EP4731469A1 - Ladeverfahren und e-tankstelle für e-autos - Google Patents

Ladeverfahren und e-tankstelle für e-autos

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EP4731469A1
EP4731469A1 EP24765014.6A EP24765014A EP4731469A1 EP 4731469 A1 EP4731469 A1 EP 4731469A1 EP 24765014 A EP24765014 A EP 24765014A EP 4731469 A1 EP4731469 A1 EP 4731469A1
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EP
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battery
charging
electric car
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segment
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EP24765014.6A
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Johann-Marius Milosiu
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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Energie-Laden von E-Autos oder E-Tanken ohne Benutzung einer elektrischen Verbindung und eine entsprechende Ladeeinrichtung oder E-Tankstelle. Das Verfahren basiert auf den schnellen Austausch der leeren Akku-Segmente mit welchen, die voll geladen sind. Die E-Tankstelle hat eine oder in der Regel mehrere E-Ladeeinrichtungen. Das zu betankende E-Auto fährt, geführt von Fahrrinnen, zu so einer Ladeeinrichtung, wo dann manuell oder automatisch der Akku Austausch gemacht wird. Darin gibt es zwei Plattform-Wägen, mit deren Hilfe die Akku-Segmente aus dem E-Auto seitlich herausgeholt werden und in den daneben stehender Ladespeicher mit einigen Hundert (üblich ca. 900) Akku-Segmenten zum elektrischen Laden herein gesteckt werden. Die Ladespeicher übernehmen die Akku-Segmente in Aufzug-ähnlich untereinander befindlichen Steckplätzen, die in mehreren Bereichen nebeneinander platziert sind. Eine Bedienung mit Tastern ermöglicht den Wechsel der Steckplätze vor je einem Bedienungsfenster in der Frontplatte des Ladespeichers, wobei die genaue Information über die Akkus und deren Zustand mittels elektronischer Anzeigen erfolgt. In Rechnung gestellt wird nicht nur das Entgelt der Energie-Inhalte, sondern auch einen Anteil als Leihgebühr für die Akku-Segmente, da diese nicht direkt zum E-Auto gehören.

Description

Ladeverfahren und E-Tankstelle für E-Autos
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ladeeinrichtung oder E- Tankstelle zum Laden mit Energie an Elektro-Autos (weiter E-Autos).
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 deis Schnell-Ladens, wo nur 70-80 % des Akkus geladen werden, jedoch in kürzere 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 häufigen 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.:
- US 2010 / 0 114 762 AT‘ Storage battery, storage battery accomodation device, storage battery charging device, and usage amount payment settlement device for storage battery“ verwendet kastenförmige Akkus unter den Auto-Sitzen und ein Regal zur Aufbewahrung der Akkus
- US 2019 / 0 118 782 A1 „Robotics for rotating energy cells in vehicles“ ermöglicht einen manuellen oder robotischen Wechsel von Akkus an E-Autos
- US 2009 / 0 198 372 A1 „Battery charging and transfer system for electrically powered vehicles“ verwendet ein Regal zur Aufbewahrung von Akku-Blöcken zum Transferieren in E-Fahrzeuge
- US 2016 / 0 368 464 A1 „Robot assisted modular battery interchanging system“ verwendet einen beweglichen Speicher für Akku-Packs, und mobile Einheiten die semi-automatisch den Akku-Wechsel am E-Auto bewerkstelligen
- CN 1 03 241 111 A „Electric veicle with vehice bottom side connected with battery charging and battery taking and changing battery thereof“ wechselt einen Akku-Pack an der E-Auto-Unterseite mittels Hilfswagen mit Hebeeinrichtung.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Ladeeinrichtung oder E- Tankstelle so auszugestalten, daß die Versorgung mit Energie ohne eine elektrische Verbindung zum E-Auto möglich ist. Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Energie-Laden von E-Autos oder E-Tanken ohne Benutzung einer elektrischen Verbindung und eine entsprechende Ladeeinrichtung oder E-Tankstelle. Das Verfahren basiert auf den schnellen Austausch der leeren Akku-Segmente mit welchen, die voll geladen sind. Die E-Tankstelle hat eine oder in der Regel mehrere E-Ladeeinrichtungen. Das zu betankende E-Auto fährt, geführt von Fahrrinnen, zu so einer Ladeeinrichtung, wo dann manuell oder automatisch der Akku Austausch gemacht wird. Darin gibt es zwei Plattform-Wägen, mit deren Hilfe die Akku-Segmente aus dem E-Auto seitlich herausgeholt werden und in den daneben stehender Ladespeicher mit einigen Hundert (üblich ca. 900) Akku-Segmenten zum elektrischen Laden herein gesteckt werden. Die Ladespeicher übernehmen die Akku-Segmente in Aufzug-ähnlich untereinander befindlichen Steckplätzen, die in mehreren Bereichen nebeneinander platziert sind. Eine Bedienung mit Tastern ermöglicht den Wechsel der Steckplätze vor je einem Bedienungsfenster in der Frontplatte des Ladespeichers, wobei die genaue Information über die Akkus und deren Zustand mittels elektronischer Anzeigen erfolgt. In Rechnung gestellt wird nicht nur das Entgelt der Energie-Inhalte, sondern auch ein Anteil als Leihgebühr für die Akku-Segmente, da diese nicht direkt zum E-Auto gehören.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung für E-Autos ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 - Querschnitt durch die E-Tankstelle
Fig. 2 Schematische und detaillierte Darstellung der Ladeeinrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden von E-Autos unter der Voraussetzung, dass das E-Auto 1 mit einer neuartigen, standardmäßigen und segmentierten Akku-Batterie 11 , deren Akku-Segmente 3 quer zur Fahrzeugachse orientiert sind, ausgestattet ist; weiterhin wird die Einrichtung dafür beschrieben. Das Verfahren zum Laden umfasst folgende Schritte:
Das E-Auto 1 wird durch Rillen 19 in der Fahrbahn in die richtige Position für den Akku-Wechsel gefahren, welche optisch markiert ist.
Die Seitenschutzklappen 2 werden vom Auto-Fahrer entriegelt und hochgeklappt; dabei sind die auszutauschenden Akku-Segmente 3 durch Leuchtdioden im Rahmen des Unterbodens des E-Autos 1 durch den Auto-Fahrer am Armaturenbrett markiert.
Die Entnahmeeinheit - Mensch oder Automat - nimmt eine Feinpositionierung einer Plattform 6, vor dem mit der Leuchtdiode markierten Akku-Segment 3 vor; dabei wird ein Wagen 10 beweglich auf Rollen 17 leicht versetzt; dabei wird auch die Höheneinstellung vorgenommen, damit die Plattform 6, an der dem E-Auto zugewandten Seite, auf derselben Höhe wie die Unterseite des Kanals 8 am E-Auto ist; dabei wird die andere Seite des Wagens 10 auf die Höhe der Unterkante eines Aufnahmefensters 12 gebracht, versehen mit einer herunter klappbaren Außenplatte. Die Entnahme-Einheit zieht das Akku-Segment 3, das in einem Kanal 8 im Unterboden des E-Autos 1 steckt, mittels eines zangenförmigen Werkzeugs heraus und schiebt es auf die Plattform 6; dabei ist das Hantieren stark erleichtert durch das Rollen auf Rollen 9, befindlich auf der Unterseite des jeweiligen Akku-Segments 3, und eine seitliche Rollhilfe 18.
Die Entnahmeeinheit schiebt das Akku-Segment 3 weiter zum Aufnahmefenster 12 des Ladespeichers 13 hinter dem ein leerer Steckplatz 14 sich befindet; danach wird das Akku-Segment 3 da reingeschoben und eine Abdeckung 15 mit den Kontakten 24, 25 zum elektrischen Laden darauf befestigt - das Akku-Segment 3 wird ab sofort geladen -; wobei beim Aufstecken der Abdeckung 15 die isolierenden Hüllen 27, 28 in den Körper des Akku-Segments 3 gegen eine Federkraft verschoben werden und die Kontakte 24, 25 in den entsprechenden Steckdosen der Abdeckung 15 den Kontakt herstellen.
Die Entnahmeeinheit betätigt die Steuerung des Ladespeichers 13 dahingehend, dass der Steckplatz mit dem neu gesteckten Akku-Segment 3 sich vertikal um eine Stelle wegbewegt, wobei, das Akku-Segment 3 nun erschienen im Aufnahmefenster 12 des Ladespeichers 13 vollgeladen ist und die Entnahmeeinheit schwenkt die Abdeckung 15 seitlich und zieht das Akku-Segment 3 an den Hüllen 27, 28 aus dem Steckplatz 14 heraus und führt es in Richtung des E-Autos 1 ; danach packt die Entnahmeeinheit das Akku-Segment 3 am anderen Ende mit dem zangenförmigen Werkzeug, und schiebt das Akku-Segment 3 in den Kanal 8 des E-Autos 1 hinein.
Die bisher beschriebenen Schritte werden solange wiederholt,, bis alle Akku- Segmente 3 ausgetauscht sind; wenn dabei alle vollgeladenen Akku-Segmente 3 aus dem vertikalen Abteil 16 im Ladespeicher 13 in das E-Auto 1 eingebaut wurden, muss die Entnahmeeinheit den Wagen 10, immer neu positionieren, um die vollen Akku-Segment 3 aus einer benachbarten Abteilung16 zu nehmen.
Dieselbe Prozedur wird für die andere Seite des E-Autos 1 ebenfalls wiederholt.
Nach dem Herunterlassen der Seitenschutzklappen 2, das E-Auto weiterfahren kann. Die elektronische Verwaltung der Ladespeicher 13 informiert die Kasse der erfindungsgemäßen E-Tankstelle über die Anzahl der ausgewechselten Akku- Segmente 3, deren Energie-Inhalt in kWh, sowie den ursprünglichen Energie-Inhalt der ausgewechselten Akku-Segmente 3, wodurch die Kasse die Zahlung für den Kunden berechnet, wobei neben den reinen Energiekosten auch einen Anteil für die Leihgabe der Akkus, weil diese nicht direkt zur E-Auto Ausstattung gehören, plus den Gewinn der E-Tankstelle in Rechnung stellt.
Die E-Tankstelle weist mindestens eine Ladeeinrichtung auf, die eine Ausstattung hat mit:
- einer Fahrbahn mit mindestens einer Rille 19 zur Führung des E-Autos 1 in die richtige Position,
- zwei Ladespeicher 13, jeder an einer Seite der Fahrbahn
- zwei Wägen 10 zum Hantieren der Akku-Segmente 3
- zwei ausreichend breite Fahrbahn-Abschnitte auf beiden Seiten des in der Ladeeinrichtung stehenden E-Autos 1
- einige zangenförmige Werkzeuge passend für das Packen der Akku-Segmente 3 in deren dafür vorgesehenen Öffnungen - eine Entnahmeeinheit für die Handhabung der aufgelisteten Bestandteile
- eine ausreichend leistungsfähige Stromversorgung für das Laden der in den Ladespeichern 13 aufbewahrten Akku-Segmente 3.
Jeder Ladespeicher 13 weist eine Anzahl „Hn“ von parallel aufgebauten vertikale Abteile 16, die Aufzug-ähnlich aufgebaut sind, auf, indem sie an Seilen und Schienen 21 eine Anzahl von „Vm“ Steckplätzen 14 für die aufzuladenden Akku-Segmente 3 aufweist, die von je einer Antriebseinheit 20 sequenziell an je einem Aufnahmefenster 12, versehen mit je einer herunterklappbarer Außenplatte, geführt werden, wo die Akku-Segmente 3 herein- oder heraus-genommen werden können.
Die Aufnahmefenster 12 befinden sich auf einer Horizontale und zwar so, dass die Oberfläche des aufklappbaren Außenplatte in der Höhe der Oberfläche der Plattform 6 sich befindet; dabei bilden diese Aufnahmefenster 12 die einzige Zugriffsmöglichkeit zum Ladespeicher 13; dabei sind die Bedienungselemente für den Aufzug-ähnlichem Aufbau oberhalb des Aufnahmefensters 12 platziert und zwar:
- Taster nach oben
- Taster nach unten
- elektronische Anzeige mit der Nummer des Steckplatzes 14 - z.B. H=5, V=11, d.h, Spalte 5, Reihe 11 in der Matrix des Ladespeichers 13 -, und Lade-Status des darin enthaltenen Akku-Segments 3: voll, leer oder unbesetzt und auch den Lade-Status der darunter und darüber befindlichen Akku-Segmente 3; wobei, in der Regel muss immer der letzte Steckplatz 14 - also oben oder unten unbesetzt sein, damit ein neues leeres Akku-Segment 3 übernommen vom E-Auto 1 reinkommen kann.
Um die volle Funktionalität bieten zu können, befindet sich etwa eine Hälfte des Ladespeichers 13 unterirdisch.
Jeder Steckplatz 14 weist eine Abdeckung 15 auf, welche seitlich aufklappbar in einem Scharnier 26 ist und die Steckdosen der elektrischen Kontaktierung für die Kontakte 24, 25 der Akku-Segmente 3 enthält; dabei sind die elektrischen Leitungen der Steckdosen durch diese Scharniere 26 zur Stromversorgung des Ladespeichers 13 geführt.
Der Wagen 10 weist eine Plattform 6 auf, die auf einem Mittelteil steht, der eine Anhebung für den Ausgleich des Höhenunterschieds ermöglicht, wobei am unteren Teil vier Rollen 17 angebracht sind; wobei der Wagen 10 auf beiden Seiten je eine Rollhilfe 18, die herausziehbar ist und die an der Kante auch mindestens zwei kleine Rollen 22 aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden von E-Autos unter der Voraussetzung, dass das E-Auto (1 ) mit einer neuartigen, standardmäßigen und segmentierten Akku-Batterie (11), deren Akku-Segmente (3) quer zur Fahrzeugachse orientiert sind, ausgestattet ist dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte eingehalten werden: a. Das E-Auto (1) wird durch Rillen (19) in der Fahrbahn in die richtige Position für den Akku-Wechsel gefahren, welche optisch markiert ist b. Wobei Seitenschutzklappen (2) vom Auto-Fahrer entriegelt und hochgeklappt werden; dabei sind die auszutauschenden Akku-Segmente (3) durch Leuchtdioden im Rahmen des Unterbodens des E-Autos (1) durch den Auto-Fahrer am Armaturenbrett markiert c. Wobei die Entnahmeeinheit - Mensch oder Automat - eine Feinpositionierung einer Plattform (6), vor dem mit der Leuchtdiode markierten Akku-Segment (3), vornimmt; dabei wird ein Wagen (10) beweglich auf Rollen (17) leicht versetzt; dabei wird auch eine Höheneinstellung vorgenommen, damit die Plattform (6), an der dem E- Auto zugewandten Seite, auf derselben Höhe wie die Unterseite des Kanals (8) am E-Auto ist; dabei wird die andere Seite des Wagens (10) auf die Höhe der Unterkänte eines Aufnahmefensters (12) gebracht, welches mit einer herunter klappbaren Außenplatte versehen ist d. Wobei die Entnahme-Einheit das Akku-Segment (3), das in einem Kanal (8) im Unterboden des E-Autos (1) steckt, mittels eines zangenförmigen Werkzeugs (7) herauszieht und auf die Plattform (6) schiebt; dabei ist das Hantieren stark erleichtert durch das Rollen auf Rollen (9), befindlich auf der Unterseite des jeweiligen Akku-Segments (3), und eine seitliche Rollhilfe (18) e. Die Entnahmeeinheit schiebt das Akku-Segment (3) weiter zum Aufnahmefenster (12) des Ladespeichers (13) hinter dem ein leerer Steckplatz (14) sich befindet; danach wird das Akku-Segment (3) da reingeschoben und eine Abdeckung (15) mit Kontakten (24, 25) zum elektrischen Laden darauf befestigt - das Akku-Segment (3) wird ab sofort geladen -; wobei beim Aufstecken der Abdeckung (15) isolierende Hüllen (27, 28) in den Körper des Akku-Segments (3) gegen eine Federkraft verschoben werden und die Kontakte (24, 25) in den entsprechenden Steckdosen der Abdeckung (15) den Kontakt herstellen f. Die Entnahmeeinheit betätigt die Steuerung des Ladespeichers (13) dahingehend, dass der Steckplatz mit dem neu gesteckten Akku-Segment (3) sich vertikal um eine Stelle wegbewegt, wobei, das Akku-Segment (3) nun erschienen im Aufnahmefenster (12) des Ladespeichers (13) vollgeladen ist und die Entnahmeeinheit schwenkt die Abdeckung (15) seitlich und zieht das Akku-Segment (3) an den Hüllen (27, 28) aus dem Steckplatz (14) heraus und führt es in Richtung des E-Autos (1); danach packt die Entnahmeeinheit das Akku-Segment (3) am anderen Ende mit dem zangenförmigen Werkzeug, und schiebt das Akku-Segment (3) in den Kanal (8) des E-Autos (1) hinein; g. Wobei die Schritte c - f solange wiederholt werden, bis alle Akku- Segmente (3) ausgetauscht sind; wenn dabei alle vollgeladenen Akku- Segmente (3) aus dem vertikalen Abteil (16) im Ladespeicher (13) im E- Auto (1) eingebaut wurden, muss die Entnahmeeinheit den Wagen (10), immer neu positionieren, um die vollen Akku-Segmente (3) aus einer benachbarten Abteilung(16) zu nehmen h. Wobei die Prozedur von c - g für die andere Seite des E-Autos (1) ebenfalls wiederholt wird i. Wobei nach dem Herunterlassen der Seitenschutzklappen (2), das E-Auto weiterfahren kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Verwaltung der Ladespeicher (13) die Kasse der erfindungsgemäßen E-Tankstelle über die Anzahl der ausgewechselten Akku- Segmente (3), deren Energie-Inhalt in kWh, sowie den ursprünglichen Energie- Inhalt der ausgewechselten Akku-Segmente (3) informiert, wodurch die Kasse die Zahlung für den Kunden berechnet, wobei neben den reinen Energiekosten auch einen Anteil für die Leihgabe der Akkus, weil diese nicht direkt zur E-Auto Ausstattung gehören, plüs den Gewinn der E-Tankstelle in Rechnung stellt.
3. E-Tankstelle für E-Autos (1) für die Ermöglichung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a. sie mindestens eine Ladeeinrichtung hat, die eine Ausstattung hat mit:
- einer Fahrbahn mit mindestens einer Rille (19) zur Führung des E-Autos (1) in die richtige Position,
- zwei Ladespeicher (13), jeder an einer Seite der Fahrbahn
- zwei Wägen (10) zum Hantieren der Akku-Segmente (3)
- zwei ausreichend breite Fahrbahn-Abschnitte auf beiden Seiten des in der Ladeeinrichtung stehenden E-Autos (1)
- einige zangenförmige Werkzeuge passend für das Packen der Akku- Segmente (3) in deren dafür vorgesehenen Öffnungen
- eine Entnahmeeinheit für die Handhabung der aufgelisteten Bestandteile
- eine ausreichend leistungsfähige Stromversorgung für das Laden der in den Ladespeichern (13) aufbewahrten Akku-Segmente (3) b. wobei, jeder Ladespeicher (13) eine Anzahl „Hn“ von parallel aufgebauten vertikalen Abteilen (16), die Aufzug-ähnlich aufgebaut sind, aufweist, indem sie an Seilen und Schienen (21 ) eine Anzahl von „Vm“ Steckplätzen (14) für die aufzuladenden Akku-Segmente (3) aufweist, die von je einer Antriebseinheit (20) sequenziell an je einem Aufnahmefenster (12), versehen mit je einer herunterklappbaren Außenplatte, geführt werden, wo die Akku-Segmente (3) herein- oder heraus-genommen werden können; c. wobei, die Aufnahmefenster (12) auf einer Horizontalen sich befinden und zwar so, dass die Oberfläche der aufklappbaren Außenplatte in der Höhe der Oberfläche der Plattform (6) sich befindet; dabei bilden diese Aufnahmefenster (12) die einzige Zugriffsmöglichkeit zum Ladespeicher (13); dabei sind Bedienungselemente für den Aufzug-ähnlichen Aufbau oberhalb des Aufnahmefensters (12) platziert und zwar:
- Taster nach oben
- Taster nach unten
- elektronische Anzeige mit der Nummer des Steckplatzes (14) - z.B. H=5, V=11 , d.h, Spalte 5, Reihe 11 in der Matrix des Ladespeichers (13) -, und Lade-Status des darin enthaltenen Akku-Segments (3): voll, leer oder unbesetzt und auch den Lade-Status der darunter und darüber befindlichen Akku-Segmente (3); wobei, in der Regel immer der letzte Steckplatz (14) - also oben oder unten unbesetzt sein muss, damit ein neues leeres Akku-Segment (3) übernommen vom E-Auto (1) reinkommen kann; wobei, um die volle Funktionalität bieten zu können, etwa eine Hälfte des Ladespeichers (13) unterirdisch sich befindet; d. wobei jeder Steckplatz (14) eine Abdeckung (15) aufweist, welche seitlich aufklappbar in einem Scharnier (26) ist und die Steckdosen der elektrischen Kontaktierung für die Kontakte (24, 25) der Akku-Segmente (3)enthält; dabei sind die elektrischen Leitungen der Steckdosen durch diese Scharniere (26) zur Stromversorgung des Ladespeichers (13) geführt; e. wobei, ein Wagen (10) eine Plattform (6) aufweist, die auf einem Mittelteil steht, der eine Anhebung für den Ausgleich des Höhenunterschieds ermöglicht, wobei am unteren Teil vier Rollen (17) angebracht sind; wobei der Wagen (10) auf beiden Seiten je eine Rollhilfe (18) umfasst, die herausziehbar ist und die an der Kante auch mindestens zwei kleine Rollen (22) aüfweist.
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