EP4724296A1 - Ladeverfahren für e-autos und diese mit wechsel-akkus - Google Patents

Ladeverfahren für e-autos und diese mit wechsel-akkus

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EP4724296A1 EP24759220.7A EP24759220A EP4724296A1 EP 4724296 A1 EP4724296 A1 EP 4724296A1 EP 24759220 A EP24759220 A EP 24759220A EP 4724296 A1 EP4724296 A1 EP 4724296A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein ganz neues System für die Ladung der Energie-Speicher für E-Autos. Dabei wird auf eine direkte Ladung das Fahrzeug eigene Akkus mittels Kabel von einer externen Stromquelle normalerweise verzichtet, wobei diese im Notfall möglich ist. Statt dessen, werden die Segmente aus denen der Energie-Speicher der neuartigen E-Autos bestehen, beim E-Tanken ausgetauscht. Durch eine Akku-Verwaltung werden die Segmente des Energie- Speichers nicht gleichzeitig beim Fahren entladen, sondern nur jeweils einen oder maximal zwei in parallel benutzt. Diese stufenweise Entladung des Energie- Speichers erlaubt bei Bedarf einen gezielten Austausch (oder E -Tanken) nur dieser leeren Segmente. Die Unterbringung des Energie-Speichers im Unterboden des Fahrzeugs macht ein manuelles aber auch ein automatisches E-Tanken möglich. Die Akku-Segmente werden durch seitliches Heraus- und Herein-Schieben gemacht, wobei sie in Kanälen quer zu Fahrtrichtung im Unterboden des Fahrzeugs plaziert sind. Die vom Fahrer bestimmte Anzahl der zu ersetzenden Segmente beim E- Tanken, wird durch im seitlichen Rahmen der Kanäle plazierte Leuchtdioden angezeigt und dient gleichzeitig als Positionierungshilfe für den automatischen Wechsel. Der seitliche Zugang zu den Akku-Segmenten erlaubt ein leichter und schneller Wechsel dieser.

Description

Ladeverfahren für E-Autos und diese mit Wechsel-Akkus
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden für Elektro-Autos (weiter E-Autos) und diese E-Autos mit Wechsel-Akkus.
Das zurzeit allgemein übliche Verfahren zum Laden mit Energie an E-Autos besteht darin, eine Verbindung mittels eines Ladestützens, verbunden mit Kabel an einer E- Lade-Säule, zur Lade-Steckdose des zu ladenden Fahrzeugs herzustellen. Nach Starten des Ladens muss man warten, bis der im E-Auto befindliche Akku geladen ist. Das Laden dauert ungefähr 6 Stunden, es sei denn, man wählt die Variante des Schnell-Ladens, wo nur 70-80 % des Akkus geladen wird, jedoch in kürzerer Zeit, üblicherweise 30- 60 Minuten. Dabei kommt eine aufwendige Mess- und Ladeeinrichtung untergebracht in der Lade-Säule und Ladestützen zur Anwendung. Folgende Nachteile lassen sich u.a. bei diesem System formulieren: a- begrenzte Fahrzeit mit Zwangspausen von erheblicher Dauer für Akku-Laden b- Schwierigkeiten beim Finden einer Akku-Säule c- relativ geringe Akku-Kapazitäten; üblich zwischen 60 und 100 kWh und dadurch kleine Reichweite d- rasante Abnutzung des Akkus bei häufigem Schnellladen (30 - 60 Min.) e- Fahren mit hoher Geschwindigkeit (über 160 km/h) nicht möglich, wegen des enorm steigenden Energiebedarfs (dritter Potenz der Geschwindigkeit) f- Erforderlicher Austausch des Akkus nach maximal 8 Jahren, was sehr teuer ist.
Zum Stand der Technik gehören u.a:
- AU002008200543B8 „Light weight, Mass-producible, Combined Chassis, Battery Hüsing, Cooling System Structure forSolar Electric Vihicle“ ermöglicht schnelles Akku-Wechsel statt „plug-in“ laden.
- DE20 2018 003439 U1 „System zum Betrieb und Wechsel von Akkumulatoren in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen“ ermöglicht sowohl E-Tanken von Tanksäulen als auch E-Tanken durch Akku- Wechsel
- US 2019 / 0118 782 A1 “Robotics for rotating energy cells in vehicles“ ermöglicht einen manuellen oder robotischen Wechsel von Akkus an E-Autos
- CN 1 12297 812 A „E-Auto und Akku-Wechsel-Wagen passend zum E-Auto“ ermöglicht den Wechsel des kompletten Akku-Paks.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, das E-Auto so auszugestalten, dass die Nachfüllung mit Energie ohne eine elektrische Verbindung' zwischen Lade-Säule und Fahrzeug möglich ist, wobei dies aber in Notfällen gemacht werden kann. Dabei werden viele der o.a. Nachteile zum Teil oder ganz vermieden.
Das Verfahren zum Laden für E-Autos basiert auf einem Energie-Speicher, welcher eine segmentierte Anordnung von Lithium-Akkus verwendet, die am Unterboden des Fahrzeugs montiert ist und zwar so, dass die einzelnen Segmente, die quer zur Fahrtrichtung orientiert sind, leicht seitlich abnehmbar sind. Beim E-Tanken wird jeweils der Reihe nach, ein Segment ohne Akku-Ladung entnommen und durch ein Segment mit voller Akku-Ladung ersetzt.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Die Akku-Verwaltung des E-Autos ist in der Lage festzustellen, welche Segmente genügend Energie enthalten, um den vollen Fahrzeugbedarf beim Fahren zu decken; dabei wird angestrebt, dass jeweils nur ein Segment mit Akkus zu einer Zeit beim Fahren benutzt wird, wodurch eine natürliche Trennung möglich ist, zwischen Akku- Segmenten ohne oder mit voller Ladung, was wiederum die Möglichkeit öffnet, bei Bedarf nur eine gewisse, vom Fahrer bestimmte Auswahl der zu ersetzenden Akku- Segmente zu treffen.
Eine Markierung mit Leuchtdioden wird verwendet, um de Positionen der zu ersetzenden Akku-Segmente der Lade-Einheit (Mensch oder Automat) zu signalisieren. Die Sicherung der Akku-Segmente gegen Wegfall oder Diebstahl ist gelöst durch eine doppelte Verriegelung: eine zur Freigabe der Segmente zum Ersetzen und die andere, rein mechanische, zur Ermöglichung des Herausziehens der Segmente.
Es ergeben sich u.a. folgende Vorteile:
- Gewährleistung eines schnellen Ladens mit Energie, das u.U. schneller ist, als das Benzin-Tanken
- Die E-Autos gebaut nach dieser Erfindung, werden etwa mit nur einem Akku- Segment verkauft, was ausreichend ist, bis zur ersten E-Tankstelle zu fahren. Dadurch sinkt der Verkaufspreis auf etwa die Hälfte der herkömmlichen E- Autos.
- In jeder E-Tankstelle für die erfindungsgemäßen E-Autos bekommt das E- Auto den vollen Einbau aller Akku-Segmente ohne extra Bezahlung, dafür muss man für das Tanken zusätzlich zu den Energie-Kosten auch einen anteilmäßigen Zusatz für die Benutzung der geliehenen Akku-Segmente bezahlen. Dadurch entfällt für den Fahrer jede Notwendigkeit, sich um die Akkus zu kümmern
- Die Anordnung der Akku-Segmente erlaubt eine bessere Ausnutzung des Unterbodens des E-Autos, wodurch eine viel größere Kapazität für die Energie-Quelle ermöglicht wird und dadurch wird auch möglich, die Reichweite und die Höchstgeschwindigkeit des E-Autos zu vergrößern - 30 - 200 % mehr als heute üblich -.
Die vorliegende Erfindung verfaßt in einem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Laden und eine geeignete Gestaltung der E-Autos und deren Akkus.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energie-Quelle im E-Auto ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 - Schematische Darstellung der E-Autos mit Wechsel-Akkus
Das Verfahren zum Laden für E-Autos 1 versehen mit einer segmentierten Anordnung 2 von Lithium-Ionen Akku-Segmenten 3, die im Unterboden des Fahrzeugs quer zur Längsachse platziert sind, basiert darauf ,dass die länglichen
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Akku-Segmente 3 seitlich heraus- und hereingeschoben werden, um leere Akku- Segmente 3 durch vollgeladene auszuwechseln.
Die Akku-Segmente 3 gleiten auf vier Rollen 6 in entsprechende Kanäle 7 und zwar dergestalt, daß, wenn diese Akku-Segmente 3 komplett reingeschoben sind, die Rollen 6 in passende Mulden herein greifen und durch Anpreßdruck von oben, erzeugt von elektromagnetischen Schiebern 5 - ohne Darstellung in der Zeichnung -, in allen Richtungen fest arretiert werden.
Die Kontaktierung der jeweiligen Akku-Segmente 3 zwecks Einbindung in die Stromversorgung des E-Autos 1 erfolgt durch Metallzungen 8, 9, die in einer geeigneten Steckdose 10 am Ende der Schiebestrecke in den Kanälen 7 vorhanden ist.
Beim Akku-Wechsel müssen die aufklappbaren Seitenklappen 12 hochgeklappt werden, um den Zugang zu den Akkus zu ermöglichen.
Die Entnahme-Einheit beim Tanken in der E-Tankstelle - kann auch ein menschlicher Operator sein - führt ein zangenförmiges Werkzeug in zwei geeignet geformten Aussparungen 16, 17 befindlich in der Frontplatte des Akku-Segments 3 ein, um das Akku-Segment 3 nach Bedarf zu bewegen; dabei wird die Entnahme- Einheit durch eine brennende Leuchtdiode 13, platziert über dem jeweiligen Akku- Segment 3 informiert, welches Akku-Segment 3 gewechselt werden soll.
Das E-Auto mit Wechsel-Akkus weist eine geeignete Anzahl von Kanälen 7 von gleicher Größe und Ausstattung auf, welche die Akku-Segmente 3 des E-Autos enthalten. Die Wende der Kanäle 7 sind starr miteinander verbunden und bilden ein extrem stabilen Unterboden 4 des E-Autos 1 , der im Falle eines Unfalls die Akku- Segmente 3 vor Beschädigung schützt, während der seitliche Schutz der Akku- Segmente 3 durch die aufklappbaren Seitenklappen 12 realisiert ist, wobei eine mechanische Verriegelung 21 - ohne Darstellung in der Zeichnung - die Seitenklappen 12 während der Fahrt geschlossen halten.
Jeder Kanal 7 hat an seinem inneren Ende einen elastischen Rahmen 22 der genau auf die Abmessungen des Akku-Segments 3 zugeschnitten ist, wobei jeder Akku- Segment 3 an seinem äußeren Ende einen ebensolchen elastischen Rahmen 23 besitzt, dergestalt dass die zwei elastische Rahmen 22, 23 unerwünschte Bewegungen oder gar ein Klappern der Akkus während der Fahrt verhindern.
In der Decke eines jeden Kanals 7 drückt mindestens ein elektromagnetischer Schieber 5 das Akku-Segment 3 nach unten, wenn es seine Endposition beim Einführen, signalisiert durch einen Mikroschalten 19, erreicht hat, wobei dies rückgängig gemacht wird, wenn der Auto-Fahrer der Akku-Verwaltung 24 beim Akku- Wechsel vom Armaturen-Brett 20 mitteilt.
Je eine Leuchtdiode 13 ist im seitlichen Rahmen des Kanals 7 platziert über dem jeweiligen Akku-Segment 3, welche brennt, wenn das entsprechende Akku-Segment 3 leer ist und gewechselt werden soll, wobei der Auto-Fahrer vom Armaturen-Brett 20 bestimmen kann, welche Akkus gewechselt werden sollen und welchen nicht.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) An der äußeren Frontplate 18 des jeweiligen Akku-Segments 3 befinden sich zwei geeignet geformten Aussparungen 16, 17, die für das Hantieren des Akku-Segments 3 benutzbar sind.
Jedes Akku-Segment 3 hat an seinem inneren Ende zwei isolierte Metall-Zungen 8, 9 welche die elektrische Verbindung des Segments ermöglicht, wobei diese, wenn das Akku-Segment 3 im Kanal 7 steckt, zwecks Kontaktierung in den elastischen Elementen der entsprechenden Steckdose 10 stecken und wenn das Akku-Segment 3 beim Laden in der E-Tankstelle sich befindet dafür benutzbar sind.
In der Regel bilden die Akku-Segmente 3 zwei symmetrische Reihen rund um den Mittelkanal 11 des Fahrzeugs, wobei die elektrischen Verbindungen durch diesem Mittelkanal 11 geführt sind, was relativ praktische und leichte Handhabung der Akku- Segmente 3 ermöglicht. Wenn die Akku-Segmente 3 nur in einer Reihe platziert sind und der Zugang dazu nur von einer Seite des E-Autos 1 möglich ist, sind die elektrischen Verbindungen durch einen Seitenkanal - ohne Darstellung - geführt, was eine robustere Bodenplatte 7 ermöglicht.
Durch Einwirkung der Akku-Verwaltung 24 werden die Segmente des Energie- Speichers nicht gleichzeitig beim Fahren entladen, sondern nur jeweils einen oder maximal zwei in parallel benutzt, wobei diese stufenweise Entladung des Lithium- Ionen - Anordnung 2 bedeutet, so dass bei Bedarf einen gezielten Austausch oder E- Tanken von bestimmten leeren Segmenten möglich ist.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6)

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Laden für E-Autos (1 ) versehen mit einer segmentierten Anordnung (2) von Lithium-Ionen Akku-Segmenten (3), die im Unterboden des Fahrzeugs quer zur Längsachse platziert sind dadurch gekennzeichnet, dass a. die länglichen Akku-Segmente (3) seitlich heraus- und hereingeschoben werden, um leere Akku-Segmente (3) durch vollgeladene auszuwechseln b. wobei die Akku-Segmente (3) auf vier Rollen (6) in entsprechende Kanäle (7) gleiten und zwar dergestalt, dass, wenn diese Akku-Segmente (3) komplett reingeschoben sind, die Rollen (6) in passende Mulden herein greifen und durch Anpressdruck von oben, erzeugt von elektromagnetischen Schiebern, in allen Richtungen fest arretiert werden c. wobei die Kontaktierung der jeweiligen Akku-Segmente (3) zwecks Einbindung in die Stromversorgung des E-Autos (1 ) durch Metallzungen (8, 9), die in einer geeigneten Steckdose am Ende der Schiebestrecke in den Kanälen (7) zustande kommt d. wobei aufklappbare Seitenklappen (12) beim Akku-Wechsel hochgeklappt werden, um den Zugang zu den Akkus zu ermöglichen e. wobei die Entnahme-Einheit beim Tanken in der E-Tankstelle - insbesondere auch ein menschlicher Operator- ein zangenförmiges Werkzeug in zwei geeignet geformte Aussparungen (16, 17), befindlich auf der Frontplatte des Akku-Segments (3), einführt, um das Akku- Segment (3) nach Bedarf zu bewegen; dabei wird die Entnahme-Einheit durch eine brennende Leuchtdiode (13), platziert über dem jeweiligen Akku-Segment (3) informiert, welches Akku-Segment (3) gewechselt werden soll.
2. E-Auto mit Wechsel-Akkus zwecks Ermöglichung des Ladeverfahrens nach Anspruch 1 , welches eine geeignete Anzahl von Kanälen (7) von gleicher Größe und Ausstattung aufweist, welche die Akku-Segmente (3) des E-Autos enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass a. Die Wände der Kanäle (7) starr miteinander verbunden sind und einen extrem stabilen Unterboden (4) des E-Autos (1) bilden, der im Falle eines Unfalls die Akku-Segmente (3) vor Beschädigung schützt, während der seitliche Schutz der Akku-Segmente (3) durch die aufklappbaren Seitenklappen (12) realisiert ist, wobei eine mechanische Verriegelung die Seitenklappen (12) während der Fahrt geschlossen hält, b. Jeder Kanal (7) hat an seinem inneren Ende einen elastischen Rahmen der genau auf die Abmessungen des Akku-Segments (3) zugeschnitten ist, wobei jedes Akku-Segment (3) an seinem äußeren Ende einen ebensolchen elastischen Rahmen besitzt, dergestalt dass die zwei
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) elastischen Rahmen (22, 23) unerwünschte Bewegungen oder gar ein Klappern der Akkus während der Fahrt verhindern, c. Wobei in der Decke eines jeden Kanals (7) mindestens ein elektromagnetischer Schieber (5) das Akku-Segment (3) nach unten drückt, wenn es seine Endposition beim Einführen, signalisiert durch einen Mikroschalten, erreicht hat, wobei dies rückgängig gemacht wird, wenn der Auto-Fahrer der Akku-Verwaltung (24) beim Akku-Wechsel vom Armaturen-Brett (20) mitteilt, d. Wobei je eine Leuchtdiode (13) im seitlichen Rahmen des Kanals (7) platziert über dem jeweiligen Akku-Segment (3), praktiziert ist, welche brennt, wenn das entsprechende Akku-Segment (3) leer ist und gewechselt werden soll, wobei der Auto-Fahrer vom Armaturen-Brett (20) bestimmen kann, welche Akkus gewechselt werden sollen und welche nicht e. Wobei an der äußeren Frontplatte (18) des jeweiligen Akku-Segments (3) befinden sich zwei geeignet geformte Aussparungen (16, 17), die für das Hantieren des Akku-Segments (3) benutzbar sind f. jedes Akku-Segment (3) hat an seinem inneren Ende zwei isolierte Metall- Zungen (8, 9) welche die elektrische Verbindung des Segments ermöglicht, wobei diese, wenn das Akku-Segment (3) im Kanal (7) steckt, . zwecks Kontaktierung in den elastischen Elementen der entsprechenden Steckdose (10) stecken und wobei wenn das Akku-Segment (3) beim Laden in der E-Tankstelle sich befindet dafür benutzbar sind.
3. E-Auto mit Wechsel-Akkus nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Regel die Akku-Segmente (3) zwei symmetrische Reihen rund um den Mittelkanal (11) des Fahrzeugs bilden, wobei die elektrischen Verbindungen durch diesen Mittelkanal (11) geführt sind, was relativ handliche und leichte Akku-Segmente (3) ermöglicht.
4. E-Auto mit Wechsel-Akkus nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Akku-Segmente (3) in einer Reihe platziert sind, während der Zugang dazu nur von einer Seite des E-Autos (1) möglich ist, wobei die elektrischen Verbindungen durch einen Seitenkanal geführt sind, was eine robustere Bodenplatte (4) ermöglicht.
5. E-Auto mit Wechsel-Akkus nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch Einwirkung der Akku-Verwaltung (24) werden die Segmente des Energie- Speichers nicht gleichzeitig beim Fahren entladen, sondern nur jeweils einer oder maximal zwei in parallel benutzt, wobei diese stufenweise Entladung der Lithium- Ionen - Anordnung (2) bei Bedarf einen gezielten Austausch oder E-Tanken nur dieser leeren Segmente erlaubt.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6)
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