DE102015007530A1

DE102015007530A1 - Energieübertragung mit Fahrzeugreifen

Info

Publication number: DE102015007530A1
Application number: DE102015007530.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Blanke-Bohne; Albrecht Bähring; Reinhold Marquardt
Original assignee: Thixo II GmbH
Current assignee: Thixo II GmbH
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Ein Fahrzeugreifen (10) mit einer Luftkammer, für ein mehrrädriges Landfahrzeug, dass mindestens ein Teilbereich (11) des Reifens so ausgestaltet ist, dass er bei Kontakt mit in Fahrtrichtung (F) im Boden (B) unter dem Fahrzeug befindlichen Energiegebereinheit (12) einen Energieimpuls aus der jeweiligen Energiegebereinheit (12) aufnehmen und die aufgenommene Energie über eine Verbindung (14) an einen nachgeschalteten Anschlussknoten (13) für eine weitere Applikation im Fahrzeug bereitstellen kann. Ungeachtet der für die Übertragung verschiedenen möglichen Energieformen hat hier die elektrische Energie Priorität, weil diese wirtschaftliche und technische Vorteile hat. Die Erfindung kann zusammen mit der Energiegebereinheit (12) die Elektromobilität attraktiv machen, weil niedrigere Kosten für die Batterie und eine größere, bzw. endlose Reichweite gute Argumente für ein Elektrofahrzeug sind. Die Folge von dadurch konkurrenzfähigen Angeboten wäre eine erhebliche Reduzierung des CO2 Ausstoßes in die Umwelt.

Description

Hinlänglich bekannt ist, dass für Elektro-Fahrzeuge die Energiespeicherung ein großes Problem darstellt. Die notwendige hohe Batteriekapazität, geringe Reichweite, hoher Preis und ebenso die damit verbundene Explosionsgefahr großer Batteriekapazitäten bei der Verursachung eines Kurzschlusses sind große Nachteile.
Wäre es möglich den Energiespeicher eines Elektro-Fahrzeuges während der Fahrt aufzuladen, könnte man die Kapazität des Speichers relativ gering halten und trotzdem große Reichweiten für ein Elektro-Fahrzeug erreichen. Ja sogar ein Dauerbetrieb ohne langen Ladeaufenthalt wäre dann möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Fahrzeugreifen so zu konstruieren, dass mindestens ein Teilbereich des Reifens zur Energieübertragung geeignet ausgeführt ist und bei einem Kontakt mit einer im Boden befindlichen Energiegebereinheit (kurz: E-Pad) in der Lage ist, Energie aufzunehmen und an einen nachgeschalteten Anschlussknoten zu übertragen um weitere Applikationen zu ermöglichen. Dabei kann es sich um unterschiedliche Energieformen handeln, wie elektrische, magnetische, pneumatische und optische Energien, die zur weiteren Applikation durchaus auch noch in ihrer Form umgewandelt werden können, bzw. müssen.
Bei Energieübertragungen im „low-level” Bereich handelt es sich vorwiegend um Informationsübertragungen. So kann man z. B. über Optokopplerpaare Energie in optischer Form übertragen und dabei viel Information weiterleiten und z. B. im Bordcomputer eines Fahrzeuges speichern. Als pneumatisches Beispiel kann man ein mit Leitschaufeln bestücktes Rad durch einen Pressluftstoß in Drehung versetzen und damit Luft komprimieren und als Speicher einen Druckluftkessel verwenden oder aber ein Drehmoment in einer Schwungmasse speichern.
Noch interessanter ist die magnetische Übertragung (Induktion) eines Wechselstroms über Spulenpaare (Transformator). Es sei hier ein aktueller Bericht der „Zeit” zitiert:
http://www.zeit.de/mobilitaet/2015-05/elektroauto-induktives-laden-alternative-antriebe. Es wird hier beschrieben, wie eine derartige Energieübertragung funktionieren kann. Als großer Nachteil in dieser Anordnung ist jedoch der nicht mögliche gemeinsame Eisenkern anzusehen. Auch der Luftspalt zwischen den Spulen im Boden und unter dem Fahrzeug kann nicht sehr klein gehalten werden. Letztendlich dürfte auch der technische Aufwand, eine Fahrbahn mit Spulen aufzurüsten erheblich sein. Auch die Fahrzeuggeschwindigkeit von 35 Km/h, die zur Ladungsphase angegeben wird, ist eigentlich zu gering, wenn man größere Entfernungen zurücklegen will.
Ungeachtet der für die Übertragung verschiedenen möglichen Energieformen hat in dieser Erfindung die elektrische Energie Priorität, weil sie wirtschaftliche und technische Vorteile besitzt. Um ein Elektrofahrzeug in Bewegung zu halten muss Energie in größeren Mengen übertragen werden. Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit dem E-Pad die Elektromobilität recht attraktiv machen, weil niedrigere Kosten für die Batterie und eine größere, bzw. endlose Reichweite gute Argumente für ein Elektrofahrzeug sind. Die Folge von dadurch konkurrenzfähigen Angeboten wäre eine erhebliche Verringerung des CO₂ Ausstoßes in die Umwelt.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei der weiteren Applikation um den Ladevorgang einer ladbaren Batterie des Elektro-Fahrzeuges. Vorzugsweise ist der Reifen nicht ausschließlich aus elektrisch leitendem Material gefertigt, vielmehr ist ein umlaufender Teilbereich des Reifens z. B. in Form eines Gürtels eine ausreichende Maßnahme um Energie aufzunehmen.
Es gibt nun mehrere Möglichkeiten einen Teilbereich des Reifens elektrisch leitend zu machen.

1. Es lassen sich Standard Materialien für den Reifenbau mit elektrisch leitenden Substanzen, oder mit elektrisch leitendenden Partikeln mischen.
2. Es lassen sich elektrisch leitendende Fasern aus Metallen oder Kohle einlaminieren. Dadurch können viele Fasern gleichzeitig in Kontakt mit der Energiegebereinheit sein.
3. Es lassen sich elektrisch leitende Bauteile, vorzugweise Ringe bzw., Ringsegmente in den Reifen integrieren, vorzugsweise als Geflecht von Feinstdrähten. Hiermit ließe sich die beste elektrische Leitfähigkeit erreichen. Auch die weitere Verdrahtung zum Energiespeicher wäre relativ einfach.

Es ist auch durchaus realisierbar, die Methode 1 mit Methode 2 oder 3 zu kombinieren um gute Leitfähigkeiten zu erzeugen.
Von den leitenden Reifensegmenten müssen nun Verbindungen zunächst zur Fahrzeugachse z. B. auf einen achsialen Schleifring geführt werden. Die Gegenkontakte können dann leicht über weitere Verbindungen zum Anschlussknoten geführt werden.
Handelt es sich bei der weiteren Applikation schon um den Ladevorgang einer ladbaren Batterie eines Elektro-Fahrzeuges, ist der, d. h. der Speichervorgang in der Regel zu träge um den möglichen Energieinhalt eines Ladeimpulses direkt zu speichern, deshalb sind schnellere Zwischenspeicher sinnvoll. Vorzugsweise sind deshalb elektrische Kondensatoren hoher Kapazität (10 mF bis 1 F) geeignet, die Energie schnell aufzunehmen und in der toten Zeit zwischen den Ladeimpulsen an den Hauptenergiespeicher (ladbare Batterie oder ein weiterer Zwischenspeicher größerer Kapazität (100 F bis 1000 F)) weiterzugeben. Man kann hier aber auch schon vorsehen, dass sich die Kondensatoren direkt an der Fahrleistung beteiligen und nur der Überschuss zur Speicherung in der Batterie weitergeleitet wird. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn die Batterie schon einen hohen Ladungsgrad (ca. > 90%) hat.
Um dies zu realisieren sind nun mindestens zwei elektrisch leitende Reifen, vorzugsweise ein Vorderrad und ein Hinterrad auf der gleichen Fahrzeugseite notwendig, sowie die unterschiedliche (+–)Polung mindestens zweier E-Pads notwendig. Desweiteren benötigt man einen doppelten Wechselschalter, der einen Kondensator einerseits in den elektrischen Reifenkreis schalten kann, anderseits aber auch den Reifenkreis in + und – Richtung unterbrechen kann und gleichzeitig den geladenen Kondensator in den Speicherkreis schalten kann. Der Speicherkreis besteht dann mindestens aus einer Batterie und einem zweiten Kondensator mit großer Kapazität (1 F bis 10 F) in Parallelschaltung. Die Betätigung des Wechselschalters muss durch Detektion des Endes des Ladevorganges im Reifenkreis erfolgen. Dies lässt sich durch z. B. an der ansteigenden Flanke der Ladekurve erkennen, negative Steigung oder null lösen den Ausschaltvorgang aus, positive Steigung dagegen den Einschaltvorgang.
Eine besondere Form des schnellen Zwischenspeichers im Reifenkreis wäre die Integration im Innenbereich des Reifens. In flacher Form und mehreren Layers kann er auf der Innenseite des Reifens konstruktiv verbunden sein, z. B. verklebt.
Eine andere besondere Form des schnellen Zwischenspeichers im Reifenkreis in ähnlicher Weise ist eine konstruktiv getrennte Ausbildung des Kondensators, nämlich in Form eines Multilayer – Schlauches im Inneren des Reifens. Der Schlauch würde dann zusätzlich den geforderten Reifendruck sicherstellen.
Letztlich kann der leitende Reifenteil auch als eigene Einheit, in der Art eines Zwillingsreifens (konstruktiv getrennt) ausgeführt sein. Vorteil dieser Anordnung ist es, dass der Verschleiß beider Reifenteile unabhängig voneinander ist und beide Teile getrennt repariert, bzw. ausgetauscht werden können, aber auch Winter- und Sommerreifen können wie gewohnt gewechselt werden.
Nicht zuletzt ist auch eine Aufgabe der Erfindung dafür zu sorgen, dass die entnommene Energie erfasst wird und dem Verbraucher in Rechnung gestellt werden kann. Dazu müssen Identitätsdaten und die Verbrauchsmenge erfasst und summiert werden. Eine Variante ist, dass man die Daten in Richtung Fahrzeug als hochfrequente Information dem Energieimpuls überlagert und diese Information abgefiltert dem Bordcomputer übergibt. Dieser kann dann ein Energiekonto verwalten und in gewissen Intervallen die summierten Daten an eine Abrechnungsstelle übertragen. Sollen die Informationsdaten in Richtung des Energiestation übergeben werden, bietet sich als beste Lösung die Nutzung eines lokal begrenzten Funkkanals an.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Funktionsskizze mit einem teilweise präparierten Fahrzeugreifen, eine Energiegebereinheit und einem Anschlussknoten für weitere Applikationen;
2 ein Volumenelement eines Fahrzeugreifens das durch eingemischte Partikel leitfähig gemacht wird;
3 ein Volumenelement eines Fahrzeugreifens das durch laminierte Fasern leitfähig gemacht wird;
4 ein Volumenelement eines Fahrzeugreifens das durch laminierte metallische Kreissegmente leitfähig gemacht wird;
5 zwei elektrisch leitende Fahrzeugreifen und zwei E-Pads mit Energiespeicher und vorgeschalteten schnellen Kondensatoren.
1
zeigt eine schematische Funktionsskizze mit einem Fahrzeugreifen 10 der im Teilbereich 11 für eine Energieübertragung präpariert ist; mit eine im Boden B befindliche Energiegebereinheit 12 und einem Anschlussknoten 13 für weitere Applikationen. Der Fahrzeugreifen bewegt sich in Fahrtrichtung F und überfährt dabei die Energiegebereinheit (E-Pad) 12. Dabei wird ein Energieimpuls über die Verbindung 14 am Anschlussknoten 13 bereitgestellt.
2
zeigt ein Volumenelement 21 eines Fahrzeugreifens 20, das durch beigemischte Partikel leitfähig gemacht wurde. Die Partikel können als Kohle- oder Metallstaub zu den Standard Reifenmaterial hinzugegeben werden.
3
zeigt ein Volumenelement 31 eines Fahrzeugreifens 30 das durch laminierte Fasern leitfähig gemacht wird. Diese Metall- oder Kohlefasern können bis zur Innenseite des Reifens durchgezogen und zur weiteren elektrischen Kontaktierungen benutzt werden.
4
zeigt ein Volumenelement 41 eines Fahrzeugreifens 40 das durch laminierte metallische Kreissegmente 42 leitfähig gemacht wird.
5
zeigt die Fahrzeugreifen 50 und 50' mit jeweils einen elektrisch leitenden Teilbereich 51+ und 51– und zwei Energie-Pads 52+ und 52– mit einem schnellen Kondensator C, der über eine Schalteinrichtung (doppelter Wechselschalter) 55 einerseits in den elektrischen Reifenkreis 54 geschaltet werden kann um C aufzuladen und andererseits nach Detektion des Endes des Ladevorganges im Reifenkreis sich in den Speicherkreis 54' einschalten kann um einen Kondensator größerer Kapazität C zu laden oder aber auch gleichzeitig eine parallel geschaltete Batterie 53 mit aufzuladen.
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 Nicht-Patentliteratur

http://www.zeit.de/mobilitaet/2015-05/elektroauto-induktives-laden-alternative-antriebe [0005]

Claims

Fahrzeugreifen (10; 20; 30; 40; 50; 50') mit einer Luftkammer, für ein mehrrädriges Landfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilbereich (11; 21; 31; 41; 51+; 51–) des Reifens so ausgestaltet ist, dass er bei Kontakt mit in Fahrtrichtung (F) im Boden (B) unter dem Fahrzeug befindlichen Energiegebereinheiten (12; 52+; 52–) einen Energieimpuls aus der jeweiligen Energiegebereinheit (12; 52+; 52–) aufnehmen und die aufgenommene Energie über eine Verbindung (14; 54; 54') an einen nachgeschalteten Anschlussknoten (13; 53) für eine weitere Applikation im Fahrzeug bereitstellen kann.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der vom Reifen aus der Energiegebereinheit (12; 52+; 52–) auf das Fahrzeug übertragenen Energie um elektrische, magnetische, pneumatische und/oder optische Energie handelt.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie übertragen wird, und dass eine elektrische Leitfähigkeit des Reifenteilbereiches (21) aufgrund eines elektrisch leitenden Werkstoffs erreicht wird, welcher durch eine Mischung von üblichen Reifenwerkstoffen, wie Kunststoffe und/oder Kautschuk mit leitenden Materialien wie Kohlepartikel und/oder Metallstaub entsteht.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie übertragen wird, und dass eine elektrische Leitfähigkeit des Reifenteilbereiches (31) durch laminierte metallische Feinstdrähte und/oder Kohlefasern im Reifenwerkstoff erreicht wird.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie übertragen wird, und dass eine elektrische Leitfähigkeit des Reifenteilbereiches (41) durch einen laminierten elektrisch leitenden Ring (42) am Fahrzeugreifen (40), vorzugweise durch ein Geflecht aus Feinstdrähten, erreicht wird.
Satz von mindestens zwei Fahrzeugreifen (10; 20; 30; 40; 50; 50') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussknoten (13) als weitere Applikation einen Ladevorgang einer aufladbaren Batterie (53) im Fahrzeug durchführen kann, dass der Anschlussknoten (13) über mindestens einen Zwischenspeicher (C) in einem elektrischen Reifenkreis (54) verfügt, insbesondere über Kondensatoren mit einer Kapazität von mindestens 10 mF, vorzugsweise etwa 0,5 F, und dass eine Schalteinrichtung (55) vorgesehen ist, die den Zwischenspeicher (C) einerseits in den elektrischen Reifenkreis (54) schalten kann, um Energie aus der Energiegebereinheit (12; 52+; 52–) zu entnehmen und anderseits zum Aufladen eines Speicherkondensators (C') mit einer Kapazität von mindestens 100 F, vorzugsweise etwa 500 F, sowie mit parallel verschalteter Batterie (53), den Kondensator (C) in den Speicherkreis (54') schalten kann.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (C) eine flache Form aufweist, insbesondere als Layer auf der Reifeninnenseite, vorzugsweise als Kondensator ausgebildet ist.
Fahrzeugreifen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (C) als Kondensator in Form eines Multilayer-Schlauches im Inneren des Reifens ausgebildet ist.
Fahrzeugreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Teilbereich (11; 21; 31; 41; 51+; 51–) des Reifens als eigene Einheit in der Art eines Zwillingsreifen ausgeführt ist.
Fahrzeugreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den aufzunehmenden Energieimpulsen hochfrequente Nachrichtensätze überlagert werden, die vorzugweise Identitätsdaten des Energielieferanten und die jeweils transportierte Energiemenge enthalten, wobei die Nachrichtensätze über elektronische Filter für einen Bordcomputer abgespalten werden können.