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Die
Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung insbesondere
zur Speicherung elektrischer Energie, die mit einer elektronischen
Baugruppe zur Kommunikation mit externen Kommunikationseinheiten
und/oder zur Lokalisierung der Energiespeichereinrichtung ausgestattet
ist.
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Aus
Gründen des Umweltschutzes und mit steigenden Treibstoffpreisen
steigt die Nachfrage an Alternativen zu den herkömmlichen,
mit Verbrennungsmotoren ausgestatteten Verkehrsmitteln. So werden
Fahrzeuge, die wie bspw. Elektro- oder Hybridfahrzeuge zumindest
zum Teil mittels elektrischer Energie angetrieben werden, in ihrer
Wirtschaftlichkeit zunehmend attraktiv. Derartige Fahrzeuge, im Folgenden
unter dem Begriff Elektrofahrzeuge zusammengefasst, sind mit Energiespeichereinrichtungen
zur Speicherung elektrischer Energie, bspw. mit Akkumulatoren, ausgestattet.
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Generell
ist zu unterscheiden zwischen Elektrofahrzeugen, die mit einer fest
installierten Energiespeichereinrichtung ausgestattet sind, und
solchen, deren Energiespeichereinrichtung austauschbar ist.
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Bei
der Variante mit fest installiertem Akkumulator ist die Versorgung
des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zwar vergleichsweise einfach,
dafür aber wenig praktikabel, da das Fahrzeug regelmäßig zum
Aufladen des Akkumulators mit dem Stromnetz verbunden werden muss.
Es wurde bereits in Grundzügen eine Infrastruktur erdacht,
die die Wiederaufladung derartiger, in Elektrofahrzeugen fest integrierter Akkumulatoren
erlauben würde. Die Infrastruktur wurde bis heute jedoch
nicht ausreichend realisiert, um eine weitestgehend lückenlose
Versorgung gewährleisten zu können.
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Damit
ist jedoch die Nutzungsvielfalt stark eingeschränkt, da
das Fahrzeug bei einer heutzutage typischen Reichweite eines wieder
aufladbaren Akkumulators von etwa 150 km im Wesentlichen für
den Stadtverkehr und für kleinere Umwege geeignet ist. Erschwerend
kommt hinzu, dass die Aufladung eines Akkumulators auch in naher
Zukunft nicht innerhalb einer vertretbar kurzen Zeit, für
eine Reichweite von 150 km bspw. etwa 5 min, bewerkstelligt werden kann.
Der zeitliche Aufwand zur Wiederaufladung eines fest eingebauten
Akkumulators ist demnach bspw. im Vergleich zur Betankung eines
Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor unverhältnismäßig
hoch.
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Der
Umstieg auf Elektrofahrzeuge mit fest integriertem Akkumulator verläuft
aufgrund der mangelhaften Infrastruktur und der sich daraus ergebenden
Zurückhaltung von Fahrzeugherstellern und potentiellen
Kunden nur schleppend. Die Frage, wie eine effiziente Infrastruktur
zum Bereitstellen elektrischer Energie geschaffen werden kann, ist
weitestgehend unbeantwortet.
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Um
lange Strecken und volle Flexibilität zu ermöglichen
und damit auch die Attraktivität gegenüber Fahrzeugen
mit Verbrennungsmotor zu erhöhen, kommen Elektrofahrzeuge
mit austauschbarem Akkumulator in Betracht. Mit Hilfe austauschbarer
Akkumulatoren ist auch das Problem des zeitlichen Aufwands zum Wiederaufladen
eines Akkumulators gelöst: Der Benutzer eines Elektrofahrzeugs
mit austauschbarem Akkumulator muss lediglich ein Depot anfahren,
an dem geladene Akkumulatoren erhältlich sind und wo entladene
Akkumulatoren entgegen genommen werden. Es würde sich anbieten,
auf eine schon realisierte Infrastruktur zurückzugreifen
und derartige Depots an den bereits vorhandenen Tankstellen und
Raststätten und/oder bspw. an Supermärkten o. ä.
einzurichten. Unter einem Depot wird daher im Folgenden allgemein
jegliche Einrichtung verstanden, an der die austauschbaren Energiespeichereinrichtungen
erhältlich sind. Die Depots können ggf. zum Austausch
von Daten mit einer Zentrale verbunden sein, wobei bspw. eines der
Depots selbst als Zentrale fungieren kann.
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Mit
dem System basierend auf austauschbaren Akkumulatoren kann an dem
Depot der entladene gegen den geladenen Akkumulator innerhalb kürzester
Zeit ausgetauscht werden. Hierbei wird durch den Benutzer nicht
der Akkumulator selbst erworben und bezahlt, sondern lediglich die
im Akkumulator gespeicherte Energie. Der Akkumulator selbst wird
dem Benutzer bspw. gegen ein Pfand, das bei Rückgabe des
Akkumulators zurück erstattet wird, oder gegen eine Benutzungsgebühr
lediglich geliehen. Grundsätzlich ähnelt das System
also bspw. dem „Flaschenpfand”-System im Getränkehandel.
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Natürlich
ist es alternativ zum Pfand- bzw. Verleihsystem ebenso denkbar,
dass tatsächlich jeweils nicht nur die Energie, sondern
auch der Akkumulator selbst gekauft wird. Beim Kauf eines neuen Akkumulators,
d. h. wenn der alte Akkumulator entladen ist, könnte der
alte Akkumulator in Zahlung genommen werden.
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Das
System mit austauschbarem Akkumulator weist gegenüber dem
fest im Elektrofahrzeug installierten Akkumulator die oben genannten
Vorteile auf. Das System funktioniert jedoch nur unter den folgenden
Voraussetzungen effektiv und wirtschaftlich:
- – Es
muss ein Abrechnungssystem vorhanden sein, bei dem idealerweise
automatisch erkannt und berücksichtigt wird, wer die im
Akkumulator gespeicherte Energie kauft und wie viel Energie hierbei
erworben wurde.
- – Es muss ersichtlich sein, dass der Benutzer auch
tatsächlich einen voll aufgeladenen Akkumulator erwirbt
bzw. dass der Akkumulator genau die Energiemenge enthält,
die der Benutzer bezahlt bzw. angefordert hat.
- – Der Akkumulator muss neben der Stromverbindung auch
eine Kommunikationsverbindung mit dem Fahrzeug aufbauen können,
um dem Fahrzeug und/oder dem Benutzer bestimmte, zum Betrieb notwendige
und ggf. wissenswerte Parameter zu übertragen bzw. anzuzeigen.
- – Dem Benutzer muss es möglich sein, zumindest das
nächstgelegene Depot, ggf. auch Depots in einem bestimmte
Radius aufzufinden.
- – Der Akkumulator muss einfach und mit wenig Aufwand
aus- und einbaubar sein.
- – Da der Akkumulator im Falle eines Pfand – bzw. Verleihsystems
nicht dem Benutzer gehört, sondern einem Verleihsystem
oder Ähnlichem, muss sicher gestellt sein, dass der Akkumulator
bei der Rückgabe bspw. aufgrund zu hoher Belastung oder
falscher Handhabe nicht beschädigt oder übermäßig
beansprucht ist.
- – Eine eventuelle Beschädigung muss erkannt werden,
so dass ein beschädigter Akkumulator nicht wieder eingesetzt
wird.
- – Der Bedarf an Akkumulatoren schwankt mit der Zeit.
Bspw. in Urlaubszeiten ist der Bedarf deutlich erhöht.
Derartige Bedarfsschwankungen müssen abgefangen werden.
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Die
vorliegende Erfindung setzt sich daher zum Ziel, eine Energiespeichereinrichtung
anzugeben, mit der ein wirtschaftlicher und komfortabler Betrieb
eines elektrischen Verbrauchers möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen
angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung geht von einem
austauschbaren Energiespeicher aus. Dabei meint der Begriff „austauschbar”,
dass die Energiespeichereinrichtung speziell zum Zwecke des Wiederaufladens
ohne größeren Aufwand aus dem Elektrofahrzeug
herausgenommen werden kann. Dies unterscheidet sich wesentlich von
der Situation, dass eine fest installierte Energiespeichereinrichtung
eines Elektrofahrzeugs gewechselt werden muss, weil sie bspw. defekt
ist. Grundsätzlich können natürlich auch
fest installierte Energiespeichereinrichtungen bspw. zu Reparaturzwecken
gewechselt werden. Damit sind sie jedoch nicht „austauschbar” im
Sinne der im Folgenden beschriebenen Erfindung. Diese auswechselbaren
Energiespei chereinrichtungen sind also explizit nicht gemeint, wenn
im Rahmen der Erfindung von einer „austauschbaren” Energiespeichereinrichtung
die Rede ist.
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Mit
anderen Worten ist zwar im Sinne der Erfindung eine austauschbare
Energiespeichereinrichtung auch wechselbar. Eine fest installierte
Energiespeichereinrichtung ist dagegen zwar wechselbar, jedoch nicht
austauschbar.
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Die
austauschbare Energiespeichereinrichtung zeichnet sich dadurch aus,
dass sie an einer Stelle in das Fahrzeug eingesetzt ist, die von
außen leicht zugänglich ist. Hierzu muss lediglich
eine Abdeckung entfernt werden, die zum Einen dazu dient, die Energiespeichereinrichtung
bspw. vor Witterungseinflüssen zu schützen, und
die zum Anderen bewirkt, dass die Energiespeichereinrichtung nicht sichtbar
ist. Alternativ ist die Abdeckung mit dem Akkumulator verbunden,
bspw. als Teil des Gehäuses des Akkumulators, so dass beides
gemeinsam ein- und ausgebaut werden kann. Im Gegensatz zur fest installierten
Energiespeichereinrichtung, kann die austauschbare Energiespeichereinrichtung
mit wenigen Handgriffen aus dem Elektrofahrzeug entfernt werden.
Aufgrund des Gewichtes des Akkumulators kann hierbei jedoch auch
ein Kran oder ein Roboter zum Einsatz kommen.
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Die
erfindungsgemäße austauschbare Energiespeichereinrichtung,
die zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit elektrischer
Energie eingesetzt wird, verfügt über eine elektronische
Baugruppe mit einem ersten Kommunikationsmodul, über das
Daten uni- oder bidirektional mit einem Datenverarbeitungssystem
des elektrischen Verbrauchers ausgetauscht werden. Hierdurch wird
vorteilhafterweise erreicht, dass der Betreiber des elektrischen
Verbrauchers, bspw. ein Fahrer eines Elektrofahrzeugs, jederzeit über
den Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung informiert ist
und darüber hinaus auch andere Parameter bspw. Informationen über
den Ladevorgang etc. abrufen kann. Weiterhin ist es möglich,
Daten an die Energiespeichereinrichtung zu übertragen.
Gleiches gilt für eine Kommunikation zwischen der Energiespeichereinrichtung
und einem Depot oder einer Zentrale.
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Dadurch,
dass in der elektronischen Baugruppe eine Recheneinheit und ein
Datenspeicher vorgesehen sind, wird vorteilhaft erreicht, dass die Energiespeichereinrichtung
bestimmte Berechnungen selbst durchführen und die Betriebsparameter der
Energiespeichereinrichtung überwachen kann.
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Vorteilhafterweise
ist die Energiespeichereinrichtung über eine Funkschnittstelle
mit dem Datenverarbeitungssystem des elektrischen Verbrauchers und/oder
mit dem Depot oder der Zentrale verbunden, so dass die Kommunikation
drahtlos erfolgen kann.
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In
einer Ausführungsform weist die Energiespeichervorrichtung
ein zweites Kommunikationsmodul mit großer Reichweite auf,
das auch über große Entfernungen, d. h. wenn der
elektrische Verbraucher bzw. die Energiespeichervorrichtung sich
nicht in unmittelbarer Nähe eines Depots oder einer Zentrale
befindet, eine Funkverbindung zu einem Depot oder einer Zentrale
aufbauen kann.
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Die
elektronische Baugruppe der Energiespeichereinrichtung ist mit einem
ersten Positionierungssystem ausgestattet, das es erlaubt, die Position
der Energiespeichereinrichtung in einem Depot exakt zu ermitteln.
Hierdurch wird ermöglicht, dass die Energiespeichereinrichtung
automatisch, bspw. durch einen Kran, der in dem Depot installiert
ist, aus dem elektrischen Verbraucher entnommen werden kann.
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Ein
zweites Positionierungssystem der elektronischen Baugruppe ermöglicht
die Bestimmung der globalen Position der Energiespeichereinrichtung.
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Die
Energiespeichereinrichtung weist ein Sensormodul mit einer Vielzahl
von Sensoren zur Bestimmung der Betriebsparameter der Energiespeichereinrichtung
auf. Anhand der Betriebs parameter lassen sich Rückschlüsse
bspw. auf die restliche Reichweite, auf die Benutzung und auf den
allgemeinen Zustand ziehen, d. h. auch auf eventuelle Defekte. Die
Sensordaten stehen der elektronischen Baugruppe bzw. der Recheneinheit
zur Verfügung, so dass sie dort ausgewertet werden können.
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Mittels
eines elektrischen Schalters der elektronischen Baugruppe kann die
in der Energiespeichereinrichtung gespeicherte Energie für
den Verbraucher freigeschaltet werden.
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Vorteilhafterweise
verfügt die Energiespeichereinrichtung über eine
elektrische Schnittstelle, über die der Energiespeichereinrichtung
Strom zum Aufladen zugeführt werden kann. Hierdurch wird
erreicht, dass eine entladene Energiespeichereinrichtung nicht ausgetauscht
werden muss, sondern auch durch den Verbraucher wieder aufgeladen
werden kann.
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In
einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers mit
einer austauschbaren Energiespeichereinrichtung tauscht die Energiespeichereinrichtung über
ein erstes kurzreichweitiges Kommunikationsmodul einer elektronischen
Baugruppe Daten mit einem Datenverarbeitungssystem des elektrischen
Verbrauchers und/oder mit einem Datenverarbeitungssystem eines Depots
zum Lagern und zum Aufladen von Energiespeichereinrichtungen oder
mit einer Zentrale aus.
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Vorteilhafterweise
kommuniziert die Energiespeichereinrichtung mit Hilfe des ersten
Kommunikationsmoduls über eine Funkverbindung mit der Zentrale
oder dem Depot.
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Die
globale Position der Energiespeichereinrichtung wird mittels eines
Positionierungssystems ermittelt. Anhand der globalen Position wird
unter Zuhilfenahme des Ladezustands der Energiespeichereinrichtung
eine Reichweite der Energiespeichereinrichtung ermittelt und mit
Entfernungen zu Depots verglichen wird. Dabei werden die Entfernungen
zu den Depots anhand der momentanen globalen Position der Energiespeichereinrichtung
und der globalen Positionen der Depots bestimmt wer den. Das Ergebnis
des Vergleiches wird an das Datenverarbeitungssystem des elektrischen
Verbrauchers übertragen wird, so dass der Fahrer des Elektrofahrzeugs
je nach Ladezustand der Energiespeichereinrichtung darauf aufmerksam
gemacht werden kann, dass ggf. nur noch wenige Depots in Reichweite
liegen.
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Weiterhin
tauscht die Energiespeichereinrichtung über ein zweites
Kommunikationsmodul Daten mit einem Depot oder einer Zentrale aus.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die in der Energiespeichereinrichtung
gespeicherte Energie erst dann freigegeben, wenn diese bezahlt worden
ist. Zu diesem Zweck wird nach der Bezahlung vom Depot oder von
der Zentrale eine entsprechende Nachricht an die elektronische Baugruppe übermittelt,
woraufhin ein elektronischer Schalter zum Freischalten der Energie
betätigt wird.
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Weiterhin
wird die Energiespeichereinrichtung von dem Depot oder von der Zentrale über
das erste oder das zweite Kommunikationsmodul autorisiert, auf ein
globales Positionierungssystem (GPS) und/oder auf in dem Depot oder
in der Zentrale verfügbare Daten zuzugreifen.
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In
einer weiteren Ausbildung baut die Energiespeichereinrichtung über
das das zweite Kommunikationsmodul automatisch eine Kommunikationsverbindung
mit dem Depot oder der Zentrale auf, wenn die Recheneinheit feststellt,
dass die Energiespeichereinrichtung so weit entladen ist, dass das nächstgelegene
Depot nicht mehr erreichbar ist, oder wenn die Recheneinheit eine
Fehlfunktion oder einen Defekt der Energiespeichereinrichtung feststellt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie
anhand der Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
Elektrofahrzeug in einem Depot in Draufsicht,
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2 eine
Energiespeichereinrichtung mit elektronsicher Baugruppe und
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3 einen
Querschnitt durch eine Energiespeichereinrichtung.
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In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche,
Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
in einer Draufsicht ein Elektrofahrzeug 100 mit einem austauschbaren
und wiederaufladbaren Akkumulator 200, der die zum Betrieb
des Elektrofahrzeugs 100 benötigte elektrische Energie
zur Verfügung stellt. Der Akkumulator 200, der
in der 2 detailliert dargestellt ist, weist eine elektronische
Baugruppe 210 auf und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
im vorderen Bereich des Motorraums 110 platziert und kann
nach Öffnen der Motorhaube (nicht dargestellt) leicht entnommen werden.
Dies unterscheidet den erfindungsgemäßen austauschbaren
Akkumulator 200 von einem fest installierten Akkumulator,
der typischerweise derart im Motorraum 110 eingebaut ist,
dass er nicht ohne weiteres aus diesem entfernt werden kann. Der
austauschbare Akkumulator 200 kann bspw. über
einfache, lösbare Schnappverbindungen und/oder ggf. mit Hilfe
zusätzlicher Führungen (nicht dargestellt) im Motorraum 110 fixiert
sein, so dass er – anders als bei einer Verschraubung o. ä. – leicht
entfernt werden kann. Auch das Wiedereinsetzen eines neuen Akkumulators
wird durch eine solche Schnappverbindung erheblich erleichtert.
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Die
elektronische Baugruppe 210 weist eine Recheneinheit 220 auf,
die die im Folgenden beschriebenen Funktionen der elektronischen
Baugruppe 210 steuert. Die Recheneinheit 220 ist
hierzu mit sämtlichen Komponenten der elektronischen Baugruppe 210,
die im Folgenden näher erläutert werden, verbunden.
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Das
Elektrofahrzeug 100 befindet sich in der 1 in
einem Depot 300, in dem aufgeladene, austauschbare Akkumulatoren 310 erhältlich
und entladene Akkumulatoren abzugeben sind. Die Akkumulatoren werden
im Depot 300 in einer Lager- und Aufladevorrichtung 360 gelagert
und aufgeladen. Das Fahrzeug 100 wird zum Austauschen des
Akkumulators 200 auf einer gekennzeichneten Stellfläche 320 abgestellt
und die Motorhaube wird geöffnet. Im Ausführungsbeispiel
der 1 sind drei Stellflächen vorgesehen.
Mit Hilfe eines Roboters oder eines Krans 330 wird der
im Fahrzeug 100 befindliche, entladene Akkumulator 200 entfernt,
bevor ein neuer Akkumulator 310 ebenfalls mit Hilfe des
Krans 330 eingesetzt wird.
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Die
Bedienung des Krans
330 kann dabei entweder manuell oder
vorteilhafterweise automatisch erfolgen. Im ersten Fall kann der
Kran
330 durch Personal des Depots oder bspw. durch den
Fahrer des Elektrofahrzeugs
100 selbst bedient werden.
Im zweiten Fall wird, nachdem das Fahrzeug
100 auf der Stellfläche
320 abgestellt
wurde, die exakte Position des Akkumulators
200 relativ
zum Kran
330 ermittelt. Hierzu kann bspw. das in der
DE 10 2006 037 247
A1 beschriebene System zur Ortung eines Zielobjekts verwendet
werden. Die elektronische Baugruppe
210 des Akkumulators
200 weist
hierzu ein Positionierungssystem
211 zur exakten Bestimmung
der relativen Position der Energiespeichereinrichtung zum Depot
300 bzw.
insbesondere zum Kran
330 auf. Das Positionierungssystem
211 enthält
einen aktiven oder passiven Transponder, der wie bspw. im Zusammenhang
mit der
3 der
DE 10 2006 037 247 A1 beschrieben
ausgebildet ist. Der Kran
330 weist ein Ortungssystem
331 analog
zur „Basisstation” gemäß der
DE 10 2006 037 247
A1 auf. Mit diesem System bestehend aus dem Ortungssystem
331 und
dem Positionierungssystem
211 und dem in der
DE 10 2006 037 247 A1 beschriebenen
Verfahren ist es möglich, die exakte Position des Akkumulators
200 relativ
zum Kran
330 bzw. zum Depot
300 zu bestimmen.
Demzufolge kann der Akkumulator
200 dem Fahrzeug
100 automatisch
entnommen werden. Ebenso kann unter der Voraussetzung, dass das
Fahrzeug
100 nach Entnahme des Akkumulators
200 nicht
bewegt wurde, ein neuer Akkumulator automatisch in das Fahrzeug
100 eingesetzt
werden.
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Andere
Positionierungssysteme 211 zur Bestimmung der exakten Position
des Akkumulators relativ zum Depot sind natürlich ebenfalls
denkbar. Bspw. können am Akkumulator Lichtreflektoren angebracht
sein, wobei das von den Reflektoren reflektierte Licht von einem
Kamerasystem registriert wird. Anhand der Kamerabilder kann in bekannter
Weise die Position des Akkumulators bestimmt werden.
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Der
austauschbare Akkumulator 200 bzw. die elektronische Baugruppe 210 ist
mit einem Datenverarbeitungssystem 120 des Elektrofahrzeugs 100 verbunden.
Das Datenverarbeitungssystem 120 kann bspw. ein CAN-Bussystem
mit einer Recheneinheit 121 sein, in der die mit Hilfe
diverser Sensoren (nicht dargestellt) aufgezeichneten Betriebsparameter
des Fahrzeugs 100 verarbeitet werden. Derartige Systeme
sind bekannt. Über das Bussystem kommuniziert der Akkumulator 200 mit
dem Elektrofahrzeug 100 bzw. mit der Recheneinheit 121 des Datenverarbeitungssystems 120. Über
eine Anzeigeeinrichtung 130, die mit dem Datenverarbeitungssystem 120 verbunden
ist, können Daten, die vom Akkumulator 200 an
das Fahrzeug 100 übertragen wurden, dem Fahrer
des Elektrofahrzeugs 100 angezeigt werden. Im Rahmen dieser
Kommunikation übermittelt die elektronische Baugruppe 210 über
ein Kommunikationsmodul 212 Daten an das Datenverarbeitungssystem 120,
die auf der Anzeigeeinrichtung 130 dargestellt werden können.
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Das
Kommunikationsmodul 212 ist zur Übertragung der
Daten über eine Funkschnittstelle an das Datenverarbeitungssystem 120 angebunden.
Die Kommunikation erfolgt über ein kurzreichweitiges Funksystem,
bspw. WLAN, ZigBee oder ein proprietäres Protokoll, wobei
das Datenverarbeitungssystem 120 eine entsprechende Kommunikationseinrichtung 150 zum
Empfangen und zum Senden der über das Funksystem kommunizierten
Daten aufweist.
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Alternativ,
hier jedoch nicht dargestellt, kann die Kommunikation zwischen dem
Akkumulator 200 und dem Datenverarbeitungssystem 120 auch nicht-funkbasiert,
d. h. bspw. über eine Kabelverbindung erfolgen. Das Kommunikationsmodul 212 weist hierzu
bspw. eine Steckvorrichtung auf, die beim Einsetzen des Akkumulators
in das Fahrzeug in einem entsprechenden Gegenstück aufgenommen
wird, so dass eine leitfähige Verbindung zur Übertragung
der Daten zwischen dem Kommunikationsmodul und dem Datenverarbeitungssystem
hergestellt wird.
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Die
zwischen dem Akkumulator 200 und dem Datenverarbeitungssystem 120 kommunizierten
Daten umfassen bspw. den Ladezustand und die Temperatur des Akkumulators 200.
Aus dem Ladezustand kann das Datenverarbeitungssystem 120 und/oder
die Recheneinheit 220 des Akkumulators 200 bspw.
die verbleibende Reichweite des Akkumulators 200 ermitteln,
während die Temperatur ggf. auf eine Fehlfunktion, einen
Defekt oder eine Überlastung des Akkumulators 200 hinweisen
kann, so dass der Fahrer des Elektrofahrzeugs 100 frühzeitig
gewarnt werden kann. Zur Bestimmung des Ladezustands und der Temperatur
sind entsprechende Sensoren vorgesehen, die in der 1 der Übersichtlichkeit
wegen in einem Sensormodul 214 der elektronischen Baugruppe
zusammengefasst sind. Speziell der Ladezustandssensor umfasst mehrere
Einzelsensoren, die die Ladezustände der einzelnen Zellen 229 des
Akkumulators 200 überwachen. Darüber
hinaus weist der Akkumulator 200 bzw. das Sensormodul 214 einen
Stromsensor und einen Beschleunigungssensor auf. Der Stromsensor
erfasst den Stromfluss vom Akkumulator 200 über
eine elektrische Schnittstelle 228 zum Elektrofahrzeug 100 und/oder
vom Elektrofahrzeug 100 zum Akkumulator 200. Letzteres
wird weiter unten näher beschrieben. Ein Beschleunigungssensor
umfasst in der Regel drei einzelne Sensoren, die senkrecht zueinander angeordnet
sind. Ebenso sind Beschleunigungssensoren bekannt, die aus einem
fertigen Modul bestehen, womit die drei Raumachsen bereits abgedeckt werden.
Aus den vom Beschleunigungssensor ermittelten Daten lassen sich
die auf den Akkumulator wirkenden Kräfte bzw. die mechanische
Belastung des Akkumulators bestimmen. Das Sensormodul 214 kann
darüber hinaus auch Sensoren zur Erfassung der Außentemperatur
und der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Akkumulators, d. h.
bspw. in einem Lager des Depots 300 beinhalten. Diese Parameter sind
insbesondere im Zusammenhang mit der Lagerung des Akkumulators von
Interesse.
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Die
Sensordaten sämtlicher Sensoren des Sensormoduls 214 werden
einem Datenspeicher 213 der elektronischen Baugruppe 210 sowie
der Recheneinheit 220 zugeführt. Diese Sensordaten
und ggf. andere den Akkumulator 200 betreffenden Daten wie
bspw. Alter, Anzahl der Ladezyklen, eindeutige Identifizierung,
Ort der letzten Aufladung etc. des Akkumulators werden im Datenspeicher 213 in
einem Protokoll abgelegt.
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In
dem Protokoll kann bspw. verzeichnet sein, wie der Ladevorgang abgelaufen
ist. Hierbei könnte u. a. von Interesse sein, wie schnell
der Akkumulator aufgeladen wurde, ob der Akkumulator vor dem Aufladen
zunächst vollständig entladen wurde und ob der
Akkumulator tatsächlich vollständig aufgeladen
wurde. Weiterhin wird die Benutzung des Akkumulators anhand der
oben beschriebenen Sensordaten protokolliert. Dabei werden insbesondere
Daten über den Entladevorgang während des Einsatzes
des Akkumulators im Elektrofahrzeug im Protokoll festgehalten. Aus
den Daten des Protokolls lassen sich Rückschlüsse
auf die Nutzung des Akkumulators, eventuelle Beschädigungen
und/oder nichterlaubte Strombelastungen, d. h. insbesondere Kurzschlüsse,
ziehen. Darüber hinaus kann das Protokoll Informationen
darüber aufweisen, wer den Akkumulator aufgeladen hat und/oder
wann und wo der Akkumulator aufgeladen wurde.
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Weiterhin
sind im Datenspeicher 213 die globalen Positionen der Depots,
bspw. in Form der GPS-Daten (Global Positioning System, Globales Positionsbestimmungssystem)
der Depots, abgelegt. Das Protokoll oder ausgewählte Teile
von diesem sowie einzelne Sensordaten können auf einer
Anzeige 215 der elektronischen Baugruppe 210 des
Akkumulators 200 angezeigt werden. Die elektronische Baugruppe 210 weist
ein Tastenfeld 216 auf, mit dem die Anzeige 215 aktiviert
werden kann und mit dem ausgewählt werden kann, welche
Daten auf der Anzeige 215 dargestellt werden sollen.
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Über
das Kommunikationsmodul 212 sind das Protokoll und die
verschiedenen Sensordaten an die Anzeigeeinrichtung 130 des
Elektrofahrzeugs 100 übertragbar, wobei der Fahrer über
eine Eingabeeinrichtung 131 auswählen kann, welche
der Sensordaten anzuzeigen sind oder ob ggf. das vollständige
Protokoll angezeigt werden soll. Die an der Eingabeeinrichtung 131 eingegebenen
Daten bzw. Eingaben werden über das Kommunikationsmodul 212 an
die Recheneinheit 220 übertragen und dort weiter
verarbeitet. Bspw. kann der Fahrer eingeben, dass auf der Anzeigeeinrichtung 130 der
momentane Stromfluss zwischen Elektrofahrzeug und Akkumulator, der
Ladezustand des Akkumulators und die verbleibende Reichweite angezeigt
werden soll. Die Recheneinheit 220 entnimmt diese Daten
dem Protokoll und übermittelt sie an das Datenverarbeitungssystem 120 des
Elektrofahrzeugs 100.
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Weiterhin
kann der Akkumulator 200 über das Kommunikationsmodul 212 und
das kurzreichweitige Funksystem eine Kommunikationsverbindung mit
einem Datenverarbeitungssystem 340 des Depots 300 aufbauen,
um bspw. Daten aus dem Protokoll an das Depot 300 zu übertragen.
Die verschiedenen im Datenspeicher 213 bzw. im Protokoll
abgelegten Sensordaten können genutzt werden, um die Akkumulatorbenutzung
nachzuvollziehen und Beschädigungen sowie ggf. unerlaubte
Belastungen zu erfassen. Letzteres umfasst bspw. Stromflüsse
vom oder zum Akkumulator, die über einen z. B. vom Hersteller
des Akkumulators festgelegten Maximalwert hinaus gehen. Insbesondere
wird durch die Protokollierung des Ladezustands eine genaue Abrechnung gewährleistet.
Beim Austausch eines entladenen Akkumulators gegen einen neuen Akkumulator
werden bspw. in dem Datenverarbeitungssystem 340 des Depots 300 die
Ladezustände des entladenen Akkumulators 200 und
des neu in das Fahrzeug eingesetzten Akkumulators 310 aus
den Datenspeichern 213 der Akkumulatoren ausgelesen und
miteinander verglichen. Aus der Diffe renz der Ladezustände
wird der zu zahlende Betrag ermittelt. Sobald dieser Betrag beglichen
ist, kann ebenfalls über die Kommunikationsverbindung zwischen
dem Datenverarbeitungssystem 340 des Depots 300 und
dem Kommunikationsmodul 212 des Akkumulators 200 der
Akkumulator freigeschaltet werden. Dies kann bspw. durch elektronische
Schalter 217 im Inneren des Akkumulators 200 realisiert
werden. In einem Akkumulator 200 sind in der Regel mehrere
Akkumulatorzellen 229 in einer Reihenschaltung miteinander
gekoppelt. Durch Einbringen eines geöffneten elektronischen
Schalters 217 zwischen zwei Zellen wird bewirkt, dass die
notwendige Betriebsspannung nicht erreicht wird. Der Schalter 217 wird
geschlossen, wenn der Akkumulator 200 durch das Datenverarbeitungssystem 340 des
Depots 300 oder ggf. auch durch eine Zentrale freigeschaltet
wird. Konkret heißt dies, dass die Recheneinheit 220 den
Schalter 217 schließt, wenn über das
Kommunikationsmodul 212 die Nachricht eingeht, dass die
Bezahlung stattgefunden hat. Ein Überbrückungsversuch
des elektronischen Schalters 217 würde bewirken,
dass bspw. ein Alarm ausgelöst wird, der ebenfalls über
das Kommunikationsmodul 212 an das Datenverarbeitungssystem 340 des
Depots 300 oder an die Zentrale übermittelt und/oder
im Protokoll festgehalten wird.
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Die
elektronische Baugruppe 210 verfügt über
ein weiteres Kommunikationsmodul 218, mit dem über
ein Funksystem größerer Reichweite, bspw. über
ein GSM-System (Globales System für mobile Kommunikation,
vgl. Groupe Spécial Mobile), eine Funkverbindung mit einem
weiter entfernten Kommunikationspartner, bspw. mit einem Depot oder einer
Zentrale, aufgebaut werden kann.
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Bspw.
können über das weitere Kommunikationsmodul 218 die
diversen Sensordaten online an eine Zentrale oder an eines oder
mehrere Depots übertragen werden. Hierdurch kann sichergestellt werden,
dass bspw. eine Beschädigung des Akkumulators oder ein
Missbrauch bspw. in Form einer nichterlaubten Strombelastung o. ä.
festgestellt und daraufhin der Akkumulator deaktiviert werden kann, indem
etwa der elektronische Schalter 217 wieder geöffnet
wird. Das entsprechende Signal von der Zentrale oder vom Depot wird
wiederum vom Kommunikationsmodul 218 empfangen und an die
Recheneinheit 220 weitergeleitet.
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Die
elektronische Baugruppe 210 des Akkumulators 200 weist
ein weiteres Positionierungssystem 219 auf, bspw. ein Global
Positioning System, mit dem die globale Position des Akkumulators 200 bestimmt
werden kann. Die so ermittelte globale Position wird im Protokoll
abgelegt, wobei entweder sämtliche ermittelten globalen
Positionen im Protokoll abgespeichert werden, so dass die vom Elektrofahrzeug
zurück gelegte Route nachvollzogen werden kann, oder ein älterer
Eintrag durch einen neuen Eintrag überschrieben wird, so
dass immer nur die aktuelle globale Position im Protokoll verfügbar
ist.
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In
der Recheneinheit 220 der elektronischen Baugruppe 210,
die mit den einzelnen oben beschriebenen Komponenten der elektronischen
Baugruppe 210 verbunden ist und der die diversen Sensor-
und Positionsdaten zur Verfügung stehen, wird bspw. basierend
auf der globalen Position und auf dem Ladezustand des Akkumulators 200 ermittelt,
ob die vom Ladezustand abhängige Reichweite ausreicht,
um das nächstgelegene Depot zu erreichen. Dabei wird auf
die im Datenspeicher 213 hinterlegten Positionen der Depots
zurückgegriffen. Alternativ können von einer Zentrale,
in der die Positionen aller Depots hinterlegt sind, die Depots in
einem bestimmten Umkreis um die momentane Position des Akkumulators
per Funk an das Kommunikationsmodul 218 übermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Datenspeicher 213 der
elektronischen Baugruppe 210 immer dann auf einen aktuellen
Stand zu bringen, wenn der Akkumulator zum Wiederaufladen in ein
Depot gebracht wird. Ermittelt die Recheneinheit 220 bspw.,
dass in einem der Reichweite entsprechenden Umkreis um die momentane
Position des Akkumulators nur noch ein Depot vorhanden ist, so wird
der Fahrer hierauf aufmerksam gemacht. Die entsprechende Meldung
wird wiederum über das Kommunikationsmodul 212 per Funk
an das Datenverarbeitungssystem 120 des Elektrofahrzeugs 100 übertragen
und an der Anzeigeeinrichtung 130 angezeigt. Die Kriterien,
nach denen in der Recheneinheit 220 entschieden wird, ob
eine solche Meldung generiert wird, sind frei einstellbar. In einem
weiteren Anwendungsfall kann über das Kommunikationsmodul 218 ein
automatischer Notruf abgesetzt werden, wenn die Recheneinheit 220 feststellt,
dass der Akkumulator 200 entladen ist und kein Depot in
Kommunikationsreichweite des kurzreichweitigen Funksystems liegt,
wenn also das Kommunikationsmodul 212 keine Funkverbindung
zu einem Depot aufbauen kann.
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Die
Recheneinheit 220 nutzt die vom Positionierungssystem 219 ermittelte,
momentane globale Position des Akkumulators 200 bzw. des
Elektrofahrzeugs 100, den Ladezustand des Akkumulators 200, ggf.
eine Eingabe durch den Fahrer des Elektrofahrzeugs 100 sowie
die Lagervorräte von in Reichweite des Elektrofahrzeugs 100 liegenden
Depots, um eines oder mehrere Depots auszuwählen, die zum Austauschen
des Akkumulators anzufahren sind. Hierbei kommuniziert die Recheneinehit 220 der elektronischen
Baugruppe 210 über das Kommunikationsmodul 212 mit
dem Fahrer des Elektrofahrzeugs 100 und über das
Kommunikationsmodul 218 mit den in Reichweite liegenden
Depots oder mit einer Zentrale, in der bspw. die momentan verfügbaren Lagervorräte
aller Depots abrufbar sind. Die Recheneinheit 220 der elektronischen
Baugruppe 210 verarbeitet sämtliche Daten, um
dem Fahrer zumindest ein Depot vorzuschlagen. Hierbei kann auch
eine beabsichtigte Route berücksichtigt werden, die der
Fahrer bspw. mit einem Navigationssystem 140 festgelegt hat,
welches zu diesem Zweck mit dem Datenverarbeitungssystem 120 des
Elektrofahrzeugs 100 verbunden sein muss. Diese Route wird
ebenfalls über das Kommunikationsmodul 212 vom
Datenverarbeitungssystem 120 des Elektrofahrzeugs 100 an
die elektronische Baugruppe 210 und die Recheneinheit 220 übertragen
und dort mit den im Datenspeicher 213 gespeicherten Postionen
der Depots verglichen. Aus dem Vergleich geht zumindest ein Depot
hervor, das dem Fahrer mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung 130 vorgeschlagen
und/oder auf einem Bildschirm des Navigationssystems 140 eingeblendet
wird.
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Um
auf das GPS und auf in den Depots oder in der Zentrale abgelegte
Daten autorisiert zugreifen zu können, werden entsprechende
Zertifizierungs- und Verschlüsselungssysteme vorgesehen.
Bspw. kann hierzu ein Sicherheitsmechanismus zum Einsatz kommen,
wie ihn moderne SIM-Karten (Subscriber Identity Module) in Mobiltelefonen
verwenden.
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Der
Akkumulator 200 verfügt über einen Spannungswandler 225 und
eine Ladeelektronik 226, die in der elektronischen Baugruppe 210 untergebracht
sind. Hierdurch wird bewirkt, dass ein vergleichsweise weiter Spannungsbereich,
bspw. 400–800 V, zum Aufladen des Akkumulators genutzt werden
kann, so dass keine Versorgungsengpässe entstehen und der
Aufwand zur Bereitstellung der Infrastruktur minimiert wird. Auch
auf Grund der in Zukunft voraussichtlich weiter ansteigenden Akkumulatorspannungen
macht die Integration eines derartigen Ladegerätes bestehend
aus dem Spannungswandler 225 und der Ladeelektronik 226 in
den Akkumulator 200 bzw. in die elektronische Baugruppe 220 Sinn,
damit die Ladestationen der Depots nicht erneuert bei jeder Umstellung
der Akkumulatorspannung werden müssen.
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Bspw.
ist es mit Hilfe eines solchen integrierten Ladegerätes
möglich, auch den Gleichstrom einer Photovoltaikanlage
direkt zum Aufladen des Akkumulators zu verwenden.
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Das
Aufladen des Akkumulators
200 ist nicht nur im Depot
300 möglich.
Zum Einen kann der Akkumulator
200 analog zu fest installierten
Akkumulatoren aufgeladen werden, indem er im einfachsten Fall mit
einer entsprechenden Steckdose verbunden wird. Hierzu weist der
Akkumulator
200 eine elektrische Schnittstelle
227 auf,
an die ein handelsübliches Ladekabel angeschlossen werden
kann. Zum Anderen kann der Akkumulator
200 während
des Betriebs des Elektrofahrzeugs
100 aufgeladen werden,
wie es bspw. auch in Hybridfahrzeugen erfolgt. Es kann z. B. während
eines Bremsvorgangs elektrische Energie erzeugt werden, die dem
Akkumulator
200 über entsprechende elektrische
Leitungen zugeführt wird, um diesen aufzuladen. Ein derartiges
System und Verfahren ist z. B. in der
DE 10 2006 019 494 A1 beschrieben.
Auch diese elektrische Energie wird dem Akkumulator
200 über
die elektrische Schnittstelle
227 zugeführt. Der
dem Akkumulator
200 zugeführte Strom wird über
den bereits erwähnten Stromsensor des Sensormoduls
214 gemessen.
Die entsprechenden Messwerte werden im Protokoll im Datenspeicher
213 abgelegt
und/oder der Recheneinheit
220 zur Verfügung gestellt.
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Vorteilhafterweise
wird der dem Akkumulator 200 über die Schnittstelle 227 und/oder über
die weitere Schnittstelle zugeführte Ladestrom über
einen Stromsensor des Sensormoduls 214 gemessen und im
Protokoll dokumentiert.
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Die
Lagerung einer großen Anzahl von Akkumulatoren im Depot
bietet die Möglichkeit, einzelne oder mehrere der Akkumulatoren
als Pufferspeicher für das Stromnetz zu verwenden, wie
es bspw. im „car2grid”-System geschieht. Diese
stehen einerseits zur Speicherung von ggf. überschüssigem
Strom zur Verfügung und geben andererseits zu Spitzenlastzeiten
Strom ab. Durch eine Abschätzung des voraussichtlichen
Bedarfs an Akkumulatoren für die Elektrofahrzeuge kann
das System optimiert werden. Es werden dann nur diejenigen Akkumulatoren
als Pufferspeicher verwendet, die voraussichtlich nicht als Austauschakkumulatoren
benötigt werden.
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Idealerweise
werden die Akkumulatoren bzw. deren Gehäuse möglichst
platzsparend ausgelegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass
in einem Depot eine große Anzahl von austauschbaren Akkumulatoren
gelagert werden kann, so dass auch in Phasen mit starker Nachfrage,
bspw. zu Ferien- und Reisezeiten, der Bedarf gedeckt werden kann.
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Die
elektrische Verbindung zwischen dem Akkumulator und einer Aufladevorrichtung 360 des Depots 300 erfolgt
bspw. über ein Schienensystem, bei dem eine ungenaue Positionierung
ausreicht, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Die 3 zeigt
in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch einen Akkumulator 200 und
durch Schienen 361, 362 der Aufladevorrichtung 360 aus
elektrisch leitfähigem Material. Der Akkumulator 200 verfügt über
Aussparungen 221, 222 mit elektrischen Kontakten 223, 224 und
wird derart auf die Schienen 361, 362 gesetzt, dass
die elektrischen Kontakte 223, 224 in Berührung mit
den Schienen 361, 362 kommen. Aufgrund der Formgebung
der Aussparungen 221, 222 und der Schienen 361, 362 reicht
es aus, den Akkumulator 200 vergleichsweise ungenau zu
positionieren, d. h. mit einer Präzision im cm-Bereich
in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Schienen.
Bei einem derartigen Schienensystem bietet es sich an, an einem
Ende der Schienen 361, 362 leere Akkumulatoren
auf die Schienen aufzusetzen, so dass am anderen Ende aufgeladene
Akkumulatoren durch den Kran 330 entnommen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006037247
A1 [0041, 0041, 0041, 0041]
- - DE 102006019494 A1 [0060]