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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein wasserstoffbasiertes Transportsystem mit einer Vielzahl von Fahrzeugen, brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeugen und einer Digitalinfrastruktur. Weitere Aspekte betreffen eine Digitalinfrastruktur sowie ein Verfahren zum Betrieb eines wasserstoffbasierten Transportsystems.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
DE 10 2014 213 050 A1 ist eine mobile Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei die Vorrichtung eine Ladeschnittstelleneinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, Hochvolt-Energie mittels einer Energieübertragung für das Kraftfahrzeug bereitzustellen, und eine Kommunikationsschnittstelleneinrichtung, welche mit der Ladeschnittstelleneinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, Daten mit dem Kraftfahrzeug auszutauschen. Ferner ist eine Kopplung von mehr als zwei Fahrzeugen zu einer Fahrzeugkolonne beschrieben, um einen Intercity-Großkolonnen-Verkehr zwischen zwei Ballungszentren zu realisieren. Durch die Kolonne werden Verluste wie ein Fahrwiderstand durch Nutzung des Windschattens reduziert. Die gekoppelten Fahrzeuge werden batterieelektrisch oder mittels Brennstoffzellen betrieben und können untereinander Energie austauschen, so dass beispielsweise ein nachfahrendes Fahrzeug elektrische Energie an ein voranfahrendes Fahrzeug überträgt, um dessen Mehrenergie in der Kolonne zu kompensieren. Die Ladeschnittstelleneinrichtung ist über induktive Kopplung realisiert. Die Fahrzeuge kommunizieren dabei mittels Car-to-Car-Kommunikation. Es werden batteriebetriebene oder brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Die in
DE 10 2014 213 050 A1 vorgestellte Technologie bildet damit eine Weiterentwicklung des bestehenden Verkehrskonzepts und setzt dabei auf eine Kopplung von Fahrzeugen zum Einsparen von Energie bei der Fahrt in der Kolonne.
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WO 2018/077571 A2 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie an ein Elektrofahrzeug zur Nutzung als Antriebsenergie während einer Fahrt des Fahrzeugs, wobei die Energie durch wenigstens ein weiteres Fahrzeug bereitgestellt wird. Die Fahrzeuge können sich zu einer Kolonne zusammenschließen, wobei ein „Stromlaster“, welcher eine große elektrische Energiemenge in einer Batterie gespeichert hat, eine Fahrzeugkolonne begleiten oder anführen kann und die zu der Kolonne zusammengeschlossenen Fahrzeuge mit elektrischer Energie versorgt, wobei elektrische Energie von dem Stromlaster auch über mehrere Fahrzeuge hinweg zu einem energieaufnehmenden Fahrzeug übertragen werden kann. Durch den Stromlaster kann elektrische Energie dezentral bereitgestellt werden, wodurch lange Aufenthalte an elektrischen Ladestationen entfallen können, mit dem Vorteil, dass die einzelnen Fahrzeuge nicht die gesamte Energiemenge für eine Fahrtstrecke mitführen müssen. In
WO 2018/077571 A2 ist weiterhin vorgesehen, dass sich die Fahrer und/oder Besitzer der Fahrzeuge sich über eine Onlineplattform oder über soziale Netzwerke organisieren, wobei sie bestimmte Fahrzeugdaten wie geplante Fahrten, dafür benötigte Energiemengen und/oder mitgeführte Energiemengen mit anderen Fahrern teilen und sich für Fahrten verabreden. Die Kopplung und Entkopplung zu der Kolonne erfolgen über eine Car-to-Car-Schnittstelle und während der Fahrt. Auch dieses Konzept setzt auf personengebundene Fahrzeuge, die um eine Kolonnenfahrtfunktionalität erweitert sind. Dadurch, dass die Fahrer der einzelnen Fahrzeuge untereinander Energie austauschen können, ergibt sich ein dynamisches System mit einem Markt zum Austausch überschüssiger beziehungsweise fehlender Energie, allerdings auf Basis des bestehenden Verkehrskonzepts.
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Aus
DE 10 2019 200 505 A1 ist ferner ein Kraftfahrzeugsystem mit zumindest zwei Kraftfahrzeugen bekannt, die dazu eingerichtet sind, durch eine jeweilige Steuereinrichtung mittels einer teilautonomen oder autonomen Fahrfunktion während eines elektrischen Energieaustauschs ein Anschlussmodul eines ersten Kraftfahrzeugs mit einem korrespondierenden Anschlussmodul eines anderen Kraftfahrzeugs in einer Koppelstellung während einer Kolonnenfahrt der Kraftfahrzeuge zusammenzuhalten. In der Kolonne wird ein Kraftfahrzeug als „Master“ und die übrigen Kraftfahrzeuge als „Slave“ betrieben, das heißt, die Slave-Kraftfahrzeuge erhalten Steuerbefehle vom Master-Kraftfahrzeug. In der Kolonnenfahrt besteht die Möglichkeit eines Hop-on und Hop-off für jedes Kraftfahrzeug, wobei ein Kraftfahrzeug auch als Energielieferfahrzeug dienen kann, beispielsweise ein Lastkraftwagen, der zusätzlich zu einem Energiespeicher für einen Eigenantrieb noch zusätzlich zumindest einen Energiespeicher zum Bereitstellen von Energie für zumindest ein anderes Kraftfahrzeug transportiert. Als Vorteile werden gesehen, die Batteriekapazitäten „smarter“ auslegen zu können und hierdurch Batterierohstoffe wie Kobalt und Lithium einzusparen, aber auch Energie mobil auszutauschen, beispielsweise über eine App-basierte Zahlplattform zwischen den Verkehrsteilnehmern. Im Verband können einzelne Fahrzeuge entsprechend wie ein Bus angesehen werden, wobei die Privatsphäre und der gewohnte Fahrzeuginnenraum dem Feeling einer herkömmlichen Busfahrt überlegen sind. Auch hier ergibt sich ein dynamisches System mit einem Markt zum Austausch überschüssiger beziehungsweise fehlender Energie, allerdings auf Basis des bestehenden Verkehrskonzepts.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein wasserstoffbasiertes Transportsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Transportsystems zu schaffen, welche einen Schritt hin zu einer echten Verkehrswende ermöglichen.
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Dabei soll ein Transportsystem umfassend eine Vielzahl von Fahrzeugen, Ladefahrzeugen und eine Digitalinfrastruktur geschaffen werden, welches die Art des Transports von Personen und Cargo nachhaltig in Richtung eines emissionsfreien Transports verändert.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein wasserstoffbasiertes Transportsystem, eine Digitalinfrastruktur, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines wasserstoffbasierten Transportsystems mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes wasserstoffbasiertes Transportsystem umfasst eine Vielzahl von Fahrzeugen, brennstoffzellenbetriebene Ladefahrzeuge und eine Digitalinfrastruktur. Die Fahrzeuge des Transportsystems weisen jeweils einen Elektroantrieb mit einer Fahrzeugbatterie auf, mittels welcher der Elektroantrieb betrieben werden kann.
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Die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge umfassen jeweils eine Kommunikationseinheit, eine mit der Kommunikationseinheit verbundene Fahrzeugsteuereinheit und ein mit der Fahrzeugsteuereinheit verbundenes Kopplungssystem.
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Die Digitalinfrastruktur umfasst eine Zentralsteuereinheit, welche über ein Netzwerk mit den Kommunikationseinheiten der Fahrzeuge verbunden ist, sowie eine Nutzerschnittstelle, um Nutzern zu ermöglichen, Fahrtanfragen von einem Startort zu einem Zielort an das Transportsystem zu stellen.
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Erfindungsgemäß sind die Fahrzeugsteuereinheiten der Fahrzeuge dazu eingerichtet, um Ladebedarfe der Fahrzeugbatterien zu erfassen und über die Kommunikationseinheiten der Zentralsteuereinheit zu übermitteln, und die Zentralsteuereinheit ist dazu eingerichtet, um Kopplungspläne und Ladepläne auf Basis der Ladebedarfe zu erstellen und über die die Kommunikationseinheiten an die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge zu übermitteln. Die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge sind jeweils mithilfe der Fahrzeugsteuereinheit und des Kopplungssystems dazu eingerichtet, um sich einem Kopplungsplan entsprechend während der Fahrt oder in einem Haltezustand an einen Fahrzeugstrang zu koppeln und sich von dem Fahrzeugstrang zu entkoppeln. Die Fahrzeugsteuereinheiten der Fahrzeuge verfügen jeweils über einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus, wobei im ersten Betriebsmodus das Fahrzeug in einem Fahrzeugstrang mitfährt, eine Antriebsenergie von dem brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeug bereitgestellt wird und die Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs einem Ladeplan entsprechend bedarfsweise geladen wird, und wobei im zweiten Betriebsmodus das Fahrzeug selbstständig außerhalb des Fahrzeugstrangs fährt und die Antriebsenergie von der Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird.
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Jeder Fahrzeugstrang, welcher auch als Fahrzeugkette oder Fahrzeugkolonne bezeichnet sein kann, umfasst dabei zumindest ein brennstoffzellenbetriebenes Ladefahrzeug und zumindest ein weiteres, bevorzugt noch weitere Fahrzeuge. In einem Fahrzeugstrang können sowohl ein oder mehrere Ladefahrzeuge vorhanden sein.
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Das wasserstoffbasierte Transportsystem verändert die Art, wie Personen von einem Startort zu einem Zielort gelangen und verändert Logistikketten. Es ist lokal emissionsfrei und erlaubt es daher, Klimaziele für eine grüne Zukunft leichter zu erreichen. Dadurch, dass das wasserstoffbasierte Transportsystem außerdem nicht schienenbasiert ist, wie beispielsweise die Bahn, ist eine Integration des Systems auf den bestehenden Straßen möglich.
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Ein weiterer Vorteil des Systems ist seine uneingeschränkte Betriebsbereitschaft, das heißt es besteht eine 24/7-Verfügbarkeit der Fahrzeuge für Personen- und Cargo-Transport.
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Das erfindungsgemäße Transportsystem benötigt weniger Platz auf Straßen und Autobahnen, da die Fahrzeuge im Fahrzeugstrang aneinandergekoppelt fahren. Der Zusammenschluss der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge zu Fahrzeugsträngen ermöglicht einen effizienteren Verkehr, womit auch weniger Unfälle zu erwarten sind.
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Während im aktuellen Verkehrskonzept eine Vielzahl von eigenständigen Fahrzeugen vorhanden sind mit typischerweise groß ausgelegter eigener Energiequelle und Speicherung der Energie im Fahrzeug in Form von Batterien oder Brennstoffzellensystemen, setzt das erfindungsgemäße wasserstoffbasierte Transportsystem bevorzugt auf kleine Batterien in den Fahrzeugen, sowie auf brennstoffzellenbetriebene Ladefahrzeuge, die genug Energie erzeugen, um eine Mehrzahl, beispielsweise bis zu zehn Fahrzeuge im Fahrzeugstrang mit Energie zu versorgen. Somit stellt das wasserstoffbasierte Transportsystem eine kostengünstige und höchst effiziente Alternative zum aktuellen Verkehrskonzept dar. Idealerweise wird die gesamte Energie für die Fortbewegung der Fahrzeuge zu 100 % von brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeugen bereitgestellt, die ihrerseits den Wasserstoff z.B. per Modulwechsel an Wasserstoffstationen aufnehmen.
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Während aktuell ein hohes Investment in eine Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge mit typischerweise großen Batterien benötigt wird, insbesondere aufgrund der notwendigen Bereitstellung von hoher Ladeleistung mittels Kraftwerken zum Laden der Elektrofahrzeuge an Ladesäulen, was ein adäquates Stromnetz und eine Vielzahl von Ladestationen voraussetzt, setzt das erfindungsgemäße wasserstoffbasierte Transportsystem auf ein Laden der Elektrofahrzeuge während der Fahrt oder im Haltezustand mittels der brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeuge, was demgegenüber eine hocheffiziente und kostengünstige Lösung darstellt. Da kein Stromnetz zum Betrieb der Elektrofahrzeuge benötigt wird, ist das erfindungsgemäße wasserstoffbasierte Transportsystem weniger abhängig von Netzstörungen und von der Ausfallsicherheit der Stromtrassen und -netze. Außerdem kann eine Überlastung der Stromversorgungssysteme vermieden werden.
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Während Elektrofahrzeuge im aktuellen Verkehrskonzept stets anhalten müssen, um über eine gewisse Zeit aufgeladen zu werden, entfallen beim erfindungsgemäßen Transportsystem sämtliche Anfahrtswege für die einzelnen Elektrofahrzeuge zu Ladestationen. Dies spart nicht nur Ausgaben für den Aufbau der Elektroladeinfrastruktur, sondern auch Zeit für jeden einzelnen Nutzer des Transportsystems und ermöglicht uneingeschränkte Bereitstellung der Mobilität.
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Während auch brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge im aktuellen Verkehrskonzept anhalten müssen, um mit Wasserstoff befüllt zu werden, entfallen beim erfindungsgemäßen Transportsystem sämtliche Anfahrtswege und Tankvorgänge für brenstoffzellenbetriebene Fahrzeuge zu Wasserstoffauffüllstationen. Insbesondere vorteilhaft entfällt auch der Wasserstofftankvorgang für den einzelnen Nutzer. Das Tanken von Wasserstoff ist aufgrund der Druckbedingungen von bis zu 350 oder 700 bar, die im Wasserstoffspeichersystem vorliegen, mit erheblichen Risiken verbunden, z.B. beim Herstellen der druckleitenden Verbindung zwischen dem Wasserstoffreservoir und dem Speichersystem des Fahrzeugs.
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Unter einem Elektroantrieb wird hier und im Folgenden ein Antrieb mit einem oder mehreren Elektromotoren verstanden. Die Fahrzeuge umfassen in diesem Zusammenhang weitere, der Person des Fachs bekannte Komponenten wie Überwachungseinheiten des Elektroantriebs, Ein- und Ausschaltkomponenten, Regelkreise für die Regelung der Elektromotoren, Leistungselektronik und dgl., auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht gesondert eingegangen werden muss.
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Die Fahrzeugbatterie zum Antrieb des Elektroantriebs kann alternativ wie fachüblich auch als Traktionsbatterie bezeichnet werden. Derartige Fahrzeugbatterien können z.B. Spannungen von 24 V, 36 V, 48 V oder mehr aufweisen und beispielsweise auch oberhalb von 400 V. Es kann vorgesehen sein, dass über eine geeignete Leistungselektronik auch ein Fahrzeugbordnetz mit Spannungen von 12 V (Niederspannungsbordnetz) oder 48 V (Hochspannungsbordnetz) von der Traktionsbatterie versorgt ist. Alternativ kann das Fahrzeug weitere Batterien umfassen, welche das Fahrzeugbordnetz mit Energie versorgen. Das Fahrzeug kann außerdem mit einem Pufferspeicher zur Rekuperation von Bremsenergie ausgestattet sein. Der Pufferspeicher kann mit der Traktionsbatterie oder dem Elektroantrieb verschaltet sein.
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Der Begriff „Batterie“ wird in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnen können. Beispielsweise sind einzelne Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Batteriemodulen oder Batteriepacks verschaltet. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise, aber nicht einschränkend für die Erfindung, Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 V.
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Die Fahrzeuge ermitteln ihren Ladebedarf und übermitteln diesen an die Zentralsteuereinheit. Unter dem Begriff „Ladebedarf“ kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Information über eine Energiemenge oder eine Menge an elektrischer Ladung [Ah] verstanden werden, welche einem Fahrzeug zugeführt werden soll, damit die Batterie aufgeladen ist, was im Folgenden auch als „benötigte Menge“ an elektrischer Ladung bezeichnet wird. Der Ladebedarf kann zusätzlich oder alternativ hierzu auch weitere Informationen umfassen, beispielsweise eine maximale oder bevorzugte Ladeleistung und eine Ladedauer, aus welchen die Menge an elektrischer Ladung ableitbar ist, oder Informationen, welche hieraus direkt oder indirekt ableitbar sind. Unter einer Ladeleistung [kW] wird die Energie pro Zeitspanne verstanden, mit welcher geladen wird.
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Der Ladebedarf kann sich auch an der zu fahrenden Strecke, da bekannt, orientieren, so dass mindestens die Energie bereitgestellt wird, dass dem Fahrzeug die für die gesamte Strecke notwendige Energie während des Mitfahrens im Fahrzeugstrang übertragen wird.
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Es ist aufgrund der zentralen Steuerung bei dem erfindungsgemäßen Verkehrskonzept im Voraus der Zentralsteuereinheit bereits bekannt bzw. von der Zentralsteuereinheit anhand der Daten, insbesondere Fahrtanfragen ermittelbar, wie lange das Fahrzeug jeweils in einem Fahrzeugstrang mitfährt und vom Ladefahrzeug geladen werden kann. Anhand dieser Informationen kann der Ladeplan von der Zentralsteuereinheit mit Blick auf die Batterielebensdauer optimiert bereitgestellt werden. Bei einer nur kurzfristigen Fahrt mit großem Energiebedarf sollte beispielsweise eher mit der maximalen Ladeleistung geladen werden, bei längerem Mitfahren im Fahrzeugstrang kann aber auch mit geringerer als maximaler Ladeleistung geladen werden.
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Für den Fall, dass die Fahrzeugsteuerung eine bevorzugte Ladeleistung angeben kann, welche z.B. den Lebenszyklus der Fahrzeugbatterie optimiert, kann z.B. bei der bevorzugten Ladeleistung geladen werden. Vorteilhaft hängt diese Entscheidung hier nicht vom Nutzer des Systems ab, sondern kann vollautomatisiert und auf Basis der bekannten Rahmenbedingungen getroffen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ladebedarf daher die Angabe der Menge an elektrischer Energie oder Ladung, welche einem Fahrzeug zugeführt werden soll, d.h. die benötigte Menge an elektrischer Ladung, sowie eine Angabe einer maximalen Ladeleistung. Dabei ist vorgesehen, dass der Ladeplan ein Laden bei einer geringeren als der maximalen Ladeleistung vorsieht, wenn eine Fahrtzeit im Fahrzeugstrang ausreicht, um die Batterie um die benötigte Menge an elektrischer Ladung zu laden. Unter geringer als maximal kann z.B. ein fester prozentualer Anteil der maximalen Ladeleistung verstanden sein, z.B. um 50% geringer als maximal oder um 20% geringer als maximal. Unter geringer als maximal kann aber auch verstanden sein, dass die Ladezeit, da bekannt, vollständig ausgenutzt wird, um das Fahrzeug bei einer minimalen Leistung um die benötigte Menge an elektrischer Ladung aufzuladen.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Ladebedarf die Angabe der Menge an elektrischer Ladung, welche einem Fahrzeug zugeführt werden soll, und die Angabe der maximalen und einer bevorzugten Ladeleistung. Dabei ist vorgesehen, dass der Ladeplan ein Laden bei bevorzugter Ladeleistung vorsieht, wenn eine Fahrtzeit im Fahrzeugstrang ausreicht, um die Batterie mit der benötigten Menge an elektrischer Ladung zu laden.
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Die maximale und die bevorzugte Ladeleistung können abhängig vom SOH sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird außerdem wie üblich unter einem Entladungsgrad (engl. state of health, SOH) ein Kennwert der Fahrzeugbatterie verstanden, der als Prozentangabe einen Anteil angibt, wie viel einer Nennkapazität der Fahrzeugbatterie aktuell genutzt werden kann, beispielsweise als Verhältnis einer im Betrieb maximal entnehmbare Menge an elektrischer Ladung zur Nennkapazität. Der Entladungsgrad kann auch als Alterungszustand der Batterie bezeichnet sein.
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Zur Ermittlung des Ladebedarfs ist das jeweilige Fahrzeug mit entsprechenden der Person des Fachs bekannten Systemen ausgestattet. Beispielsweise, aber nicht einschränkend für die Erfindung, erfassen Sensoren kumulativ die entnommene und eingetragene elektrische Ladung der Fahrzeugbatterie und ein computergestütztes Rechenmodul errechnet hieraus die benötigte Menge an elektrischer Ladung. Typischerweise umfasst die Fahrzeugsteuereinheit derartige computergestützte Rechenmodule, welche anhand der Sensordaten die aktuellen Ladezustände, Entladungsgrade und/oder davon ableitbare Größen der Fahrzeugbatterien errechnen, sowie wie zuvor beschrieben den Ladebedarf.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird wie üblich unter einem Ladezustand (engl. state of charge, SOC) ein Kennwert der Fahrzeugbatterie verstanden, der in Prozentangabe einen Ladelevel der Fahrzeugbatterie relativ zu ihrer aktuellen Kapazität angibt. In vollgeladenem Zustand ist der state of charge gleich 100%, SOC = 100%, im entladenen Zustand ist der state of charge gleich Null Prozent, SOC = 0%.
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Der Ladebedarf, und zwar sowohl die benötigte Menge an elektrischer Ladung als auch die maximale und die bevorzugte Ladeleistung können abhängig vom SOC sein. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Fahrt im Fahrzeugstrang die Batterie stets auf ein Ziel-SOC-Niveau, z.B. 80%, befüllt wird. Dadurch ist sie wieder für den nächsten Abschnitt außerhalb des Fahrzeugstrangs einsatzfähig. Die Kopplungspläne können vorsehen, dass die Fahrzeuge außerhalb des Fahrzeugstrangs bevorzugt nur so lange fahren, bis der SOC auf einen Schwellenwert, beispielsweise auf 20% gesunken ist, wobei sie sich bevorzugt bereits bei 40%, oder schon bei 60% wieder einem Fahrzeugstrang anschließen. Bei Unterschreitung des Schwellenwerts kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug eine Warnmeldung an die Zentralsteuerung abgibt, um zu signalisieren, dass ein Anschluss an einen Fahrzeugstrang erfolgen soll. Das Ziel ist, den SOC in einem „gesunden“ Bereich zu halten und so die Lebensdauer der Batterien zu erhöhen.
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Die Zentralsteuereinheit erstellt für jedes Fahrzeug einen Ladeplan auf Basis des jeweiligen Ladebedarfs und übermittelt dem Fahrzeug den Ladeplan. Unter einem Ladeplan wird die Angabe einer regelbaren Ladegröße und eine Regeldauer verstanden, z. B. die Angabe der Ladeleistung und eine Ladedauer bzw. ein Ladestartzeitpunkt und ein Ladestoppzeitpunkt. Der Ladeplan kann wie beschrieben mit Blick auf die Batterielebensdauer optimiert bereitgestellt werden. Der Ladeplan mit definierter Ladeleistung kann insbesondere vollautomatisiert auf Basis bekannter Rahmenbedingungen getroffen werden.
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Die Zentralsteuereinheit erstellt außerdem für jedes Fahrzeug einen Kopplungsplan auf Basis des jeweiligen Ladebedarfs und übermittelt dem Fahrzeug den Kopplungsplan. Der Kopplungsplan hängt auch vom Startort und Zielort ab, der sich aus Fahrtanfragen der Nutzer ergibt. Unter einem Kopplungsplan wird beispielsweise die Angabe eines oder mehrerer Fahrzeugstränge, sowie Angaben zum Zeitpunkt und Ort einer Kopplung und Entkopplung an den jeweiligen Fahrzeugstrang verstanden, oder hiervon ableitbare Informationen, die dazu geeignet sind, dass sich die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge während der Fahrt oder in einem Haltezustand an einen Fahrzeugstrang zu koppeln und sich von dem Fahrzeugstrang entkoppeln.
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Die Fahrzeuge weisen Anschlüsse und erste elektrische Leitungen zur Aufnahme und Durchleitung von elektrischer Energie des Ladefahrzeugs, zweite elektrische Leitungen zum Betrieb des Elektroantriebs mit elektrischer Energie des Ladefahrzeugs und dritte elektrische Leitungen zur Ladung der jeweiligen Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie des Ladefahrzeugs auf.
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Im ersten Betriebsmodus wird eine Antriebsenergie für eine Fahrt des Fahrzeugs im Fahrzeugstrang von dem brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeug bereitgestellt, bevorzugt ohne Beaufschlagung der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs. Vorteilhaft kann in den Fahrzeugen hierzu eine Leistungselektronik vorgesehen sein, welche vorsieht, dass die jeweilige Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs bei der Fahrt im Fahrzeugstrang vom Ladefahrzeug geladen, aber nicht entladen werden kann. Somit kann bei der Fahrt im Fahrzeugstrang die jeweilige Fahrzeugbatterie umgangen und geschont werden. Durch die Energieversorgung vom Ladefahrzeug können auch große Strecken ohne Unterbrechung zurückgelegt werden. Somit ist ein regionaler wie auch ein überregionaler Transport von Passagieren oder Cargo möglich.
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Im ersten Betriebsmodus erfolgt insbesondere auch eine Aufladung der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs. Vorteilhaft kann hierzu vorgesehen sein, dass die dritten elektrischen Leitungen der Fahrzeuge zur Ladung der jeweiligen Fahrzeugbatterie mittels einer Leistungselektronik unidirektional Strom leitend ausgebildet sind. Zu diesem Zweck können die Leitungen beispielsweise mit IGBTs ausgestattet sein, welche in Vorwärtsrichtung große Ströme beispielsweise bis zu 100 A schalten können, aber in Rückwärtsrichtung hohe Sperrspannungen beispielsweise bis zu 5000 V aufweisen.
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Der Person des Fachs sind alternative Möglichkeiten der Realisierung der Leistungselektronik bekannt, beispielsweise Schaltungen, die aufgebaut sind aus Leistungs-MOSFETs, MOSFETs, Thyristoren, GTO-Thyristoren oder dergleichen. Wenn die elektrischen Leitungen zur Ladung der jeweiligen Fahrzeugbatterie unidirektional ausgebildet sind, ist die Bereitstellung von Energie einer Fahrzeugbatterie eines ersten Fahrzeugs an weitere Fahrzeuge oder an das Ladefahrzeug ausgeschlossen. Somit kann ausschließlich das Ladefahrzeug in einem Fahrzeugstrang die Batterien der einzelnen Fahrzeuge laden. Dies hat den Vorteil, dass ausschließlich der Wasserstoff aus den Ladefahrzeugen die Energie für die Verkehrsstruktur bereitstellt.
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Ein Fahrzeugstrang kann von zwei bis zwanzig, bevorzugt bis zu zehn Fahrzeuge umfassen. Die Fahrzeuge können jeweils verschiedene Größen aufweisen. Die Batteriekapazitäten der Fahrzeuge können, abhängig von der Fahrzeuggröße, beispielsweise von 5 kWh bis 200 kWh liegen, bevorzugt von 10 kWh bis 100 kWh, weiter bevorzugt bis 50 kWh. Die Fahrzeugbatterien und die Batteriemanagementsysteme können ausgestattet sein, um Bremsenergie zu rekuperieren, wie im Stand der Technik bekannt.
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Es können Fahrzeuge vorgesehen sein, die mit Batteriekapazitäten nur für die sogenannte „letzte Meile“ ausgestattet sind. Die Fahrzeuge können zwar selbstständig z. B. die letzte Meile fahren, größere Distanzen legen sie aber im Fahrzeugstrang gemeinsam mit dem Ladefahrzeug zurück. Die Batteriekapazitäten derartiger Fahrzeuge können beispielsweise von 10 kWh bis 30 kWh liegen, beispielsweise 12 kWh und 24 kWh. Wenn sich ein Fahrzeug von dem Fahrzeugstrang entkoppelt, fährt das Fahrzeug mit der Antriebsenergie der eigenen Fahrzeugbatterie auf den letzten Kilometern, erreicht das Ziel, und ist noch für eine Rückfahrt zu demselben oder zu einem anderen Fahrzeugstrang in der Lage.
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Die Maximalgeschwindigkeit der Fahrzeuge kann begrenzt sein, so dass die kleinen Batterien durch zu schnelles Fahren nicht über Gebühr beansprucht werden und außerdem die erreichbare Fahrleistung der Fahrzeuge besser berechenbar ist.
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Die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge können mit Werbeflächen ausgestattet sein. Beispielsweise können die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge LCD-Bildschirme mit laufender Werbung aufweisen, und zwar außenseitig insbesondere beim urbanen Cargo-Transport oder im Innenraum insbesondere beim Personentransport.
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Die Fahrzeuge können als Personentransportfahrzeuge oder als Cargo-Transportfahrzeuge ausgebildet sein. Die Fahrzeuge können beispielsweise vier- oder sechsrädrig beziehungsweise zwei- oder dreiachsig ausgestattet sein, je nach Zweckmäßigkeit. Auch die Integration von Fahrzeugen gängiger Fahrzeughersteller (OEMs) kann über das erfindungsgemäße Kopplungssystem erfolgen. Insbesondere können auch Busse oder Caravans integriert werden. Hierzu verwendet das jeweilige Fahrzeug die hierin beschriebene Software für die Fahrzeugsteuereinheit und das Kopplungssystem.
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Als Personentransportfahrzeuge können beispielsweise verschiedene Klassen wie Economy, Luxury oder Schlaffahrzeuge für längere Distanzen vorgesehen sein. Grö-ßere Fahrzeuge können beispielsweise eine Batteriekapazität von 30 kWh bis 50 kWh aufweisen, beispielsweise 36 kWh. Gemeinsam mit einem oder mehreren Ladefahrzeugen können die Passagiere insbesondere auch über längere Distanzen transportiert werden.
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Die Fahrzeuge können ausgelegt sein, um von Fahrern gesteuert und betrieben zu werden. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass zumindest einige Fahrzeuge, bevorzugt alle Fahrzeuge, und/oder zumindest einige Ladefahrzeuge, bevorzugt alle Ladefahrzeuge, ausgestattet sind, um autonom zu fahren. Die Personentransportfahrzeuge können daher mit oder ohne Fahrersitz und auch mit Schlafkabinen beispielsweise für Übernachtfahrten ausgestattet sein.
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Die Änderung der Verkehrsinfrastruktur betrifft auch den Cargo-Transport, insbesondere Produkt-, Paket- und Postlieferketten. Die erfindungsgemäße wasserstoffbasierte Verkehrsinfrastruktur ermöglicht einen klimafreundlichen und emissionsfreien Cargo-Transport. Die Cargo-Transportfahrzeugbatterien können klein ausgelegt sein, so dass diese beispielsweise lediglich in der Lage sind, die „letzte Meile“ zu überwinden. Die Cargo-Transportfahrzeuge können mit einer Geschwindigkeitsbegrenzung versehen sein. Durch das optimierte Transportsystem im Fahrzeugstrang legt ein Cargo-Transportfahrzeug größere Distanzen gemeinsam mit dem Ladefahrzeug zurück.
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Das Cargo kann somit emissionsfrei in und aus einer Stadt, aber auch innerhalb der Stadt und auf Autobahnen transportiert werden. Die Cargo-Transportfahrzeuge können Cargo zwischen Distributionszentren oder auch vom Distributionszentrum zum Endabnehmer transportieren. Der Transport von Cargo kann von einer Zentralsteuereinheit unter Verwendung von Postleitzahlen organisiert sein, insbesondere zur Überbrückung von längeren Strecken. Cargo-Transportfahrzeuge werden bevorzugt fahrerlos betrieben und fahren bevorzugt autonom. Beispielsweise wird Cargo von einem zentralen Cargo-Vertriebszentrum in lokale Vertriebszentren transportiert und von dort aus weiter zum Bestimmungsort, beispielsweise ein Warenhaus, wo Personal oder Roboter das Cargo entnehmen können. Das Cargo kann dabei auf bekannte Weise mit Trackingsystemen versehen sein, wie beispielsweise RFID-Tags, Barcodes, GPS-Tracker oder dergleichen, um die Lieferketten transparent zu halten und die Handhabung des Cargos am Bestimmungsort zu vereinfachen.
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In den Cargo-Transportfahrzeugen können Pakete, Postsendungen und dergleichen oder auch Container oder dergleichen transportiert werden. Entsprechend eignet sich das Transportsystem für den Transport kleinerer Container, Großladungsträger, Paletten in Standardgrößen, insbesondere Europaletten und dergleichen. Cargo-Transportfahrzeuge können insbesondere auch als Kühlfahrzeuge ausgestaltet sein. Das Cargo kann insbesondere auch Nahrungsmittel umfassen, die von lokalen Vertriebszentren in den Innenbereich von Städten transportiert werden.
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Die Fahrzeuge werden vom Ladefahrzeug mit Energie versorgt. In einem Fahrzeugstrang des Transportsystems sind stets ein oder mehrere Ladefahrzeuge vorhanden. Die Ladefahrzeuge sind mit Brennstoffzellensystemen, Wasserstofftanks und Batterien ausgestattet sowie mit einem Traktionsstrang zum Eigenantrieb und der notwendigen Leistungselektronik zum Bereitstellen der Antriebsenergie für die weiteren Fahrzeuge im Fahrzeugstrang. Es wird bevorzugt die gesamte Energie von Brennstoffzellensystemen der Ladefahrzeuge bereitgestellt.
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Ladefahrzeuge sind insbesondere in der Lage, andere Elektrofahrzeuge zu laden. Sie können sowohl während der Fahrt als auch im stationären Zustand elektrische Energie bereitstellen. Ladefahrzeuge können zweckmäßig aber auch als ortsveränderliche stationäre Stromversorgungseinheiten eingesetzt werden (z.B. bei Ausfällen des Stromnetzes).
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Jedes Ladefahrzeug ist mit Sensoren ausgestattet, um insbesondere den Tankfüllungszustand des Wasserstofftanks zu überwachen. Wird festgestellt, dass die Tankfüllung zur Neige geht, kann das Ladefahrzeug den Fahrzeugstrang verlassen, um Wasserstoff aufzunehmen. Zu diesem Zweck ist jedes Ladefahrzeug kommunikativ mit einer Zentralsteuereinheit gekoppelt. Die Zentralsteuereinheit überwacht die Ladezustände der Ladefahrzeuge und sorgt dafür, dass ein Ladefahrzeug, dessen Wasserstofftank gefüllt werden muss, gegebenenfalls durch ein anderes Ladefahrzeug ersetzt wird, indem dieses autonom zum Fahrzeugstrang hinfährt und sich daran ankoppelt. Die Ladefahrzeuge fahren bevorzugt autonom und „tanken“ an zentralen Wasserstoffstationen, welche sich bevorzugt außerhalb von Innenstädten befinden.
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Das Ladefahrzeug kann außerdem mit einem Pufferspeicher zur Rekuperation von Bremsenergie ausgestattet sein. Einzelheiten hierzu sind der Person des Fachs bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden braucht.
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Während die Zentralsteuereinheit grundsätzlich die Koordination der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge sowie Fahrzeugstränge übernimmt, erfolgt die Kopplung und Entkopplung über das Kopplungssystem bevorzugt lokal. Hierzu ist in vorteilhaften Ausführungsformen vorgesehen, dass die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge über ein Car-to-X-Kommunikationsnetz und/oder ein Car-to-Car-Kommunikationsnetz miteinander kommunizieren können. Die Kopplung der Fahrzeuge oder Ladefahrzeuge an den Fahrzeugstrang und die Entkopplung erfolgen dabei zumindest teilweise über einen Datenaustausch des Fahrzeugs oder Ladefahrzeugs mit den anderen Fahrzeugen oder Ladefahrzeugen des Fahrzeugstrangs.
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Bevorzugt erfolgt die Kopplung der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge an den Fahrzeugstrang vollkommen autonom. Die Software ist ausgebildet, um die Sensordaten selbstständig zu erfassen und zu interpretieren. Die Fahrzeugsteuereinheiten führen den Kopplungsvorgang idealerweise selbständig ohne Einwirkung des Fahrers oder anderer Insassen durch. Derartige Software ist beispielsweise als Modul in der Fahrzeugsteuereinheit implementiert. Die Kopplung kann während der Fahrt oder im Haltezustand erfolgen, wobei letzteres einen Fall meint, bei dem der Fahrzeugstrang nicht in Bewegung ist.
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Das Kopplungssystem umfasst mechanische und/oder induktive Kopplungsmittel, um das Fahrzeug oder Ladefahrzeug im Verbund mit einem anderen Fahrzeug oder Ladefahrzeug zu halten. Das Kopplungssystem umfasst darüber hinaus bevorzugt eine Stromverbindung zwischen den Fahrzeugen sowie eine Datenaustauschverbindung.
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Die Kopplung erlaubt einen Empfang und eine Abgabe von elektrischer Energie, sowie eine Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und Ladefahrzeugen.
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Die Kopplung kann eine mechanische Kraftübertragung umfassen, wobei hierunter ein Schieben oder Ziehen verstanden wird, wie beispielsweise in einem Anhängersystem oder bei einem Zug mit einer Zugmaschine. Bevorzugt ist die Kopplung ohne mechanische Kraftübertragung realisiert. Dabei fahren die zum Strang gekoppelten Fahrzeuge selbst. Die nötige Energie wird hierfür vom Ladefahrzeug bereitgestellt, ggf. mit Unterstützung von der Traktionsbatterie des jeweiligen Fahrzeugs.
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Die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge sind bevorzugt mit Fahrzeugsensoren zur Erfassung von Fahrzeugdaten verbunden. Die im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendbaren Sensoren umfassen insbesondere bekannte Parksensoren, wie beispielsweise Ultraschallsensoren, Radarsensoren, Lidarsensoren oder dergleichen, sowie Kameras, die mit Bilderkennungssoftwaresystemen gekoppelt sind. Weiterhin werden im Rahmen der vorliegenden Offenbarung unter Fahrzeugsensoren auch GPS-Empfänger und dergleichen verstanden.
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Die Zentralsteuerung der Digitalinfrastruktur ist über ein Netzwerk, bevorzugt über ein 5G-Netzwerk, mit den Kommunikationseinheiten der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge verbunden ist. Die Zentralsteuereinheit ist eingerichtet, um die Fahrzeugdaten der Fahrzeugsensoren zu erfassen. Die von der jeweiligen Fahrzeugsteuereinheit der Fahrzeuge erfassten und an die Zentralsteuereinheit übermittelten Fahrzeugdaten umfassen die Ladebedarfe, sowie Ortskoordinaten der Fahrzeuge. Die Fahrzeugdaten der Ladefahrzeuge umfassen zumindest auch die Füllstände der Wasserstofftanks. Die Informationen werden von der Zentralsteuereinheit ausgewertet und interpretiert, um z. B. Zeitpunkte für das Koppeln und Entkoppeln von Fahrzeugen und Ladefahrzeugen an den Fahrzeugstrang festzulegen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst eine wasserstoffbasierte Verkehrsinfrastruktur das beschriebene Transportsystem und eine Vielzahl von Wasserstoffstationen, die sich insbesondere außerhalb von Stadtzentren befinden können. Die Wasserstoffstationen können insbesondere per Pipelines vernetzt sein. Hierdurch wird ein zentrales Auffüllen der Ladefahrzeuge mit Wasserstoff an den Wasserstoffstationen kostengünstig und hocheffizient in großen Mengen ermöglicht. Das Befüllen der Ladefahrzeuge mit Wasserstoff ist zentralisiert und daher leicht hochskalierbar. Der Wasserstoff zum Betrieb der Ladefahrzeuge kann in großen Mengen und zu attraktiven Preisen erhalten werden. Außerdem wird so die Erzeugung der Energie vom Zeitpunkt der Nutzung in der Mobilität getrennt, wodurch das System insbesondere für die Nutzung erneuerbarer Energien vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Anzahl der Wasserstoffstationen ist im Vergleich zu dem heutigen Tankstellennetz sehr gering.
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Die im Ladefahrzeug vorhandenen Wasserstofftanks befinden sich beispielsweise und bevorzugt in Wechselmodulen. Bevorzugt sind die Wasserstofftanks wahlweise mit gasförmigem Wasserstoff, flüssigem Wasserstoff, Methanol oder noch anderen Energieträgern befüllt. Gasförmiger Wasserstoff kann beispielsweise mit Drücken von 50 bis 1000 bar, bevorzugt von 350 bis 700 bar bereitgestellt sein, je nach Auslegung des Wechselmoduls. Die Wasserstofftanks versorgen das Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff mit einem vorgegebenen Druck, vorzugsweise kleiner 20 bar, insbesondere kleiner 10 bar. Dies ermöglicht einen schnellen Modultausch mit verschiedenen Energieträgern, je nach Bereitstellung an den Wasserstoffstationen. Im Vergleich zum Tauschen von Batterien ist ein Modultausch vorteilhaft, da Niedrigdruckanschlüsse im Vergleich zu Steckern im Hochvoltbereich einfach handhabbar und sicher sind.
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An den Wasserstoffstationen und/oder auf zentralen, bevorzugt außerhalb von Innenstädten befindlichen Parkplätzen können Fahrzeuge und Ladefahrzeuge des Transportsystems abrufbereit geparkt sein. Auch Werkstätten zur Instandhaltung und Pflege können dort ansässig sein. Vorteilhaft wird hierdurch weniger Parkraum in Innenstädten von Fahrzeugen eingenommen, so dass mehr grüne Zonen ausgewiesen werden können. Dies führt zu autofreieren Innenstädten und zu weniger Unfällen. Der Fahrzeugbestand eines Landes kann sich drastisch reduzieren. Das führt insbesondere auch zu einer Einsparung von Ressourcen durch den deutlich verringerten Bau von Fahrzeugen sowie zu menschenfreundlicheren Innenstädten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Digitalinfrastruktur zur Verwendung in einem der beschriebenen Transportsysteme. Die Digitalinfrastruktur umfasst eine Zentralsteuereinheit, in Fahrzeugen und Ladefahrzeugen einsetzbare Fahrzeugsteuereinheiten und Kommunikationseinheiten, sowie eine Nutzerschnittstelle.
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Die Zentralsteuereinheit kann einen Zentralrechner, aber auch Rechnercluster oder verteilte Rechner umfassen, wobei der Person des Fachs die Details einer Vielzahl möglicher Ausgestaltungen bekannt sind, sodass hier nicht darauf eingegangen werden muss. Der Begriff „Zentralsteuereinheit“ soll jedenfalls keine räumliche Nähe der Rechenprozessoren suggerieren, die die Berechnungen oder Verfahren durchführen.
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Die Zentralsteuereinheit kann mit den Kommunikationseinheiten Verbindungen eingehen und die Kommunikationseinheiten können mit den Fahrzeugsteuereinheiten Verbindungen eingehen.
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Die Zentralsteuereinheit ist dabei bevorzugt über ein 5G-Netzwerk oder zukünftige Netzwerke wie etwa Weiterentwicklungen davon mit den Kommunikationseinheiten der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge verbunden. Dabei erfasst die Zentralsteuereinheit ggf. Fahrzeugdaten von Fahrzeugsensoren der Fahrzeuge und Ladefahrzeuge, zumindest aber die o.g. Informationen über den Zustand der Fahrzeugbatterien der Fahrzeuge, insbesondere über deren Ladebedarfe, welche die Fahrzeugsteuereinheiten bereitstellen.
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Die Nutzerschnittstelle ermöglicht es Nutzern, Fahrtanfragen von einem Startort zu einem Zielort an das Transportsystem zu stellen.
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Die Zentralsteuereinheit ist eingerichtet, um anhand der Fahrtanfragen und auf Basis der Ladebedarfe Kopplungspläne und Ladepläne zu ermitteln und diese an die Fahrzeuge zu übermitteln.
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Die Zentralsteuereinheit ist außerdem bevorzugt dazu eingerichtet, um Routenpläne anhand der Fahrtanfragen zu erstellen und an die Kommunikationseinheiten der Fahrzeuge und der Ladefahrzeuge zu übermitteln. Die Routenpläne sind konsolidiert mit den Kopplungsplänen und bezeichnen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine gesamte Streckenplanung eines Fahrzeugs vom Startort zum Zielort, ggf. und typischerweise mit den entsprechenden Fahrtabschnitten in Fahrzeugsträngen. Durch die Kommunikationssoftware zwischen dem Fahrzeug und der Zentralsteuereinheit können die Fahrzeuge also zentral koordiniert werden, um Transportreihenfolgen, Fahrrouten, Energiemanagement und dergleichen zu organisieren. Dabei stellt die Zentralsteuereinheit den Fahrzeugsteuereinheiten Routenpläne bereit, um diese von einem Startort des Fahrzeugs oder Ladefahrzeugs zu einem Fahrzeugstrang, von einem Fahrzeugstrang zu einem weiteren Fahrzeugstrang oder von einem Fahrzeugstrang zu einem Zielort zu führen. Die Zentralsteuereinheit ist dabei vorzugsweise an Verkehrsflussmesssysteme angeschlossen, um die Routenpläne zu optimieren.
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Im Rahmen der Erfindung sind die Fahrzeugsteuereinheiten dazu eingerichtet, Kopplungssystemen der Fahrzeuge oder Ladefahrzeuge Steuerungsbefehle zu geben, um sich während der Fahrt oder in einem Haltezustand an einen Fahrzeugstrang zu koppeln und sich von dem Fahrzeugstrang zu entkoppeln. Die Digitalinfrastruktur umfasst also insbesondere auch Onboard-Software, die sowohl eingebettet als auch nicht eingebettet sein kann. Darüber hinaus kann die Digitalinfrastruktur künstliche Intelligenz-Module umfassen, insbesondere zum Durchführen von autonomem Fahren sowie zur Fahrzeugsteuerung, Fahrerassistenz und zum Energiemanagement.
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Die Nutzeranfragen können sowohl Personentransportanfragen als auch Cargo-Transportanfragen sein. Die Nutzerschnittstelle kann beispielsweise als App oder Onlineplattform implementiert oder in bestehende Logistikschnittstellen eingebunden sein. Personen oder Logistikfirmen können über die Nutzerschnittstelle Transportkapazitäten bestellen. Beispielsweise können über die Nutzerschnittstelle Informationen über eine zu transportierende Personenzahl, einen Startort und einen Zielort sowie über eine bevorzugte Abfahrtszeit eingegeben werden. Das Transportsystem stellt daraufhin ein Personentransportfahrzeug der korrekten Größe für den Transport bereit, indem sich ein passendes Fahrzeug von einem Parkplatz losfährt oder aus einem Fahrzeugstrang löst. Vorteilhaft brauchen die Nutzer sich nicht über Verkehr und Energiezustand des Fahrzeugs, das heißt um ein Aufladen oder Auftanken oder Parken sowie Unterhalt des Fahrzeugs, kümmern. Die Fahrt kann beispielsweise über die Kilometerzahl abgerechnet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines der beschriebenen wasserstoffbetriebenen Transportsysteme.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Fahrzeuge und Ladefahrzeuge sich während der Fahrt oder in einem Haltezustand an einen Fahrzeugstrang koppeln und sich von dem Fahrzeugstrang entkoppeln, wobei der Fahrzeugstrang zumindest ein brennstoffzellenbetriebenes Ladefahrzeug und gegebenenfalls weitere Fahrzeuge umfasst. Die Energie für die Fahrt wird idealerweise ausschließlich von den Ladefahrzeugen bereitgestellt.
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Die Merkmale, welche mit Blick auf das Transportsystem beschrieben wurden, sind auch auf in Bezug auf die Digitalinfrastruktur und das Verfahren zum Betrieb des Transportsystems als offenbart zu verstehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug zu den Figuren näher erläutert. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung lediglich schematisch dar und sind nicht als einschränkend aufzufassen. Eine Vielzahl von Abwandlungen sind im Rahmen gewöhnlichen Fachwissens möglich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Verkehrsinfrastruktur nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugstrangs;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Ladefahrzeugs beim Modulwechsel;
- 4 eine schematische Darstellung eines Transportsystems nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung eines Teils des in 2 dargestellten Fahrzeugstrangs;
- 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Ladefahrzeugs; und
- 7 eine schematische Darstellung einer Infrastruktur eines Wasserstoffstationsnetzes.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In 1 ist eine wasserstoffbasierte Verkehrsinfrastruktur 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die wasserstoffbasierte Verkehrsinfrastruktur 1 umfasst ein Transportsystem 10 mit einer Vielzahl von Fahrzeugen 20 und brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeugen 30, sowie Wasserstoffstationen 88. Das Transportsystem 10 wird insbesondere mit Bezug zu 2, 4 und 5 näher erläutert.
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Die Verkehrsinfrastruktur 1 ist wasserstoffbasiert, wobei der Wasserstoff bevorzugt aus erneuerbaren Energiequellen 2 stammt. Der Strom aus den erneuerbaren Energiequellen 2 wird zu einem Teil in ein Stromnetz 3 eingespeist und zu einem anderen Teil in Elektrolysestationen 4 in Wasserstoff umgewandelt. Ein Vorteil der wasserstoffbasierten Verkehrsinfrastruktur 1 ist die örtliche und zeitliche Trennung von Erzeugung und Verbrauch der Energie. Der Wasserstoff kann fernab erzeugt werden, beispielsweise auf einem anderen Kontinent, und zu einem Wasserstoffzentralspeicher 86, z.B. Kavernenspeicher transportiert werden. Der Wasserstoff kann auch beispielsweise im Sommer mittels PV-Anlagen erzeugt werden und bis zum Verbrauch im Winter im Wasserstoffzentralspeicher 86 gespeichert sein.
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Vom Wasserstoffzentralspeicher 86 wird der Wasserstoff nach Bedarf zu Wasserstoffstationen 88 transportiert. Vergleiche hierzu auch weitere Ausführungen zu 7. Dort oder bereits zuvor am Wasserstoffzentralspeicher 86 wird der Wasserstoff in Wasserstofftanks gefüllt. Eine Anzahl von Wasserstofftanks werden in ein gemeinsames Gehäuse eingesetzt und an ein gemeinsames Anschlusssystem angeschlossen, was als Wechselmodul 35 bezeichnet wird. Die Wechselmodule 35 sind bevorzugt zu Standardmaßen (z.B. Containermaßen) von Schiffen kompatibel und somit selbstständig transportierbar, beispielsweise von einem Wasserstoffzentralspeicher 86 zu einer Wasserstoffstation 88 oder von einer Wasserstoffstation 88 zu einer anderen Wasserstoffstation 88.
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Die Wechselmodule 35 können in den Wasserstoffstationen 88 gelagert und für den Einsatz in den Ladefahrzeugen 30 bereitgehalten werden.
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Die Energie für den Betrieb des Transportsystems 10 kann insbesondere aus dem Wasserstoff in den Wechselmodulen 35 stammen. Zumindest einige Ladefahrzeuge 30 des Transportsystems 10 weisen daher Wechselmodule 35 auf. Geht der Wasserstoff im Wechselmodul 35 eines Ladefahrzeugs 30 zur Neige, dann koppelt sich das Ladefahrzeug 30 von einem weiter unten im Detail beschriebenen Fahrzeugstrang 12 des Transportsystems 10 ab, fährt bevorzugt autonom zu einer Wasserstoffstation 88 und wechselt wie in 3 dargestellt das leere Wechselmodul 35 durch ein volles Wechselmodul 35 aus. Danach fährt das Ladefahrzeug 30 bevorzugt wiederum autonom zurück zu demselben oder typischerweise einem anderen Fahrzeugstrang 12 und koppelt sich daran an.
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An den Wasserstoffstationen 88 können aber, nicht einschränkend für die Erfindung, auch Ladefahrzeuge 30, welche festinstallierte Wasserstofftanks 34 aufweisen, befüllt werden.
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Mit Bezugszeichen 30.1 ist der Einsatz eines Ladefahrzeugs 30 als eine ortsveränderliche stationäre Stromversorgungseinheit verbildlicht.
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In 1 sind mit Bezugszeichen 12 vier Ausführungsformen von Fahrzeugsträngen 12 dargestellt, welche beispielhaft aber nicht einschränkend für die Erfindung ausgestaltet sind. Ein erster Fahrzeugstrang 12.1 umfasst für einen Langstrecken-Cargo-Transport zwei Ladefahrzeuge 30, sowie drei Cargo-Fahrzeuge 20. Ein zweiter Fahrzeugstrang 12.2 umfasst für einen Einsatz in einem Stadtzentrum 82 ein Ladefahrzeug 30, sowie mehrere Personen- und Cargo-Fahrzeuge 20 mit unterschiedlich gro-ßen Fahrzeugbatterien. Ein dritter Fahrzeugstrang 12.3 umfasst ebenso für den urbanen Raum ein Ladefahrzeug 30, Personen- und Cargo-Fahrzeuge 20 und ein eingebundenes OEM-Fahrzeug 28. Ein vierter Fahrzeugstrang 12.4 umfasst für einen Transport einer Vielzahl von gefüllten oder leeren Wechselmodulen 35, hier beispielsweise zwischen zwei Wasserstoffstationen 88, zwei Ladefahrzeuge 30 und ein großes Cargo-Fahrzeug 20.
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In 2 ist eine Ausführungsform eines Fahrzeugstrangs 12 schematisch dargestellt. Der Fahrzeugstrang 12 umfasst ein Ladefahrzeug 30, welches über ein Kopplungssystem 60 mit zwei Fahrzeugen 20, etwa Personen- oder Cargo-Fahrzeuge 20 gekoppelt ist. Das Ladefahrzeug 30 umfasst ein Wechselmodul 35, welches Wasserstofftanks als Energiequelle umfasst. Die Fahrzeuge 20 und Ladefahrzeuge 30 werden mit Bezug zu 4 - 6 näher beschrieben.
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In 3 ist eine Ausführungsform des Ladefahrzeugs 30 beim Modulwechsel schematisch dargestellt. Der Modulwechsel erfolgt beispielsweise in einer der in 1 dargestellten Wasserstoffstationen 88 bevorzugt voll automatisch. Ein leeres Wechselmodul 35 wird, bevorzugt in einem automatisch ablaufenden Prozess, durch ein volles Wechselmodul 35 ausgetauscht.
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In 4 ist ein Transportsystem 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung beispielhaft dargestellt. Das Transportsystem 10 umfasst typischerweise eine Vielzahl von einzelnen oder zu Fahrzeugsträngen 12 gekoppelten Fahrzeugen 20 und Ladefahrzeugen 30. Dargestellt ist ein Fahrzeugstrang 12 mit hier rein beispielhaft sechs gekoppelten Fahrzeugen 20 und einem gekoppelten Ladefahrzeug 30.
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Die Fahrzeuge 20 und Ladefahrzeuge 30 sind dazu eingerichtet, um sich während der Fahrt oder in einem Haltezustand, d.h. im Halt, an den Fahrzeugstrang 12 zu koppeln und sich während der Fahrt oder in einem Haltezustand von dem Fahrzeugstrang 12 wieder zu entkoppeln. Jeder Fahrzeugstrang 12 weist zumindest ein brennstoffzellenbetriebenes Ladefahrzeug 30 auf. Im Folgenden soll stets verstanden sein, dass es sich bei dem Ladefahrzeug 30 um ein brennstoffzellenbetriebenes Ladefahrzeug 30 handelt, das also über ein Brennstoffzellensystem 32 verfügt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind einige Fahrzeuge 20 als Personentransportfahrzeuge 22 gekennzeichnet und andere Fahrzeuge 20 als Cargo-Transportfahrzeuge 24. Als Personentransportfahrzeuge 22 können beispielsweise Zweisitzer, Sechssitzer oder Zwölfsitzer vorgesehen sein. Als Cargo-Transportfahrzeug 24 können kleine, mittlere oder größere Fahrzeuge 20 eingesetzt werden, welche beispielsweise dazu eingerichtet sind, um Pakete, Container oder Paletten zu transportieren.
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Die Fahrzeuge 20 und das Ladefahrzeug 30 umfassen jeweils einen Elektroantrieb 26, welcher nicht in 4 dargestellt ist, sowie eine entsprechende Fahrzeugbatterie 46, welche als Traktionsbatterie für den Elektroantrieb 26 ausgebildet ist. Die Fahrzeugbatterien 46 der Personen- und Cargo-Transportfahrzeuge 20 können klein dimensioniert sein, das heißt zwischen 10 kWh und 50 kWh elektrische Leistung umfassen.
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Jedes Fahrzeug 20 umfasst eine Fahrzeugsteuereinheit 40, eine Kommunikationseinheit 42, welche mit der Fahrzeugsteuereinheit 40 verbunden ist, und ein mit der Fahrzeugsteuereinheit 40 verbundenes Kopplungssystem 60.
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Mithilfe der Fahrzeugsteuereinheit 40 und des Kopplungssystems 60 sind die Fahrzeuge 20 und das Ladefahrzeug 30 dazu eingerichtet, um sich während der Fahrt oder in einem Haltezustand an den Fahrzeugstrang 12 zu koppeln und zu entkoppeln. Das Kopplungssystem 60 wird bevorzugt, aber nicht einschränkend für die Erfindung, ohne Kraftübertragung realisiert und ermöglicht dabei insbesondere einen Austausch der elektrischen Energie und Ladung.
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Die Fahrzeugsteuereinheiten 40 der Fahrzeuge 20 verfügen jeweils über einen ersten Betriebsmodus, in welchem das Fahrzeug 20 in dem Fahrzeugstrang 12 mitfährt und über einen zweiten Betriebsmodus, in welchem das Fahrzeug 20 selbstständig außerhalb des Fahrzeugstrangs 12 fährt. Im ersten Betriebsmodus wird die Antriebsenergie für die Fahrt des Fahrzeugs 20 im Fahrzeugstrang 12 von dem brennstoffzellenbetriebenen Ladefahrzeug 30 bereitgestellt. Im zweiten Betriebsmodus wird die Antriebsenergie für die selbstständige Fahrt des Fahrzeugs 20 außerhalb des Fahrzeugstrangs 12, das heißt entkoppelt von diesem, von der Fahrzeugbatterie 46 bereitgestellt.
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Die Fahrzeuge 20 und das Ladefahrzeug 30 umfassen jeweils Fahrzeugsensoren 48, die mit der Fahrzeugsteuereinheit 40 verbunden sind. Über die Fahrzeugsteuereinheiten 40 werden Fahrzeugdaten der Fahrzeugsensoren 48 erfasst, beispielsweise Ladezustände der Fahrzeugbatterien 46, aber auch Umgebungsinformation, beispielsweise mittels Umfeldsensoren wie Kameras, Radar-, Lidar- oder Ultraschallsystemen. Daten zur Positionsbestimmung des Fahrzeugs 20 oder Ladefahrzeugs 30 werden über GPS-Empfänger 44 erhalten. Über die Fahrzeugsensoren 48 und GPS-Empfänger 44 können insbesondere die bei einem Kopplungs- und Entkopplungsvorgang des Fahrzeugs 20 oder Ladefahrzeugs 30 an den Fahrzeugstrang 20 benötigten Informationen wie Ort, Geschwindigkeit usw. erfasst werden.
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Das Transportsystem 10 umfasst außerdem eine Digitalinfrastruktur 50, welcher die Kommunikationseinheiten 42 der Fahrzeuge 20 und des Ladefahrzeugs 30 zugeordnet sind, und welche außerdem eine Zentralsteuereinheit 54 umfasst. Die Zentralsteuereinheit 54 und die Kommunikationseinheiten 42 sind über ein Netzwerk 52 miteinander vernetzt. Das Netzwerk 52 ist beispielsweise ein 5G-Netzwerk, kann aber auch ein 4G-Netzwerk oder ein Netzwerk einer 5G nachfolgenden Generation sein.
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Die Zentralsteuereinheit 54 übernimmt die Koordination des Transportsystems 10 in Form von Routenplänen, Kopplungsplänen und Ladeplänen, insbesondere in Kenntnis der Ladebedarfe und Orte der einzelnen Fahrzeuge 20 und Ladefahrzeuge 30. Die Zentralsteuereinheit 54 kann in bevorzugten Ausführungsformen über die Kommunikationseinheiten 42 direkt die Daten der Fahrzeugsensoren 48 und GPS-Empfänger 44 erfassen.
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Die Digitalinfrastruktur 50 umfasst außerdem eine Nutzerschnittstelle 56, welche beispielsweise als eine App oder eine Onlineplattform ausgestaltet sein kann oder als eine Einbindung in ein EAP-System einer Logistikfirma. Über die Nutzerschnittstelle 56 können Nutzer Fahrtanfragen von einem gewünschten Startort zu einem gewünschten Zielort an das Transportsystem 10 stellen.
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Die Zentralsteuereinheit 54 erstellt auf Basis der Fahrtanfragen die entsprechenden Routenpläne, Kopplungspläne und Ladepläne und übermittelt diese an die Fahrzeugsteuereinheiten 40, so dass die Fahrzeuge 20 bevorzugt autonom fahren und sich dabei im Fahrzeugstrang 12 bedarfsweise aufladen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des in 2 dargestellten Fahrzeugstrangs 12 mit einem Fokus auf die Architektur der Elektrotechnik.
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Das Ladefahrzeug 30 umfasst das Brennstoffzellensystem 32 und einen oder mehrere Wasserstofftanks 34, welche fest oder in einem Wechselmodul 35 verbaut sein können. Das Brennstoffzellensystem 32 versorgt eine Fahrzeugbatterie 46 mit elektrischer Energie. Die Fahrzeugbatterie 46 des Ladefahrzeugs 30 kann als ein Pufferspeicher verwendet werden, als eine Traktionsbatterie für das Ladefahrzeug 30 und/oder als eine Energiequelle für ein Bordnetz.
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Das Brennstoffzellensystem 32 stellt über einen Gleichspannungswandler 70 und das Kopplungssystem 60 den weiteren Fahrzeugen 20 des Fahrzeugstrangs 12 die elektrische Energie für den Antrieb bereit, und zwar auf einem DC-Link 74.
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Die Fahrzeuge 20 umfassen erste elektrische Leitungen 62 zur Aufnahme und Durchleitung von elektrischer Energie des Ladefahrzeugs 30, zweite elektrische Leitungen 64 zum Betrieb eines Elektromotors 68 mit elektrischer Energie des Ladefahrzeugs 30 und dritte elektrische Leitungen 66 zur Ladung der jeweiligen Fahrzeugbatterie 46 mit elektrischer Energie des Ladefahrzeugs 30.
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Über einen weiteren Gleichspannungswandler 70 wird die elektrische Energie des Ladefahrzeugs umgewandelt und dem Fahrzeugantrieb 68 und/oder der Fahrzeugbatterie 46 zugeführt. Über erste Leitung 62 kann die Energie via DC-Link 74 also direkt auf an das weitere Fahrzeug 20 des Fahrzeugstrangs 12 durchgeschaltet werden.
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Mittels einer Leistungselektronik 72, welche in der Zeichnung vereinfacht als eine Diode angedeutet dargestellt ist, sind die zweiten und dritten Leitungen 64, 66 unidirektional ausgebildet. Das Fahrzeug 20 kann vom DC-Link 74 Energie empfangen, aber selbst keine Energie an den DC-Link 74 abgeben.
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6 zeigt ein Ladefahrzeug 30 zur Verwendung in dem beschriebenen Transportsystem 10. Das Ladefahrzeug 30 umfasst ein Brennstoffzellensystem 32 und ein Wechselmodul 35 mit hier rein beispielsweise dargestellt drei darin aufgenommenen Wasserstofftanks 34. Ein Ausführungsbeispiel ist ein Wasserstofftank 34 mit 60 kg Wasserstoff und 1 MWh Energie, sodass das Ladefahrzeug 30 über einen Zeitraum von 8 Stunden 120 kW Energie bereitstellen kann. Das Wechselmodul 35 ist mit einem Wechselsystem ausgestattet, sodass, wenn die Füllmenge des Wasserstoffs unter einen Schwellenwert sinkt, dem Ladefahrzeug 30 an einer Wasserstoffstation 88 das Wechselmodul 35 bevorzugt automatisiert ausgebaut und ein frisch mit Wasserstoff befülltes Wechselmodul 35 bevorzugt automatisiert eingebaut werden kann.
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Das Ladefahrzeug 30 umfasst, hier nicht dargestellt, Fahrzeug- und GPS-Sensoren, welche insbesondere einen Tankzustand der Wasserstofftanks 34 erfassen, aber auch Fahrzeugumfelddaten und Positionsdaten. Über die Kommunikationseinheit 42 kann die Fahrzeugsteuereinheit 40 mit der Zentralsteuereinheit 54 kommunizieren und beispielsweise signalisieren, dass der Wasserstoff zur Neige geht und das Wechselmodul 35 an einer Wasserstoffstation ausgewechselt werden muss. Daraufhin kann die Zentralsteuereinheit 54 ein weiteres Ladefahrzeug 30 zu dem betreffenden Fahrzeugstrang 12 fahren lassen, und das aufzutankende Ladefahrzeug 30 koppelt sich ab.
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Das Ladefahrzeug 30 umfasst gängige Brennstoffzellentechnik, insbesondere mit einer Luftzufuhr 36, einem Abluftsystem 37, einem Wärmetauscher 38 und einem Kühlsystem 39. Des Weiteren ist das Ladefahrzeug 30 bevorzugt einseitig mit einer aerodynamisch optimierten Front ausgestattet, um Langstreckentransporte möglichst energiearm zu absolvieren.
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Darüber hinaus umfasst das Ladefahrzeug 30 eine Fahrzeugbatterie 46, welche mit einem hier rein beispielhaft im Bereich der Räder angeordneten Elektroantrieb 26 gekoppelt ist und insbesondere als Traktionsbatterie für den Elektroantrieb 26 fungiert. Die Fahrzeugbatterie 46 bildet in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform außerdem die Stromquelle für das Kopplungssystem 60.
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7 zeigt eine Wasserstoffinfrastruktur 80 für das Transportsystem 10. Die Wasserstoffinfrastruktur 80 umfasst eine Wasserstoffzentralspeicher 86 und hier rein beispielhaft drei Wasserstoffstationen 88, welche mittels Pipelines 90 mit der Wasserstoffzentralspeicher 86 verbunden sind. Die Wasserstoffstationen 88 können, wie dargestellt, insbesondere außerhalb von einem Stadtzentrum 82, das heißt in einer Peripherie 84 einer Stadt, vorgesehen sein.
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BEZUGSZEICH EN
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1 Verkehrsinfrastruktur; 2 erneuerbare Energiequelle; 3 Stromnetz; 4 Elektrolysestation; 10 Transportsystem; 12 Fahrzeugstrang; 20 Fahrzeug; 22 Personentransportfahrzeug; 24 Cargo-Transportfahrzeug; 26 Elektroantrieb; 28 OEM-Fahrzeug; 30 Ladefahrzeug; 32 Brennstoffzellensystem; 34 Wasserstofftank; 35 Wechselmodul; 36 Luftzufuhr; 37 Abluftsystem; 38 Wärmetauscher; 39 Kühlsystem; 40 Fahrzeugsteuereinheit; 42 Kommunikationseinheit; 44 GPS-Empfänger; 46 Fahrzeugbatterie; 48 Fahrzeugsensoren; 50 Digitalinfrastruktur; 52 Netzwerk; 54 Zentralsteuereinheit; 56 Nutzerschnittstelle; 60 Kopplungssystem; 62 erste Leitungen; 64 zweite Leitungen; 66 dritte Leitungen; 68 Elektromotor; 70 Gleichspannungswandler; 72 Leistungselektronik; 74 DC-Link; 80 Wasserstoffinfrastruktur; 82 Stadtzentrum; 84 Peripherie; 86 Wasserstoffzentralspeicher; 88 Wasserstoffstation; 90 Pipeline
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213050 A1 [0002]
- WO 2018077571 A2 [0003]
- DE 102019200505 A1 [0004]
