DE19641254C2 - Wechselvorrichtung für Energie-Versorgungs-Einheiten von Straßenfahrzeugen - Google Patents

Wechselvorrichtung für Energie-Versorgungs-Einheiten von Straßenfahrzeugen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselvorrichtung für Energie-Versorgungs-Einheiten von Straßenfahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einer derartigen, aus der DE 42 29 687 A1 bekannten Wechselvorrichtung werden die Energie-Versorgungs-Einheiten zwischen einer Ladestation und einer Hubvorrichtung über einen Querförderer verfahren. In der Übergabeposition wird die jeweils zu entnehmende oder an das Fahrzeug zu übergebende, also in das Fahrzeug einzusetzende Energie-Versorgungs- Einheit vom Fahrgestell auf den darunterliegenden Querförderer oder von diesem Querförderer auf das Fahrgestell durch die Hubvorrichtung versetzt, die auf eine die Energie- Versorgungs-Einheit tragende Bodenplatte wirkt, der Entriegelungsvorrichtungen zum selbsttätigen Ver- oder Entriegeln gegenüber dem Fahrgestell des Fahrzeuges zugeordnet sind.
Das Fahrzeug nimmt bei einer derartigen "stationär" ausgebildeten Wechselvorrichtung eine "passive" Rolle ein, da es lediglich in geeigneter Lage zur Wechselvorrichtung positioniert werden muß, der eigentliche Wechselvorgang aber über die Wechselstation erfolgt, der entsprechende Hubvorrichtungen zugeordnet sind, denen auch eine Manipulator-Funktion zukommt. Der Aufwand für die Wechselvorrichtung ist dadurch erheblich.
Darüberhinaus ist es auch schon bekannt (DE-GM 18 55 446), Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge teilweise mit austauschbaren Energie-Versorgungs-Einheiten auszustatten, so beispielsweise mit einer einen Ladegenerator umfassenden Ladeanlage anstelle eines Batterieteiles, und zwar in Anpassung an verschiedene Anwendungsbereiche.
Daneben sind Kraftfahrzeuge in Form von Experimental- und Forschungsfahrzeugen bekannt geworden, bei denen schubladenartig in das Fahrzeug einzuschiebende Batteriepakete an Ladestationen übergeben oder aus diesen entnommen werden müssen, und zwar unter Verwendung von Hilfseinrichtungen wie Fahrwagen, Rollenböden oder Hubfahrzeugen, so daß auch hier verhältnismäßig aufwendige "Wechselvorrichtungen" gegeben sind.
Bei aus der Praxis bekannten hybriden Antriebssystemen für Fahrzeuge sind fahrzeugfeste Elektrizitätsversorgungssysteme, wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen und über diese angetriebene Generatoren in Kombination mit elektrischen Speichersystemen, meist Batteriesystemen eingesetzt. Solche Hybridsysteme kommen zwar ohne aufwendige Wechselvorrichtungen aus, sind aber als solche sehr aufwendig und für Einsatzfälle weniger geeignet, bei denen der reine Batteriebetrieb im Vordergrund steht, zum Beispiel wegen des Einsatzes in Gebieten, in denen der Betrieb von Brennkraftmaschinen weitgehend nicht erlaubt ist.
Der Erfindung liegt in Bezug auf Wechselvorrichtungen der eingangs genannten Art die Aufgabe zugrunde, diese in ihrem Aufbau zu vereinfachen, und trotz dieser Vereinfachung und Verbilligung die Handhabung auch großer und schwerer Energie-Versorgungs-Einheiten zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies mit Wechselvorrichtungen der im Anspruch 1 umrissenen Art erreicht, da die mit dem Wechselvorgang verbundenen Funktionen auf das Fahrzeug und die Ladestation verteilt werden und die Nutzung fahrzeugseitig vorhandener Einrichtungen für die mit dem Wechselvorgang verbundene Hubfunktion einen wesentlich vereinfachten Aufbau der Wechselvorrichtung ermöglicht. Durch die Anordnung der Energie-Versorgungs- Einheit an einer Stirnseite des Fahrzeuges wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die Voraussetzung geschaffen, daß die Energie-Versorgungs-Einheit über die Stirnseite des Fahrzeuges eingesetzt werden kann, und zwar in Zusammenwirken mit wenigstens einem Tragarm der Ladestation, der sich bei der Übergabe quasi in das Fahrzeug hinein erstreckt, so daß über Niveauänderungen des Fahrgestelles der für die Übergabe zwischen Ladestation und Fahrzeug erforderliche Höhenversatz erreicht wird. In Verbindung beispielsweise mit einem luftgefederten Fahrzeug bedingt eine solche Niveauänderung keine weitergehenden Eingriffe in das Fahrzeug, und es kann die Ladestation insoweit als statische Einheit ausgeführt werden, was entsprechende Vereinfachungen ergibt. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Wechselvorrichtung sind dabei unabhängig vom funktionellen Aufbau der Energie- Versorgungs-Einheiten gegeben, so daß durch die Erfindung auch die Voraussetzung für eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Energie-Versorgungs-Systeme geschaffen wird. Ferner ist auch im Reparaturfalle außerhalb von stationären Wechselstationen ein schneller Austausch von Energie-Versorgungs-Einheiten möglich, da bei Ausfall der Energie- Versorgungs-Einheit und entsprechender Immobilität des mit dieser ausgerüsteten Fahrzeuges über ein entsprechend andockbares und in seinem Niveau veränderliches Reparaturfahrzeug eine schnelle Auswechslung der Energie-Versorgungs-Einheit möglich ist.
In Verbindung damit, daß die an Fahrzeug und Ladestation vorgesehenen Einschubebenen für die Versorgungseinheiten senkrecht zueinander stehen und die seitens der Ladestation vorgesehenen Tragarme beim Verfahren des Fahrzeugs in die Ladestation in die Energie- Versorgungs-Einheit quasi eingefädelt werden, was in Verbindung mit fahrzeugseitigen Niveauänderungen ein Umsetzen der Energie-Versorgungs-Einheit zwischen Fahrzeug und Ladestation ohne weitere Hilfsmittel möglich macht, können darüberhinaus Energie- Versorgungs-Einheiten auch unterschiedlichen funktionellen Aufbaus in einer Ladestation gewechselt werden, wenn diese entsprechend ausgerüstet ist.
Zweckmäßig ist es im Rahmen der Erfindung insbesondere, in Verbindung mit einer aufrechten, fahrzeugseitigen Einschubebene für die Energie-Versorgungs-Einheit auf seiten der Ladestation ein Hängesystem vorzusehen, das durch einen, bevorzugt zwei Tragarme gebildet ist, die in entsprechende, rohrförmige Aufnahmen einfahrbar sind, welche der Energie-Versorgungs-Einheit zugeordnet sind. Durch eine derartige Lösung ergibt sich in der Ladestation, wenn die Tragarme im oberen Bereich der Energie-Versorgungs-Einheit angreifen, eine hängende Fixierung für die Versorgungseinheit, wobei die hängende Position durch das Einschieben der Energie-Versorgungs-Einheit über ein entsprechend herangefahrenes Fahrzeug - oder auch umgekehrt - erreicht werden kann, und wobei in Verbindung mit dem Einfahren in die Hängeposition gleichzeitig auch eine Kontaktierung für die der Versorgungseinheit zugeordneten Einrichtungen mit den entsprechenden Anschlüssen der Ladestation erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft ist dies erreichbar durch eine dem unteren Bereich der Ladestation zugeordnete Kontaktschiene, die analog zu den Tragarmen auskragt und die mit der Bodenzone der der Energie-Versorgungs-Einheit zugeordneten Kontakte in Verbindung kommt. Diese Kontakte sind bevorzugt aufrechte Kontaktstifte, welche beim Einsetzen der Energie-Versorgungs-Einheit in das Fahrzeug in entsprechende fahrzeugseitige Kontaktaufnahmen eingreifen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
Fig. 1 eine perspektivische Rückansicht eines Nutzfahrzeuges mit rückseitig vorgesehener, auswechselbarer Energie-Versorgungs-Einheit zeigt,
Fig. 2 den Umriß einer solchen Versorgungseinheit ohne die entsprechenden Versorgungseinrichtungen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Lade- und/oder Wechselstation für Energie-Versorgungs-Einheiten und den Wechsel einer Versorgungseinheit aus der Ladestation in das Fahrzeug bzw. umgekehrt,
Fig. 4 eine Energie-Versorgungs-Einheit als Batterie-Speicher-Einheit, und
Fig. 5 eine Energie-Versorgungs-Einheit in Form eines hybriden Antriebsmoduls.
In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Nutzfahrzeug gezeigt, das insgesamt mit 1 bezeichnet ist und das frontseitig ein Fahrerhaus 2, heckseitig eine auswechselbare Energie-Versorgungs- Einheit 3 und dazwischenliegend einen Ladeaufbau 4, beispielsweise in Form eines Containers oder dergleichen aufweist. Getragen werden die vorgenannten Bestandteile des Fahrzeuges von einem Fahrgestell 5, das front- und heckseitig jeweils nahe den Enden des Fahrzeuges mit Rädern 6 versehen ist und das in herkömmlicher Bauweise oder auch modular aufgebaut sein kann, in Analogie zur Aufgliederung in Fahrerhaus 2, Ladeaufbau 4 und Energie-Versorgungs-Einheit 3. Das Fahrgestell 5 ist in seiner Niveaulage gegenüber dem Boden veränderlich, beispielsweise über eine Luftfederung, so daß die Höhenlage, sowohl im Hinblick auf die Anpassung an unterschiedliche Bodenverhältnisse als auch zu Ladezwecken wunschweise verändert werden kann.
Die Energie-Versorgungs-Einheit 3, die im Ausführungsbeispiel über den hinteren Rädern 6 liegt, kann in Abwandlung zum gezeigten Ausführungsbeispiel auch frontseitig angeordnet sein, wenn dem durch entsprechende, hier nicht gezeigte Aufbauänderungen Rechnung getragen wird. In ihrer Breite ist die Energie-Versorgungs-Einheit 3 im Ausführungsbeispiel schmaler als das Fahrzeug 1, so daß sie zwischen rückwärtigen, seitlichen Aufbaubegrenzungen liegt, die mit 7 bezeichnet sind und die im Ausführungsbeispiel eine Art seitlicher, mit dem Fahrgestell 5 verbundener Führungssäulen bilden, über die die Energie- Versorgungs-Einheit 3 zumindest seitlich, bevorzugt aber auch in Fahrzeuglängsrichtung höhenversetzbar geführt ist, was hier nicht näher dargestellt ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Energie-Versorgungs-Einheit 3 in der gewünschten Position durch Einsetzen in den Freiraum zwischen den seitlichen Aufbaubegrenzungen 7 über entsprechende Schiebe- und Rastverbindungen zu fixieren, und umgekehrt. Das Einsetzen der Versorgungseinheit 3 zwischen die seitlichen Aufbaubegrenzungen 7 kann von hinten, so durch horizontales Verschieben oder auch durch Einsetzen von oben erfolgen, die Verrastung als solche wird zweckmäßigerweise durch eine relative Höhenverschiebung zwischen der Versorgungseinheit 3 und dem Fahrgestell 5 erreicht. In Verbindung mit der Verrastung werden dabei zweckmäßigerweise entsprechende Kontaktierungen hergestellt, wie sie zur Informations- und Energieübertragung erforderlich sind.
In der Darstellung gemäß Fig. 2, die eine Energie-Versorgungs-Einheit 3 ohne eingesetzte Aggregate zeigt, sind die angesprochenen Kontaktierungen durch bodenseitig vorgesehene, aufrechte Kontaktstifte 8 und 9 gebildet, von denen beispielsweise die Kontaktstifte 8 der Energieübertragung und der Kontaktstift 9 der Informationsübertragung dient. In hier nicht näher gezeigter Weise sind die Kontaktstifte bevorzugt beidseitig über den Boden 10 der Energie-Versorgungs-Einheit 3 vorstehend ausgebildet, was hier nur teilweise sichtbar ist, so daß die Kontaktierung nicht nur gegenüber dem Fahrzeug, sondern auch gegenüber den in die Versorgungseinheit 3 integrierten Geräten über einfache Steckverbindungen vorgenommen werden kann.
Die Energie-Versorgungs-Einheit weist ferner, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, im Bereich ihres oberen Endes einen Tragrahmen 11 auf, der mit parallel zum Boden verlaufenden, rohrförmigen Aufnahmen 12 versehen ist, die bezogen auf die gezeigte Einbausituation (Fig. 1) der Energie-Versorgungs-Einheit 3 in Fahrzeuglängsrichtung verlaufen und in die Tragarme 13 einer Ladestation 14 einführbar sind. Die Einführrichtung ist, entsprechend der geschilderten Anordnung der Aufnahmen, im wesentlichen horizontal, so daß über die Tragarme 13 der jeweiligen Ladestation die Energie-Versorgungs-Einheit hängend an der Ladestation 14 zu befestigen ist, so daß durch Höhenversatz des Fahrgestells 5 die Energie- Versorgungs-Einheit zunächst aus den bereits angesprochenen Halterungen und Arretierungen gegenüber dem Fahrzeug gelöst und danach durch Versatz des Fahrzeuges 1 gegenüber der Ladestation 14 aus ihrer Lage zwischen den seitlichen Aufbaubegrenzungen 7 entfernt werden kann. Dies ist insbesondere aus der Darstellung gemäß Fig. 3 erkennbar, wobei hier aufgezeigt ist, daß die jeweilige Ladestation 14 ergänzend zu den Tragarmen 13 bevorzugt auch eine Kontaktschiene 15 oder dergleichen aufweist, über die die angesprochenen, der Energie-Versorgungs-Einheit 3 zugeordneten Kontaktstifte 8 und 9 in der Ladestation nach Überführung der Versorgungseinheit 3 in diese entsprechend angeschlossen sind.
Entsprechend dem für das Fahrzeug vorgesehenen elektrischen Antrieb - die diesbezüglichen Einrichtungen sind nicht näher gezeigt - ist die Energie-Versorgungs-Einheit 3 wahlweise als Energie-Speicher-Einheit 16 (Fig. 4) oder als kombinierte Stromerzeuger-Speicher-Einheit, also als Hybrideinheit 17 (Fig. 5), ausgebildet.
Im Falle der Ausbildung als Energiespeicher 16 umfaßt die Ausrüstung der Speichereinheit mehrere Batteriepakete 18 sowie Kondensatoren 19, sowie die weiteren, hierfür erforderlichen Einrichtungen, wobei die anhand der Fig. 2 erläuterten Kontaktierungen durch die eingebauten Elemente nun nicht mehr sichtbar sind.
Wird gemäß Fig. 5 die Versorgungseinheit 3 als Hybrideinheit 17 ausgebildet, so sind neben Batteriepaketen 20 entsprechende Stromerzeugungseinrichtungen vorgesehen, nämlich im Einzelnen eine Brennkraftmaschine 21 in Form eines Motors oder einer Gasturbine, ein Generator 22, ein Kraftstoffbehälter 23 und eine Abgasleitung 24. Mit 25 ist ein Steuergehäuse bezeichnet, das die entsprechenden Steuer- und Regelungseinrichtungen aufnimmt.
Je nach Verwendung einer Versorgungseinheit 3 in Form einer Energiespeichereinheit 16 oder einer Hybrideinheit 17 ist das Fahrzeug für den einen oder anderen Verwendungszweck insbesondere ausgerüstet, so daß sich ein breites Einsatzspektrum mit der Möglichkeit der Anpassung an die jeweiligen Spezialbedürfnisse unter Verwendung der gleichen Grundeinheit ergibt.
Mit Bezug auf Fig. 3 sei noch darauf hingewiesen, daß das Andocken des Fahrzeuges 1 an eine Ladestation zur Übergabe der jeweiligen Versorgungseinheit 3 an die Ladestation durch entsprechende Leiteinrichtungen für das Fahrzeug erleichtert werden kann. Diesem Zwecke können auch sonstige Einfahrhilfen und Beobachtungssysteme, wie entsprechende Aufnahmegeräte mit Bildschirmanzeige im Fahrerhaus dienen. Um, ohne Versatz des Fahrzeuges 1, dieses auch neu mit einer Versorgungseinheit bestücken zu können ist es zweckmäßig, die Ladestationen mobil anzuordnen, und zwar sowohl senkrecht, wie auch quer zum Fahrzeug verschiebbar, so daß das Fahrzeug nachfolgend ohne Zeitverzug mit einer beliebigen anderen Versorgungseinheit, sei es einer Speichereinheit oder einer Hybrideinheit neu bestückt werden kann. Eine weitere Flexibilisierung läßt sich noch dadurch erreichen, daß die Ladestationen auch um ihre Hochachse drehbar sind, so daß bei einer Doppelanordnung von Ladestationen gemäß Fig. 3, bei der die Ladestationen Rücken an Rücken liegen, in Bezug auf Auswechselvorgänge an mehreren Fahrzeugen eine große Flexibilität erreicht ist.
Den Ladestationen ist zweckmäßigerweise wiederum eine zentrale Energieversorgung mit entsprechenden Steuereinheiten zugeordnet, wie bei 26 angedeutet, so daß den Ladestationen übergebene Versorgungseinheiten auch zentral überwacht werden können. Die Voraussetzungen hierfür sind durch die bereits geschilderten, automatischen Kontaktierungen sowohl im Fahrzeug wie auch in den Ladestationen geschaffen.
Bevorzugt sind die Energie-Versorgungs-Einheiten 3, wie Fig. 1 und 3 zeigen, mit einer geschlossenen Rückwand 27 versehen, die den Aufnahmen 12 zugeordnete Durchstecköffnungen aufweist und die bei in das Fahrzeug 1 eingesetzter Einheit 3 eine Rückwand des Fahrzeuges 1 bildet, und die in der Ladestation 14 gegen die Tragwand 28 der Ladestation 14 anliegt.

Claims (6)

1. Wechselvorrichtung für Energie-Versorgungs-Einheiten von Straßenfahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen, mit elektrischem Antrieb und als Einschubeinheit ausgebildeter, zwischen dem Fahrzeug und einer Ladestation austauschbarer Energie- Versorgungs-Einheit, die unter Höhenversatz gegenüber der Ladestation oder dem Fahrgestell als aufnehmendem oder abgebendem Träger auf den jeweils anderen Träger zu übergeben und am jeweiligen Träger zu positionieren ist, wenn das Fahrzeug eine zur Übergabe der Energie-Versorgungs-Einheit zwischen Fahrzeug und Ladestation geeignete Position erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Stirnseite des Fahrzeuges (1) zugeordnete und über diese Stirnseite in das Fahrzeug einsetzbare Energie-Versorgungs-Einheit (3) in der Ladestation (14) über wenigstens einen Tragarm (13) getragen ist, der sich in Richtung der Bewegung des Fahrzeuges (1) in die zur Übergabe geeignete Position erstreckt, und daß die Energie- Versorgungs-Einheit (3) durch Niveauänderung des Fahrgestells (5) in Höhenrichtung gegenüber der Ladestation (14) oder, bei in die Energie-Versorgungs-Einheit (3) eingreifendem Tragarm (13), gegenüber dem Fahrgestell (5) versetzbar und zwischen Ladestation (14) und Fahrzeug (1) zu übergeben ist.
2. Wechselvorrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinheit (3) in der Ladestation (14) hängend gehalten ist.
3. Wechselvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestation auskragende Tragarme (13) aufweist, denen auf Seiten der Versorgungseinheit (3) entsprechende, insbesondere rohrförmige Aufnahmen (12) zugeordnet sind.
4. Wechselvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (12) für die Tragarme (13) im oberen Begrenzungsbereich der Energie-Versorgungs-Einheit (3) angeordnet sind.
5. Wechselvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Versorgungs-Einheit (3) mit Kontakten, insbesondere Kontaktstiften (8) zur selbsttätigen Kontaktierung beim Einsetzen in das Fahrzeug (1) und die Ladestation (14) vorgesehen ist.
6. Wechselvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestation (14) für das Zusammenspiel mit den Kontaktstiften (8) eine parallel zu den Tragarmen (13) auskragende Kontaktschiene (15) aufweist.
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