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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem für elektrisch betreibbare Fahrzeuge und eine Ladestation mit einem derartigen Ladesystem und mindestens einer Quelle für regenerativ erzeugte Spannung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zum Laden eines Akkumulators eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs existieren im Stand der Technik mehrere verschiedenartige Ladevorrichtungen und Ladesysteme. Zum Einen ist bekannt, öffentliche und fest installierte Ladesäulen gegen Gebühr zu verwenden, die über einen Stecker an einem ausziehbaren Kabel eine Ladespannung bereitstellen. Der Stecker ist dabei in eine am Fahrzeug befindliche, von außen zugängliche Ladebuchse einsteck- und verriegelbar. Derartige Ladesäulen werden meist von Stromanbietern bereitgehalten und sind häufig nur für einen oder wenige ausgewählte Fahrzeugtypen geeignet. Das Laden des Fahrzeugs ist damit nicht besonders flexibel, denn es existieren nur in größeren Städten an ausgesuchten Standorten vergleichsweise wenige Ladesäulen.
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Zum Anderen existieren zum Aufladen von derartigen Akkumulatoren in einem privaten Haushalt auch Netzteile, die an ein 220 V-Stromnetz angeschlossen werden und nur eine vergleichsweise geringe elektrische Leistung bereitstellen können. Je nach Fahrzeuggröße und damit Akkumulatorkapazität kann dies zu vielstündigen Ladezeiten führen. Dies ist für einen regelmäßigen Gebrauch des Fahrzeugs keine besonders praktikable Lösung, denn die Flexibilität in der Benutzung sinkt. Häufig müssen nächtliche Ladevorgänge bei der Benutzung des Fahrzeugs einkalkuliert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung ist, die oben genannten Nachteile zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren, indem ein Ladesystem für elektrisch betreibbare Fahrzeuge vorgeschlagen wird, das universell für verschiedene Fahrzeugtypen eingesetzt werden kann und gleichzeitig kurze Ladezeiten ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Ladesystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Ladesystem weist mindestens eine Schlefkontakteinrichtung, mindestens einen Stromabnehmer und eine Steuervorrichtung auf, wobei die Steuervorrichtung einen mit einer Spannungsquelle verbindbaren Spannungseingang und einen mit der Schleifkontakteinrichtung verbundenen Spannungsausgang aufweist und dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Ladespannung und einen einstellbaren Ladestrom an der Schleifkontakteinrichtung bereitzustellen und wobei die mindestens eine Schleifkontakteinrichtung dazu eingerichtet ist, mit dem mindestens einen Stromabnehmer an einem Fahrzeug einen elektrischen Kontakt herzustellen, der mit einer Ladeeinheit in dem Fahrzeug verbindbar ist.
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Die Schleifkontakteinrichtung im Sinne der Erfindung ist als ein Paar elektrisch leitfähiger Körper aufzufassen, die jeweils an einem Plus- oder einem Minuspol einer von der Steuervorrichtung bereitgestellten Ladespannung anschließbar sind, um einem Schleifkontakt bzw. einem Stromabnehmer eines Fahrzeugs zu ermöglichen, einen elektrischen Kontakt herzustellen, ohne auf einen elektrischen Steckkontakt angewiesen zu sein. Bevorzugt sollte die Schleifkontakteinrichtung derart ausgestaltet sein, dass alleine durch das Einfahren eines mit mindestens einem Stromabnehmer ausgerüsteten Fahrzeugs in einen Stellplatz mit einer darin angeordneter Schleifkontakteinrichtung mechanisch ein elektrischer Kontakt zwischen dem Stromabnehmer und der Schleifkontakteinrichtung hergestellt wird und der Akkumulator des Fahrzeugs aufgeladen werden kann.
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Es ist dabei unerheblich, wie und wo die Schleifkontakteinrichtung angeordnet wird. Weist das erfindungsgemäße Ladesystem einen Stellplatz mit einer Unterseite in Form eines Bodens, seitliche, vordere und/oder obere geometrische Begrenzungen auf, kann die mechanische Herstellung eines elektrischen Kontakts auf vielfältige Weise realisiert werden. Die Schleifkontakteinrichtung könnte an einem Boden des Stellplatzes, an einer Seite, an Vorder- oder Rückseite oder an einer Oberseite angeordnet werden. Für eine Anordnung an einem Boden, an vorderen/hinteren oder seitlichen Begrenzungen wären besonders schienenartige Schleifkontakteinrichtungen vorteilhaft, da diese das Ladesystem benutzenden Fahrzeugen mit unterschiedlichen Längen das Eingehen eines elektrischen Kontakts vereinfacht. Bei Anordnung der Schleifkontakteinrichtung an einer Oberseite eines Stellplatzes käme besonders eine Art Oberleitung in Frage, die mit einem an dem betreffenden Fahrzeug angeordneten Stromabnehmer eine Verbindung eingehen könnte, wobei der Stromabnehmer bevorzugt unter einer Federlast an die Oberleitung drückt.
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Die Steuervorrichtung ist als eine Schnittstelle zwischen der für ein Ladesystem verfügbaren Spannungsquelle, die beispielsweise auch die Stromversorgung durch einen örtlichen Stromversorger umfasst, und der an das Fahrzeug lieferbaren Spannung anzusehen. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Steuervorrichtung einen besonders geeigneten Ladestrom und eine passende Ladespannung durch Umformung und/oder Aufbereitung bereitstellen kann, die auf den Akkumulator des betreffenden Fahrzeugs angepasst sind. Bevorzugt ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, über ein Eingabe- oder Bedienmittel eine Auswahl der Ladespannung und/oder des möglichen Ladestroms oder einer Ladestromkurve bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schleifkontakteinrichtung ein Paar von elektrisch leitenden Schienen, die voneinander beabstandet angeordnet und jeweils mit einem Plus- und einem Minuspol des Spannungsausgangs der Steuervorrichtung verbunden sind. Die mechanische Ausgestaltung ist dabei recht einfach, robust, zuverlässig und kostengünstig. Weiterhin wird eine leichte Reinigung erlaubt, ebenso einfache Wartung oder ein Austausch bei einem eventuellen Defekt. Das Verwenden von Schienen erlaubt besonders das Auffahren des betreffenden Fahrzeugs auf an einem Boden angeordnete Schienen oder das Anfahren/Anschmiegen an seitlich angeordnete Schienen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die elektrisch leitenden Schienen jeweils mindestens einen Zuführabschnitt und mindestens einen Kontaktabschnitt auf, wobei der Zuführabschnitt winklig zu dem Kontaktabschnitt angeordnet ist. Eine Schiene kann in diesem Sinne daher etwa einen Knick aufweisen, der bei Anordnung der Schiene an einer Boden- oder Seitenfläche ein leichtes Auffahren oder Anfahren ermöglicht. An dem betreffenden Fahrzeug anbringbare Stromabnehmer können entlang des Zuführabschnitts in eine Anfangsposition gebracht werden, von der sie kontinuierlich auf der Schiene entlangrutschend in eine Endposition mit einem optimalem elektrischen Kontaktverhalten geführt werden. Die Stromabnehmer könnten etwa federnd an dem Fahrzeug gelagert werden und auf dem Zuführabschnitt wie auf einer Rampe bis zum Erreichen einer Endposition langsam gespannt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems weist mindestens ein Paar von Stromabnehmern auf, die federnd an dem Fahrzeug lagerbar sind und dazu eingerichtet sind, mit der Schleifkontakteinrichtung eine elektrische Verbindung einzugehen. Durch die federnde Lagerung ist ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen dem Fahrzeug und der Schleifkontakteinrichtung möglich, da die Federkraft stets auf den Flächenkontakt zwischen den Stromabnehmern und der Schiene wirkt, so dass auch bei ungenauerem Anfahren der Schiene ein ausreichend Kontakt herstellbar ist.
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Eine ebenso vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist zwei oder mehr Paare von Stromabnehmern auf. Dadurch wird ein paralleles und unabhängiges Laden von zwei oder mehr Akkumulatoren innerhalb eines einzelnen betreffenden Fahrzeugs ermöglicht, denn die Paare von Stromabnehmern können unabhängigen internen Ladekreisen zugeordnet werden, welche insgesamt mit einer höheren elektrischen Leistung betreibbar sein können. Gleichzeitig könnten auch eventuell notwendige Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz einer Überspannung in dem betreffenden Fahrzeug oder dergleichen überflüssig sein.
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Das erfindungsgemäße Ladesystem weist einen Pufferspeicher auf, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist. Bei einem Ladevorgang könnte eine von einem öffentlichen Stromnetz unabhängige Bereitstellung einer elektrischen Ladeleistung erfolgen, was eine Entkopplung der elektrischen Ladeleistung für das Fahrzeug und der elektrischen Eigenschaften der Versorgungsspannung am Spannungseingang der Steuervorrichtung erlaubt. Eine besonders direkte Anpassung der Ladespannung und des Ladestroms an die gewünschte Geschwindigkeit des Ladevorgangs und/oder an die Maximalwerte für Ladespannung und Ladestrom des zu ladenden Akkumulators wird damit in deutlich größeren Grenzen möglich als bei begrenzter zur Verfügung stehender elektrischer Leistung. Damit wird insbesondere das parallele Schnellladen mehrerer Akkumulatoren mit hohen Kapazitäten trotz einer nur haushaltsüblichen Spannungsversorgung in einem privaten Umfeld erst mit der gewünschten Geschwindigkeit zu bewerkstelligen. Eine Drosselung der abgegebenen Ladespannung und des bereitgestellten Ladestroms ist aus Gründen einer begrenzten Abgabeleistung der Spannungsversorgung daher nicht notwendig.
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Bei derartiger Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung bevorzugt eine Priorisierungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, an ihrem Spannungsausgang bevorzugt elektrische Leistung aus dem Pufferspeicher bereitzustellen und nur bei Bedarf, d. h. bei begrenztem Füllstatus des Pufferspeichers, bei begrenzter Entladeleistung des Pufferspeichers oder aufgrund von Sicherheitsmaßnahmen elektrische Leistung aus dem öffentlichen Stromnet an dem Spannungseingang der Steuervorrichtung hinzuzufügen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die den unterschiedlichen Spanungsquellen bereits einmal entnommene elektrische Energie, die in dem Pufferspeicher enthalten ist, bevorzugt zuerst aufgebraucht wird und damit einem schnelleren Laden des Akkumulators des betreffenden Fahrzeugs eine höhere Priorität gegeben wird als einer konstanten Energieentnahme eines öffentlichen Stromnetzes oder dergleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Ladesystem mindestens eine Quelle regenerativ erzeugter elektrischer Spannung auf. Das erfindungsgemäße Ladesystem ist damit dazu eingerichtet, weitestgehend autark betrieben zu werden oder zumindest die aus dem öffentlichen Stromnetz entnommene elektrische Leistung zu reduzieren. Besonders eignen sich Solarmodule und Kleinwindenergieanlagen dazu, in einem erfindungsgemäßen Ladesystem eingesetzt zu werden. Besonders bevorzugt ist die Quelle regenerativ erzeugter Spannung dazu eingerichtet, den Pufferspeicher zu laden, da bei derartigen Spannungsquellen nicht mit einer kontinuierlichen Abgabe von elektrischer Leistung zu rechnen ist.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine Ladestation gelöst, die mindestens ein vorangehend aufgeführtes Ladesystem, einen Stellplatz und eine Quelle regenerativ erzeugter Spannung aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Schutzansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ladesystem in einer dreidimensionalen Ansicht.
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2 zeigt eine Detaildarstellung eines die Schleifkontakteinrichtung enthaltenden Bereichs eines erfindungsgemäßen Ladesystems.
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3 zeigt eine Schleifkontakteinrichtung nebst Stromabnehmern in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung.
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4 zeigt die Verbindung zwischen den Stromabnehmern und Ladeeinheiten an Bord des Fahrzeugs in einer dreidimenisionalen, schematischen Darstellung.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a und 1b zeigt ein erfindungsgemäßes Ladesystem 2 mit einem Stellplatz 4, an dessen Boden 6 zwei voneinander beabstandete Schleifkontaktschienen 8 und 10 angeordnet sind, welche mit einem Spannungsausgang einer Steuervorrichtung 12 verbunden sind. In dem Carport-artigen Stellplatz 4 ist ein elektrisch betreibbares Fahrzeug 14 abgestellt, das im Begriff ist, von dem erfindungsgemäßen Ladesystem 2 geladen zu werden. Hierzu weist das Fahrzeug 14 an seiner Unterseite Stromabnehmer 16 auf, die in 2, 3 und 4 besser sichtbar sind.
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Das erfindungsgemäße Ladesystem 2 ermöglicht besonders einfach das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Fahrzeug 14 und einer externen Spannungsquelle, um einen in dem Fahrzeug 14 befindlichen Akkumulator aufzuladen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel muss das Fahrzeug 14 lediglich in den Stellplatz 4 bewegt werden, so dass die Stromabnehmer 16 mit den Schleifkontaktschienen 8 und 10 in Berührung geraten. Besteht der Kontakt kann mit Hilfe der Steuerungsvorrichtung 12 der Ladevorgang initiiert werden.
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In 1 wird ferner ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Ladesystem nicht ausschließlich über eine externe Spannungsversorgung eines Stromversorgers verfügen muss, um ein Laden des Fahrzeugs 14 zu erlauben, sondern es werden auch zwei unterschiedliche Quellen regenerativ erzeugter Spannung in Form mehrerer Solarmodule 18 und einer Kleinwindenergieanlage 20 dargestellt, die ein erfindungsgemäßes Ladesystem 2 flexibel zu einer umweltfreundlichen Ladestation erweitern.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Pufferspeichers 13, der in dem gezeigten Fall als eine mit der Steuervorrichtung 12 verbundene Einheit ist und dazu eingerichtet ist, aus sämtlichen zur Verfügung stehenden Spannungsquellen aufgeladen zu werden. Sollte das erfindungsgemäße Ladesystem 2 in einem privaten Haushalt untergebracht sein, in dem nur eine herkömmliche, mit 16 A abgesichterte 220 V-Steckdose zur Verfügung steht, würde diese nicht ausreichend elektrische Leistung zum raschen Aufladen eines größeren Akkumulators bereitstellen können. Die schnelle Bereitstellung der elektrischen Leistung kann jedoch auch durch den Pufferspeicher 13 erfolgen, der ohne weiteres auch in einem vielstündigen Aufladeprozess geladen werden könnte, sei es aus einem örtlichen Stromnetz oder den alternativen Quellen in Form von Solarmodulen 18 oder Kleinwindenergieanlage 20. Bei Bedarf könnte dieser in Abhängigkeit der verwendeten Technologie des Pufferspeichers 13 eine sehr hohe Abgabeleistung bereitstellen.
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2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Schleifkontaktschienen 8 und 10, mit denen eine Reihe von Stromabnehmern 16 in Flächenkontakt stehen, welche beispielhaft als runde, dosenartige Körper ausgeführt sind, die zusammen mit einer nicht dargestellten Druckfeder in einem ringförmigen Gehäuse 22 entlang ihrer Mittelachse verschiebbar federnd gelagert sind. Durch den Federdruck kann sichergestellt werden, dass stets ein ausreichender Flächenkontakt zwischen den Stromabnehmern 16 und den Schleifkontaktschienen 8 und 10 besteht.
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Die Steuervorrichtung 12 ist derart an dem Stellplatz 4 angeordnet, dass der Fahrer des Fahrzeugs 14 nach Verlassen des Stellplatzes bequem eine Auswahl einer Programmsteuerung, eines einstellbaren Ladestroms, einer Zeitsteuerungsautomatik zur Unterstützung intelligenter Stromnetze oder eines Nachttarifs eines Stromanbieters oder dergleichen durchführen kann. Die Steuervorrichtung 12 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die Einhaltung einer konstanten Spannung und einer gewünschten Stromstärke durchgeführt wird. Da die zu ladenden Akkumulatoren in das Fahrzeug 14 integriert sind, befindet sich üblicherweise auch eine Ladeeinheit an Bord des Fahrzeugs, die aus der bereitgestellten Ladespannung der Steuervorrichtung eine entsprechende Aufbereitung für den Akkumulator in Form einer Spannungskurve mit entsprechendem Feedback des Akkumulators durchführt und bevorzugt auch eine Temperaturüberwachung ermöglicht.
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3 zeigt die Schleifkontaktschienen 8 und 10 zusammen mit den Stromabnehmern 16 in einer Einzeldarstellung. Die Schleifkontaktschienen 8 und 10 sind aus einem flachen, ebenen metallenen Blech hergestellt und weisen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen Zuführabschnitt 24 und jeweils einen Kontaktabschnitt 26 auf, wobei der Zuführabschnitt 24 winklig zu dem jeweiligen Kontaktabschnitt 26 verläuft. Der Zuführabschnitt 24 ist demnach als eine Art Rampe anzusehen, deren Abstand von einer Befestigungsseite stetig bis zum Erreichen der Kontaktfläche 26 erhöht wird. Bei dem in 2 dargestellten Aufbau werden beim Einfahren des Fahrzeugs 14 in den Stellplatz 4 demnach die Stromabnehmer 16 auf dem Zuführabschnitt 24 aufkommen, um bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 14 langsam zu dem Kontaktabschnitt 26 hochzurutschen und dort in eine Endposition zu gelangen. Bei entsprechender Auslegung der Stromabnehmer 16 werden die darin enthaltenen Federn so komprimiert, dass sie in dem Kontaktabschnitt 26 die stärkste Federkraft ausüben und für einen zuverlässigen Flächenkontakt mit den Schleifkontaktschienen 8 und 10 sorgen.
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Um eine Beschädigung der Stromabnehmer 16 und/oder der Schleifkontaktschienen 8 und 10 zu vermeiden ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils der Zuführabschnitt 24 der Schleifkontaktschienen 8 und 10 federnd ausgeführt, so dass bei übermäßigem Druck der Zuführabschnitt 24 nachgibt. Der Kontaktabschnitt 26 weist hingegen eine Form auf, die besonders bevorzugt parallel zu der Bodenfläche 6 verläuft, auf der die Schleifkontaktschienen 8 und 10 angeordnet sind, so dass unabhängig von der Länge des Fahrzeugs 14 eine gleiche Kontaktqualität hergestellt wird.
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Ein Stromabnehmer 16 kann, wie in 3 dargestellt, auch einen stempelartigen Kontaktkörper 28 aufweisen, der linear verschiebbar in einem Gehäuse 22 gelagert ist und durch Federdruck aus dem Gehäuse 22 zu den Schleifkontaktschienen 8 und 10 gedrückt wird. Mit Hilfe einer Basisplatte 30, an der das Gehäuse 22 positioniert ist, kann eine Befestigung an dem Fahrzeug 14 erreicht werden. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktkörper 28 und einer entsprechenden Ladeeinheit an Bord des Fahrzeugs 14 kann durch eine entsprechende Verkabelung aussgeführt werden, wobei zu beachten ist, dass der Kontaktkörper 28 nicht mit der Basisplatte 30 oder anderen Teilen in Berührung gerät, die direkt mit dem Fahrzeug 14 verbunden sind. Dies kann durch eine Ringisolierung zwischen dem Kontaktkörper 28 und dem Gehäuse 22 oder durch andere geeignete Mittel erfolgen.
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Schließlich zeigt 4 eine erste Reihe 32 und eine zweite Reihe 34 von Stromabnehmern 16, wobei die einzelnen Stromabnehmer 16 der ersten Reihe 32 und der zweiten Reihe 34 galvanisch voneinander getrennt sind und lediglich in einem einzelnen Gehäuse 36 und 38 untergebracht sind, wobei letztere als jeweils eine gemeinsame Plus- oder Minusleiste verwendbar sind. Der Vorteil hiervon liegt darin, dass einzelne Ladeeinheiten 40 relativ leicht parallel zueinander betreibbar sind und dadurch einzelne Akkumulatoren 42 individuell geladen und überwacht werden können. Die individuelle Anpassung der Gesamtladeleistung an die zur Verfügung stehende Abgabeleistung des erfindungsgemäßen Ladesystems ist durch die Parallelschaltung deutlich einfacher als bei einer Verwendung einer alternativen einzelnen Ladeeinheit 44, die in Reihe geschaltete Akkumulatoren 42 gemeinsam auflädt.
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Das in den Figuren gezeigte erfindungsgemäße Ladesystem 2 kann durch Verwendung von Schleifkontakteinrichtungen und einem Pufferspeicher eine unkomplizierte, rasche, zuverlässige, sichere und flexible Aufladung von Akkumulatoren elektrisch betreibbarer Fahrzeugen realisieren. Ohne weiteres ist ein Ausbau auf die Verwendung alternativer Energiequellen regenerativer Art möglich, so dass eine Ladestation mit einem erfindungsgemäßen Ladesystem 2 und Solarmodulen, Windenergieanlagen oder anderen Formen der alternativen Energiegewinnung ohne weiteres auch in privaten Haushalten installierbar ist.
