DE10225962A1

DE10225962A1 - Stromschiene in Strassenbelag als Antrieb für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE10225962A1
Application number: DE10225962A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Miller
Original assignee: Bernhard Miller
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: DE10225962B4; AU2003237676A1; WO2003104016A1

Abstract

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Stromschiene in die Fahrbahnoberfläche zu integrieren. Mit Hilfe eines Stromabnehmers, welcher am Unterboden eines Fahrzeugs angebracht ist, können elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einer externen Versorgungsspannung betrieben werden. DOLLAR A Gleichzeitig kann die Stromschiene als Lenkungsführung verwendet werden. Durch eine Kommunikation zwischen Schienensystem und dem jeweiligen Fahrzeug können Geschwindigkeit und Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug automatisch gesteuert werden. DOLLAR A Der Einbau einer Stromschiene in die Fahrbahn wird ermöglicht durch Verwendung einer schnell abschaltbaren Stromschiene. Die Versorgungsspannung wird unmittelbar vor dem Passieren eines Fahrzeugs zugeschaltet und sofort nach dem Passieren des Fahrzeugs wieder abgeschaltet.

Description

Seit Jahren sind Fahrzeuge bekannt, welche in ihrer Lenkung spurgeführt werden. Diese Lenkungsführung erfolgt über Leitkabel welche in die Fahrbahn integriert sind und von Sensoren abgetastet werden (Fa. Robert Bosch). Auch sind Busse bekannt, bei denen eine Videokamera die Fahrbahnmarkierungen abtastet und auswertet (Irisbus Civis). Von DB sind in Essen duobetriebene Busse im Einsatz, welche eine mechanische Führung entlang seitlicher Betonwände nutzen. Teilweise folgen diese Busse dem Schienennetz von Straßenbahnlinien.
Als Antrieb solcher Fahrzeuge dient üblicherweise ein Dieselmotor oder ein Elektromotor, welcher aus Batterien oder zwei Oberleitungen gespeist wird.
Aus einer Offenlegungsschrift DE 44 17 065 A1 ist desweiteren bekannt, dass eine Stromschiene seitlich der Fahrbahn als Stromeinspeisung für elektrisch betriebene Fahrzeuge verwendet werden kann.
Diese Fahrzeuge können sowohl von einem Verbrennungsmotor als auch mit einem Elektroantrieb entlang der Schiene betrieben werden.

2. Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Der Grundgedanke dieser Erfindung besteht darin, verschiedene Fahrzeuge (PKW, Busse, LKW) elektrisch mit einem extern zugeführten Strom zu betreiben.
Damit kann eine deutliche Erhöhung des Komforts und der Verkehrssicherheit (LKW-Unfälle) erreicht werden bei gleichzeitig erheblicher Energieeinsparung und Schadstoffentlastung. Laut einer Untersuchung der Uni Aachen sollen damit Fahrzeuge mit umgerechnet weniger als 1 Liter pro 100 km betrieben werden können (Basis FZ- Gewicht: 700 kg). Duobetriebene Fahrzeuge (z. B. Verbrennungs- und Elektromotor) können auf das Mitführen von Akkus verzichten. Elektrofahrzeuge können während der Fahrt ihre Akkus aufladen. Im Bereich von Gefällstrecken kann frei werdende Bremsenergie wieder in das Stromnetz zurückgespeist werden.
Eine durch das Schienensystem gesteuerte Optimierung des Verkehrsflusses ermöglicht die deutliche Energie- und Schadstoffreduzierung, verbunden mit der zentralen Energieerzeugung (und Abgasentgiftung) in Kraftwerken und/oder der Nutzung regenerativen Energien.
Die Stromzuführung wird dadurch realisiert, dass eine Stromschiene in die Fahrbahnoberfläche eingebracht wird. Dies wird ermöglicht durch Verwendung einer abschaltbaren Stromschiene, d. h., die Versorgungsspannung wird unmittelbar vor dem Passieren eines Fahrzeuges zugeschaltet. Sofort nach dem Passieren wird diese Spannung wieder abgeschaltet. Moderne Leistungshalbleiterschalter wie sie z. B. zum Betrieb von Straßenbahnen verwendet werden, können die Spannung notfalls im Millisekundenbereich abschalten.
Im Gegensatz zur oben erwähnten Offenlegungsschrift ist es, mit einer in die Fahrbahn integrierten Stromschiene möglich, mehrere parallele Fahrspuren auf Autobahnen mit einer Stromschiene auszurüsten. Der bei Autobahnen übliche seitliche Pannenstreifen ist hierdurch ebenfalls weiterhin nutzbar.
Schließlich vereinfacht sich der mechanische Schutz im Falle eines Unfalles, da die seitliche Stromschiene eine sehr hohe mechanische Stabilität aufbringen muss, während die in der Fahrbahn integrierte Stromschiene keine abstehenden Teile besitzt und somit keine Angriffspunkte liefert.
Desweiteren ist es bei einer in die Fahrbahn integrierten Stromschiene möglich, auf einfache Art Abzweigungen der Schiene ohne bewegte Teile zu realisieren was bei einer seitlich der Fahrbahn angebrachten Stromschiene nicht möglich ist.
Die in die Fahrbahn eingelassene Stromschiene lässt sich damit wesentlich besser in die bestehende Straßeninfrastruktur integrieren und damit weit kostengünstiger und einfacher realisieren.

3. Detaillierte Beschreibung

Um eine Stromschiene direkt in der Fahrbahn anbringen zu können, bedarf es einiger Maßnahmen, welche die Sicherheit vor Berührung spannungsführender Teile sowie eine allwettertaugliche zuverlässige Funktion des Systems gewährleisten. Eine in einer Vertiefung vor Berührung geschützte Stromschiene würde zu einem größeren Realisierungsaufwand und zu weiterführenden Probleme bei Nässe und Eisbildung führen. Daher wird eine Lösung vorgeschlagen, welche lediglich eine kleine Vertiefung zur Lenkungsführung des Stromabnehmers beinhaltet. Diese rillenförmige Vertiefung wurde im ausgeführten Beispiel in den Stromschienensegmenten (1, 2) dargestellt.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schienensegmente mit einer ebenen Oberfläche auszuführen und dafür eine separate rillenartige Vertiefung oder Steg für eine Seitenführung des Stromabnehmers vorzusehen.
Die Versorgungsspannung sollte ungefähr 2-5 kV betragen um die Ströme am Stromabnehmer für LKWs auf einen akzeptablen Maximalwert zu begrenzen. Aus Hochspannungsuntersuchungen ist bekannt, dass bei Spannungen von 2-5 kV AC in diesem beschriebenen Anwendungsfall auch bei schlechten Umweltbedingungen keine Probleme mit Spannungsüberschlägen zu erwarten sind. Im Fehlerfall ist die Möglichkeit einer schnellen und sicheren Netzfreischaltung der Stromschiene trotzdem notwendig.
Wird die spannungsführende Stromschiene (2) in kleine, jeweils einzeln zuschaltbare Segmentabschnitte von ca. 10-30 m Länge unterteilt, so kann direkt vor dem Passieren eines Fahrzeugs über dem jeweiligen Stromschienensegment (2) dieses Segment zugeschaltet und sofort nach dem Passieren des Fahrzeugs wieder abgeschaltet werden. Bei Verwendung einer Wechselspannung kann zur Vermeidung von Störspannungen die Zu- bzw. Abschaltung der Stromschiene jeweils im Nulldurchgang erfolgen.
Da ein Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von z. B. 100 km/h eine Wegstrecke von 28 m pro Sekunde zurücklegt, genügt eine Segmentlänge von ca. 20 m um die Stromschiene in weniger als 1 Sekunde vor dem Passieren eines Fahrzeugs einzuschalten.
Dabei genügt es, jeweils nach zwei Stromschienensegmenten Steuergeräte (8, 10) anzubringen um die Spannung an der Schiene des jeweils zurück- und vorausliegenden Stromschienensegments zu schalten und zu überwachen.
Aus Sicherheitsgründen kann die Ansteuerung und Überwachung der einzelnen Stromschienensegmente redundant ausgeführt werden. Damit wäre bei einer Stromsegmentlänge von z. B. 20 m lediglich alle 40 m eine Steuereinheit (8, 10) notwendig.
Das Steuergerät (8) sowie der Leistungsschalter (10) zur Zuschaltung der Spannung kann in der Stromschiene integriert sein oder als externes Gerät am Fahrbahnrand untergebracht werden.
Um eine möglichst geringe Einbaugröße für die Stromschiene zu ermöglichen, können, wie in Fig. 4 dargestellt, neben dem Steuergerät (8) auch die Versorgungsleitungen (3, 4, 9) außerhalb der Stromschiene am Fahrbahnrand entlang mitgeführt werden. Dies kann vor allem bei nachträglicher Einbringung der Stromschiene in einen bereits vorhandenen Fahrbahnbelag vorteilhaft sein.
Die Masseversorgung ist ebenfalls in Segmentabschnitte aufgeteilt. Dadurch kann zum weiteren Schutz vor Berührung eine Fehlerstromschutzschaltung realisiert werden. Um die Stromschiene vor Spannungsüberschlägen (bei extremer Witterung) zu schützen, sind ebenfalls Schaltungen bekannt, welche im Falle von beginnenden Spannungsüberschlägen eine schnelle Erkennung und Abschaltung ermöglichen. Gegebenenfalls kann durch Absenkung der Versorgungsspannung der Bildung weiterer Spannungsüberschläge vorgebeugt werden.
An Straßenabgängen kann eine Stromschienenverzweigung ohne bewegte Weichenteile auf einfache Weise realisiert werden. In Fig. 2 wird ein solches Schienensegment mit einer Abzweigung dargestellt. Passiert ein Fahrzeug z. B. eine Stelle mit einer Abzweigung nach rechts, möchte jedoch weiterhin geradeaus fahren, dann drückt das Fahrzeug den Stromabnehmer (18) nach unten links (16). Damit schleift der Stromabnehmer an der linken schrägen Wand der Stromschienensegmente (1, 2) entlang und wählt somit eine weitere Geradeausfahrt. Soll das Fahrzeug nach rechts abbiegen, dann wird der Stromabnehmer (18) nach unten rechts (17) gedrückt. Damit folgt der Stromabnehmer der rechten schrägen Wand der Stromschienensegmente (1, 2) und biegt somit nach rechts ab. Dabei genügt es, wenn eine der beiden Stromabnehmer (19) im Weichenbereich eine vertikale bzw. horizontale Führung hat.
Im kurzen Bereich der beiden Stromschienenüberkreuzungen sind die Stromschienen unterbrochen (26) (siehe Fig. 3). Ein Akku (etwas größere Starterbatterie) überbrückt den kurzzeitigen Versorgungsausfall. Bei Beaufschlagung der mittigen Schienensegmente (27) im Bereich der Weiche mit wahlweise Masse- oder Versorgungspotential kann die Länge der Versorgungsunterbrechung der Schiene minimiert werden.
Mit Hilfe der Stromabnehmer können mittels Hochfrequenzmodulation verschiedene Informationen zwischen dem Schienensystem und dem Fahrzeug ausgetauscht werden. Das Stromschienensystem kann Informationen wie momentane Fahrzeugposition, Sollgeschwindigkeit, Energieverbrauch, Abstand zum vorausfahrenden und nachfolgenden Fahrzeug an das Fahrzeug übermitteln. Vom Fahrzeug wiederum können Fahrzeugdaten wie gewünschtes Fahrtziel, Fahrzeuglänge, Fahrzeugart, Gewicht sowie allgemeine Infos an voraus- oder nachfolgende Fahrzeuge gesendet werden.
Durch eine Düse (21) wird ein Luftstrom des Fahrtwindes umgelenkt und auf die Stromschienensegmente (1, 2) geleitet. Damit können eventuelle Ansammlungen von Wasser oder Verschmutzung weggeblasen und damit die Kontaktflächen der Stromschienensegmente gereinigt werden. Ähnlich einem Schneeräumschild (22), angebracht am Stromabnehmer können größere Gegenstände von der Schiene geräumt werden.
Als Redundanz für die mechanische Spurführung kann z. B. ein optisches Spurerkennungssystem verwendet werden, welches mit einer Kamera die Stromschiene erfasst. Dieses optische System kann gleichzeitig auch als Redundanz zur Fahrzeugabstandssteuerung der Stromschiene verwendet werden.
Während des Andockens des Stromabnehmers an die Stromschiene kann die richtige Fahrzeugposition über der Stromschiene durch den Fahrer oder mit Hilfe des optischen Spurführungssystems angesteuert werden.

Zeichnungen

In Fig. 1 ist in einer Schnittzeichnung eine in die Fahrbahn eingelassene Stromschiene dargestellt. Fig. 2 zeigt in einer räumlichen Schnittdarstellung eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung. Fig. 3 zeigt ebenfalls wie in Fig. 2 in Draufsicht eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung. Fig. 4 zeigt in einer Schnittzeichnung eine Stromschiene mit einem fahrzeugseitig angelegten Stromabnehmer. Diese Stromschiene besteht lediglich aus den beiden Stromschienensegmenten (Masse- und Versorgungspotential). Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht einen Stromabnehmer mit Strömungsdüse. Legende 1 Stromschienensegment Massepotential (z. B. 20 m Länge)
2 Stromschienensegment Versorgungspotential (z. B. 20 m Länge)
3 Durchgehende Hauptzuleitung Massepotential
4 Durchgehende Hauptzuleitung Versorgungspotential
5 Isolierung für Hauptzuleitungen
6 Außengehäuse der Stromschiene
7 Fahrbahnbelag
8 Steuergerät für Stromsegmentzuschaltung, Fehlerstromerkennung, Spannungsüberschlagerkennung, FZ-Kommunikation etc.
9 Signalleitung zur Vernetzung der einzelnen SG (8) mit einem externen Leitrechner
10 Leistungsschalter (elektronisch) zur Zuschaltung des Stromschienensegments (2)
11 Hochisolierende, schmutzabweisende und wasserdichte Abdeckung
12 Elektrische Beheizung der Stromschienensegmente zur Verhinderung von Eisbildung
13 Isolierende tragfähige Zwischenschicht
14 Stromschienensegment abbiegend Massepotential
15 Stromschienensegment abbiegend Versorgungspotential
16 Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung links
17 Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung rechts
18 Stromabnehmer
19 Kontaktelemente des Stromabnehmers in Form von Schleifern oder Rollen
20 Isolierende Abdeckung zwischen Massestromsegment und Gehäuse
21 Düse zur Umlenkung des Fahrtwindes um Stromschienensegmente (1, 2) zu Reinigen
22 Pflugähnliche Vorrichtung zum Räumen der Schiene von Gegenständen oder Schnee
23 Befestigungsschraube zum Austauschen der Stromschienensegmente bei Verschleiß
24 Umlaufende Dichtung zum Abdichten bei Austausch der Stromschienensegmente
25 Elektromagnetische Abschirmung der Hauptleitungen (Minimierung von Elektrosmog)
26 Unterbrechung des Stromschienensegments

Claims

1. Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschiene dem Fahrbahnbelag zugeordnet, insbesondere in diesen integriert ist.

2. Stromschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines im Bereich des Unterbodens von Fahrzeugen angebrachten Stromabnehmers (18) diese Fahrzeuge mit Strom aus der Stromschiene angetrieben werden.

3. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gefällebereich die elektrischen Antriebsaggregate des Fahrzeugs die entstehende Bremsenergie zurückgewinnen und über die Stromschiene wieder ins Netz zurückspeisen.

4. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene zur Lenkungsführung des Fahrzeugs verwendet wird.

5. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromschienensegmente (1, 2) zum Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Schienensystem verwendet werden und, dass damit die Fahrzeugposition entlang der Schiene sowie das Fahrzeug in seiner Geschwindigkeit und seinem Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug ermittelt und gesteuert wird.

6. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienensegmente zur Verhinderung von Eisbildung im Winter mit einer Heizung (z. B. elektrischer Begleitheizung) ausgestattet sind.

7. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptversorgungsleitung (3, 4) ebenfalls in der Schiene mitgeführt wird.

8. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschiene auch Abzweigungen enthält (z. B. an Autobahnausfahrten).

9. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschienenabzweigungen auch ohne mechanisch bewegten Teile betrieben werden.

10. Stromabnehmer für den elektrischen Abgriff einer Spannung aus einer Stromversorgungsschiene (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromabnehmer im Bereich der Stromschienenverzweigung (Weiche) zum Zwecke des gezielten Richtungswunsches wahlweise mit einer Seitenkraft der Art beaufschlagt wird, so dass der Stromabnehmer an die rechte oder linke Seitenwand des Stromschienensegments (1, 2) angedrückt wird und dadurch das Fahrzeug entsprechend der geraden (1, 2) oder abbiegenden Stromschiene (14, 15) folgt.

11. Stromabnehmer (18) für den elektrischen Abgriff einer Spannung aus einer Stromversorgungsschiene (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer aus dem Fahrtwind umgelenkten Luftströmungsdüse, welche mit dem Stromabnehmer (18) verbunden ist, Luft in die Rinne der Stromschienensegmente (1, 2) geblasen wird um damit eventuelle Ansammlungen von Wasser oder Verschmutzung wegzublasen und diese Rinne damit gereinigt wird.