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Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Energiespeicher für eine Arbeitsmaschine. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers.
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Stand der Technik
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In letzter Zeit werden Antriebskonzepte für Arbeitsmaschinen auf der Basis von Energiespeichern, wie z. B elektrischen Batterien, Brennstoffzellen oder Gastanks entwickelt, die herkömmliche Verbrennungsmotoren ersetzen können. Die benötigte Energie wird dann in den Energiespeichern vorgehalten und der Arbeitsmaschine bereitgestellt. Allerdings kann der Kraftstofftank nicht gleichwertig durch den Energiespeicher ersetzt werden. Die Energiespeicher bedürfen bei gleicher Energiemenge einen größeren Bauraum, mehr Kosten und sind aufwendiger aufzuladen. Das Nachladen von elektrischen Batterien ist zeitaufwendig und währenddessen kann die Arbeitsmaschine nicht im Einsatz sein. Bei Brennstoffzellen und Gastanks muss Wasserstoff bzw. Erdgas getankt werden, die deutlich aufwendiger in der Handhabung sind und mehr Sicherheitsvorkehrungen erfordern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein modularer Energiespeicher für eine Arbeitsmaschine vorgeschlagen, der austauschbar an einer Arbeitsmaschine befestigbar ist und über eine universelle Schnittstelle mit der Arbeitsmaschine gekoppelt ist. Wenn der Energiespeicher an der Arbeitsmaschine befestigt ist und mit der Arbeitsmaschine gekoppelt ist, stellt der Energiespeicher der Arbeitsmaschine Energie zu deren Betrieb bereit. Der modulare Aufbau der Energiespeicher und die universelle Schnittstelle ermöglichen es, den Energiespeicher an verschiedenen Arbeitsmaschinen zu befestigen und zwischen diesen auszutauschen, wenn diese zur Kopplung des Energiespeichers ausgebildet sind. Andererseits ist es möglich den Energiespeicher an der Arbeitsmaschine auszutauschen und durch einen anderen modularen Energiespeicher zu ersetzen. Die ausgetauschten Energiespeicher können separat geladen werden.
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Der Energiespeicher weist zumindest eine Speichereinheit auf, welche unter vorgebbaren Bedingungen eine bestimmte Energiemenge speichert. Beispiele für solche vorgebbaren Bedingungen sind weiter unten genannt. Jede Speichereinheit kann einzeln in den Energiespeicher aufgenommen werden und stellt für sich genommen im Energiespeicher eine bestimmte Energiemenge bereit. Dabei können die Speichereinheiten nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Insbesondere sind diese an festen Positionen innerhalb des Energiespeichers angeordnet.
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Die Zahl der im Energiespeicher aufgenommenen Speichereinheiten ist abhängig vom Energiebedarf der Arbeitsmaschine und den vorgebbaren Bedingungen variierbar bzw. veränderbar bzw. anpassbar. Es ist demnach explizit vorgesehen, dass der Energiespeicher nur teilweise mit Speichereinheiten befüllt sein kann. Das heißt, die Zahl der Speichereinheiten, die im Energiespeicher aufgenommen sind, kann kleiner als die Maximalanzahl von im Energiespeicher möglichen aufgenommenen Speichereinheiten sein - dies wird nachfolgend auch als teilbefüllter Zustand bezeichnet. Neben der Zahl der Speichereinheiten kann auch die Verbindung der Speichereinheiten abhängig vom Energiebedarf der Arbeitsmaschine und den vorgebbaren Bedingungen sein.
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Der Energiebedarf der Arbeitsmaschine kann für bevorstehende Arbeitsabläufe und für eine bestimmte Dauer, insbesondere für eine Arbeitsschicht, ermittelt werden oder ist bereits bekannt oder kann zumindest grob bestimmt oder abgeschätzt werden. Für den Energiebedarf kann sowohl die von der Arbeitsmaschine unter den vorgebbaren Bedingungen benötigte Energiemenge pro Zeit für einen bestimmten Arbeitsablauf als auch die Gesamt-Energiemenge für einen oder mehrere Arbeitsabläufe ermittelt werden.
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Die für eine Arbeitsaufgabe benötigte Energiemenge kann grob abgeschätzt oder detailliert berechnet werden. Hierfür kann vorzugsweise ein Modell verwendet werden, in das die bevorstehenden Arbeitsabläufe für die Arbeitsmaschine eingegeben werden, um den Energiebedarf zu ermitteln. Die vorgebbaren Bedingungen können z. B. in Form von Parametern einfließen. Optional kann der Energiebedarf aus Vergleichsdaten ermittelt werden, die für die gleiche oder ähnliche Arbeit aus früheren Messungen bereits ermittelt wurden. Die Vergleichsdaten können auch in das oben genannte Modell einfließen. Alternativ können Kennfelder vorgesehen sein, in denen der Energiebedarf für bestimmte Arbeitsabläufe hinterlegt ist.
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Mehrere Speichereinheiten können im Energiespeicher verbunden werden, und zwar auf unterschiedliche Weise. Über die Verbindungen der Speichereinheiten untereinander kann der Energiespeicher an die vorgebbaren Bedingungen angepasst werden und/oder die Kapazität der Energiespeicher variiert werden.
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Entsprechend dem Energiebedarf und der vorgebbaren Bedingungen (für die Arbeitsmaschine) werden dann die Zahl der Speichereinheiten, die in dem Energiespeicher aufgenommen sind, und die Verbindungen der Speichereinheiten untereinander festgelegt und zwar derart, dass die vorgebbaren Bedingungen erfüllt sind und der Energiebedarf abgedeckt wird. Wird der Energiespeicher dann an der Arbeitsmaschine befestigt und mit dieser gekoppelt, kann die in den Speichereinheiten gespeicherte Energie über die universale Schnittstelle an die Arbeitsmaschine übertragen werden und die Arbeitsmaschine damit betrieben werden.
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Der Energiespeicher ist eingerichtet, der Arbeitsmaschine die Energie der Speichereinheit(en) bereits in einem teilbefüllten Zustand bereitzustellen. Der teilbefüllter Zustand stellt dabei einen Zustand dar, bei dem die Zahl der Speichereinheiten, die im Energiespeicher aufgenommen sind, kleiner als die Maximalanzahl von im Energiespeicher möglichen aufgenommenen Speichereinheiten ist. Bevorzugt kann der Energiespeicher der Arbeitsmaschine die Energie mit jeder beliebigen Zahl von aufgenommenen Speichereinheiten bereitstellen. Besonders bevorzugt kann der Energiespeicher die Energie bereits in einem Zustand bereitstellen, bei dem nur eine einzige Speichereinheit im Energiespeicher aufgenommen ist.
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Durch den beschriebenen modularen Energiespeicher ist es möglich, der Arbeitsmaschine spezifisch die von ihr benötigte Energie bereitzustellen. Der Energiespeicher ist durch die Zahl der Speichereinheiten und deren Verbindung untereinander auf den Energiebedarf der Arbeitsmaschine für bevorstehende Arbeitsabläufe angepasst. Da der Energiespeicher für seine Funktion nicht vollständig gefüllt sein muss, sondern bevorzugt bereits mit nur einer aufgenommen Speichereinheit funktionsfähig ist, können nicht benötigte Speichereinheiten eingespart werden. Dadurch kann die Zahl der für einen Energiespeicher benötigten Speichereinheiten im Vergleich zu vollständig befüllten Energiespeichern reduziert werden. Dieser Vorteil verstärkt sich noch weiter, wenn mehrere Arbeitsmaschinen mit denselben Energiespeichern betrieben werden. Andererseits ist das Gewicht des Energiespeichers kleiner, wenn die Zahl der Speichereinheiten reduziert wird, sodass der Verbrauch der Arbeitsmaschine gesenkt werden kann.
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Für den Fall, dass sich die Arbeitsabläufe ändern oder der Arbeitsmaschine andere Arbeitsabläufe zugewiesen werden, kann der modulare Energiespeicher durch einen an die neuen Arbeitsabläufe angepassten modularen Energiespeicher ausgetauscht werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Energiespeicher eine elektrische Batterie und die Speichereinheiten sind Batteriezellen, welche in der elektrischen Batterie aufgenommen sind. Die Batteriezellen speichern jeweils eine festgelegte Menge elektrischer Energie, die dann kombiniert von der elektrischen Batterie bereitgestellt werden kann. Ist der Energiespeicher mit der Arbeitsmaschine gekoppelt, kann z. B. ein Elektromotor der Arbeitsmaschine mit der elektrischen Energie der Batterie betrieben werden. Bevorzugt sind in der elektrischen Batterie Steckplätze vorgesehen, welche an vorher festgelegten Positionen angeordnet sind und im Vorhinein bereits miteinander verbunden sind, beispielsweise über elektrische Leiter. Die Batteriezellen werden dann in die Steckplätze eingesteckt, wobei nicht alle Steckplätze aufgefüllt werden müssen. Die Verbindungen zwischen den Steckplätzen werden so gewählt, dass bereits eine teilgefüllte elektrische Batterie die Arbeitsmaschine mit Energie versorgen kann. Alternativ können die Batteriezellen nach der Platzierung elektrisch verbunden werden, beispielsweise über elektrische Leiter. Die Verbindungen sind einerseits zwischen den Batteriezellen ausgebildet, was weiter unten detaillierter erläutert wird. Andererseits sind die Batteriezellen mit einer Schnittstelle verbunden, z. B. in Form eines Steckers, einer Steckdose oder eines elektrischen Anschlusses, mittels welcher die Batterie mit der Arbeitsmaschine gekoppelt werden kann und über welche die elektrische Energie der Batteriezellen dann an die Arbeitsmaschine abgegeben werden kann.
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Generell reichen bereits wenige Batteriezellen aus, um eine Arbeitsmaschine mit Energie zu versorgen. In Bezug auf die elektrische Batterie ist die obengenannte vorgebbare Bedingung die elektrische Spannung, mit der die Arbeitsmaschine betrieben wird.
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Bei einer Art der elektrischen Verbindung der Batteriezellen sind die Batteriezellen in Reihe geschaltet. Durch die Reihenschaltung werden höhere elektrische Spannungen bereitgestellt, die für stärkere Arbeitsmaschinen benötigt werden. Die Zahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen wird so festgelegt, dass die zum Betrieb der Arbeitsmaschine benötigte elektrische Spannung bereitgestellt wird.
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Bei einer weiteren Art der elektrischen Verbindung der Batteriezellen sind die Batteriezellen parallel geschaltet. Durch die Parallelschaltung werden höhere Kapazitäten erreicht, die für längere Arbeitsabläufe oder für Arbeitsabläufe mit einem höheren Energieaufwand benötigt werden. Die Zahl der parallel geschalteten Batteriezellen wird so festgelegt, dass die Energiemenge, die zum Ausführen des Arbeitsablaufs oder zumindest eines Teils davon benötigt wird, bereitgestellt wird.
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Die beschriebenen Arten der Verbindung können in dem Energiespeicher kombiniert werden, um die gewünschte elektrische Spannung und die gewünschte Kapazität durch den Energiespeicher bereitzustellen. Insbesondere können Speicherstränge aus in Reihe geschalteten Speichereinheiten (Batteriezellen) gebildet werden, welche die gewünschte elektrische Spannung erreichen, und die Speicherstränge dann zueinander parallel geschaltet werden, um die gewünschte Kapazität zu erreichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Energiespeicher ein Gastank und die Speichereinheiten sind Gaskartuschen, die mit einer festgelegten Menge an Gas gefüllt sind. Ist der Energiespeicher mit der Arbeitsmaschine gekoppelt, kann der Antrieb der Arbeitsmaschine mit dem Gas des Gastanks betrieben werden. Je nach Antriebsart der Arbeitsmaschinen sind die Gaskartuschen mit einer anderen Art von Gas gefüllt und die Gaskartuschen und der Gastank sind für die Speicherung dieser Art von Gas ausgelegt. Bei einem Antrieb, der auf Brennstoffzellen basiert, sind die Gaskartuschen mit Wasserstoff, Erdgas oder Ähnlichem gefüllt und der Gastank ist ein Wasserstofftank. Bei einem Erdgas-Verbrennungsmotor sind die Gaskartuschen mit Erdgas gefüllt und der Gastank ist ein Erdgastank. Die Gaskartuschen können nach der Platzierung verbunden werden, beispielsweise über Gasleitungen. Die Verbindungen sind einerseits zwischen den Gaskartuschen ausgebildet. Andererseits sind die Gaskartuschen mit einer Schnittstelle verbunden, z. B. in Form einer Gasleitung mit entsprechender Kupplung, mittels welcher der Gastank mit der Arbeitsmaschine gekoppelt werden kann und über welche das Gas dann an die Arbeitsmaschine abgegeben werden kann. Bei einem Wasserstofftank ist zudem ein Druckminderventil vorgesehen, wodurch die Schnittstelle zwischen Tankmodul und Arbeitsmaschine ein Niederdruckbereich ist. Damit ist ein Wechsel des Gastanks sicherheitstechnisch unkritisch und vor Ort möglich. Generell reicht eine Gaskartusche bereits aus, um eine Arbeitsmaschine mit ausreichend Energie zu versorgen. In Bezug auf den Gastank ist die obengenannte vorgebbare Bedingung der Druck des Gases, der je nach Art des Gases und des Antriebs der Arbeitsmaschine festgelegt wird.
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Durch die Verbindung der Gaskartuschen werden höhere Kapazitäten erreicht, die für längere Arbeitsabläufe oder für Arbeitsabläufe mit einem höheren Energieaufwand benötigt werden. Die Zahl der verbundenen Gaskartuschen wird so festgelegt, dass die Gasmenge, die zum Ausführen der Arbeitsabläufe oder zumindest eines Teils davon benötigt wird, bereitgestellt wird.
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Der Energiespeicher weist vorzugsweise ein Rechengerät in Form eines Moduls auf, das neben den Speichereinheiten im Energiespeicher angeordnet ist. Auf dem Rechengerät wird ein Speichermanagement des Energiespeichers durchgeführt, welches den aktuellen Zustand des Energiespeichers überwacht, speichert und gegebenenfalls weiterleitet. Hierfür kann einer oder mehrere der folgenden Parameter berücksichtigt werden: Die aktuell gespeicherte Energiemenge (elektrische Energie oder Gasmenge), die Temperatur des Energiespeichers, eine aktuelle Position des Energiespeichers (beispielsweise in einem Weltkoordinatensystem) und Belastungen über die Lebensdauer. Die Information über die Position des Energiespeichers in einem Weltkoordinatensystem kann zusammen mit dem Speicherzustand eine optimierte Logistik ermöglichen, um die Speichermodule bedarfsgerecht und effizient auszutauschen oder wieder zu befüllen. Eine Überwachung von Belastungen über die Lebensdauer eines Speichermoduls kann Auskunft über den Alterungszustand geben. So können einzelne Module rechtzeitig vor dem Versagen ersetzt werden und Maschinenausfälle durch defekte Speicher werden vermieden. Die Übertragung kann z. B. über die nachfolgend beschriebene Kommunikationsschnittstelle erfolgen.
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Der Energiespeicher kann vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, die eingerichtet ist, mit der Arbeitsmaschine und/oder mit einer Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers und/oder einem Transportfahrzeug wie unten beschrieben zu kommunizieren oder mit einer zentralen Organisationseinheit, welche das gesamte Speichermanagement sowie einen Austausch und ein Wiederbefüllen koordiniert. Die Kommunikationsschnittstelle kann als Connectivity-Modul ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann die universelle Schnittstelle, über welche die Energie (elektrische Energie oder Gas) an die Arbeitsmaschine übertragen wird, zudem einen Daten-/Informationsaustausch zwischen dem Energiespeicher, genauer dem Rechengerät des Energiespeichers, auf dem das Speichermanagement abläuft, und zumindest der Arbeitsmaschine ermöglichen und somit als Kommunikationsschnittstelle dienen.
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Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Wechseln des vorstehend beschriebenen modularen Energiespeichers für Arbeitsmaschinen vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist eingerichtet, den modularen Energiespeicher aufzunehmen, zu einem Anschlussabschnitt der Arbeitsmaschine zu transportieren und den modularen Energiespeicher dort abzusetzen. Der Anschlussabschnitt ist an der Arbeitsmaschine ausgebildet und weist die Schnittstelle auf, mit der der Energiespeicher gekoppelt wird. Bevorzugt liegt der Anschlussabschnitt innerhalb der Arbeitsmaschine und die modularen Energiespeicher sind im montierten Zustand umschlossen, wobei der Anschlussabschnitt durch die Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers freilegbar ist. Der Energiespeicher wird so abgesetzt, dass die universelle Schnittstelle mit der Schnittstelle der Arbeitsmaschine gekoppelt wird. Die Vorrichtung ist zudem vorzugsweise eingerichtet, einen verbrauchten modularen Energiespeicher aus dem Anschlussabschnitt aufzunehmen und zu entfernen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die die Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers als Kran oder als Greifer ausgebildet. Der Kran bzw. Greifer ist beweglich ausgebildet und greift den modularen Energiespeicher, vorzugsweise an einem dafür ausgebildeten Abschnitt und bewegt ihn zu dem Anschlussabschnitt. Dort wird der Energiespeicher so abgesetzt, dass die universelle Schnittstelle mit der Schnittstelle der Arbeitsmaschine gekoppelt wird, und der Kran bzw. Greifer löst sich. Dies bietet den Vorteil, dass die Energiespeicher in beliebiger Position und horizontaler Orientierung innerhalb des Arbeitsbereichs des Krans bzw. Greifers angeordnet sein können, um vom Kran bzw. Greifer aufgenommen werden zu können und in richtiger Orientierung in den Anschlussabschnitt abgesetzt werden zu können.
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Die Vorrichtung zum Wechseln der modularen Energiespeicher kann entweder an einem Transportfahrzeug angeordnet sein, welches geladene modulare Energiespeicher zur Arbeitsmaschine bringt und/oder leere modulare Energiespeicher mitnimmt. Das Transportfahrzeug kann ein herkömmlicher Lastkraftwagen oder ein unbemanntes Bodenfahrzeug sein, an dem die Vorrichtung zum Wechseln angeordnet ist. Alternativ kann die Vorrichtung zum Wechseln an der Arbeitsmaschine angeordnet sein. Dabei kann die Arbeitsmaschine die eigenen Energiespeicher wechseln und optional die Energiespeicher anderer Arbeitsmaschinen wechseln. Darüber hinaus kann eine andere Arbeitsmaschine auch dazu eingerichtet sein, neben ihrer Arbeitsfunktion, den Wechsel der Energiespeicher an der vorliegenden Arbeitsmaschine vorzunehmen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers als Hebevorrichtung ausgebildet. Die Arbeitsmaschine bewegt sich zu dem Energiespeicher hin, der dann in vorgegebener Orientierung durch die Hebevorrichtung aufgenommen und vertikal angehoben wird und am Anschlussabschnitt abgesetzt wird. Durch die vorgegebene Orientierung passen die Position und die Orientierung der Schnittstellen bereits überein.
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Der Energiespeicher kann bei der Arbeitsmaschine als Ballastierung dienen. Die für manche Arbeitsmaschinen als Gegengewicht erforderliche Masse kann durch die Energiespeicher aufgebracht werden, wodurch die Ballastelemente durch die Energiespeicher ersetzt werden können. Hierfür werden die Anschlussabschnitte in Analogie zu den Ballastelementen positioniert.
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Optional können die Vorrichtung zum Wechseln der modularen Energiespeicher und/oder das Transportfahrzeug ein Kommunikationsmodul zum Datenaustausch mit der Arbeitsmaschine und/oder dem Energiespeicher und optional mit einer Leitstelle aufweisen. Dadurch kann der Wechsel effektiv gesteuert werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Energiespeichers.
- 2 zeigt eine geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform.
- 3 zeigt eine geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Energiespeichers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- 4 zeigt eine Seitenansicht einer Arbeitsmaschine und eines Transportfahrzeugs, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wechseln des Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform aufweist.
- 5 zeigt eine Seitenansicht eines Transportfahrzeugs und einer Arbeitsmaschine, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wechseln des Energiespeichers gemäß einer zweiten Ausführungsform aufweist.
- 6a zeigt eine Seitenansicht und 6b zeigt eine Draufsicht einer Arbeitsmaschine, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wechseln des Energiespeichers gemäß einer dritten Ausführungsform aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen modularen Energiespeichers 1. Der modulare Energiespeicher 1 ist eingerichtet, an einer in den 1 bis 3 nicht gezeigten Arbeitsmaschine befestigt zu werden und mit dieser gekoppelt zu werden. In dem Energiespeicher 1 sind mehrere Speichereinheiten 2 in Form von Modulen angeordnet. Die Speichereinheiten 2 sind z. B. Batteriezellen (siehe 2) oder Gaskartuschen (siehe 3). Die genaue Anordnung ist für zwei Ausführungsformen in den 2 und 3 gezeigt. In den Speichereinheiten 2 ist unter vorgebbaren Bedingungen, wie z. B. der elektrischen Spannung bei Batteriezellen oder dem Druck des Gases bei Gaskartuschen eine bestimmte Energiemenge gespeichert. Die Speichereinheiten 2 sind untereinander verbunden (die Verbindungen sind hier nicht gezeigt), um die vorgegebenen Bedingungen für die Arbeitsmaschine zu erfüllen und/oder die Energiekapazität des Energiespeichers 1 zu erhöhen. Näheres hierzu wird in der Beschreibung im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen in den 2 und 3 ausgeführt.
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Die Zahl der Speichereinheiten 2, die in dem Energiespeicher 1 aufgenommen sind, und die Verbindungen der Speichereinheiten 2 untereinander werden so festgelegt, dass die vorgebbaren Bedingungen für die Arbeitsmaschine erfüllt werden und der Energiebedarf abgedeckt wird. Das heißt, die Zahl der Speichereinheiten 2, die im Energiespeicher 1 aufgenommen sind, kann kleiner als die Maximalanzahl von im Energiespeicher 1 möglichen aufgenommenen Speichereinheiten 2 sein. Die Funktion des Energiespeichers 1 kann bereits mit einer in diesem aufgenommenen Speichereinheit 2 erreicht werden.
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Die Speichereinheiten 2 sind mit einer universellen Schnittstelle 3 verbunden, die in Form eines Moduls im Energiespeicher 1 angeordnet ist. Die universelle Schnittstelle 3 ist eingerichtet, mit einer Schnittstelle (nicht gezeigt) der Arbeitsmaschine gekoppelt zu werden, wenn der Energiespeicher 1 an der Arbeitsmaschine befestigt wird, und dann die in den Speichereinheiten 2 gespeicherte Energie an die Arbeitsmaschine zu übertragen. Zudem weist die universelle Schnittstelle 3 die Funktion einer Kommunikationsschnittstelle auf, über die ein Daten-/Informationsaustausch zumindest mit der Arbeitsmaschine erfolgt. Demnach wird ein Connectivity-Modul im Energiespeicher 1 bereitgestellt.
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Darüber hinaus weist der Energiespeicher 1 ein Rechengerät 4 auf, das in Form eines Moduls im Energiespeicher 1 angeordnet ist. Auf diesem Rechengerät wird ein Speichermanagement des Energiespeichers durchgeführt, welches die aktuell gespeicherte Energiemenge, die Temperatur des Energiespeichers 1, eine aktuelle Position des Energiespeichers 1 in einem Weltkoordinatensystem und Belastungen über die Lebensdauer des Energiespeichers 1 überwacht und speichert. Diese Daten-/Informationen werden dann über die universelle Schnittstelle 3 übertragen.
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Die Schnittstelle 3 und das Rechengerät 4 sind in den nachfolgend beschriebenen Energiespeichern 11, 21 ebenfalls vorhanden, allerdings werden sie aus Gründen der Übersicht in den weiteren Figuren nicht dargestellt.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform des modularen Energiespeichers als elektrische Batterie 11 dargestellt. Es ist eine aufgeschnittene Ansicht auf die Batterie 11 gezeigt. Die Speichereinheiten sind baugleiche Batteriezellen 12, die jeweils eine bestimmte Menge elektrischer Energie speichern. Im Zusammenhang mit Batterien ist die vorgebbare Bedingung die elektrische Spannung, die zum Betreiben der Arbeitsmaschine benötigt wird. Die Batteriezellen 12 sind innerhalb der elektrischen Batterie 11 nebeneinander angeordnet, können aber auch übereinander angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen können Steckplätze vorgesehen sein, welche an vorher festgelegten Positionen angeordnet sind und im Vorhinein bereits miteinander verbunden sind. Die Batteriezellen werden dann in die Steckplätze eingesteckt, wobei nicht alle Steckplätze aufgefüllt werden müssen. In weiteren Ausführungsformen können die Verbindungen angelegt werden, wenn die Batteriezellen bereits platziert sind. Die Verbindung der Batteriezellen 12 wird über hier nicht dargestellte Leiter zwischen den Batteriezellen 12 hergestellt. In 2 ist ein Speicherstrang, der aus sechs in Reihe geschalteten Batteriezellen 12 besteht, dargestellt. Durch die Reihenschaltung beträgt die elektrische Spannung über den Speicherstrang hinweg das Sechsfache der elektrischen Spannung einer Batteriezelle 12. Somit können höhere elektrische Spannungen zum Betreiben der Arbeitsmaschine erreicht werden. Die sechs Batteriezellen 12 sind ausreichend, um die Arbeitsmaschine zu betreiben. Mehrere solcher Speicherstränge können parallel miteinander verbunden werden, wodurch die Kapazität der elektrischen Batterie 11 erhöht wird. Die Schnittstelle 3 zur Übertragung der elektrischen Energie an die Arbeitsmaschine ist in diesem Ausführungsbeispiel als (nicht dargestellter) Stecker mit einem Kabel oder als (nicht dargestellte) Steckdose ausgebildet.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des modularen Energiespeichers als Gastank 21 dargestellt. Der Gastank 21 kann als Beispiel ein Erdgastank sein, mit dem ein Erdgas-Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle der Arbeitsmaschine betrieben wird. Als weiteres Beispiel kann der Gastank 21 ein Wasserstofftank sein, mit dem Wasserstoff für eine Brennstoffzelle der Arbeitsmaschine bereitgestellt wird. Es ist eine aufgeschnittene Ansicht auf den Gastank 11 gezeigt. Die Speichereinheiten sind baugleiche Gaskartuschen 22, die jeweils eine bestimmte Menge des entsprechenden Gases unter Druck speichern. Im Zusammenhang mit Gastanks ist die vorgebbare Bedingung der Druck, mit dem das Gas gespeichert ist. Die Gaskartuschen 22 sind innerhalb des Gastanks 21 nebeneinander angeordnet, können aber auch übereinander angeordnet sein. In 3 sind sechs miteinander verbundene Gaskartuschen 22 dargestellt. Die Verbindung wird über hier nicht dargestellte Schläuche zwischen den Gaskartuschen 22 hergestellt. Bereits eine im Gastank 21 aufgenommene Gaskartusche 22 reicht aus, um die Arbeitsmaschine zu betreiben. Durch die Verbindung der sechs Gaskartuschen 22 wird die Kapazität des Gastanks 21 auf das Sechsfache erhöht. Die Schnittstelle zur Übertragung des Gases an die Arbeitsmaschine ist in diesem Ausführungsbeispiel als (nicht dargestellte) Gasleitung mit entsprechender Kupplung ausgebildet. Für den Fall eines Wasserstofftanks ist ein (nicht dargestelltes) Druckminderventil vorgesehen, wodurch die Schnittstelle 3 im Niederdruckbereich liegt.
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Wie eingangs bereits beschrieben, können die modularen Energiespeicher 1 ausgewechselt werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300, 310, 400 zum Wechseln der Energiespeicher 1 sind nachfolgend im Zusammenhang mit den 4 bis 6 beschrieben. Es ist jeweils eine Arbeitsmaschine 100 in Form eines Baggers dargestellt, die Anschlussabschnitte 101 zur Aufnahme der Energiespeicher 1 aufweisen. An jedem Anschlussabschnitt 101 ist eine hier nicht gezeigte Schnittstelle der Arbeitsmaschine 100 vorgesehen, die mit der universellen Schnittstelle 3 des Energiespeichers 1 gekoppelt wird, wenn der modulare Energiespeicher 1 in den Anschlussabschnitt abgesetzt wird. Der Anschlussabschnitt 101 liegt innerhalb der Arbeitsmaschine und die modularen Energiespeicher 1 sind im montierten Zustand umschlossen.
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Die 4 und 5 zeigen Seitenansichten der Arbeitsmaschine 100 und eines Transportfahrzeugs 200, welches die Energiespeicher 1 transportiert. Die Vorrichtung zum Wechseln der Energiespeicher 1 ist in zwei Ausführungsformen in Form eines Krans 300, 310 dargestellt. In weiteren Ausführungsformen ist anstelle des Krans 300, 310 ein Greifer vorgesehen. Der Kran 300, 310 nimmt einen geladenen modularen Energiespeicher 1 vom Transportfahrzeug 200 auf und bewegt ihn zum Anschlussabschnitt 101 der Arbeitsmaschine 100. Der Anschlussabschnitt 101 wird durch den Kran 300 freigelegt und der modulare Energiespeicher 1 in den Anschlussabschnitt 101 abgesetzt und zwar derart, dass die Schnittstelle 3 des Energiespeichers mit der Schnittstelle der Arbeitsmaschine verbunden werden kann. Im Anschluss wird der modulare Energiespeicher 1 im montierten Zustand umschlossen.
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Wenn ein Energiespeicher 1 nach dem Betrieb der Arbeitsmaschine 100 leer ist und gewechselt werden muss, so wird der Anschlussabschnitt 101 vom Kran 300 freigelegt, der leere Energiespeicher 1 aus der Arbeitsmaschine 100 aufgenommen und auf dem Transportfahrzeug 200 abgelegt, bevor wie vorstehend beschrieben der geladene Energiespeicher 1 aufgenommen wird. Im Anschluss wird wie vorstehend beschrieben der geladene Energiespeicher 1 vom Transportfahrzeug 200 aufgenommen und in den frei gewordenen Anschlussabschnitt 101 der Arbeitsmaschine 100 eingesetzt.
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In der ersten Ausführungsform in 4 ist der Kran 300 an dem Transportfahrzeug 200 angeordnet. In der zweiten Ausführungsform in 5 ist der Kran 310 an der Arbeitsmaschine 100 angeordnet. Bei der zweiten Ausführungsform kann die Arbeitsmaschine 100 auch verwendet werden, um bei einer anderen, hier nicht gezeigten Arbeitsmaschine den Wechsel der modularen Energiespeicher 1 durchzuführen.
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6 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wechseln des modularen Energiespeichers 1 in Form einer Hebevorrichtung 400. 6a zeigt eine Seitenansicht und 6b eine Draufsicht der Arbeitsmaschine 100. Die Hebevorrichtung 400 ist im Rückraum der Arbeitsmaschine 100 angeordnet. Um einen geladenen modularen Energiespeicher 1 aufzunehmen, wird die Hebevorrichtung 400 mit vorgegebener Orientierung, wie in 6a gezeigt, über dem Energiespeicher 1 platziert ist. Dann nimmt die Hebevorrichtung 400 den modularen Energiespeicher 1 auf und bewegt ihn in den Anschlussabschnitt 101. Der Anschlussabschnitt 101 wird durch die Hebevorrichtung 400 freigelegt und der modulare Energiespeicher 1 in den Anschlussabschnitt 101 abgesetzt und zwar derart, dass die Schnittstelle 3 des Energiespeichers mit der Schnittstelle der Arbeitsmaschine verbunden werden kann.
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Wenn ein Energiespeicher 1 nach dem Betrieb der Arbeitsmaschine 100 leer ist und gewechselt werden muss, so wird der Anschlussabschnitt 101 von der Hebevorrichtung 400 freigelegt, der leere Energiespeicher 1 aufgenommen, nach unten bewegt und dann abgesetzt, bevor wie vorstehend beschrieben der geladene Energiespeicher 1 aufgenommen wird. Im Anschluss wird wie vorstehend beschrieben der geladene Energiespeicher 1 aufgenommen und in den frei gewordenen Anschlussabschnitt 101 der Arbeitsmaschine 100 eingesetzt.
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Durch die Anordnung der Energiespeicher 1 im Rückraum und das Gewicht der Energiespeicher 1 können diese als Ballastierung für die Arbeitsmaschine 100 verwendet werden und als Gegengewicht dienen.
