DE19824290A1

DE19824290A1 - Übertragungssystem zum Aufladen von Traktionsbatterien an Bord eines Elektrofahrzeugs im Stand und/oder während der Fahrt

Info

Publication number: DE19824290A1
Application number: DE19824290A
Authority: DE
Inventors: Klaus Palme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-31
Filing date: 1998-05-31
Publication date: 1999-12-02

Abstract

Bei einem Übertragungssystem (TS1) zum Aufladen von Traktionsbatterien (B) an Bord eines Fahrzeugs (F), welches mit wenigstens einem batteriegespeisten Elektro-Antriebsmotor (Fahrzeugantrieb 7) ausgerüstet ist, ist das Fahrzeug (F) mit einer bodennah angebrachten, einem bordseitigen Batterie-Ladegerät (6) vorgeschalteten Sekundärwicklung (w2) induktiv ankoppelbar an die Primärwicklung (w1) einer stationären, an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Ladeanlage (1, 1'), deren besagte Primärwicklung (w1) im Bodenbereich der Fahrzeug-Fahrbahn (8) oder einer Fahrzeug-Haltezone so angeordnet ist, daß die elektrische Energie für das bordseitige Ladegerät (6) in die Sekundärwicklung (w2) einkoppelbar ist, und zwar: a) im Stillstand des Fahrzeugs (F) in einer die induktive Ankopplung der Sekundärwicklung (w2) an die Primärwicklung (w1) ermöglichenden Aufladeposition mit Ankopplungsluftspalt (4) zur Primärwicklung (w1) der stationären Ladeanlage (1) und/oder b) bei Bewegung des Fahrzeugs (F) längs einer Fahrspur (FS1, FS2), die mit einer in Fahrbahn-Längsrichtung ausgedehnten Primärwicklung (w1) der stationären Ladeanlage (1') ausgestattet ist, ebenfalls unter Einhaltung eines Ankopplungsluftspaltes (4) bei der Relativbewegung der Sekundärwicklung (w2) zur Primärwicklung (w1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Übertragungssystem zum Aufladen von Traktionsbatterien an Bord eines Fahrzeugs, welches mit wenigstens einem batterie-gespeisten Elektro-Antriebs motor ausgerüstet ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein grundlegendes Problem bei Elektrofahrzeugen, die ihre Energie aus bordeigenen Traktionsbatterien beziehen, besteht einerseits in der nur geringen Reichweite pro Batteriela dung, andererseits in der Vergrößerung des Fahrzeug-Leergewichtes, damit der Reibung und des Energiebedarfs, und (bei Kraftfahrzeugen zusätzlich) in der Verkleinerung des Laderaumes durch die Traktionsbatterie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Übertragungssystem der eingangs genann ten Art zu schaffen, mit dem das aufgezeigte Problem gelöst werden kann, d. h. der Aktionsra dius von Fahrzeugen mit bordbatterie-gespeistem Elektro-Antriebsmotor wesentlich gesteigert und das Gewicht der bordseitigen Traktionsbatterie in Grenzen gehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Übertragungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merk male gelöst, nämlich dadurch, daß das Fahrzeug mit einer bodennah angebrachten, einem bord seitigen Batterie-Ladegerät vorgeschalteten Sekundärwicklung induktiv ankoppelbar ist an die Primärwicklung einer stationären an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Ladeanlage, deren besagte Primärwicklung im Bodenbereich der Fahrzeug-Fahrbahn oder einer Fahrzeug- Haltezone so angeordnet ist, daß die elektrische Energie für das bordseitige Ladegerät in des sen Sekundärwicklung einkoppelbar ist, und zwar

a) im Stillstand des Fahrzeugs in einer die induktive Ankopplung der Sekundärwicklung an die Primärwicklung ermöglichenden Auflade-Position mit Ankopplungsluftspalt zur Primärwick lung der stationären Ladeanlage und/oder
b) bei Bewegung des Fahrzeug längs einer Fahrbahn, die mit einer in Fahrbahn-Längsrichtung ausgedehnten Primärwicklung der stationären Ladeanlage ausgestattet ist, ebenfalls unter Ein haltung eines Ankopplungs-Luftspaltes bei der Relativbewegung der Sekundärwicklung zur Primärwicklung.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil sowohl für (auf Straßen verkehrende) Kraftfahrzeuge als auch für schienengebundene Fahrzeuge einsetzen. Im erstgenannten Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sekundärwicklung in wenigstens einen der Fahrzeugreifen integriert ist und die in ihr induzierte Wechselspannung über Übertragungselemente vom Rad auf das bord seitige Ladegerät übertragbar ist und wenn die stationäre Ladeanlage unter Bildung von Lade energie-Übertragungszonen mit ihrer Primärwicklung fahrbahnbündig so eingebaut ist, daß bei Bodenkontakt des jeweiligen mit der Sekundärwicklung ausgerüsteten Fahrzeugreifens im Flä chenbereich einer Ladeenergie-Übertragungszone über den Ankopplungsluftspalt, der von den äußeren Schichten des Straßenbelages und denjenigen des Fahrzeugreifens definiert ist, die Ladeenergie von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung einkoppelbar ist.

Die Sekundärwicklung, die als Schleifen- oder als Wellenwicklung ausgebildet sein kann, wird bevorzugt in den Gewebeunterbau (Karkasse) des Reifens integriert. Sie kann z. B. bei einem Gürtelreifen eine Gürtellage bilden bzw. statt einer Stahleinlage des Gürtels verwendet werden.

Das Übertragungssystem nach der Erfindung ist sowohl bei Stillstands-Aufladung als auch für eine Aufladung während der Fahrt einsetzbar. Es ist bei beiden Aufladungsarten zweck mäßig, wenn die Ladeenergie-Übertragungszonen der stationären Ladeanlagen, die bei Fahr zeug-Stillstand und/oder bei den in Fahrt befindlichen Fahrzeugen der Ladeenergie- Einkopplung dienen, auf der Fahrbahndecke der Parkplätze bzw. der Kfz.-befahrenen Straßen markiert sind, z. B. durch rote Streifen, damit die Lenker der Kraftfahrzeuge eine Orientierung haben, daß sie die Lade-Spur benutzen. Der Vorgang der Batterieladung wird außerdem dem Fahrer angezeigt (Amperemeter, Leuchtdiode).

Bei einem Übertragungssystem für schienengebundene Fahrzeuge ist gemäß einer Wei terbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Sekundärwicklung als Kurzstatorwicklung, an die Länge des Fahrzeugs bzw. des jeweiligen Waggons oder Triebwagens und an die Breite der Fahrspur angepaßt, an der Unterseite des schienengebundenen Fahrzeugs angebracht ist und daß die Primärwicklung in der Fahrspur zwischen den Schienen als Langstatorwicklung, mit Ankopplungsluftspalt der Unterseite der Sekundärwicklung gegenüberliegend, insbesondere bündig zur Schienenoberkante, verlegt ist. Der Langstator kann in dem Streckenbereich der Haltestellen der Bahnhöfe und/oder auf einigen Streckenabschnitten oder der ganzen Strecke verlegt sein. Er wird durch Befahren des Streckenbereichs ein- und ausgeschaltet.

Diese Ausführung des Übertragungssystems läßt sich im Prinzip auch für Straßenfahrzeu ge verwenden, wenn man eine reifenintegrierte Sekundärwicklung nicht verwenden will. Weitere Merkmale und Vorteile sowie die Wirkungsweise der Erfindung werden im fol genden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der beiliegenden Zeichnung darge stellt sind. Die Zeichnung zeigt in teilweise vereinfachter, schematischer Darstellung in:

Fig. 1 in schematischer Blockdarstellung das Prinzip des Übertragungssystems nach der Erfindung mit einem gestrichelt dargestellten Ankopplungsluftspalt zwischen stationä rer Ladeanlage und bordseitigem Ladegerät, wobei die Abbildung um180° gedreht zu denken ist;

Fig. 2 im Ausschnitt und im schematisch vereinfachten Aufriß die im Boden einge lassene Primärwicklung einer stationären Ladeanlage und den darüber befindlichen Reifen eines Fahrzeugs mit integrierter, über einen Luftspalt ankoppelbarer Sekundärwicklung; wobei zwei Ladeenergie-Übertragungszonen im Grundriß angedeutet sind,

Fig. 3 in entsprechender Darstellung zu Fig. 2 ein Übertragungssystem zur Aufla dung der Traktionsbatterien von elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen mit im Gleisbett eingelassener Primärwicklung der stationären Ladeanlage und der dieser mit Ankopplungs luftspalt gegenüberstehenden Sekundärwicklung des Fahrzeug-Ladegerätes;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild des Übertragungssystems, das für das Ausführungsbei spiel nach Fig. 2 oder Fig. 3 Verwendung finden kann, wobei der gesamte Stromverlauf verein fachend einpolig dargestellt ist;

Fig. 5 zum prinzipiellen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in einem vergrößerten, schematischen Querschnittbild und im Ausschnitt die Übertragung der Ladeenergie von der stationären Ladeanlage über die Sekundärwicklung des Fahrzeugreifens und einen Übertrager zum (nicht dargestellten) Batterieladegerät des Straßenfahrzeugs, wobei das Fahrzeugrad an einer angetriebenen Fahrzeugachse sitzt;

Fig. 6 zum prinzipiellen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in einem schematischen Längsschnitt die Primärwicklung der unterseitigen Ladeanlage und einen darauf stehenden Fahrzeugreifen mit integrierter Sekundärwicklung und angedeuteter Fahrzeugachse;

Fig. 7 ein weiteres Detail zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in einem vergrö ßerten schematischen Querschnittsbild und im Ausschnitt, und zwar die Übertragung der Lade energie von der reifeninternen Sekundärwicklung über Schleifringe und Bürsten auf die statio nären Anschlußkabel des (nicht dargestellten) bordseitigen Ladegerätes, wobei es sich um ein auf einem Achsstummel gelagertes, mitlaufendes (nicht angetriebenes) Fahrzeugrad handelt;

Fig. 8 perspektivisch im Ausschnitt einen Fahrzeugreifen mit eingelassener Sekun därwicklung und

Fig. 9 zum prinzipiellen Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 das Detail der in der Fahrbahn zwischen den Schienen eingelassenen Primärwicklung und einer ihr mit Luftspalt gegenüberstehenden bordseitigen Sekundärwicklung des Ladegerätes des Schienenfahrzeugs in schematischer perspektivischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt das dem Übertragungssystem TS nach der Erfindung zugrunde liegende Prinzip. Eine stationäre Ladeanlage 1 ist mit einem zwei- oder dreiphasigen Versorgungsnetz N1 für elektrische Energie über eine Anschlußleitung 2 (dreiphasig) und einen Schalter 3 verbunden. Die Ladeanlage 1 erzeugt mit einer nicht dargestellten Primärwicklung ein elektromagnetisches Wechselfeld geeigneter Frequenz, das über einen konstruktionsbedingten Ankopplungs- Lufispalt 4 induktiv eingekoppelt wird in die (ebenfalls nicht ersichtliche) Sekundärwicklung eines zum Fahrzeug F gehörenden Übertragungsteils 5. Letzterem sind elektrisch nachgeschal tet: ein Batterie-Ladegerät 6, die Batterie B und der elektrische Fahrzeugantrieb 7, mit dem das Fahrzeug F bewegt werden kann. Die induktive Kopplung und Energieübertragung können im Stillstand und/oder - wenn die stationäre Ladeanlage 1 in Längsrichtung der Fahrzeugbe wegung ausgedehnt ist - bei Bewegung des Fahrzeugs F erfolgen. Bei der Darstellung nach Fig. 1 stellt die Anlage in Stromflußrichtung dar. In Wirklichkeit ist die Ladeanlage 1 im Boden bzw. unterirdisch angeordnet und das Fahrzeug fährt darüber, d. h. die Ladeanlage 1 ist mit dem Fahrzeug F vertauscht zu denken; die Stromversorgung für die Ladeanlage kann, wie dar gestellt, von einer Oberleitung oder von einem Erdkabel abgezweigt werden.

Fig. 2 zeigt die prinzipielle mechanische Ausführung eines Übertragungssystems TS1 zur Aufladung der Traktionsbatterien von elektrisch betriebenen Kraft- bzw. Straßenfahrzeugen. Die Ladeanlage 1 ist in die Fahrbahn 8 eingelassen und schließt bündig mit ihr ab. Ein (nicht näher dargestelltes) Straßenfahrzeug kann mit seinen Reifen, wovon einer (9) dargestellt ist, darüber hinwegfahren. Die Breite b der Ladeanlage 1 wird an die Breite und Zahl der neben einanderlaufenden Reifen 9 und deren Laufwege in der Fahrbahn 8 angepaßt, vergl. auch die im Grundriß schematisch dargestellten Ladeenergie-Übertragungszonen 1Xo, 1X (im folgen den abgekürzt als Übertragungszonen bezeichnet). Man erkennt, daß die Sekundärwicklung w2 in den Fahrzeugreifen 9 integriert ist. Die in der Sekundärwicklung w2 induzierte Wechsel spannung ist über Übertragungselemente 10 auf das bordseitige Ladegerät 6 des Fahrzeugs F übertragbar, das nur schematisch mit seiner einen Radachse 11 angedeutet ist. Die Übertra gungselemente 10 können (wie schematisch dargestellt) von Schleifringen 10.3 und Bürsten 10.1, 10.2 gebildet sein oder von einem rotierenden Übertrager mit rotierender erster Wicklung und einer induktiv damit gekoppelten relativ stationär angeordneten zweiten Wicklung (in Fig. 2 nicht dargestellt). Unter "relativ stationär" wird verstanden, daß die Wicklung zwar nicht rotierend angeordnet ist, jedoch mit dem Fahrzeug beweglich. Von der Sekundärwicklung w2 des Reifens 9 führen elektrische Verbindungsleitungen n11, n12 (als Ganzes mit n1 bezeichnet) zu den Bürsten 10.1, 10.2, die mit dem Reifen 9 oder dem Fahrzeug-Rad bzw. Rad 14 umlau fend angeordnet sind und die relativ stationären Schleifringe 10.3 kontaktieren. Die stationäre Ladeanlage 1 ist unter Bildung der Übertragungszonen 1Xo, 1X mit ihrer Primärwicklung w1 fahrbahnbündig so eingebaut, daß bei Bodenkontakt des jeweiligen mit der Sekundärwicklung w2 ausgerüsteten Fahrzeugreifens 9 im Flächenbereich der Übertragungszonen 1Xo, 1X über den Ankopplungsluftspalt 4, der von den äußeren Schichten des Straßenbelages bzw. der Fahr bahn 8 und denjenigen des jeweiligen Fahrzeugreifens 9 definiert ist, die Ladeenergie von der Primärwicklung w1 in die Sekundärwicklung w2 einkoppelbar ist.

Bei den Übertragungszonen 1Xo und den zugehörigen Ladeanlagen 1 handelt es sich um Kurzausführungen für die Ladung der Batterie B des stehend und deshalb mit still stehender Sekundärwicklung w2 angekoppelten Fahrzeugs F, welches demgemäß beim Ladevorgang mit mit der Lauffläche 9.3 seines Reifens 9 in möglichst weitgehend überdeckendem Flächenkon takt mit den Übertragungszonen 1Xo zu positionieren ist. Hierzu ist zweckmäßig die Breite b der Übertragungszonen 1Xo gleich der oder größer als die Breite der Reifen 9.

Die gestrichelt dargestellten Übertragungszonen 1X und die zugehörigen Ladeanlagen 1' sind Langausführungen zur Ladung der Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs F, das während der Fahrt mit seiner rotierenden Sekundärwicklung w2 an die als langestreckte oder Langstator wicklung ausgebildete Primärwicklung w1 der zughörigen Ladeanlage 1' ankoppelbar ist.

Durch die strichpunktierte Doppellinie yy ist die beliebige Länge der Übertragungszonen 1X in Fahrtrichtung f1 symbolisiert. Die strichpunktierte Doppellinie xx zwischen den Übertragungs zonen 1Xo bzw. 1X deutet an, daß die beiden Fluchten der Übertragungszonen 1Xo, 1X in ihrem Abstand zueinander an die Spurweite des Fahrzeugs F angepaßt oder anzupassen sind. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn zur Anpassung an unterschiedliche Spur weiten der Fahrzeuge, man denke z. B. an PkW und LkW oder an Doppelräder, wenigstens eine der beiden Übertragungszonen 1Xo, 1X und die zugehörigen Ladeanlagen 1, 1' entspre chend verbreitert sind, vergl. die gestrichelt eingezeichnete vergrößerte Breite b' der Übertra gungszonen 1Xo, 1X bei beiden Fahrspuren FS1 und FS2.

Aus Vorstehendem geht bereits hervor, daß die bevorzugte Wicklungsanordnung der Fahrzeuge F diejenige ist, bei der in die Bereifung 9 von mindestens zwei, einer Fahrzeugachse 11 zugeordneten Fahrzeugrädern je eine Sekundärwicklung w2 integriert ist und die stationäre Ladeanlage 1, 1' zwei, den beiden Reifenspuren oder Fahrspuren FS1, FS2 entsprechende Fluchten von Übertragungszonen 1Xo, 1X aufweist. Aus Gründen der gleichen Qualität und des gleichen Fahrverhaltens (Uniformität) der Reifen 9 und der möglichst großen Übertra gungsleistung für die Ladeenergie ist es vorteilhaft, wenn in jeden der im Straßenkontakt be findlichen Reifen 9 eines Fahrzeugs F eine Sekundärwicklung w2 integriert ist. Das bedeutet bei einer Kurzausführung der Übertragungszonen 1Xo (Aufladung im Stillstand) bei einem PkW vier, den Reifenkontaktzonen entsprechend verteilte Übertragungszonen 1Xo (zusätzlich zu den dargestellten beiden Übertragungszonen 1Xo, 1Xo wären daher zwei weitere im Achs abstand des Fahrzeugs F vorzusehen).

Beim erläuterten Beispiel nach Fig. 2 steht das Übertragungsteil 5 des Fahrzeug F auf den Übertragungszonen 1Xo und ihren zugehörigen Ladeanlagen 1 oder rollt über die Langausfüh rungen von (1X, 1') (je nachdem, ob stehend oder fahrend geladen wird) und und empfängt so die von den Ladeanlagen 1, 1' erzeugte magnetische Energie über den Luftspalt 4. Es ist bei bereiften Kraftfahrzeugen grundsätzlich auch möglich, daß ihr Übertragungsteil 5 über der sta tionären Ladeanlage (Kurzausführung) 1Xo schwebt bzw über die Langausführung 1X hinweg schwebt, wie noch erläutert wird.

Eine solche "schwebende" Ausführung zeigt Fig. 3, bei der das schematisch angedeutete Fahrzeug F' ein schienengebundenes Fahrzeug ist. Die Sekundärwicklung w2 seines Übertra gungsteils 5 gehört zu einer Kurzstatorwicklung, die an die Länge des Fahrzeugs F' bzw. des jeweiligen Waggons oder Triebwagens und an die Breite der Fahrspur angepaßt und an der Unterseite 12 des schienengebundenen Fahrzeugs F' angebracht ist. Dieses rollt mit den beiden Rädern R1, R2 einer jeweiligen Achse 13 auf den beiden Schienen ES1 und ES2. Die stationä re Ladeanlage 1' ist mit ihrer Primärwicklung w1 in der Fahrspur zwischen den Schienen ES1, ES2 als Langstatorwicklung, mit Ankopplungsluftspalt 4 der Unterseite der Sekundärwicklung w2 gegenüberliegend, insbesondere bündig oder angenähert bündig zur Schienenoberkante, verlegt. Einzelheiten zur Lang- und Kurzstatorwicklung w1, w2 nach Fig. 3 werden weiter unten anhand von Fig. 9 behandelt, weil Fig. 3 lediglich die prinzipielle mechanische Aus führung des Übertragungssystems zur Aufladung von Traktionsbatterien von elektrisch betrie benen Schienenfahrzeugen F' zeigt. Die stationare Ladeanlage 1' ist, wie gesagt, zwischen den Schienen ES1, ES2 angeordnet. Sie schließt insbesondere mit der Schienenoberkante ab. Je nach sonstiger Streckenausstattung und Fahrzeugausfühnung können eine, zwei oder mehrere Ladeanlagen nebeneinander im Gleis ES1, ES2 eingebaut werden. Die Länge der Ladeanlagen 1' entspricht dem gewünschten Bereich der Ladeenergieübertragung:

- im Bereich von Haltepunkten und Bahnhöfen,
- auf Teilen der Strecke (z.B. vor Steigungen),
- auf der gesamten Strecke bis auf Ausnahmebereiche.

Das Übertragungsteil 5 (Kurzstator) im Fahrzeug F' oberhalb der Ladeanlage 1' (Langstator) und letztere werden aneinander in Breite und Länge und an den verfügbaren Einbauplatz ange paßt.

Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild des Übertragungssystems TS1 nach Fig. 2 zur Ladung von Traktionsbatterien B in seiner Gesamtheit von der Energiequelle N1, dem Landesnetz, bis zur Energiesenke, dem Fahrmotor 7.2. Der gesamte Stromverlauf von (N1) bis (7.2) ist einpo lig dargestellt. Aus dem zwei- oder dreiphasigen Landesnetz N1 mit gegebener Frequenz wird dem stationären Teil des Übertragungssystems, der Ladeanlage 1, 1', elektrische Energie zuge führt. Die Ladeanlage 1, 1' umfaßt die folgenden Komponenten:

- den Ansteuerungssteil N2 mit ansteuerbarem Netzschalter 3, der über einen Motor N21 oder ein Schaltschütz N22 von frei wählbaren (nicht dargestellten) Steuergeräten, wie z. B. Schaltuhren, Parkuhren, Induktionsschleifen, Wägezellen u. s. w., auslösbar ist und die Energie weiterleitet sowie die Anlage 1, 1' schützt,
- den Frequenzwandler oder Umrichter N4 der Ladeanlage 1, 1', der aus der Landesfrequenz f1 eine Übertragungsfrequenz f2 von z. B. 1 bis 10 kHz erzeugt und das Übertragungssy stem blindleistungemäßig vom Landesnetz N1 abkoppelt. Der Umrichter N4 ist eingangs seitig über die Leitung 2 und den Schalter N3 mit dem Landesnetz N1 verbindbar und aus gangsseitig mit der Primärwicklung w1 der Ladeanlage 1, 1' über Leitung N5 verbunden; (N5) kann zweipolig, dreipolig oder mehrpolig sein.
- die Primärwicklung w1, die das Magnetfeld für die induktive Kopplung erzeugt.

Die induktive Kopplung der Primär- (w1) mit der Sekundärwicklung (w2) überbrückt den konstruktiv bedingten Luftspalt 4 zwischen dem stationären Teil des Übertragungssystems TS1 (Ladeanlage 1, 1') und dem Übertragungsteil 5 des Fahrzeugs F. In der Sekundärwicklung w2 als erster Komponente des Übertragungsteils 5 wird über die magnetische Kopplung mit der Primärwicklung w1 der Ladeanlage 1, 1' eine Spannung erzeugt, die zur Batterieladung über das Ladegerät 6 benutzt wird. Ist die Sekundärwicklung w2 in einem Fahrzeugreifen 9 instal liert, enthält das Übertragungsteil 5. wie erwähnt, Übertragungselemente 10 in Form von Schleifringen und Bürsten oder, wie in Fig. 4 dargestellt, in Form eines rotierenden Übertragers RT mit erster und zweiter Wicklung rt1, rt2 zur Energieübertragung vom bewegten Rad auf das Ladegerät 6 im Wagenkasten. Die so übertragene Energie wird dem Batterieladegerät 6 zugeführt, das dann in bekannter Form die Gleichstromenergie für die Traktionsenergie liefert. Aus der Batterie B wird über die Einheit 7.1 zur Fahrmotorsteuerung (z. B. ein Chopper oder Wechselrichter) nach bekannten Verfahren der Fahrmotor 7.2 gespeist, der ein Gleichstrom- oder Drehstromfahrmotor sein kann. Die verbindenden fahrzeugseitigen elektrischen Leitungen zwischen der Sekundärwicklung w2 und dem Übertrager RT sind mit n1 bezeichnet, zwischen dem Übertrager RT und dem Ladegerät 6 mit n2, zwischen dem Ladegerät 6 und der Batterie B mit n3, zwischen letzterer und der Einheit 7.1 der Fahrmotorsteuerung mit n4 und zwischen letzterer und dem Fahrmotor 7.2 mit n5. Die Leitungen (n1) bis (n5) können zweipolig, drei polig oder mehrpolig sein.

Fig. 5 zeigt mehr im Detail den Querschnitt durch ein Übertragungssystem TS1 nach Fig. 2 zur Batterieladung bei einem Straßenfahrzeug, z. B. PkW oder LkW, allerdings mit dem Unterschied zu Fig. 7, daß als Übertragungselemente ein rotierender Übertrager RT verwendet ist. Oberhalb der in der Fahrzeugbahn 8 eingelassenen, schematisch dargestellten Primärwick lung w1 der stationären Ladeanlage 1, 1' befindet sich das Fahrzeugrad 14, bestehend aus Felge 15 und Reifen 9. Die Radachse 11 ist mit ihrem Achsstummel 11.1 nur schematisch angedeu tet, die Radbefestigung ist im einzelnen nicht dargestellt. Die Felge 15 besteht aus zwei Felgen teilen 15.1, 15.2, die mit je einem, sich achsnormal erstreckenden Ringscheibenteil 16.1, 16.2 unter Zwischenlage einer luft- und druckfesten Isolierschicht 17 mittels angedeuteter Spann schrauben 15.3 isolierend zusammengespannt sind. Die Felgenteile 15.1, 15.2 sind am Innen umfang ihrer beiden Felgenhörner 18 mit Kontaktflächen 19.1, 19.2 versehen. Im Bereich zwi schen dem äußeren Reifengummi 9.1 und der Innenauskleidung 9.2 befindet sich anstelle der normalerweise vorhandenen Karkasse die Sekundärwicklung w2 des Übertragungsteils 5 (vergl. Fig. 1). Die Wicklung w2 ist mit ihren Enden 20, 21 an die reifenumfassenden Kontakt flächen 19.1, 19.2 im Wulstbereich des Reifens 9 kontaktierend hinausgeführt und transferiert so die induzierte Spannung von der Wicklung w2 auf die beiden isolierten Hälften 15.1, 15.2 der Felge 15 bzw. des Rades 14, von wo sie über die beiden Kabel n11, n12 der Kabelverbin dung n1 zur am Achsstummel 11.1 rotierend angeordneten ersten Wicklung rt1 des rotierenden Übertragers oder Übertragertrafos RT geführt wird. Von der Wicklung rt1 erfolgt die indukti ve Übertragung der Ladeenergie über den Luftspalt 22 auf die zweite, am Chassis des Fahr zeugs F auf nicht näher dargestellte Weise befestigte zweite Wicklung rt2 (Sekundärseite) des Übertragers RT und von hier bevorzugt dreiphasig über die Kabel n2 (die dritte Phase ist nicht eingezeichnet) zum Batterieladegerät 6 (vergl. Fig. 4). Wird die Kontaktschicht 19.1, 19.2 sektoriell unterbrochen und auch die Felge elektrisch in Sektoren unterteilt, kann eine drei- oder mehrphasige Energieübertragung von der Sekundärwicklung w2 auf die Kabel n2, die dann drei- oder mehrphasig ausgeführt werden, verwirklicht werden.

Fig. 6 zeigt bei einem Straßenfahrzeug F nach Fig. 2 im Längsschnitt die Flußverkettung zwischen der Primärwicklung w1 der stationären Ladeanlage 1, 1' und der Sekundärwicklung w2 eines die Übertragungszone 1Xo kontaktierenden Reifens 9 zur Übertragung der Lade energie von der Primärwicklung w1 über den Luftspalt 4 auf die Sekundärwicklung w2. Die Übertragungselemente 10 sind hier so wie in Fig. 2 und abweichend von Fig. 5 als Bürsten 10.1, 10.2 und Schleifringe 10.3 (von denen nur einer zu sehen ist) schematisch dargestellt; die elektrische Verbindungen von (w2) zu den Übertragungselementen 10 sind so wie in Fig. 2 und 5 bezeichnet.

Fig. 7 zeigt im Rahmen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 und 6 die Integration der Schleifringe 10.3 in eine Radaufhängung oder Radlageranordnung RL. Auf dem Achsstummel 23 mit Federbein 24 ist der Nabenflansch 25 des Rades 14 mittels der beiden Trag- oder Rad lager 26.1, 26.2 drehbar gelagert und mit dem Nabenflansch 25 das Rad 14, welches mit seiner Felge 15 mittels der Radmuttern 27 am Nabenflansch 25 zentriert befestigt ist. Durch die auf das freie Ende des Achsstummels 23 aufgeschraubte, verdrehgesicherte Sicherungsmutter 29 mit Beilagscheibe 30 werden Nabenflansch 25 und Traglager 26.1, 26.2 axial abgesichert. Die Bürsten 10.1, 10.2 laufen mit dem Nabenflansch 25 um und sind an diesem isoliert befestigt (nicht näher dargestellt). Die Schleifringe sitzen, vor Umwelteinflüssen geschützt, isoliert auf dem Umfang des Achsstummels 23. Zusätzlich sind zur Vermeidung von Zerstörungen durch Wirbelströme die beiden Traglager 26.1, 26.2 zum Achsstummel 23 isoliert. Den Schleifringen 10.3 wird die in der Sekundärwicklung w2 induzierte Spannung über die isolierten Kabel n1, n11, n12 und die Bürsten 10.1, 10.2 zugeführt und von den Schleifringen über die isolierten Kabel n2 abgenommen und dem Ladegerät 6 (siehe Fig. 2 und 4) zugeführt.

Fig. 8 zeigt die Anordnung der in den Reifen 9 eingelassenen Sekundärwicklung w2. An der Außenseite der stahldrahtverstärkten Wülste wird die Kontaktschicht 19.1, 19.2 zwischen Rad 14 und Reifen 9 angebracht, vergl. auch Fig. 7. Die innere Reifenlage 9.2 weist an ihrem Außenumfang einen sogenannten Magnetfeldsammler in Form einer Beschichtung aus ferritischem Material auf (nicht näher dargestellt); desgleichen hat die Außenlage 9.1 des Rei fens 9 unterhalb der Lauffläche 9.3 eine integrierte, z. B. ferritische, Schicht als Magnetfeld sammler.

Fig. 9 zeigt näher zum Beispiel nach Fig. 3 die Anordnung der Primärwicklung w1 in der Fahrspur oder dem Gleisbett 27 zwischen den durch strichpunktierte Linien angedeuteten Glei sen ES1, ES2 und der Sekundärwicklung w2 an der Unterseite eines nur ausschnittsweise dar gestellten schienengebundenen Fahrzeuges F'. Die Primärwicklung w1 ist in der Fahrspur 27 bzw. auf dem Gleisbett eingelassen und in Breite b1 und Länge L1 dem verfügbaren oder ge wünschten Platz angepaßt. Die Sekundärwicklung w1 ist als Kurstatorwicklung ausgeführt und im Fahrzeug (F') unter Wahrung des Ankopplungsluftspaltes 4 befestigt oder "aufgehängt". Breite b2 und Länge L2 dieser Wicklung w2 sind den Fahrzeugabmessungen und dem verfüg baren Einbauraum angepaßt und auf die Primärwicklung w1 abgestimmt, welche je nach Lage im Streckenbereich als Kurz- oder Langstatorwicklung ausgeführt wird. Es kann sich demge mäß um eine Übertragungszone 1Xo oder 1X einer Ladeanlage 1 bzw. 1' handeln. Es ist wie der eine Momentaufnahme des Stromflusses in den Wicklungsleitern W1 der Primärwicklung w1 und (W2) der Sekundärwicklung w2 durch Stromflußpfeile und des verketten Flusses Φ durch Flußpfeile wiedergegeben.

Zum Beispiel nach Fig. 2 ist noch nachzutragen, daß die Ladeenergie-Übertragungszonen (1Xo, 1X) der bei Fahrzeugstillstand und/oder bei in Fahrt befindlichen Fahrzeugen (F) der Ladeenergie-Einkopplung dienenden stationären Ladeanlage (1, 1') auf der Fahrbahndecke (8) der Parkplätze bzw. der Kfz.-befahrenen Straßen zweckmäßigerweise markiert sind, z. B. die Übertragungszonen 1Xo durch blaue Streifen und die Übertragungszonen 1X durch rote Streifen. Im Bereich von Kreuzungen dienen die Ladeanlagen 1' sowohl der Aufladung wäh rend der Fahrt als auch der Aufladung im Stillstand, wenn der Verkehr wegen auf Rot geschal teter Verkehrsampeln zum Stillstand gekommen ist. Sie sind deshalb so auszulegen, daß sich für beide Betriebszustände der bestmögliche Wirkungsgrad für die Aufladung ergibt.

Bezugszeichenliste

TS; TS1, TS2Übertragungssysteme

1

stationäre Ladeanlage
N1Versorgungsnetz

2

Anschlußleitung

3

Schalter

4

Ankopplungsluftspalt
FFahrzeug

5

Übertragungsteil

6

Batterie-Ladegerät
BBatterie

7

Elektrischer Fahrzeugantrieb

8

Fahrbahn

9

Fahrzeug-Reifen

10

Übertragungselemente
w1Primärwicklung
w2Sekundärwicklung

11

Radachse

10.1

,

10.2

Bürsten

10.3

Schleifringe
n11, n12elektr. Verbindungsleitungen zwischen (w2) und (

10

)
n1elektr. Verbindungsleitungen als Ganzes

1

Xo,

1

XLadenergie-Übertragungszonen

9.3

Lauffläche von (

9

)

1

XoKurzausführung

1

XLangausführung

1

'Ladeanlage (Langausführung)
bBreite von (

1

,

1

')
yyDoppellinie
f1Fahrtrichtung
xxDoppellinie, weitere
b'Breite, vergrößert
FS1Fahrspur
FS2Fahrspur, weitere
F'Fahrzeug, schienengebunden

12

Unterseite von (F')
R1, R2Räder von (F')

13

Achse
ES1, ES2Schienen

7.1

Einheit zur Ansteuerung von (

7.2

)

7.2

Fahrmotor
N2Ansteuerungsteil
N21Motor
N22Schaltschütz
N4Frequenzwandler oder Umrichter
f1Landesfrequenz
f2Übertragungsfrequenz
N5Leitung, weitere
RTrotierender Übertrager
rt1, rt2erste und zweite Wicklung von (RT)
n2Leitung zwischen (RT) und (

6

)
n3Leitung zwischen (

6

) und (B)
n4Leitung zwischen (B) und (

7.1

)
n5Leitung zwischen (

7.1

) und (

7.2

)

14

Fahrzeugrad

15

Felge

11.1

Achsstummel

15.1

,

15.2

Felgenteile

16.1

,

16.2

Ringscheibenteile von (

15.1

) bzw. (

15.2

)

17

Isolierschicht

15.3

Spannschrauben

18

Felgenhorn

19.1

,

19.2

Kontaktflächen an (

18

)

9.1

äußerer Reifengummi

9.2

Innenauskleidung von (

9

)

20

,

21

Enden von (w2)

22

Luftspalt zwischen (rt1) und (rt2)
RLRadlageranordnung

23

Achsstummel

24

Federbein

25

Nabenflansch

26.1

,

26.2

Traglager oder Radlager

27

Fahrspur oder Gleisbett
L1Länge von (

1

) bzw. (

1

')
b2Breite von (w2)
L2Länge von (w2)
W1Wicklungsleiter von (w1)
W2Wicklungsleiter von (w2)
ΦMagnetfluß

Claims

1. Übertragungssystem zum Aufladen von Traktionsbatterien an Bord eines Fahrzeugs, wel ches mit wenigstens einem batterie-gespeisten Elektro-Antriebsmotor ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (F, F') mit einer bodennah angebrachten, einem bordseitigen Batterie-Ladegerät (6) vorgeschalteten Sekundärwicklung (w2) induktiv ankoppelbar ist an die Primärwicklung (w1) einer stationären, an eine Wechselstromquelle (N1, 3, N4) angeschlossenen Ladeanlage (1, 1'), deren besagte Primärwicklung (w1) im Bo denbereich der Fahrzeug-Fahrbahn (8) oder einer Fahrzeug-Haltezone so angeordnet ist, daß die elektrische Energie für das bordseitige Ladegerät (6) in die Sekundärwicklung (w2) ein koppelbar ist, und zwar

a) im Stillstand des Fahrzeugs (F, F') in einer die induktive Ankopplung der Sekundärwick lung (w2) an die Primärwicklung (w1) ermöglichenden Auflade-Position mit Ankopplungs luftspalt (4) zur Primärwicklung (w1) der stationären Ladeanlage (1) und / oder
b) bei Bewegung des Fahrzeugs (F, F') längs einer Fahrspur (FS1, FS2), die mit einer in Fahr bahn-Längsrichtung ausgedehnten Primärwicklung (w1) der stationären Ladeanlage (1') aus gestattet ist, ebenfalls unter Einhaltung eines Ankopplungs-Luftspaltes (4) bei der Relativbe wegung der Sekundärwicklung (w2) zur Primärwicklung (w1).

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (F) ein Kraftfahrzeug ist, daß die Sekundärwicklung (w2) in wenigstens einen der Fahrzeugrei fen (9) integriert ist und die in ihr induzierte Wechselspannung über Übertragungselemente (10) auf das bordseitige Ladegerät (6) übertragbar ist und daß die stationäre Ladeanlage (1, 1') unter Bildung von Ladeenergie-Übertragungszonen (1Xo, 1X) mit ihrer Primärwicklung (w1) fahrbahnbündig so eingebaut ist, daß bei Bodenkontakt des jeweiligen mit der Sekundärwick lung (w2) ausgerüsteten Fahrzeugreifens (9) im Flächenbereich einer Ladeenergie-Übertra gungszone (1Xo, 1X) über den Ankopplungsluftspalt (4), der von den äußeren Schichten des Straßenbelages und denjenigen des Fahrzeugreifens (9) definiert ist, die Ladeenergie von der Primärwicklung (w1) in die Sekundärwicklung (w2)einkoppelbar ist.

3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berei fung (9) von mindestens zwei, einer Fahrzeugachse (11) zugeordneten Fahrzeugrädern (14), vorzugsweise in jeden der im Straßenkontakt befindlichen Fahrzeugreifen (9) eines Fahrzeugs (F) eine Sekundärwicklung (w2) integriert ist und die stationäre Ladeanlage (1, 1') zwei, den beiden Fahr- oder Reifenspuren (FS1, FS2) entsprechende Fluchten von Ladeenergie- Übertragungszonen (1Xo, 1X) aufweist.

4. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeenergie-Übertragungszonen (1Xo, 1X) der bei Fahrzeugstillstand und/oder bei in Fahrt befindlichen Fahrzeugen (F) der Ladeenergie-Einkopplung dienenden stationären Lade anlage (1, 1') auf der Fahrbahndecke (8) der Parkplätze bzw. der Kfz.-befahrenen Straßen markiert sind.

5. Übertragungssystem Anspruch 2, gekennzeichnet durch Schleifringe (10.3) und zu gehörige Bürsten (10.1, 10.2) als Übertragungselemente (10).

6. Übertragungssystem Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Übertrager (RT) mit rotierend angebrachter erster Wicklung (rt1) und eine mit dieser über einen Übertragungs luftspalt (22) induktiv gekoppelte stationäre, bordseitige zweite Wicklung (rt2) als Übertra gungselemente (10).

7. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein schienengebundenes Fahrzeug (F') ist, daß die Sekundärwicklung (w2) als Kurzstatorwick lung, an die die Länge des Fahrzeugs (F') bzw. des jeweiligen Waggons oder Triebwagens und an die Breite der Fahrspur (27) zwischen den Schienen (ES1, ES2) angepaßt, an der Unterseite (12) des schienengebundenen Fahrzeugs (F') angebracht ist und daß die Primärwicklung (w1) in der Fahrspur zwischen den Schienen (ES1, ES2) als Langstatorwicklung, mit Ankopplungs luftspalt (4) der Unterseite der Sekundärwicklung (w2) gegenüberliegend, insbesondere bündig zur Schienenoberkante, verlegt ist.