DE102012008678A1

DE102012008678A1 - Elektromobilitätssystem mit Energiestationen und getrennten Antriebs- und Energieerzeugungseinheiten

Info

Publication number: DE102012008678A1
Application number: DE201210008678
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Clean Energy Global De GmbH
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: DE102012008678B4

Abstract

Vorgestellt wird ein Elektromobilitätssystem, bestehend aus einer Infrastruktur zum Versorgen von Elektrofahrzeugen mit Energie, einem Satz unterschiedlicher Energie-Aggregate und einem Satz passender Elektrofahrzeuge. Das System ist gekennzeichnet dadurch, dass 1. die Infrastruktur aus einem Netz von Energiestationen besteht, die volle Energie-Aggregate vorrätig halten, leere Aggregate befüllen können und bei denen volle und leere Energieaggregate auf schnelle und einfache Weise ein- und ausgebaut bzw. ausgetauscht werden können 2. der Satz von Energieaggregaten Versionen mit elektrischen Akkumulatoren für mittlere Distanzen und Versionen mit Verbrennungsmotor und Generator für große Distanzen beinhaltet 3. die Elektrofahrzeuge lediglich einen kleinen eingebauten Akkumulator für kurze Distanzen besitzen und sich mit Energie-Aggregaten erweitern lassen 4. die wechselbaren Energieaggregate möglichst so auf die Fahrzeuge verteilt werden, dass stillstehende Fahrzeuge und Fahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb keine teuren Akkumulatoren oder Verbrennungsmotoren enthalten, und deshalb Kosten und Energie gespart werden. Das System besteht also aus einer großen Anzahl Elektrofahrzeuge und einer kleineren Anzahl Energieaggregate. 5. ein Abrechnungssystem vorhanden ist, das die Kosten für die Energieaggregate in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer und der entnommenen Energie ermittelt Mit diesem System können die entscheidenden Nachteile der aktuellen Elektromobilität, d. h. hoher Anschaffungspreis der Fahrzeuge, mangelnde Flexibilität durch die geringe Reichweite und Unsicherheit über die Haltbarkeit und technische Weiterentwicklung der Akkumulatoren beseitigt werden

Description

1. Problemstellung
Die Vorteile der Elektromobilität sind hinreichend bekannt:

• Einfache und kompakte Konstruktion des Antriebs
• Kern Schadstoffausstoß durch das Fahrzeug
• Geringere Umweltbelastung sofern der Strom umweltfreundlich erzeugt wird
• Niedrigere Energiekosten

Hauptproblem sind zur Zeit die für die Elektromobilität notwendigen Akkumulatoren, da sich die geforderten Eigenschaften

– niedriger Preis
– niedriges Gewicht
– lange Lebensdauer
– kurze Ladezeiten

2. Bisherige Problemlösungen (Stand der Technik)
Bei Elektroautos können zur Zeit folgende Typen unterschieden werden:

1. Reines Elektromobil ohne zusätzlichen Verbrennungsmotor
2. Hybridmobil mit kleinem Akku Der Elektromotor arbeitet parallel zum Verbrennungsmotor und dient nur der Unterstützung. Man erreicht bei ständig wechselnden Belastungen eine Kraftstoffeinsparung. Im rein elektrischen Betrieb ist die Reichweite nur sehr gering. Der höhere Anschaffungspreis kann bei den aktuellen Energiekosten nicht wettgemacht werden.
3. Hybridmobil mit großem Akku Ein Verbrennungsmotor mit ausreichend großem Tank für eine Reichweite von mehr als 500 km wird mit einem Elektroantrieb und einem Akkumulator kombiniert. Rein elektrisch kann man so ca. 100 km fahren; bei Fahrstrecken, die darüber hinaus gehen, kommt der Verbrennungsmotor zum Einsatz. Unterschieden werden zwei Versionen: – beide Motoren können den Wagen (parallel) antreiben – der Verbrennungsmotor arbeitet als Generator und erzeugt lediglich elektrische Energie für den Elektromotor

Setzt man ein zur Zeit typisches Verbraucherverhalten und die aktuellen Energiepreise voraus, sind alle Varianten dadurch gekennzeichnet, dass sie durch den hohen Akkumulatorpreis gegenüber einem herkömmlichen PKW mit Verbrennungsmotor nicht wirtschaftlich sind. Bei Hybridmodellen entstehen zudem die Kosten für zwei Antriebe.
Reine Elektromobile weisen eine deutlich geringere Reichweite auf (typischerweise 100–150 km gegenüber 500–800 km). Sie können deshalb nur für spezielle Anwendungen, z. B. einen Lieferservice eingesetzt werden.
Ein weiterer Ansatz ist die Errichtung neuer spezieller Wechselstationen für Akkumulatoren. Nachteile sind auch hier der hohe Preis für Akkumulatoren, Fahrzeuge und eine komplett neue Infrastruktur sowie die begrenzte Reichweite der Fahrzeuge, da keine Hybridlösung möglich ist.
3. Neue Problemlösung
Die beschriebenen Nachteile lassen sich durch ein neues Elektromobilitätssystem mit getrennten Antriebs- und Energieerzeugungseinheiten vermeiden.
Die Erfindung besteht aus einer neuartigen Kombination von Energiestationen, Energieerzeugungs-Aggregaten, angepassten Elektromobilen und einem Abrechnungssystem. Unterschieden werden dabei unterschiedliche Reichweiten: der lokale Bereich mit Kurzstrecken (z. B. bis 50 km), mittlere Strecken (z. B. 50–150 km) und Langstrecken (z. B. über 150 km), für die bei Bedarf passenden Aggregate zur Verfügung gestellt werden.
Ziel des Systems ist es, die Aggregate so auf die Fahrzeuge zu verteilen, dass Kosten und Energie gespart werden.
3.1 Energieerzeugungs-Aggregate
Die Energieerzeugungs-Aggregate (1) dienen der Reichweitenerweiterung der Elektromobile. Dazu sind zwei verschiedene Typen notwendig:

A1 Ein Akkumulator-Aggregat (6), das eine Reichweite für mittlere Strecken ermöglicht
A2 Ein Verbrennungsmotor-Aggregat (1), das große Reichweiten z. B. von mehr als 500 km ermöglicht. Es besteht aus einem Verbrennungsmotor (3) für herkömmliche Kraftstoffe und einem elektrischen Generator (2)

Als weitere Bauform des Aggregats A2 ist eine Version A2T (4) mit Tank (5) möglich. Außerdem können Aggregate auch als Anhänger, d. h. mit Rädern und Deichsel ausgeführt sein.
Beide Aggregate haben vorzugsweise die gleiche Schnittstelle (7) zum Elektromobil, nämlich einen elektrischen Stecker. Die Verbrennungsmotor-Aggregate bilden zusammen mit dem Elektroauto ein Hybridfahrzeug, vorzugsweise einen sogenannten seriellen Hybrid.
Aggregat A1 ermöglicht Fahrten mittlerer Reichweite auf rein elektrischer Basis. Aggregat A2 erweitert die Reichweite auf die mit klassischen Automobilen üblicherweise möglichen Fahrstrecken.
3.2 Energiestationen
Die Energiestationen (15) haben folgende Aufgaben:

1. Vorratshaltung der Energieaggregate
2. Auffüllung der Aggregate mit Energie
3. Austausch der Energieaggregate in den Elektromobilen, je nach Bedarf nur Einbau oder nur Rücknahme

Typischerweise wird für diesen Zweck das vorhandenen Tankstellennetz verwendet, so dass nicht eine komplett neue Infrastruktur zu schaffen ist.
Das System ist nicht auf ein flächendeckendes Netz von Energiestationen angewiesen, auch wenn dies bevorzugt wird. Schon mit nur einer Station, oder mit zwei Stationen an zwei entfernten Orten ist der Betrieb des Systems möglich, so dass ein einfacher Einstieg in das System möglich ist.
Die schon vorhandene Komponenten der Tankstellen, d. h. Zapfsäulen, Tank usw. (14) werden dafür genutzt, den Benzintank des Fahrzeugs (siehe 3.3) aufzufüllen. Bei Aggregaten mit Tank A2T (4) kann dies auch im ausgebauten Zustand erfolgen, so dass bereits befüllte Energieaggregate bereit gehalten werden.
Darüber hinaus werden die Tankstellen um eine Ladeeinheit (10) und ein Zwischenlager (8) erweitert. Die Ladeeinheit besteht aus einer elektrischen Energieversorgung (13) und Ladevorrichtung (12) für die aufzuladenden Aggregate A1 (11). Die Energieversorgung dient dazu, die für die elektrische Ladung der Akkumulatoren optimalen Ströme und Spannungen zur Verfügung zu stellen. Typischerweise wird dafür eine Technik eingesetzt, die in Privathaushalten nicht vorhanden ist (z. B. Drehstrom, hohe Gleichspannung).
Die Ladevorrichtung ist in der Lage, mehrere Akkumulatoren gleichzeitig zu laden. Durch die angepasste Stromversorgung (13) können die Ladezeit und die Lebensdauer der Akkumulatoren optimiert werden.
Das Zwischenlager (8) dient dazu, aufgeladene Aggregate A1 (6), bzw. die Aggregate A2 (1) oder aufgefüllte Aggregate A2T (4) bereitzuhalten.
Zum Wechseln bzw. zum Ein- und Ausbau der Aggregate ist eine Wechsel- oder Hebevorrichtung (9) vorgesehen, da die Aggregate zum Tragen für den Menschen zu schwer sind. Diese kann automatisch oder manuell arbeiten. Die Vorrichtungen sind nach Möglichkeit so konstruiert, dass der Vorgang nur wenige Minuten, d. h. nicht länger als ein herkömmliches Betanken dauert.
3.3 Elektromobile
Die zu der Erfindung zugehörigen Elektromobile (2.1) zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
Sie besitzen im Gegensatz zu herkömmlichen Automobilen keinen Verbrennungsmotor sondern einen elektrischen Antrieb mit einem oder mehreren Elektromotoren (22), die von einer Steuer- und Regelungseinheit (25) versorgt werden.
Ein fest eingebauter Akkumulator (20) dient der Basis-Energieversorgung. Um Gewicht und Preis des Fahrzeugs gering zu halten, ist seine Kapazität nicht für Lang- und Mittelstrecken ausgelegt sondern lediglich für Kurzstrecken vorzugsweise unter 50 km. Er soll genügend Energie bereitstellen, um

1. Tägliche Kurzstrecken zu ermöglichen
2. Die nächste Energiestation (Tankstelle) zu erreichen

Eine einfache Ladevorrichtung (21) ermöglicht das Aufladen des eingebauten Akkumulators an Standardsteckdosen im Privatbereich oder unterwegs (z. B. auf Parkplätzen). Durch die geringe Kapazität des Akkumulators ist die Ladezeit vergleichsweise gering. So kann auch bei typischen Kurzstrecken mit Pausen schon ein erheblicher Anteil der Akkukapazität über eine Standardsteckdose wieder aufgeladen werden.
Ein leerer Raum im Fahrzeug (24) ist für die Aufnahme eines Energieaggregats (23) vorgesehen. Das Energieaggregat dient der Erweiterung der Reichweite auf mittlere Strecken (elektrisch, 2.2) oder auf Langstrecken (herkömmlicher Kraftstoff, 2.3). Vorzugsweise wird für alle Aggregat-Typen die gleiche Schnittstelle (29) zwischen Aggregat und Fahrzeug verwendet, d. h. es ist eine elektrische Steckverbindung (Buchse) vorgesehen: Zusammen mit dem Aggregat A1 arbeitet das Fahrzeug dann als Elektroauto mit erweiterter Reichweite; zusammen mit dem Aggregat A2 als (serieller) Hybrid. Während der Fahrt wird der eingebaute Akkumulator (20) aufgeladen (27).
Vorzugsweise haben die Fahrzeuge aus Sicherheitsgründen einen im Unterboden verbauten Kraftstofftank, der bei elektrischen Betrieb nicht benutzt wird (26). Bei Einsatz des Aggregats A2 ist er jedoch mit Kraftstoff gefüllt (33) und versorgt das Aggregat über eine Schlauchverbindung (32). Es ist aber auch eine Variante möglich (2.5), bei der der Tank nicht fest eingebaut (34) ist. Dann enthält das Energieaggregat A2T (35) den Tank (36). In beiden Fällen kann das Fahrzeug normal an der Energiestation, aber auch jeder herkömmlichen Tankstelle betankt werden.
Der Ein- und Ausbau der Aggregate erfolgt auf einfache Weise in den Energiestationen. Vorzugsweise ist der Raum für die Aggregate im Fahrzeug vor (2.1–2.3) oder hinter (2.4–2.5) der Fahrgastzelle angeordnet, so dass die Aggregate einfach eingeschoben und verriegelt werden können.
3.4 Abrechnung
Im Gegensatz zum derzeitigen Autoverkehrssystem, das auf den Verbrauch von Benzin oder Diesel und dessen Bezahlung bei der Betankung des Fahrzeugs aufgebaut ist, macht das neue System auch eine andere Art der Abrechnung erforderlich.
Die Aggregate werden nach Gebrauch an den Energiestationen zurückgegeben. Da der elektrische Akkumulator des Aggregats A1 (bzw. der Tank beim Aggregat A2T) dabei nicht zwangsweise leer sein müssen, ist eine Messung der wirklich verbrauchten Energie z. B. über die Restkapazität notwendig. Außerdem muss die Zeit erfasst werden, wie lange das Aggregat benutzt worden ist, um die Gesamtkosten ermitteln zu können. Die Abrechnung kann bei Ausgabe oder bei Rückgabe des Aggregats erfolgen. Sie setzt einen Informationsaustausch zwischen den einzelnen Energiestationen voraus. Dieser kann über die Aggregate, das Fahrzeug oder das Internet erfolgen:
3.5 Handhabung
Das neue Mobilitätssystem (3) unterscheidet Strecken im lokalen Umfeld (kleiner Kreis), mittlerer Reichweite (großer Kreis) und Langstrecken. Es ist so organisiert, dass teure und schwere Energieaggregate nur in diejenigen Fahrzeuge eingebaut sind, die Mittel- oder Langstrecken zurücklegen (42), (48). Parkende Fahrzeuge (46), parkende Fahrzeuge, deren Akkumulator an einer Ladesäule geladen wird (45), oder Fahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb (43) enthalten sie dagegen in der Regel nicht. Dadurch kommt das Gesamtsystem mit weniger Akkumulatoren und Verbrennungsmotoren aus als das bisherige Autoverkehrssystem, d. h. es gibt mehr Autos als Energieaggregate (in 3 sind z. B. nur 3 Aggregate im Einsatz). Für die Nutzer ergeben sich dadurch im Betrieb Kostenvorteile. Zusätzlich ist das System auch energieeffizienter, da das Gesamtgewicht des Fahrzeugs an die zu fahrende Strecke angepasst wird.
Bedingt durch die einfachere Konstruktion eines Elektromotors im Vergleich mit einem Verbrennungsmotor und durch die geringe Kapazität des eingebauten Akkumulators ist der Herstellungspreis des zu dem System gehörigen Elektrofahrzeugs vergleichbar oder geringer als der eines herkömmlichen Fahrzeugs.
Der Kurzstreckenbetrieb im lokalen Umfeld (41) kann kostengünstig und ohne in Anspruchnahme der Energiestationen (44) durchgeführt werden. Erst bei längeren Strecken wird eine Energiestation angesteuert, ein Energieaggregat eingebaut und dessen Energieerzeugung für die Fahrt verwendet. Der Typ des Aggregats hängt von der geplanten Strecke ab: ist z. B. das Ziel und die in der Nähe befindliche Energiestation in mittlerer Reichweite (49) wird vorzugsweise ein Akkumulator gewählt (42); ist es ganz außerhalb dieses Bereichs (47), d. h. bei langen Strecken ein Verbrennungsmotor (48).
Kurz vor dem Ziel, wird das Aggregat bei einer Station abgegeben. Diese Unterbrechung der Fahrt dauert nur wenige Minuten und ist einem Tankstopp vergleichbar. Der Rest der Strecke wird wieder mit dem eingebauten Akkumulator gefahren, der während der Fahrt geladen wurde.
Durch die unterschiedlichen, zur Verfügung stehenden Aggregate können die Vorteile der Elektromobilität genutzt werden, ohne an Flexibilität einzubüßen. Es muss keine neue Infrastruktur neu aufgebaut werden, da das vorhandene Tankstellennetz erweitert und weiter verwendet werden kann. Damit ist für den Fahrer auch die Sicherheit gegeben, jede gewünschte Strecke bewältigen zu können.
Da Energiemenge und Zeitdauer abgerechnet werden, entsteht ein Anreiz, das Aggregat zurückzugeben und anderen Teilnehmern wieder zur Verfügung zu stellen. Damit sinken die Gesamtkosten für alle Teilnehmer. Andererseits ist das System aber auch flexibel genug, ein Aggregat für längere Zeit in einem Fahrzeug zu belassen und das entsprechend abzurechnen. Dies gilt zum Beispiel für Fahrten ins Ausland, wo keine Infrastruktur zur Verfügung steht.
Ein weiterer Unsicherheitsfaktor der bisherigen Elektromobilität wird mit dem neuen System ebenfalls beseitigt: Weil sich alle Teilnehmer des Systems die Aggregate teilen und sie dadurch besser ausgenutzt werden, erreichen sie auch relativ schnell ihre Lebenserwartung. Damit sind die Finanzierungskosten geringer und die Technik der Akkumulatoren kann laufend auf dem neuesten Stand gehalten werden.
Im Kurzstreckenbetrieb entstehen Kostenvorteile dann, wenn die Aufladung des eingebauten Akkumulators weniger kostet als das Betanken eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Treibstoff.

Claims

System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass 1.1. es aus einem Netz von Energiestationen, einem Satz von Energieaggregaten und einem variablen Satz von Fahrzeugen besteht. 1.2. verschiedene Fahrdistanzen unterschieden werden, vorzugsweise Kurz-, Mittel- und Langstrecken, und bei dem die Fahrzeuge entsprechend der gewünschten Distanz mit unterschiedlichen Energieaggregaten ausgestattet werden können. 1.3. die Energieaggregate des Systems für Lang- und Mitteldistanzen möglichst optimal auf fahrende Fahrzeuge verteilt werden, die diese Strecken fahren, und dass in ruhende Fahrzeuge und Fahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb möglichst keines dieser Aggregate eingebaut ist. Das System besteht also aus einer größeren Anzahl Elektroautos und einer deutlich kleineren Anzahl Aggregate. 1.4. die Energiestationen des Systems folgende Komponenten komplett oder in Teilen beinhalten: – Infrastruktur einer herkömmlichen Tankstelle – Zwischenlager für Energieaggregate – Energieversorgung für Ladevorrichtung – Ladevorrichtung für ein oder mehrere elektrische Aggregate – Vorrichtung zum automatischen oder manuellen Ein- und Ausbau der Energieaggregate in die dafür vorgesehenen Fahrzeuge 1.5. die Energiestationen des Systems aufgeladene oder aufgefüllte Energieaggregate in dem Zwischenlager vorrätig halten können. 1.6. der Aggregatsatz des Systems aus einer beliebigen Anzahl oder Kombination von Akkumulator- und Verbrennungsmotor-Aggregaten besteht. Vorzugsweise werden die ersteren für Mittelstrecken und die zweiten für Langstrecken entsprechend 1.1 verwendet. 1.7. die Aggregate sowohl elektrisch als auch mechanisch soweit kompatibel sind, dass sie sich einfach im Fahrzeug einbauen, ausbauen oder austauschen lassen. 1.8. die Motor-Aggregate des Systems aus einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Generator und einem elektrischen Anschluss zur Verbindung mit dem Fahrzeug bestehen. 1.9. die Akkumulator-Aggregate des Systems einen elektrischen Akkumulator, einen elektrischen Anschluss zum Laden des Akkumulators und einem elektrischen Anschluss zur Verbindung mit dem Fahrzeug beinhalten. 1.10. die Fahrzeuge des Systems einen oder mehrere Elektromotoren als Antrieb besitzen. 1.11. die Fahrzeuge des Systems einen Akkumulator besitzen, dessen Kapazität so bemessen ist, dass er für die Bewältigung von Kurzstrecken entsprechend 1.1 ausreicht. 1.12. die Fahrzeuge des Systems einen Aggregat-Anschluss besitzen, an den optional ein zusätzliches Energieaggregat angeschlossen werden kann. 1.13. die Fahrzeuge des Systems eine Ladevorrichtung besitzen, so dass der eingebaute Akkumulator geladen werden kann, vorzugsweise über einen Standardstrom- oder Drehstromanschluss. 1.14. bei den Fahrzeuge des Systems ein Aggregat-Raum zur Aufnahme eines Energieaggregats und ein Aggregat-Anschluss vorhanden ist. 1.15. bei den Fahrzeugen des Systems ein Kraftstofftank eingebaut ist, aus dem ein Verbrennungsmotor-Aggregat mit Kraftstoff versorgt werden kann und der bei Akkumulator-Betrieb nicht benutzt wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es auch Fahrzeuge ohne eingebauten Tank und dazu Verbrennungsmotor-Aggregate gibt, die zusätzlich einen Tank beinhalten
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Abrechnungssystem ausgestattet ist, das nach der Nutzung eines Energieaggregats die Nutzungsdauer und die während der Nutzung verbrauchte Energie erfassen und auswerten kann
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Energiestationen durch eine spezielle Energieversorgung für die Ladevorrichtung der elektrischen Aggregate ermöglicht wird, den Ladevorgang der Energieaggregate bezogen auf Lebensdauer und Ladezeit der Akkumulatoren optimal zu gestalten
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es Aggregate mit Rollen und Deichsel, d. h. als Anhänger-Ausführung gibt
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aggregat-Raum der Fahrzeuge vor oder hinter der Fahrgastzelle angeordnet ist und dem entsprechend von vorne oder hinten beladen werden oder dass die Aggregate seitlich in den Aggregatraum ein- und ausgeführt werden können, so dass ein Durchschieben der Aggregate durch das Fahrzeug möglich ist.