DE102021004484A1

DE102021004484A1 - Elektromobilitätssystem für Fahrzeuganhänger

Info

Publication number: DE102021004484A1
Application number: DE102021004484.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Vorgestellt wird ein Elektromobilitätssystem zum Betrieb von Anhängern an elektrischen Zugfahrzeugen, mit dem ein entscheidender Nachteil, nämlich hoher Anschaffungspreis der Fahrzeuge oder Anhänger durch die zusätzlich notwendige Batteriekapazität, beseitigt wird.
Das System besteht aus:
1. einem Satz Fahrzeuganhänger, die einen Raum für Wechselbatterien besitzen. Diese Batterien sind dabei zur Unterstützung des Zugfahrzeugs gedacht, um den zusätzlichen Energiebedarf zum Ziehen eines Anhängers zu decken.
2. einem Satz Wechselbatterien. Diese werden möglichst so auf die Anhänger verteilt, dass stillstehende Anhänger und Anhänger im Kurzstreckenbetrieb keine teuren Batterien enthalten und deshalb Kosten und Energie gespart werden.
3. einer Infrastruktur aus einem Netz von Wechselstationen, die volle Wechselbatterien vorrätig halten, leere Batterien laden können und bei denen volle und leere Batterien ausgetauscht werden können
Mit dem vorgestellten Wechselbatterie-System ist es möglich, mit einer kleinen Anzahl Batterien eine größere Anzahl Anhänger zu betreiben und so Batteriekapazität zu sparen.

Description

Die vorgestellte Erfindung beschreibt ein Elektromobilitätssystem für Fahrzeuggespanne mit Fahrzeuganhängern, die bei Bedarf mit zusätzlichen Batterien ausgestattet werden können, Wechselbatterien und Wechselstationen, die diese Batterien zur Verfügung stellen.
1. Problemstellung
Die Vorteile der Elektromobilität sind hinreichend bekannt:

• Einfache und kompakte Konstruktion des Antriebs
• Kein Schadstoffausstoß durch das Fahrzeug
• Geringere Umweltbelastung sofern der Strom umweltfreundlich erzeugt wird
• Niedrigere Energiekosten

Wird mit einem Elektroauto ein Anhänger zum Transport einer Nutzlast oder ein Wohnanhänger gezogen, kann der Energieverbrauch drastisch ansteigen, so dass sich die Reichweite entsprechend verringert. Dies muss durch zusätzliche Batteriekapazität ausgeglichen werden.
2. Bisherige Problemlösungen (Stand der Technik)
Bei Elektroautos im Anhängerbetrieb können zur Zeit folgende Lösungen unterschieden werden:

1. Elektroauto mit Hybridantrieb: eignen sich bei entsprechender Motorleistung zum Ziehen eines Anhängers und werden von vielen Herstellern angeboten. Sie eignen sich nicht dafür, einen Anhänger mit einem elektrischen Antrieb über längere Strecken zu ziehen. Die elektrische Reichweite mit Anhänger beträgt wenige 10 km.
2. Elektroauto mit sehr großer Batterie, z.B. [Tesla Model X], [Audi E-tron]: selbst mit Batteriekapazitäten von bis zu 100 kWh ist die Anhänger-Reichweite deutlich beschränkt und erfüllt damit nicht die Komfort-Anforderungen, die an solch hochpreisige Fahrzeuge gestellt werden.
3. Nutzlast-Anhänger mit eigener Batterie und ggf. eigenem Antrieb, z.B. [Dehtleffs e-Home]): die technische Zusatzausstattung, insbesondere die Batterie erhöht den Verkaufspreis erheblich und ist deshalb für die meisten Anwendungen uninteressant
4. Anhänger als Range Extender, z.B. [ DE102012011960 ], [ CN2026414140 ]:während es bei Anhängern eine große Zahl an Varianten für die unterschiedlichen Bedürfnisse und Nutzlasten gibt, sind mobile Range Extender nur für diesen Zweck gedacht. Es gibt deshalb nur wenige Modelle, die in der Regel auch nur zum Transport der Erweiterungsbatterie, aber nicht für weitere Nutzlasten konstruiert sind.

Alle diese Lösungen haben den Nachteil, dass sie Zugfahrzeug oder Anhänger erheblich verteuern. Wird der Anhänger nur selten, z.B. wenige Male im Jahr eingesetzt, sind diese Lösungen unwirtschaftlich.
3. Neue Problemlösung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein verbessertes System zum Betrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit Anhänger zur Verfügung zu stellen. Das System besteht aus passenden Fahrzeuganhängern, Wechselbatterien und Wechselstationen.
3.1 Anhänger
Die zu der Erfindung zugehörigen Anhänger (10) (1.1 bis 1.3) zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

Sie besitzen im Gegensatz zu herkömmlichen Anhängern einen oder mehrere Batterie-Räume (14) für Wechselbatterien. Der Anhänger ist so konstruiert, dass er mit leeren (14), teilweise oder vollständig (15) bestückten Batterie-Räumen betrieben werden kann.

Der oder die Batterie-Räume (14) im Anhänger sind für die Aufnahme von Wechselbatterien (16) vorgesehen. Die Batterien dienen der Erweiterung der Reichweite auf mittlere Strecken oder auf Langstrecken. Ohne Wechselbatterien, d.h. mit leerem Batterie-Raum (14) kann der Anhänger im Kurzstreckenbereich, z.B. bis 100 km verwendet werden (1.1).
Für Lang- und Mittelstrecken wird der Anhänger mit Batterien bestückt. Er liefert dann im Fahrbetrieb Energie an den elektrischen Antrieb. Die Energie kann über eine elektrische Schnittstelle (11) an das Zugfahrzeug übertragen werden und dann alleine oder im Parallelbetrieb mit der eingebauten Batterie des Zugfahrzeugs die Energieversorgung des Antriebs übernehmen (1.2). Verfügt der Fahrzeuganhängers über einen eigenen Antrieb, ist es auch möglich, diesen mit der Wechselbatterie zu versorgen, ohne Energie zum Zugfahrzeug zu übertragen.
Optional zur Möglichkeit des Batteriewechsels bietet der Anhänger auch eine Ladevorrichtung (12). Eine Steuereinheit im Anhänger (13) ermöglicht verschiedene Betriebsarten:

1. Übertragung von Energie zum Fahrzeug während der Fahrt (2.1)
2. Die Batterien werden über die Ladeschnittstelle des Anhängers geladen (1.3)
3. Laden der Batterie über die Schnittstelle zum Fahrzeug. Diese muss dafür bidirektional ausgelegt sein (2.2).

Der Ein- und Ausbau der Wechselbatterien erfolgt auf einfache Weise in den Wechselstationen. Dazu können die Wechselbatterien auch als einzelne Module (17) ausgeführt sein.
3.2 Wechselbatterien
Die Wechselbatterien (16) dienen der Reichweitenerweiterung des Zugfahrzeug-Anhänger-Gespanns. Sie können vom Betreiber des Elektromobilitätssystems entliehen werden. Ziel ist dabei, die entliehenen Batterien so kurz wie möglichst im Anhänger eingebaut zu belassen, damit er dann, wenn er nicht benötigt wird, z.B. wenn der Anhänger parkt oder sich nur in einem lokalen Bereich bewegt wird, anderen Teilnehmern des Systems zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Wechselbatterien können aus einem (16) oder mehreren Modulen (17) bestehen, um

• die mechanische Handhabung zu erleichtern
• das Zuladungsgewicht zu optimieren oder
• die Flexibilität des Ausleihsystems zu erhöhen.

Möglich ist auch ein Mischbetrieb, wenn der Anhängerbesitzer ein oder mehrere Module besitzt und ein oder mehrere Module bei Bedarf bei einer Wechselstation ausleiht. Werden für den Anhängerbetrieb keine Batterien benötigt, werden die geliehenen Module zurückgegeben. Die verbleibenden Module können in dieser Zeit an anderer Stelle, z.B. in Gebäuden als Pufferbatterie eingesetzt werden.
3.3 Wechselstationen
Die Wechselstationen (30) haben folgende Aufgaben (3):

1. Vorratshaltung der Wechselbatterien
2. Aufladen der im Lager befindlichen der Batterien
3. Ausleihen und Rückgabe der Batterien
4. Austausch der Batterien in den Anhängern

Die Wechselstationen sind mit einer Ladeeinheit (34) und einem Zwischenlager (33) für Batterien ausgestattet. Die Ladeeinheit besteht aus einer elektrischen Energieversorgung (37) und Ladevorrichtung (36) für die aufzuladenden Batterien (35). Die Energieversorgung dient dazu, die für die elektrische Ladung der Batterien optimalen Ströme und Spannungen zur Verfügung zu stellen.
Die Ladevorrichtung ist in der Lage, mehrere Batterien gleichzeitig zu laden. Durch die angepasste Energieversorgung (37) können die Ladezeit und die Lebensdauer der Batterien optimiert werden.
Das Zwischenlager (33) dient dazu, aufgeladene Wechselbatterien (32) bereitzuhalten und noch zu ladende Batterien (31) zu lagern.
Zum Wechseln bzw. zum Ein- und Ausbau der Batterien ist eine Wechsel- oder Hebevorrichtung (38) vorgesehen, wenn die Batterien zum Tragen für den Menschen zu schwer sind. Werden Batterien verwendet, die in mehrere Module aufgeteilt sind, kann dieser Vorgang erleichtert werden. Die Wechselvorrichtung kann automatisch oder manuell arbeiten. Die Vorrichtungen sind nach Möglichkeit so konstruiert, dass der Vorgang nur wenige Minuten, d.h. nicht länger als ein herkömmliches Betanken dauert.
Ist keine Wechselstation erreichbar, kann auf vorhandene Ladesäulen zurückgegriffen und die eingebaute Wechselbatterie geladen werden. Das Elektromobilitätssystem kann damit als eine Kombination aus Wechselbatterie-System und Schnellladesäulen-System aufgefasst werden. Je nachdem, welche Infrastruktur in welchem Bereich weiter ausgebaut ist, kann das eine oder andere System verwendet werden.
Bei Einführung des Systems reicht es aus, im lokalen Bereich des Anhängers eine Wechselstation mit Ausleih- und Rückgabemöglichkeit zu haben. Damit wird der lokal nutzbare Bereich des Anhängers erweitert.
Wird dieser erweiterte lokale Bereich verlassen, kann auf das vorhandene Ladesäulensystem zurückgegriffen werden; das Elektroauto-Anhänger-Gespann verhält sich dann wie jedes andere Elektroauto auch. Alternativ kann aber auch eine Wechselstation mit Wechselmöglichkeit genutzt werden.
Das System ist nicht auf ein flächendeckendes Netz von Wechselstationen angewiesen. Schon mit zwei Stationen an zwei entfernten Orten ist der Betrieb des Systems möglich, so dass ein einfacher Einstieg in das System möglich ist.
3.4 Zugfahrzeug
Die zu dem System passenden elektrischen Zugfahrzeuge (2.1) zeichnen sich im Vergleich mit herkömmlichen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen dadurch aus, dass sie während der Fahrt über eine Schnittstelle (21) von außen mit Energie versorgt werden können. Dazu wird die Schnittstelle durch ein Kabel (22) mit der Schnittstelle des Anhängers (10) verbunden. Die Schnittstelle des Fahrzeugs (21) kann in einer weiteren Ausführung auch identisch mit der Ladevorrichtung (25) des Fahrzeugs sein.
Die Steuereinheit des Fahrzeugs (20) ermöglicht es, während der Fahrt den Antrieb (24) mit Energie zu versorgen, und zwar aus

• der Batterie des Fahrzeugs (23) oder
• den Wechselbatterien (15) des Anhängers oder
• gleichzeitig aus den Batterien des Fahrzeugs und des Anhängers.

Sind die Schnittstellen des Fahrzeugs (21) und die Schnittstelle des Anhängers (10) bidirektional ausgelegt, können die Batterien des Anhängers auch über das Zugfahrzeug aufgeladen werden (2.2).
3.5 Abrechnung
Im Gegensatz zum derzeitigen Autoverkehrssystem, das auf den Verbrauch von Benzin oder Diesel und dessen Bezahlung bei der Betankung des Fahrzeugs aufgebaut ist, macht das neue System auch eine andere Art der Abrechnung erforderlich.
Die Batterien werden nach Gebrauch an den Wechselstationen zurückgegeben. Da die Batterie dabei nicht zwangsweise leer sein muss, ist eine Messung der wirklich verbrauchten Energie z.B. über die Restkapazität notwendig. Außerdem muss die Zeit erfasst werden, wie lange die Batterie benutzt worden ist, um die Gesamtkosten ermitteln zu können. Die Abrechnung kann bei Ausgabe oder bei Rückgabe der Batterie erfolgen. Sollte dafür ein Informationsaustausch zwischen den einzelnen Stationen notwendig sein, kann dieser über die Wechselbatterien, das Fahrzeug oder das Internet erfolgen.
3.6 Handhabung
Das neue Mobilitätssystem (4) unterscheidet Strecken im lokalen Umfeld (kleiner Kreis) (41), mittlerer Reichweite (großer Kreis) (40) (47), und Langstrecken (außerhalb des Kreises). Es ist so organisiert, dass teure und schwere Wechselbatterien nur in diejenigen Anhänger eingebaut sind, die Mittel- oder Langstrecken zurücklegen (42), (48). Parkende Anhänger (46), oder Gespanne im Kurzstreckenbetrieb (43) enthalten sie dagegen in der Regel nicht. Dadurch kommt das Gesamtsystem mit weniger Batterien aus als, wenn jeder Anhänger ständig mit Batterien bestückt wäre, d.h. es gibt mehr Anhänger als Wechselbatterien (in 4 sind z.B. nur 4 von 8 Anhängern mit Wechselbatterien bestückt). Für die Nutzer ergeben sich dadurch im Betrieb Kostenvorteile. Zusätzlich ist das System auch energieeffizienter, da das Gesamtgewicht der Anhänger an die zu fahrende Strecke angepasst wird.
Im Vergleich mit Anhängern, die eine fest eingebaute Batterie besitzen, ist der Herstellungspreis der zu dem System gehörigen Anhänger vergleichbar mit dem eines herkömmlichen Anhängers.
Der Kurzstreckenbetrieb im lokalen Umfeld (41) kann kostengünstig und ohne in Anspruchnahme der Wechselstationen (44) durchgeführt werden. Erst bei längeren Strecken wird eine Wechselstation angesteuert und eine Wechselbatterie eingebaut.
Dabei werden zwei Nutzungsarten unterschieden:

• Ausdehnung des lokalen Bereichs mit direkter Rückkehr zur Ausleihstation (mittlere Reichweite)
• Verlassen des lokalen Bereichs (Langstrecke) (48) (49), bei dem entweder
- ◯ die Wechselbatterie bei einer Wechselstation ausgetauscht oder
- ◯ die Wechselbatterie mittels einer (Schnell-)Ladesäule (50) aufgeladen wird (51).

Kurz vor dem Ziel, wird die Wechselbatterie bei einer Station abgegeben. Diese Unterbrechung der Fahrt dauert nur wenige Minuten und ist mit einem Tankstopp vergleichbar. Der Rest der Strecke wird wieder mit der eingebauten Batterie des Zugfahrzeugs gefahren.
Da Energiemenge und Zeitdauer abgerechnet werden, entsteht ein Anreiz, die Wechselbatterien zurückzugeben und anderen Teilnehmern wieder zur Verfügung zu stellen. Damit sinken die Gesamtkosten für alle Teilnehmer. Andererseits ist das System aber auch flexibel genug, eine Batterie für längere Zeit in einem Anhänger zu belassen und das entsprechend abzurechnen. Dies gilt zum Beispiel für Fahrten ins Ausland, wenn keine Infrastruktur zur Verfügung steht.
Ein weiterer Unsicherheitsfaktor der bisherigen Elektromobilität wird mit dem neuen System ebenfalls beseitigt: Weil sich alle Teilnehmer des Systems die Batterien teilen und sie dadurch besser ausgenutzt werden, erreichen sie auch relativ schnell ihre Lebenserwartung. Damit sind die Finanzierungskosten geringer und die Technik der Akkumulatoren kann laufend auf dem neuesten Stand gehalten werden.
Im Kurzstreckenbetrieb entstehen Kostenvorteile dann, wenn auch Fahrzeuge ohne große Batteriekapazität als Zugfahrzeuge eingesetzt werden können.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeuganhänger
11: Elektrische Schnittstelle des Anhängers
12: Ladevorrichtung des Anhängers
13: Steuereinheit des Anhängers
14: Batterie-Raum des Anhängers
15: Bestückter Batterie-Raum
16: Wechsel batterie
17: Wechselbatterien als Module ausgeführt
20: Steuereinheit des Fahrzeugs
21: Elektrische Schnittstelle des Fahrzeugs
22: Kabel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger
23: Batterie des Fahrzeugs
24: Antrieb des Fahrzeugs
25: Ladevorrichtung des Zugfahrzeugs
30: Wechselstation
31: Entladene oder teil-geladene Batterie
32: Geladene Batterie
33: Zwischenlager für Batterien
34: Ladeeinheit
35: Batterie während des Ladevorgangs
36: Ladevorrichtung der Ladeeinheit
37: Energieversorgung
38: Wechsel- oder Hebevorrichtung für Batterien
40: Region für mittlere Distanzen
41: Lokales Umfeld, Region für Kurzstreckenbetrieb
42: Fahrendes Gespann mit Wechselbatterie (mittlere Distanz)
43: Fahrendes Gespann ohne Batterie (kurze Distanz)
44: Wechselstationen
45: Parkendes Gespann ohne Wechselbatterie an Ladesäule
46: Parkender Anhänger ohne Wechselbatterie
47: Von einer Wechselstation abgedeckte Region
48: Fahrendes Gespann mit Wechselbatterie (große Distanz)
49: System mit mehreren Wechselstationen und Ladesäulen
50: (Schnell-)Ladesäule außerhalb des abgedeckten Bereichs
51: Parkendes Gespann mit Wechselbatterie an Ladesäule (große Distanz)

Figurenliste

1.1 Anhänger mit leerem Batterie-Raum
1.2 Anhänger mit Batterien und Energieübertragung zum Fahrzeug
1.3 Laden der Batterien über die Ladevorrichtung des Anhängers
2.1 Zugfahrzeug mit Anhänger während der Fahrt
2.2 Zugfahrzeug mit Anhänger während des Ladens über das Fahrzeug
3 Wechselstation mit Batterie-Lager
4 Elektromobilitätssystem für elektrische Zugfahrzeuge mit Anhänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012011960 [0004]
CN 2026414140 [0004]

Claims

System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Anhänger umfassend mehrere Fahrzeuganhänger (10), mehrere Wechselbatterien (16) und mehrere Wechselstationen (30), wobei 1.1. Die Fahrzeuganhänger mindestens umfassen 1.1.1. einen oder mehrere Batterie-Räume (14) ausgestattet zur Aufnahme einer oder mehrerer Wechselbatterien (16), 1.1.2. eine elektrische Schnittstelle (11) zur Versorgung eines Fahrzeugantriebs (24) oder eines Anhänger-internen Antriebs, 1.2. die Wechselbatterien (16) 1.2.1. an einer Ladesäulen geladen und/oder 1.2.2. an einer Wechselstation (30) gewechselt und ein- oder ausgebaut werden können 1.3. die Wechselstationen umfassen 1.3.1. ein Zwischenlager (33) für Wechselbatterien (31), (32) und/oder 1.3.2. eine Ladeeinheit (34) umfassend 1.3.2.1. eine Ladevorrichtung (36) ausgestattet zum Laden ein oder mehrerer Wechselbatterien (35), 1.3.2.2. einer elektrischen Energieversorgung (37) für die Ladevorrichtung (36), und/oder 1.3.3. eine Wechsel- oder Hebevorrichtung (38) zum automatischen oder manuellen Ein- und Ausbau der Wechselbatterien (31) (32) in die Fahrzeuganhänger
System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Anhänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2.1. parkende Fahrzeuganhänger (46) und Fahrzeuganhänger im Kurzstreckenbetrieb keine Wechselbatterie (16) enthalten 2.2. die Wechselbatterien (16) nur in Fahrzeuganhänger (42,48) eingebaut sind, die Mittel- oder Langstrecken zurücklegen.
System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Anhänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Abrechnungssystem ausgestattet ist, das nach der Nutzung einer Wechselbatterie (16) die Nutzungsdauer und die während der Nutzung verbrauchte Energie erfassen und auswerten kann.
System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Anhänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung (22) zwischen Anhänger und Fahrzeug besteht, um den Antrieb des Zugfahrzeugs mit Energie zu versorgen
System zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Anhänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Anhänger eingebauten Wechselbatterien einen Anhänger-internen Antrieb versorgen