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DE102009045448B4 - Vehicle for driving in stages with an electric motor and a battery and method for driving a vehicle - Google Patents

Vehicle for driving in stages with an electric motor and a battery and method for driving a vehicle

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Publication number
DE102009045448B4
DE102009045448B4 DE102009045448.9A DE102009045448A DE102009045448B4 DE 102009045448 B4 DE102009045448 B4 DE 102009045448B4 DE 102009045448 A DE102009045448 A DE 102009045448A DE 102009045448 B4 DE102009045448 B4 DE 102009045448B4
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battery
vehicle
energy
electric motor
battery exchange
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German (de)
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Stefan Wallner
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Proton Motor Fuel Cell GmbH
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Abstract

Fahrzeug (2) für einen Fahrbetrieb in Etappen zwischen jeweiligen Batteriewechselstützpunkten mit etwaigen Zwischenhaltestellen, mit- einem Elektromotor (14) als Hauptantriebsmotor und- mit einer Energieversorgungseinrichtung für den Elektromotor (14), die wenigstens eine auf dem Dach (4) des Fahrzeugs (2) angebrachte wiederaufladbare Wechselbatterie (6) als Basisenergiequelle des Elektromotors (14), deren Energieinhalt im vollständig geladenen Zustand so bemessen ist, dass sie den voraussichtlichen Energiebedarf des Fahrzeugs (2) für die jeweils aktuelle Etappe zum nächsten Batteriewechselstützpunkt mit einer Sicherheitsmarge von 150% bis 250% abdecken kann, und- eine bedarfsweise als Notaggregat aktivierbare Reserveenergieversorgungseinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den Fall eines den Energieinhalt der wiederaufladbaren Wechselbatterie (6) überschreitenden Energiebedarfs des Elektromotors (14) zur Sicherstellung einer Fahrt zum nächsten Batteriewechselstützpunkt aufweist.Vehicle (2) for driving in stages between respective battery exchange bases with possible intermediate stops, with - an electric motor (14) as the main drive motor and - with an energy supply device for the electric motor (14), which has at least one rechargeable exchangeable battery (6) mounted on the roof (4) of the vehicle (2) as the basic energy source of the electric motor (14), the energy content of which, in the fully charged state, is dimensioned such that it can cover the anticipated energy requirement of the vehicle (2) for the respective current stage to the next battery exchange base with a safety margin of 150% to 250%, and - a reserve energy supply unit that can be activated as an emergency unit if necessary for providing electrical energy in the event that the energy requirement of the electric motor (14) exceeds the energy content of the rechargeable exchangeable battery (6) in order to ensure a journey to the next battery exchange base.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, welches in einem Fahrbetrieb in Etappen, beispielsweise einem Buslinienverkehr, eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug wird mit einem Elektromotor angetrieben, der durch eine wiederaufladbare Batterie mit Energie versorgt wird.The invention relates to a vehicle that can be used in a staged driving operation, for example, in a bus service. The vehicle is powered by an electric motor supplied with energy by a rechargeable battery.

Linienbusse liefern zum innerstädtischen Personennahverkehr einen erheblichen Beitrag. Linienbusse werden meist noch mit fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff betrieben. Trotz des schon geringen Verbrauchs pro Fahrgast, bieten die Fahrzeuge, die im Personennahverkehr üblicherweise auf stets wiederholt durchfahrenen Strecken betrieben werden, ein erhebliches Einsparungspotential sowohl für den Energieverbrauch als auch für die CO2 Emission.Regular buses make a significant contribution to inner-city public transport. Regular buses are still mostly powered by fossil fuels, such as diesel. Despite their already low fuel consumption per passenger, these vehicles, which are typically used on repetitive routes in local public transport, offer significant savings potential in both energy consumption and CO2 emissions.

Es werden bereits verschiedene Antriebsvarianten für derartige Fahrzeuge eingesetzt, die den Verbrauch fossiler Brennstoffe verringern oder gänzlich auf fossile Brennstoffe verzichten. So ist es bekannt, mit generatorisch betriebenen Verbrennungsmotoren elektrische Energie für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen. Zusätzlich können hier Hochleistungsbatterien oder Hochleistungskondensatoren (so genannte Ultra-Caps) Energie für kurzfristig hohen Leistungsbedarf, wie beim Beschleunigen oder bei Bergfahrten bereitstellen.Various drive variants are already being used for such vehicles that reduce fossil fuel consumption or eliminate fossil fuels altogether. For example, it is known to use generator-driven combustion engines to provide electrical energy for a vehicle's electric drive. In addition, high-performance batteries or high-performance capacitors (so-called ultra-caps) can provide energy for short-term high power requirements, such as during acceleration or when driving uphill.

Eine weitere Effizienzsteigerung lässt sich durch die Rückgewinnung von Bremsenergie und deren Speicherung in der Batterie und/oder den Kondensatoren erreichen. Dabei wird der Elektromotor des Fahrzeugs generatorisch und somit als „Bremse“ betrieben.A further increase in efficiency can be achieved by recovering braking energy and storing it in the battery and/or capacitors. In this case, the vehicle's electric motor operates as a generator, thus acting as a "brake."

Noch weiter bezüglich des Energieverbrauchs optimiertere Hybridantriebe verwenden anstelle des Verbrennungsmotors eine Brennstoffzelle, die chemisch elektrische Energie erzeugt. Zum Stand der Technik wird diesbezüglich z. B. auf die EP 1 868 837 B1 verwiesen. Eine Brennstoffzelle dient bei dem bekannten Antrieb als Hauptenergiequelle für den Elektromotor. Zur Bereitstellung kurzfristiger Spitzenleistungen sind sowohl eine Batterie als „Minuten-Speicher“ und eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Hochleistungskondensatoren als „Sekunden-Speicher“ vorgesehen. Bremsenergie kann durch den generatorisch betriebenen Elektromotor in die Batterie und die Kondensatoren rückgespeichert werden.Hybrid drives that are even more optimized in terms of energy consumption use a fuel cell instead of the combustion engine, which generates chemical electrical energy. The state of the art in this regard is, for example, EP 1 868 837 B1 A fuel cell serves as the main energy source for the electric motor in this known drive system. To provide short-term peak power, both a battery acts as a "minute storage" and a number of series-connected high-performance capacitors act as "second storage." Braking energy can be stored in the battery and capacitors by the generator-driven electric motor.

Allen vorstehend beschriebenen Energieversorungssystemen ist gemein, dass die Hauptenergiequelle nach wie vor fossiler Brennstoff oder andere kontinuierlich zugeführte, chemisch in elektrische Energie umsetzbare Energieträger sind. Um nahezu vollständig auf solche Energieträger verzichten zu können werden bereits Fahrzeuge eingesetzt, die mit einer Batterie als Hauptenergiequelle betrieben werden. Die wissenschaftliche Entwicklung in den letzten Jahren hat die Leistungsdaten von Batterien, wie zum Beispiel Energieinhalt, minimale Ladezeit oder die entnehmbare Leistung so gesteigert und die Kosten derart gesenkt, dass Batterien als alleinige Energieversorgung für Fahrzeuge, insbesondere Busse, praktikabel und wirtschaftlich interessant wurden. So wurden bereits Busse eingesetzt, in denen eine genügend groß dimensionierte Batterie verbaut wurde, um den Fahrbetrieb des Busses über den gesamten Tag sicherzustellen. Um die Energie für diesen Betrieb bereitzustellen, muss die Batterie einen sehr hohen Energieinhalt aufweisen, was zu erheblichen Batteriekosten und zu einem sehr großen Gewicht der Batterie führt.What all of the energy supply systems described above have in common is that their main energy source is still fossil fuels or other continuously supplied energy sources that can be chemically converted into electrical energy. In order to almost completely do without such energy sources, vehicles that are powered by batteries as their main energy source are already in use. Scientific developments in recent years have increased the performance of batteries, such as energy content, minimum charging time and the available power, and reduced their costs to such an extent that batteries have become practical and economically interesting as the sole energy source for vehicles, especially buses. Buses have already been used in which a sufficiently large battery was installed to ensure the bus can operate throughout the entire day. To provide the energy for this operation, the battery must have a very high energy content, which leads to considerable battery costs and a very high battery weight.

Ein weiterhin limitierender Faktor bei diesem System ist die Wiederaufladung der Batterie. Für die Wiederaufladung der Batterie eines Fahrzeugs der oben genannten Art, werden verschiedene Möglichkeiten angeboten. Bei einer fest verbauten Batterie im Fahrzeug muss die Batterie innerhalb einer üblicherweise kurzen Standzeit des Busses vollständig wieder aufgeladen werden. Eine solch schnelle Aufladung wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Batterie aus.Another limiting factor in this system is battery recharging. Various options are available for recharging the battery of a vehicle of the type mentioned above. With a permanently installed battery in the vehicle, the battery must be fully recharged within a typically short downtime of the bus. Such rapid charging has a detrimental effect on the battery's service life.

Es wurden auch induktive Ladelösungen an beispielsweise Zwischenhaltestellen des Busses vorgeschlagen. Hierbei muss aber in sehr kurzer Zeit eine sehr große Energiemenge in die Batterie geladen werden, was wieder die oben genannten Nachteile mit sich bringt.Inductive charging solutions have also been proposed, for example, at intermediate bus stops. However, these require a very large amount of energy to be charged into the battery in a very short time, which again brings with it the disadvantages mentioned above.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, Busse mit einer Wechselbatterie zu betreiben, derart, dass am Ende des Fahrbetriebs eines Tages die nahezu entladene Batterie gegen eine im Depot vollständig geladene Batterie auszutauschen ist. Dies erlaubt es, die Batterie wesentlich langsamer zu laden und damit ihre Lebensdauer zu erhöhen. Nachteilig wirkt sich bei dieser Möglichkeit allerdings das große Volumen und das sehr hohe Gewicht der Batterie und der robusten Batteriehalterungen am Bus aus. Solch schwere Batterien können nicht auf dem Dach des Busses abgestützt werden, da sie die Dachstabilität überfordern und den Schwerpunkt erheblich nach oben verlagern würden; statt dessen werden solche Batterien meist in einem schwer zugänglichen Bodenbereich des Busses verbaut.It has also been proposed to operate buses with a swappable battery, so that at the end of each day's service, the almost discharged battery is swapped for one that has been fully charged in the depot. This allows the battery to be charged much more slowly and thus increases its service life. The disadvantages of this option, however, are the large volume and very high weight of the battery and the robust battery mounts on the bus. Such heavy batteries cannot be supported on the roof of the bus, as they would overtax the roof stability and significantly shift the center of gravity upwards; instead, such batteries are usually installed in a difficult-to-access floor area of the bus.

EP 1 810 869 A1 betrifft einen elektrisch betriebenen Bus, der mit einem Kassettenbatteriesatz und einem am Bus montierten Steuerungssystem ausgestattet ist. Eine Ladestation ist an einem vorbestimmten Ort zum Laden von Kassettenbatteriesätzen angeordnet. Mittels einer im Bodenbereich des Busses betriebenen Lade- und Entladevorrichtung wird ein Kassettenbatteriesatz gewechselt. Ein Lade- und Entladesteuerungssystem, ein auf dem Bus montiertes Steuerungssystem und ein Ladesteuerungssystem können miteinander kommunizieren. Wenn das Lade- und Entladesteuerungssystem ein vom Bus-montierten Steuersystem des Busses gesendetes Signal empfängt, dass der Bus zur Ladestation zurückkehrt, bewegt sich die Lade- und Entladevorrichtung zu einer vorbestimmten Position. Wenn der Bus an der vorbestimmten Position ankommt, tauscht die Lade- und Entladevorrichtung Kassettenbatteriesätze aus, wodurch der Bus in der Lage ist, kontinuierlich betrieben zu werden. EP 1 810 869 A1 relates to an electrically powered bus equipped with a cassette battery pack and a bus-mounted control system. A charging station is provided at a predetermined location for charging cassette batteries. ries sets. A cassette battery pack is exchanged using a charging and discharging device operated in the floor area of the bus. A charging and discharging control system, a bus-mounted control system, and a charging control system can communicate with each other. When the charging and discharging control system receives a signal sent from the bus-mounted control system that the bus is returning to the charging station, the charging and discharging device moves to a predetermined position. When the bus arrives at the predetermined position, the charging and discharging device exchanges cassette battery packs, enabling the bus to operate continuously.

DE 10 2007 004 172 A1 betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Traktionsbatterie und einem elektrischen Fahrmotor sowie einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Generator. Sollte die Traktionsbatterie einen Fehlerzustand aufweisen oder entladen sein und keine oder nur geringe Energie an den Umrichter und den elektrischen Fahrantrieb bereitstellen können, so ist beispielsweise vorgesehen, dass der verbrennungsmotorisch angetriebene Generator aktiviert wird und dass dann mit der bereitgestellten elektrischen Energie der elektrische Fahrantrieb gespeist wird, so dass ein Notfahrbetrieb, in der Regel mit begrenzter Fahrgeschwindigkeit, durchführbar ist. DE 10 2007 004 172 A1 relates to a motor vehicle with at least one traction battery and an electric traction motor, as well as a combustion engine-driven generator. Should the traction battery be faulty or discharged and be unable to provide any or only limited power to the converter and the electric traction drive, the combustion engine-driven generator is activated, for example, and the provided electrical energy is then used to power the electric traction drive, enabling emergency operation, usually at a limited speed.

DE 198 13 146 A1 betrifft ein Spannungsversorgungssystem zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug, dessen Räder von einer Gleichspannungsversorgung angetrieben werden, welche eine Kombination aus einer wiederaufladbaren Hochenergiebatterie und einer Hochleistungsbatterie umfasst, sowie ein Spannungsversorgungssystem zur Verwendung in einem hybriden Elektrofahrzeug, dessen Räder von einem internen Verbrennungsmotor und einer Gleichspannungsversorgung angetrieben werden, welche eine Kombination aus einer wiederaufladbaren Hochenergiebatterie und einer Hochleistungsbatterie umfasst. DE 198 13 146 A1 relates to a power supply system for use in an electric vehicle whose wheels are driven by a DC voltage supply comprising a combination of a rechargeable high-energy battery and a high-performance battery, and to a power supply system for use in a hybrid electric vehicle whose wheels are driven by an internal combustion engine and a DC voltage supply comprising a combination of a rechargeable high-energy battery and a high-performance battery.

EP 1 868 837 B1 betrifft ein Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Antriebseinheit, eine erste Stromquellenschaltung, eine zweite ladbare und entladbare Stromquellenschaltung, die parallel zur Antriebseinheit geschaltet ist, und einen elektrischen Zwischenkreis, der mit der ersten und der zweiten Stromquellenschaltung und mit der Antriebseinheit verbunden ist. Eine Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie einen veränderbaren Sollwert für eine Spannung des Zwischenkreises in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit einstellt und die Leistungsabgabe der ersten Stromquellenschaltung in Abhängigkeit des Sollwerts und der Spannung des Zwischenkreises einstellt. EP 1 868 837 B1 relates to a drive system for an electrically powered vehicle, comprising an electric drive unit operable as a motor and generator, a first power source circuit, a second chargeable and dischargeable power source circuit connected in parallel with the drive unit, and an electrical intermediate circuit connected to the first and second power source circuits and to the drive unit. A control device is configured to set a variable setpoint for a voltage of the intermediate circuit as a function of the vehicle speed and to set the power output of the first power source circuit as a function of the setpoint and the voltage of the intermediate circuit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer kostengünstigen Energieversorgung bereitzustellen, die weitgehend auf physikalisch oder chemisch umzusetzende und kontinuierlich zuzuführende Treibstoffe verzichtet und dessen Energiemanagement nur geringen Aufwand erfordert.The object of the present invention is to provide a vehicle with a cost-effective energy supply which largely dispenses with physically or chemically converted and continuously supplied fuels and whose energy management requires only minimal effort.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug für einen Fahrbetrieb in Etappen zwischen jeweiligen Batteriewechselstützpunkten mit etwaigen Zwischenhaltestellen gemäß dem Patentanspruch 1, insbesondere mit einem Elektromotor als Hauptantriebsmotor und mit einer Energieversorgungseinrichtung für den Elektromotor, die wenigstens eine auf dem Dach des Fahrzeugs angebrachte wiederaufladbare Wechselbatterie als Basisenergiequelle des Elektromotors, deren Energieinhalt im vollständig geladenen Zustand so bemessen ist, dass sie den voraussichtlichen Energiebedarf des Fahrzeugs für die jeweils aktuelle Etappe zum nächsten Batteriewechselstützpunkt mit einer Sicherheitsmarge von 150%-250% abdecken kann und eine bedarfsweise als Notaggregat aktivierbare Reserveenergieversorgungseinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den Fall eines den Energieinhalt der wiederaufladbaren Wechselbatterie überschreitenden Energiebedarfs des Elektromotors zur Sicherstellung einer Fahrt zum nächsten Batteriewechselstützpunkt aufweist.The object is achieved by a vehicle for driving in stages between respective battery exchange bases with possible intermediate stops according to patent claim 1, in particular with an electric motor as the main drive motor and with an energy supply device for the electric motor, which has at least one rechargeable exchangeable battery mounted on the roof of the vehicle as the basic energy source of the electric motor, the energy content of which in the fully charged state is dimensioned such that it can cover the anticipated energy requirement of the vehicle for the respective current stage to the next battery exchange base with a safety margin of 150%-250% and a reserve energy supply unit which can be activated as an emergency unit if necessary for providing electrical energy in the event that the energy requirement of the electric motor exceeds the energy content of the rechargeable exchangeable battery in order to ensure a journey to the next battery exchange base.

Vorzugsweise umfasst die Energieversorgungseinrichtung zusätzlich wenigstens einen elektrischen Kondensator für die Bereitstellung von Energie für temporären Hochlastbetrieb des Elektromotors.Preferably, the energy supply device additionally comprises at least one electrical capacitor for providing energy for temporary high-load operation of the electric motor.

Ein in einem Linienverkehr betriebener Linienbus fährt üblicherweise eine vorherbestimmte Etappe ab, bevor er wieder zu seiner Endhaltestelle zurückkehrt. Diese Etappe wird dann wiederholt am Tag durchfahren. Meist sind die Etappen vergleichsweise kurz und werden beispielsweise in einer Zeit von etwa einer Stunde durchfahren. Da erfindungsgemäß eine Batterie im Fahrzeug verbaut ist, deren Energieinhalt mit einer bestimmten Sicherheitsmarge von 150%-250%, ausreicht, um das Fahrzeug auf der Etappe mit Energie zu versorgen, kann eine wesentlich kleinere und damit leichtere und kostengünstigere Batterie verbaut werden, als sie für einen Fahrbetrieb über den ganzen Tag nötig wäre. Um die Batterie auf einer Fahrt nicht vollständig zu entladen und auch eine gewisse Reserve mit zu führen, ist vorzugsweise der Energieinhalt der Batterie in der oben erwähnten Weise derart bemessen, dass er in etwa dem 1,5 bis 2,5-fachen des voraussichtlichen Energiebedarfs des Fahrzeugs auf der jeweiligen aktuellen Etappe entspricht.A bus operating on a scheduled service usually travels a predetermined leg before returning to its final stop. This leg is then traveled repeatedly throughout the day. These legs are usually comparatively short and are, for example, completed in a time of approximately one hour. Since, according to the invention, a battery is installed in the vehicle whose energy content, with a certain safety margin of 150%-250%, is sufficient to supply the vehicle with energy for the leg, a much smaller, and thus lighter, and more cost-effective battery can be installed than would be necessary for operation throughout the entire day. In order to avoid completely discharging the battery during a journey and to also carry a certain reserve, the energy content of the battery is preferably dimensioned in the manner mentioned above so that it is approximately 1.5 to 2.5 times the expected energy energy requirements of the vehicle on the current stage.

Um eine Tiefenentladung der Batterie oder gar ein Liegenbleiben des Fahrzeugs bei unerwartet erhöhtem Energiebedarf zu verhindern, wie er beispielsweise durch Umleitungsstrecken auf der üblichen Fahrstrecke des Fahrzeugs oder durch anhaltenden Stop- and Go-Verkehr verursacht werden kann, wird eine bedarfsweise aktivierbare Reserveenergieversorgungseinheit zur Verfügung gestellt, die normalerweise gar nicht zum Einsatz kommt. Diese Reserveenergieversorgungseinheit speist über einen Generator elektrische Energie in das System ein und lädt so die Batterie. Vorzugsweise ist die Reserveenergieversorgungseinheit ein Verbrennungsmotor, welcher einen Generator betreibt.To prevent the battery from becoming deeply discharged or even breaking down due to unexpectedly increased energy demand, such as can be caused by diversions along the vehicle's usual route or by persistent stop-and-go traffic, a backup power supply unit is provided that can be activated on demand but is not normally used. This backup power supply unit feeds electrical energy into the system via a generator, thus charging the battery. The backup power supply unit is preferably an internal combustion engine that drives a generator.

Bevorzugt ist die Maximalleistung des Verbrennungsmotors kleiner als 60 kW, insbesondere kleine als 30 kW.Preferably, the maximum power of the combustion engine is less than 60 kW, in particular less than 30 kW.

Die Reserveenergieversorgungseinheit soll lediglich ein Notaggregat darstellen, dass eine Fahrt zum nächsten Batteriewechselstützpunkt sicherstellt. Die Reserveenergieversorgungseinheit soll daher so klein dimensioniert sein, dass sie einen möglichst geringen Verbrauch, wenig Platzbedarf und geringes Gewicht hat. Sie wird also für den Hauptbetrieb des Fahrzeugs unterdimensioniert und daher nicht in der Lage sein, das Fahrzeug in üblicher Art und Weise zu betreiben.The backup power supply unit is intended solely as an emergency generator to ensure a trip to the nearest battery replacement station. The backup power supply unit should therefore be dimensioned so that it has the lowest possible power consumption, requires little space, and is lightweight. It will therefore be undersized for the vehicle's primary operation and therefore not capable of operating the vehicle in the usual manner.

Zum Bereitstellen von Energie für einen temporären Hochlastbetrieb, wie beispielsweise beim Beschleunigen können wenigstens ein, vorzugsweise mehrere in Reihe geschaltete elektrische Kondensatoren zur Verfügung stehen. Aufgrund der rein elektrostatischen Energiespeicherung in den Kondensatoren können diese ohne Beschädigung schnell be- und entladen werden und weisen dabei eine relativ geringe Verlustleistung bei gleichzeitig nahezu unmittelbarer Leistungsbereitstellung auf.To provide energy for temporary high-load operation, such as during acceleration, at least one, preferably several, series-connected electrical capacitors can be used. Due to the purely electrostatic energy storage in the capacitors, they can be charged and discharged quickly without damage and exhibit relatively low power loss while simultaneously providing almost instantaneous power.

Besonders bevorzugt ist es, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, bei Unterschreiten eines vorbestimmten Teilentladezustandes der wiederaufladbaren Wechselbatterie die Reserveenergieversorgungseinheit automatisch zuzuschalten.It is particularly preferred that the energy supply device comprises a control device which is designed to automatically switch on the reserve energy supply unit when the rechargeable exchangeable battery falls below a predetermined partial discharge state.

Vorzugsweise entspricht dieser Teilentladezustand 30% bis 60% des Vollladezustandes. Weiterhin ist das Fahrzeug vorzugsweise dazu eingerichtet, elektrisch umgesetzte Bremsenergie in die Batterie oder/und den Kondensator zu speichern, vorzugsweise durch den Betrieb des Elektromotors als Generator. Die Rückgewinnung von Bremsenergie erhöht weiterhin die Energieeffizienz des Antriebs. Gerade durch den regelmäßigen Halt an Zwischenhaltestellen in einem Linienverkehr fällt erheblich Bremsenergie an.This partial discharge state preferably corresponds to 30% to 60% of the full charge state. Furthermore, the vehicle is preferably configured to store electrically converted braking energy in the battery and/or the capacitor, preferably by operating the electric motor as a generator. The recovery of braking energy further increases the energy efficiency of the drive. Considerable braking energy is generated, especially due to the regular stops at intermediate stops in scheduled service.

Simulationen des Erfinders haben gezeigt, dass der Energieinhalt der Batterie vorzugsweise so zu dimensionieren ist, dass für jeden Kilometer einer Wegstrecke eine Energie zwischen 1,0 und 1,6 kWh, insbesondere 1,3 kWh einen optimalen Fahrbetrieb eines durchschnittlichen Linienbusses erlaubt. Dieser Wert kann in Abhängigkeit von dem Fahrzeuggewicht variieren und unter Umständen auch von dem angegebenen Intervall abweichen.Simulations by the inventor have shown that the battery's energy content should preferably be dimensioned such that, for each kilometer of travel, an energy supply of between 1.0 and 1.6 kWh, particularly 1.3 kWh, allows for optimal operation of an average public bus. This value can vary depending on the vehicle weight and may also deviate from the specified interval.

Vorzugsweise ist das Fahrzeug ein Linienbus.Preferably the vehicle is a regular bus.

Besonders bevorzugt wird eine Lithium-Ionen-Batterie als primäre Energiequelle.A lithium-ion battery is particularly preferred as the primary energy source.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf einer Fahrstrecke mit einer oder mehreren Etappen, wobei eine jeweilige Etappe durch einen ersten Batteriewechselstützpunkt als Anfangspunkt und einen zweiten Batteriewechselstützpunkt als Endpunkt begrenzt ist, wobei der Fahrbetrieb auf einer jeweiligen Etappe die folgenden Schritte umfasst: Zurücklegen einer Etappe von dem ersten Batteriewechselstützpunkt zum zweiten Batteriewechselstützpunkt; Anfahren etwaiger Zwischenhaltestellen auf der Etappe; wiederholtes Prüfen des Ladezustandes der wiederaufladbaren Wechselbatterie und automatisches Zuschalten der Reserveenergieversorgungseinheit, falls der Ladezustand einen vorbestimmten Teilentladezustandspegel unterschritten hat; Austauschen der Batterie am zweiten Batteriewechselstützpunkt gegen eine im Wesentlichen vollständig geladene Batterie.The object of the invention is further achieved by a method for driving a vehicle according to one of the preceding claims on a route with one or more stages, wherein each stage is delimited by a first battery exchange point as the starting point and a second battery exchange point as the end point, wherein the driving operation on a respective stage comprises the following steps: covering a stage from the first battery exchange point to the second battery exchange point; approaching any intermediate stops on the stage; repeatedly checking the charge level of the rechargeable exchangeable battery and automatically switching on the reserve energy supply unit if the charge level has fallen below a predetermined partial discharge level; exchanging the battery at the second battery exchange point with a substantially fully charged battery.

Das Fahrzeug beginnt seine Fahrt auf einer Etappe bei einem ersten Batteriewechselstützpunkt mit einer im Wesentlichen vollständig geladenen Batterie. Auf der Etappe werden etwaige Zwischenhaltestellen angefahren. Beim Erreichen des zweiten Batteriewechselstützpunkts am Ende der Etappe ist die Batterie signifikant so entladen, dass sie wieder aufgeladen werden sollte. An diesem zweiten Batteriewechselstützpunkt wird sodann diese entladene Batterie gegen eine im Wesentlichen vollständig geladene Batterie ausgetauscht. Auf der Etappe findet ein stetiges Prüfen des Ladezustands der wiederaufladbaren Wechselbatterie statt. Wird ein vorbestimmter Teilentladezustand erreicht, was im Normalfall nicht geschehen sollte, da die Batterie ausreichend groß dimensioniert ist, wird die Reserveenergieversorgungseinheit automatisch zugeschaltet.The vehicle begins its journey on a leg at a first battery swap station with a substantially fully charged battery. Any intermediate stops are made along the leg. Upon reaching the second battery swap station at the end of the leg, the battery is so significantly discharged that it requires recharging. At this second battery swap station, this discharged battery is then replaced with a substantially fully charged battery. The charge level of the rechargeable swap battery is continuously checked throughout the leg. If a predetermined partial discharge level is reached, which should not normally occur because the battery is sufficiently large, the reserve power supply unit is automatically activated.

Um einen möglichst effizienten Fahrbetrieb zu gestalten, findet das Austauschen der Batterie an einem jeweiligen Batteriewechselstützpunkt vorzugsweise automatisch statt. Dies kann beispielsweise durch eine dafür vorgesehene Batteriewechselvorrichtung, in welche der Bus hinein fährt, geschehen. An einem solchen Batteriewechselstützpunkt kann dann beispielsweise ein Lager mit Ladestationen für die ausgetauschten Batterien vorgesehen sein. Vorzugsweise wird dieses Lager automatisch betrieben und vollständig geladene Batterien, die gegen entladene Batterien ausgewechselt werden sollen, ebenfalls automatisch ausgewählt. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste und der zweite Batteriewechselstützpunkt derselbe Batteriewechselstützpunkt sind. Dies kann dann der Fall sein, wenn das Fahrzeug in einem Linienbetrieb betrieben wird, wobei es ausgehend von einer Endhaltestelle eine schleifenförmige Linie befährt und dann zu seiner Endhaltestelle zurückkehrt.In order to ensure the most efficient driving operation, the battery is preferably replaced automatically at each battery replacement station. This can be done, for example, by a dedicated battery replacement device into which the bus drives. At such a battery replacement station, a warehouse with charging stations for the replaced batteries can then be provided, for example. This warehouse is preferably operated automatically, and fully charged batteries that are to be replaced with discharged batteries are also selected automatically. It is particularly preferred if the first and second battery replacement stations are the same battery replacement station. This can be the case if the vehicle is operated in a scheduled service, starting from a terminal stop and traveling along a loop-shaped route and then returning to its terminal stop.

Es ist aber auch möglich, dass der Bus auf seiner Fahrstrecke mehrere verschiedene Batteriewechselstützpunkte anfährt, an denen wie oben beschrieben wiederaufladbare Wechselbatterien ausgetauscht werden. Die Verfahrensschritte auf einer einzelnen Etappe zwischen zwei Batteriewechselstützpunkten sind dieselben wie oben beschrieben. Das Energiemanagement ist somit an einen Etappen-Fahrbetrieb angepasst, wobei kleine, leicht gewichtige und preisgünstige Standardbatterien verwendet werden können, bei denen es auf die zum erneuten Laden erforderliche Zeit nicht besonders ankommt. Es müssen daher nicht teure Batterien mit Schnellladeeigenschaften verwendet werden.However, it is also possible for the bus to visit several different battery swap stations along its route, where rechargeable batteries are swapped as described above. The procedural steps for a single leg between two battery swap stations are the same as described above. The energy management is thus adapted to stage-drive operation, allowing the use of small, lightweight, and inexpensive standard batteries for which the recharging time is not particularly important. Therefore, there is no need to use expensive batteries with fast-charging capabilities.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

  • 1 zeigt einen mittels Elektromotor angetriebenen Gelenkbus mit einer Batterie auf seinem Dach als Energieversorgung;
  • 2 zeigt eine elektrische Schaltung mit einer Batterie zur Energieversorgung des Elektromotors des Gelenkbusses der 1;
  • 3 zeigt Verfahrensschritte für den Betrieb eines Linienbusses, der auf einer geschlossenen Etappe verkehrt, wobei jeweils an der Endhaltestelle die Batterie gewechselt wird;
  • 4 zeigt die Verfahrensschritte zum Betrieb eins mit einer Batterie betriebenen Fahrzeuges auf einer Fahrstrecke mit mehreren Etappen.
Embodiments of the invention are described below with reference to the figures.
  • 1 shows an articulated bus powered by an electric motor with a battery on its roof as power supply;
  • 2 shows an electrical circuit with a battery for supplying energy to the electric motor of the articulated bus of the 1 ;
  • 3 shows procedural steps for the operation of a scheduled bus that runs on a closed stage, with the battery being changed at each final stop;
  • 4 shows the process steps for operating a battery-powered vehicle on a multi-stage route.

In der 1 ist ein Gelenkbus 2 gezeigt, wie er häufig in einem Linienverkehr eingesetzt wird. Der Gelenkbus 2 wird durch einen nicht gezeigten Elektromotor angetrieben. Dieser Elektromotor wird primär durch eine auf dem Dach 4 des Gelenkbusses 2 angebrachte wiederaufladbare Wechselbatterie 6 mit Energie versorgt. Die Batterie 6 ist durch eine Befestigungsvorrichtung 8 so auf dem Dach angebracht, dass sie leicht ausgewechselt werden kann. Die Batterie 6 ist insbesondere so angebracht, dass sie durch eine automatische Batteriewechselvorrichtung vom Dach 4 des Busses 2 abgenommen werden kann und in entsprechender Weise durch eine baugleiche Batterie ersetzt werden kann.In the 1 An articulated bus 2 is shown, as is frequently used in scheduled service. The articulated bus 2 is driven by an electric motor (not shown). This electric motor is primarily powered by a rechargeable, replaceable battery 6 mounted on the roof 4 of the articulated bus 2. The battery 6 is attached to the roof by a fastening device 8 so that it can be easily replaced. In particular, the battery 6 is mounted so that it can be removed from the roof 4 of the bus 2 by an automatic battery changing device and replaced with an identical battery in a corresponding manner.

Die Batterie ist weiterhin mit einem Schutz 10 versehen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Für den Schutz 10 gilt ebenfalls, dass dieser so aufgebaut ist, dass ein einfacher und schneller Zugriff beim automatischen Batteriewechsel durch eine automatische Batteriewechselvorrichtung erfolgen kann.The battery is also provided with a protection 10 to protect it from environmental influences. Protection 10 is also designed to allow easy and quick access during automatic battery replacement using an automatic battery changing device.

Aufgrund der günstigen Leistungsdaten handelt es sich bei der Batterie vorzugsweise um eine Lithiumionenbatterie.Due to its favorable performance data, the battery is preferably a lithium-ion battery.

Die Batterie 6 ist die primäre Energiequelle für den elektrischen Antrieb des Busses 2. Der Energieinhalt der Batterie ist dabei so dimensioniert, dass er ausreicht, den Bus 2 in seinem normal ablaufenden Linienverkehr auf seiner Fahrstrecke von der Endhaltestelle entlang der gesamten Linie wieder zurück zur Endhaltestelle mit Energie zu versorgen. Es kann z. B. eine Sicherheitsmarge von 150%-250% kalkuliert sein, so dass der Bus unter den normalen Bedingungen die 1,5 bis 2,5-fache Etappenstrecke mit der Batterie als Energiequelle zurücklegen könnte. Ein gewisses Maß an Batteriereserve ist zweckmäßigerweise für die Fahrzeugklimatisierung zu berücksichtigen.Battery 6 is the primary energy source for the electric drive of bus 2. The battery's energy content is dimensioned to be sufficient to supply bus 2 with energy during its normal scheduled service on its entire route from the final stop along the route back to the final stop. For example, a safety margin of 150%-250% can be calculated, so that under normal conditions, the bus could cover 1.5 to 2.5 times the stage distance using the battery as the energy source. A certain amount of battery reserve should be considered for vehicle air conditioning.

Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung 12 ermöglicht auf Basis einer Batterie 6 als Grundenergieversorgungsquelle darüber hinaus eine zufriedenstellende Energieversorgung des Busses 2 in nahezu sämtlichen Fahrsituationen. Der Elektromotor 14 des Busses 2 wird über einen Wandler 16 angesteuert. Der Wandler 16 wandelt die in einem Schaltkreis 18 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors 14 um. Der Antriebsmotor 14 kann z. B. eine permanent erregte Synchronmaschine sein. Die Antriebsmaschine 14 kann auch als Generator betrieben werden, so dass die bei Generatorbetrieb erzeugte Leistung, beispielsweise bei einem Bremsvorgang im Wandler 16 in Gleichspannung umgewandelt wird und in den Schaltkreis 18 eingespeist wird. Es können selbstverständlich auch mehrere Antriebsmaschinen verwendet werden, die auf einer jeweiligen Radnarbe des Fahrzeugs plaziert sind und entsprechend in den Schaltkreis eingebunden sind.The 2 The circuit arrangement 12 shown, based on a battery 6 as the basic energy supply source, also enables a satisfactory energy supply to the bus 2 in almost all driving situations. The electric motor 14 of the bus 2 is controlled via a converter 16. The converter 16 converts the direct voltage provided in a circuit 18 into alternating voltage for operating the electric motor 14. The drive motor 14 can, for example, be a permanently excited synchronous machine. The drive machine 14 can also be operated as a generator, so that the power generated during generator operation, for example during a braking process, is converted into direct voltage in the converter 16 and fed into the circuit 18. Of course, several drive machines can also be used, which are placed on a respective wheel hub of the vehicle and are integrated into the circuit accordingly.

Zur Energieversorgung der Antriebsmaschine 14 stehen neben der Batterie 6 zwei weitere Energieversorgungssysteme zur Verfügung. Um kurzfristig hohe Leistungen bereitstellen zu können, sind als zweite Energieversorgungseinheit 20 mehrere Speicher zur Speicherung von elektrischer Ladung, insbesondere in Reihe geschaltete Doppelschichtkondensatoren 22 (Ultra-Caps) zur Batterie 6 parallel geschaltet. Die Kondensatoren, insbesondere Ultra-Caps, weisen eine sehr hohe Energiedichte auf und speichern Energie elektrostatisch. Im Gegensatz zu einem chemischen Energiespeicher wie einer Batterie, kann ein Kondensator hohe Leistungen schnell aufnehmen bzw. abgeben.To supply energy to the drive motor 14, in addition to the battery 6, two further Energy supply systems are available. In order to be able to provide high power levels at short notice, a second energy supply unit 20 comprises several storage devices for storing electrical charge, in particular series-connected double-layer capacitors 22 (ultracaps), connected in parallel to the battery 6. The capacitors, in particular ultracaps, have a very high energy density and store energy electrostatically. In contrast to a chemical energy storage device such as a battery, a capacitor can absorb and release high power levels quickly.

Die in Reihe geschalteten Kondensatoren 22 dienen beim Betrieb des Busses 2 dazu, bei Beschleunigungsvorgängen oder bei Bergfahrten kurzzeitig eine hohe Leistung bereit zu stellen, insbesondere eine Leistung, die das Leistungsvermögen der Batterie überschreiten würde. Im normalen Fahrbetrieb sind die Kondensatoren 22 auf die Batteriespannung geladen.The series-connected capacitors 22 serve to provide high power for a short time during acceleration or when driving uphill, particularly power that would exceed the battery's capacity. During normal operation, the capacitors 22 are charged to the battery voltage.

Der Energieinhalt der Batterie 6 ist so bemessen, dass er den Bus 2 auf seiner üblichen Fahrstrecke von seiner Endhaltestelle entlang seiner Linie wieder zurück zur Endhaltestelle mit Energie versorgen kann. Sollten unvorhergesehene Streckenverlängerungen, wie beispielsweise Umleitungen aufgrund von Baustellen, oder energieintensiver übermäßiger Stop- and Go-Verkehr auftreten, wird die Batterie 6 aufgrund des erhöhten Energieverbrauchs weiter als üblich entladen. Um Beschädigungen der Batterie zu vermeiden und weiterhin eine ausreichende Leistung für den Fahrbetrieb aufrecht zu erhalten, ist daher ein Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) vorgesehen, der einen Generator, etwa eine übliche Lichtmaschine antreibt. Der Generator ist an Anschlussstellen 24, 26 in den Schaltkreis 18 eingebunden und ebenfalls zur Batterie 6 parallel geschaltet. In Situationen, in denen die Batterie 6 weiter als erlaubt entladen wird, speist der generatorisch betriebene Verbrennungsmotor über die Anschlüsse 24, 26 Energie in den Schaltkreis 18 ein und lädt die Batterie 6 .The energy content of the battery 6 is dimensioned such that it can supply the bus 2 with energy on its usual route from its final stop along its route back to the final stop. If unforeseen route extensions occur, such as diversions due to construction sites or energy-intensive, excessive stop-and-go traffic, the battery 6 will be discharged further than usual due to the increased energy consumption. To prevent damage to the battery and to continue to maintain sufficient power for driving, an internal combustion engine (not shown) is provided that drives a generator, such as a conventional alternator. The generator is integrated into the circuit 18 at connection points 24, 26 and is also connected in parallel to the battery 6. In situations in which the battery 6 is discharged further than permitted, the generator-driven internal combustion engine feeds energy into the circuit 18 via the connections 24, 26 and charges the battery 6.

Wie schon oben beschrieben, kann die Antriebsmaschine 14 auch als Generator betrieben werden, so dass bei einem Abbremsen des Fahrzeuges die Verzögerungsleistung durch den Generator erzeugt wird und dieser Strom über den Wandler 16 in den Stromkreis 18 einspeist. Die dabei erzeugte Energie wird in der Batterie 6 bzw. den Kondensatoren 22 zwischengespeichert, bis deren maximale Ladekapazität erreicht wird. Bei vollen Speichern kann die Bremsleistung in einem Bremssteller 28 vernichtet werden. Der Bremssteller 28 besteht aus einem Bremswiderstand 30 und einem Leistungsschalter 61.As already described above, the drive motor 14 can also be operated as a generator, so that when the vehicle brakes, the deceleration power is generated by the generator, which feeds current into the circuit 18 via the converter 16. The energy generated is temporarily stored in the battery 6 or the capacitors 22 until their maximum charge capacity is reached. When the batteries are full, the braking power can be dissipated in a braking controller 28. The braking controller 28 consists of a braking resistor 30 and a circuit breaker 61.

Die bei einem Bremsvorgang anfallende hohe Leistung stellt für die Kondensatoren 22 kein Problem dar, jedoch muss die Ladeleistung der Batterie 6 geregelt werden. Dies geschieht über eine Batterieladeregelschaltung 34 . Die Batterieladeregelschaltung besteht aus einer Diode 36 und einem dazu parallel geschalteten DCDC-Wandler 38 . Der Energiefluss von der Batterie in den Elektromotor fließt entweder über den DCDC-Wandler 38 oder, wenn die Kondensatoren 22 ausreichend entladen sind, über die Diode 36 . Bei Energiefluss von der generatorisch betriebenen Antriebsmaschine 14 sperrt die Diode 36 und die Ladeleistung wird durch den DCDC-Wandler 38 geregelt.The high power generated during braking does not pose a problem for the capacitors 22, but the charging power of the battery 6 must be regulated. This is done via a battery charging control circuit 34. The battery charging control circuit consists of a diode 36 and a DCDC converter 38 connected in parallel. The energy flow from the battery to the electric motor flows either via the DCDC converter 38 or, when the capacitors 22 are sufficiently discharged, via the diode 36. When energy flows from the generator-driven drive machine 14, the diode 36 blocks, and the charging power is regulated by the DCDC converter 38.

Mit der vorangehend beschriebenen Energieversorgungsschaltung 12 kann somit der Fahrbetrieb des Busses 2 in sämtlichen Fahrsituation sichergestellt werden. Im Normallastbetrieb versorgt die Batterie 6 die Antriebsmaschine mit Energie. Bei kurzzeitig anfallender hoher Leistung, wie bei Beschleunigungsvorgängen oder Bergfahrten, unterstützen die Kondensatoren 22 die Energieversorgung. Sollte die Batterie durch unvorhergesehene Umstände unerlaubt weit entladen werden, stellt der Generator des Verbrennungsmotors Energie zur Ladung der Batterie bereit.With the previously described power supply circuit 12, the operation of the bus 2 can be ensured in all driving situations. During normal load operation, the battery 6 supplies the drive motor with power. During brief periods of high power, such as during acceleration or uphill driving, the capacitors 22 support the power supply. Should the battery be excessively discharged due to unforeseen circumstances, the generator of the combustion engine provides energy to charge the battery.

Im Fahrbetrieb eines im Linienverkehr betriebenen Busses 2 wird der Energieinhalt der Batterie so gewählt, dass die Energie ausreicht, um den Bus 2 auf seiner ständig wiederholt durchfahrenen Etappe von seiner Endhaltestelle zur Umkehrhaltestelle und wieder zurück zur Endhaltestelle mit Energie zu versorgen. An der Endhaltestelle wird dann die Batterie 2, die z. B. bis auf 40% bis 50% ihrer vollen Ladekapazität entladen ist, gegen eine baugleiche geladene Batterie ausgetauscht. Die entladene Batterie wird dann an der Endhaltestelle wieder aufgeladen. Dabei kann die Ladezeit der Batterie bis zu ihrem vollständig geladenen Zustand in etwa der Zeit entsprechen, die der Bus zum Durchfahren der gesamten Etappe benötigt. Wie in 3 dargestellt, startet also der Bus am Anfangspunkt der Etappe, fährt auf der Etappe verschiedene Zwischenhaltestellen an und trifft schließlich am Endpunkt der Etappe ein. Der Endpunkt der Etappe ist bei einem in einer Schleife fahrenden Bus gerade wieder der Anfangspunkt der nächsten Etappe. Am Endpunkt der Etappe bzw. Anfangspunkt der Etappe findet dann der Batteriewechsel statt. Der Batteriewechsel erfolgt dabei durch ein automatisches Batteriewechselsystem. Nach dem Batteriewechsel durchfährt der Bus 2 erneut die Etappe und kehrt wieder zum Anfangspunkt zurück. Wieder wird die entladene Batterie gegen die in dieser Zeit vollständig aufgeladene Batterie ausgetauscht. Die nun entladene Batterie wird am Batteriewechselstützpunkt geladen. Durch dieses Betriebsverfahren ist es möglich den Bus mit wenigen, klein dimensionierten Batterien, die ständig gewechselt werden, kontinuierlich zu betreiben.During operation of a bus 2 operating in scheduled service, the energy content of the battery is selected such that the energy is sufficient to supply bus 2 with energy on its constantly repeated leg from its final stop to the turnaround stop and back to the final stop. At the final stop, battery 2, which is discharged to, for example, 40% to 50% of its full charge capacity, is exchanged for an identically charged battery. The discharged battery is then recharged at the final stop. The charging time of the battery until it is fully charged can be approximately the same as the time required by the bus to complete the entire leg. As in 3 As shown, the bus starts at the start of the stage, travels to various intermediate stops along the stage, and finally arrives at the end of the stage. For a bus traveling in a loop, the end of the stage is precisely the start of the next stage. The battery is then changed at the end of the stage or the start of the stage. The battery is changed using an automatic battery changing system. After the battery change, bus 2 travels through the stage again and returns to the start. Once again, the discharged battery is replaced with the one that has been fully charged during this time. The now discharged battery is charged at the battery changing station. This operating procedure makes it possible to operate the bus with a few, small batteries. which are constantly being changed, to operate continuously.

Der Bus muss nicht zwangsläufig in einer schleifenförmigen Etappe fahren, wo er stets wieder zum Anfangspunkt der Etappe zurückkehrt und die Batterie immer am selben Batteriewechselstützpunkt gewechselt wird. Bei längeren Fahrstrecken sind mehrere Batteriewechselstützpunkte auf der gesamten Fahrstrecke vorgesehen. Wie in 4 gezeigt, durchfährt der Bus die erste Etappe. Am Endpunkt der ersten Etappe wird die Batterie gegen eine vollständig geladene Batterie gewechselt. Die entladene Batterie wird an diesem Batteriewechselstützpunkt geladen. Der Bus kann nun eine zweite Etappe zu einem nächsten Batteriewechselstützpunkt durchfahren, wo wieder ein Batteriewechsel stattfindet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Bus vom Endpunkt der ersten Etappe nach dem Batteriewechsel zum Anfangspunkt der ersten Etappe zurückkehrt. Hier wird wiederum die Batterie gewechselt. Hat der Bus eine zweite Etappe durchfahren, ist von diesem Batteriewechselstützpunkt eine Rückkehr zum Anfangspunkt der zweiten Etappe möglich. Der Bus kann aber auch zu einem anderen Batteriewechselstützpunkt weiterfahren beispielsweise dem Anfangspunkt der ersten Etappe.The bus does not necessarily have to travel in a loop-shaped stage, where it always returns to the starting point of the stage and the battery is always changed at the same battery exchange point. For longer journeys, several battery exchange points are planned along the entire route. As described in 4 As shown, the bus travels through the first stage. At the end of the first stage, the battery is swapped for a fully charged one. The discharged battery is charged at this battery swap station. The bus can now travel through a second stage to the next battery swap station, where the battery is swapped again. It is also possible, however, for the bus to return from the end of the first stage to the start of the first stage after the battery swap. Here the battery is swapped again. Once the bus has traveled through a second stage, it is possible to return from this battery swap station to the start of the second stage. The bus can also continue on to another battery swap station, for example the start of the first stage.

Wie in 4 angedeutet, lässt sich selbstverständlich die Zahl der Etappen bzw. Batteriewechselstützpunkte beliebig erhöhen. Es ist nur stets darauf zu achten, dass der Energieinhalt der an einem jeweiligen Batteriewechselstützpunkt eingesetzten Batterie so gewählt ist, dass der Energieinhalt ausreicht, um die folgende Etappe zu durchfahren.As in 4 As indicated, the number of stages or battery swap stations can of course be increased as desired. It is important, however, to ensure that the energy content of the battery used at each battery swap station is selected so that it is sufficient to complete the next stage.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, ist das Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges mit einer oder mehreren Wechselbatterien äußerst flexibel. Daher ist es nicht nur auf den Betrieb eines Linienbusses beschränkt, der stets die selbe Linie abfährt, sondern es ist auch möglich beispielsweise ein Taxi oder ein in der Stadt betriebenes Lieferfahrzeug mit solch einem System zu versorgen. Gerade im innerstädtischen Betrieb sind auch hier die zurückzulegenden Etappen bzw. Fahrten vergleichbar lang. Batteriewechselstützpunkte in Form von Taxiständen sind ebenfalls vorhanden.As the previous description makes clear, the method for operating a vehicle with one or more swappable batteries is extremely flexible. Therefore, it is not limited to the operation of a regular bus that always runs the same route; it is also possible to supply such a system to a taxi or a delivery vehicle operated in the city. Especially in inner-city operations, the distances or journeys to be covered are comparatively long. Battery swapping stations in the form of taxi stands are also available.

Claims (15)

Fahrzeug (2) für einen Fahrbetrieb in Etappen zwischen jeweiligen Batteriewechselstützpunkten mit etwaigen Zwischenhaltestellen, mit - einem Elektromotor (14) als Hauptantriebsmotor und - mit einer Energieversorgungseinrichtung für den Elektromotor (14), die wenigstens eine auf dem Dach (4) des Fahrzeugs (2) angebrachte wiederaufladbare Wechselbatterie (6) als Basisenergiequelle des Elektromotors (14), deren Energieinhalt im vollständig geladenen Zustand so bemessen ist, dass sie den voraussichtlichen Energiebedarf des Fahrzeugs (2) für die jeweils aktuelle Etappe zum nächsten Batteriewechselstützpunkt mit einer Sicherheitsmarge von 150% bis 250% abdecken kann, und - eine bedarfsweise als Notaggregat aktivierbare Reserveenergieversorgungseinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den Fall eines den Energieinhalt der wiederaufladbaren Wechselbatterie (6) überschreitenden Energiebedarfs des Elektromotors (14) zur Sicherstellung einer Fahrt zum nächsten Batteriewechselstützpunkt aufweist.A vehicle (2) for travel in stages between respective battery exchange stations with possible intermediate stops, comprising: - an electric motor (14) as the main drive motor, and - an energy supply device for the electric motor (14), which has at least one rechargeable interchangeable battery (6) mounted on the roof (4) of the vehicle (2) as the basic energy source of the electric motor (14), the energy content of which, when fully charged, is dimensioned such that it can cover the expected energy requirements of the vehicle (2) for the respective current stage to the next battery exchange station with a safety margin of 150% to 250%, and - a reserve energy supply unit that can be activated as an emergency unit if necessary to provide electrical energy in the event that the energy requirements of the electric motor (14) exceed the energy content of the rechargeable interchangeable battery (6), in order to ensure a journey to the next battery exchange station. Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reserveenergieversorgungseinheit ein Verbrennungsmotor ist, welcher einen Generator betreibt.Vehicle (2) to Claim 1 , characterized in that the reserve energy supply unit is an internal combustion engine which drives a generator. Fahrzeug (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistung des Verbrennungsmotors kleiner als 60 kW ist.Vehicle (2) to Claim 2 , characterized in that the maximum power of the combustion engine is less than 60 kW. Fahrzeug (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistung des Verbrennungsmotors kleiner als 30 kW ist.Vehicle (2) to Claim 2 , characterized in that the maximum power of the combustion engine is less than 30 kW. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung ferner wenigstens einen elektrischen Kondensator (22) für die Bereitstellung von Energie für temporären Hochlastbetrieb des Elektromotors (14) umfasst.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy supply device further comprises at least one electrical capacitor (22) for providing energy for temporary high-load operation of the electric motor (14). Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, bei einem Teilentladungszustand der wiederaufladbaren Wechselbatterie (6) die Reserveenergieversorgungseinheit automatisch zuzuschalten.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy supply device comprises a control device which is designed to automatically switch on the reserve energy supply unit in the event of a partial discharge state of the rechargeable exchangeable battery (6). Fahrzeug (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilentladezustand 40%-50% des Vollladezustandes ist.Vehicle (2) to Claim 6 , characterized in that the partial discharge state is 40%-50% of the full charge state. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, Bremsenergie in die Wechselbatterie (6) oder/und den Kondensator (22) zu speichern durch den Betrieb des Elektromotors (14) als Generator.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed to store braking energy in the exchangeable battery (6) and/or the capacitor (22) by operating the electric motor (14) as a generator. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselbatterie (6) einen Energieinhalt besitzt, der so dimensioniert ist, dass für jeden Kilometer einer Wegstrecke eine Energie zwischen 1,0 und 1,6 kWh bereitgestellt werden kann.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the exchangeable battery (6) has an energy content which is dimensioned such that an energy of between 1.0 and 1.6 kWh can be provided for each kilometer of a route. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Linienbus (2) ist.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that it is a regular bus (2). Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselbatterie (6) eine Li-lonen-Batterie ist.Vehicle (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the replaceable battery (6) is a Li-ion battery. Verfahren für den Fahrbetrieb eines Fahrzeuges (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, auf einer Fahrstrecke mit einer oder mehreren Etappen, wobei eine jeweilige Etappe durch einen ersten Batteriewechselstützpunkt als Anfangspunkt und einen zweiten Batteriewechselstützpunkt als Endpunkt begrenzt ist, wobei der Fahrbetrieb auf einer jeweiligen Etappe die Schritte umfasst: Zurücklegen einer Etappe von dem ersten Batteriewechselstützpunkt zum zweiten Batteriewechselstützpunkt; Anfahren etwaiger Zwischenhaltestellen auf der Etappe; wiederholtes Prüfen des Ladezustandes der wiederaufladbaren Wechselbatterie (6) und automatisches Zuschalten der Reserveenergieversorgungseinheit bei Unterschreiten eines vorbestimmtem Teilentladezustandes; Austauschen der Wechselbatterie (6) am zweiten Batteriewechselstützpunkt gegen eine im Wesentlichen vollständig geladene Wechselbatterie (6).A method for driving a vehicle (2) according to one of the preceding claims, on a route with one or more stages, each stage being defined by a first battery exchange point as the starting point and a second battery exchange point as the end point, wherein the driving operation on each stage comprises the steps of: covering a stage from the first battery exchange point to the second battery exchange point; approaching any intermediate stops along the stage; repeatedly checking the charge level of the rechargeable exchangeable battery (6) and automatically connecting the reserve energy supply unit when the charge level falls below a predetermined partial discharge level; replacing the exchangeable battery (6) at the second battery exchange point with a substantially fully charged exchangeable battery (6). Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch automatisches Austauschen der Wechselbatterie (6) an einem jeweiligen Batteriewechselstützpunkt.Procedure according to Claim 12 , characterized by automatic replacement of the exchangeable battery (6) at a respective battery exchange point. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Laden der ausgetauschten teilentladenen Wechselbatterie (6) an dem jeweiligen Batteriewechselstützpunkt.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized by charging the replaced partially discharged battery (6) at the respective battery exchange point. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Batteriewechselstützpunkt der selbe Batteriewechselstützpunkt sind.Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that the first and the second battery exchange point are the same battery exchange point.
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