DE102018009568B3

DE102018009568B3 - Elektromobilitätssystem mit Energiestationen, Elektromobilen und Erweiterungsaggregaten

Info

Publication number: DE102018009568B3
Application number: DE102018009568.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Clean Energy Global De GmbH
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-12-06

Abstract

Vorgestellt wird ein Elektromobilitätssystem, bestehend aus einer Infrastruktur zum Versorgen von Elektrofahrzeugen mit Energie, einem Satz Wechsel-Akkumulatoren und einem Satz passender Elektrofahrzeuge. Das System ist gekennzeichnet dadurch, dass
1. die Infrastruktur aus einem Netz von Energiestationen besteht, die volle Wechsel-Akkumulatoren vorrätig halten, leere Akkumulatoren laden können und bei denen Akkumulatoren ausgetauscht werden können
2. die Elektrofahrzeuge lediglich einen kleinen eingebauten Akkumulator für kurze Distanzen besitzen und sich mit Wechsel-Akkumulatoren erweitern lassen
3. die Wechsel-Akkumulatoren möglichst so auf die Fahrzeuge verteilt werden, dass stillstehende Fahrzeuge und Fahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb keine teuren Akkumulatoren enthalten, und deshalb Kosten und Energie gespart werden. Das System besteht also aus einer großen Anzahl Elektrofahrzeuge und einer kleineren Anzahl Wechsel-Akkumulatoren.
4. die Wechsel-Akkumulatoren außerhalb des lokalen Bereichs entweder gewechselt oder geladen werden können.
5. die flexible Kombination von Wechselstationen und (Schnell-)Ladesäulen möglich ist
6. ein Abrechnungssystem vorhanden ist, das die Kosten für die Wechsel-Akkumulatoren in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer und der entnommenen Energie ermittelt
So können die Nachteile der Elektromobilität, d.h. hoher Fahrzeugpreis, geringe Reichweite und Unsicherheit über die Haltbarkeit der Akkumulatoren beseitigt werden

Description

Die vorgestellte Erfindung beschreibt ein Elektromobilitätssystem mit Energiestationen, Elektromobilen, deren eingebauter Akkumulator erweitert werden kann, und Wechsel-Akkumulatoren, die in den Energiestationen bezogen werden können.
Problemstellung
Die Vorteile der Elektromobilität sind hinreichend bekannt:

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

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

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 hinausgehen, 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 150-350 km gegenüber 500-800 km). Sie können deshalb nur für spezielle Anwendungen, z.B. einen Lieferservice eingesetzt werden.
Bekannt sind außerdem wechselbare Energieversorgungseinheiten auf Akkumulator- oder auf Verbrennungsmotor/Generator-Basis in einem Energiefach, die jedoch nicht für einen Betrieb mit einem leeren Fach zur Effizienzsteigerung konzipiert sind ( DE 196 41 254 A1 , DE 10 2011 115 570 A1 ). Auch variable Lösungen mit Verbrennungsmotor in Einbauform als serielles Hybridfahrzeug (z.B. DE 44 27 322 A1 , EP 2 431 216 A1 ) oder als Range-Extender auf Anhängerbasis ( DE 41 21 386 A1 ) sind beschrieben, bieten aber keine Lösung für die Überwindung größerer Distanzen auf rein elektrischer Basis an.
Dazu ist grundsätzlich ein Mobilitätssystem mit Energiestationen notwendig; die Fokussierung auf die Konstruktion des Elektromobils reicht nicht aus. Nach heutigem Stand der Technik sind folgende Systeme bekannt:

• Ein Ladesäulen-System. Dieses ist aber immer mit Wartezeiten beim Nachladen des internen Akkumulators verbunden. Auch bei einer zukünftigen Verkürzung der Ladezeiten bleibt das Verhältnis von Fahrzeit zu Wartezeit unkomfortabel, insbesondere wenn bei Fernfahrten von höheren Geschwindigkeiten und damit einem erhöhten Energieverbrauch auszugehen ist.
• Spezielle Wechselstationen zum Auswechseln des kompletten Akkumulators. Dieses System bietet keine Lösung für Regionen ohne Infrastruktur oder zur Reduktion des Fahrzeuggewichts, und erhöht den Systempreis durch zusätzlich benötigte Akkumulatoren.

Das in DE 10 2012 008 678 vorgestellte System räumt diese Nachteile zwar aus, bringt aber Einschränkungen bei der Konstruktion des Elektromobils mit sich, da als Option ein Hybridantrieb für Bereiche ohne Infrastruktur vorgesehen ist. Das neue System greift stattdessen auf die mittlerweile vorhandene (Schnell-)Ladeinfrastruktur an Fernstraßen zurück.
Neue Problemlösung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein verbessertes System zum Betrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen. Das System besteht aus eingebauten und wechselbaren, wieder aufladbaren Batterien, Energiestationen und den dazu passenden Fahrzeugen.
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 permanent 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, z.B. 100 km. Er soll genügend Energie bereitstellen, um

1. tägliche Kurzstrecken zu ermöglichen
2. die nächste Energiestation zu erreichen.

Eine Ladevorrichtung des Elektromobils (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 Akkumulator-Raum (24) im Fahrzeug ist für die Aufnahme eines Wechsel-Akkumulators (23) vorgesehen. Der Akkumulator dient der Erweiterung der Reichweite auf mittlere Strecken oder auf Langstrecken. Alle Wechsel-Akkumulatoren haben die gleiche Schnittstelle (28) zwischen Akkumulator und Fahrzeug, d.h. im Fahrzeug ist eine elektrische Steckverbindung (Buchse) vorgesehen. Zusammen mit dem Wechsel-Akkumulator (23) arbeitet das Fahrzeug dann als Elektroauto mit erweiterter Reichweite; der Wechsel-Akkumulator kann ebenfalls über die Ladevorrichtung (21) geladen werden. Optional ist es auch möglich, den permanent eingebauten Akkumulator (20) während der Fahrt über eine Ladeverbindung (26) aufzuladen.
Der Ein- und Ausbau der Wechsel-Akkumulatoren erfolgt auf einfache Weise in den Energiestationen.
Der Akkumulator-Raum (24) im Fahrzeug kann im Unterboden (2.3) oder vor (2.1, 2.2) bzw. hinter der Fahrgastzelle angeordnet sein. Vorzugsweise werden im ersten Fall die Wechsel-Akkumulatoren (23) von der Seite, ansonsten von vorne oder hinten eingeschoben und verriegelt. Auch eine Montage von unten ist möglich.
Wechsel-Akkumulatoren
Die Wechsel-Akkumulatoren (1) dienen der Reichweitenerweiterung der Elektromobile. Sie können vom Betreiber des Elektromobilitätssystems entliehen werden. Ziel ist dabei, den temporär eingebauten Wechsel-Akkumulator (27) so kurz wie möglichst im Fahrzeug eingebaut zu belassen, damit er dann, wenn er nicht benötigt wird, z.B. wenn das Auto parkt oder sich nur in einem lokalen Bereich bewegt wird, anderen Teilnehmern des Systems zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Wechsel-Akkumulatoren können aus einem oder mehreren Modulen bestehen, um

• die mechanische Handhabung zu erleichtern
• das Zuladungsgewicht zu optimieren oder
• die Flexibilität des Ausleihsystems zu erhöhen.

Alle Wechsel-Akkumulatoren haben die gleiche Schnittstelle (3) zum Elektromobil, nämlich eine elektrischen Steckverbindung.
Energiestationen
Die Energiestationen (10) haben folgende Aufgaben:

1. Vorratshaltung der Wechsel-Akkumulatoren
2. Aufladen der im Lager befindlichen der Wechsel-Akkumulatoren
3. Ausleihen und Rückgabe der Wechsel-Akkumulatoren
4. Austausch der Wechsel-Akkumulatoren in den Elektromobilen

Die Energiestationen sind mit einer Ladeeinheit (6) und einem Zwischenlager (4) für Wechsel-Akkumulatoren ausgestattet. Die Ladeeinheit besteht aus einer elektrischen Energieversorgung (9) und Ladevorrichtung (8) für die aufzuladenden Akkumulatoren (7). 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 Energieversorgung (9) können die Ladezeit und die Lebensdauer der Akkumulatoren optimiert werden.
Das Zwischenlager (4) dient dazu, aufgeladene Wechsel-Akkumulatoren (2) bereitzuhalten und noch zu ladende Akkumulatoren (1) zu lagern.
Zum Wechseln bzw. zum Ein- und Ausbau der Akkumulatoren ist eine Wechsel- oder Hebevorrichtung (5) vorgesehen, da die Akkumulatoren in der Regel zum Tragen für den Menschen zu schwer sind. Werden Wechsel-Akkumulatoren verwendet, die in mehrere Module aufgeteilt sind, kann dieser Vorgang erleichtert werden. Die Wechselvorrichtung 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.
Ist keine Energiestation erreichbar, kann auf vorhandene Ladesäulen zurückgegriffen und der Wechsel-Akkumulator geladen werden. Das Elektromobilitätssystem kann damit als eine Kombination aus Wechselbatterie-System und Schnellladesäuen-System aufgefasst werden. Je nachdem, welche Infrastruktur in welchem Bereich weiter ausgebaut ist, kann das eine oder andere System verwendet werden.
Bei Einführung des Systems reicht es aus, im lokalen Bereich des Fahrzeugs eine Energiestation mit Ausleih- und Rückgabemöglichkeit zu haben. Damit wird der lokal nutzbare Bereich des Elektromobils erweitert.
Wird dieser erweiterte lokale Bereich verlassen, kann auf das vorhandene Ladesäulensystem zurückgegriffen werden; das Elektromobil verhält sich dann wie jedes andere Elektroauto auch. Alternativ kann aber auch eine Energiestation mit Wechselmöglichkeit genutzt werden.
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.
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 Wechsel-Akkumulatoren werden nach Gebrauch an den Energiestationen zurückgegeben. Da der Wechsel-Akkumulator dabei nicht zwangsweise leer sein muss, ist eine Messung der wirklich verbrauchten Energie z.B. über die Restkapazität notwendig. Außerdem muss die Zeit erfasst werden, wie lange der Wechsel-Akkumulator benutzt worden ist, um die Gesamtkosten ermitteln zu können. Die Abrechnung kann bei Ausgabe oder bei Rückgabe des Akkumulators erfolgen. Sie setzt einen Informationsaustausch zwischen den einzelnen Energiestationen voraus. Dieser kann über die Wechsel-Akkumulatoren, das Fahrzeug oder das Internet erfolgen.
Handhabung
Das neue Mobilitätssystem (3) unterscheidet Strecken im lokalen Umfeld (kleiner Kreis) (41), mittlerer Reichweite (großer Kreis) (40) (47), und Langstrecken (außerhalb des Kreises). Es ist so organisiert, dass teure und schwere Wechsel-Akkumulatoren 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 aus als das bisherige Elektromobilitätssystem, d.h. es gibt mehr Fahrzeuge als Wechsel-Akkumulatoren (in 3 sind z.B. nur 4 Wechsel-Akkumulatoren 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 und ein Wechsel-Akkumulator eingebaut.
Dabei werden zwei Nutzungsarten unterschieden:

• Ausdehnung des lo kalen Bereichs mit direkter Rückkehr zur Ausleihstation (mittlere Reichweite)
• Verlassen des lokalen Bereichs (Langstrecke) mit Ansteuern einer Station außerhalb des lokalen Bereichs, bei der entweder
- o der Wechsel-Akkumulator ausgetauscht (49) oder
- o der Wechsel-Akkumulator mittels einer (Schnell-)Ladesäule (50) aufgeladen wird.

Kurz vor dem Ziel, wird der Wechsel-Akkumulator bei einer Station abgegeben. Diese Unterbrechung der Fahrt dauert nur wenige Minuten und ist mit einem Tankstopp vergleichbar. Der Rest der Strecke wird wieder mit dem eingebauten Akkumulator gefahren, der während der Fahrt geladen wurde.
Da Energiemenge und Zeitdauer abgerechnet werden, entsteht ein Anreiz, den Wechsel-Akkumulator zurückzugeben und anderen Teilnehmern wieder zur Verfügung zu stellen. Damit sinken die Gesamtkosten für alle Teilnehmer. Andererseits ist das System aber auch flexibel genug, einen entliehenen Akkumulator 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 Wechsel-Akkumulatoren 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.
Bezugszeichenliste

1: Entladener oder teil-geladener Wechsel-Akkumulator
2: Geladener Wechsel-Akkumulator
3: Elektrische Schnittstelle des Wechsel-Akkumulators
4: Zwischenlager für Wechsel-Akkumulatoren
5: Wechsel- oder Hebevorrichtung für Wechsel-Akkumulatoren
6: Ladeeinheit
7: Wechsel-Akkumulatoren während des Ladevorgangs
8: Ladevorrichtung der Ladeeinheit
9: Energieversorgung
10: Energiestation
20: Permanent eingebauter Akkumulator
21: Ladevorrichtung des Elektromobils
22: Elektromotoren
23: Einzubauender Wechsel-Akkumulator
24: Akkumulator-Raum
25: Steuer- und Regelungseinheit
26: Ladeverbindung zum Laden des permanent eingebauten Akkumulators durch einen temporär eingebauten Wechsel-Akkumulator
27: Temporär eingebauter Wechsel-Akkumulator
28: Elektrische Schnittstelle des Elektromobils zum Wechsel-Akkumulator
29: Akkumulator-Raum im Unterboden
40: Region für mittlere Distanzen
41: Lokales Umfeld, Region für Kurzstreckenbetrieb
42: Fahrendes Fahrzeug mit Wechsel-Akkumulator (mittlere Distanz)
43: Fahrendes Fahrzeug ohne Wechsel-Akkumulator (kurze Distanz)
44: Energiestationen
45: Parkendes Fahrzeug ohne Wechsel-Akkumulator an Ladesäule
46: Parkendes Fahrzeug ohne Wechsel-Akkumulator
47: Von einer Energiestation abgedeckte Region
48: Fahrendes Fahrzeug mit Wechsel-Akkumulator (große Distanz)
49: System mit mehreren Energiestationen
50: (Schnell-)Ladesäule außerhalb des abgedeckten Bereichs

Liste der Zeichnungen

1 Energiestation mit Wechsel-Akkumulator-Lager
2.1 Elektromobil ohne eingebauten Wechsel-Akkumulator für lokalen Betrieb
2.2 Elektromobil mit eingebautem Wechsel-Akkumulator
2.3 Variante mit Akkumulator-Raum im Unterboden
3 Mobilitätssystem

Claims

System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen umfassend mehrere Elektromobile, mehrere Wechsel-Akkumulatoren (23) und mehrere Energiestationen (10), wobei 1.1. die Elektromobile mindestens umfassen 1.1.1. einen oder mehrere Elektromotoren (22) ausgestattet zum elektrischen Antrieb, 1.1.2. eine Steuer- und Regelungseinheit (25) ausgestattet zu deren Versorgung, 1.1.3. einen Akkumulator-Raum (24), der 1.1.3.1. einen permanent eingebauten Akkumulator (20) beinhaltet, 1.1.3.2. zur zusätzlichen Aufnahme eines Wechsel-Akkumulators (23) ausgestattet ist, 1.1.4. eine Ladevorrichtung (21) ausgestattet zum Aufladen der beiden Akkumulatoren (20) und (23) an einer Ladesäule, 1.1.5. eine elektrische Schnittstelle (28) zwischen Elektromobil und Wechsel-Akkumulator (23), 1.2. die Wechsel-Akkumulatoren (23) mit einer elektrischen Schnittstelle (3) ausgestattet sind und 1.2.1. an einer Ladesäulen geladen und/oder 1.2.2. an einer Energiestation (10) gewechselt und ein- oder ausgebaut werden können 1.3. die Energiestationen umfassen 1.3.1. ein Zwischenlager (4) für Wechsel-Akkumulatoren (23), und/oder 1.3.2. eine Ladeeinheit (6) umfassend 1.3.2.1. eine Ladevorrichtung (8) ausgestattet zum Laden ein oder mehrerer Wechsel-Akkumulatoren (23), 1.3.2.2. einer elektrischen Energieversorgung (9) für die Ladevorrichtung (8), 1.3.3. eine Wechsel- oder Hebevorrichtung (5) zum automatischen oder manuellen Ein- und Ausbau der Wechsel-Akkumulatoren (23) in die Elektromobile 1.4. die Elektromobile (42, 43, 48) ausgestattet sind zum Betrieb 1.4.1. mit dem permanent eingebautem Akkumulator (20) und/oder 1.4.2. mit einem temporär eingebauten Wechsel-Akkumulator (23) 1.5. die Wechsel-Akkumulatoren (23) so auf die Elektromobile und Wechselstationen verteilt sind, dass 1.5.1. parkende Elektromobile (46), Elektromobile (45), deren permanent eingebauter Akkumulator (20) an einer Ladesäule geladen wird, und Elektromobile im Kurzstreckenbetrieb keinen Wechsel- Akkumulator (23) enthalten, 1.5.2. und die Wechsel-Akkumulatoren (23) nur in Elektromobile (42,48) eingebaut sind, die Mittel- oder Langstrecken zurücklegen.