DE102012018010A1

DE102012018010A1 - Mobiles Laden von Elektrofahrzeugen entlang von Ladestrecken mit Oberleitungen

Info

Publication number: DE102012018010A1
Application number: DE201210018010
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Das Aufladen von Akkumulatoren bzw. Batterien für Kraftfahrzeuge mit Elektromotor erfolgt während der Fahrt über Oberleitungen entlang von Ladestrecken. Die Erfindung umfasst folgende Komponenten: – Stromabnehmer- und Oberleitungsladeeinheit: mobil in der Art eine Dachgepäckträgers oder als integrierte Lösung für beide Lösungen sowohl als Stangen- oder Scherenabnehmer mit Schleifleisten oder einer anderen Art von Stromabnehmer. – Ladestrecke aus Oberleitungen am Straßenrand: mit Oberleitungsstrecke, Unterverteilungsstationen, An- und Abmeldestation, Verkehrslenkungszeichen, Kontrolleinrichtungen gegen Diebstahl und internetgestütztem Abrechnungssystem.

Description

Veranlassung
In der aktuellen fachlichen und politischen Diskussion spielen die Ladekapazitäten bzw. mobilen Speicher eine entscheidende Rolle in der weiteren Entwicklung der Elektromobilität und damit auch in der gesamten Energiewende hin zu einem CO₂ reduziertem Transport. Zum einen sind die Kapazitäten der vorhandenen Speichermedien deutlich zu verbessern, um vergleichbare Reichweiten und Leistungen wie bei den brennstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen zu erzielen. Zum anderen sind die Ladezeiten deutlich zu reduzieren. Die derzeit durch marktübliche Speicher erzielbaren Reichweiten können Strecken von 100 bis 500 km überbrücken. Diese Aussagen sind aber an zahlreiche Bedingungen geknüpft und werden in der Fachpresse immer wieder in Frage gestellt. Was die Ladezeiten betrifft, werden Zeiten zwischen 6 h mit Normalstrom (230 V, 16 A) und 1 h (32 A, 22 kW Ladesäule Siemens) erreicht. Diese beiden Rahmenbedingungen definieren derzeit die Grenzen der Einsatzfähigkeit von Elektrofahrzeugen. Dies führt zwangsweise zu der Überlegung, ob nicht während der Fahrt nachgeladen werden kann. Neben der Variante die Fahrzeugbatterien durch auf dem Fahrzeug installierten Solarpanelen aufzuladen, wird auch über in die Straßen eingelassene Induktionsschleifen nachgedacht (Bsp. Patent 10 2010 004 150.5). Diese können die Fahrzeuge beim Warten z. B. im Kreuzungsbereich oder in mit Induktionsschleifen ausgerüsteten Ladebuchten (Parkplätzen) aufladen. Bei größeren Geschwindigkeiten reduziert sich die Ladeleistung aber erheblich.
Die Siemens AG hat mit einer Teststrecke bei Berlin dem sogenannten e-Highway begonnen, Oberleitungs-LKW zu testen. Diese fahren jedoch mit einem Hybrid-Antrieb E-Motor ohne Batterie/Akku über Direkteinspeisung in den Elektroantrieb aus der Oberleitung und schalten nach Ende der Oberleitung wieder auf einen Antrieb mit Dieselmotor um. Es wird kein Energiespeicher geladen. Bisher existiert am Markt keine effektive Methode für die mobile Variante des Ladens.
Konzeptionelle Idee
Die Grundidee für einen effektiven Ladevorgang besteht in der Annahme, dass auch ein in Bewegung befindliches Elektrofahrzeug über Oberleitungen und geeigneten Stromabnehmern Zugang zu elektrischer Energie haben kann und damit in der Lage ist seine Batterien bzw. Akkus aufzuladen. Dem Grunde nach besteht die Möglichkeit ähnlich wie bei den Oberleitungsbussen oder Straßenbahnen die Elektrofahrzeuge wie z. B. PKW, Busse und LKW mit Abnehmern für Oberleitungen auszurüsten und entlang möglichst langer, geradliniger Straßenstücke wie z. B. Autobahnen an aufgestellten Oberleitungen über 100 bis 150 km (1 h Fahrzeit) während der Fahrt ihre Batterien wieder aufzuladen. Da mit relativ hohen Spannungen und Stromstärken gearbeitet werden kann, sollte von einer Ladezeit in Höhe von ca. 1 h ähnlich wie bei der Tanksäule der Firma Siemens ausgegangen werden. Die Distanz zwischen diesen Oberleitungsstrecken sollte im Bereich der Reichweiten von Elektroautos also ca. 150 km entsprechen. Diese Strecke kann über die vorhandenen leistungsstarken Batterien/Akkus ohne Änderung des Fahrverhaltens und Zusatzbrennstoffmotoren überbrückt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Elektromobile für Kurzstrecken von mind. 150 km mit ausreichend Speicherkapazität ausgerüstet sind, für lange Strecken aber eine effektive und zeitsparende Ladeeinrichtung bisher fehlt.
Standorte für Ladestreckenabschnitte
Lohnende Streckenabschnitte sind die Zubringer zu Ballungszentren mit Autobahnanbindungen bzw. Ringstraßen wie z. B. der äußere Münchner Ring (A99) und die Ringautobahn Berlin (A10) aber auch bei Hamburg, Leipzig usw. Aber auch die Verbindungsstraßen zwischen diesen Ballungszentren wie z. B. A2, A7 und A9 sind mehr als geeignet. Des Weiteren kommen Zufahrten zu Autobahnkreuzen und Verkehrskontenpunkte in Frage. Je größer das Staurisiko bzw. je zäher der Verkehrsfluss ist, desto höher ist die erreichbare Ladezeit. Darüber hinaus wird durch die Anordnung der Oberleitung die Spureinordnung und die Freihaltung der Überholspuren gefördert.
Beschreibung der technischen Komponenten
Für einen Ladevorgang über Oberleitungen sind zwei grundsätzliche Komponenten notwendig.

1.) Stromabnehmer- und Oberleitungsladeeinheit: Auf dem Elektroauto wird ein Aufbau z. B. in der Art eines Dachgepäckträgers oder in integrierter Form aufgesetzt, welcher mit einem Stromabnehmern wie z. B. ähnlich Oberleitungsbussen (Stangenstromabnehmer mit Stromabnehmerkopf, Fangseil, Haken zum Verriegeln der Stangen, Elektromotor bzw. Hydraulik zum Ausfahren der Stangenabnehmer) oder aber ähnlich einer Straßenbahn (Schleifleisten Palette, Palettenfederung, Oberarm, Palettenführung, Unterarm, Kupplungsstange, Hebeantrieb Stützisolatoren) mit Dachaufbauten, mit Elektrik und Ladekabel inklusive Anschluss ähnlich einer Dachantenne oder aber einem einfachen Stecker für die Ladebuchse ausgerüstet ist.
2.) Ladestrecke aus Oberleitungen am Straßenrand: Es wird eine mind. 100 bis 200 km lange Oberleitungstrasse entlang geradliniger Hauptverkehrstrassen wie z. B. Autobahnen und Schnellstraßen gern auch mit hoher Staugefahr (höhere Ladezeiten) errichtet. Dem Grunde reicht je Fahrbahnseite eine überspannte Spur (z. B. rechte Spur/LKW-Spur). Dies zwingt die aufzuladenden Elektrofahrzeuge in die langsamere Spur, verlängert die Ladezeit und schafft Freiräume für den anderen fließenden Verkehr. Dennoch können auch mehrspurige Ausbauten erfolgen. Die Oberleitungsanlage ist mit einer An- und Abmeldestation und Verkehrslenkungszeichen sowie Kontrolleinrichtungen gegen Missbrauch bzw. Diebstahl z. B. in Form einer Überwachungskamera auszurüsten. Die Fahrzeuge wählen sich bei der Anmeldestation automatisch ein und können die Stromentnahme buchen. Nach Abschluss des Ladevorgangs melden sich die Fahrzeuge über die Abmeldestation ab. Die Daten können über die Elektrokabel der Oberleitung oder WLAN übertragen werden. Die Abrechnung erfolgt dann via Internet über ein Benutzerkonto. Für die ausreichende Stromversorgung sorgen 20 bis 40 Unterstationen entlang der Strecke.

Aufbau der Oberleitungsladeeinheit
Die Oberleitungsladeeinheit besteht aus folgenden Grundsätzlichen Komponenten:

– Stromabnehmer z. B. als Stangenabnehmer (Oberleitungsbus) oder mit Schleifleisten (Straßen- und Eisenbahnen).
– Unterkonstruktion z. B. als dauerhaft mit dem Fahrzeugdach verbundene Konstruktion (integrierte Lösung) oder als abnehmbare Konstruktion für Fernreisen (in der Art eines Dachgepäckträgers)
– Ladekabel mit separater isolierter Steckverbindung am Dach oder Kabel mit Stecker zur Ladebuchse (ggf. seitliche Kabelfixierung notwendig)
– Bordcomputer als mobiles Gerät oder integriert zur An- und Abmeldung der Stromentnahme mit Schnittstelle zum Navigationssystem zur Lokalisierung der Ladestrecken usw.
– Typenspezifische Energieumwandlungsanlage wie z. B. Transformator, Gleichrichter o. ä. (nicht zwingend erforderlich, abhängig vom Fahrzeugtyp und Entwicklungsstand der Standardisierung)
– Aerodynamische Schutzhülle (nicht zwingend erforderlich, energetisch und Schutztechnisch sinnvoll)

Die Oberleitungsladeeinheit wird über einen Stecker am Dach in der Art einer Dachantenne mit dem abnehmbaren Aufsatz oder über die vorhandene Ladebuchse mit dem Kfz verbunden. Der Aufsatz bzw. die Unterkonstruktion der Oberleitungsladeeinheit kann in der Art eines Dachgepäckträgers gem. den marktüblichen Modellen montiert und demontiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit die Oberleitungsladeeinheit in das Fahrzeugdach zu integrieren. Alle nicht elektrischen Komponenten dieser Ladeeinheit einschl. der Unterkonstruktion zum Stromabnehmer können vorzugsweise aus GFK oder einem anderen Kunststoff gefertigt werden, um das Gewicht zu reduzieren und die Oberleitungen gegenüber dem Fahrzeug ausreichend zu isolieren. Die Stromabnehmer- bzw. Oberleitungsladeeinheit kann vorzugsweise eine aerodynamische, verfahrbare Hülle erhalten.
Beschreibung der Funktionsweise
Die Funktionsweise der Stromabnehmer- bzw. Oberleitungsladeeinheit sollte weitgehend automatisiert werden. Beim Start des Elektrofahrzeuges und während der Fahrt meldet das Fahrzeug den Ladezustand der Batterie bzw. des Akkumulators an die Ladeeinheit. Über die vom Fahrer z. B. über ein Navigationssystem angegebene Zielangabe und die Prognose des Fahrverhaltens kann errechnet werden, ob die Energie für das angestrebte Ziel ausreichend ist. Viele der am Markt verfügbaren Fahrzeuge besitzen bereits die entsprechende Hard- und Software. Besteht Ladebedarf, kann z. B. die Route über die Schnittstelle zum Navigationssystem über eine vorhandene Ladestrecke geplant werden.
Befindet sich nun das Fahrzeug in der Anfahrt auf eine solche Ladestrecke, passiert dieses Fahrzeug zu einem bestimmten Zeitpunkt ca. 2 km vor dem Streckenbeginn die Anmeldestation. Hier wird über Funksignal nach Freigabe des Fahrers durch den Bordcomputer und den Nutzer die Kundennummer an die Anmeldestation gesendet und der Ladebedarf angemeldet. Der Fahrer ordnet sich auf die ”Ladespur” ein. Das Fahrzeug und Kennzeichen werden von der Überwachungskamera erfasst. Das Kennzeichen wird mit der Kundennummer überprüft. Stimmen diese nicht überein erfolgt eine Meldung an den zentralen Server. Nach Prüfung der Kundendaten erfolgt die Freigabe und Bestätigung über den Bordcomputer oder eine Ablehnungsmitteilung (Wird durch den Fahrzeugführer dennoch geladen liegen alle Daten vor). Die aerodynamische Hülle wird zurückgefahren und der Stromabnehmer wird über den Hubmotor bzw. die Hydraulik ausgefahren. Diese docken an die Oberleitungen an. Nach Schließen des Stromkreises beginnt der Ladevorgang. Die Ladekapazität und die verbleibende Ladedauer werden über den Bordcomputer angezeigt (Ermittlung über Ladestreckenlänge und Fahrtgeschwindigkeit), so dass der Fahrer seine Fahrgeschwindigkeit entsprechend anpassen kann. Gegebenenfalls kann der Bordcomputer eine Idealgeschwindigkeit angeben die der Fahrer dann ansteuern kann.
Nach Erreichen der maximalen Ladung riegelt die Oberleitungsladeeinheit den Stromkreis ab und gibt an die Abmeldestation das Freimeldezeichen. Die Ladezeit und Stromentnahme wird an die Verwaltung übermittelt und über das Kundenportal gebucht. Der Stromabnehmer wird wieder eingefahren. Die Schutzhülle wird verschlossen. Der Fahrer kann wieder die Spur wechseln. Die Rechnung wird über Email verschickt.

Claims

Das Aufladen von Akkumulatoren bzw. Batterien für Kraftfahrzeuge mit Elektromotor erfolgt während der Fahrt über Oberleitungen.
Das Abnehmen des notwendigen Stromes kann entweder durch einen dauerhaft fest mit dem Fahrzeug verankerten Stromabnehmer oder durch mobile Stromabnehmer in der Art eines montierbaren bzw. demontierbaren Dachgepäckträgers erfolgen.
Der festinstallierte oder mobil montierte Stromabnehmer ist mit einem Bordcomputer ausgerüstet oder damit verbunden, der die Stromabnahme durch Meldung der Nutzerdaten anmeldet, den Stromverbrauch überwacht und an die Verwaltung sendet sowie nach Abschluss des Ladevorgangs das Fahrzeug wieder abmeldet.
Der festinstallierte oder mobil montierte Stromabnehmer ist mit einem fest installierten (dauerhafte Varianten nach Anspruch 2) oder einem frei verlegbaren, am Fahrzeug fixierbaren Ladekabel (demontierbare Variante nach Anspruch 2) auszurüsten.
Der festinstallierte oder mobil montierte Stromabnehmer kann mit einem zusätzlichen Adapter zur Gewährleistung des typenspezifischen Stromübertrags bezogen auf die zu übertragende Spannung und Stromstärke ausgerüstet sein.
Der festinstallierte oder mobil montierte Stromabnehmer kann mit einer aerodynamischen und stromseitig isolierten Abdeckung ausgerüstet sein, die im Ruhezustand geschlossen und während des Ladevorgangs verfahren wird.
Die Oberleitungsstrecke ist mit einer Anmelde- und Abmeldestation sowie mit mehreren Unterstationen ausgerüstet die Verbindung mit dem in Anspruch 3 benannten Bordcomputer aufnehmen können und die Oberleitungstrasse mit Strom versorgen.
Der Bordcomputer verfügt über eine Schnittstelle zum Navigationssystem und kann notwendige Ladestrecken aufgrund von Strommangel in die Route integrieren.
Die Ladestrecken (Oberleitungen) können mit Überwachungskameras gegen unzulässige Nutzung ausgerüstet werden, um unzulässige Nutzungen zu vermeiden.
Das in Anspruch 5 genannte Überwachungssystem ist mit Bilderkennungssoftware ausgestattet, welches die KFZ-Kennzeichen der Fahrzeuge erkennt und an die Verwaltung versenden kann.