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Die Erfindung betrifft ein Funktionsfahrzeug.
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Funktionsfahrzeuge, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind für den Einsatz unter Tage ausgebildet.
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Das Arbeiten unter Tage, also zum Beispiel im Bergbau und in Minen, stellt erhöhte Ansprüche an die gesamte Sicherheitstechnik, weil dort im Falle eines Unfalls ein Rettungseinsatz im Allgemeinen nicht unmittelbar möglich ist. Mobilfunknetze und GPS funktionieren hier nicht und je nach Zugänglichkeit der Mine kann es länger dauern als an der Erdoberfläche, bis ein Rettungsteam vor Ort ist.
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Das Hauptkriterium für die Betriebssicherheit von Arbeitsplätzen unter Tage ist eine ausreichende Belüftung. Eine Unterbrechung der Belüftung oder eine unzureichende Belüftung in Fehlerfällen kann zum Ausfall der Produktionsanlage führen und für die Bergleute lebensbedrohend sein, weil zum Beispiel ein erhöhtes Feuerrisiko sowie die Gefahr der Erstickung bestehen.
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Aufgrund der Belüftungsproblematik sind unter Tage die Emissionen von Schadstoffabgasen, wie zum Beispiel von Stickoxiden und CO2, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsantrieben entstehen, stark zu begrenzen, beziehungsweise deren Konzentration durch starke Belüftung („Bewetterung“) niedrig zu halten.
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Verbrennungsmotoren auf Basis von Gas oder Wasserstoff gespeiste Brennstoffzellen sind bezüglich Emissionen besser, sind aber bezüglich möglicher Gefahren durch Brand und Explosionen kritischer und zum Teil verboten.
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Aus diesem Grunde werden mobile Funktionsfahrzeuge, insbesondere Arbeitsfahrzeuge, wie zum Beispiel Radlader zum Abtransport von Minenabraum, Bohrfahrzeuge oder Muldenkipper mehr und mehr mit elektrischen Antrieben betrieben. Dabei werden hohe Anforderungen an die Sicherheitstechnik gestellt, zum Beispiel durch eine Überwachung der Erdungsleitung in Stromkabeln. Die elektrisch betriebenen Funktionsfahrzeuge sind kabelgebunden, weil diese Fahrzeuge hohe Dauer- und Spitzenleistungen benötigen. Reine Batteriespeicher als Energielieferanten sind für einen Dauereinsatz in diesen Arbeitsmaschinen nicht geeignet, da deren Energiekapazität bei heute zur Verfügung stehenden Systemen nicht ausreicht.
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Für derartige kabelgebundene Funktionsfahrzeuge unter Tage gibt es heute bereits eine gut ausgebaute Infrastruktur. Die elektrische Leistung wird über Kabel übertragen und der Aktionsradius eines Fahrzeugs hängt von der maximalen Kabellänge ab. Aufgrund der sehr hohen Dauer- und Spitzenleistungen, die bis zu mehreren 100 kW betragen können, sind die Kabeldurchmesser aufgrund der entsprechend hohen Ströme auch relativ groß.
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Der Kabeldurchmesser muss dabei auf die Spitzenströme, die zum Beispiel beim Anfahren des beladenen Fahrzeugs an einem Berg mit einer bestimmten Steigung auftreten, ausgelegt werden. Da die Kabel mit einer automatischen Kabelwickeltrommel (meist hydraulisch arbeitend) im hinteren Teil des Fahrzeugs auf- und abgewickelt werden, ist damit die maximale Kabellänge aus Platzgründen begrenzt auf typischerweise 100 bis 250 Meter. Damit ist die Reichweite der Funktionsfahrzeuge unerwünscht begrenzt.
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Dieser Nachteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn ein Funktionsfahrzeug von einem Einsatzort zu einem anderen Einsatzort versetzt werden muss.
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Bei diesem Versetzen des Funktionsfahrzeugs reicht die vorhandene Kabellänge nicht aus, so dass das Kabel von einem ersten Stromanschluss an dem alten Einsatzort getrennt werden muss. Um dann das Funktionsfahrzeug an den zweiten Einsatzort zu bringen, könnte prinzipiell das Funktionsfahrzeug zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sein, der nur für den Transfer zwischen zwei Einsatzorten aktiviert ist. Abgesehen davon, dass das Vorsehen eines Verbrennungsmotors die Konstruktion des Funktionsfahrzeugs aufwändig gestaltet, treten während des Betriebs des Verbrennungsmotors Schadstoffemissionen auf, die zu einem erhöhten Sicherheitsrisiko des Betriebs des Funktionsfahrzeugs unter Tage führen. Anstelle eines Verbrennungsmotors könnte auch ein zusätzliches Spezialfahrzeug eingesetzt werden, welches das Funktionsfahrzeug von einem Einsatzort zum anderen Einsatzort bringt. Dies führt jedoch zu einem sehr großen Mehraufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Funktionsfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist und den Sicherheitsanforderungen für den Betrieb unter Tage genügt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft ein Funktionsfahrzeug, welches für einen Einsatz unter Tage ausgebildet ist, mit wenigstens einem über ein Kabel an eine Stromversorgung anschließbaren elektrischen Antrieb. Es ist eine mit dem Funktionsfahrzeug mitfahrende Einheit mit einem Energiespeicher vorgesehen, wobei der Energiespeicher ausgebildet ist, Energie zum Versetzen des Funktionsfahrzeugs von einem Einsatzort zu einem anderen zu liefern. Während des Versetzens ist der elektrische Antrieb von der Stromversorgung abgekoppelt.
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Das erfindungsgemäße Funktionsfahrzeug weist ausschließlich elektrische Antriebskomponenten auf, so dass von diesem während der gesamten Betriebsdauer keine Schadstoffemissionen ausgehen. Damit ist eine wesentliche Sicherheitsanforderung für den Betrieb des Funktionsfahrzeugs unter Tage erfüllt.
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Das elektrische Antriebssystem des erfindungsgemäßen Funktionsfahrzeugs umfasst wenigstens einen elektrischen Antrieb, der mittels eines Kabels an eine Stromversorgung angeschlossen werden kann. Dabei ist der elektrische Antrieb während des Arbeitsbetriebs des Funktionsfahrzeugs über das Kabel an diese Stromversorgung angeschlossen, wodurch das Funktionsfahrzeug auch über große Zeiträume und ohne Unterbrechungen einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß ist auf einer an dem Funktionsfahrzeug angekoppelten und mit dem Funktionsfahrzeug sich zusammen bewegenden mitfahrenden Einheit ein Energiespeicher angeordnet. Die mechanische Ankopplung der mitfahrenden Einheit an das Funktionsfahrzeug erfolgt in einer Kupplung oder dergleichen. Zudem ist über elektrische Zuleitungen der Energiespeicher in der mitfahrenden Einheit mit dem elektrischen Antrieb im Funktionsfahrzeug verbunden.
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Eine wesentliche Funktion des Energiespeichers besteht darin, dass mit diesem die komplette Energie für den elektrischen Antrieb bereitgestellt wird, die bei einem notwendigen Versetzen des Funktionsfahrzeugs von einem Einsatzort zu einem anderen Einsatzort erforderlich ist.
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Während des Versetzens des Funktionsfahrzeugs muss das Kabel von der Stromversorgung gelöst werden, da die Einsatzorte typischerweise so weit entfernt sind, dass die Reichweite des Kabels bei Anschluss an einen Stromanschluss an einem der Einsatzorte nicht ausreicht. Für das erforderliche Versetzen ist weder eine aufwändige Installation eines Verbrennungsmotors als Zusatzantrieb im Funktionsfahrzeug notwendig, noch ist der Einsatz eines zusätzlichen Spezialfahrzeugs, welches das Funktionsfahrzeug von einem Einsatzort zum anderen Einsatzort bringt, erforderlich. Vielmehr kann während des Versetzens des Funktionsfahrzeugs dieses allein mit dem elektrischen Antrieb weiterbetrieben werden, da er die hierfür notwendige Energie aus dem Energiespeicher auf der mitfahrenden Einheit bezieht.
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Die mitfahrende Einheit kann im einfachsten Fall als Anhänger, das heißt allgemein als passive Einheit ohne eigenen Antrieb ausgebildet sein. Für den Fall, dass die mitfahrende Einheit einen großen und schweren Antrieb aufweist, kann die mitfahrende Einheit einen eigenen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Antrieb aufweisen. Mit Unterstützung dieses Antriebs kann eine Bedienperson den Anhänger an das Funktionsfahrzeug manuell heranführen und an dieses ankoppeln.
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Besonders vorteilhaft ist der Energiespeicher von einer oder mehreren Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien gebildet. Der so gebildete Energiespeicher bildet dann mit dem Antriebssystem des Funktionsfahrzeugs ein rein elektrisches Antriebssystem, von dem keinerlei Schadstoffemissionen ausgehen.
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Mit dem Funktionsfahrzeug müssen gegebenenfalls auch längere Transferfahrten von einem Einsatzort zu einem anderen Einsatzort vorgenommen werden, beispielsweise um eine Servicefahrt zu einer weiter entfernten Werkstatt durchzuführen. Derartige Fahrten kommen nur selten vor, zum Beispiel einmal pro Jahr. Da diese Transferfahrten länger dauern, typischerweise mehr als 30 Minuten, ist hierfür ein großer Energiebedarf erforderlich, der mit Batterien nicht abgedeckt werden kann. In diesem Fall wird eine mitfahrende Einheit am Funktionsfahrzeug angekoppelt, die als Energiespender einen Dieselmotor mit Generator und gegebenenfalls unterstützend eine Hochvoltbatterie aufweist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Funktionsfahrzeugs mit einer mitfahrenden Einheit, die den Energiespeicher aufweist, besteht in dessen Modularität. Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche mitfahrende Einheiten mit verschiedenen Energiespeichern an das Funktionsfahrzeug angekoppelt werden. Vorteilhaft kann eine mitfahrende Einheit für mehrere Funktionsfahrzeuge genutzt werden.
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Dies führt zu einem erheblichen Rationalisierungs- und Einsparungseffekt. Die Energiespeicher, insbesondere in Form von Hochvoltbatterien, sind sehr teuer. Da die Transferfahrten für einzelne Funktionsfahrzeuge von einem Einsatzort zu einem anderen relativ selten sind, würde eine im Funktionsfahrzeug integrierte Hochvoltbatterie nur wenig genutzt. Eine derartig geringe Nutzung einer dieser Hochvoltbatterien ist nicht wirtschaftlich. Durch die Integration der Hochvoltbatterie oder allgemein des Energiespeichers auf der mitfahrenden Einheit kann dieser Energiespeicher von mehreren Funktionsfahrzeugen genutzt werden, wodurch der Auslastungsgrad des Energiespeichers erheblich vergrößert werden kann, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich die Batterie oder allgemein der Energiespeicher auf der mitfahrenden Einheit nur während der Transferfahrten im Bereich des Funktionsfahrzeugs befindet, wodurch ein Risiko für das Funktionsfahrzeug im Fall eines bestehenden Problems des Energiespeichers, beispielsweise eines Brands einer Batterie, erheblich verringert wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht in einem vereinfachten Service der erfindungsgemäßen Anordnung. Bei einer Wartung oder Reparatur des Energiespeichers können die notwendigen Arbeiten an der mitfahrenden Einheit vorgenommen werden, ohne dass hierzu aufwändige Ausbauten am Funktionsfahrzeug notwendig werden. Das Funktionsfahrzeug bleibt zudem während der Reparatur- und Wartungsarbeiten an einer mitfahrenden Einheit voll einsatzfähig und kann insbesondere mit einer anderen mitfahrenden Einheit benutzt werden.
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Energiespeicher in Form von Batterien unterliegen einem raschen technologischen Wandel. Innerhalb nur weniger Jahre ist mit einer Verdopplung der Kapazitäten der Batterien bei gleichem Bauraum zu rechnen. Da erfindugsgemäß die Batterien des Energiespeichers auf der mitfahrenden Einheit vorgesehen sind, können dort einfach neue Generationen von Batterien ältere Versionen ersetzen, ohne dass hierfür aufwändige Umbauten am Funktionsfahrzeug erforderlich wären.
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Schließlich ist mit der Verlagerung des Energiespeichers aus dem Funktionsfahrzeug in die mitfahrende Einheit eine erhebliche Gewichtseinsparung des Funktionsfahrzeugs verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können der oder die elektrischen Antriebe im Funktionsfahrzeug als Synchron- oder Asynchronmotoren ausgebildet sein. Diese elektrischen Antriebe benötigen beim Anfahren des Funktionsfahrzeugs hohe Ströme. Dieser erhöhte Leistungsbedarf kann durch die Energiespeicher ohne Probleme abgedeckt werden.
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Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung des Funktionsfahrzeugs werden der oder die elektrischen Antriebe sowie gegebenenfalls vorhandene Zusatzaggregate mit einer Zwischenkreisspannung aus einem Zwischenkreis versorgt. Weiterhin sind die Stromversorgung und der Energiespeicher an den Zwischenkreis angeschlossen, mit welchem die Zwischenkreisspannung generiert wird.
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Die Erfindung kann für Funktionsfahrzeuge unter Tage eingesetzt werden, die in unterschiedlichen Ausführungsformen ausgebildet sein können. Insbesondere kann es sich bei derartigen Funktionsfahrzeugen um Arbeitsfahrzeuge handeln, wie zum Beispiel Radlader zum Abtransport von Minenabraum, Bohrfahrzeuge oder Muldenkipper.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: Schematische Darstellung des Antriebssystems für ein unter Tage arbeitendes Funktionsfahrzeug.
- 2: Schematische Darstellung des Funktionsfahrzeugs mit einer mitfahrenden Einheit.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Antriebssystems 1 für ein unter Tage arbeitendes Funktionsfahrzeug 10, welches schematisch in 2 dargestellt ist. Das Funktionsfahrzeug 10 ist im vorliegenden Fall von einem ein Arbeitsfahrzeug bildenden Radlader gebildet.
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An das Funktionsfahrzeug 10 ist, wie 2 zeigt, eine mitfahrende Einheit 11 angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt über eine Kupplung 12.
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Erfindungsgemäß ist in der mitfahrenden Einheit 11 ein Energiespeicher integriert. Alle anderen Komponenten des Antriebssystems 1 sind im Funktionsfahrzeug 10 integriert. Der Energiespeicher ist über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit dem Antriebssystem 1 des Funktionsfahrzeugs 10 verbunden.
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Die mitfahrende Einheit 11 ist im vorliegenden Fall als Anhänger ausgebildet, das heißt als passives System ohne eigenen Antrieb. Prinzipiell kann die mitfahrende Einheit 11 auch selbst einen Antrieb, beispielsweise in Form eines Elektromotors, aufweisen.
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Der Energiespeicher kann prinzipiell von einem Dieselmotor mit Generator gebildet sein, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Unterstützungsbatterie.
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Im vorliegenden Fall besteht der Energiespeicher aus einer Batterie 5, insbesondere einer Hochvoltbatterie. Generell ist auch eine Mehrfachanordnung von Batterien 5 möglich.
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Das Antriebssystem 1 des Funktionsfahrzeugs 10 ist ein rein elektrisches Antriebssystem 1. Auf dem Funktionsfahrzeug 10 ist ein nicht dargestelltes Kabel auf- und abwickelbar gelagert. Mit diesem Kabel kann eine Verbindung zu einer externen Stromversorgung hergestellt werden. Je nachdem ob sich das Funktionsfahrzeug 10 von der Stromversorgung entfernt oder diesem nähert, wird das Kabel ab- oder aufgewickelt.
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Wie 1 zeigt, weist das Antriebssystem 1 einen Zwischenkreis 2 auf. Eine in der Stromversorgung generierte Netzspannung in Form einer dreiphasigen Netzspannung wird über drei im Kabel geführte Leitungen 3 einem AC/DC-Wandler 4 zugeführt, der an den Zwischenkreis 2 angeschlossen wird. Der AC/DC-Wandler 4 wandelt die als Wechselspannung vorliegende Netzspannung in eine Gleichspannung und führt diese dem Zwischenkreis 2 zu, um dort eine Zwischenkreisspannung in Form einer Gleichspannung zu generieren. Die Zwischenkreisspannung liegt typischerweise bei 700 VDC oder auch höher.
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Weiterhin ist an den Zwischenkreis 2 der Energiespeicher der mitfahrenden Einheit 11 angeschlossen. Der Energiespeicher ist im vorliegenden Fall von einer Batterie 5 in Form einer Hochvoltbatterie gebildet.
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Prinzipiell kann der oder jeder Energiespeicher direkt an den Zwischenkreis 2 angeschlossen sein. Im vorliegenden Fall ist die den Energiespeicher bildende Batterie 5 über einen DC/DC-Wandler 6 an den Zwischenkreis 2 angeschlossen. Damit kann die durch den DC/DC-Wandler generierte Batteriespannung stabil gehalten werden und an die Zwischenkreisspannung angepasst werden.
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Mit der Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises 2 erfolgt eine Spannungsversorgung der elektrischen Antriebskomponenten des Funktionsfahrzeugs 10. Im vorliegenden Fall umfassen diese einen elektrischen Antrieb 7 in Form eines Synchronmotors oder Asynchronmotors. Generell ist mit dem Begriff elektrischer Antrieb 7 ein elektrischer Antriebsmotor als Fahrantrieb umfasst. Der elektrische Antrieb 7 ist über einen Wechselrichter 8 an den Zwischenkreis 2 angeschlossen. Die Anordnung gemäß 1 kann dahingehend erweitert sein, dass mehrere elektrische Antriebe 7 vorgesehen sind, die jeweils über einen Wechselrichter 8 in den Zwischenkreis 2 angeschlossen sind.
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Weiter ist ein Zusatzaggregat 9 über einen Wechselrichter 8 angeschlossen, wie 1 zeigt. Generell können auch mehrere Zusatzaggregate 9 angeschlossen sein. Beispiele für derartige Zusatzaggregate 9 sind Lüfterantriebe, Bremspumpen, Lenk- und Arbeitspumpen und dergleichen. Auch Zusatzaggregate 9 wie zum Beispiel hydraulische Pumpen zur Betätigung von Schaufeln, können Elektromotoren wie Synchronmotoren oder Asynchronmotoren aufweisen.
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Schließlich kann aus dem Zwischenkreis 2 über einen nicht dargestellten DC/DC-Wandler 4 eine Bordspannung generiert werden, die typisch 24 VDC beträgt und zur Spannungsversorgung von Elektronikkomponenten des Funktionsfahrzeugs 10 dient.
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Während eines Arbeitsbetriebs an einem Einsatzort ist das Kabel des Funktionsfahrzeugs 10 an einem Stromanschluss an einer dort vorgesehenen Station angeschlossen. Die Länge des Kabels ist so dimensioniert, dass bei an den Stromanschluss angeschlossenen Kabel das Funktionsfahrzeug 10 die jeweiligen Arbeitsvorgänge durchführen kann.
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Von Zeit zu Zeit muss das Funktionsfahrzeug 10 an einen anderen Einsatzort versetzt werden. Die Länge des Kabels ist nicht ausreichend, dass das Funktionsfahrzeug 10 bei am Stromanschluss des ersten Einsatzorts angeschlossenen Kabel auch die Arbeitsvorgänge am zweiten Einsatzort durchführen kann. Aus diesem Grund muss das Kabel vom Stromanschluss an der Station des ersten Einsatzorts gelöst werden und dann zum anderen Einsatzort verfahren werden, damit das Kabel an einen Stromanschluss einer dort vorhandenen weiteren Station angeschlossen werden kann.
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Während des Versetzens des Funktionsfahrzeugs 10 ist das Kabel an keinen der Stromanschlüsse angeschlossen, so dass das Funktionsfahrzeug 10 nicht mit der Netzspannung versorgt wird.
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Die Batterie 5 beziehungsweise allgemein der Energiespeicher auf der mitfahrenden Einheit 11 ist so ausgelegt, dass die dort gespeicherte Energie für den elektrischen Antrieb 7 beziehungsweise allgemein für die elektrischen Antriebskomponenten des Funktionsfahrzeugs 10 ausreicht, so dass mit dem elektrischen Antrieb 7 das Funktionsfahrzeug 10 von einem Einsatzort zum anderen Einsatzort verfahren werden kann. Damit reichen die elektrischen Antriebskomponenten des Funktionsfahrzeugs 10, die Energie vom Energiespeicher beziehen, aus, um das Funktionsfahrzeug 10 zu versetzen. Damit werden keine zusätzlichen Antriebseinheiten wie Verbrennungsmotoren im Funktionsfahrzeug oder separate Spezialfahrzeuge zum Versetzen des Funktionsfahrzeugs 10 benötigt.
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Nach dem Versetzen des Funktionsfahrzeugs 10 zum weiteren Einsatzort wird das Kabel an einen Stromanschluss einer weiteren Station angeschlossen, so dass zur Durchführung von Arbeitsvorgängen das Funktionsfahrzeug 10 wieder mit der Netzspannung versorgt wird.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Antriebssystem
- (2)
- Zwischenkreis
- (3)
- Leitung
- (4)
- AC/DC-Wandler
- (5)
- Batterie
- (6)
- DC/DC-Wandler
- (7)
- elektrischer Antrieb
- (8)
- Wechselrichter
- (9)
- Zusatzaggregat
- (10)
- Funktionsfahrzeug
- (11)
- Mitfahrende Einheit
- (12)
- Kupplung
