DE102008006332A1

DE102008006332A1 - Anhänger-Range-Extender für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-In-Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008006332A1
Application number: DE102008006332A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Baumgärtner
Original assignee: M200 GmbH
Current assignee: M200 GmbH
Priority date: 2008-01-27
Filing date: 2008-01-27
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Der erfindungsgemäße Anhänger-Range-Extender besteht aus einer in einen Anhänger integrierten Stromversorgungseinheit für Elektrofahrzeuge (PKW, LKW oder Sonderfahrzeuge) und erhöht die Reichweite dieser Fahrzeuge. Das Aggregat soll innerhalb eines Betreibersystems einsetzbar sein, das ein Netz von Wechsel- und Ladestationen bereitstellt und so das schnelle und problemlose Ankoppeln und Wechseln von geladenen Leihgeräten ermöglicht. Im Stationärbetrieb befindliche Aggregate können als dezentraler Puffer für Angebots- und Nachfrageungleichgewichte im Stromnetz dienen.

Description

Gebiet der Erfindung
Der erfindungsgemäße Range Extender dient dazu, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, in dem er zusätzliche Elektroenergie zu Verfügung stellt. Der erfindungsgemäße Range Extender ist ein über die Anhängekupplung des KFZ ankoppelbarer ein-, zwei- oder mehrachsiger Anhänger, der eine leistungsfähige Stromversorgungseinheit enthält. Die Stromversorgungseinheit kann ein Akkumulatoren- oder Batterie-Pack oder einen Super-Kondensator, eine Brennstoffzelle mit Brennstofftanks oder eine anderes System enthalten, das die Energie in Form elektrischen Stroms zur Verfügung stellt.
Alternativ kann der Range-Extender auch ein Kompartiment sein, das die besagten Stromversorgungseinheit enthält, und in Form einer stromlinienförmigen Box auf jedem handelsüblichen Dachgepäckträger montiert werden kann. Der Range Extender kann ebenso mit Hybridfahrzeugen oder Plug-In-Hybriden betrieben werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Aus Klimaschutzgründen soll der Einsatz von aus fossilem Rohöl hergestelltem Benzin und Diesel im KFZ-Verkehr minimiert werden. Eine günstige Alternative sind Elektrofahrzeuge, die ihren Strom aus einer Antriebsbatterie beziehen, die wiederum über das Haushaltsstromnetz aufgeladen werden kann.
Die grundsätzliche Limitierung von Elektroautos besteht in ihrer relativ geringen Reichweite. Es wurden somit bereits mehrere Konzepte entwickelt, wie die mangelnde Reichweite mit sogenannten Range Extendern vergrößert werden kann.
Klassische Range Extender, wie z. B. in DE 4121386 beschrieben, gehen davon aus, dass auf einem Anhänger eine Generatoreinheit aus Verbrennungsmotor und Elektrogenerator mitgeführt wird, der bei Bedarf zugeschaltet wird und zusätzlichen Strom liefert. Diese Konzepte ermöglichen eine einheitliche Verwendung an unterschiedlichen PKW oder LKW, können jedoch nicht preiswerten Strom nutzen sondern werden mit klimaschädlichem Diesel oder Benzin betrieben.
Moderne Konzepte wie Project Betterplace (www.projectbetterplace.com) schlagen vor, die Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeuges als Austauschsatz auszulegen. An speziellen Tauschstationen wird dann ein entladener Batteriesatz gegen einen frisch geladenen Satz ausgetauscht. Dieses Konzept erfordert jedoch eine genaue Standardisierung der Batterie und deren Austauschvorrichtung. Weiterhin ist die Akzeptanz seitens aller führenden Elektrofahrzeughersteller erforderlich. Durch dieses Konzept wird sehr stark in Konzeption und Design der einzelnen KFZ eingegriffen und ein hoher Raumanteil für das Batterieaggregat beansprucht – zu Lasten von dringend benötigter Kofferraumkapazität. Nachteilig ist auch der hohe erforderliche Logistikaufwand zum schnellen Austausch der Batterie an der Batteriewechselstelle.
In anderem Zusammenhang wurden in Fahrzeuge integrierte Anhänger beschrieben, die Strom oder über angetriebene Achsen auch Traktionskraft bereitstellen können – wie z. B. in CN 2595604 Y . Der entscheidende Nachteil dieser Konzepte ist jedoch, dass die Komponenten genau auf das entsprechende Fahrzeug anzupassen sind und nur exakt zusammen mit diesem verwendet werden können.
Beschreibung der Erfindung
Die beschriebene Erfindung beseitigt die genannten Nachteile. Der erfindungsgemäße Anhänger-Range-Extender besteht aus einem stromlinienförmig gestalteten Einachs-Zweiachs- oder Mehrachsanhänger, einer Stromversorgungseinheit (siehe 1 Nr. 5) bestehend aus einem Akkumulatoren/Batterie-Pack oder einem Superkondensator-Pack, einer Ladeeinheit zur Aufladung der Stromversorgungseinheit (siehe 1, Nr. 4), einer Steuereinheit (siehe 1, Nr. 6), einer Signaleinheit (siehe 1, Nr. 7), einer Zuführung des Ladestroms (siehe 1, Nr. 2), einer Abführung des Arbeitsstroms (siehe 1, Nr. 9) sowie einer Vorrichtung für das Thermo-Management. Alternativ kann statt des Akkumulatoren-Packs ein Super-Kondensator verwendet werden. Weiterhin kann erfindungsgemäß eine Brennstoffzelleneinheit mit Kraftstofftanks und Pufferbatterie verwendet werden. Die Ladeeinheit kann sich alternativ auf Seiten der stationären Ladeterminals befinden, sodass Gleichstrom als Ladestrom zugeführt wird.
Der Anhänger ist auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite mit einer Kupplungsvorrichtung vorzugsweise mit handelsüblicher Kupplungsklaue ausgestattet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Anhänger ebenfalls mit einer Kupplungsvorrichtung ausgestattet, hier jedoch vorzugsweise mit dem zugehörigen Kugelkopf. Der Range-Extender wird in einem strömungstechnisch günstigen Formfaktor ausgeführt und enthält Be- und Entlüftungsvorrichtungen zur Unterstützung des Thermo-Managements.
Der Ladestrom wird über das zugehörige Ladekabel der Ladevorrichtung zugeführt (siehe 1, Nr. 2). Über ein Datenkabel wird die Datenanbindung der Steuereinheit an die Ladestation realisiert (siehe 1, Nr. 3), vorzugsweise als Ethernetverbindung. Die Ladevorrichtung wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom zur Ladung des Akkumulatoren-Packs bzw. des Superkondensators um. Bei Entladung im Stationärbetrieb wandelt sie Gleichstrom in Wechselstrom um und erzeugt einen phasenrichtigen Einspeisestrom.
Die Steuereinheit (siehe 1, Nr. 6) überwacht und steuert alle Funktionen und hier insbesondere den Lade- und Entladeprozess. Fakultativ kann die Funktion der Ladekontrolle auch auf Seiten des Ladeterminals (siehe 2, Nr. 5) realisiert werden. Der Arbeitsstrom wird über eine Arbeitsstromleitung und über eine Steckverbindung (siehe 1, Nr. 8 und 10) dem Arbeitsstromsystem des Elektrofahrzeugs zugeführt. Diese Zuführung wird vorzugsweise mit der Datenleitung zum Fahrzeug kombiniert. Vorzugsweise ist eine Integration mit dem vom Fahrzeug kommenden Beleuchtungsstrom und Blickgebersystem anzustreben, sodass nur ein Elektrosatz bereitgestellt werden muss.
An der Außenseite des Range-Extenders ist eine Signaleinheit (siehe 1, Nr. 7) angebracht, die im Standby- und Stationärbetrieb den Ladezustand anzeigt. Die Signaleinheit besteht vorzugsweise aus auffällig gestalteten farbig leuchtenden LED-Feldern (rot/gelb/grün).
Auf Seiten des Elektrofahrzeuges muss eine Anhängerkupplung vorhanden sein oder nachgerüstet werden. Weiterhin ist eine spezielle Steckdose für den Batteriestrom und die Datenübertragung nachzurüsten und über eine externe Steuereinheit (siehe 1, Nr. 12) mit der Stromversorgung (siehe 1, b) und Steuerung (siehe 1, c) des Elektrofahrzeugs zu verbinden. Am Armaturenbrett des Fahrzeugs ist eine Signal- und Bedieneinheit anzubringen (siehe 1, Nr. 13), die ebenfalls mit der Datenleitung verbunden wird.
Vorzugsweise wird die Energieversorgung durch den Anhänger-Range-Extender alternativ zur eingebauten Antriebsbatterie geschaltet. Die Steuereinheit 12 (siehe 1) bekommt KFZ-seitig die Modellspezifikationen des Elektrofahrzeuges als Datensatz zur Verfügung gestellt und übergibt diesen an die Hauptsteuereinheit 6 des Anhänger-Range-Extenders (siehe 1). In dieser Steuereinheit sind die Stromversorgungs-Spezifikationen sämtlicher Elektrofahrzeuge in aktueller Version softwareseitig hinterlegt, sodass nach Einspielung der Modellspezifikationen das entsprechende Profil aktiviert werden kann und die Energie somit Typ-spezifisch bereitgestellt wird.
Der Anhänger-Range-Extender wird in diesen Betriebszuständen betrieben:

– Fahrbetrieb: Das Aggregat ist an das Elektrofahrzeug angekoppelt und stellt alternativ oder komplementär zur Stromversorgung des Elektrofahrzeugs Strom zur Verfügung oder übernimmt Bremsstrom.
– Stationärbetrieb: Das Aggregat ist an das Stromnetz angeschlossen und wird geladen oder entladen.
– Standby: Das Aggregat ist stromseitig nicht angeschlossen und steht geladen oder ungeladen bereit.

Der Anhänger-Range-Extender kann zusammen mit jedem beliebigen Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Plug-In-Hybrid verwendet werden. Voraussetzung ist lediglich die Ausrüstung mit einer Anhängekupplung und eines Nachrüstsatzes bestehend aus Betriebstrom-/Daten-Steckdose, externer Steuereinheit und Schaltanschluss an die interne Arbeitsstromversorgung. Es sind keinerlei weitere Eingriffe in das Design des Elektrofahrzeugs nötig. Das Leistungsangebot und das daraus resultierende Volumen des KFZ-eigenen Batterieaggregats kann somit wie bisher auf den üblichen Stadtverkehrsradius raumsparend ausgelegt werden. Fakultativ kann die Funktionaleinheit auch vom Anhängerchassis gelöst werden und so auf handelsüblichen Dachgepäckträgern montiert werden.
Der erfindungsgemäße Anhänger-Range-Extender soll als Komponente eines innovativen Energieversorgungssystems eingesetzt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass Elektrofahrzeuge in der Regel mit der eingebauten Arbeitsstromversorgung innerhalb des Nahbereiches betrieben werden. Die Ladung der Stromversorgungsbatterie erfolgt zu Hause oder an speziellen Ladeterminals, z. B. auf Parkplätzen am Arbeitsplatz und in Einkaufszentren.
Nur bei Überland-Fahrten wird zusätzlich ein Range Extender benötigt. In diesem Fall wird der erfindungsgemäße Anhänger-Range-Extender angedockt. Der Range-Extender kann vorzugsweise als Subscriber-basiertes Leihgerät an jeder teilnehmenden Austauschstelle ausgeliehen, beliebig oft gewechselt und nach Beendigung der Überlandfahrt wieder zurückgegeben werden.
Dieser Service kann wie von Project Betterplace vorgeschlagen „Electric Recharge Grid" (ERG) benannt werden. Die Betreiber können als „Electric Recharge Grid Operators" (ERGO) benannt werden und im Rahmen bestehender Tankstellen, insbesondere an Raststätten der Autobahnen tätig werden. Somit ist der Anhänger-Range-Extender-Betrieb weitgehend auf das Fahren auf Autobahnen beschränkt. Die Manövrierfähigkeit im Innenstadtbereich wird dadurch nicht beeinträchtigt.
Die Abstellung/Lagerung und Aufladung der Anhänger-Range-Extender kann ohne Aufwand auf einem Parkplatz/in einem Parkhaus erfolgen. Der Parkplatz wird vom ERGO zu einer Austauschstelle ausgerüstet.
Das Abstellen und die Übernahme eines geladenen Anhänger-Range-Extenders kann vom Elektrofahrzeug-Fahrer selbst durchgeführt werden, sodass die Austauschstationen mit minimalem Personalbedarf und/oder über Remote-Überwachung betrieben werden können. Es entfällt dadurch der ganz erhebliche vor Ort zu leistende Logistikaufwand im Vergleich zu Systemen, die den Wechsel der Antriebsbatterie vorsehen.
Alternativ können die Anhänger-Range-Extender in beliebiger Anzahl aneinanderkoppelt werden. Mit beliebigen Zugfahrzeugen können die verketteten Anhänger-Range-Extender zwischen Bereitstellungs- und Ladeplatz manövriert werden. Dadurch wird eine höhere Stelldichte erzielt und der Bereitstellungs-/Abgabeplatz kann von dem Ladeplatz entkoppelt werden.
Die Austauschfläche für die erfindungsgemäßen Anhänger-Range-Extender muss im Minimalfall lediglich Haushaltsstrom-Steckdosen in Ladeterminals (siehe 2, Nr. 5) bereitzustellen. Vorzugsweise werden die Ladeterminals jedoch zusätzlich mit einer Datenanbindung ausgestattet. Dadurch können die zu ladenden Anhänger-Range-Extender zur dezentralen Kapazitätspufferung innerhalb des vom Energieversorger (EVU) bereitgesellten Stromnetzes eingesetzt werden. Der Ladevorgang wird in diesem Fall in Abstimmung mit dem ERGO vom angeschlossenen Energieversorger zentral gesteuert. Auf diese Weise kann preiswerter Grundlaststrom eingesetzt werden oder Ungleichgewichte in der Stromerzeugung (Wind-Sonnenstrom) und Abnahme (Verbrauchspitzen) gepuffert werden.

Erläuterungen 1:

1: Anhänger-Range-Extender
2: Anschluss Ladestrom
3: Anschluss Datenleitung zur Ladeterminal
4: Ladevorrichtung
5: Stromversorgungseinheit-Akkumulatorenpack oder Superkondensatorpack
6: Hauptsteuereinheit Anhänger-Range-Extender
7: Signalisiereinheit
8: Anschluss Antriebsstrom
9: Anschluss Datenleitung zum Elektrofahrzeug (ggf. mit 8 integriert)
10: Steckdose Antriebstrom
11: Steckverbindung Datenleitung (ggf. mit 10 integriert)
12: externe Steuereinheit im Elektrofahrzeug
13: Signalisier- und Bedienfeld am Armaturenbrett des Elektrofahrzeugs
a: Elektrofahrzeug
b: Stromversorgung Elektrofahrzeug
c: Steuereinheit des Elektrofahrzeugs
d: Antriebsmotoren

Erläuterungen 2:

1: Hochspannungsnetz des Energieversorgungsunternehmens (EVU)
2: Steuerzentrale EVU
3: Transformationseinheiten
4: Steuerzentrale Electric Recharge Grid Operator (ERGO)
5: Ladeterminals (Anzahl exemplarisch)
6: Anhänger-Range-Extender (exemplarisch dargestellt)
7: Elektrofahrzeug (exemplarisch dargestellt)
8: ERGO-Austausch- und Ladestelle
9: Verantwortungsbereich EVU
10: Verantwortungsbereich ERGO
11: Verantwortungsbereich KFZ-Fahrer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4121386 [0005]
- CN 2595604 Y [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.projectbetterplace.com [0006]

Claims

Eine Stromversorgungseinheit zur Erweiterung der Reichweite von Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit in einen Anhänger integriert ist und dieser Anhänger an der Anhängerkupplung des Fahrzeuges angekoppelt wird.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit aus einem Akkumulator-Satz besteht.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit aus einem Satz Kondensatoren besteht.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit sowohl aus einem Akkumulator-Satz als auch aus einem Satz Kondensatoren besteht.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit aus einer Brennstoffzelleneinheit, den zugehörigen Tanks für die Brennstoffe und einem Akkumulatorensatz oder einem Satz Kondensatoren besteht.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit eine Ladevorrichtung beinhaltet, mit der das Speichermedium an einem Ladeterminal oder einer Steckdose mit einem üblichen Haushalts-Wechselstrom geladen werden kann.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese an der Außenseite eine Signalisierungseinheit aufweist, an der der Ladezustand abgelesen werden kann.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anhänger an der der Kopplung zu Elektrofahrzeug gegenüberliegende Seite eine Anhängerkupplung aufweist, sodass die Einheiten in beliebiger Menge aneinander gekoppelt und verkettet manövriert werden können.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit ein aktives oder passives Thermo-Management enthält und durch Lüftungsöffnungen in der Außenhaut der Einheit eine passive Luftkühlung erfolgt.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit ein aktives Thermo-Management enthält und durch Lüftungsöffnungen in der Außenhaut der Einheit eine Lüftkühlung eines aktiven Kühlungssystems über einen Kühlergrill erfolgt.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstromzufuhr über eine Leitung zu einer am Elektrofahrzeug angebrachten Steckdose erfolgt, die wiederum mit der Arbeitsstromversorgung des Elektrofahrzeuges über eine Schaltsteuerung verbunden ist.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu die Leitung der Arbeitstromzufuhr zusätzlich die Datenleitung und Leitungen vom Blickgeber und der Beleuchtungsanlage integriert hat, sodass nur eine Steckdose für sämtlichen Kraft- und Datenaustausch zwischen Elektrofahrzeug und Stromversorgungseinheit benötigt wird.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit in den Betriebszuständen Fahrbetrieb, Stationärbetrieb und Standby betrieben wird.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Stationärbetrieb die Steuerung des Lade- und Entladevorgangs von zentrales Stelle erfolgt und die Einheit somit günstigen Nachtstrom nutzen, Ungleichgewichte im Stromnetz Puffern oder spezielle kurzzeitig verfügbare Stromtarife zur Ladung und Einspeisung nutzen kann.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit der Funktionskomponenten vom Anhängerchassis gelöst und auf einen handelsüblichen Dachgepäckträger montiert werden kann.
Eine Stromversorgungseinheit It Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit von einem Betreiber an Austauschstationen als Leihgerät zur Verfügung gestellt wird und bei Überlandfahrten angekoppelt wird.