DE102012011960A1 - Einbausatz für Elektrofahrzeuge und anhängerbasierter Range-Extender zur Reichweitenverlängerung - Google Patents

Einbausatz für Elektrofahrzeuge und anhängerbasierter Range-Extender zur Reichweitenverlängerung Download PDF

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DE102012011960A1
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Andreas Gareis
Manfred Baumgärtner
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BVB INNOVATE GmbH
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Abstract

Mit dem erfindungsgemäßen fahrzeugspezifischen Einbausatz können Elektrofahrzeuge an einen auf einem Anhänger platzierten Range-Extender angedockt werden, der eine große Batterie enthält und so die Reichweite von Elektrofahrzeugen stark verlängern kann. Der Range-Extender-Anhänger kann an der standardmäßigen Anhängekupplung des Elektrofahrzeugs angedockt werden. Der erfindungsgemäße Einbausatz ermöglicht die elektrische und Daten-Ankopplung und den Umschaltvorgang des Antriebsstrangs von der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeuges auf die externe Batterie des Anhängerbasierten Range-Extenders. Dabei wird sichergestellt, dass das gesamte Kuppelsystem einschließlich des Verbindungskabels während des An- und Abkoppelvorgangs strom- und spannungslos ist und somit jede Gefährdung der Bediener ausgeschlossen ist.

Description

  • Elektrofahrzeuge besitzen aufgrund der für die Elektromobilität einsetzbaren Lithium-Ionen-Traktionsbatterien eine limitierte Reichweite. In der Regel werden Traktionsbatterien mit Kapazitäten zwischen 15 und 25 kWh eingesetzt, die eine Reichweite zwischen 60 und 160 km ergeben.
  • Die Automobilindustrie hat eine Reihe von Konzepten entwickelt, um die Reichweite mittels sogenannter Range-Extender zu verlängern. Dabei ist zu unterscheiden zwischen:
    • • Fahrzeugeigenen Range-Extendern
    • • Externen Range-Extendern.
  • Fahrzeugeigene Range-Extender sind beispielsweise kleine Verbrennungsmotoren, die mit einem Generator verbunden sind, oder Brennstoffzellen. Auf diesem Wege wird während der Fahrt elektrische Energie erzeugt, die dazu verwendet wird, die fahrzeugeigene Traktionsbatterie nachzuladen. Am Markt verfügbare Modelle sind beispielsweise der GM-Volt oder der baugleiche Opel Ampera.
  • Alternativ dazu können Range-Extender auch außerhalb des Fahrzeugs aufgebaut sein. Beispielsweise sind zahlreiche Versuche bekannt, Verbrennungsmotor-Generator-Kombinationen auf KFZ-Anhängern aufzubauen. Diese können dann während der Fahrt mit dem Fahrzeug verbunden werden.
  • In DE 10 2008 006 332 A1 wird die Verbindung einer auf einem Anhänger (Trailer) montierten großen Lithium-Ionen- oder Lithium-Eisenphosphat-Batterie vorgeschlagen, die auf gleiche Weise geeignet ist, die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu verlängern. Im Gegensatz zu fahrzeugeigenen Range-Extendern haben anhängerbasierte Konzepte den Vorteil, dass das Aggregat nicht permanent mitgeführt werden muss. Es kann bei Bedarf angedockt werden, insbesondere dann wenn eine Überland- oder Autobahnfahrt geplant ist, die die Reichweite der Fahrzeug-Traktionsbatterie übersteigen würde. Dadurch kann die Traktions-Batterie im Fahrzeug klein gehalten werden, da nur innerstädtischer Verkehr oder Pendelstrecken damit zu bewältigen sind. In allen anderen Fällen könnte ein trailerbasierter Range-Extender angedockt werden, die die Reichweite bei heutiger Technologie um ca. 200–300 km erweitern. Bei längeren Strecken kann der angedockte Trailer durchgetauscht werden, sodass im Prinzip unbegrenzte Reichweiten realisierbar sind.
  • Dazu nötig ist der Aufbau eines Netzes von entsprechenden Austausch- oder Relaisstationen auf oder im Zubringerbereich von Autobahnen. Ein entsprechendes Mobilitätssystem ist als ebuggy bekannt (www.ebuggy.de).
  • Zur Kopplung eines trailerbasierten Range-Extenders in Generator- oder Batterie-Ausführung können im Prinzip 4 Einspeisemöglichkeiten definiert werden:
    • 1. Einspeisung von Wechselstrom zur Nachladung der fahrzeugeigenen Traktionsbatterie an der Ladebuchse oder einer zweiten parallelen Ladebuchse im Stoßstangenbereich
    • 2. Einspeisung von Gleichstrom zur Nachladung der fahrzeugeigenen Traktionsbatterie nach dem fahrzeugeigenen Ladegerät
    • 3. Einspeisung von Gleichstrom alternativ zur Traktionsbatterie am Motorwechselrichter
    • 4. Einspeisung alternativ zu einem internen Range-Extender.
  • Die Varianten 1 und 2 sind nicht bevorzugt, da in diesem Fall ein Nachladen im Fahrbetrieb notwendig ist. In der Regel ist dieser Betriebszustand allerdings seitens der Fahrzeugsteuerung ausgeschlossen. Diese verriegelt die Nachladefunktion für den Fall, dass das Fahrzeug nicht an der Ladesäule ordnungsgemäß geparkt ist. Variante 4 ist ebenfalls von untergeordneter Bedeutung, da im Falle von internen Range-Extendern der Mehrwert eines externen Range-Extenders gering ist.
  • Attraktiv ist somit die Variante 3, bei der die Energie des trailerbasierten Range-Extenders alternativ zur Energie der fahrzeugeigenen Traktionsbatterie angeboten werden soll.
  • Zur Realisierung der Kopplung ist es notwendig, den Anhänger auf folgenden Ebenen mit dem Elektrofahrzeug zu verbinden:
    • 1. Mechanisch
    • 2. Fahrstrom
    • 3. Elektrik und Daten.
  • Zeichnung 1 zeigt den erfindungsgemäßen trailerbasierten Batterie-Range-Extender. Die Batterie des Range-Extenders ist über einen Umschalter wahlweise mit einem DC/DC-Wandler oder einem bidirektionalen Inverter verbunden, der einerseits die Ladung der Batterie übernimmt, anderseits in der Lage ist, bei Bedarf die Energie der Batterie wieder ins Netz einzuspeisen oder im Inselbetrieb elektrischen Maschinen als Wechselstrom zur Verfügung stellen kann. Der DC/DC-Wandler passt die Spannungsebene der Range-Extender-Batterie an die Spannungsebene des Elektrofahrzeuges an. So kann der Range-Extender an unterschiedliche Elektrofahrzeugmodelle mit unterschiedlicher Spannungsebene angeschlossen werden. Soll nur ein Elektrofahrzeug bedient werden, kann der DC/DC-Wandler entfallen, wenn die Spannungsebene der Range-Extender-Batterie der der fahrzeugeigenen Traktionsbatterie entspricht. Diese Variante ist in den Zeichnungen 2ff dargestellt. Die Schaltungen der Zeichnungen 2ff gelten jedoch erfindungsgemäß auch unter Verwendung eines zwischengeschalteten DC/DC-Wandlers.
  • Der Ausgang des DC/DC-Wandlers wird über eine Hochstromkabel und eine Kupplung aus Stecker und Buchse mit dem erfindungsgemäßen Einbausatz verbunden. Die erfindungsgemäße Verbindung stellt eine Gleichstromverbindung mit einem Spannungsniveau von ca. 100–750 V DC zur Verfügung. Die Ströme können dabei bis zu 250 A betragen. Unter diesen Umständen ist ein sicheres An- und Abkoppeln der Verbindung von höchster Bedeutung.
  • Der erfindungsgemäße Einbausatz erfüllt diese Anforderungen auf erstaunliche Weise, indem er ein einfaches strom- und spannungsloses Stecken der Verbindung von Hand ermöglicht und die Spannung erst verzögert zuschaltet. So kann der Trailer von angelerntem Tankstellenpersonal oder durch den Autofahrer selbst angedockt werden, ohne dass dabei ein Risiko eingegangen werden muss. Auch beim Abkoppeln ist auf erstaunliche Weise sichergestellt, dass eine spannungsfreie Leitung abgekoppelt wird. Dazu ist eine oder mehrere der folgenden erfindungsgemäßen Lösungen zur Spannungsfreischaltung zu wählen:
    • 1. Zündung: Bei Abziehen des Schlüssels wird die Leitung spannungsfrei geschaltet und der Stecker/Buchse kann gefahrlos abgezogen werden.
    • 2. Sensor/Schalter an Türen, vorzugsweise der Fahrertür. Bei Schalterlösung in Reihe mit Zündschloss (Klemme 15).
    • 3. Stromfluss auf Rangeextender-Inverter-Leitung: Nach definierbarem Zeitraum (vorzugsweise 5 Sekunden) ohne Stromfluss
    • 4. Tachometer: definierbarem Zeitraum (vorzugsweise 5 Sekunden) ohne Bewegung
    • 5. GPS: definierbarem Zeitraum (vorzugsweise 5 Sekunden) ohne Bewegung.
  • Aus Sicherheitsgründen sind die Schaltfunktionen vorzugsweise mittels stromgeschalteter Relais ausgeführt, die wiederum hochstromtragende elektromechanische Schalter wie Schütze oder leistungselektronische Schalter wie MOSFETs oder IGBTs betätigen. Die Schaltung der Relais kann dabei direkt oder über ein oder mehrere Steuergeräte erfolgen.
  • Im üblichen Fall, dass eine Steuerung mittels Steuergeräten erfolgt, kann diese Schaltung durch das Steuergerät des trailerbasierten Range-Extenders ausgelöst werden. Es kann weiterhin eine Client/Server- oder Netzwerk-Struktur von verteilten Steuergeräten aufgebaut werden, die über ein Bus-System miteinander kommunizieren. In diesem Fall kann ein Steuergerät vorzugsweise als Client im Einbausatz auf der Elektrofahrzeugseite integriert werden. Diese Steuergerät kann auf ein Bussystem, z. B. einem Public Bus mit dem fahrzeugeigenen Steuergerät kommunizieren und relevante Daten zur Fahrzeugidentifikationsnummer (VIN) oder zum Ladezustand der Fahrzeugbatterie auslesen und dem Range-Extender-System zu Verfügung stellen.
  • Das einbausatzseitige Steuergerät kann vorzugsweise die direkte Schaltfunktion wahrnehmen, entweder indem es das Schaltrelais schaltet oder vorzugsweise, indem es direkt die Hochstromschütze schaltet. Die Schaltsignale können direkt generiert werden oder vom Steuergerät des Range-Extenders über ein Bussystem erhalten werden.
  • Zur Anbindung eines User-Interfaces kann im Steuergerät des Einbausatzes oder im Steuergerät des Range-Extenders ein Webserver integriert werden, der Daten vorzugsweise über ein Internetprotokoll wie HTPP oder XML auf Ethernet oder per Funk (WLAN) zum User-Interface sendet. Als User-Interface kann vorzugsweise ein i-Phone oder ein Smartphone dienen, welches über eine entsprechende Application (App) für diese Funktion ertüchtigt wurde. Das User-Interface kann über die genannte App weiterhin einen Kontakt zu einem Zentralen Server herstellen, um Nutzer- und Standortdaten des im Verkehr befindlichen Range-Extenders mitzuteilen und so ein Provisioning des Lade- und Austauschbedarfs planen zu können.
  • Ein erfindungsgemäße Realisierung zeigt in Verbindung mit . Am linken Rand der und am rechten Rand der sind die unterschiedlichen Kontakte der Hochstromsteckverbindung dargestellt. Die Hochstromsteckverbindung besteht aus Buchse und Stecker. Auf Seiten des Elektrofahrzeuges ist die Verbindung auf einer Anflanschplatte montiert, die auf die Karosserie des Elektrofahrzeuges oder eine Anflanschung der Anhängekupplung aufgeschraubt werden kann. Auf der Range-Extenderseite wird die Steckverbindung über eine spezielle Reduziermaske auf den Kabelbaum aufgesetzt. Es empfiehlt sich dabei, die Traktionsstromführenden Kabel A und G mit großem Querschnitt (vorzugsweise 25–75 mm2) einzeln mit den Kabelschuhen der Steckverbindung zu verbinden und beide Hochstromkabel zusammen mit den Niedervolt- und Datenkabeln locker in einem flexibel biegsamen Kabel zusammenzufassen, vorzugsweise durch Schrumpfung. Das Kontaktbild der Steckverbindung ist in dargestellt.
  • Es können zusätzlich zu den beiden Hochstrom-Pins beliebig viele weitere Niedervolt-Pins angebracht werden, sodass beispielsweise die Beleuchtungs- und Bordelektrik des Anhängers über dieselbe Steckverbindung geführt werden kann. Alternativ können auch zwei separate Steckverbindungen realisiert werden oder die Siganlisierung der Anhängerelektrik wie Rücklicht, Blinker und Bremslicht kann über CAN-Bus zum Anhänger geführt werden. in diesem Fall kann die Anhängerelektrik von Range-Exender-Steuergerät oder über ein separates Steuergerät angesteuert werden.
  • Vorzugsweise kann der Stecker der Verbindung auf der Fahrzeugseite angebracht werden und die Buchse auf der Range-Extenderseite. Auch die umgekehrte Logik kann verwendet werden.
  • In der Schaltung aus Zeichnung 2 und 4 liegt sowohl an der fahrzeugseitigen Kupplung als auch an der Kupplung auf Seiten des Range-Extenders im nicht gekuppelten Zustand keine Spannung an. Das Kabel kann somit vom Elektroautofahrer oder einer Bedienkraft ohne Gefahr angekoppelt werden. Mit der Ankopplung erhält das Verzögerungsrelais der Schütze des Range-Extenders vom Elektrofahrzeug einen Schaltstrom, sodass nach der eingestellten Verzögerungszeit ein Schaltvorgang ausgelöst wird und das Range-Extender-System so an den Einbausatz des Elektrofahrzeugs aufgeschaltet wird. Mit Schlüsselschalter-Betätigung (S1) können nun die Einbausatzseitigen Schütze betätigt werden, die von Traktionsbatterie auf den Range Extender umschalten. Dieser Prozess kann auch automatisch ablaufen, wenn auf S1 verzichtet wird. Durch die Loop-Ansteuerung von S1 kann die Umschaltfunktion nur genutzt werden, wenn ein Range-Extender ordnungsgemäß angedockt ist.
  • Zeichnung 3 in Verbindung mit Zeichnung 4 zeigt eine weitere Schaltungsvariante. In diesem Fall wird durch Drehen des Zündschlüssel nach einer eingestellten Verzögerungszeit das System den Range Extenders zugeschaltet. Mit Schlüsselschalter-Betätigung schalten wiederum die Schütze des Einbausatzes von Traktionsbatterie auf Range Extender. Dieser Prozess kann auch automatisch ablaufen, wenn auf S1 verzichtet wird. In beiden Fällen fallen durch Abziehen des Kabels die Schütze des Range-Extenders ab und die Schütze des Einbausatzes schalten auf die fahrzeugeigene Traktionsbatterie. Somit liegt nach Abziehen des Kabels weder an der fahrzeugeigenen Kupplung noch am Kabel des Range-Extenders Spannung an.
  • Zeichnung 5 in Verbindung mit den Zeichnungen 2 und 3 zeigt eine Realisierung unter Nutzung des Steuergerätes des Range-Extenders.
  • Die Schaltung in Zeichnung 6 in Verbindung mit Zeichnung 7 zeigt eine Lösung, bei den bereits vor Abziehen des Kabels die Steckverbindung strom- und spannungsfrei geschaltet wird. Mit Einschaltung der Zündung kann der Schlüsselschalter S1 betätigt werden. Nach der eingestellten Verzögerung schaltet der Range Extender sich zu und und gleichzeitig schaltet der Einbausatz von Traktionsbatterie auf Range Extender, signalisiert durch die LED. Optional kann auf die Verzögerung verzichtet werden. Zum Abhängen des Range-Extenders reicht es, den Zünschlüssel zu ziehen. Dadurch und/oder durch Umschalten des Schlüsselschalters werden beide Seiten der Kupplung strom- und spannungsfrei geschaltet. Statt der Signalisierung durch Betätigung des Schlüsselschalters können beliebig weitere Signaliserungen verwendet werden, z. B. die o. g. Türsensoren. Zeichnung 8 in Verbindung mit Zeichnung 7 zeigt diese Lösung unter Integration des Steuergerätes des Range-Extenders.
  • Zeichnung 9 in Verbindung mit Zeichnung 10 zeigt eine Ausführung mit zentraler Steuereinheit. In diesem Fall werden die Schalter und Relais zentral über ein Steuergerät angesteuert. Das zentrale Steuergerät befindet sich vorzugsweise im Range-Extender und ist über ein Bussystem, vorzugsweise CAN-Bus mit einem Client-Steuergerät im Elektrofahrzeug verbunden. Vorzugsweise steuert die Zentrale Range-Extender-Steuereinheit (vorzugsweise Server) die Komponenten im Range-Extender an und das Einbausatz-Steuergerät (vorzugsweise Client) steuert die Komponenten im Elektrofahrzeug an. Statt einer Ansteuerung der Relais können auch die Schütze direkt durch das Steuergerät oder die Steuergeräte angesteuert werden.
  • Alternativ können alle Komponenten vom Zentralen Steuergerät über den Stecker angesteuert werden. Falls keine Verzögerung gewünscht wird, wird K1 nicht als Zeitrelais ausgelegt sondern als einfaches Relais mit Wechselkontakt. Die Verzögerung kann auch vom Steuergerät geliefert werden und kann dort ebenfalls auf 0 sec gesetzt werden. Das Steuergerät des Einbausatzes erhält Informationen z. B. über Public Bus vom fahrzeugeigenen Steuergerät wie die VIN-Nummer und Daten zur Batterieladung der Traktionsbatterie.
  • Die Umschaltung der Schütze des Einbausatzes kann über das Steuergerät des Einbausatzes erfolgen oder aber vom Steuergerät des Range Extenders.
  • 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 102008006332 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Batterie-Range-Extender dadurch gekennzeichnet, dass dessen Batterie auf einem bei Bedarf an- und abhängbarem Anhänger platziert ist und diese mittels einem steckbaren Hochstromkabel schaltbar mit dem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs verbunden ist.
  2. Batterie-Range-Extender dadurch gekennzeichnet, dass dessen Batterie auf einem bei Bedarf an- und abhängbarem Anhänger platziert ist und die Batterie des Range-Extenders über einen Umschalter wahlweise mit einem DC/DC-Wandler, welcher mittels einem steckbaren Hochstromkabel schaltbar mit dem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs verbunden ist, sodass unterschiedliche Fahrzeuge mit unterschiedlicher Spannungsebene bedient werden können, oder einem bidirektionalen Inverter verbunden ist, der einerseits die Ladung der Batterie übernimmt, anderseits in der Lage ist, bei Bedarf die Energie der Batterie wieder ins Netz einzuspeisen oder im Inselbetrieb elektrischen Maschinen als Wechselstrom zur Verfügung stellen kann.
  3. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders dadurch gekennzeichnet, dass der Traktionsstromkreis des Batterie-Range-Extender über eine Kupplung am Heck des Elektrofahrzeuges an dieses angeschlossen wird und der Batterie-Range-Extender über Schalter statt der abschaltbaren fahrzeugeigenen Traktionsbatterie an den Antriebstrang des Elektrofahrzeugs aufgeschaltet wird.
  4. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusskabel durch Schalter auf Seiten des Range-Extenders und auf Seiten des Einbausatzes zur An- oder Abkopplung strom- und spannungsfrei geschaltet werden kann.
  5. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter auf Seiten des Range-Extenders über ein Relais geschaltet werden, das seinen Schaltstrom über die Kupplung It. Anspruch 3 vom Elektrofahrzeug bezieht.
  6. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Relais mit einer Zeitverzögerungsschaltung geschaltet wird.
  7. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter auf Seiten des Einbausatzes über ein Relais geschaltet werden, das seinen Schaltstrom über die Kupplung It. Anspruch 3 vom Range-Extender bezieht.
  8. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter auf Seiten des Einbausatzes über ein Relais geschaltet werden, das seinen Schaltstrom über die Kupplung It. Anspruch 3 über einen Loop durch den Range-Extender vom Elektrofahrzeug bezieht.
  9. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstrom über einen vom Fahrer zu betätigender Schalter ein- und ausgeschaltet werden kann.
  10. Einbausatz für Elektrofahrzeuge zum Anschluss eines Batterie-Range-Extenders nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstrom in Reihe mit dem vom Fahrer zu betätigender Schalter über einen weiteren Schalter geschaltet werden kann, der mit dem zentralen Einschalter auch „Zündung” genannt des Fahrzeuges verbunden ist und/oder durch Türkontakte oder Strommessgeräte oder Spannungsmessgeräte oder Signalgeber der Geschwindigkeitsmessung oder von GPS-Daten angesteuert wird.
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