DE102009018180A1

DE102009018180A1 - Batteriewechselstation für wiederaufladbare Batterie

Info

Publication number: DE102009018180A1
Application number: DE102009018180A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kitto
Original assignee: DIETER KITTO WERKZEUG und MASC; DIETER KITTO WERKZEUG- und MASCHINENBAU GmbH
Current assignee: DIETER KITTO WERKZEUG und MASC; DIETER KITTO WERKZEUG- und MASCHINENBAU GmbH
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine vollautomatische Batteriewechselstation vorzugsweise für Elektrofahrzeuge. Der Betrieb einer Batteriewechselstation soll vereinfacht und die Kosten für das Wiederaufladen der Batterien sollen gesenkt werden. Die Batteriewechselstation weist eine Wechseleinrichtung mit in Fahrtrichtung bewegten Spurschienen (13) sowie eine Entnahmeeinheit (7) für leere Akkus (5) und eine Ladeeinrichtung (11) für wiederaufladbare Batterien auf. Die Ladeeinrichtung (11) ist mit einer Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie verbunden und über eine Einspeisung (23) mit dem öffentlichen Stromnetz (24) gekoppelt. Nach dem Aufladen wird das Kraftfahrzeug (2) zur nachfolgenden Bestückungseinheit (8) bewegt, wo eine geladene Batterie (9) eingesetzt wird. In der Batteriewechselstation können wiederaufladbare Batterien zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen (2) und Krafträdern (25) oder dergleichen vollautomatisch ausgetauscht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriewechselstation für wiederaufladbare Batterien zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Krafträdern und elektrische, mit wiederaufladbaren Batterien angetriebenen Maschinen und Geräten.
Das Wiederaufladen von Batterien erfordert einen vergleichsweise langen Zeitraum, wodurch der Einsatz von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen nach wie vor eingeschränkt wird. In der DE 295 05 733 U1 wurde ein Schnellladesystem für Elektroautos vorgeschlagen, das aus einer stationären Ladeeinheit mit einem Schnellladegerät besteht, mit dem wiederaufladbare Batterien von Elektroautos innerhalb von etwa 1–2 Stunden zu 70% geladen werden. Die restliche Energie soll zu Hause nachgeladen werden. Die Schnellladestation mit einem Hochfrequenz-Schaltnetzteil wird an ein vorhandenes Drehstromnetz angeschlossen. Für die Abrechnung des Stromverbrauchs ist ein Stromzähler mit Münzautomat oder mit Scheckkarten vorgesehen. Nach dem Münzeinwurf wird die entnehmbare Leistung in kWh über ein Display angezeigt.
In der DE 42 29 687 A1 wurde eine Batteriewechselstation für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, bei der leer gefahrene Batterien durch preiswert geladene Batterien ohne Wartezeit ersetzt werden. In der Batteriewechselstation wird ein Batterievorrat angelegt, der für einen Zeitraum von mindestens 5 Stunden eine ausreichende Anzahl von benötigten Batterien gewährleistet. In dieser Zeit sollen entladene Batterien nachts durch billigen Nachtstrom und tagsüber unter Nutzung der Sonnenenergie aufgeladen werden. Bei der Verwendung von Nachtstrom aus dem Stromnetz der öffentlichen Stromversorgung ergibt sich ebenfalls die Notwendigkeit der lückenlosen Erfassung und Abrechnung des Stromverbrauchs für jeden einzelnen Abnehmer.
Gemäß der DE 42 35 049 C1 ist es daher erforderlich Elektrotankstellen einzurichten, an denen die Batterien der Elektrofahrzeuge bei entsprechender Entladung gegen voll aufgeladene Batterien ausgetauscht werden können. Um zu vermeiden, dass nur teilweise geladene Batterien ausgegeben werden, ist eine ständige Überprüfung des Ladezustandes erforderlich. Die Wechselstation gibt eine vollgeladene Batterie nur dann frei, wenn durch Eingabe einer entsprechenden persönlichen Kennung die Berechtigung zur Entnahme einer Batterie von dem Wechselsystem festgestellt wird. Die Berechtigung kann dann vorliegen, wenn beispielsweise die entsprechenden Kosten an einer Kasse entrichtet wurden oder ein Abbuchungsauftrag oder dergleichen vorliegt. Die Ladeeinrichtung ist zusätzlich mit Messgeräten und einem Computer auszustatten, damit die zum Wiederaufladen einer bestimmten Batterie notwendige elektrische Leistung gemessen und einem bestimmten Benutzer die entsprechenden Kosten zu Abrechnungszwecken zugeordnet werden.
Ebenso beschreibt die DE 102006047654 A1 eine Tankstelle für Fahrzeuge mit Elektroantrieben, bei der eine Einrichtung zum Ermitteln der dem Fahrzeug netto zugeführten Energiemenge vorgesehen ist. Auf Basis dieser Energiemenge können dann die Tankkosten bestimmt werden. Die netto zugeführte Energiemenge ergibt sich als Differenz aus der im ausgetauschten Energiespeicher enthaltenen Energiemenge und der im Ersatz-Energiespeicher enthaltenen Energiemenge. Zur Berechnung der Energiemenge eines Energiespeichers werden Batterie – Zustandserkennungs-Einrichtungen eingesetzt. Die entsprechenden Daten können per Funk an eine externe Steuereinheit gesendet werden. Die Steuereinheit berechnet die Differenz der Energien und daraus die Kosten für den Tankvorgang.
Die DE 102007032210 A1 beschreibt eine Austauschstation für Akkumulatoren, um eine flächendeckende Versorgung mit anmietbaren Akkumulatoren zu sichern, die den Nutzern von Elektrofahrzeugen zur Verfügung stehen. Das Bezahlen des Ladevorganges kann von dem Inneren des Fahrzeugs aus erfolgen. Es ist eine automatische Detektion des Kraftfahrzeuges und des Typs des Ladevorganges mittels Transpondertechnik oder das Anfahren einer seitlich zum Fahrzeug angebrachten Bezahlungsstation und das Einschieben von Geldscheinen oder Kreditkarten oder dergleichen in die Bezahlungsstation vorgesehen. Die Austauschstation vermietet die Akkumulatoren an die fahrzeugbenutzenden Personen. Die Austauschstation versorgt die Akkumulatoren mit Energie. Die fahrzeugbenutzende Person zahlt eine Pauschale für den Akkumulator. Darüber hinaus zahlt die fahrzeugbenutzende Person die Kosten für die empfangene Energie an die Austauschstation
Diese nach dem Stand der Technik nach Art einer Tankstelle für Flüssigkraftstoffe oder Gase bekannten Abrechnungssysteme sind auf eine so genannte Elektrotankstelle nicht übertragbar, weil ein erheblicher Aufwand für die Abrechnung der Energie aus einem öffentlichen Stromnetz erforderlich ist. Die dadurch entstehenden Kosten für die Erfassung des Aufwands für das Wiederaufladen der Batterien in einer Batteriewechselstation stehen der weiteren Verbreitung von Elektrofahrzeugen entgegen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Batteriewechselstation zu vereinfachen und die Kosten für das Wiederaufladen der Batterien zu senken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Batteriewechselstation gelöst, die eine Wechselstation mit einer Ladeeinrichtung für wiederaufladbare Batterien aufweist, die mit einer Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie verbunden und über eine Einspeisung mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt ist. Auf diese Weise kann der in einer Batterietankstelle erzeugte elektrische Strom in ein öffentliches Stromnetz eingespeist und gespeichert werden. Der Vorteil einer Tankstelle für Flüssigkraftstoff ist darin begründet, dass der Flüssigkraftstoff in großer Menge gespeichert und in kleinen Tankfüllungen abgezapft werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Batteriewechselstation kann der elektrische Strom in vergleichbarer Weise gespeichert und in Form von Batterieladungen getankt werden.
Der beispielsweise mit einer Photovoltaikanlage ständig erzeugte Strom zum Wiederaufladen von Batterien muss sofort verbraucht werden. Aus diesem Grund soll die nicht zum Aufladen benötigte Energie in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie kann eine Photovoltaikanlage, eine Windenergieanlage, eine Wasserkraftanlage, eine Biomasseanlage oder eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus Erdwärme aufweisen. Diese regenerativen Energiequellen können alternativ oder untereinander kombiniert eingesetzt werden. Die Einspeisung in das Stromnetz erfolgt mit einem Stromwandler, mit dem der Gleichstrom mit einem netzgeführten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Batteriewechselstation ist dadurch gegeben, dass diese und die Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie eine gemeinschaftlich genutzte Anlage ist. Wenn die Batteriewechselstation einer Eigentümergemeinschaft zugeordnet ist, kann auf die Erfassung von einzelnen Nutzungen vollständig verzichtet werden. Eine individuelle Nutzung kann bei gleichen Batterien und vergleichbaren Fahrzeugen beispielsweise anhand der Kilometerleistung abgerechnet werden. Auf eine Einrichtung zur nutzerspezifischen Verbrauchskostenerfassung kann damit verzichtet werden. Die Kosten für eine Batteriewechselstation können erheblich gesenkt werden. Der Vorteil einer Batteriewechselstation mit Einspeisung in ein Stromnetz ist darin begründet, dass eine aus der Netzeinspeisung erzielte Vergütung zum Betrieb der Batteriewechselstation verwendet werden kann. Dadurch erhöht sich die Attraktivität des Gebrauchs und der Anschaffung von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen.
Eine Zugangskontrolle für die Mitglieder einer Eigentümergemeinschaft kann mittels einer persönlichen Chip-Karte und einer persönlichen PIN mit einer persönlichen Identifikationsnummer vorgenommen werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigt
1 eine Batteriewechselstation mit einer Wechseleinrichtung für wiederaufladbare Batterien,
2 die Batteriewechselstation nach 1 im Querschnitt,
3 eine Batteriewechselstation für Krafträder und
4 die Energieversorgung einer Batteriewechselstation mit regenerativer Energie in schematischer Darstellung.
In 1 ist stark schematisiert eine vollautomatische Batteriewechselstation für wiederaufladbare Batterien zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Krafträdern und dergleichen dargestellt. Neben elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen und Krafträdern können in der Batteriewechselstation verschiedene Elektrofahrzeuge und elektrische, mit wiederaufladbaren Batterien angetriebene Maschinen und Geräte mit wiederaufladbaren Batterien versorgt werden. Mit der vorgeschlagenen Batteriewechselstation ist es möglich, an Elektrofahrzeugen, sehr schnell und effizient, den leeren Akku gegen eine wiederaufladbare Batterie auszutauschen. Der Vorteil liegt in diesem Fall darin, dass das Fahrzeug nach dem Wechseln direkt wieder fahrbereit ist und es nicht stundenlang außer Betrieb ist, wenn der Akku im eingebauten Zustand geladen wird. Zusätzlich erleichtert und beschleunigt die Bestückung von unten den Vorgang erheblich.
Die Funktion und der Ablauf des Batteriewechsels werden in den folgenden Punkten näher verdeutlicht. Die in 1 gezeigte Batteriewechselstation umfasst eine vollautomatische Wechseleinrichtung mit Spurschienen 13, die ähnlich einer Rangiervorrichtung in einer Waschanlage in Fahrtrichtung bewegt werden, weil das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug 2 nach der Entnahme der wiederaufladbaren Batterie nicht weiter fahrbar ist. Vor dem Auffahren auf die Batteriewechselstation wird mit Hilfe von in 2 gezeigten Sensoren 3 automatisch die Spurbreite des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2 vermessen.
Anschließend werden die Spurschienen 13, in wenigen Sekunden, mit Hilfe von Stellmotoren 1 auf die Breite der Fahrzeugspur angepasst. So kann das Kraftfahrzeug 2 optimal ausgerichtet auffahren. Wird das Kraftfahrzeug 2 nun auf die Spurschienen 13 der Wechseleinrichtung aufgefahren, so muss es soweit bewegt werden, dass die Räder in beispielsweise dafür vorgesehenen Mulden stehen, die jeweils an beiden Spurschienen 13 vorhanden sind. In den Mulden wird das Kraftfahrzeug 2 in Fahrtrichtung positioniert. Hat das Kraftfahrzeug 2 diese Position eingenommen, steht es direkt über der Entnahmeeinheit 7 und der leere Akku 5 kann entnommen werden. Die Entnahme des leeren Akkus 5 erfolgt mittels einer Plattform 6, mit welcher der Akku 5 in einem Batterietrog 14 des Kraftfahrzeugs 2 verriegelt ist.
Nach der Entnahme des leeren Akkus 5 wird das Kraftfahrzeug 2 mittels der in Fahrtrichtung bewegbaren Spurschienen 13 zur nachfolgenden Bestückungseinheit 8 bewegt, wo dann wieder eine geladene Batterie 9 eingesetzt wird. Unterhalb der Verfahreinheit mit den Spurschienen 13 werden die entnommenen leeren Akkus 10 mit einer Ladeeinrichtung 11 für den nächsten Einsatz wieder geladen.
Zur Bedienung der Anlage ist gemäß 2 ein Terminal 4 vorgesehen, an dem, bei kommerziellem Gebrauch, auch bezahlt werden kann. Das Terminal 4 ist ebenfalls mit einer Anlagensteuerung 12 verbunden, mit welcher die Batteriewechselstation gesteuert werden kann. Vorzugsweise enthält das Terminal 4 eine Zugangskontrolle für die Mitglieder einer Eigentümergemeinschaft der Batteriewechselstation. Die Zugangskontrolle kann mittels einer persönlichen Chip-Karte und einer persönlichen PIN mit einer persönlichen Identifikationsnummer vorgenommen werden. Die Realisierung der Zugangskontrolle kann auch mit Zugangskontrollsystemen erfolgen, die beispielsweise bei Gemeinschaftsgaragen bereits vorhanden sind. Mit Hilfe von Datenfunklösungen oder von Handsendern werden bereits Garagentor – Schließsysteme für Zugangsberechtigte realisiert. Mit der Zugangskontrolle lässt sich eindeutig sicherstellen, dass es sich bei dem Benutzer der Batteriewechselstation um einen berechtigten Nutzer handelt.
Ein berechtigter Nutzer kann beispielsweise das Mitglied einer Garagengemeinschaft sein, bei der den Gemeinschaftsgaragen eine Batteriewechselstation zugeordnet ist. In diesem Fall ist die Garagengemeinschaft gleichzeitig die Betreiberin der Batteriewechselstation. Nach 3 kann eine Batteriewechselstation speziell für elektrisch betriebene Motorräder 15 oder Krafträder ausgebildet werden. Die Funktions- und Ablaufweise ist im Wesentlichen gleich mit der im Vorfeld beschriebenen. Jedoch muss zum Wechseln der Akkus 5 an Zweiradfahrzeugen ein dafür angepasster Aufbau der Wechseleinrichtung verwendet werden, um diese Fahrzeugart aufnehmen, fixieren und befördern zu können. Auch die Dimensionierung der Anlage fällt etwas kleiner aus. In diesem Fall bietet es sich an, dass die Batteriewechselstation beispielsweise durch einen Motorradklub betrieben wird.
Diese Auswahl soll die Erfindung jedoch nicht einschränken. Vielmehr kann die Batteriewechselstation im Rahmen der Erfindung einem privaten oder kommunalen Unternehmen, einer Behörde oder beispielsweise einer Taxigenossenschaft zugeordnet werden, um den Aufbau und den Betrieb der Batteriewechselstation an möglichst übereinstimmende elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge anzupassen und zu vereinfachen.
Eine besonders effektive Verwirklichung der Erfindung kann auf der Grundlage einer Solargemeinschaft verwirklicht werden. Die Solargemeinschaft ist Eigentümerin einer in 4 dargstellten Photovoltaikanlage 16 zur Erzeugung von regenerativer Energie. Das Eigentum an der Photovoltaikanlage 16 wird prozentual zur Gesamtanlage ausgewiesen. Mit den Erlösen aus dem Stromverkauf kann die Batteriewechselstation betrieben werden. Die Photovoltaikanlage 16 kann auch vorteilhaft einem Garagenkomplex zugeordnet werden, bei dem genügend Fläche für das Aufstellen von Solarmodulen zur Verfügung steht. Natürlich kann die vorgeschlagene Batteriewechselstation auch unternehmerisch betrieben werden.
Mittels einer an die Ladeeinrichtung 11 angeschlossenen Photovoltaikanlage 16 können die wiederaufladbaren Batterien ökologisch geladen werden. Überwiegend beziehungsweise soweit es möglich ist, soll der zum Laden benötigte Strom aus einer Photovoltaikanlage 16 gewonnen werden. Um die Batteriewechselstation möglichst Platz sparend zu gestalten, sollte sie bei Möglichkeit, auf einem vorhandenen Dach aufgestellt werden. Zur zusätzlichen Effizienz- und Sicherheitssteigerung ist es möglich, die Photovoltaikelemente auf einem beweglichen Gestell aufzubauen, um dem Sonnenverlauf folgen zu können und so immer den optimalen Lichteinfall zu erreichen. Zusätzlich soll es möglich sein, dass die Elemente bei sehr windiger Witterung flach umgelegt werden können, um so Beschädigungen zu vermeiden, die durch die großen Angriffsflächen entstehen können.
Tritt der Fall auf, dass die Sonnenenergie nicht ausreicht, um die wiederaufladbare Batterien zu laden, so kann ein kleines Kraftwerk 17 zum Einsatz kommen, das wahlweise mit Erdgas oder Biokraftstoff oder Biomasse betrieben werden kann. Damit ist eine sehr geringe CO₂ Belastung zu erreichen. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme kann im Winterbetrieb zum Heizen von Gebäuden 18 mit Heizkörpern 19 verwendet werden. Aber auch eine ganzjährige Bereitstellung von Warmwasser 20 ist möglich. Wird das Kraftwerk 17 in der Sommerzeit betrieben, in der keine Heizung benötigt wird, ist es auch möglich, die entstehende Abgaswärme mit Hilfe von Thermoelementen 21 ebenfalls in Strom umzuwandeln.
Der regenerative Strom, der durch die Photovoltaikanlage 16, das Kraftwerk 17, eine Windenergieanlage, eine Wasserkraftanlage oder einer Anlage zur Erzeugung von Energie aus Erdwärme erzeugt wird, wird mit Hilfe eines Spannungsumwandlers 22 so umgewandelt, dass er zum Laden der Akkus benutzt werden kann oder auch so, dass der überschüssige Strom über eine Einspeisung 23 in das umliegende Stromnetz 24 eingespeist werden kann. Die Einspeisung in das Stromnetz wird mit einem Gleichstromwandler vorgenommen, wobei mit einem netzgeführten Wechselrichter der entsprechende Wechselstrom erzeugt wird. Die Batteriewechselstation kann somit ökologisch und kostengünstig betrieben werden. Dadurch wird die Akzeptanz und Attraktivität von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen weiter erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 29505733 U1 [0002]
- DE 4229687 A1 [0003]
- DE 4235049 C1 [0004]
- DE 102006047654 A1 [0005]
- DE 102007032210 A1 [0006]

Claims

Batteriewechselstation für wiederaufladbare Batterien zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen (2), Krafträdern (25) und elektrischen, mit wiederaufladbaren Batterien angetriebene Maschinen und Geräten, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriewechselstation eine Wechseleinrichtung mit einer Ladeeinrichtung (11) für wiederaufladbare Batterien aufweist, die mit einer Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie verbunden und über eine Einspeisung (23) mit dem öffentlichen Stromnetz (24) gekoppelt ist.
Batteriewechselstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung (23) in das Stromnetz (24) mit einen Gleichstromwandler in Wechselstrom und einen netzgeführten Wechselrichter aufweist.
Batteriewechselstation nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine Wechseleinrichtung mit in Fahrtrichtung bewegten Spurschienen (13).
Batteriewechselstation nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechseleinrichtung Sensoren (3) zum Vermessen der Spurbreite des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (2) aufweist, wobei die Spurschienen (13) mit Hilfe von Stellmotoren (1) auf die Breite der Fahrzeugspur einstellbar sind.
Batteriewechselstation nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spurschienen (13) in Fahrtrichtung Mulden zum Positionieren der Kraftfahrzeuge (2) aufweisen, wobei die Mulden einer Position über der Entnahmeeinheit (7) für leere Akkus (5) zugeordnet sind.
Batteriewechselstation nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeeinheit (7) eine Plattform (6) aufweist, mit welcher der Akku (5) in einem Batterietrog (14) des Kraftfahrzeugs (2) verriegelt ist.
Batteriewechselstation nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (2) mittels der Spurschienen (13) zur einer nachfolgenden Bestückungseinheit (8) für eine geladene Batterie (9) bewegbar ist.
Batteriewechselstation nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie eine Photovoltaikanlage (16) und/oder eine Windenergieanlage und/oder eine Wasserkraftanlage und/oder eine Kraftwerk (17) und/oder eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus Erdwärme aufweist.
Batteriewechselstation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Erzeugung von regenerativer elektrischer Energie eine gemeinschaftlich genutzte Anlage ist und das Terminal (4) mit einer Zugangskontrolle für eine Eigentümergemeinschaft versehen ist.