WO2009092343A1 - Verfahren zum wechseln von batterien in elektrofahrzeugen und batterie- wechselstation - Google Patents

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WO2009092343A1
WO2009092343A1 PCT/DE2008/002153 DE2008002153W WO2009092343A1 WO 2009092343 A1 WO2009092343 A1 WO 2009092343A1 DE 2008002153 W DE2008002153 W DE 2008002153W WO 2009092343 A1 WO2009092343 A1 WO 2009092343A1
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battery
vehicle
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batteries
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PCT/DE2008/002153
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Ina Fischer
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Ina Fischer
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/11—DC charging controlled by the charging station, e.g. mode 4
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for changing batteries in electric vehicles with simultaneous determination of the consumed energy and a battery changing station for performing the method.
  • hybrid vehicles which contain an internal combustion engine in addition to an electric motor
  • electric motor-driven vehicles without a combustion engine can be cheaper and also build less weight, because many ancillaries, in particular the exhaust system and cleaning, can be completely dispensed with.
  • the basic idea of the present invention is based on that the battery or a plurality of batteries, preferably as a battery unit, is removed from a removal device, such as a robot or other gripping or conveying device after releasing the battery fasteners or latches from the vehicle and simultaneously a data acquisition and data transfer device, the residual energy present in the removed battery and the data for vehicle identification and other battery-specific data are recorded and stored.
  • the battery-specific data include the number and timing of charging in the past, which can ensure that the vehicle owner or vehicle owner can also handle the multiple recharge of the battery which he himself has paid, associated wear paid.
  • the battery capacity is sufficient enough to gently recharge the battery from the grid from time to time. Frequent recharging causes the battery to age, which would be preferred by owners who rarely travel long distances that do not require battery replacement.
  • the battery and the charging and power electronics of the vehicle also for feeding electricity into a pipeline network.
  • the vehicle battery can thus also be used to supply other energy sources which are connected to the line network.
  • a preferred use is, for example, the emergency power supply of selected consumers such as hospitals, elevator systems, traffic lights or the like.
  • the electricity supplier is the beneficiary of this energy, a corresponding credit note is issued to the vehicle owner.
  • the charging processes required by this current drain and recharging - as long as the battery ages as a result - are at the expense of the current collector.
  • the data exchange path created between the battery and the battery replacement station thus provides for a fair consumption-based billing of the actual self-used amount of energy, including the contribution to battery wear caused by recharging.
  • the waiting times can be shortened so far that the battery replacement does not take longer than the previous refueling of a motor vehicle with liquid fuel or gas.
  • the data collection and storage can also be a fast payment or billing, for example by debiting, realize.
  • the present invention can reduce this problem by serving industrially prefabricated and transportable modules instead of fixed buildings as changing stations for the batteries.
  • These modules can be constructed without or with very simplified foundations, similar to flying structures.
  • mobile stations can also be set up, such as trailers, temporarily positioned in parking lots during certain events (fairs, sporting events, concerts).
  • the batteries are stored, loaded and conveyed in a sequentially operating conveyor system so as to substantially achieve a first in / first out effect without resorting.
  • the batteries located in a battery change station are here lined up in the conveyor system and are loaded after insertion until they have reached the end of the conveyor line or their maximum capacity.
  • the battery at the end of the conveyor line is fully charged and is detected in exchange by a robot or other gripper and conveyor system and inserted into the "waiting" car and locked there.
  • billing systems are also conceivable in which the unit mounted and set up as a battery change station sends the data via the removed battery by radio, which are then registered directly on the account of the vehicle owner.
  • the removal and reloading of the battery is done by a removable frame, which works similar to a slide projector and the removed battery in a thrust system and simultaneously or briefly successively a fully charged battery removes the thrust system, which then mounted in the electric vehicle becomes.
  • a removable frame which works similar to a slide projector and the removed battery in a thrust system and simultaneously or briefly successively a fully charged battery removes the thrust system, which then mounted in the electric vehicle becomes.
  • one or more sensors accurately detect the position of the vehicle, whereby positioning errors can be compensated relative to the change system.
  • the batteries are pulled down out of the vehicle, ie, the battery is mounted below the vehicle floor.
  • This attachment location also has the advantage that the center of gravity of the car can be set as low as possible.
  • the vehicle is brought to or before the battery change, for example on rails in an elevated position, so that the Battery removal can be done easier down.
  • the electric vehicle can remain stationary during the battery removal and the installation of the replacement battery, which requires corresponding supply and Ausfactsysteme for the batteries, which are alternately pivoted under the vehicle.
  • the vehicle may also be pulled from a removal station to an assembly station, similar to a car wash line.
  • a fuse is provided in the electric vehicle, which only allows disassembly of the battery when a signal has been given from the change station. In this way, unintentional or uncontrolled unlocking the battery attachment is avoided.
  • the mobile or stationary battery changing station is constructed accordingly in order to ensure the implementation of the method described above.
  • the battery changing station has a battery take-off device, a battery conveyor for feeding and discharging batteries, as well as a data receiving and storage device for identifying the vehicle and / or the battery, for determining and storing the data on the residual energy present in the removed battery and / or to acquire and store further battery-specific data, such as the last time of loading or the number of loading operations.
  • the battery changing stations are preferably tower-like built on a minimum footprint.
  • the batteries are sequentially continuously guided on a conveyor system as a belt or a chain or the like in these towers similar to a paternoster lift.
  • the contact electrodes are integrated into the conveyor system, so that the batteries can be charged during the circulation without interruption and kept constant with respect to their temperature.
  • the control electronics are preferably located in the battery or in each individual charging box of the described conveyor system.
  • Alternative to the vertical conveyor system are also horizontal conveyor systems possible, which have the advantage of a lower construction.
  • an access lane with a guidance system for the vehicle similar to a guide rail is mounted in vehicle washing systems and supported in a particular embodiment with an electronic control system, the optically or acoustically the driver instructions for direction correction or stopping or driving on and continue to lift the car on two lanes (two-sided) above the street level, so as to facilitate the change of under the vehicle floor battery.
  • a removable frame similar to a slide projector that is driven under the vehicle, takes the empty battery out of the car, whereby vehicle and battery identification number are determined electronically via a radio frequency identification (RFID) or a barcode.
  • RFID radio frequency identification
  • a fine-motor control in the interchangeable frame or on the vehicle carrier system compensates for misalignments and ensures that the empty accumulator fits exactly into the frame. In this case, battery residual energy amount, usage time since the last change and charging cycle in the coupled state are recorded on the vehicle and stored or processed for billing.
  • the carrier for removing the battery preferably has a one- or two-axis engine, which automatically compensates for positioning error of the vehicle.
  • the battery interchangeable frame can be removed translationally or rotationally from the car and preferably brought synchronously a newly charged battery under the vehicle and then fixed to the vehicle floor and electrically connected, the new state of charge is detected on the vehicle. All determined data can be detected and stored according to a further embodiment of the invention both in the vehicle and in the station, so that a redundant cost determination is possible.
  • the battery changing station is constructed in accordance with the battery terminal, the electrodes are mounted either on the battery top, so that the coupling process in the vertical direction simultaneously generates the electrical connection or that the electrodes are mounted laterally on the front side, so that the battery initially schnschnelt vertically and then horizontally latched and electrically connected.
  • the electrodes of the accumulators are spring-loaded and connected so that a relatively low voltage is applied to each electrode, which on the one hand minimizes any risk to persons due to electric shocks and, on the other hand, also avoids flashovers during the battery connection process.
  • the existing conveyor system is connected to the electrical supply via sliding contacts and / or tensioner coil spring with large wrap in large cross-sections, so that during the conveying movement further without supply interruption electrical energy remains available to the accumulators.
  • a further embodiment of the invention are two towers with a connected conveyor system.
  • the vehicles drive between the towers, whereby the conveyor system continues to run in one direction during the battery change and the movement of the removable frame requires no change of direction.
  • the conveyor system is closed and changes once from one to another tower when Akkumulator Touch below the vehicle and a second time in a second level below or above the vehicle.
  • the charging processes are controlled in a dialogue with the current electricity price.
  • the energy supply company uses the electricity price determined on the basis of supply and demand over a radio link (eg WLAN or the like) via a data line or also via a signal that is modulated onto the power supply line in a software for optimizing the charging costs by B. in the event that enough charged batteries are in stock, preferably with low night tariffs the recharging of the batteries.
  • the communication with the on-board computer of the vehicles also takes place via a radio link. This ensures by means of a bidirectional data exchange that the vehicles are always routed to the station which holds the currently charged battery ready.
  • a device is provided according to a further embodiment of the invention, which allows energy to feed back into the power grid, z. B. for short power demand peaks or emergencies in case of supply bottlenecks.
  • the particular advantage of the present invention is that the vehicle driver does not have to leave the vehicle during the battery change, since all processes can proceed fully automatically without his intervention.
  • a transmission signal which is emitted after optimum positioning of the vehicle, can trigger the unlocking of the battery, which is then gripped by a robot and transported away by a conveyor system.
  • a replacement battery is conveyed, which is positioned and ideally locked by means of a quick-lock.
  • the battery-specific data mentioned are recorded and the billing is created in a user-oriented manner, which is preferably registered both in the vehicle and in the billing documents (battery exchange operator or electric provider). Final cash or cashless payments are equally possible.

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Abstract

Verfahren und eine Station zum Wechseln von Batterien in Elektrofahrzeugen bei gleichzeitiger Feststellung der verbrauchten Energie. Erfindungsgemäß wird die Batterie oder die Vielzahl von Batterien von einer Entnahmevorrichtung, vorzugsweise einem Roboter oder einer Greif- und Fördervorrichtung, vom Fahrzeug nach dem Lösen der Befestigungen oder Verriegelungen entnommen und gleichzeitig werden über eine Datenerfassungs- und Datenübertragungsvorrichtung die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie und die Daten zur Fahrzeugidentifizierung sowie batteriespezifische Daten erfasst und gespeichert.

Description

Verfahren zum Wechseln von Batterien in Elektrofahrzeuqen und Batteriewechselstation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wechseln von Batterien in Elektrofahrzeu- gen bei gleichzeitiger Feststellung der verbrauchten Energie sowie eine Batteriewechselstation zur Durchführung des Verfahrens.
Mittels eines Elektromotors angetriebene Fahrzeuge erzielen aktuell nur begrenzte Reichweiten in Folge der beschränkten Energiedichte der derzeit verfügbaren Batterien. Nach Überschreiten einer gewissen Fahrstrecke, die auch für absehbare Zeit kürzer bleiben wird als die Reichweite kraftstoffgetriebener Fahrzeuge, muss der Akkumulator geladen werden. Die benötigte Ladezeit beträgt mehrere Stunden, da bei einer Schnellladung der Batterie deren Lebensdauer verkürzt wird und andererseits die Stromversorgung in einem Schnelllade- und Hochleistungsbetrieb im Netz der Energieversorger in Folge hoher Lastschwankung nicht stabil bleiben würde. Aus diesem Grund sind auch bereits Batterielade- und -transfersysteme vorgeschlagen worden, die einen automatischen Austausch und die automatische Ladung von elektrischen Autobatterien ermöglichen sollen. Solche Systeme erlauben einen schnellen Batterietausch, so dass das Fahrzeug mit einer neuen bzw. wiederaufgeladenen Batterie weiterfahren kann.
Das Netzwerk dieser Stationen erfordert ein Infrastrukturinvestment mit hohen Kosten, die schwierig zu amortisieren sind, da bei der Einführung solcher Verkehrssysteme zunächst wenige Fahrzeuge im Markt vorhanden sind, durch die hinreichende Einnahmen erzielt werden können. Wenn ein solches System etabliert werden soll, muss dennoch ein flächendeckendes Netzwerk vorhanden sein, da ansonsten Fahrzeuge unverkäuflich wären, solange kein deutschlandweites bzw. europaweites Servicenetz verfügbar ist.
Dass Hybridfahrzeuge, die neben einem Elektromotor einen Verbrennungsmotor enthalten, keine brauchbare Alternative sind, ergibt sich bereits aus Umweltgründen sowie aus der Tatsache, dass Öl, aus dem der Treibstoff gewonnen wird, nur noch begrenzt lange zur Verfügung steht. Zudem lassen sich elektromotorgetriebene Fahrzeuge ohne einen Verbrennungsmotor kostengünstiger und auch gewichtsärmer bauen, weil auf viele Nebenaggregate, wie insbesondere die Abgasführung und Reinigung, völlig verzichtet werden kann.
Servicestationen, die lediglich einen Batterieaustausch gestatten, haben den Nachteil, dass der Fahrzeugbesitzer im Austausch unter Umständen eine Batterie erhält, die nur noch über eine verringerte Restlebensdauer verfügt. Hinzu kommt, dass die Abrechnung bei einem reinen Batterietausch die noch vorhandene Restenergie der Austauschbatterie nicht berücksichtigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Wechseln von Batterien in Elektrofahrzeugen bei gleichzeitiger Feststellung der verbrauchten Energie und eine Batteriewechselstation zu schaffen, mit der diese Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Batteriewechselstation nach Anspruch 11 gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben Weiterbildungen dieser Erfindung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass die Batterie oder eine Vielzahl von Batterien, vorzugsweise als Batterieeinheit, von einer Entnahmevorrichtung, wie beispielsweise einem Roboter oder einer sonstigen Greif- oder Fördervorrichtung nach dem Lösen der Batteriebefestigungen oder Verriegelungen vom Fahrzeug entnommen wird und gleichzeitig über eine Datenerfassungs- und Datenübertragungsvorrichtung die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie und die Daten zur Fahrzeugidentifizierung sowie weitere batteriespezifische Daten erfasst und gespeichert werden. Zu den batteriespezifischen Daten gehören insbesondere die Zahl und der Zeitpunkt der Ladevorgänge in der Vergangenheit, womit gewährleistet werden kann, dass der Fahrzeugbesitzer bzw. Fahrzeugeigentümer auch den mit einer mehrfachen Wiederaufladung der Batterie, die er selbst vorge- nommen hat, verbundenen Verschleiß bezahlt. Im reinen Kurzstreckenverkehr reicht die Batteriekapazität nämlich ohne weiteres aus, um von Zeit zu Zeit die Batterie schonend aus dem Netz wieder aufzuladen. Durch häufige Ladevorgänge altert die Batterie, was die Besitzer bevorzugen würden, die nur selten lange Strecken fahren, bei denen kein Batterietausch erforderlich ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Batterie und die Lade- und Leistungselektronik des Fahrzeugs auch zum Einspeisen von Strom in ein Leitungsnetz auszubilden. Im Bedarfsfall kann somit die Fahrzeugbatterie auch zur Versorgung anderer Energiequellen, die an das Leitungsnetz angeschlossen sind, verwendet werden. Eine bevorzugte Verwendung ist beispielsweise die Notstromversorgung von ausgewählten Stromverbrauchern wie Krankenhäusern, Aufzugsanlagen, Verkehrsampeln oder ähnlichem. Soweit der Stromversorger Nutznießer dieser rückgespeisten Energie ist, wird dem Fahrzeugbesitzer eine entsprechende Gutschrift erteilt. Die durch diese Stromentnahme und Wiederaufladung notwendigen Ladevorgänge gehen - soweit hierdurch die Batterie altert - zu Lasten des Strom- entnehmers. Die Datenaustauschstrecke, die zwischen der Batterie und der Batteriewechselstation geschaffen wird, sorgt somit für eine gerechte verbrauchsorientierte Abrechnung der tatsächlich selbst genutzten Energiemenge einschließlich des Beitrags für den durch Wiederaufladung entstehenden Batterieverschleiß. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren können die Wartezeiten soweit verkürzt werden, dass der Batteriewechsel nicht länger dauert als das bisherige Betanken eines Kraftfahrzeuges mit Flüssigkraftstoff oder Gas. Durch die Datenerfassung und -speicherung lässt sich auch eine schnelle Bezahlung oder Abrechnung, etwa durch Abbuchung, realisieren.
In einer Übergangsphase, in der noch kein dichtes Batteriewechselstationennetz geschaffen ist, kann die vorliegende Erfindung diese Problematik dadurch reduzieren, indem statt fester Gebäude industriell vorgefertigte und transportable Module als Wechselstationen für die Batterien dienen. Diese Module können ohne bzw. mit sehr vereinfachten Fundamenten, ähnlich wie fliegende Bauten, aufgebaut sein. Gegebenenfalls lassen sich auch Wechselstationen mobiler Art, etwa als Anhänger schaffen, die temporär beschränkt auf Parkplätzen während bestimmter Veranstaltungen (Messen, Sportereignisse, Konzerte) positioniert werden.
Vorzugsweise werden die Batterien in einem sequentiell arbeitenden Fördersystem gelagert, geladen und so weiter befördert, dass ohne Umsortieren im Wesentlichen ein First in-/First out-Effekt erzielt wird. Die in einer Batteriewechselstation befindlichen Batterien sind hierbei in dem Fördersystem aufgereiht und werden nach dem Einschub geladen, bis sie das Ende der Förderstrecke bzw. ihre Maximalkapazität erreicht haben. Die jeweils am Ende der Förderstrecke liegende Batterie ist vollständig geladen und wird im Austausch von einem Roboter oder sonstigem Greif- und Fördersystem erfasst und in den „wartenden" Pkw eingeschoben und dort verriegelt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind auch Abrechnungssysteme denkbar, bei denen die vor Ort montierte und aufgestellte Einheit als Batteriewechselstation per Funk die Daten über die entnommene Batterie sendet, die dann unmittelbar auf dem Konto des Fahrzeugbesitzers registriert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung geschieht die Entnahme und Neubeschickung der Batterie durch einen Wechselrahmen, der ähnlich wie bei einem Diaprojektor arbeitet und die entnommene Batterie in ein Schubsystem einreiht und gleichzeitig oder kurzzeitig hintereinander eine voll geladene Batterie dem Schubsystem entnimmt, die anschließend im Elektrofahrzeug montiert wird. Um das Verfahren zum Batteriewechsel weitestgehend automatisieren zu können, ist ferner vorgesehen, dass ein oder mehrere Sensoren die Position des Fahrzeugs genau erfassen, womit Positionierungsfehler relativ zum Wechselsystem ausgeglichen werden können.
Vorzugsweise werden die Batterien nach unten aus dem Fahrzeug gezogen, d. h. dass die Batterie unterhalb des Fahrzeugbodens befestigt sind. Dieser Befestigungsort hat zudem den Vorteil, dass der Schwerpunkt des Pkws möglichst tief gelegt werden kann. Vorzugsweise wird das Fahrzeug zum bzw. vor dem Batteriewechsel beispielsweise auf Schienen in eine erhöhte Lage gebracht, so dass die Batterieentnahme einfacher nach unten erfolgen kann. Das Elektrofahrzeug kann während der Batterieentnahme und der Montage der Austauschbatterie ortfest stehen bleiben, was entsprechende Zu- und Abfördersysteme für die Batterien voraussetzt, die wechselweise unter das Fahrzeug geschwenkt werden. Alternativ hierzu kann das Fahrzeug auch ähnlich wie in einer Autowaschstraße von einer Entnahmestation zu einer Montagestation gezogen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sicherung im Elektrofahrzeug vorgesehen, die eine Demontage der Batterie erst dann erlaubt, wenn ein Signal aus der Wechselstation gegeben worden ist. Auf diese Weise wird ein unbeabsichtigtes oder unkontrolliertes Entriegeln der Batteriebefestigung vermieden.
Die mobile oder stationäre Batteriewechselstation ist entsprechend aufgebaut, um die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens gewährleisten zu können. So besitzt die Batteriewechselstation eine Batterieentnahmevorrichtung, eine Batteriefördervorrichtung zur Zu- und Abförderung von Batterien sowie eine Daten- Empfangs- und -Speichervorrichtung zur Identifizierung des Fahrzeugs und/oder der Batterie, zur Feststellung und Speicherung der Daten über die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie und/oder zur Erfassung und Speicherung weiterer batteriespezifischer Daten, wie dem letzten Ladezeitpunkt oder der Anzahl der Ladevorgänge.
Um besonders raumsparend einsetzbar zu sein, da der Platz an Tank- und Raststätten knapp und teuer ist, sind die Batteriewechselstationen vorzugsweise turmartig auf einer minimalen Grundfläche errichtet. Die Batterien werden sequentiell auf einem Fördersystem als Band oder einer Kette oder ähnlichem in diesen Türmen ähnlich wie bei einem Paternosteraufzug kontinuierlich geführt. Die Kontaktelektroden sind dabei in das Fördersystem integriert, so dass die Batterien während des Umlaufs ohne Unterbrechung geladen und hinsichtlich ihrer Temperatur konstant gehalten werden können. Die Steuerelektronik befindet sich vorzugsweise in der Batterie oder auch in jeder einzelnen Ladebox des beschriebenen Fördersystems. Alternativ zu dem vertikalen Fördersystem sind auch horizontale Fördersysteme möglich, die den Vorteil einer niedrigeren Bauweise besitzen. Neben dem Batterieturm oder einer Entnahmestation ist eine Zufahrtsspur mit einem Leitsystem für das Fahrzeug ähnlich einer Führungsschiene in Fahrzeugwaschanlagen angebracht und in einer besonderen Ausführung mit einem elektronischen Leitsystem unterstützt, das optisch oder akustisch dem Fahrer Anweisungen zur Richtungskorrektur oder zum Anhalten bzw. Weiterfahren gibt und das weiterhin den Wagen auf zwei Fahrspuren (beidseitig) über das Straßenniveau anhebt, um so den Wechsel der unter dem Fahrzeugboden befindlichen Batterie zu erleichtern.
Ein Wechselrahmen, ähnlich wie bei einem Diaprojektor, der unter das Fahrzeug gefahren wird, nimmt die leere Batterie aus dem Wagen, wobei elektronisch über eine Radiofrequenzidentifikation (RFID) oder ein Barcode Fahrzeug- und Batteriekennnummer ermittelt werden. Eine feinmotorische Steuerung im Wechselrahmen oder auf dem Fahrzeugträgersystem gleicht Fehlstellungen aus und stellt sicher, dass der leere Akkumulator lagegenau in den Rahmen passt. Hierbei werden Batterierestenergiemenge, Nutzungszeit seit dem letzten Wechsel und Ladezyklus im angekoppelten Zustand am Fahrzeug erfasst und zur Abrechnung gespeichert bzw. weiterverarbeitet. Der Träger zur Entnahme der Batterie weist vorzugsweise eine ein- oder zweiachsige Motorik auf, die automatisch Positionierungsfehler des Fahrzeugs ausgleicht.
Der Batteriewechselrahmen kann translatorisch oder rotatorisch vom Pkw entfernt und vorzugsweise bewegungssynchron eine neu geladene Batterie unter das Fahrzeug gebracht und dann am Fahrzeugboden fixiert und elektrisch angeschlossen werden, wobei der neue Ladezustand am Fahrzeug erfasst wird. Alle ermittelten Daten können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sowohl im Fahrzeug als auch in der Station erfasst und gespeichert werden, so dass eine redundante Kostenermittlung möglich ist. Die Batteriewechselstation ist hinsichtlich des Batterieanschlusses entsprechend aufgebaut, wobei die Elektroden entweder auf der Batterieoberseite angebracht sind, so dass der Ankupplungsvorgang in vertikaler Richtung gleichzeitig die elektrische Anbindung erzeugt oder dass die Elektroden seitlich an der Stirnseite angebracht sind, so dass die Batterie zunächst vertikal anschnäbelt und dann horizontal verriegelt und elektrisch angeschlossen wird. Die Elektroden der Akkumulatoren sind angefedert und so geschaltet, dass an jeder Elektrode eine relativ geringe Spannung anliegt, was einerseits jede Gefahr für Personen durch elektrische Schläge minimiert und andererseits auch Funkenüberschläge während des Batterieanschlussvorgangs vermeidet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das vorhandene Fördersystem an die elektrische Versorgung über Schleifkontakte und/oder über Spannrollen- Wickelfeder mit großem Umschlingungswinkel in großer Querschnitten angeschlossen, so dass während der Förderbewegung weiter ohne Versorgungsunterbrechung elektrische Energie an den Akkumulatoren verfügbar bleibt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung stehen zwei Türme mit einem verbundenen Fördersystem gegenüber. Die Fahrzeuge fahren zwischen die Türme, wobei das Fördersystem so beim Akkumulatorwechsel in einer Richtung weiterläuft und die Bewegung des Wechselrahmens keinen Richtungswechsel benötigt. Das Fördersystem ist geschlossen und wechselt einmal von einem zum anderen Turm beim Akkumulatorwechsel unterhalb des Fahrzeuges und ein zweites Mal in einer zweiten Ebene unter- oder auch oberhalb des Fahrzeuges.
Die Steuerung der Ladevorgänge erfolgt in einem Dialog mit dem aktuellen Strompreis. Dazu wird vom Energieversorgungsunternehmen (EVU) der nach Angebot und Nachfrage ermittelte Strompreis über eine Funkstrecke (z. B. WLAN oder ähnliches) über eine Datenleitung oder auch durch ein Signal, das auf die Energieversorgungsleitung aufmoduliert wird, in einer Software zur Optimierung der Ladekosten benutzt, indem z. B. für den Fall, dass genügend geladene Batterien vorrätig sind, vorzugsweise mit günstigen Nachttarifen die Wiederaufladung der Batterien erfolgt. Die Kommunikation mit dem Bordcomputer der Fahrzeuge erfolgt ebenfalls über eine Funkstrecke. Damit ist mittels eines bidirektionalen Datenaustausches sichergestellt, dass die Fahrzeuge immer zu der Station geleitet werden, welche die aktuell geladene Batterie bereithält. Zusätzlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, die es erlaubt, Energie in das Stromnetz zurück zu speisen, z. B. für kurze Strombedarfsspitzen oder für Notfälle bei Versorgungsengpässen.
Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Fahrzeuglenker während des Batteriewechsels das Fahrzeug nicht verlassen muss, da alle Vorgänge ohne sein Zutun vollautomatisch ablaufen können. Nach Einfahren in die Batteriewechselstation kann insbesondere ein Sendesignal, das nach optimaler Positionierung des Fahrzeugs ausgesandt wird, die Entriegelung der Batterie auslösen, die dann von einem Roboter ergriffen und von einem Fördersystem abtransportiert wird. Zeitgleich synchron wird eine Ersatzbatterie zugefördert, die positioniert und idealer Weise mittels einer Schnellverriegelung arretiert wird. Während des Batteriewechsels werden die genannten batteriespezifischen Daten erfasst und die Abrechnung verbrauchsorientiert erstellt, die vorzugsweise sowohl im Fahrzeug als auch bei dem Abrechnungsunterlagen (Batteriewechselstationsbetreiber oder Elek- troversorger) registriert wird. Abschließende Bargeld- oder bargeldlose Zahlungen sind gleichermaßen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Wechseln von Batterien in Elektrofahrzeugen bei gleichzeitiger Feststellung der verbrauchten Energie, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Batterie oder die Vielzahl von Batterien von einer Entnahmevorrichtung, vorzugsweise einem Roboter oder einer Greif- und Fördervorrichtung vom Fahrzeug nach dem Lösen der Befestigungen oder Verriegelungen entnommen wird und gleichzeitig über eine Datenerfassungs- und Datenübertragungsvorrichtung die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie und die Daten zur Fahrzeugidentifizierung sowie batteriespezifische Daten erfasst und gespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zu den batteriespezifischen Daten die Zahl und der Zeitpunkt der Ladevorgänge gehören, welche die Batterie durchlaufen hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Datum des letzten Batterietausches erfasst und gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien in einem sequenziell arbeitenden Fördersystem gelagert, geladen und so weiterbefördert werden, dass ohne Umsortieren im wesentlichen ein First in-/First out-Effekt erzielt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in einer stationären oder mobilen Wechselstation, die vorzugsweise eine industriell gefertigte und vor Ort montierte oder aufgestellte Einheit ist, erfasst und gespeichert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und Neubeschickung der Batterie durch einen Wechselrahmen, ähnlich wie bei einem Diaprojektor erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensoren die Position des Fahrzeugs genau erfassen, um Positionierungsfehler relativ zum Wechselsystem auszugleichen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien bei der Entnahme nach unten aus dem Fahrzeug gezogen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug auf eine Führungsspur, vorzugsweise auf schienen, in eine erhöht Lage gebracht wird, so dass die Entnahme der Batterie nach unten einfacher erfolgen kann.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherung im Fahrzeug die Demontage der Batterie erst dann erlaubt, wenn ein Signal aus der Batteriewechselstation gegeben wurde.
11. Batteriewechselstation zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, g e k e n n z ei c h n e t d u r c h eine Batterieentnahmevorrichtung, eine Batteriefördervorrichtung sowie eine Daten-Empfangs- und Speichervorrichtung zur Identifizierung des Fahrzeugs und/oder der Batterie, zur Feststellung und Speicherung der Daten über die in der entnommenen Batterie vorhandene Restenergie und/oder zur Erfassung und Speicherung weiterer batteriespezifischer Daten.
12. Batteriewechselstation nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch einen stationären oder mobilen Aufbau.
13. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen turmförmigen Aufbau, so dass eine minimale Standfläche benötigt wird und dass eine Fördervorrichtung die Batterien vertikal aufweist und abwärts, ähnlich wie bei einem Paternoster befördert.
14. Batteriewechselstation nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen bodennahen Aufbau und ein Fördersystem, das die Batterien im Wesentlichen horizontal befördert.
15. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch einen horizontal oder vertikal beweglichen Wechselrahmen, der die Batterien ähnlich wie bei einem Diaprojektor transportiert.
16. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger zur Entnahme der Batterie eine ein- oder vorzugsweise zweiachsige Motorik aufweist, so dass Positionierungsfehler des Fahrzeugs automatisch ausgeglichen werden.
17. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben einem Batterielade- und -lagerturm eine Spur mit einer Führung des anfahrenden Fahrzeugs angebracht ist, die mechanisch oder elektronisch die Position des Fahrzeuges erfasst und/oder lenkt und so ein schnelles Positionieren ermöglicht.
18. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise erhöhte Führungsspur, die eine Batterieentnahme und Batterieeinführung von unten ermöglicht.
19. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur, auf der sich das Fahrzeug befindet, eine ein- vorzugsweise zweiachsige Steuerung und Motorik aufweist, um Positionierfehler relativ zur Wechselstation auszugleichen.
20. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden auf der Batterieoberseite angebracht sind, so dass der Ankupplungsvorgang in vertikaler Richtung gleichzeitig die elektrische Anbindung erzeugt.
21. Batteriewechselstation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden seitlich an der Stirnseite der Batterien angebracht sind, so dass die Batterie zunächst vertikal angeschnäbelt und dann horizontal verriegelt und elektrisch angeschlossen wird.
22. Batteriewechselstation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Batterie jeweils nur einen Teil der Batteriezellen anschließen, so dass die Spannung an jeder Elektrode so gering ist, dass sowohl Personengefährdungen als auch Funkenüberschläge beim Ankuppeln vermieden werden.
23. Batteriewechselstation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden angefedert sind und so ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet ist.
24. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fördersystem über einen Schleifkontakt und/oder über eine Rollenelektrode mit hinreichend großem Umschlingungswinkel so versehen ist, dass die Stromversorgung und/oder der Ladevorgang während der Förderbewegung des Bandes nicht unterbrochen wird.
25. Batteriewechsβlstation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Batterietürme gegenüber- stehend angeordnet und mit einem gemeinsamen, vorzugsweise fortlaufenden Fördersystem verbunden sind, und dass die Fahrzeugspur zwischen beiden Türmen hindurchführt, so dass beim Batteriewechsel keine Richtungsumkehr des Fördersystems notwendig wird.
26. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das System modular aufgebaut ist und mehrere Einheiten zu einer größeren Gesamtstation dauerhaft oder für Spitzenbedarfssituationen temporär kombiniert werden können.
27. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung eine Kommunikation zwischen einem Elektroversorgungsunternehmen und der Wechselstation ermöglicht, mit der der momentane Strompreis ermittelt wird.
28. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung zur Kostenoptimierung in die Wechselstation integriert ist, die je nach vorhandenem Batterievorrat und Nachfrageprognose die Ladung der Batterien auf kostengünstige Schwachlastzeiten konzentriert.
29. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine leistungsfähige Funkstreckenverbindung in Verbindung mit einer Regelungsstrecke die bidirektionale Kombination zwischen den Wechselstationen und den Fahrzeugen sicherstellt, so dass die Versorgung mit aufgeladenen Batterien und somit die Mobilität aller Fahrzeuge ständig sichergestellt wird.
30. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs- und Verrechnungsvorrichtung ermöglicht, dass die Batterien auch Energie in das Netz zurückspeisen können.
31. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieturm auf der Beifahrerseite steht und dass auf der Fahrerseite ein „drive through"-Schalter mit Personal oder mit Automat erreichbar ist.
32. Batteriewechselstation nach einem der Ansprüche 11 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der „drive through"-Schalter ein automatisches Verrechnungssystem enthält, so dass der Fahrer diejenigen Artikel, die er während des Wechsels der Batterie kauft, mit den Kosten für den Batteriewechsel gemeinsam oder getrennt bargeldlos bezahlen kann.
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