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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge, die zumindest eine elektrische Maschine für den Antrieb verwenden und einen Energiespeicher benötigen, der extern aufgeladen werden kann.
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Im Bereich des Individualverkehrs ist zunehmend von großer Bedeutung, die Effizienz von Fahrzeugen zu steigern. Dies wird vielfach dadurch angestrebt, dass mindestens eine elektrische Maschine vorgesehen wird, die unmittelbar für den Vortrieb des Fahrzeugs Verwendung findet. Zu Beispielen derartiger Fahrzeuge gehören bereits heute erhältliche Hybridfahrzeuge, bei denen die elektrische Maschine direkt, also durch Bereitstellung mechanischer Energie an die Antriebsräder, zum Vortrieb des Fahrzeuges beiträgt. Obwohl in diesen Hybridfahrzeugen bislang ein wesentlicher Beitrag der Antriebsenergie durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wird, gibt es zunehmend Bestrebungen, die elektrischen Energiespeicher derartiger Fahrzeuge so zu erweitern, dass immer größere Strecken rein elektrisch oder zumindest mit einem hohen Anteil an elektrischer Energie zurückgelegt werden können, wobei der Energiespeicher sodann zumindest teilweise wieder durch externe, also nicht durch den Verbrennungsmotor zugeführte Energie aufgeladen wird.
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In anderen Fahrzeugkonzepten dient die elektrische Maschine ausschließlich zum Vortrieb des Fahrzeuges, während zusätzliche Einrichtungen, etwa Verbrennungsmotore, Brennstoffzellen, und dergleichen zur Bereitstellung der elektrische Energie oder zumindest eines erheblichen Teils davon insbesondere für das Zurücklegen längerer Strecken Verwendung finden. Auch gibt es reine Elektrofahrzeuge, in denen die Energie für den Vortrieb ausschließlich aus einem mitgeführten Energiespeicher gewonnen wird, der somit auch regelmäßig aufzuladen ist.
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Zu diesem Zweck werden in diesem Fahrzeugen entsprechende Ladeeinrichtungen mitgeführt, die mit einer externen elektrischen Anschlussdose verbunden werden können, so dass der Energiespeicher gemäß der verfügbaren externen elektrischen Energie und der Leistung des mitgeführten Ladegerät aufgeladen werden kann. Dabei sind die erreichbaren Ladezeiten im Wesentlichen von der Belastbarkeit des externen Ladeanschlusses sowie auch von der Größe und des Leistungsvermögens des internen mitgeführten Ladegeräts abhängig.
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Zwar werden immer mehr öffentlich verfügbare Anschlussmöglichkeiten für die mitgeführten elektrischen Ladegeräte bereitgestellt, ein flächendeckendes Angebot elektrischer Energie für das Aufladen von Energiespeichern von Fahrzeugen ist jedoch derzeit nicht gegeben. Insbesondere sind für derartige Fahrzeuge mit elektrischen Energiespeichern gemäß konventioneller Ladetechniken geeignet ausgebildete elektrische Ladegeräte vorzusehen, in denen zwar, je nach Ausführung, gewisse Komponenten der bereits vorhandenen Leistungselektronik für den elektrischen Antriebsstrang mit verwendet werden, aber dennoch weitere Komponenten insbesondere für die Spannungsanpassung zwischen externem Ladeanschluss und der internen Spannung des Energiespeichers erforderlich sind.
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Ferner fehlt bisweilen ein standardisierter Anschlussstecker zur Anbindung des fahrzeuginternen Ladegeräts an elektrische Anschlussdosen einer Ladestation, so dass üblicherweise gängige Anschlussdosen für den üblichen Stromanschluss im Haushalt verwendet werden und das Ladegerät dann für die Anpassung an den Energiespeicher sorgt. Auch ist durch die Verwendung haushaltsüblicher Anschlussstecker und darauf abgestimmte Ladegeräte damit die Höhe der zuführbaren elektrischen Energie deutlich eingeschränkt.
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Die Druckschrift US 2008 / 0 297 109 A1 beschreibt ein System zur Übertragung mechanischer Energie auf ein Fahrzeug, wobei ein Fahrzeugbus- und Steuersystem beschrieben ist, das dem Einschalten des Generatormodus und der Steuerung des elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs im Generatormodus dient.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 060 341 A1 beschreibt ebenfalls ein System zur Übertragung mechanischer Energie auf ein Fahrzeug, wobei eine Steuerung aktuelle Zustandsgrößen des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs erfasst und die Antriebseinrichtung zum Antrieb der mechanischen Kupplungsvorrichtung und zur Einhaltung aktueller Grenzwerte des Energiespeichers ansteuert.
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Die Druckschrift
DE 35 28 476 A1 beschreibt, wie bei manchen Ladetechniken die Ladeleistung bei zunehmendem Ladezustand der Batterie reduziert wird.
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Im Lichte der zuvor dargestellten Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für das Aufladen von Energiespeichern in Fahrzeugen bereitzustellen, wobei eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung verringert werden.
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Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ladestation für ein Fahrzeug bereitgestellt, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die erfindungsgemäße Ladestation ist also so ausgestaltet, dass externe mechanische Energie und damit Leistung auf die elektrische Maschine des Fahrzeugs übertragen werden kann, die sich ihrerseits im Generatorbetrieb befindet, so dass die extern zugeführte mechanische Leistung durch die fahrzeuginternen Komponenten, d.h. durch die elektrische Maschine und die damit gekoppelte Leistungselektronik in elektrische Leistung umgewandelt werden kann. Es werden also vorzugsweise Komponenten beim Ladevorgang verwendet, die ohnehin Bestandteil des Fahrzeuges sind, ohne dass auf spezielle Eigenschaften des Energiespeichers, der verwendeten Systemspannung, und dergleichen Rücksicht genommen werden muss. D.h., typischerweise sind die Leistungselektronik der elektrischen Maschine sowie die elektrische Maschine selbst geeignet ausgebildet, um im Zusammenwirken mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs effizient die Energie des Energiespeichers in mechanische Leistung mit gewünschter Höhe umzuwandeln. In der umgekehrten Richtung kann somit auch eine gewünschte hohe elektrische Leistung von der elektrischen Maschine beim Ladevorgang abverlangt werden, die somit ebenfalls in sehr effiziente Weise in elektrische Leistung umgewandelt wird. Beispielsweise kann daher die Ladeleistung der Ladestation sehr hoch sein, da in der Regel die elektrische Maschine sowie die dazugehörige Leistungselektronik für hohe Leistungen, etwa beim Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs, ausgelegt sind. Die Ladestation ihrerseits kann die gewünschte mechanische Leistung effizient mittels elektrischer, pneumatischer, hydraulischer Komponenten, etc. nach Bedarf bereitstellen, ohne dass eine Anpassung dieser Komponenten auf fahrzeugspezifische Eigenschaften erforderlich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Kupplungsvorrichtung zur mechanischen Ankopplung an mindestens ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs ausgebildet. Durch diese Art der Ausbildung der Kupplungsvorrichtung ist es möglich, jegliche Art von Fahrzeug mit externer mechanischer Energie zu beaufschlagen, ohne dass dazu wesentliche Modifizierungen an dem Fahrzeug erforderlich sind, oder aber die Fahrzeuge können im Hinblick auf die Ankopplung an die Ladestation vollkommen unverändert bleiben. In einer Ausführungsform kann die mechanische Ankopplung so erfolgen, dass etwa eine Rolle oder Walze der Antriebvorrichtung der Ladestation in Reibkontakt mit der Lauffläche des angetriebenen Rads gebracht wird. In anderen Ausführungsformen können geeignet ausgebildete Felgen am Fahrzeug vorgesehen werden, so dass ein mechanischer Eingriff der Kupplungsvorrichtung mit hoher mechanischer Effizienz möglich ist. In derartigen Ausführungsformen ist die Ladestation ferner geeignet ausgestaltet, den relativen Stillstand des Fahrzeugs bei der Einspeisung mechanischer Leistung an einem oder mehreren angetriebenen Rädern sicherzustellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kommunikationseinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, Steuersignale von dem Fahrzeug zu empfangen. Auf diese Weise kann eine mit dem Fahrzeug koordinierte Ladung des Energiespeichers erfolgen, oder es können Vorgaben des Fahrzeughalters beim Laden des Energiespeichers abgefragt und gegebenenfalls entsprechend eingehalten werden.
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In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung ausgebildet, zumindest die Leistungsübertragung von der Antriebsvorrichtung auf die elektrische Maschine unter Nutzung zumindest eines Teils der Steuersignale zu steuern. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Steuerung derart erfolgen, dass eine maximale Leistung nicht überschritten wird, oder dass nur eine vorgegebene Energiemenge eingespeist wird.
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Erfindungsgemäß weist die Ladestation eine Energiespeichereinrichtung auf, so dass bei Bedarf sehr hohe Leistungsspitzen überbrückt werden können, selbst wenn die der Ladestation von außen zugeführte Leistung zur Abdeckung dieser Spitzen nicht ausreicht. Die Speichereinrichtung kann dabei zur Speicherung von elektrischer Energie und/oder mechanischer Energie ausgebildet sein, wobei dies von der Art der Energie abhängt, mit der die Antriebsvorrichtung der Ladestation betrieben wird.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass eine „mechanische“ Energie hierin auch als Energie betrachtet wird, die in Form von unter Druck stehenden Gas und/oder Flüssigkeiten bereitgestellt wird. Wenn der Energiespeicher in Form eines Speichers zur Aufnahme elektrischer Energie bereitgestellt wird, kann dieser beispielsweise in Form von Kondensatoren vorgesehen sein, so dass kurzzeitig eine sehr hohe elektrische Leistung entnommen werden kann, falls der aktuell ablaufende Ladevorgang die elektrische Leistung übersteigt, die von einem elektrischen Anschluss für die Ladestation geliefert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung der Ladestation ausgebildet, das Übertragen der mechanischen Leistung bei Unterschreiten eines Schwellwerts der aktuell übertragenen mechanischen Leistung zu beenden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Ladevorgang rechtzeitig beendet wird, wenn etwa der Nutzbremsmodus im Fahrzeug beendet wird. Beispielsweise kann die fahrzeuginterne Leistungselektronik einen hohen Ladezustand des Energiespeichers, eine zu hohe Temperatur einer Komponente, etc. erkennen und daraufhin, wie auch beim normalen Fahrbetrieb das Rekuperieren geeignet zurückregeln oder gänzlich abschalten. Auf diese Weise können ebenfalls bereits im Fahrzeug vorhandene Komponenten effizient zur Steuerung des Ladevorgangs ausgenutzt werden.
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In einem zum Verständnis der Erfindung betragenden Beispiel wird eine Ladevorrichtung in einem unter Anwendung zumindest einer elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeug bereitgestellt. Die Ladevorrichtung umfasst eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, bei relativem Stillstand des Fahrzeugs in Bezug auf eine Ladestation die elektrische Maschine in einen Nutzbremsmodus überzuführen.
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Die fahrzeuginterne Ladevorrichtung umfasst somit eine Steuereinheit, die im Gegensatz zu konventionellen Ladegeräten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, keine speziell gestaltete Leistungselektronik erfordert, sondern in steuerbarer Weise den Nutzbremsmodus initiieren kann, so dass die fahrzeuginternen Antriebskomponenten für die Aufladung des fahrzeuginternen Energiespeichers genutzt werden können. D.h., durch die Einwirkung der Steuereinheit ist das Fahrzeug für die Aufnahme mechanischer Energie bzw. Leistung im Stillstand des Fahrzeugs vorbereitet, so dass ein effizienter Ladevorgang ausgeführt werden kann.
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In einem weiteren Beispiel, das zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung beiträgt umfasst die Steuereinheit ferner eine Kommunikationseinrichtung, die ausgebildet ist, ein Steuersignal zu der externen Ladestation, die externe mechanische Leistung zuführt, zu übermitteln. Auf diese Weise findet der Ladevorgang durch Zuführen externer mechanischer Energie unter Steuerung des Fahrzeugs statt, so dass fahrzeugspezifische Eigenschaften bzw. Vorgaben des Fahrzeughalters in die Steuerung des Ladevorgangs eingreifen können.
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Das Steuersignal weist zumindest eine Signalkomponente auf, die die externe Ladestation zur Unterbrechung der Zuführung der externen mechanischen Leistung veranlasst. Diese Signalkomponente zur Unterbrechung der Zuführung der externen mechanischen Leistung kann beispielsweise auf der Grundlage von Informationen erzeugt werden, die den Energiestatus des Energiespeichers, den Status von Leistungselektronikkomponenten, und dergleichen betreffen.
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In anderen Beispielen enthält das Steuersignal auch Signalkomponenten, die eine geeignete Anpassung des Ladevorgangs an fahrzeugspezifische Eigenschaften ermöglichen. In anderen Beispielen ist die Steuereinheit entsprechend so ausgebildet, dass diese den Ladevorgang in geeigneter Weise steuert, indem etwa der Grad der Rekuperation auf das gewünschte Maß eingestellt wird.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind im Weiteren auch nicht beanspruchte Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Fahrzeugs, das zumindest eine als Antrieb des Fahrzeugs genutzte elektrische Maschine aufweist, beschrieben. Dabei wird externe mechanische Leistung auf die elektrische Maschine des Fahrzeugs bei relativem Stillstand des Fahrzeugs übertragen. Ferner wird ein Generatorbetrieb der Maschine durch eine Steuereinheit während des Übertragens der externen mechanischen Leistung eingestellt. Ferner umfasst das Verfahren das Überwachen des Energiestatus des Energiespeichers durch die Steuereinheit.
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Dadurch wird also das Aufladen des Energiespeichers durch ein gesteuertes Einstellen des Generatorbetriebs des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug relativ zu einer Ladestation im Stillstand ist. Wie zuvor bereits erläutert ist, kann in einem entsprechenden Verfahren die „Infrastruktur“ insbesondere im Hinblick auf Leistungselektronik und die Wandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung bei hohem Wirkungsgrad des Fahrzeugs effizient eingesetzt werden, um den Energiespeicher aufzuladen, wobei die Leistung im Wesentlichen durch die fahrzeuginternen Komponenten festgelegt ist.
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Es sollte beachtet werden, dass das Verfahren zwar vorteilhaft in stationären Ladesystemen Anwendung findet, in einigen Aspekten jedoch auch in beweglichen Ladestationen, beispielsweise in Form von Fahrzeugtransportsystemen, Waschanlagen, und dergleichen verwendet wird, in denen jedoch das Fahrzeug relativ zu einer Ankopplungsvorrichtung in Ruhe ist.
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Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch den angefügten Patentansprüchen zu entnehmen. Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1A schematisch eine Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs an einer Ladestation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 1B schematisch eine Kupplungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Ladestation zur Einspeisung von mechanischer Leistung über zumindest ein angetriebenes Rad des Fahrzeugs zeigt;
- 1C schematisch die Kupplungsvorrichtung zeigt, wobei ein speziell gestalteter mechanischer Anschluss zur Übertragung der mechanischen Leistung auf die elektrische Maschine vorgesehen ist;
- 1D schematisch die Ladestation zeigt, in der der erfindungsgemäße elektrische Speicher in der Ladestation vorgesehen ist;
- 1E schematisch die Ladestation zeigt, wobei ein „mechanischer“ Speicher vorgesehen ist, etwa in Form eines Druckspeichers und dergleichen, so dass Leistungsspitzen effizient überbrückt werden können; und
- 2 schematisch eine Ladevorrichtung in einem Fahrzeug zeigt, um einen gesteuerten Nutzbremsmodus zum Aufladen eines Energiespeichers des Fahrzeugs einzustellen.
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1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 150, das zumindest eine elektrische Maschine 152 aufweist, die für den Vortrieb des Fahrzeugs 150 genutzt wird. In der dargestellten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 152 mechanisch mit Rädern 151 über eine schematisch dargestellte Kraftkopplung 156 verbunden ist, die eine beliebige Kraftübertragung gegebenenfalls mit einem Getriebe repräsentiert. Die elektrische Maschine 152 kann auch an oder in einem oder mehreren der Räder 151 mit oder ohne integriertem Getriebe angeordnet sein. Des weiteren ist die elektrische Maschine 152 typischerweise mit einer Leistungselektronik 153 verbunden, die die in einem Energiespeicher 154 gespeicherte elektrische Energie oder auch elektrische Energie, die von einer anderen Komponente im Fahrzeug 150 erzeugt wird, geeignet umwandelt, so dass die elektrische Maschine 152 eine dem aktuellen Bedarf des Fahrzeugs 150 angepasste mechanische Leistung an die Räder 151 über die Kopplung 156 abgibt. Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine, eine Gleichstrommaschine, oder eine andere Art an elektrischer Maschine darstellen. Generell sind im Stand der Technik eine Vielzahl von geeigneten Umrichtern bekannt, die Gleichspannung in geeignete Mehrphasen-Spannungen und Ströme umwandeln können, so dass eine gewünschte Drehzahl und ein gewünschtes Drehmoment von der elektrischen Maschine 152, wenn diese als Wechselspannungsmaschine ausgelegt ist, bereitgestellt werden. In ähnlicher Weise sind auch Gleichspannungssteller bekannt, die der Maschine 152, falls diese in Form einer Gleichspannungsmaschine vorgesehen ist, in erforderlicher Weise Strom und Spannung einprägen. Beispielsweise verfügen heute bereits erhältliche Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb über elektrische Maschinen mit einer Leistung von wenigen kW bis zu mehreren 10 kW oder auch zu mehreren 100 kW, so dass auch die Komponenten 153 und 154 entsprechend gestaltet sind, um diese hohen Leistungen zu handhaben. Insbesondere sind die Elektronik 153 und der Energiespeicher so ausgelegt, dass sie auch im Nutzbremsbetrieb die von der Maschine 152 gelieferte Leistung je nach Ladezustand des Speichers 154 wieder zu einem großen Teil in den Speicher zurückspeisen können.
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Ferner ist eine Ladestation 100 gezeigt, die eine Antriebsvorrichtung 110 aufweist, um über eine Kupplungsvorrichtung 130 mechanische Leistung auf die elektrische Maschine 152 in dem Fahrzeug 150 zu übertragen. Die Antriebsvorrichtung 110 umfasst dazu in einer Ausführungsform einen Motor 111, etwa einen Elektromotor, mit einer schematisch dargestellten Kraftübertragung 116 zur Ankopplung an die Vorrichtung 130. Im Falle eines Elektromotors ist eine elektronische Leistungskomponente 112 vorgesehen, die wiederum mit einer Steuereinrichtung 120 in Verbindung steht, so dass die Leistungskomponente 112 den Elektromotor 111 in einer geeigneten Weise mit elektrischer Energie versorgt. Vorteilhafterweise ist der Elektromotor 111 so ausgelegt, dass die mechanische Leistung, die typischerweise von dem Fahrzeug 150 beim Aufladen des Energiespeichers 154 angefordert wird, bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zweck können beispielsweise leistungsfähige Asynchronmaschinen mit geeigneten Leistungskomponenten effizient angewendet werden. Es können aber auch andere elektrische Maschinen verwendet werden, die über einen gewünschten Leistungsbereich einen relativ hohen Wirkungsgrad besitzen. In anderen Ausführungsformen können auch andere Antriebskomponenten eingesetzt werden, wie dies nachfolgend etwa mit Bezug zu 1E erläutert ist.
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Die Antriebskomponente 111 ist in geeigneter Weise mit der Kupplungsvorrichtung 130 mittels der Kraftübertragung 116 mechanisch gekoppelt, beispielsweise über Getriebe, Riemen, Ketten, etc., so dass schließlich eine mechanische Kopplung zu der elektrischen Maschine 152 hergestellt wird, etwa über eines oder mehrere der Antriebsräder 151, und somit mit der Maschine 152 eine mechanische Wechselwirkung stattfinden kann. Beispielsweise kann die Kupplungsvorrichtung 130 direkt mit der Lauffläche des Rades 151 in mechanischen Kontakt gebracht werden, etwa indem eine geeignete Öffnung in einer Auflagefläche 101 vorgesehen wird, in der ein Teil der Kopplungsvorrichtung 130, etwa in Form einer Walze oder Rolle, mit dem Rad 151 in Kontakt gebracht wird, indem etwa das Kontaktelement, etwa ein Walze der Kupplungsvorrichtung 130 angehoben wird, wie dies schematisch mit 117 bezeichnet ist, und damit mit dem Rad 151 in Kontakt gebracht wird. Es kann auch eine geeignete Mulde in der Fläche 101 vorgesehen sein, die mit zwei oder mehr Walzen versehen ist, um einerseits den mechanischen Kontakt zu dem Rad 151 herzustellen und andererseits das Rad 151 auch geeignet in Position zu halten. In anderen Ausführungsformen ist die Kupplungsvorrichtung 130 so ausgebildet, dass nach dem Befahren und Sichern des Fahrzeugs zumindest zwei angetriebene Räder gleichzeitig mit mechanischer Leistung beaufschlagt werden können. Der Antriebsvorrichtung 110 wird Energie bzw. Leistung zugeführt durch geeignete Mittel 103, etwa durch eine Stromversorgung und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch betriebene Einrichtungen, wobei auch eine Speichereinrichtung zur Abdeckung von Leistungsspitzen und/oder für einen autarken Betrieb vorgesehen ist, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
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1B zeigt schematisch einen Teil der Ladestation 100, wenn diese mechanisch mit der elektrischen Maschine 152 des Fahrzeugs 150 gekoppelt wird. Dazu wird beispielsweise in einer Ausführungsform eine Rolle 132 mit der Lauffläche 151 L zumindest eines Rades 151A in Kontakt gebracht, wozu entsprechende geeignete mechanische Komponenten, die nicht gesondert gezeigt sind, verwendet werden können. Bei Beaufschlagung nur eines Antriebsrads ist gegebenenfalls dafür zu sorgen, dass die Wirkung eines Ausgleichsgetriebes 152A aufgehoben wird. Ansonsten kann eine entsprechende zweite Rolle oder Walze 132 (nicht gezeigt) vorgesehen werden, die auf das Antriebsrads 151B einwirkt. Bei Antrieben, in denen eine elektrische Maschine direkt an dem Rad 151A angebracht ist, kann eine Einspeisung an diesem Rad unter Abschaltung eines „elektronischen“ Differenzials erfolgen, so dass auch in diesem Falle eine mechanische Energieeinspeisung bei Bedarf nur an einem Rad erfolgt, wobei hier die jeweiligen Leistungsdaten der zugehörigen elektrischen Maschine zu berücksichtigen sind. In ähnlicher Weise können andere Kupplungskomponenten 131 vorgesehen werden, die beispielsweise in die Felge zumindest eines der Räder 151A, 151B eingreifen, wobei gleichzeitig geeignete Rollen oder Walzen zur Unterstützung der Räder 151A, 151B vorgesehen werden können. In anderen Ausführungsformen können die Komponenten 131 gleichzeitig zum Anheben des Fahrzeugs 150 verwendet werden, so dass dann die gewünschte mechanische Leistung über die Komponenten 131 direkt auf die Räder 151A und/oder 151B übertragen werden kann.
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1C zeigt schematisch die Ladestation 100 in mechanischer Kopplung zu dem Fahrzeug 150, wobei die Kupplungsvorrichtung 130 eine geeignete Komponente 133 aufweist, um auf die elektrische Maschine 152 ohne direkte Einwirkung auf die Antriebsräder einzuwirken. Beispielsweise kann in einem Ausgleichsgetriebe 152A ein geeigneter zusätzlicher Anschluss 152C vorgesehen werden, der bei Kontakt mit der Komponente 133 einerseits die Wirkung des Ausgleichsgetriebes 152A auf die Antriebsräder aufhebt und gleichzeitig eine mechanische Kopplung mit der elektrischen Maschine 152 herstellt.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann der mechanische Anschluss 152C so vorgesehen werden, dass eine Einwirkung auf die elektrische Maschine 152 unter Umgehung des Ausgleichsgetriebes 152A möglich ist. Beispielsweise kann eine entsprechende Getriebekomponente in Kontakt mit der Welle der Maschine 152 vorgesehen werden, so dass die mechanische Leistung unter Abkupplung der Antriebsräder direkt in die elektrische Maschine bei Ankopplung an den Anschluss 152C eingespeist werden kann.
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Während des Betriebs der Ladestation 100, wie sie beispielsweise in den 1A bis 1C gezeigt ist, wird das Fahrzeug 150 über die Kupplungsvorrichtung 130 mit der Antriebsvorrichtung 110 in Kontakt gebracht, und das Fahrzeug 150, d.h. die elektrische Maschine 152 in Verbindung mit zugehörigen elektronischen und mechanischen Komponenten, etwa Bremseinrichtungen für die Stabilisierung des Fahrzeugs 150 zur Kraftübertragung, und dergleichen, wird in einen Zustand gebracht, in welchem die Maschine 152 als Generator arbeitet und ein Stillstand des Fahrzeugs relativ zu der Station 100 gewährleistet ist. Die Maschine 152 mit zugehöriger Elektronik 153 und dem Energiespeicher 154 wird also in einen Nutzbremsmodus versetzt, ohne das Fahrzeug jedoch relativ zur Kupplungsvorrichtung 130 zu bewegen. Zu diesem Zweck kann eine geeignete Steuereinheit, wie sie nachfolgend mit Bezug zu 2 beschrieben ist, eingesetzt werden, um den gewünschten Betriebszustand einzustellen. Daraufhin überträgt die Antriebsvorrichtung 110 mechanische Leistung auf die elektrische Maschine 152 über die Kupplungseinrichtung 130, so dass elektrische Leistung von der Maschine 152 über die fahrzeuginterne Leistungskomponente 153 in den Energiespeicher 154 eingespeist wird, wie dies beispielsweise auch im Rekuperationsbetrieb des Fahrzeuges 150 während der Fahrt häufig erfolgt. D.h., die fahrzeuginternen Komponenten, die typischerweise über einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsbandbreite verfügen, können effizient für die Speicherung elektrischer Energie im Speicher 154 verwendet werden. Da typischerweise auch der Energiespeicher 154 für die Bereitstellung und damit auch für die Zwischenspeicherung hoher Energiemengen ausgebildet ist, kann das Aufladen ebenfalls mit hoher Leistung erfolgen, so dass innerhalb kurzer Zeiten größere Energiemengen gespeichert werden können.
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Wenn beispielsweise mit einer mechanischen Leistung von 50 kW geladen wird, also am Ausgang der Kupplungsvorrichtung 130 50kW mechanischer Leistung bereitstehen, und ein Wirkungsgrad für die Ankopplung an die Komponenten 152, 153 sowie für diese Komponenten selbst von 90 % angenommen wird, steht am Ausgang der Leistungselektronik 153 eine elektrische Leistung von 45 kW bereit, so dass in etwa 6 min vier oder mehr Kilowattstunden Energie gespeichert werden können, abhängig von dem Ladewirkungsgrad des Speichers 154. Wenn das Fahrzeug 150 für einen Rekuperationsbetrieb mit noch höherer Leistung ausgelegt ist, können noch größere Energiemengen innerhalb weniger Minuten eingespeist werden, wobei vorzugsweise die Ladestation ausgebildet ist, derartige große mechanischen Leistungen kurzfristig zur Verfügung stellen zu können. Der Energiespeicher muss dabei nicht vollständig geladen werden, so dass insbesondere kritische Phasen beim Erreichen einer Ladeschlussspannung des Energiespeichers vermieden werden, die in der Regel längere Ladephasen mit geringerer Leistung erfordern. Typischerweise kann der Energiespeicher in sehr kurzer Zeit auf etwa 80% seiner Kapazität aufgeladen werden.
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Der Ladevorgang ist so gesteuert durch die Steuereinrichtung 120, dass eine Unterbrechung oder Beendigung des Vorgangs stattfindet, sobald eine gewisse Energiemenge übertragen wurde oder sobald das Fahrzeug 150 in vordefinierter Weise auf die Einspeisung mechanischer Leistung reagiert. Zum Beispiel kann unter Ausnutzung der fahrzeuginternen Steuereinrichtungen in der Leistungselektronik oder in anderen elektronischen Systemen des Fahrzeugs, die beispielsweise eine zu starke Ladung des Speichers 154 im Rekuperationsbetrieb verhindern, eine Steuerung des Ladevorgangs vorgenommen werden, da durch Verringern des Bremsmoments etwa die von der elektrischen Maschine 152 ihre aufgenommene mechanische Leistung entsprechend zurück geregelt wird, um eine Überhitzung und/oder Überladung des Speichers 154 zuverlässig zu vermeiden. Dazu erfolgt einfach eine geeignete Ansteuerung der Maschine 152 mittels der Leistungskomponente 153, so dass etwa die Maschine ohne Bremswirkung betrieben wird. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 120 der Ladestation 100 kann diesen Rückgang der von der Maschine 152 aufgenommenen mechanischen Leistung feststellen und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes den Ladevorgang gänzlich beenden, indem etwa die Vorrichtung 130 abgekoppelt wird und/oder der Motor 111 abgeschaltet wird.
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Selbstverständlich können auch andere Kriterien beim Ausführen eines Ladevorgangs berücksichtigt werden, wie dies auch detaillierter mit Bezug zu 2 später erläutert ist.
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1D zeigt schematisch die Ladestation 100 mit einem Speicher 140, der einen kontinuierlichen Betrieb der Antriebsvorrichtung 110 ermöglicht, selbst wenn die dem Antrieb 110 abgeforderte mechanische Leistung die Leistung übersteigt, die extern der Ladestation 100 zugeführt wird, beispielsweise in Form einer elektrischen Leistung 143.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Speicher 140 mit elektrischen Speichern 141 ausgestattet, etwa in Form von Kondensatoren, und dergleichen, die wiederum von einer geeigneten Leistungselektronik 142 mit Gleichspannung, die aus dem externen Anschluss 143 gewonnen wird, versorgt wird. Auf diese Weise ist beispielsweise eine nicht auf die maximal mögliche Ausgangsleistung des Antriebs 110 ausgelegte Anschlussleistung 143 ausreichend, wobei dennoch kurzfristig Fahrzeuge mit hoher Leistung geladen werden können.
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1E zeigt schematisch die Ladestation 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen der Speicher 140 in Form eines „mechanischen“ Speichers bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann der Speicher 140 ein Druckspeicher sein, der mit der Antriebsvorrichtung 110 durch geeignete Leitungen verbunden ist.
Beispielsweise wird die Antriebsvorrichtung 110 in Form eines hydraulischen Systems vorgesehen, das mit dem Speicher 140 in Verbindung steht, so dass über geeignete Pumpen 114, 115 Hydraulikflüssigkeit in einen Kreislauf eingespeist und bei Bedarf auch unter hohem Druck in den Speicher 140 angesammelt werden kann. Beispielsweise kann die Pumpe 115 kontinuierlich betrieben werden, beispielsweise mit einer moderat geringen Nennleistung, so dass kontinuierlich der Druck im Speicher 140 gehalten oder in Zeiten mit geringer Auslastung der Station 100 der Druck und/oder das Volumen an Fluid im dem Speicher erhöht werden, so dass dann die Hydraulikflüssigkeit in benötigter Menge und mit geeignetem Druck an entsprechende Antriebskomponenten 111A,... 111C in Form von Hydraulikmotoren, Druckluftmotoren, etc. abgegeben werden kann. Dabei kann die mechanisch abzugebende Leistung der einzelnen Antriebskomponenten 111A,... 111C bei Bedarf auch individuell, etwa durch entsprechende steuerbare Ventile 113, über die Steuereinrichtung 120 festgelegt werden. In diesem Falle können daher mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden, wobei individuell verschiedene mechanische Leistungen übertragen werden können. Andererseits kann der Speicher 140 kontinuierlich „geladen“ werden, ohne dass etwa die Pumpe 115 die mechanische Leistung aller Antriebskomponenten 111A,..., 111C aufbringen muss.
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Es sollte beachtet werden, dass das Antriebssystem 110 auch pneumatische Komponenten sowie eine Mischung aus elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Komponenten aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen ist der Speicher 140 mit einem mechanischen Speicher in Form eines Schwungrades versehen, das über die Antriebskomponenten 111A, ..., 111C mit einem oder mehreren Fahrzeugen gekoppelt werden kann. Zu beachten ist, dass die Kupplungsvorrichtungen 130 schematisch so dargestellt sind, dass sie über die Walze 132 mit jeweils einem angetriebenen Rad 151 eines Fahrzeugs in Kontakt gebracht werden. Typischerweise werden jedoch zumindest zwei angetriebene Räder pro Fahrzeug angekoppelt durch Vorsehen geeigneter „Tankmulden“, in die die Räder der Antriebsache einfahren und mit den Walzen 132 in Kontakt gebracht werden.
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Der mechanische Speicher 140 kann also kontinuierlich in Phasen mit geringer Auslastung der Station geladen werden, während in Phasen mit hoher Auslastung Fahrzeuge mit hoher Leistung geladen werden können, ohne dass die Gesamteingangsleistung für die Station 100 der Summe der Abgabeleistungen der einzelnen Antriebe 111A,...,111C entsprechen muss.
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2 zeigt schematisch ein Fahrzeug 250, das in mechanischem Kontakt mit einer Ladestation 200 ist. Das Fahrzeug 250 kann die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie das Fahrzeug 150, das zuvor mit Bezug zu 1A beschrieben ist. Gleiches gilt für die Ladestation 200. Das Fahrzeug 250 umfasst also eine elektrische Maschine 252 in Verbindung mit einer Leistungselektronik 253 und einem Energiespeicher 254. Ferner kann die elektrische Maschine 252 mechanisch mit der Ladestation 200 in Kontakt gebracht werden, wie dies auch zuvor erläutert ist. Das Fahrzeug 250 umfasst ferner eine Ladevorrichtung 256, die zumindest eine Steuereinheit 255 aufweist. Die Steuereinheit 255 ist zumindest mit der Leistungselektronik 253 verbunden und ausgebildet, diese und damit die elektrische Maschine 252 während der mechanischen Kopplung mit der Ladestation 200 in einen Rekuperationsmodus, d.h. einen Nutzbremsmodus, zu versetzen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 255 eine Anwenderschnittstelle (nicht gezeigt) abfragen, in der der Fahrzeughalter einen Ladevorgang ankündigt, oder aber in anderen Ausführungsformen findet eine Kommunikation über eine Kommunikationseinrichtung 258 mit einer Steuerungseinrichtung 220 der Ladestation 200 statt, die ihrerseits eine Kommunikationseinrichtung 221 aufweist, so dass der Steuereinheit 255 der bevorstehende Ladevorgang angezeigt wird. Dazu können die beiden Kommunikationseinrichtungen 258, 221 Informationen über Steuersignale 257 austauschen, so dass der gewünschte Fahrzeugstatus eingestellt und gewünschte Ladeparameter festgelegt werden. D.h. die Steuereinheit 255 stellt bei Bedarf sicher, dass die das Fahrzeug ausreichend mechanisch gesichert ist und der Antrieb zuverlässig abgeschaltet ist, sowie der Nutzbremsbetrieb aktiviert ist. Bei Bedarf kann die Einheit 255 einen gewünschten Rekuperationsablauf durch Steuerung der Leistungselektronik 253 einstellen, so dass sich ein gewünschter Ladeverlauf ergibt. In anderen Fällen wird bei Bedarf ein Nutzbremsprofil von der Ladestation 200 über die Steuereinrichtung 220 vorgegeben.
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Ferner ist die Steuereinheit 255 gegebenenfalls so ausgestattet, dass sie den Energiestatus des Speichers 254 ermitteln kann, um damit geeignete Parameter für den Ladevorgang zu bestimmen. Beispielsweise kann in Abhängigkeit des Energiestatus des Speichers 254 ein geeigneter Verlauf, d.h. Länge und aktuelle Einspeiseleistung eines Ladevorgangs ermittelt werden, der beispielsweise der Steuerungseinrichtung 220 mittels des Steuersignals 257 mitgeteilt wird. Auf der Grundlage des Steuersignals 257 kann beispielsweise die gewünschte mechanische Leistung, die Dauer, der Verlauf der Ladekurve, etc. übermittelt werden, so dass bei Bedarf die Antriebsvorrichtung der Ladestation 200 die mechanische Leistung für das Fahrzeug 250 in der gewünschten angepassten Form zur Verfügung stellt. Insbesondere enthält das Steuersignal 257 eine Signalkomponente, die der Ladestation das Ende des Ladevorgangs anzeigt, so dass die Ladestation 200 eine mechanische Entkopplung von dem Fahrzeug 250 bewirken oder unterstützen kann.
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In anderen Beispielen findet die Steuerung des Ladevorgangs durch die Steuereinheit 255 statt, die beispielsweise das Rekuperationsverhalten und damit die von der elektrischen Maschine 252 aufgenommene mechanische Leistung so steuert, dass dies mit den zuvor ermittelten Parametern des Ladevorgangs verträglich ist. In diesem Falle ist die Ladestation 200 vorzugsweise so ausgebildet, dass sie auf unterschiedliche Leistungsanforderungen geeignet reagiert und die gewünschte mechanische, aktuell angeforderte Leistung bereitstellt.
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Die vorliegende Erfindung stellt also Ladestationen bereit, in denen der elektrische Energiespeicher eines Fahrzeugs durch mechanische Kopplung der elektrischen Maschine des Fahrzeugs und der Ladestation zumindest teilweise geladen werden kann. Durch die mechanische Ankopplung sind im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften des Energiespeichers sowie der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine keine Modifikationen erforderlich, wobei, bei Anwendung einer mechanischen Ankopplung an die Antriebsräder des Fahrzeugs, auch keinerlei mechanischen Änderungen im Fahrzeug erforderlich sind und beliebige Arten von Fahrzeugen unabhängig von ihren spezifischen Eigenschaften geladen werden können. Durch Vorsehen einer geeigneten Steuereinheit oder eines Steuerungsalgorithmus im Fahrzeug kann dieses in einen entsprechenden Rekuperationsbetrieb während der mechanischen Kopplung mit der Ladestation versetzt werden, so dass eine gesteuerte Ladung des Energiespeichers mit hoher Leistung und damit in kurzer Zeit möglich ist. Die Ladestation der vorliegenden Erfindung kann so ausgelegt werden, dass mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, so dass eine Abfertigung vieler Fahrzeuge in kurzer Zeit möglich ist. Die Ladestation kann auch in andere Systeme integriert werden, beispielsweise in Waschanlagen, Autoreisezüge, und dergleichen, so dass eine Standzeit des Fahrzeugs gleichzeitig zur Energieeinspeisung in den fahrzeuginternen Energiespeicher genutzt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen können „nicht-stationäre“ Ladestationen eingesetzt werden, die bei Bedarf ein Fahrzeug auf freier Strecke aufsuchen und mit diesem mechanisch gekoppelt werden. Beispielsweise, dient in einer Ausführungsform dann die „nicht-stationäre“ Ladestation als Schleppfahrzeug, während die Steuereinheit im Fahrzeug in geeigneter Weise den Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs steuert. In anderen Ausführungsformen besitzt die mobile Ladestation die Kupplungseinrichtung derart, dass diese auf die Antriebsräder einwirken kann, etwa durch Anheben des Fahrzeuges an den Antriebsrädern, und dergleichen, wobei dann der Ladevorgang in der zuvor mit den 1 und 2 beschriebenen Weise erfolgen kann. Die mobile Ladestation weist einen großen Energiespeicher auf, etwa in Form eines Druckspeichers oder eines elektrischen Speichers, so dass zum einen der eigene Energiebedarf der mobilen Ladestation und zum anderen der Energiebedarf für eine größere Anzahl an Fahrzeugen durch den Speicher gedeckt werden kann.
