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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen Laden von Kraftfahrzeugen d. h. insbesondere von Kraftfahrzeugen, die wenigstens teilweise elektrisch angetrieben sind.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere Ladeverfahren bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, dass das Laden mit einer manuellen Steckverbindung erfolgt. Die meisten derzeit auf dem Markt verfügbaren Systeme basieren auf dem manuellen Kontaktieren einer Kabel- oder Steckereinheit mit dem Fahrzeug. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass relativ zuverlässige elektrische Energien übertragen werden können. Ein Nachteil besteht in einer manuellen Tätigkeit, was zu einer geringen Benutzerakzeptanz führt. Daneben sind derartige bekannte Kabel- und Steckereinheiten meist aufgrund der notwendigen Leiterquerschnitte unhandlich. Daneben kann es zu einem Verschmutzen derartiger Kabel- oder Steckereinheiten kommen, was die Benutzerakzeptanz reduziert. Daneben ist oft auch ein relativ hoher Kraftaufwand für den Steckvorgang erforderlich. Auch tritt das Problem auf, dass derartige System nur schwer gegen Vandalismus abgesichert werden können.
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Eine weitere im Stand der Technik bekannte Vorgehensweise stellt das induktive Laden dar. Hierbei erfolgt die Energieübertragung über ein magnetisches Feld zwischen einer Sende- und einer Empfangsspule. Dieses System ist in der Nutzung einfacher als manuell steckbare Systeme. Allerdings treten hier die Problematiken von relativ hohen elektrischen Verlustleisten auf. Daneben ist auch eine genaue Fahrzeugpositionierung notwendig. Auch sollten Schutzmechanismen für Fremdkörper und Lebewesen in dem magnetischen Feld vorhanden sein. Dies führt insgesamt zu relativ hohen Systemkosten.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch Vorgehensweisen bekannt, bei denen eine Kabel-/Steckereinheit durch eine automatisierte Mechanik mit dem Fahrzeug verbunden wird. Auch hier ist eine relativ genaue Fahrzeugpositionierung nötig. Daneben sind auch Schutzmechanismen erforderlich, da diese Vorgehensweise bewegte Roboter enthält. Daneben treten auch hier Probleme mit der Verschmutzung bewegter Teile auf. Auch ist der Aufwand der Schutzmaßnahmen wegen elektrischer Sicherheit hoch und dies führt wiederum zu vergleichsweise hohen Systemkosten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laden von zumindest teilweise und bevorzugt vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu erleichtern und dabei bevorzugt auch den nötigen Kostenaufwand zu verringern. Daneben soll das Verfahren ein einfaches und für den Benutzer praktikables Laden von Kraftfahrzeugen ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Ladeanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Energiespeichereinrichtung zum Speichern elektrischer Energie aufweist sowie wenigstens zwei Fahrzeugräder und wobei der Ladeanordnung weiterhin wenigstens eine Energieabgabeeinrichtung zum Abgeben elektrischer Energie aufweist, weist wenigstens eine erste Elektrode auf, um elektrische Energie von der Energieabgabeeinrichtung auf die Energiespeichereinrichtung zu übertragen, derart, dass auch die erste Elektrode Bestandteil eines Ladestromkreises zum Laden der Energiespeichereinrichtung ist.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Fahrzeugrad ein elektrisch leitendes Material auf, sodass auch dieses wenigstens eine Fahrzeugrad Bestandteil des Ladestromkreises ist.
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Es wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass das Laden der Fahrzeuge über elektrisch leitfähige Fahrzeugräder bzw. Reifen erfolgt. Diese Vorgehensweise kombiniert die Vorgehensweisen der oben beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik. Einerseits wird ein konduktives Ladesystem vorgeschlagen, welches auf die Verwendung eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes verzichten kann. Daher ist auch in der Regel keine ganz exakte Positionierung des Fahrzeugs gegenüber der Elektrode erforderlich, wie dies bei einem induktiven System erforderlich ist.
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Auf der anderen Seite entfallen auch manuelle Stecksysteme, die Tätigkeiten des Benutzers erfordern. Dieser muss vielmehr im Wesentlichen das Fahrzeug hinreichend zuverlässig positionieren nämlich an den besagten Elektroden.
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Auf diese Weise wird eine einfache und kostengünstige Umsetzung eines Ladesystems erreicht.
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Damit fließt elektrische Energie über die Reifen bzw. über wenigstens einen Reifen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrode eine vorgegebene Länge auf. So ist die Elektrode bevorzugt in der Richtung des zu ladenden Fahrzeugs kürzer als 20 m, bevorzugt kürzer als 15 m, bevorzugt kürzer als 10 m, bevorzugt kürzer als 8 m, bevorzugt kürzer als 6 m, bevorzugt kürzer als 4 m.
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Bevorzugt weist die Elektrode in der Längsrichtung bzw. der Bewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs eine Länge auf, die größer ist als 20 cm, bevorzugt größer als 40 cm, bevorzugt größer als 60 cm, bevorzugt größer als 80 cm und bevorzugt größer als 1 m. Auf diese Weise ist es möglich, auch unterschiedliche Kraftfahrzeuge zuverlässig gegenüber der Elektrode zu platzieren.
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Bevorzugt weist die Elektrode in einer (senkrecht zu der Längsrichtung stehenden) Breitenrichtung eine Breite auf, die größer ist als 5 cm, bevorzugt größer als 10 cm, bevorzugt größer als 15 cm, bevorzugt größer als 20 cm und besonders bevorzugt größer als 25 cm.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrode in einer (senkrecht zu der Längsrichtung stehenden) Breitenrichtung eine Breite auf, die kleiner ist als 100 cm, bevorzugt kleiner als 80 cm, bevorzugt kleiner als 70 cm, bevorzugt kleiner als 60 cm und besonders bevorzugt kleiner als 50 cm.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Elektrode von dem Fahrzeugrad kontaktierbar. Dies bedeutet bevorzugt, dass der oben erwähnte Ladestromkreis sowohl über die Elektrode als auch über den Fahrzeugreifen verläuft und auf diese Weise ein Laden des Kraftfahrzeugs erfolgen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ladeanordnung dazu geeignet und bestimmt, ein Fahrzeug in einem stationären Zustand bzw. im Stillstand zu laden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ladeanordnung eine Standfläche für das Kraftfahrzeug auf und die erste Elektrode ist an dieser Standfläche angeordnet. So kann die erste Elektrode in diese Standflächen integriert sein. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Fahrzeug auf diese Standfläche und/oder die Elektrode auffahren kann. Zusätzlich ist es möglich, dass die besagte Elektrode in einen Hallenboden oder dergleichen eingelassen ist. Dabei ist es möglich, dass die Elektrode aus einem Metall besteht oder ein Metall aufweist.
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Es wäre jedoch auch möglich, dass eine derartige Elektrode oberhalb einer Standfläche angeordnet ist und das Kraftfahrzeug auf diese Elektrode mit wenigstens einem Reifen auffahren kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ladeanordnung eine zweite Elektrode auf, welche bevorzugt von der ersten Elektrode beabstandet ist und welche bevorzugt ebenfalls einen Bestandteil des Ladestromkreises bildet. Auf diese Weise erfolgt ein Laden des Kraftfahrzeugs über zwei Elektroden. Dabei ist es möglich, dass beide Elektroden den gleichen Reifen kontaktieren.
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Bevorzugt weist jedoch auch ein weiteres Fahrzeugrad ein elektrisch leitendes Material auf, sodass auch dieses weitere Fahrzeugrad Bestandteil des Ladestromkreises ist. Auf diese Weise können die beiden Elektroden relativ weit voneinander entfernt werden, sodass auch die Gefahr eines Kurzschlusses oder eines Überschlags zwischen den Elektroden vermieden wird.
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Durch das vergleichsweise hohe Fahrzeuggewicht wird automatisch eine hohe Kraft zwischen dem Reifen bzw. dem Rad und der Elektrode bzw. Bodenkontaktplatte erreicht, was zu einem guten elektrischen Kontakt führt. Da auch die Kontaktfläche des Reifens zur Elektrode bzw. Bodenkontaktplatte vergleichsweise groß ist, werden Ladeströme im benötigten Umfang für realistisch gehalten. Falls kein ausreichender Kontakt erreicht wird, können bei einer gelenkten Achse des Kraftfahrzeugs sogar kleine Lenkbewegungen während des Stillstands auf den Elektroden ausreichend sein, um den Kontakt hinreichend zu verbessern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reifen innerhalb des Stromkreises einen elektrischen Widerstand auf, der kleiner ist als 100 2 bevorzugt kleiner als 50 Ω, bevorzugt kleiner als 25 Ω, bevorzugt kleiner als 10 Ω, bevorzugt kleiner als 2 Ω, bevorzugt kleiner als 1 Ω.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug mit zwei unterschiedlichen Rädern auf getrennte Elektroden auffährt. Bevorzugt weist das Kraftfahrzeug wenigstens vier Räder auf, und ein Laden erfolgt über entweder die beiden Vorderreifen oder die beiden Hinterreifen. Besonders bevorzugt kann das Laden über diejenigen Reifen erfolgen, auf denen das größere Fahrzeuggewicht lastet, beispielsweise denjenigen Reifen, in deren Nähe der Energiespeicher untergebracht ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Fahrzeugrad wenigstens einen und bevorzugt wenigstens zwei elektrisch leitende Reifen auf, wobei bevorzugt in das Material des Reifens ein elektrisches Material eingebracht ist. So ist es möglich, dass die elektrische Leitfähigkeit des oder der Reifen durch die Verwendung elektrisch leitfähiger Materialien in der Gummimischung erreicht wird, beispielsweise durch Grafit, Graphen, Kohlepartikel oder andere geeignete Materialien.
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Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass elektrisch leitfähige Drähte in der Lauffläche (z. B. aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium oder sonstigen geeigneten Materialien) Verwendung finden. Derartige Drähte können auch während der betriebsbedingten Abnutzung des Reifens dauernd gereinigt und gekürzt werden, wodurch kontinuierlich neues Kontaktmaterial nutzbar gemacht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Reifen wenigstens zweischichtig und bevorzugt mehrschichtig aufgebaut beispielsweise aus Lauffläche, einer oder mehreren Karkassen und einer Innenisolierung. Hierbei können bereits vorhandene oder zusätzlich eingebrachte Gewebe aus leitenden Materialien in den Schichten die Leitung des elektrischen Stroms übernehmen und die Innenisolierung für die Luftdichtheit der Reifen sorgen.
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Bei luftlosen Reifen werden Reifen und Felge zu einer Einheit. Hier kann die Leitung des elektrischen Stroms direkt durch leitfähige Materialien auf und in den Strukturen zwischen Reifen und Felge erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reifen oder weisen daher die Reifen ein Geflecht aus einem elektrisch leitenden Material und insbesondere aus einem Metall auf, wobei bevorzugt auch dieses Geflecht ein Bestandteil des oben genannten Ladestromkreises ist. Dieses Geflecht kann sich dabei in einer radialen und/oder einer Umfangsrichtung des jeweiligen Reifens erstrecken.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Metalldrähte wenigstens teilweise in einer radialen Richtung des jeweiligen Fahrzeugrades und/oder des Fahrzeugreifens.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl derartiger Drähte in der Umfangsrichtung des Laufrates vorgesehen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass eine elektrische Leitfähigkeit unabhängig von der konkreten Drehstellung des Rades hergestellt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Reifen eine Armierung aus einem elektrisch leitenden Material und insbesondere eine Stahlarmierung auf. Über diese Stahlarmierung kann der elektrische Strom auf die Felge des Kraftfahrzeugs geführt werden und vorteilhaft auch über ein Radlager auf die Radaufhängung und/oder das Federbein des Kraftfahrzeugs.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist daher wenigstens ein Fahrzeugrad an einem Federbein des Kraftfahrzeugs angeordnet und bevorzugt ist auch dieses Federbein Bestandteil des Ladestromkreises. Dies bedeutet, dass elektrische Energie von dem Fahrzeugreifen über das Federbein letztlich zur Energiespeichereinrichtung geleitet wird.
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Bevorzugt weist das Fahrzeug wenigstens eine elektrische Entkopplungseinrichtung auf, welche einen Stromfluss zwischen dem wenigstens einen elektrisch leitenden Fahrzeugrad und wenigstens einem weiteren Bereich des Kraftfahrzeugs verhindert.
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Die Federbeine sind bevorzugt mechanisch beispielsweise über Gummilager zu dem Fahrzeug entkoppelt. Diese Gummilager (die hier als elektrische Entkoppelungseinrichtung wirken) isolieren das Federbein auch elektrisch zum Fahrzeug, weshalb hier vorgeschlagen wird, dass jedes Federbein komplett unter Ladespannung gesetzt werden kann und der Abgriff des Ladestroms irgendwo an dem Federbein ermöglicht wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine elektrische Isolierung des oder der Federbeine gegenüber dem Gesamtfahrzeug über Lagerungseinrichtungen und insbesondere aber nicht ausschließlich über Gummilager.
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Bei einer nicht angetriebenen und nicht gelenkten Achse ist dieses Verfahren sehr einfach realisierbar, da nur wenige weitere Verbindungen zwischen dem Federbein und dem Fahrzeug elektrisch isoliert werden müssen. So ist beispielsweise eine Isolierung eines ABS-Sensors vorteilhaft. Bei einer angetriebenen Achse sollten Antriebswellen elektrisch isoliert werden, bei gelenkten Achsen sollte eine Verbindung zwischen einem Lenkantrieb und dem Federbein elektrisch isoliert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ladeanordnung wenigstens eine Erfassungseinrichtung auf, welche die Anwesenheit eines Fahrzeugrades an und/oder auf einer Elektrode erfasst. Bevorzugt ist eine derartige Erfassungseinrichtung auch für die zweite Elektrode vorgesehen. Auf diese Weise kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Laden des Kraftfahrzeuges bzw. ein Stromfluss nur ermöglicht wird, wenn beide Fahrzeugräder auf den jeweiligen Elektroden stehen.
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Bevorzugt ist daher wenigstens eine Elektrode und sind bevorzugt beide Elektroden als Plattenelektroden ausgebildet und insbesondere als Elektroden, welche dafür geeignet sind, einer Gewichtskraft von mehr als 10 kN, bevorzugt von mehr als 100 kN, bevorzugt von mehr als 200 kN standzuhalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist daher eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche einen Stromfluss nur aktiviert, wenn wenigstens ein Rad auf wenigstens einer Elektrode steht. Dabei kann die Erfassungseinrichtung beispielsweise ein Gewichtssensor sein, der erfasst, ob ausreichendes Gewicht, etwa eines Kraftfahrzeuges auf der jeweiligen Elektrode steht.
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Bevorzugt erfolgt diese Erkennung in der Form, dass eine Stromflussmessung erfolgt und auf diese Weise festgestellt wird, dass das Fahrzeugrad auf der Elektrode steht. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung eine Strommessungseinrichtung und/oder eine Spannungsmesseinrichtung auf, mit deren Hilfe ein kontaktiertes Fahrzeug erkannt werden kann.
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Daneben kann die Erfassungseinrichtung auch andere Einrichtungen wie etwa Bildaufnahmeeinrichtungen, Kameras oder Lichtschrankensystem aufweisen, um die Anwesenheit eines Kraftfahrzeugrades auf der Elektrode zu erfassen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Energieabgabeeinrichtung dazu geeignet und bestimmt, elektrische Energie mit einer Spannung abzugeben, die unter 150 Volt, bevorzugt unter 100 Volt und bevorzugt unter 60 Volt liegt.
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Damit in dem gesamten System kein Berührschutz gegen elektrische Spannungen erfolgen muss, kann die verwendete Spannung unterhalb einer definierten Grenze für berührgefährliche Spannungen liegen also hier beispielsweise unter 60 Volt. Besonders bevorzugt ist die Energieabgabeeinrichtung dazu geeignet und bestimmt Gleichspannung abzugeben. Besonders bevorzugt weist daher die Energieabgabeeinrichtung eine Gleichrichtereinheit auf, welche etwa eine Netzwechselspannung in Gleichspannung umwandelt.
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Eine Erhöhung der übertragenen Leistung insbesondere eine Verdopplung ist verändert durch die Nutzung beider Achsen eines Kraftfahrzeugs möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine optionale elektrische Steckverbindung auf, um das Fahrzeug elektrisch zu laden. Auf diese Weise ist es möglich, dass zusätzlich oder alternativ ein schnelles Laden, beispielsweise an speziellen Tankstellen oder in Haushalten über eine elektrische Steckverbindung erfolgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Ladevorgangs auf. Dabei ist es möglich, dass ein Ladevorgang durch eine separate Kommunikation (wie etwa über WLAN oder Bluetooth) gesteuert wird. Daneben ist es auch möglich, dass eine Kommunikation direkt über Bodenplatten bzw. Elektroden erfolgt. Dabei ist es auch möglich, dass ein Laden über definierte Zeit / Stromprofile erfolgt.
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Daneben ist es auch möglich, dass die Fahrzeugeinheit vor und während des Ladens einen elektrischen Kontakt durch eine Überwachung von Strom und Spannung sicherstellt und gegebenenfalls auch Strom und Spannung regelt.
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Daneben wäre es auch möglich, dass als Elektroden am Boden Edelstahlbleche befestigt werden. Diese sind vergleichsweise preisgünstig, leicht zu befestigen, leicht zu reinigen, dazu bevorzugt auch korrosionsfest und überfahrfest.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Laden eines Kraftfahrzeugs gerichtet, wobei das Kraftfahrzeug eine Energiespeichereinrichtung zum Speichern elektrischer Energie aufweist sowie wenigstens zwei Fahrzeugräder und wobei mittels einer Energieabgabeeinrichtung elektrische Energie für wenigstens eine erste Elektrode von der Energieabgabeeinrichtung auf die Energiespeichereinrichtung übertragen wird, derart, dass auch die erste Elektrode Bestandteil eines Ladestromkreises zum Laden der Energiespeichereinrichtung ist.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Fahrzeugrad ein elektrisch leitendes Material auf, sodass der Fahrzeugreifen Bestandteil des Ladestromkreises ist.
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Es wird daher auch verfahrensseitig vorgeschlagen, dass ein Laden des Kraftfahrzeugs über wenigstens einen elektrisch leitenden Reifen erfolgt.
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Bei einem bevorzugten Verfahren wird das Kraftfahrzeug während des Stillstands geladen. Insbesondere bewegt sich das Kraftfahrzeug während des Ladevorgangs nicht gegenüber der Elektrode.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Fahrzeugrad unabhängig von seiner Drehstellung zur Energieübertragung verwendet werden.
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Geht man von 100 Kilometer Tagesfahrleistung aus, sowie einem angenommen Energieverbrauch des Fahrzeugs von 12 Kilowattstunden pro 100 Kilometer so müssen täglich 12 Kilowattstunden nachgeladen werden. Bei einer angenommenen Ladezeit von 10 Stunden entsprechend 1,2 KW, was bei einer Ladespannung von 60 Volt durch einen Ladestrom von 20 Ampere erreicht werden kann.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 10 auf ein Kraftfahrzeug, welches eine nur schematisch dargestellte Energiespeichereinrichtung 16 wie etwa eine Batterie aufweist. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorteilhaft um ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug
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Die Bezugszeichen 2 und 4 kennzeichnen 2 Elektroden, die an einem Boden angebracht sind und die gemeinsam mit den Fahrzeugreifen 12 und 14 einen elektrischen Stromkreis 20 zum Laden der Energiespeichereinrichtung 16 schließen. Weitere Bestandteile dieses Stromkreises 20 sind zwei Leitungsverbindungen 26 und 28, die letztlich die Energiespeichereinrichtung mit der Energieabgabeeinrichtung 6 bzw. einer Ladeeinrichtung kontaktieren.
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Die Bezugszeichen 22 und 24 kennzeichnen zwei Erfassungseinrichtungen, die das Vorhandensein von Fahrzeugreifen erfassen. Dabei kann es sich wie oben erwähnt beispielsweise um Gewichtssensoren handeln.
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Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ladeanordnung
- 2
- erste Elektrode
- 4
- zweite Elektrode
- 6
- Energieabgabeeinrichtung
- 10
- Kraftfahrzeug
- 12, 14
- Fahrzeugrad
- 16
- Energiespeichereinrichtung
- 20
- elektrischer Stromkreis
- 22
- Erfassungseinrichtung
- 24
- Erfassungseinrichtung
- 26, 28
- Leitungsverbindungen
