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Bei
der Entwicklung von Speichern für
elektrische Energie zum Bewegen eines Fahrzeugs stellen sich eine
ganze Reihe komplexer Probleme. Ein Problem besteht in der relativ
großen
Masse der elektrischen Energiespeicher im Verhältnis zum Energieinhalt, der
gegenüber
der in herkömmlichen Brennstoffen
für Verbrennungsmotoren
gespeicherten chemischen Energie um ein vielfaches geringer ist.
Ein weiteres Problem ist in den hohen Investitionskosten zu sehen,
die solche Speicher für
elektrische Energie verursachen. Da diese Speicher nur eine begrenzte
Zahl von Ladungs- und Entladungszyklen verkraften und somit eine
begrenzte Lebensdauer haben, schlagen diese Kosten für den Ersatz des
Energiespeichers besonders zu Buche.
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Ein
weiteres Problem beim Einsatz elektrischer Antriebe in Fahrzeugen
besteht darin, dass für die
Fahrzeugheizung oder -klimatisierung zusätzlich Energie erforderlich
ist. Während
die bei Verbrennungsmotoren entstehende Abwärme in Form des Motorkühlwassers
problemlos für
die Heizung genutzt werden kann, ist es ziemlich aufwendig, die vom
elektrischen Antrieb, dem Motor oder einzelnen Achs- oder Radmotoren
abgegebene Wärme
als Nutzwärme
für das
Fahrzeug zu gewinnen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Speicher für elektrische Energie zur Verfügung zu
stellen, der kostengünstig
in Anschaffung und Unterhalt ist und der zur Klimatisierung und
insbesondere zur Heizung des Fahrzeugs während der Fahrt genutzt werden kann.
Neben der Anordnung soll ein Verfahren zum Betreiben eines Speichers
für elektrische
Energie in Fahrzeugen geschaffen werden, welches es ermöglicht,
zur Klimatisierung und insbesondere zur Heizung des Fahrzeugs während der
Fahrt die im Speicher für
die elektrische Energie vorhandene thermische Energie nutzbar zu
machen.
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Diese
Probleme werden mit einer Anordnung nach Anspruch 1 und einem Verfahren
nach Anspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei der Konstruktion
des Speichers für
elektrische Energie, die aus einzelnen relativ leichten Elementen
wie Li-Ionen-Akkus oder NiMH-Akkus möglich ist, diese in relativ
aufgelockerter räumlicher Form
anzuordnen, was bei den kompakten Blei-Akkus nicht so einfach realisierbar
war. Andererseits entsteht beim Betrieb, d. h. beim Laden und Entladen des
Speichers für
elektrische Energie, der aus den genannten einzelnen Elementen aufgebaut
ist, eine beträchtliche
Wärmemenge,
die besonders dann problematisch ist (bis hin zur Explosion von
Li-Ionen-Akkus in Laptops), wenn man versucht, den Speicher für elektrische
Energie möglichst
raumsparend zu bauen. Nimmt man einen gewissen Raumbedarf in Kauf,
der die Nutzung der thermischen Energie aus dem Speicher für elektrische
Energie ermöglicht,
so ergeben sich eine Reihe von synergetischen Möglichkeiten.
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Durch
die Anordnung der einzelnen Speicherelemente in einer Rasterform
entstehen freie Kanäle,
durch die ein gasförmiges
oder flüssiges
Wärmeträgermedium
durch den Speicher für
elektrische Energie geführt
werden kann, um die thermisch gespeicherte oder durch Ladung- oder
Entladung entstehende Wärme
für die
Fahrzeugheizung nutzbar zu machen. Liegt andererseits die Temperatur
im Fahrzeug über
dem gewünschten
Wert, so ist es möglich, vor
Beginn der Fahrt den Speicher für
elektrische Energie zu kühlen,
um die entzogene Wärme
bei der Fahrt zur Klimatisierung zu nutzen.
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Optimiert
werden die Möglichkeiten
der vollen Nutzung dieser Erfindung durch die Randbedingungen, dass
vor Fahrtbeginn ein permanenter externer Stromanschluss vorhanden
ist und dass das Fahrzeug in möglichst
verträglicher
Umgebungstemperatur geparkt ist. Dann herrschen schon günstige Temperaturbedingungen
im Fahrzeug, die für
eine Fahrtdauer entsprechend dem Aktionsradius des Elektrofahrzeugs
nur aufrecht erhalten werden müssen.
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Bei
voll geladenem Speicher für
elektrische Energie kann eine Erhaltungsladung bis zum Fahrtbeginn
stattfinden, wodurch auch ein gewünschter thermischer Energieinhalt
vorgegeben werden kann. Zusätzlich
kann z. B. im Winter über
das Wärmeträgermedium
der Speicher für
elektrische Energie auf eine erhöhte
Temperatur gebracht werden, die dann während der Fahrt nutzbar ist
(Vorheizung). Will man z. B. im Sommer einen kühlen Speicher für elektrische
Energie, so kann die Erhaltungsladung ganz entfallen und der aufgeladene
Speicher für
elektrische Energie kann durch einen Strom des Wärmeträgermediums vor Fahrtbeginn
gekühlt
werden (Vorkühlung).
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Sowohl
bei der Vorheizung als auch bei der Vorkühlung ist eine Pumpe erforderlich,
die das Wärmeträgermedium
durch den Speicher für
elektrische Energie hindurchbewegt, damit der Wärmeaustausch stattfindet. Als
Wärmeträgermedium
kann jedes bekannte verwendet werden, in den einfachsten Fällen, die
im KFZ-Bereich üblich sind,
wird Wasser ggf. mit Forstschutz oder Luft verwendet. Im Fall von Luftheizung-
und Kühlung
genügt
ein entsprechend ausgelegter Ventilator, sonst ist eine Wasserpumpe erforderlich,
wobei dann zur Fahrzeugheizung ein weiterer Wasser-Luft-Wärmetauscher
nötig ist.
Für Temperaturerhöhung und
-absenkung kann jeweils ein verschiedenes Wärmeträgermedium verwendet werden.
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Da
für die
Vorheizung oder Vorkühlung
Energie erforderlich ist, kann diese durch den permanenten externen
Stromanschluss bereitgestellt werden. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung
ist zweckmäßigerweise
im Elektrofahrzeug selbst untergebracht, damit das Fahrzeug standortunabhängig betreibbar ist.
Wird es immer nur an demselben Stand- und Zielort benutzt, dann
ist es zur Gewichtsersparnis des Fahrzeugs sinnvoll, diese außerhalb
des Fahrzeugs bereitzustellen und bei Bedarf über entsprechende Versorgungsanschlüsse anzukuppeln.
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Bei
der Gewichts- und Kostenoptimierung des Speichers für elektrische
Energie müssen
unterschiedliche Bedürfnisse
berücksichtigt
werden. Als größere Gruppen
von Speichern für
elektrische Energie sollen exemplarisch die drei Hauptgruppen Blei-Akku,
als Batterie im Kfz bekannt, Li-Ionen-Akku, insbesondere im Einsatz
bei Laptops, und NiMH-Akku, als umweltfreundlicheres Nachfolgeprodukt
des NiCd-Akkus betrachtet
werden.
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Allein
aus Gewichtsgründen
scheidet der Blei-Akku von vornherein aus. Der NiMH-Akku hat zwar auf
das Gewicht bezogen eine ca. 30% geringere Speicherkapazität als der
Li-Ionen-Akku, ist jedoch erheblich kostengünstiger. Optimiert man nach
Gewicht und Reichweite, so bietet sich nur der teure Li-Ionen-Akku
an, der jedoch eine Reihe technischer Probleme insbesondere wegen
der erforderlichen Kühlung
mit sich bringt. Je nach Einsatzzweck und erforderlicher Reichweite
kann die erfindungsgemäße Lösung mit
einem Speicher für
elektrische Energie daher auf der Basis von NiMH-Elementen oder von
Li-Ionen-Elementen aufgebaut werden.
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Wesentlich
ist hierbei, dass der Raum im Speicher für elektrische Energie so aufgeteilt
ist, dass zwischen den einzelnen Anordnungen der Speicherelemente
in Modulen Kanäle
für das
Wärmeträgermedium
vorgesehen sind, durch die die von den Speicherelementen abgegebene
oder aufgenommene Wärmemenge
ab- und zuführbar
ist. Die modulartige Anordnung kann z. B. in Schachbrettform, in
Hexagonalform oder in Form einzelner Lagen von Speicherelementen
mit dazwischenliegenden Luftkanälen
entsprechender Breite aufgebaut sein. Alle dazwischen liegenden
Formen sind möglich,
wie abwechselnde Elemente oder -gruppen mit Kanälen. Das Verhältnis zwischen
dem Querschnitt der Kanäle und
der Speicherelemente richtet sich nach der Art des Wärmeträgermediums
und nach der Art der verwendeten Speicherelemente für elektrische
Energie.
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Die
einzelnen Speicherelemente oder -zellen sind zu Speichermodulen
in Reihe geschaltet. Die Module sind parallel geschaltet und liefern
die Betriebsspannung für
den elektrischen Antrieb. Für
die Speichermodule kann eine elektronische Spannungsüberwachung
vorgesehen sein, die anzeigt, wenn ein Modul nicht mehr die benötigte Spannung liefert.
Dann können
die einzelnen Speicherzellen dieses Moduls durch bekannte Spannungsvergleicher
auf elektronischer Basis oder manuell durchgeprüft werden. Bei Feststellung
der defekten Zelle kann diese einzeln ausgetauscht werden, ohne
dass gleich ein Modul oder der ganze Speicher für elektrische Energie ersetzt
werden muss.
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Der
Speicher ist zweckmäßig als
kastenförmiger
Träger
aufgebaut, der die Speicherzellen, Module, Kanäle und die erforderlichen Strom-
und Steuerleitungen in kompakter Form aufnimmt. Er kann aus Metall,
Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen, sofern
dieses den erforderlichen Wärmefluss
zwischen den Speicherelementen oder Speichermodulen und den Kanälen ermöglicht. Die
Speicherzellen sind hintereinander in Reihe in röhrenförmigen Aufnahmekanälen untergebracht,
die jeweils von einer Seite des Speichers zugänglich sind. Die Aufnahmekanäle, die
eine oder mehrere parallele Reihen von einzelnen Akkus aufnehmen
können,
sind durch Abschlusselemente verschlossen, die in bekannter Weise
mit gegebenenfalls federnden Kontakten ausgestattet sind, um die
Reihen- oder Parallelschaltung herzustellen. Die Abschlusselemente
können
in oder an den Speicher geschraubt, verschiebbar verriegelt, über einen
Bajonettverschluss oder in anderer geeigneter Weise befestigt sein,
die leicht lösbar
ist. Zum Austausch einer defekten Speicherzelle muss nur das Verschlusselement der
jeweiligen Reihe von Akkus oder Speicherzellen geöffnet werden,
um die Reihe herauszuziehen und das defekte Element zu ersetzen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1:
Einen kastenförmigen
Speicher für elektrische
Energie
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2a bis 2c:
Verschiedene rasterförmige Anordnung
der Speicherelemente
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3:
Eine Anordnung mit gasförmigem Wärmeträgermedium
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4:
Eine Anordnung mit Wärmetauscher im
Strom des gasförmigen
Wärmeträgers
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5:
Eine Anordnung mit Wärmetauscher im
Strom des flüssigen
Wärmeträgers
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In 1 ist
rein schematisch die Anordnung der Speicherelemente 3 in
Ebenen angedeutet. In bekannter Weise liegen die einzelnen Speicherzellen 3 mit
ihrem jeweiligen Pluspol und Minuspol in Reihe geschaltet aneinander.
Am Anfang und am Ende jeder Reihe von Speicherzellen ist im Speicher
für elektrische
Energie ein nicht gezeigter Kontakt vorgesehen, der die Spannung
an die nächste
Reihe weiterleitet oder am Ende eines Speichermoduls die Modulspannung
trägt.
Zwischen den fünf
Modulebenen 2, in denen in diesem Fall die Speicherzellen 3 angeordnet
sind, befinden sich die Kanäle 4,
durch die ein gasförmiges
Wärmeträgermedium,
im einfachsten Fall Luft, geleitet wird, um die Temperatur in den Speicherelementen
je nach geplanter Fahrt zu beeinflussen.
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Die 2 zeigt
verschiedene Rasteranordnungen, wie die Speicherelemente 3 im
Wechsel mit den Kanälen 4 angeordnet
werden können.
Gemäß 2c) können
beispielsweise besonders platzsparend auch Rohre wabenförmig oder
in hexagonaler Form so aneinandergelegt werden, um einerseits Aufnahmen
für die
Speicherelemente 3 und andererseits Kanäle 4 zu bilden. Um
den Speicher für
elektrische Energie handhabbar zu machen und mechanisch zu stabilisieren,
hat er als Striche angedeutete Trennwände, die nach Anzahl und Stärke entsprechend
den Erfordernissen ausgelegt werden.
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3 zeigt
einen Speicher für
elektrische Energie 1 mit Modulen 2 und Kanälen 4 von
der Seite, wobei durch Motoren M angetriebene Ventilatoren einen
Luftstrom L durch die Kanäle
bewirken.
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In 4 geht
der Luftstrom vor dem Speicher für
elektrische Energie durch einen Wärmetauscher hindurch, mittels
dessen die Speicherelemente in den Modulen 2 auf eine höhere oder
niedrigere Temperatur gebracht werden können, um gleichsam als „Wärme-Akku” die Temperatur
während
der anschließenden
Fahrt im Fahrzeug zu beeinflussen. Wichtig hierbei ist, dass die
Energie im Vorbereitungszustand auf die Fahrt durch das Stromnetz
verfügbar
ist und während
der Fahrt durch den Speicher für
elektrische Energie allenfalls relativ geringe Antriebsenergie für die Antriebsmotoren
M der Ventilatoren zur Verfügung
gestellt werden muss. Anstelle des Wärmetauschers kann auch eine
einfach aufgebaute elektrische Heizung vorgesehen sein, die den Luftstrom
erwärmt.
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In 5 ist
ein Wärmeträgerkreislauf
mit einem flüssigen
Wärmeträgermedium
F dargestellt. Da ein flüssiger
Wärmeträger in der
Regel eine höhere Wärmekapazität aufweist
als ein gasförmiger,
kann diese Anordnung entsprechend kompakter, d. h. mit kleineren
Querschnitten der Kanäle 4 ausgelegt
werden. Der Volumenersparnis beim Speicher für elektrische Energie steht
allerdings der erhöhte
Aufwand durch den geschlossenen Flüssigkeitskreislauf und der
Umwälzpumpe
P gegenüber.
Der Betrieb einer solchen Anlage eignet sich dann, wenn der Speicher für elektrische
Energie als „Kühl-Akku” verwendet werden
soll, um ihn trotz der beim Laden entstandenen Wärme in relativ kurzer Zeit
auf niedrige Temperatur zu bringen.
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Nachfolgend
wird ein Beispiel beschrieben, wie der Speicher gemäß der Erfindung
für den
Antrieb eines PKW mit einem Aktionsradius von 50 bis 150 km ausgelegt
werden kann.
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Es
wird ausgegangen von einer Größe des Speichers
für elektrische
Energie für
1.600 Speicherelemente in Form von Mignon-Akkus, Speicherkapazität jeweils
2.700 mAh, Abmessungen: D = 14.5 mm, L = 50,5 mm; Gewicht G = 35
g. Der Preis für
Kleinmengen dieser Akkus liegt bei rd. EUR 2,50, das ergibt einen
Preis von EUR 4.000,00, in größeren Mengen
lässt sich
ein Einkaufspreis von unter EUR 1,50 erzielen, so dass die Kosten
für den
reinen Energiespeicher unter EUR 2.400,00 liegen. Die pro Speicherelement
verfügbare
Spannung wird mit durchschnittlich 1,5 Volt angenommen.
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Mit
1.600 Speicherelementen ergibt sich somit eine gesamte Kapazität von 1.600 × 2.700
mAh = 1.600 × 2,7
Ah = 4.320 Ah bei 1,5 Volt, d. h. der verfügbare Energieinhalt beträgt 6.480
Wattstunden (VAh).
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Durch
den modularen Aufbau ergibt sich die perfekte Möglichkeit, die Spannung der
einzelnen Module zu überwachen
und bei Ausfall eines Speicherelements, also eines einzelnen Akkus,
diesen zu ersetzen, ohne dass der komplette Energiespeicher oder
wesentliche Teile davon erneuert werden müssten. Dazu genügt es, entweder
die längs
in Reihe geschalteten Akkus sektionsweise automatisch zu überwachen
oder manuell zu überprüfen, wenn durch
die elektronische Steuerung der Anlage ein Spannungsabfall in einem
Modul gemeldet wird. Auch bei einer kompletten Erneuerung der Speicherelemente
kann die gesamte mechanische und elektrische Ausrüstung wieder
verwendet werden, so dass sich die Betriebskosten erheblich reduzieren.
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Nimmt
man einen Speicher der einfachsten Ausführungsart gemäß 1,
so bringt man zweckmäßig 5 Lagen
Akkus mit 4 Kanälen
unter, jede Akku-Lage fasst 320 Akkus im Raster von 16 Stück in der
Länge und
20 Stück
in der Breite. Die Maße
des Speichers aus dem Netto-Volumen der Akkus und unter der Annahme,
dass die Kanäle
für das
Wärmeträgermedium
dieselbe Höhe
aufweisen wie die Akku-Lagen, ergibt sich wie folgt:
Länge: 16 × 50,5 mm
= 808 mm
Breite: 20 × 14,5
mm = 290 mm
Höhe:
9 × 14,5
mm = 130,5 mm
Volumen mit Kanälen: ca. 30 Liter
Gewicht:
1.600 × 35
g = 56 kg
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Für die Masse
des Gehäuses
und der elektrischen Ausrüstung
werden etwa 30% der reinen Akku-Nutzmasse hinzugerechnet, für die Abmessungen des
Gehäuses
etwa 30% des Volumens der Akku-Nutzmasse und der Kanäle. Dann
ergibt sich eine Masse von etwa 75 kg und ein Volumen von etwa 40 Litern,
also ein Volumen in der Größenordnung
des Tankvolumens eines Kleinwagens.
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Für die benötigte elektrische
Leistung wird von einer maximalen Antriebsleistung von 20 kW ausgegangen,
die im Fahrzeug zweckmäßig durch
4 Rad-Nabenmotoren, durch 2 Rad-Nabenmotoren auf einer Achse oder
durch einen zentralen Motor zum Antrieb der Vorder- oder Hinterachse
aufgebracht wird.
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Die
durchschnittliche erforderliche Leistung, wie sie insbesondere im
Mischbetrieb auf Kurzstrecken und im Stadtverkehr mit dazwischen
liegenden Autobahnabschnitten benötigt wird, wird mit 10 kW angenommen.
Es wird nun errechnet, welche Fahrtstrecke mit der oben beispielsweise
berechneten Speicherkapazität
des Speichers für
elektrische Energie zurückgelegt
werden kann.
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Der
Antrieb braucht durchschnittlich 10 kW = 10.000 VA, der Speicher
für elektrische
Energie liefert 6.480 Wattstunden (VAh), daraus ergibt sich eine rechnerische
Betriebsdauer von 0,648 h oder 39 min. Bei einer angenommenen Durchschnittsgeschwindigkeit
von 60 km/h kann mit einer Ladung des Speichers für elektrische
Energie somit eine Strecke von rd. 40 km zurückgelegt werden. Dabei sind
die Standzeiten des Fahrzeugs, bedingt durch Stau, Ampelstopp etc.
nicht mitgerechnet. In der Praxis lässt sich eine Fahrtstrecke
von 50 bis 60 km mit einer Ladung dieses Speichers für elektrische
Energie in der gezeigten Basisausführung zurücklegen. Die Strecke ist typisch
für tägliche Wege
zur Arbeit in der Nähe von
Ballungszentren.
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Der
elektrische Antrieb sollte mit einer relativ hohen Spannung erfolgen,
um für
die Übertragung der
elektrischen Leistung zu den Antriebsmotoren keine zu hohen Kabelquerschnitte
zu benötigen. Wird
ein Modul aus 32 Speicherelementen zu je 1,5 Volt gebildet, so ergibt
sich eine Betriebsspannung von etwa 48 Volt. Günstiger ist jedoch die Bildung größerer Module
mit Ausgangsspannungen von z. B. 120, 240 oder 360 Volt, um für eine Antriebs-Spitzenleistung
von 20 kW die Stromstärke
und damit die Kabelquerschnitte in Grenzen zu halten.
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Um
die fahrbare Strecke auf 100 bis 120 km zu erweitern, braucht die
oben angenommene Kapazität
des Speichers für
elektrische Energie lediglich verdoppelt werden. Dann ergibt sich
für ein
Volumen von 80 Litern ein Gewicht von rd. 150 kg. Der Preis für einen
kompletten Speicher für
elektrische Energie läge
dann bei unter EUR 4.800,00, was im Vergleich zu den marktüblich genannten
Preisen von EUR 10.000 bis 20.000 für den Energiespeicher in der Form
von Li-Ionen-Akkus der zur Zeit bekannten Elektrofahrzeuge eine
signifikante Verbesserung ergäbe.
Zudem ist der erfindungsgemäße Speicher
für elektrische
Energie nie komplett zu erneuern, da durch den modularen Aufbau
mit einzeln austauschbaren Speicherelementen nur defekte Zellen
zu ersetzen sind.
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Um
das Fahrzeug für
eine Fahrtstrecke von 150 bis 200 km auszulegen, genügt die Verdreifachung
der Leistung des oben beschriebenen Basisspeichers für elektrische
Energie. Um die Handhabung zu erleichtern, kann es auch sinnvoll
sein, mehrere Speicher vorzusehen, die an verschiedenen geeigneten
Stellen im Fahrzeug Platz finden, wie im Boden oder unter den Sitzen.
Somit kann durch entsprechende Fahrzeugkonzeption der Nutzraum des
Fahrzeugs optimiert werden.