DE2330255A1 - Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicher - Google Patents
Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicherInfo
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Description
Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Dipiom-lngenieur
Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Anwaltsakte: 41 323/Sch- Hans Dieter Gesthuysen
4300 Essen, den 12. Juni 1973 Theaterplatz 3
Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung GES Gesellschaft für elektrischen
Straßenverkehr mbH.
Straßenverkehr mbH.
4 Düsseldorf, Tersteegenstraße 77
Verfahren und Anlage zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher, die
im statistischen Mittel während einer Einsatzzeit eine Stillstandszeit aufweisen, die meistens länger ist als ihre Fahrzeit,
und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit abgestellt werden.
Die Erfindung bezieht sich damit z. B. auf Personenkraftfahrzeuge, die zwischen Heimgarage und Parkhaus oder Parkplatz eingesetzt
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sind, auf Taxenfahrzeuge, die auf Taxenparkplätzen warten, auf
Linienbusfahrzeuge, die an Endstationen oder an Haltestellen warten usw. fort. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine
Anlage zur Durchführung eines solchen Betriebsverfahrens.
Bei den (aus der Praxis) bekannten Verfahren der genannten Gattung werden die Energiespeicher am Standort des Fahrzeuges
im Fahrzeug selbst aufgeladen, meistens jedoch in besonderen Ladestationen gewechselt, wozu sie aus dem Kraftfahrzeug herausgenommen
und durch einen aufgeladenen Energiespeicher ersetzt werden. Man arbeitet also hauptsächlich mit Wechselenergiespeichern.
Die im Sinne der obigen Ausführungen definierten Stillstandsplätze sind mit Energieversorgungseinrichtungen zum Aufladen
der Energiespeicher nicht ausgerüstet. Die Kraftfahrzeuge werden mit einem aufgeladenen Energiespeicher auf ihre Fahrstrecke
geschickt und kehren mit vollständig oder fast vollständig entladener Batterie wieder zum Ausgangspunkt zurück. Ständige
Überwachung des Batterieladzustandes ist dabei während der Fahrt erforderlich und erfordert erhebliche Aufmerksamkeit des Fahrers.
Gelegentliches Zwischenladen bei der Rückkehr zum Ausgangspunkt wird ebenfalls in einigen Fällen praktiziert, hat aber keine
große Bedeutung und ist in dieser Form für ein Versorgungsnetz nicht geeignet, denn es ist den Betreibern nicht zuzumuten, mit
schweren und schmutzigen Kabeln und Steckern auf öffentlichen Parkplätzen bei fast jedem Anhalten zu hantieren, abgesehen von
den möglichen Beschädigungen an Kabeln und Steckern, die leicht auftreten können. Ein Nachtankverfahren, in dem ein enges Netz
von Wechselstationen vorgeschlagen wird, ist ebenfalls bekannt, doch wegen der diesem Verfahren anhaftenden Nachteile allgemein
nicht praktikabel. Es ist auch wegen des wirtschaftlichen und
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zeitlichen Aufwandes nur für weitgehend entladene Batterien geeignet
und führt, wenn man es sehr häufig praktiziert, zu erheblichem äußeren Verschleiß. Es bedarf der Ergänzung durch Nachlademöglichkeiten,
die in einer Vielzahl angeboten werden müssen.
Während der Einsatzzeit des Fahrzeuges nimmt die gespeicherte
Energiemenge ab, wodurch auch das Fahrverhalten des Kraftfahrzeuges beeinflußt wird, das im Laufe eines Einsatzes alsbald den
Betriebszustand "Vollgas" nicht mehr zuläßt. Das unterscheidet
ein Elektrofahrzeug von einem üblichen Kraftfahrzeug. Aber auch in anderer Beziehung unterscheiden sich Kraftfahrzeuge mit
elektrisch aufladbaren Energiespeichern von mit flüssigem Kraftstoff
betriebenen Kraftfahrzeugen.
Wegen des großen Energieinhaltes flüssiger Kraftstoffe lassen sich diese bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor
auf kleinem Volumen mit relativ geringem Gewicht im Kraftfahrzeug unterbringen. Eine Tankfüllung erlaubt es, lange Strecken
zu fahren oder das Nachtanken in Abständen von einigen Tagen durchzuführen. Entsprechend weitläufig ist daher auch das Tankstellennetz
angelegt. Kraftfahrzeuge mit elektrischem Energiespeicher hingegen müssen wegen des großen Gewichtes der Energiespeicher
und des erforderlichen Volumens immer mit wesentlich geringerer Energiekapazität auskommen. Hinzu kommt als weiterer
Nachteil die lange Aufladezeit. Strom läßt sich aus physikalisch bedingten Gründen nicht so schnell wie Benzin in den Speicher
einfüllen, im Gegenteil, je langsamer das Nachladen erfolgen kann, je wirtschaftlicher läßt es sich elektrisch gestalten. Das ist
bis heute ein beachtliches Handikap für den Einsatz von Kraft-
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fahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher. Im übrigen
ist es lange bekannt, daß fast alle Kraftfahrzeuge längere Standais Fahrzeiten aufweisen. Das gilt ganz besonders für den Individualverkehr
im Nah- und Mittelstreckenbereich. Selbst im Fernverkehr und im Liniendienst fährt man nicht rund um die Uhr, sondern
stellt die Fahrzeuge mehrere Stunden, vornehmlich bei Nacht ab. Das hat bisher die Probleme um den Betrieb von Kraftfahrzeugen
mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher nicht beeinflußt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
das für ein Kraftfahrzeug mit elektrisch nur langsam aufladbarem Energiespeicher (dazu gehören z. B. auch Wärmespeicher, Schwungradspeicher
u. ä.), einen Betrieb erlaubt, der dem Betriebsverhalten eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor, zumindest
im Nahverkehr ähnlich ist. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Durchführung eines solchen
Verfahrens anzugeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen
mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher, die im statistischen Mittel während einer Betriebszeit eine Stillstandszeit
aufweisen, die insgesamt mindestens einige Stunden pro Tag ergibt und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit
abgestellt werden. Die Erfindung besteht darin, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge (die mit einem aufgeladenen Energiespeicher
auf ihre Fahrstrecke geschickt worden sind) an zumindest einigen Stillstandsplätzen während der üblichen Halte-
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zeit oder Abstellzeit der Kraftfahrzeuge automatisch nachgeladen
und diese dazu am Stillstandsplatz in eine vorgegebene Stellung einfahren und an eine dort installierte elektrische Versorgungseinrichtung
angekuppelt werden. - Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Kraftfahrzeuge, die mit dem Versorgungsnetz verbunden
sind, auch bezüglich der Beheizung an das Versorgungsnetz anzuschließen und zwar ggf. über besondere Wärmespeicher.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Stillstandszeiten
der Kraftfahrzeuge sich in ausreichender Zahl und Länge zum Nachladen der elektrischen Energiespeicher anbieten, wenn
nur an allen oder einer ausreichenden Zahl von Stillstandsplätzen entsprechende Einrichtungen vorgesehen sind. Geht man
davon aus, daß es möglich ist, den größten Teil aller normal anfallenden
Stillstandszeiten eines Kraftfahrzeuges in diesem Sinne zum "Nachtanken" zu benutzen, dann stellt sich die Forderung
nach größeren Speichern, die es erlauben, in Abständen von mehreren Tagen nachzutanken, für die meisten Kraftfahrzeuge nicht
mehr. Auch Schneiladung, die Nachteile für das speisende elektrische Netz hat, erübrigt sich. Ausnahmen wird es lediglich im
Fernverkehr geben. Insbesondere für Linienbuskraftfahrzeuge empfiehlt die Erfindung in diesem Zusammenhang, daß die Energiespeicher
für Kraftfahrzeuge an praktisch allen Stillstandeplätzen während der üblichen Haltezeit nachgeladen werden. Man
kommt so für die meisten Kraftfahrzeuge mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher zu einem Fahrbetrieb, der praktisch immer
im gürfitigsten Bereich des Betriebszustandes des Energiespeichers
abläuft, wobei sich andererseits z. B. ein elektrischer Energiespeicher dann gleichzeitig im Bereich der bestmöglichen Aufnahmebereitschaft
befindet. Das Kraftfahrzeug selbst zeigt ein entsprechendes Fahrverhalten bzw. kann entsprechend gefahren
werden.
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Die bestmögliche Aufnahmebereitschaft des Energiespeichers bedeutet,
die größtmögliche Energiemenge in kürzeste: Zeit nachladen zu können. Die erforderliche Gesamtladezeit, bezogen auf
die aufgenommene Energiemenge, verglichen mit der Zeit, die notwendig
ist, um eine leere Batterie durchgehend wieder aufzuladen, verkürzt sich dabei erheblich, teilweise bis 30 %. Die Erfindung
macht sich die Erkenntnis zunutze, daß z. B. ein elektrochemischer Speicher, bedingt durch die geringere Gegenspannung einer, wenn
auch nur kurzzeitig entladenen Batterie, höhere Ströme und somit mehr Energie pro Zeiteinheit aufnehmen kann.
Das Verfahren strebt also bewußt eine Betriebsweise an, die abwechselt zwischen Laden und Entladen durch den Fahrbetrieb,
wobei die Batterie dann nur noch den Zustand Laden oder Entladen kennt.
Die niedrige mittlere Ladespannung und die höhere mittlere Entladespannung führen dabei einerseits zu einer Verbesserung
des Ladewirkungsgrades und andererseits zu einer höheren Nutzenergieentnahme aus der Batterie. Darüber hinaus hat die dauernde
Zyklisierung der Plattenoberfläche, z. B. bei Blei-Säure-Batterien, und die nur gelegentliche Belastung der tieferliegenden
Schichten eine Belastung des Platteninneren mit kleinem Gleichstrommittelwert und damit zusätzlich eine Erhöhung der gesamten
nutzbaren Speicherenergie zur Folge. Hinzu kommt, daß die tiefliegenden Schichten der Platte, da sie nicht entladen werden,
keine Volumenänderung erfahren und die Durchlässigkeit der äußeren Schichten nicht beeinträchtigen, was einen beschleunigten
Säureaus^.eich erlaubt und der besseren Ausnutzung der Kapazität
zugute kommt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Batterien nicht erst bei einem bestimmten Entladezustand wieder mit dem Ladenetz verbunden.
Gerade die ungleichmäßige Benutzung der Fahrzeuge und der dadurch bedingte unterschiedliche Entladungszustand der
Batterien, die an einer Ladestelle angeschlossen werden, ermöglichen derjenigen Batterie, die am weitesten entladen ist, die
größte Energiemenge aufzunehmen, d. h. eine Durchmischung und damit mögliche ungleichmäßige Verteilung der dargebotenen Energiemenge
ist wünschenswert. Gleichzeitig hat dieses Verfahren den Vorteil, daß die von der Ladeanlage dargebotene Energiemenge
vorwiegend voll ausgenutzt wird und somit mit gutem Wirkungsgrad und unter netzfreundlichen Bedingungen aus dem Netz entnommen
werden kann.
Das Verfahren sieht weiter vor, durch Vorwählen der gewünschten Nachladezeit im Fahrzeug die Nachladung bewußt auf die gesamte
vorgesehene Standzeit ausdehnen zu können, um so Belastungsspitzen des Netzes zu vermeiden. Eine eingestellte Langzeitladung
kann wegen des Bezuges netzfreundlicher Grundlastenergie tariflich honoriert werden, wodurch für den Benutzer ein Anreiz entsteht,
Langzeitladung einzustellen. Im Ladevorgang selbst verhält sich z. B. eine leere Batterie durch eine vorgegebene lange
Nachladezeit den anderen Batterien gegenüber, die am gleichen Versorgungssystem hängen, wie eine wenig entladene. Sie verringert
die Gesamtbelastung des Versorgungsnetzes oder gibt anderen Fahrzeugen den Bezug einer größeren Energiemenge in
kurzer Zeit frei.
Weiter besteht die Erfindung darin, Zählsysteme für die aufgenommenen
Energiemengen anzugeben, die je nach Ladeverfahren zu
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Verrechnungszwecken herangezogen werden können, auch unter Berücksichtigung
unterschiedlicher Tarife. Diese Verrechnungszähler können an Bord, in der Batterie, im Ladegerät oder an der Koppelstelle
sowie durch Impulse gesteuert in einer Zentralstelle installiert sein.
Erfindungsgemäß kennt so das Kraftfahrzeug kein "Tanken an einer Tankstelle" mehr, es lädt sich vielmehr in Stillstandszeiten
gleichsam von selber auf. Für den Besitzer des Kraftfahrzeuges mit elektrischem Energiespeicher bedeutet dies erhebliche Annehmlichkeiten
selbst gegenüber Kraftfahrzeugen, die mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden. Mehr Annehmlichkeit entsteht außerdem
dadurch, daß das Kraftfahrzeug, wenn es schon mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden ist, wann immer gewünscht,
ohne eine besondere Aufmerksamkeit des Betreibers, automatisch elektrisch vorgeheizt oder während kurzer Stillstandszeiten warm
gehalten werden kann. Weder Geräusche noch Abgase entstehen dabei. Auch kann z. B. die Batterie während beliebig langer Stillstandszeiten
auf dem gewünschten Ladezustand gehalten werden, ohne auf die gefürchteten Selbstentladungen achten zu müssen und außerdem
läßt sich die Batterie im Winter vortemperieren um die volle Kapazität nutzbar zur Verfügung zu haben. Für alle Speichersysteme können
auf diese Weise optimale Speicher- und Betriebsbedingungen geschaffen werden. Kommt es später zu einem Einsatz von sog. Heißbatterien,
ist ein Warmhalten des Speichers bei längeren Standzeiten zwingend erforderlich. Die Voraussetzung dafür bietet das
angegebene Verfahren bereits jetzt schon.
Im Rahmen der Erfindung müssen die sich als Stillstandsplätze für die Kraftfahrzeuge anbietenden Parkplätze, Parkhäuser, Garagen,
- in bestimmten Zonen auch Straßenränder - bei Linien-
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fahrzeugen bevorzugt Endhaltestellen, im Güterverkehr vor allem auch Plätze an Verladerampen, eine Energieversorgungseinrichtung
aufweisen, d. h. mit einer elektrischen Versorgungsleitung ausgerüstet werden, die in Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Drehstrom
auch mit höheren Frequenzen ausgeführt sein kann, je nach Art des gewählten Nachladesystems.
Selbstverständlich muß dabei das Nachladesystem mit dem System des
Fahrzeuges harmonieren, was durch Normung unschwer zu erreichen ist. Der elektrische Versorgungsanschluß kann sowohl oberirdisch
als auch unterirdisch bzw. in Sonderfällen in jeder beliebigen Zwischenhöhe angeordnet sein, jedoch vorzugsweise so, daß das
Kraftfahrzeug selbst im angekoppelten Zustand den Schutz gegen unbeabsichtigte Berührung der elektrischen Kontakte übernimmt.
Zu besonders einfachen Lösungen in beaüg auf den Ankopplungsvorgang
kommt man, wenn ein Teil der beim Ladevorgang leitungsmäßig zu überbrückenden Stecke von einer Mechanik des Fahrzeuges
und ein anderer Teil von dem elektrischen Versorgungsanschluß aus übernommen wird.
Bei Starkstromanlagen sind Schutzvorrichtungen ebenfalls Bestandteil
der Einrichtungen bzw. Vorrichtungen, Die Kontaktbrücken des Kraftfahrzeuges und die Schutzvorrichtungen werden z. B. beide
betätigt durch Anziehen der Handbremse. Gleichzeitig wird, wenn erforderlich, die Stromversorgung des Kraftfahrzeugantriebes
unterbrochen, so daß ein Anfahren im angekoppelten Zustand unmöglich ist. Das Ausfahren der Kontaktvorrichtung der Versorgungseinrichtung
wird z. B. durch Signaleinrichtungen eingeleitet, z. B. durch Kontaktschwellen, die bei Gewichtsbelastung durch die
Räder des Kraftfahrzeuges bzw. das Kraftfahrzeug selbst ansprechen.
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Ist ein Kraftfahrzeug richtig abgestellt und die elektrische Kupplung ordnungsgemäß hergestellt, wird der Stromfluß abgefragt
und über ein Anzeigegerät dem Bedienenden die ordnungsgemäße Ladefunktion angezeigt.
Man kann anstatt mit Kontakten auch kontaktlose, z. B. induktive Ankopplungen benutzen. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn
man z. B. Jlochstromnachladungen über Kontakte, bevorzugt mit
Gleichstrom, durchführt und Langzeitladungen sowie für Batterien notwendige Ausgleichsladungen, die immer geringe Ströme erfordern,
durch induktive Ankopplungen ermöglicht. Eine Gemischtmethode ist ebenfalls möglich aber nicht zwingend, denn die verschiedenen
Stillstandsplätze brauchen nicht unbedingt beide Ankoppelmöglichkeiten gleichzeitig aufzuweisen. Eine induktive Ankopplung für
kleine Ströme allein eignet sich auch besonders gut als kontaktlose Methode für die Ausrüstung von Garagen (Heimlader).
Gleichzeitig mit der Ankopplung des Fahrzeuges an das Versorgungsnetz
ist erfindungsgemäß eine Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz vorgesehen, die der Signalisierung und/
oder Steuerung von elektrischen Schaltgeräten außerhalb des Fahrzeuges oder umgekehrt dient. Diese Signalverbindung, die im
übrigen auch kontaktlos*, z. B. eine Lichtschranke sein kann, ist außerdem in der Lage, Impulse zu übertragen, die der Verrechnung
der bezogenen Energiemenge dienen.
Im Ergebnis erreicht man, wenn in einer gewissen Dichte Energieversorgungseinrichtungen
an Stillstandsplätzen installiert sind, gleichsam automatisch, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren integriert, sind, tagsüber
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fast immer voll aufgeladen sind, in jedem Falle aber morgens bei Fahrtantritt, weil jedes Abstellen des Kraftfahrzeuges auch für
kürzere Zeitspannen zwangsläufig einen Nachladevorgang einleitet. Diese Tatsache erhöht die Lebensdauer zumindest eines elektrochemischen
Energiespeichers und vergrößert damit die Wirtschaftlichkeit. Das beruht darauf, daß die unteren Schichten der aktiven
Elektroden weniger entladen werden und Volumenänderungen, die erhöhte Abschlammung der aktiven Masse verursachen, weitaus
weniger auftreten. Hinzu kommt, daß bei Entladung nur der oberen Schichten die Gitterkorrosion begrenzt wird, bedingt dadurch, daß
unmittelbar am Gitter wenig chemische Reaktionen auftreten. Sie läßt andererseits aber auch für Kraftfahrzeuge, die nur in einem
bestimmten Bereich verkehren, wesentlich kleinere Energiespeicher unter Inkaufnahme geringerer Reichweiten je Füllung zu.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen
ausführlich erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform eines Stillstandsplatzes mit
an eine Energieversorgungseinrichtung angekuppteltem Kraftfahrzeug,
Fig. 2 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine zweite Ausfuhrungsform eines Stillstandsplatzes mit
an eine Energieversorgengseinrichtung angekuppeltem Kraftfahrzeug,
Fig. 4 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 3,
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Fig. 5 eine dritte Ausfuhrungsform eine Stillstandsplatzes mit
an eine Energieversorgungseinrichtung angekuppeltem Kraftfahrzeug,
Fig. 6 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 5.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Stillstandsplatz mit einer Anlage zur Versorgung von vorzugweise
Individualfahrzeugen 1 mit elektrisch aufladbaren Energiespeichern 2. Der Stillstandsplatz weist im Ausführungsbeispiel 5 Stellflächen 3 auf, von denen eine von einem als
Transporter ausgeführten Kraftfahrzeug 1 besetzt ist, Das Kraftfahrzeug
1 ist über eine nachstehend näher beschriebene Kupplungseinrichtung mit einer zentralen Energieversorgungseinrichtung gekuppelt.
Die Energieversorgungseinrichtung des Stillstandsplatzes besteht aus einem Gleichstromnetz 4, welches über ein Gleichrichterladegerät
5 an ein Wechselspannungsnetz 6 angeschlossen ist. Das Gleichrichterladegerät. 5 sorgt für eine konstante
Spannung im Gleichstromnetz 4 und für eine Begrenzung des Stromes auf ein Maximum, das im Ausführungsbeispiel bei einem fünffachen
Wert des für die einzelne Stellfläche 3 angenommenen mittleren Ladestromes liegt. Ein solcher Stillstandsplatz kann ein Spektrum
von Fahrzeugen 1 bedienen, welches beispielsweise vom PKW bis zum Transporter mit ca. It Nutzlast reicht.
Zum Ankuppeln fährt das Fahrzeug 1 auf eine Stellfläche 3 des Stillstandsplatzes und kommt auf zwei Kontaktschwellen 7 zum
Stillstand. Beim Anziehen der Handbremse werden mit dem Energiespeicher 2 des Fahrzeuges 1 verbundene Gegenkontakte 8 am Fahr-
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IA
zeug 1 durch Verschieben von Abdeckplatten 9 freigelegt. Durch das Eigengewicht des Fahrzeuges 1 werden über die Kontaktschwellen
7 zwei Arbeitszylinder 10 mit Rückholfedern 11 betätigt. Der durch die Arbeitszylinder 10 erzeugte überdruck steht über einen
Speicherbehälter 12 am Magnetventil 13 an. Eine Lichtschranke 14 fragt ab, ob am Fahrzeug 1 ein (nicht dargestellter) Reflektor
vorhanden ist, um festzustellen, ob es sich um ein Speicherfahrzeug handelt. Ist das gegeben und steht das Fahrzeug richtig,
öffnet ein (nicht dargestelltes) Kommandogerät das Magnetventil 13. Der anstehende Druck wirkt auf Arbeitszylinder 15, durch
welche in Ruhelage spannungslose Kontaktstifte 16 eine Schutzvorrichtung 17 durchstoßen.. In der Endstellung verbinden die
Kontaktstifte 16 über Schleifkontakte 18 die Gegenkontakte 8 mit dem Gleichstromnetz 4 (vgl. Fig. 2).
Zum Abfahren des Fahrzeuges 1 wird die Handbremse gelöst. Mit dem Lösen der Handbremse wird der Reflektor der Lichtschranke
14 verdeckt, wodurch ein Umsteuern des Magnetventils 13 erfolgt. Nunmehr wird der am Magnetventil 7 anstehende Druck zum Einfahren
der Kontaktstifte 16 benutzt. Der Druckausgleich erfolgt über einen zweiten Speicherbehälter 12. Nach Lösen der Gegenkontakte
8 und SchMfkontakte 18 schieben sich die Abdeckplatten
9 wieder über die Gegenkontakte 8 und das Fahrzeug 1 ist abfahrbereit.
Im Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß die übrigen vier in Fig. 2 gezeigten Stellflächen 3 unbesetzt sind oder Fahrzeuge
auf ihnen stehen, die entweder fast vollgeladene Batterien haben, oder auf Langzeitladung eingestellt sind, d. h. nur wenig Strom
dem Netz entnehmen. Bekanntlich verzweigt sich beim Parallelladen
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von Batterien - und darum handelt es sich hier - der Strom. Die Batterie mit der geringsten Gegenspannung bekommt den vollen
Strom, der je nach Batteriegröße 5 χ In übersteigen kann.
Sobald nach erfolgter automatischer Ankopplung das Fahrzeug 1 mit dem Netz 4 verbunden ist, beginnt der Stromfluß. Gleichzeitig
läuft ein im Fahrzeug 1 - bei Wechselbatterien besser im Batterietrog - befindliches Strom-Zeit-Meßglied an, das in seinem Zeitverhalten
auf die thermische Belastbarkeit der Batterie abgestimmt sein muß. Je höher der Ladestrom, um so kürzer ist die
Laufzeit dieses Überwachungsgliedes. Bei Erreichen der vorgegebenen Zeitmarke wird der Stromfluß durch ein Lastschaltgerät,
das sowohl im Fahrzeug selbst oder im Batterietrog, als auch im Ladegerät 5 angeordnet sein kann, wobei es unerheblich ist, ob
es sich um eine mechanische Schaltvorrichtung handelt oder eine Leistungselektronik, unterbrochen. Ist das Lastschaltglied außerhalb
des Fahrzeuges angeordnet, muß vom Fahrzeug dorthin ein Steuerimpuls übertragen werden. Nach Unterbrechung des Stromflusses,
läuft ein zweites Zeitglied an, daß ebenfalls der thermischen Zeitkonstante der Batterie angepaßt sein muß. Nach
Ablauf einer Mindestzeit, oder wenn gewünscht, nach einer vorher eingestellten Zeit, - das Zeitglied ist nämlich Bur gewollten
Verlängerung des Ladevorganges einstellbar - wird der Lastschalter wieder eingeschaltet und der Stromfluß beginnt von Neuem. Dieser
Vorgang wiederholt sich bei maximalem Strom in gleichen Zeitintervallen so lange, bis sich eine Gegenspannung aufgebaut hat
und der Stromfluß sich dementsprechend verringert. Die Impulse werden dann länger bis bei voller Gegenspannung der Strom gegen
Null geht und der Lastschalter dauernd eingeschaltet bleibt.
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Die Arbeitsweise des zeitstromabhängigen Meßgliedes zerteilt also
die dargebotene Energie gleichsam in gleichgroße Blöcke eines bestimmten Energieinhaltes. Geht man von dieser Tatsache aus,
so braucht man nur die Schaltvorgänge über ein Zählwerk zu registrieren und die aufgenommene Energiemenge läßt sich, z. B.
beim nächsten Batterieservice errechnen und verrechnen. Das einstellbare Zeitglied, welches die Pausenzeiten vorgibt, tibernimmt
ebenfalls eine DoppeIfunktion, nämlich die Gewährleistung
der Mindestpausenzeit zum Schutz der Batterie und die Beeinflussung der Netzbelastung durch eine einstellbare Verlängerung
der stromlosen Pause. Mit der Einstellung einer vom Netz bevorzugten Langzeitladung kann z. B. ein zweites impulszählendes
Zählwerk angesteuert werden. Die hierauf angezeigten Zahlen erlauben dann später, das Bestimmen der Energiemengen, die netzfreundlich
entnommen wurden.
Um die für Batterien von Zeit zu Zeit notwendigen Ausgleichsladungen zu erzielen, könnte man zu bestimmten Zeiten, z. B.
während der Nacht, eine höhere Spannung vorgeben. Das dürfte auch den wenigen Batterien, die gerade zu dieser Zeit ausnahmsweise
noch nicht voll aufgeladen sind, nicht schaden, denn man kann davon ausgehen, daß demnächst geschlossene Systeme zur
Verfügung stehen, die das Problem des Wasserverbrauchs durch Gasung nicht mehr kennen.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Anlage dient zur Versorgung von Kleinfahrzeugen 1 mit elektrisch wieder aufladbaren Energiespeichern
2 durch induktive Ankopplung an das Wechselstromnetz 19. Eine Stellfläche 3 des Stillstandsplatzes ist von einem
Fahrzeug 1 besetzt, das über einen Stoßstangentransformator
oder Stoßstangentibertrager an eine Ladeplanke 20 angekoppelt ist.
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Afc
Die Anordnung im Fahrzeug 1 ist dabei folgende: Das Fahrzeug 1 erhält eine breite Stoßstange in Form eines Gummiwulstes, der in
der Mitte abgeflacht ist. Hier sitzt eingegossen ein induktives Ankopplungsteil 21. Das ganze Gebilde ist federnd gelagert, um
Ankopplungserschütterungen nicht auf Fahrwerk und Aufbau zu übertragen. Das Übersetzungsverhältnis dieses Ankopplungsteiles
21 richtet sich nach der verwendeten Betriebsspannung. Nachgeordnet befindet sich im Fahrzeug ein Gleichrichter 22, dessen
Regelung sowohl im Fahrzeug als auch im stationären Teil der Anlage erfolgen kann. Auch die Messung des Energieverbrauchs
kann sowohl im Fahrzeug 1 als auch im speisenden Netz erfolgen. Im Fahrzeug befindet sich weiterhin ein Zeitschalter 23, der ein
verzögertes Einsetzen des Ladevorganges ermöglicht, um z. B. den günstigeren Nachttarif ausnutzen zu können, durch den eine
Versorgungsnetzfreundliche Entnahme honoriert wird. Der stationäre
Teil der Anordnung ist aus sog. Ladeplanken 20 aufgebaut, die bevorzugt aus leichtmontierbaren Kunststoffträgern mit Gummieinlage
bestehen. Darin sind Ladetrafos 24 eingegossen, die sich zusammen mit dem Ankopplungsteil 21 zu gewöhnlichen Kerntransformatoren
ergänzen.
Die Ladeplanken 20 erhalten an den Ankopplungspunkten deutlich sichtbare Farbmarkierungen, die den eingegossenen Ladetrafo 24
symbolisieren. Der Anschluß der Ladetrafos 24 an das Wechselstromnetz 19 erfolgt zentral über eine Verteilung mit Schutz-
und evtl. Meßeinrichtungen, die nicht dargestellt sind. Die Ladetrafos 24 sind stets eingeschaltet. Die LeerlaufVerluste
im unbenutzten Zustand sind crering und reichen gerade aus, um im Winter die Ankopplungsflache eisfrei zu halten. Der Ankopplungs-Vorgang
beschränkt sich hier auf eine Berührung von Ladetrafo 24
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und dem Ankopplungsteil 21. Da Ankopplungsteil 21 und Ladetrafo
24 nachgiebig gelagert sind, ist ein luftspaltfreies Aneinanderfügen der Trafoteile möglich. Dies kann durch einfaches Anstoßen
der Fahrzeugstoßstange an eine entsprechend markierte Stelle der Ladeplanke 20 erfolgen. Eine exakte Positionierung ist dazu
nicht erforderlich. Eine Schrägstellung des Fahrzeuges 1 wird durch die Nachgiebigkeit von Ankopplungsteil 21 und Ladetrafo 24
sowie die Wirksamkeit des magnetischen Feldes ausgeglichen. Seitlicher Versatz sowie unterschiedliche Bodenfreiheiten des Fahrzeuges
spielen innerhalb des Toleranzfeldes keine Rolle. Sollte die zulässige Toleranz jedoch überschritten werden, so kann dies
optisch an der Armaturentafel des Fahrzeuges 1 angezeigt werden. Das Fahrzeug muß dann erneut positioniert werden. Der Ladevorgang
beginnt unmittelbar nach erfolgter Ankopplung. Eine Schalthandlung oder eine Unterbrechung des Fahrzeugstromkreises ist nicht erforderlich.
Eine unterbrechung des Ladevorganges erfolgt durch Anfahren des Fahrzeuges 1, wobei ein Teil der Anfahrenergie noch
aus dem Netz entnommen werden kann.
Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Anlage dient vorzugsweise zur Versorgung von Linienbussen über eine oberhalb des Fahrzeuges
1 ang eordnete Versorgungsschiene 25. Die Anlage kann sowohl an der Endhaltestelle einer Linie als auch auf dem Betriebshof
installiert sein. In beiden Fällen werden üblicherweise mehrere Anordnungen nebeneinander oder hintereinander gleichzeitig vorhanden
sein. Außerdem eignet sich diese Anordnung für die Versorgung von Linienbussen an einigen oder allen Haltepunkten im
Zuge der Linienführung. Die mechanische Ausführung der Versorgungsschienen
25 werden in allen drei Anwendungsfällen gleich sein, die Ladeverfahren jedoch sind an allen drei.in diesem Bei-
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spiel angegebenen Punkten unterschiedlich.
Das Fahrzeug 1 fährt in die Stellfläche 2 des Stillstandsplatzes ein. Stromabnehmer 26, die von der Fahrzeugbatterie 2 her unter
Spannung stehen, berühren die oben angeordneten Versorgungsschienen 25. Die Stromabnehmer 26 können aus geteilten Bügeln
bestehen, die mit Rollen oder Schleifern bestückt sind. Die nun bis zum Ladegerät 27 anstehende Betriebsspannung betätigt ein
Schaltglied 28, welches den Ladevorgang einleitet. Zwischen Ladegerät
27 und Schaltglied 28 kann ein Speicher 30 und/oder ein Strombegrenzer 31 zwischengeschaltet sein. Das Fahrzeug kann
nach jeder beliebigen Standzeit, so wie es der Fahrplan vorsieht, den Stillstandsplatz wieder verlassen. Wie aus Fig. 5 zu ersehen
ist, bleibt der Bus auch während des Anfahrens an den Versorgungsschienen 25. Dadurch läßt sich vorteilhafterweise der größte
Teil des energiezehrenden Anfahrvorganges aus dem speisenden Netz 24 abdecken. Kurz vor dem Verlassen der Versorgungsschienen
25 berührt der Stromabnehmer 26 eine Steuerschiene 4#, hier
nicht dargestellt, die das Schaltglied 28 zum Abfallen bringt, um ein leistungsloses Verlassen des Stromabnehmers 26 von der
Versorgungsschiene 25 zu ermöglichen. Die Versorgungsschiene ist anschließend wieder spannungsfrei. Das Ladegerät 27 an der
Endhaltestelle arbeitet bevorzugt nach dem Prinzip der IU-Kennlinie.
Weil im Linienverkehr der Verbrauch der Einzelfahrzeuge
nicht registriert werden braucht, denn es handelt sich in jedem Fall um den gleichen Betreiber, erfolgt die Zählung auf der
Drehstromseite. Die Tatsache, daß sich an einer Endhaltestelle fast immer mehr als ein Ladeplatz befindet, führt in der Regel
zu relativ hohen Anschlußwerten. Durch eine Auswahlschaltung, die dem am meisten entladenen Fahrzeug einen hohen Ladestrom
freigibt und die anderen sperrt läßt sich der maximale Anschlußwert in Grenzen halten und die Gesamtbenutzungsdauer verlängern,
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soweit wie es die Speicherkapazität, bezogen auf die Gesamtlinienführung,
erlaubt.
An den Haltestellen im Zuge der Linienführung wird man zweckmäßigerweise
mit einer Hochstromladung arbeiten, weil hier die Energiezufuhr in kürzester Zeit erfolgen muß. Ein Beispiel soll
dies verdeutlichen. Die mittlere Haltezeit sei 60 Sekunden. Die mittlere Haltestellenentfernung soll 500 Meter betragen. Der
mittlere Verbrauch des Fahrzeuges wird mit 1,6 kWh pro Kilometer angenommen. Erfolgt eine Hochstromladung an jeder vierten Halte- ,
stelle, so muß die Leistung der Gleichspannungsquelle etwa bei 200 KW liegen, um einen Dauerbetrieb des Linienbusses zu ermöglichen.
Um derartige Laststöße nicht ungedämpft auf das speisende Netz einwirken zu lassen, ist die Zwischenschaltung des Energiespeichers
30 vorgesehen. Dieser Speicher wird zwischen den Hochstromladungen mit geringer Leistung aus dem speisenden Netz
reaktiviert. Zur Vergleichmäßigung der Netzbelastung und zur Senkung des Anschlußwertes eignen sich stationäre Energiespeicher
in Form von Batterien, Kreiseln und auch Wärmespeicher in Verbindung mit geeigneten Energiewandlern, evtl. kombiniert mit Kondensatoren.
Die Zählung der abgegebenen Energie erfolgt zweckmäßigerweise
ebenfalls auf der einspeisenden Drehstromseite.
Das Laden auf dem Betriebshof erfolgt vorschlagsgemäß nach dem IU-Ia-Ladeverfahren oder, weil hier eine Vielzahl von Stellflächen
mit Versorgungseinrichtung vorhanden sein muß, nach dem Ladeverfahren gemäß Patentanmeldung P 22 11 966.0-32. Dieses
Verfahren garantiert eine ausgeglichene Netzbelastung.
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Eine weitere an Endhaltestellen und auf Betriebshöfen vorteilhaft einsetzbare Ladetechnik kann außerdem Verwendung finden.
Hierbei wird den Fahrzeugbatterien über die Versorgungsschienen
eine Konstantspannung vorgegeben, die der maximal zulässigen Gasungsspannung im zweiten Teil der IU-Kennlinie entspricht.
Die Strombegrenzungseinrichtung 31 verhindert zu Beginn des Ladevorganges die Ladung mit unzulässig hohen Strömen. Der Vorteil
dieses Ladeverfahrens ist, eine große Anzahl Fahrzeuge gleichzeitig
mit hohem Strom von nur einem Ladegerät aus bedienen zu können. Auch auf dem Betriebshof erfolgt die Zählung der aufgenommenen
Energie auf der Drehstromseite.
Sämtliche in den angeführten Ausführungsbeispielen aufgezeigten Methoden des Nachladens sind selbstverständlich kombinierbar.
Auch die Anwendung weiterer Ladeverfahren, die hier nicht aufgeführt
sind, ist denkbar. Durch Verlagerung des Gleichrichters in dem Fahrzeugbereich ist die Ausführung der Versorgungsschienen
mit Wechsel- oder Drehstrom ebenfalls denkbar.
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Claims (10)
- Andrejewski, Honke & Gesthuysen, tenwälte/ 4300 Essen 1, Theaterpkriz 3Ansprüche( 1.)Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrischem Energiespeicher, die im statistischen Mittel während einer Einsatzzeit eine Stillstandszeit aufweisen, die insgesamt mindestens einige Stunden pro Tag ergibt, und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit abgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge (die mit einem aufgeladenen Energiespeicher auf ihre Fahrstrecke geschickt worden sind) an zumindest einigen .Stillstandsplätzen während der üblichen Haltezeit oder Abstellzeit an diesen Stillstandsplätzen mit dem öffentlichen Netz verbunden werden und dazu die Kraftfahrzeuge am Stillstandsplatz in eine vorgegebene Stellung einfahren und an eine dort installierte, den Grundsätzen der elektrischen Energieversorgungstechnik folgenden, Versorgungseinrichtung angekuppelt werden.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gleichmäßige Netzbelastung gesorgt wird, und zwar dadurch, daß mit möglichst geringer Leistung über die gesamte vom Fahrzeug her vorbestimmte Stillstandszeit nachgeladen wird.
- 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von dem Ladevorgang mit gleichmäßiger Netzbelastung Hochstromladungen für einzelne Fahrzeuge möglich sind, und daß dazu diesen ein dem Entladezustand der Batterie angepaßter höherer Strom im Rahmen des Gesamtanschlußwertes zum Nachladen angeboten wird.409883/0482Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen 1, Theaterpkriz 3
- 4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 für Kraftfahrzeuge mit elektrisch aufladbaren Energiespeichern, zugeordneten festen oder willkürlichen Fahrstrecken und zugeordneten Stillstandsplätzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stillstandsplätze elektrische Energieversorgungseinrichtungen (4, 5, 6, 19, 24, 25, 27, 28, 29) und die Kraftfahrzeuge (1) daran ankuppelbare Energiespeicher (2) aufweisen, und daß den Energieversorgungseinrichtungen und/oder den Kraftfahrzeugen Kupplungsvorrichtungen (8, 16, 18, 21, 24, 26) zugeordnet sind, die beim Einfahren eines Kraftfahrzeuges (1) in den Stillstandsplatz automatisch den Energiespeicher (2) des Kraftfahrzeuges an die Energieversorgungseinrichtung ankuppeln.
- 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtung aus der Energieversorgungseinrichtung (4, 5, 6) zugeordneten, vor- und rückbewegbaren Kontakten (16) und aus am Fahrzeug (1) angeordneten Gegenkontakten (8) besteht.
- 6. Anlage nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,daß die Kupplungsvorrichtung aus einem übertrager (21, 24) besteht, dessen Ladetransformator (24) in einer Ladeplanke (20) des Stillstandsplatzes und dessen Ankopplungsteil (21) am Fahrzeug z. B. in einer Stoßstange angeordnet ist.
- 7. Anlage nach den Ansprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung aus der Energieversorgungseinrichtung (25, 27, 28, 29) zugeordneten ortsfest angeordneten Versorgungsschienen (25) und am Kraftfahrzeug (1) befestigten Stromabnehmerbügeln bestehen (26) und die so eingerichtet sind, daß nicht nur während der Stillstandszeit des Fahrzeuges sondern auch während der Ein- und Ausfahrphase eine Nachladung des Speichers erfolgt und der Anfahrstrom des Fahrzeuges aus dem Versorgungsnetz gedeckt wird.409883/0482Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen 1, Theaterplatz 3
- 8. Anlage nach den Ansprüchen 4,5,6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz besteht.
- 9. Anlage nach den Ansprüchen 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung aus einem Gleichstromnetz (6, 25) besteht, welches über ein Gleichrichterladegerät (5, 27) an ein Wechsel- oder Drehstromnetz (4, 29) angeschlossen ist.
- 10. Anlage nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Netzseite ein langsam aufladbarer Hochstrom abgebender Speicher stationär angeordnet ist und die Aufladeeinrichtung für den Energiespeicher der Kraftfahrzeuge für Hochstromaufladung ausgelegt ist.409883/0482VlLeerseite
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2330255A DE2330255A1 (de) | 1973-06-14 | 1973-06-14 | Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicher |
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DE2330255A DE2330255A1 (de) | 1973-06-14 | 1973-06-14 | Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicher |
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Publication Number | Publication Date |
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DE2330255A1 true DE2330255A1 (de) | 1975-01-16 |
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ID=5883959
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DE2330255A Pending DE2330255A1 (de) | 1973-06-14 | 1973-06-14 | Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicher |
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