DE2330255A1

DE2330255A1 - Verfahren und anlage zum betrieb von kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem energiespeicher

Info

Publication number: DE2330255A1
Application number: DE2330255A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Busch; Bernd Klatt; Frank Klein; Han-Georg Mueller; Eberhard Zander
Original assignee: ELEKTR STRASSENVERKEHR GES; Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG
Current assignee: ELEKTR STRASSENVERKEHR GES; RWE AG
Priority date: 1973-06-14
Filing date: 1973-06-14
Publication date: 1975-01-16

Description

Andrejewski, Honke & Gesthuysen Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Dipiom-lngenieur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Anwaltsakte: 41 323/Sch- Hans Dieter Gesthuysen

4300 Essen, den 12. Juni 1973 Theaterplatz 3

Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung GES Gesellschaft für elektrischen
Straßenverkehr mbH.

4 Düsseldorf, Tersteegenstraße 77

Verfahren und Anlage zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher, die im statistischen Mittel während einer Einsatzzeit eine Stillstandszeit aufweisen, die meistens länger ist als ihre Fahrzeit, und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit abgestellt werden. Die Erfindung bezieht sich damit z. B. auf Personenkraftfahrzeuge, die zwischen Heimgarage und Parkhaus oder Parkplatz eingesetzt

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sind, auf Taxenfahrzeuge, die auf Taxenparkplätzen warten, auf Linienbusfahrzeuge, die an Endstationen oder an Haltestellen warten usw. fort. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anlage zur Durchführung eines solchen Betriebsverfahrens.

Bei den (aus der Praxis) bekannten Verfahren der genannten Gattung werden die Energiespeicher am Standort des Fahrzeuges im Fahrzeug selbst aufgeladen, meistens jedoch in besonderen Ladestationen gewechselt, wozu sie aus dem Kraftfahrzeug herausgenommen und durch einen aufgeladenen Energiespeicher ersetzt werden. Man arbeitet also hauptsächlich mit Wechselenergiespeichern. Die im Sinne der obigen Ausführungen definierten Stillstandsplätze sind mit Energieversorgungseinrichtungen zum Aufladen der Energiespeicher nicht ausgerüstet. Die Kraftfahrzeuge werden mit einem aufgeladenen Energiespeicher auf ihre Fahrstrecke geschickt und kehren mit vollständig oder fast vollständig entladener Batterie wieder zum Ausgangspunkt zurück. Ständige Überwachung des Batterieladzustandes ist dabei während der Fahrt erforderlich und erfordert erhebliche Aufmerksamkeit des Fahrers. Gelegentliches Zwischenladen bei der Rückkehr zum Ausgangspunkt wird ebenfalls in einigen Fällen praktiziert, hat aber keine große Bedeutung und ist in dieser Form für ein Versorgungsnetz nicht geeignet, denn es ist den Betreibern nicht zuzumuten, mit schweren und schmutzigen Kabeln und Steckern auf öffentlichen Parkplätzen bei fast jedem Anhalten zu hantieren, abgesehen von den möglichen Beschädigungen an Kabeln und Steckern, die leicht auftreten können. Ein Nachtankverfahren, in dem ein enges Netz von Wechselstationen vorgeschlagen wird, ist ebenfalls bekannt, doch wegen der diesem Verfahren anhaftenden Nachteile allgemein nicht praktikabel. Es ist auch wegen des wirtschaftlichen und

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zeitlichen Aufwandes nur für weitgehend entladene Batterien geeignet und führt, wenn man es sehr häufig praktiziert, zu erheblichem äußeren Verschleiß. Es bedarf der Ergänzung durch Nachlademöglichkeiten, die in einer Vielzahl angeboten werden müssen.

Während der Einsatzzeit des Fahrzeuges nimmt die gespeicherte Energiemenge ab, wodurch auch das Fahrverhalten des Kraftfahrzeuges beeinflußt wird, das im Laufe eines Einsatzes alsbald den Betriebszustand "Vollgas" nicht mehr zuläßt. Das unterscheidet ein Elektrofahrzeug von einem üblichen Kraftfahrzeug. Aber auch in anderer Beziehung unterscheiden sich Kraftfahrzeuge mit elektrisch aufladbaren Energiespeichern von mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Kraftfahrzeugen.

Wegen des großen Energieinhaltes flüssiger Kraftstoffe lassen sich diese bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf kleinem Volumen mit relativ geringem Gewicht im Kraftfahrzeug unterbringen. Eine Tankfüllung erlaubt es, lange Strecken zu fahren oder das Nachtanken in Abständen von einigen Tagen durchzuführen. Entsprechend weitläufig ist daher auch das Tankstellennetz angelegt. Kraftfahrzeuge mit elektrischem Energiespeicher hingegen müssen wegen des großen Gewichtes der Energiespeicher und des erforderlichen Volumens immer mit wesentlich geringerer Energiekapazität auskommen. Hinzu kommt als weiterer Nachteil die lange Aufladezeit. Strom läßt sich aus physikalisch bedingten Gründen nicht so schnell wie Benzin in den Speicher einfüllen, im Gegenteil, je langsamer das Nachladen erfolgen kann, je wirtschaftlicher läßt es sich elektrisch gestalten. Das ist bis heute ein beachtliches Handikap für den Einsatz von Kraft-

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fahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher. Im übrigen ist es lange bekannt, daß fast alle Kraftfahrzeuge längere Standais Fahrzeiten aufweisen. Das gilt ganz besonders für den Individualverkehr im Nah- und Mittelstreckenbereich. Selbst im Fernverkehr und im Liniendienst fährt man nicht rund um die Uhr, sondern stellt die Fahrzeuge mehrere Stunden, vornehmlich bei Nacht ab. Das hat bisher die Probleme um den Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher nicht beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das für ein Kraftfahrzeug mit elektrisch nur langsam aufladbarem Energiespeicher (dazu gehören z. B. auch Wärmespeicher, Schwungradspeicher u. ä.), einen Betrieb erlaubt, der dem Betriebsverhalten eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor, zumindest im Nahverkehr ähnlich ist. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher, die im statistischen Mittel während einer Betriebszeit eine Stillstandszeit aufweisen, die insgesamt mindestens einige Stunden pro Tag ergibt und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit abgestellt werden. Die Erfindung besteht darin, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge (die mit einem aufgeladenen Energiespeicher auf ihre Fahrstrecke geschickt worden sind) an zumindest einigen Stillstandsplätzen während der üblichen Halte-

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zeit oder Abstellzeit der Kraftfahrzeuge automatisch nachgeladen und diese dazu am Stillstandsplatz in eine vorgegebene Stellung einfahren und an eine dort installierte elektrische Versorgungseinrichtung angekuppelt werden. - Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Kraftfahrzeuge, die mit dem Versorgungsnetz verbunden sind, auch bezüglich der Beheizung an das Versorgungsnetz anzuschließen und zwar ggf. über besondere Wärmespeicher.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Stillstandszeiten der Kraftfahrzeuge sich in ausreichender Zahl und Länge zum Nachladen der elektrischen Energiespeicher anbieten, wenn nur an allen oder einer ausreichenden Zahl von Stillstandsplätzen entsprechende Einrichtungen vorgesehen sind. Geht man davon aus, daß es möglich ist, den größten Teil aller normal anfallenden Stillstandszeiten eines Kraftfahrzeuges in diesem Sinne zum "Nachtanken" zu benutzen, dann stellt sich die Forderung nach größeren Speichern, die es erlauben, in Abständen von mehreren Tagen nachzutanken, für die meisten Kraftfahrzeuge nicht mehr. Auch Schneiladung, die Nachteile für das speisende elektrische Netz hat, erübrigt sich. Ausnahmen wird es lediglich im Fernverkehr geben. Insbesondere für Linienbuskraftfahrzeuge empfiehlt die Erfindung in diesem Zusammenhang, daß die Energiespeicher für Kraftfahrzeuge an praktisch allen Stillstandeplätzen während der üblichen Haltezeit nachgeladen werden. Man kommt so für die meisten Kraftfahrzeuge mit elektrisch aufladbarem Energiespeicher zu einem Fahrbetrieb, der praktisch immer im gürfitigsten Bereich des Betriebszustandes des Energiespeichers abläuft, wobei sich andererseits z. B. ein elektrischer Energiespeicher dann gleichzeitig im Bereich der bestmöglichen Aufnahmebereitschaft befindet. Das Kraftfahrzeug selbst zeigt ein entsprechendes Fahrverhalten bzw. kann entsprechend gefahren werden.

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Die bestmögliche Aufnahmebereitschaft des Energiespeichers bedeutet, die größtmögliche Energiemenge in kürzeste: Zeit nachladen zu können. Die erforderliche Gesamtladezeit, bezogen auf die aufgenommene Energiemenge, verglichen mit der Zeit, die notwendig ist, um eine leere Batterie durchgehend wieder aufzuladen, verkürzt sich dabei erheblich, teilweise bis 30 %. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß z. B. ein elektrochemischer Speicher, bedingt durch die geringere Gegenspannung einer, wenn auch nur kurzzeitig entladenen Batterie, höhere Ströme und somit mehr Energie pro Zeiteinheit aufnehmen kann.

Das Verfahren strebt also bewußt eine Betriebsweise an, die abwechselt zwischen Laden und Entladen durch den Fahrbetrieb, wobei die Batterie dann nur noch den Zustand Laden oder Entladen kennt.

Die niedrige mittlere Ladespannung und die höhere mittlere Entladespannung führen dabei einerseits zu einer Verbesserung des Ladewirkungsgrades und andererseits zu einer höheren Nutzenergieentnahme aus der Batterie. Darüber hinaus hat die dauernde Zyklisierung der Plattenoberfläche, z. B. bei Blei-Säure-Batterien, und die nur gelegentliche Belastung der tieferliegenden Schichten eine Belastung des Platteninneren mit kleinem Gleichstrommittelwert und damit zusätzlich eine Erhöhung der gesamten nutzbaren Speicherenergie zur Folge. Hinzu kommt, daß die tiefliegenden Schichten der Platte, da sie nicht entladen werden, keine Volumenänderung erfahren und die Durchlässigkeit der äußeren Schichten nicht beeinträchtigen, was einen beschleunigten Säureaus^.eich erlaubt und der besseren Ausnutzung der Kapazität zugute kommt.

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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Batterien nicht erst bei einem bestimmten Entladezustand wieder mit dem Ladenetz verbunden. Gerade die ungleichmäßige Benutzung der Fahrzeuge und der dadurch bedingte unterschiedliche Entladungszustand der Batterien, die an einer Ladestelle angeschlossen werden, ermöglichen derjenigen Batterie, die am weitesten entladen ist, die größte Energiemenge aufzunehmen, d. h. eine Durchmischung und damit mögliche ungleichmäßige Verteilung der dargebotenen Energiemenge ist wünschenswert. Gleichzeitig hat dieses Verfahren den Vorteil, daß die von der Ladeanlage dargebotene Energiemenge vorwiegend voll ausgenutzt wird und somit mit gutem Wirkungsgrad und unter netzfreundlichen Bedingungen aus dem Netz entnommen werden kann.

Das Verfahren sieht weiter vor, durch Vorwählen der gewünschten Nachladezeit im Fahrzeug die Nachladung bewußt auf die gesamte vorgesehene Standzeit ausdehnen zu können, um so Belastungsspitzen des Netzes zu vermeiden. Eine eingestellte Langzeitladung kann wegen des Bezuges netzfreundlicher Grundlastenergie tariflich honoriert werden, wodurch für den Benutzer ein Anreiz entsteht, Langzeitladung einzustellen. Im Ladevorgang selbst verhält sich z. B. eine leere Batterie durch eine vorgegebene lange Nachladezeit den anderen Batterien gegenüber, die am gleichen Versorgungssystem hängen, wie eine wenig entladene. Sie verringert die Gesamtbelastung des Versorgungsnetzes oder gibt anderen Fahrzeugen den Bezug einer größeren Energiemenge in kurzer Zeit frei.

Weiter besteht die Erfindung darin, Zählsysteme für die aufgenommenen Energiemengen anzugeben, die je nach Ladeverfahren zu

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Verrechnungszwecken herangezogen werden können, auch unter Berücksichtigung unterschiedlicher Tarife. Diese Verrechnungszähler können an Bord, in der Batterie, im Ladegerät oder an der Koppelstelle sowie durch Impulse gesteuert in einer Zentralstelle installiert sein.

Erfindungsgemäß kennt so das Kraftfahrzeug kein "Tanken an einer Tankstelle" mehr, es lädt sich vielmehr in Stillstandszeiten gleichsam von selber auf. Für den Besitzer des Kraftfahrzeuges mit elektrischem Energiespeicher bedeutet dies erhebliche Annehmlichkeiten selbst gegenüber Kraftfahrzeugen, die mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden. Mehr Annehmlichkeit entsteht außerdem dadurch, daß das Kraftfahrzeug, wenn es schon mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden ist, wann immer gewünscht, ohne eine besondere Aufmerksamkeit des Betreibers, automatisch elektrisch vorgeheizt oder während kurzer Stillstandszeiten warm gehalten werden kann. Weder Geräusche noch Abgase entstehen dabei. Auch kann z. B. die Batterie während beliebig langer Stillstandszeiten auf dem gewünschten Ladezustand gehalten werden, ohne auf die gefürchteten Selbstentladungen achten zu müssen und außerdem läßt sich die Batterie im Winter vortemperieren um die volle Kapazität nutzbar zur Verfügung zu haben. Für alle Speichersysteme können auf diese Weise optimale Speicher- und Betriebsbedingungen geschaffen werden. Kommt es später zu einem Einsatz von sog. Heißbatterien, ist ein Warmhalten des Speichers bei längeren Standzeiten zwingend erforderlich. Die Voraussetzung dafür bietet das angegebene Verfahren bereits jetzt schon.

Im Rahmen der Erfindung müssen die sich als Stillstandsplätze für die Kraftfahrzeuge anbietenden Parkplätze, Parkhäuser, Garagen, - in bestimmten Zonen auch Straßenränder - bei Linien-

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fahrzeugen bevorzugt Endhaltestellen, im Güterverkehr vor allem auch Plätze an Verladerampen, eine Energieversorgungseinrichtung aufweisen, d. h. mit einer elektrischen Versorgungsleitung ausgerüstet werden, die in Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Drehstrom auch mit höheren Frequenzen ausgeführt sein kann, je nach Art des gewählten Nachladesystems.

Selbstverständlich muß dabei das Nachladesystem mit dem System des Fahrzeuges harmonieren, was durch Normung unschwer zu erreichen ist. Der elektrische Versorgungsanschluß kann sowohl oberirdisch als auch unterirdisch bzw. in Sonderfällen in jeder beliebigen Zwischenhöhe angeordnet sein, jedoch vorzugsweise so, daß das Kraftfahrzeug selbst im angekoppelten Zustand den Schutz gegen unbeabsichtigte Berührung der elektrischen Kontakte übernimmt. Zu besonders einfachen Lösungen in beaüg auf den Ankopplungsvorgang kommt man, wenn ein Teil der beim Ladevorgang leitungsmäßig zu überbrückenden Stecke von einer Mechanik des Fahrzeuges und ein anderer Teil von dem elektrischen Versorgungsanschluß aus übernommen wird.

Bei Starkstromanlagen sind Schutzvorrichtungen ebenfalls Bestandteil der Einrichtungen bzw. Vorrichtungen, Die Kontaktbrücken des Kraftfahrzeuges und die Schutzvorrichtungen werden z. B. beide betätigt durch Anziehen der Handbremse. Gleichzeitig wird, wenn erforderlich, die Stromversorgung des Kraftfahrzeugantriebes unterbrochen, so daß ein Anfahren im angekoppelten Zustand unmöglich ist. Das Ausfahren der Kontaktvorrichtung der Versorgungseinrichtung wird z. B. durch Signaleinrichtungen eingeleitet, z. B. durch Kontaktschwellen, die bei Gewichtsbelastung durch die Räder des Kraftfahrzeuges bzw. das Kraftfahrzeug selbst ansprechen.

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Ist ein Kraftfahrzeug richtig abgestellt und die elektrische Kupplung ordnungsgemäß hergestellt, wird der Stromfluß abgefragt und über ein Anzeigegerät dem Bedienenden die ordnungsgemäße Ladefunktion angezeigt.

Man kann anstatt mit Kontakten auch kontaktlose, z. B. induktive Ankopplungen benutzen. Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn man z. B. Jlochstromnachladungen über Kontakte, bevorzugt mit Gleichstrom, durchführt und Langzeitladungen sowie für Batterien notwendige Ausgleichsladungen, die immer geringe Ströme erfordern, durch induktive Ankopplungen ermöglicht. Eine Gemischtmethode ist ebenfalls möglich aber nicht zwingend, denn die verschiedenen Stillstandsplätze brauchen nicht unbedingt beide Ankoppelmöglichkeiten gleichzeitig aufzuweisen. Eine induktive Ankopplung für kleine Ströme allein eignet sich auch besonders gut als kontaktlose Methode für die Ausrüstung von Garagen (Heimlader).

Gleichzeitig mit der Ankopplung des Fahrzeuges an das Versorgungsnetz ist erfindungsgemäß eine Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz vorgesehen, die der Signalisierung und/ oder Steuerung von elektrischen Schaltgeräten außerhalb des Fahrzeuges oder umgekehrt dient. Diese Signalverbindung, die im übrigen auch kontaktlos*, z. B. eine Lichtschranke sein kann, ist außerdem in der Lage, Impulse zu übertragen, die der Verrechnung der bezogenen Energiemenge dienen.

Im Ergebnis erreicht man, wenn in einer gewissen Dichte Energieversorgungseinrichtungen an Stillstandsplätzen installiert sind, gleichsam automatisch, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren integriert, sind, tagsüber

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fast immer voll aufgeladen sind, in jedem Falle aber morgens bei Fahrtantritt, weil jedes Abstellen des Kraftfahrzeuges auch für kürzere Zeitspannen zwangsläufig einen Nachladevorgang einleitet. Diese Tatsache erhöht die Lebensdauer zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers und vergrößert damit die Wirtschaftlichkeit. Das beruht darauf, daß die unteren Schichten der aktiven Elektroden weniger entladen werden und Volumenänderungen, die erhöhte Abschlammung der aktiven Masse verursachen, weitaus weniger auftreten. Hinzu kommt, daß bei Entladung nur der oberen Schichten die Gitterkorrosion begrenzt wird, bedingt dadurch, daß unmittelbar am Gitter wenig chemische Reaktionen auftreten. Sie läßt andererseits aber auch für Kraftfahrzeuge, die nur in einem bestimmten Bereich verkehren, wesentlich kleinere Energiespeicher unter Inkaufnahme geringerer Reichweiten je Füllung zu.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen ausführlich erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform eines Stillstandsplatzes mit an eine Energieversorgungseinrichtung angekuppteltem Kraftfahrzeug,

Fig. 2 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausfuhrungsform eines Stillstandsplatzes mit an eine Energieversorgengseinrichtung angekuppeltem Kraftfahrzeug,

Fig. 4 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 3,

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Fig. 5 eine dritte Ausfuhrungsform eine Stillstandsplatzes mit an eine Energieversorgungseinrichtung angekuppeltem Kraftfahrzeug,

Fig. 6 ein Schaltschema der Energieversorgungseinrichtung gemäß Fig. 5.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Stillstandsplatz mit einer Anlage zur Versorgung von vorzugweise Individualfahrzeugen 1 mit elektrisch aufladbaren Energiespeichern 2. Der Stillstandsplatz weist im Ausführungsbeispiel 5 Stellflächen 3 auf, von denen eine von einem als Transporter ausgeführten Kraftfahrzeug 1 besetzt ist, Das Kraftfahrzeug 1 ist über eine nachstehend näher beschriebene Kupplungseinrichtung mit einer zentralen Energieversorgungseinrichtung gekuppelt. Die Energieversorgungseinrichtung des Stillstandsplatzes besteht aus einem Gleichstromnetz 4, welches über ein Gleichrichterladegerät 5 an ein Wechselspannungsnetz 6 angeschlossen ist. Das Gleichrichterladegerät. 5 sorgt für eine konstante Spannung im Gleichstromnetz 4 und für eine Begrenzung des Stromes auf ein Maximum, das im Ausführungsbeispiel bei einem fünffachen Wert des für die einzelne Stellfläche 3 angenommenen mittleren Ladestromes liegt. Ein solcher Stillstandsplatz kann ein Spektrum von Fahrzeugen 1 bedienen, welches beispielsweise vom PKW bis zum Transporter mit ca. It Nutzlast reicht.

Zum Ankuppeln fährt das Fahrzeug 1 auf eine Stellfläche 3 des Stillstandsplatzes und kommt auf zwei Kontaktschwellen 7 zum Stillstand. Beim Anziehen der Handbremse werden mit dem Energiespeicher 2 des Fahrzeuges 1 verbundene Gegenkontakte 8 am Fahr-

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zeug 1 durch Verschieben von Abdeckplatten 9 freigelegt. Durch das Eigengewicht des Fahrzeuges 1 werden über die Kontaktschwellen 7 zwei Arbeitszylinder 10 mit Rückholfedern 11 betätigt. Der durch die Arbeitszylinder 10 erzeugte überdruck steht über einen Speicherbehälter 12 am Magnetventil 13 an. Eine Lichtschranke 14 fragt ab, ob am Fahrzeug 1 ein (nicht dargestellter) Reflektor vorhanden ist, um festzustellen, ob es sich um ein Speicherfahrzeug handelt. Ist das gegeben und steht das Fahrzeug richtig, öffnet ein (nicht dargestelltes) Kommandogerät das Magnetventil 13. Der anstehende Druck wirkt auf Arbeitszylinder 15, durch welche in Ruhelage spannungslose Kontaktstifte 16 eine Schutzvorrichtung 17 durchstoßen.. In der Endstellung verbinden die Kontaktstifte 16 über Schleifkontakte 18 die Gegenkontakte 8 mit dem Gleichstromnetz 4 (vgl. Fig. 2).

Zum Abfahren des Fahrzeuges 1 wird die Handbremse gelöst. Mit dem Lösen der Handbremse wird der Reflektor der Lichtschranke 14 verdeckt, wodurch ein Umsteuern des Magnetventils 13 erfolgt. Nunmehr wird der am Magnetventil 7 anstehende Druck zum Einfahren der Kontaktstifte 16 benutzt. Der Druckausgleich erfolgt über einen zweiten Speicherbehälter 12. Nach Lösen der Gegenkontakte 8 und SchMfkontakte 18 schieben sich die Abdeckplatten 9 wieder über die Gegenkontakte 8 und das Fahrzeug 1 ist abfahrbereit.

Im Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß die übrigen vier in Fig. 2 gezeigten Stellflächen 3 unbesetzt sind oder Fahrzeuge auf ihnen stehen, die entweder fast vollgeladene Batterien haben, oder auf Langzeitladung eingestellt sind, d. h. nur wenig Strom dem Netz entnehmen. Bekanntlich verzweigt sich beim Parallelladen

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von Batterien - und darum handelt es sich hier - der Strom. Die Batterie mit der geringsten Gegenspannung bekommt den vollen Strom, der je nach Batteriegröße 5 χ In übersteigen kann.

Sobald nach erfolgter automatischer Ankopplung das Fahrzeug 1 mit dem Netz 4 verbunden ist, beginnt der Stromfluß. Gleichzeitig läuft ein im Fahrzeug 1 - bei Wechselbatterien besser im Batterietrog - befindliches Strom-Zeit-Meßglied an, das in seinem Zeitverhalten auf die thermische Belastbarkeit der Batterie abgestimmt sein muß. Je höher der Ladestrom, um so kürzer ist die Laufzeit dieses Überwachungsgliedes. Bei Erreichen der vorgegebenen Zeitmarke wird der Stromfluß durch ein Lastschaltgerät, das sowohl im Fahrzeug selbst oder im Batterietrog, als auch im Ladegerät 5 angeordnet sein kann, wobei es unerheblich ist, ob es sich um eine mechanische Schaltvorrichtung handelt oder eine Leistungselektronik, unterbrochen. Ist das Lastschaltglied außerhalb des Fahrzeuges angeordnet, muß vom Fahrzeug dorthin ein Steuerimpuls übertragen werden. Nach Unterbrechung des Stromflusses, läuft ein zweites Zeitglied an, daß ebenfalls der thermischen Zeitkonstante der Batterie angepaßt sein muß. Nach Ablauf einer Mindestzeit, oder wenn gewünscht, nach einer vorher eingestellten Zeit, - das Zeitglied ist nämlich Bur gewollten Verlängerung des Ladevorganges einstellbar - wird der Lastschalter wieder eingeschaltet und der Stromfluß beginnt von Neuem. Dieser Vorgang wiederholt sich bei maximalem Strom in gleichen Zeitintervallen so lange, bis sich eine Gegenspannung aufgebaut hat und der Stromfluß sich dementsprechend verringert. Die Impulse werden dann länger bis bei voller Gegenspannung der Strom gegen Null geht und der Lastschalter dauernd eingeschaltet bleibt.

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Die Arbeitsweise des zeitstromabhängigen Meßgliedes zerteilt also die dargebotene Energie gleichsam in gleichgroße Blöcke eines bestimmten Energieinhaltes. Geht man von dieser Tatsache aus, so braucht man nur die Schaltvorgänge über ein Zählwerk zu registrieren und die aufgenommene Energiemenge läßt sich, z. B. beim nächsten Batterieservice errechnen und verrechnen. Das einstellbare Zeitglied, welches die Pausenzeiten vorgibt, tibernimmt ebenfalls eine DoppeIfunktion, nämlich die Gewährleistung der Mindestpausenzeit zum Schutz der Batterie und die Beeinflussung der Netzbelastung durch eine einstellbare Verlängerung der stromlosen Pause. Mit der Einstellung einer vom Netz bevorzugten Langzeitladung kann z. B. ein zweites impulszählendes Zählwerk angesteuert werden. Die hierauf angezeigten Zahlen erlauben dann später, das Bestimmen der Energiemengen, die netzfreundlich entnommen wurden.

Um die für Batterien von Zeit zu Zeit notwendigen Ausgleichsladungen zu erzielen, könnte man zu bestimmten Zeiten, z. B. während der Nacht, eine höhere Spannung vorgeben. Das dürfte auch den wenigen Batterien, die gerade zu dieser Zeit ausnahmsweise noch nicht voll aufgeladen sind, nicht schaden, denn man kann davon ausgehen, daß demnächst geschlossene Systeme zur Verfügung stehen, die das Problem des Wasserverbrauchs durch Gasung nicht mehr kennen.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Anlage dient zur Versorgung von Kleinfahrzeugen 1 mit elektrisch wieder aufladbaren Energiespeichern 2 durch induktive Ankopplung an das Wechselstromnetz 19. Eine Stellfläche 3 des Stillstandsplatzes ist von einem Fahrzeug 1 besetzt, das über einen Stoßstangentransformator oder Stoßstangentibertrager an eine Ladeplanke 20 angekoppelt ist.

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Die Anordnung im Fahrzeug 1 ist dabei folgende: Das Fahrzeug 1 erhält eine breite Stoßstange in Form eines Gummiwulstes, der in der Mitte abgeflacht ist. Hier sitzt eingegossen ein induktives Ankopplungsteil 21. Das ganze Gebilde ist federnd gelagert, um Ankopplungserschütterungen nicht auf Fahrwerk und Aufbau zu übertragen. Das Übersetzungsverhältnis dieses Ankopplungsteiles 21 richtet sich nach der verwendeten Betriebsspannung. Nachgeordnet befindet sich im Fahrzeug ein Gleichrichter 22, dessen Regelung sowohl im Fahrzeug als auch im stationären Teil der Anlage erfolgen kann. Auch die Messung des Energieverbrauchs kann sowohl im Fahrzeug 1 als auch im speisenden Netz erfolgen. Im Fahrzeug befindet sich weiterhin ein Zeitschalter 23, der ein verzögertes Einsetzen des Ladevorganges ermöglicht, um z. B. den günstigeren Nachttarif ausnutzen zu können, durch den eine Versorgungsnetzfreundliche Entnahme honoriert wird. Der stationäre Teil der Anordnung ist aus sog. Ladeplanken 20 aufgebaut, die bevorzugt aus leichtmontierbaren Kunststoffträgern mit Gummieinlage bestehen. Darin sind Ladetrafos 24 eingegossen, die sich zusammen mit dem Ankopplungsteil 21 zu gewöhnlichen Kerntransformatoren ergänzen.

Die Ladeplanken 20 erhalten an den Ankopplungspunkten deutlich sichtbare Farbmarkierungen, die den eingegossenen Ladetrafo 24 symbolisieren. Der Anschluß der Ladetrafos 24 an das Wechselstromnetz 19 erfolgt zentral über eine Verteilung mit Schutz- und evtl. Meßeinrichtungen, die nicht dargestellt sind. Die Ladetrafos 24 sind stets eingeschaltet. Die LeerlaufVerluste im unbenutzten Zustand sind crering und reichen gerade aus, um im Winter die Ankopplungsflache eisfrei zu halten. Der Ankopplungs-Vorgang beschränkt sich hier auf eine Berührung von Ladetrafo 24

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und dem Ankopplungsteil 21. Da Ankopplungsteil 21 und Ladetrafo 24 nachgiebig gelagert sind, ist ein luftspaltfreies Aneinanderfügen der Trafoteile möglich. Dies kann durch einfaches Anstoßen der Fahrzeugstoßstange an eine entsprechend markierte Stelle der Ladeplanke 20 erfolgen. Eine exakte Positionierung ist dazu nicht erforderlich. Eine Schrägstellung des Fahrzeuges 1 wird durch die Nachgiebigkeit von Ankopplungsteil 21 und Ladetrafo 24 sowie die Wirksamkeit des magnetischen Feldes ausgeglichen. Seitlicher Versatz sowie unterschiedliche Bodenfreiheiten des Fahrzeuges spielen innerhalb des Toleranzfeldes keine Rolle. Sollte die zulässige Toleranz jedoch überschritten werden, so kann dies optisch an der Armaturentafel des Fahrzeuges 1 angezeigt werden. Das Fahrzeug muß dann erneut positioniert werden. Der Ladevorgang beginnt unmittelbar nach erfolgter Ankopplung. Eine Schalthandlung oder eine Unterbrechung des Fahrzeugstromkreises ist nicht erforderlich. Eine unterbrechung des Ladevorganges erfolgt durch Anfahren des Fahrzeuges 1, wobei ein Teil der Anfahrenergie noch aus dem Netz entnommen werden kann.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Anlage dient vorzugsweise zur Versorgung von Linienbussen über eine oberhalb des Fahrzeuges 1 ang eordnete Versorgungsschiene 25. Die Anlage kann sowohl an der Endhaltestelle einer Linie als auch auf dem Betriebshof installiert sein. In beiden Fällen werden üblicherweise mehrere Anordnungen nebeneinander oder hintereinander gleichzeitig vorhanden sein. Außerdem eignet sich diese Anordnung für die Versorgung von Linienbussen an einigen oder allen Haltepunkten im Zuge der Linienführung. Die mechanische Ausführung der Versorgungsschienen 25 werden in allen drei Anwendungsfällen gleich sein, die Ladeverfahren jedoch sind an allen drei.in diesem Bei-

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spiel angegebenen Punkten unterschiedlich.

Das Fahrzeug 1 fährt in die Stellfläche 2 des Stillstandsplatzes ein. Stromabnehmer 26, die von der Fahrzeugbatterie 2 her unter Spannung stehen, berühren die oben angeordneten Versorgungsschienen 25. Die Stromabnehmer 26 können aus geteilten Bügeln bestehen, die mit Rollen oder Schleifern bestückt sind. Die nun bis zum Ladegerät 27 anstehende Betriebsspannung betätigt ein Schaltglied 28, welches den Ladevorgang einleitet. Zwischen Ladegerät 27 und Schaltglied 28 kann ein Speicher 30 und/oder ein Strombegrenzer 31 zwischengeschaltet sein. Das Fahrzeug kann nach jeder beliebigen Standzeit, so wie es der Fahrplan vorsieht, den Stillstandsplatz wieder verlassen. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bleibt der Bus auch während des Anfahrens an den Versorgungsschienen 25. Dadurch läßt sich vorteilhafterweise der größte Teil des energiezehrenden Anfahrvorganges aus dem speisenden Netz 24 abdecken. Kurz vor dem Verlassen der Versorgungsschienen 25 berührt der Stromabnehmer 26 eine Steuerschiene 4#, hier nicht dargestellt, die das Schaltglied 28 zum Abfallen bringt, um ein leistungsloses Verlassen des Stromabnehmers 26 von der Versorgungsschiene 25 zu ermöglichen. Die Versorgungsschiene ist anschließend wieder spannungsfrei. Das Ladegerät 27 an der Endhaltestelle arbeitet bevorzugt nach dem Prinzip der IU-Kennlinie. Weil im Linienverkehr der Verbrauch der Einzelfahrzeuge nicht registriert werden braucht, denn es handelt sich in jedem Fall um den gleichen Betreiber, erfolgt die Zählung auf der Drehstromseite. Die Tatsache, daß sich an einer Endhaltestelle fast immer mehr als ein Ladeplatz befindet, führt in der Regel zu relativ hohen Anschlußwerten. Durch eine Auswahlschaltung, die dem am meisten entladenen Fahrzeug einen hohen Ladestrom freigibt und die anderen sperrt läßt sich der maximale Anschlußwert in Grenzen halten und die Gesamtbenutzungsdauer verlängern,

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soweit wie es die Speicherkapazität, bezogen auf die Gesamtlinienführung, erlaubt.

An den Haltestellen im Zuge der Linienführung wird man zweckmäßigerweise mit einer Hochstromladung arbeiten, weil hier die Energiezufuhr in kürzester Zeit erfolgen muß. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen. Die mittlere Haltezeit sei 60 Sekunden. Die mittlere Haltestellenentfernung soll 500 Meter betragen. Der mittlere Verbrauch des Fahrzeuges wird mit 1,6 kWh pro Kilometer angenommen. Erfolgt eine Hochstromladung an jeder vierten Halte- , stelle, so muß die Leistung der Gleichspannungsquelle etwa bei 200 KW liegen, um einen Dauerbetrieb des Linienbusses zu ermöglichen. Um derartige Laststöße nicht ungedämpft auf das speisende Netz einwirken zu lassen, ist die Zwischenschaltung des Energiespeichers 30 vorgesehen. Dieser Speicher wird zwischen den Hochstromladungen mit geringer Leistung aus dem speisenden Netz reaktiviert. Zur Vergleichmäßigung der Netzbelastung und zur Senkung des Anschlußwertes eignen sich stationäre Energiespeicher in Form von Batterien, Kreiseln und auch Wärmespeicher in Verbindung mit geeigneten Energiewandlern, evtl. kombiniert mit Kondensatoren. Die Zählung der abgegebenen Energie erfolgt zweckmäßigerweise ebenfalls auf der einspeisenden Drehstromseite.

Das Laden auf dem Betriebshof erfolgt vorschlagsgemäß nach dem IU-Ia-Ladeverfahren oder, weil hier eine Vielzahl von Stellflächen mit Versorgungseinrichtung vorhanden sein muß, nach dem Ladeverfahren gemäß Patentanmeldung P 22 11 966.0-32. Dieses Verfahren garantiert eine ausgeglichene Netzbelastung.

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Eine weitere an Endhaltestellen und auf Betriebshöfen vorteilhaft einsetzbare Ladetechnik kann außerdem Verwendung finden. Hierbei wird den Fahrzeugbatterien über die Versorgungsschienen eine Konstantspannung vorgegeben, die der maximal zulässigen Gasungsspannung im zweiten Teil der IU-Kennlinie entspricht. Die Strombegrenzungseinrichtung 31 verhindert zu Beginn des Ladevorganges die Ladung mit unzulässig hohen Strömen. Der Vorteil dieses Ladeverfahrens ist, eine große Anzahl Fahrzeuge gleichzeitig mit hohem Strom von nur einem Ladegerät aus bedienen zu können. Auch auf dem Betriebshof erfolgt die Zählung der aufgenommenen Energie auf der Drehstromseite.

Sämtliche in den angeführten Ausführungsbeispielen aufgezeigten Methoden des Nachladens sind selbstverständlich kombinierbar. Auch die Anwendung weiterer Ladeverfahren, die hier nicht aufgeführt sind, ist denkbar. Durch Verlagerung des Gleichrichters in dem Fahrzeugbereich ist die Ausführung der Versorgungsschienen mit Wechsel- oder Drehstrom ebenfalls denkbar.

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Claims

Andrejewski, Honke & Gesthuysen, tenwälte/ 4300 Essen 1, Theaterpkriz 3

Ansprüche

( 1.)Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit elektrischem Energiespeicher, die im statistischen Mittel während einer Einsatzzeit eine Stillstandszeit aufweisen, die insgesamt mindestens einige Stunden pro Tag ergibt, und die zwischen Fahrstrecken an Stillstandsplätzen für eine Haltezeit anhalten oder für eine Abstellzeit abgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher der Kraftfahrzeuge (die mit einem aufgeladenen Energiespeicher auf ihre Fahrstrecke geschickt worden sind) an zumindest einigen .Stillstandsplätzen während der üblichen Haltezeit oder Abstellzeit an diesen Stillstandsplätzen mit dem öffentlichen Netz verbunden werden und dazu die Kraftfahrzeuge am Stillstandsplatz in eine vorgegebene Stellung einfahren und an eine dort installierte, den Grundsätzen der elektrischen Energieversorgungstechnik folgenden, Versorgungseinrichtung angekuppelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gleichmäßige Netzbelastung gesorgt wird, und zwar dadurch, daß mit möglichst geringer Leistung über die gesamte vom Fahrzeug her vorbestimmte Stillstandszeit nachgeladen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von dem Ladevorgang mit gleichmäßiger Netzbelastung Hochstromladungen für einzelne Fahrzeuge möglich sind, und daß dazu diesen ein dem Entladezustand der Batterie angepaßter höherer Strom im Rahmen des Gesamtanschlußwertes zum Nachladen angeboten wird.

409883/0482

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4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 für Kraftfahrzeuge mit elektrisch aufladbaren Energiespeichern, zugeordneten festen oder willkürlichen Fahrstrecken und zugeordneten Stillstandsplätzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stillstandsplätze elektrische Energieversorgungseinrichtungen (4, 5, 6, 19, 24, 25, 27, 28, 29) und die Kraftfahrzeuge (1) daran ankuppelbare Energiespeicher (2) aufweisen, und daß den Energieversorgungseinrichtungen und/oder den Kraftfahrzeugen Kupplungsvorrichtungen (8, 16, 18, 21, 24, 26) zugeordnet sind, die beim Einfahren eines Kraftfahrzeuges (1) in den Stillstandsplatz automatisch den Energiespeicher (2) des Kraftfahrzeuges an die Energieversorgungseinrichtung ankuppeln.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtung aus der Energieversorgungseinrichtung (4, 5, 6) zugeordneten, vor- und rückbewegbaren Kontakten (16) und aus am Fahrzeug (1) angeordneten Gegenkontakten (8) besteht.
6. Anlage nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kupplungsvorrichtung aus einem übertrager (21, 24) besteht, dessen Ladetransformator (24) in einer Ladeplanke (20) des Stillstandsplatzes und dessen Ankopplungsteil (21) am Fahrzeug z. B. in einer Stoßstange angeordnet ist.
7. Anlage nach den Ansprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung aus der Energieversorgungseinrichtung (25, 27, 28, 29) zugeordneten ortsfest angeordneten Versorgungsschienen (25) und am Kraftfahrzeug (1) befestigten Stromabnehmerbügeln bestehen (26) und die so eingerichtet sind, daß nicht nur während der Stillstandszeit des Fahrzeuges sondern auch während der Ein- und Ausfahrphase eine Nachladung des Speichers erfolgt und der Anfahrstrom des Fahrzeuges aus dem Versorgungsnetz gedeckt wird.

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8. Anlage nach den Ansprüchen 4,5,6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz besteht.
9. Anlage nach den Ansprüchen 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung aus einem Gleichstromnetz (6, 25) besteht, welches über ein Gleichrichterladegerät (5, 27) an ein Wechsel- oder Drehstromnetz (4, 29) angeschlossen ist.
10. Anlage nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Netzseite ein langsam aufladbarer Hochstrom abgebender Speicher stationär angeordnet ist und die Aufladeeinrichtung für den Energiespeicher der Kraftfahrzeuge für Hochstromaufladung ausgelegt ist.

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