price a radio link (eg WLAN or similar), via a Data line or by a signal on the power supply line is modulated in a software to optimize the loading costs used by z. For example the case that enough Charged batteries in stock are, preferably with cheap Night tariffs is loaded. Communication with the on-board computer of the vehicles takes place over one Radio link (eg WLAN or similar). This ensures by means of a bidirectional data exchange, that the vehicles are always directed to the station, the current has charged batteries.

Zusätzlich wird eine Vorrichtung vorgesehen, die es erlaubt, Energie in das Stromnetz zurück zu speisen, z. B. für kurze Strombedarfsspitzen (Minutenenergie) oder für Notfälle bei Versorgungsengpässen.In addition will provided a device that allows energy in the power grid back to dine, z. For example short power demand peaks (minute energy) or for emergencies Supply shortages.

Claims (26)

System zum Wechseln von Batterien in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien von einem Roboter, einem Handlingssystem oder einem Fördersystem automatisch entnommen werden, und dass dabei ein Datenerfassungs- und -übertragungssystem die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie erfasst und/oder dass die Daten zur Identifizierung des Fahrzeuges, und/oder der Batterie, und/oder des letzten Batterietausches ermittelt und im Fahrzeug und/oder in der Wechselstation erfasst werden.System for changing batteries in vehicles, characterized in that the batteries are automatically removed from a robot, a handling system or a conveyor system, and in that a data acquisition and transmission system detects the residual energy present in the removed battery and / or that the data for identifying the vehicle, and / or the battery, and / or the last battery replacement determined and recorded in the vehicle and / or in the changing station. System zum Wechseln von Batterien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien in einem sequentiell arbeitenden Fördersystem gelagert, geladen und so weiter befördert werden, dass ohne Umsortieren im wesentlichen ein First in/First out Effekt erzielt wird.System for changing batteries according to claim 1, characterized in that the batteries in a sequential stored working conveyor system, loaded and so on be that without resorting essentially a first in / first out effect is achieved. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstation eine industriell gefertigte und vor Ort montierte bzw. aufgestellte Einheit ist.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the change station is an industrially manufactured and on-site mounted or erected unit is. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System turmförmig aufgebaut ist, so dass eine minimale Standfläche benötigt wird und dass das Fördersystem die Batterien vertikal aufwärts und abwärts ähnlich wie in einem Paternoster befördert.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the system tower-shaped is constructed so that a minimal footprint is needed and that the conveyor system the batteries are vertically upwards and downwards much like transported in a paternoster. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System bodennah aufgebaut ist und dass das Fördersystem die Batterien im Wesentlichen horizontal befördert.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the system is built close to the ground and that the conveyor system the batteries are transported substantially horizontally. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und Neubeschickung der Batterie durch einen Wechselrahmen ähnlich wie bei einem Diaprojektor erfolgt.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the removal and reloading of the battery by a removable frame similar to done with a slide projector. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger zur Entnahme der Batterie eine ein- vorzugsweise zweiachsige Motorik aufweist, so dass Positionierungsfehler des Fahrzeuges automatisch ausgeglichen werden.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the carrier for removing the battery, a preferably two-axis engine has, so that positioning error of the vehicle automatically be compensated. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensoren die Position des Fahrzeuges genau erfassen, um Positionierungsfehler relativ zum Wechselsystem auszugleichen.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that one or more sensors exactly the position of the vehicle to compensate for positioning errors relative to the interchangeable system. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben dem Batterielade- und -lagerturm eine Spur mit einer Führung des anfahrenden Fahrzeuges angebracht ist, die mechanisch oder elektronisch die Position des Fahrzeuges erfasst bzw. lenkt und so ein schnelles Positionieren ermöglicht.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that laterally next to the battery charging and storage tower with a track a guide attached to the approaching vehicle, the mechanical or electronic detects the position of the vehicle or steers and so a quick positioning allows. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug auf eine Führungsspur wie z. B. auf Schienen in eine erhöhte Lage gebracht wird, so dass die Entnahme der Batterie nach unten einfacher erfolgen kann.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the vehicle is on a guide track such as B. is placed on rails in an elevated position, so that the removal of the battery down can be made easier. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur, auf der sich das Fahrzeug befindet, eine ein-, vorzugsweise zweiachsige Steuerung und Motorik aufweist, um Positionierfehler relativ zur Wechselstation auszugleichen.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the lane on which the vehicle is located, one on, preferably biaxial control and motor skills to positioning error compensate for the change station. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden auf der Batterieoberseite angebracht sind so dass der Ankupplungsvorgang in vertikaler Richtung gleichzeitig die elektrische Anbindung erzeugt.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the electrodes are mounted on the top of the battery so that the Ankupplungsvorgang in the vertical direction at the same time electrical connection generated. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden seitlich an der Stirnseite angebracht sind, so dass die Batterie zunächst vertikal angeschnäbelt und dann horizontal verriegelt und elektrisch angeschlossen wird.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the electrodes are mounted laterally on the front side, so the battery first vertical barbed and then horizontally latched and electrically connected. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden jeweils nur einen Teil der Batteriezellen anschließen, so dass die Spannung an jeder Elektrode so gering ist, dass sowohl Personengefährdungen als auch Funkenüberschläge beim Ankuppeln vermieden werden.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the electrodes connect only a part of the battery cells, so that the voltage on each electrode is so low that both people hazards as well as flashovers at Coupling be avoided. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden angefedert sind und so ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet ist.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the electrodes are spring-loaded and so a safe electrical Contact ensured is. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördersystem über einen Schleifontakt und/oder über eine Rollenelektrode mit hinreichend großem Umschlingungswinkel so versehen ist, dass die Stromversorgung bzw. der Ladevorgang während der Förderbewegung des Bandes nicht unterbrochen wird.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the support system has a Sliding contact and / or over a roller electrode with a sufficiently large wrap angle so is provided that the power supply or charging during the conveying movement of the tape is not interrupted. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Batterietürme gegenüber stehend angeordnet und mit einem gemeinsamen, vorzugsweise fortlaufenden Fördersystem verbunden sind, und dass die Fahrzeugspur zwischen beiden Türmen hindurch führt, so dass beim Batteriewechsel keine Richtungsumkehr des Fördersystem notwendig wird.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that two battery towers standing opposite arranged and with a common, preferably continuous conveyor system are connected, and that the vehicle lane between both towers through leads, so that when changing the battery no direction reversal of the conveyor system becomes necessary. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System modular aufgebaut ist und mehrere Einheiten zu einer größeren Gesamtstation dauerhaft oder für Spitzenbedarfssituationen temporär kombiniert werden können.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the system is modular and several units to one larger total station permanently or for Peak demand situations temporarily can be combined. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung eine Kommunikation zwischen EVU und Wechselstation ermöglicht, mit der der momentane Strompreis ermittelt wird.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that a device enables communication between the RU and the exchange station, with which the current electricity price is determined. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung zur Kostenoptimierung in die Wechselstation integriert ist, die je nach vorhandenem Batterievorrat und Nachfrageprognose die Ladung der Batterien auf kostengünstige Schwachlastzeiten konzentriert.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that a control for cost optimization in the change station integrated, depending on the existing battery supply and demand forecast the charge of the batteries is focused on cost-effective low load periods. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine leistungsfähige Funkstreckenverbindung in Verbindung mit einer Regelungssystem die bidirektionale Kommunikation zwischen den Wechselstationen und den Fahrzeugen sicherstellt, so dass die Versorgung mit aufgeladenen Batterien und somit die Mobilität aller Fahrzeuge ständig sichergestellt wird.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that a powerful radio link connection in conjunction with a regulatory system the bidirectional communication between the changing stations and the vehicles ensures, so that the Supply of charged batteries and thus the mobility of all Vehicles constantly is ensured. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung- und Verrechnungsvorrichtung ermöglicht, dass die Batterien auch Energie in das Netz zurückspeisen können.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that a control and accounting device allows that the batteries can also feed energy back into the grid. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien nach unten aus dem Fahrzeug gezogen werden.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the batteries are pulled down out of the vehicle. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherung im Fahrzeug die Demontage der Batterie erst dann erlaubt, wenn ein Signal aus der Wechselstation gegeben wurde.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that a fuse in the vehicle disassembly of the battery only then allowed if a signal was given from the change station. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieturm auf der Beifahrerseite steht und dass auf der Fahrerseite ein Drive through Schalter mit Personal oder mit Automaten erreichbar ist.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the battery tower is on the passenger side and that on the driver side has a drive through switch with staff or with Vending machine is reachable. System zum Wechseln von Batterien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drive Through Schalter ein automatisches Verrechnungssystem enthält, so dass der Fahrer diejenigen Artikel, die er während des Wechsels kauft, mit den Kosten für den Batteriewechsel gemeinsam oder getrennt bargeldlos bezahlen kann.System for changing batteries after one or several of the preceding claims, characterized that the drive through switch contains an automatic billing system, so that the driver with the items he buys during the change, with the cost of pay the battery change together or separately cashless can.
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