DE102014001622A1

DE102014001622A1 - Verfahren zum Nachladen von Bordbatterien für elektrischen oder Hybridantrieb durch AULE

Info

Publication number: DE102014001622A1
Application number: DE102014001622.6A
Authority: DE
Inventors: Häßler Hans-Helmut; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Häßler Michael
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Das hier zur Patentanmeldung vorgestellte Verfahren zum Nachladen von Bordbatterien für elektrischen oder Hybridantrieb durch AULE (Automatische Unterflur-Ladeeinrichtung) ermöglicht es erstmals, die Bordbatterien elektrischer Fahrzeuge während der Fahrt induktiv nachzuladen. In die Straßendeckschicht werden Power Carpets eingelassen, welche einen an das öffentliche Stromnetz angeschlossenen Teppich ineinander verschachtelter Spulen darstellt. Dies Spulen können individuell, also voneinander unabhängig, über Leistungsendstufen aktiviert werden. Auf der Unterseite der hier verkehrenden elektrischen Fahrzeuge ist ein mit der Sekundärwicklung des Energieübertragungssystems versehenes Ferrit-Schalenkern-Oberteil angebracht, das mit jeder der Spulen im Power Carpet einen (Niederfrequenz- oder Hochfrequenz-)Transformator bilden kann. Durch die fahrzeugseitigen Transponder erhalten straßenseitige Sensoren Kenntnis von der aktuellen Position des Fahrzeugs. Zusätzlich empfangen die Spulen im Power Carpet ein vom Fahrzeug ausgesendetes Triggersignal, das in der Gegenrichtung über die Spulen mit übertragen wird. Der Energiefluss wird erst nach einer Rückmeldungen des Fahrzeugs gestartet. Nur wenn Fahrzeug und straßenseitige Spulen als in korrekter Lage zueinander eingeschätzt werden, wird die Wechselfrequenz-Leistung für die jeweilige Spule aktiviert. AULE verwendet dazu am Markt etablierte Bauelemente und verzichtet auf bewegliche Teile.

Description

AULE beschreibt ein Verfahren, das die Fahr- und Standzeiten von elektrischen Automobilen im Straßenverkehr zum Nachladen der bordeigenen Energiespeicher gezielt nutzt. Dabei ist es erstmals möglich, Fahrzeuge auch beim Fahren induktiv nachzuladen. AULE besteht aus einer Hardware- und einer Software-Komponente. Letztere steuert die Hardware.
AULE ist ein Verfahren, das ohne bewegliche Teile auskommt. Nach dem Vorbild der olympischen Ringe ineinander konzentrisch verschachtelte Spulen ergeben einen Energieteppich [Power Carpet]. Dieser und die dazugehörige Steuerungseinheit stellen die Hardware dar.
Diese weist folgende Eigenschaften auf:
In die Straßendeckschicht, also z. B. die Fahrbahndecke, werden die hier vorgestellten AULE-Power-Carpets durch Einteeren, Eingießen oder andere, noch zu findende technische Verfahren, eingelassen.
Die Power Carpets stellen damit abschnittsweise über beinahe die gesamte Straßenbreite einen Teppich ineinander verschachtelter Spulen zur Verfügung. Geplant ist dabei die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Power Carpets. Damit können Fahrzeuge über ganze Streckenabschnitte mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies Spulen können durch die Software individuell, also voneinander unabhängig, über Leistungsendstufen aktiviert werden.
Auf einer derartig ausgestatteten Straße bewegt sich nun ein Elektroauto. Auf der Unterseite des Fahrzeuges ist ein mit der Sekundärwicklung des Energieübertragungssystems versehenes Ferrit-Schalenkern-Oberteil angebracht, das mit jeder der Spulen im Power Carpet einen (Niederfrequenz- oder Hochfrequenz-)Transformator bilden kann.
Durch Transponder, die gleichfalls unten am Fahrzeug angebracht sind1

1: in einfachster Variante als unten am Fahrzeug angebrachter Permanent- oder Elektromagnet

Die Sensoren leiten das Positionssignal an dezentrale Rechner weiter, die beispielsweise am Straßenrand untergebracht oder in Schächten eingebaut sind. Der Softwareteil des AULE-Verfahrens aktiviert die jeweils nächstliegende der im Power Carpet eingebetteten Primärspulen.
Dabei wird der Energiefluss erst nach einer Rückmeldungen des Fahrzeugs im System gestartet. Diese Rückmeldung wird aus beiden Signalen, dem der Magneten/Transponder und dem Triggersignal registriert. Nur wenn beides als in korrekter Lage zueinander eingeschätzt wird, wird die Wechselfrequenz-Leistung für die jeweilige Spule durchgeschaltet. Damit werden Streufelder klein gehalten und zugleich verhindert, dass Personen den z. T. enormen Flussdichten des Wechselfeldes ausgesetzt werden. Auch ist die zufällige Einschaltung unter einem die Fahrbahn überquerenden Fußgänger, der beispielsweise einen magnetischen Gegenstand transportiert, somit ausgeschlossen.
Verdeutlichen wir den gesamten Nachladevorgang im Fahrbetrieb einschließlich seiner bisherigen Nichtumsetzbarkeit:
Ein Laden fahrender elektrischer Autos schien mit bisherigen Technologien nicht möglich. Das Herstellen einer galvanischen Elektroverbindung zwischen öffentlichem Netz und Fahrzeugelektrik schied aufgrund der Verpflichtung zur Berührsicherheit für Passanten und Fahrzeuginsassen aus.
Induktive Verfahren scheiterten bislang an der schlechten Positionierbarkeit der beiden Spulensatz-Komplementäre. So wurden Versuche, Fahrzeuge im fließenden Verkehr manuell gesteuert so exakt wie möglich über einem elektrischen Wechselfeld zu bewegen oder anzuhalten, schnell verworfen, ganz abgesehen von Bedenken zur elektromagnetischen Verträglichkeit solcher Vorhaben. Daneben eigneten sie sich nur für stehende bzw. zumindest kurz anhaltende Fahrzeuge.
Bei näherer Betrachtung zeigt sich: Die Komponenten zum Induktiv-Nachladen sind grundsätzlich entwickelt, also Stand der Technik und teilweise bereits am Markt verfügbar. Was den Entwicklern bislang fehlte ist die Vision, dass Autofahrer u. U. nicht dazu bereit sein könnten, an der Umsetzung von unter Laborbedingungen tadellos funktionierenden Modellen durch Umstellen ihrer eigenen Fahrgewohnheiten mitzuwirken. Die großserientaugliche Umsetzung der induktiven Ladung erfordert bislang mindestens die Bereitschaft, sehr präzise einzuparken. Und selbst damit ist noch keine Ladung im fließenden Verkehr möglich. Offensichtlich konnte man der autofahrenden Welt bisher weder ein Präzisions-Anhalten über einer Spule in der Fahrbahn noch das Erlernen von Expertenwissen über E-Technik zumuten.
Der einzig gangbare Weg zeigt sich in der Vollautomation. Und zwar durch eine Automation, die idealerweise ohne bewegte Teile auskommt. Das von uns im November 2013 vorgestellte KANITE-Verfahren (Kontinuierliche ANtriebs-Induktions-TEchnik) ermöglicht eine induktive Ladung im stehenden oder (langsam) rollenden Verkehr. AULE stellt gegenüber KANITE eine deutliche technische Verbesserung dar: AULE benötigt keine beweglichen, d. h. verschleißintensiven mechanischen Komponenten mehr, und ermöglicht das Laden auch bei höheren Geschwindigkeiten.
AULE wird ähnlich wie KANITE vom Fahrer nicht wahrgenommen. Allenfalls leuchtet eine Anzeige in der Armaturentafel des Fahrzeugs auf und signalisiert, dass die verbleibende Restfahrzeit wieder angestiegen ist.
Funktionsweise und Erfindungshöhe von AULE
Elektrisch betriebene Fahrzeuge müssen nicht mehr an die Steckdose, um die On-Board-Energiespeicher nachzuladen. Zahlreiche Patente existieren, die sich mit induktiver Energieübertragung aus dem öffentlichen Netz auf das Fahrzeug beschäftigen.
Allerdings liegt nach unserem Kenntnisstand noch keine Erfindung vor, ein Fahrzeug in einer beliebigen Position zur Straße oder gar im Fahrbetrieb aufladen zu können. AULE bietet somit erstmalig die Möglichkeit, ein Elektrofahrzeug während der Fahrt nachzuladen, und zwar unabhängig davon, wie es sich in seiner geometrischen Lage zur Straße befindet.
Systembeschreibung der Erfindung AULE
AULE sieht vor, die Power Carpets zunächst in stark frequentierte Straßenabschnitte einzulassen, bevorzugt im innerstädtischen Bereichen, wie z. B. vor Verkehrsampeln im Stadtkern, unter Verbindungsstraßen und an Stellen, an denen mit hohem Verkehrsaufkommen zu rechnen ist und auf Parkplätzen, da AULE natürlich auch bei stehendem Fahrzeug funktioniert.
Denkbar und hier ausdrücklich vorgeschlagen wird auch der perspektivische Einbau der Power Carpets in Autobahnen und Landstraßen. Die Fahrzeuge – dies ist im Moment noch Vision – gleiten über die Power-Carpet-Spulen dahin, das energieübertragende Wechselfeld gleitet mit und wird blitzschnell immer zur nächsten Spule umgeschaltet. Damit ist ein Fahrbetrieb ohne jegliche Unterbrechung zum Nachladen möglich.
Im Power Carpet befinden sich eingegossen zwischen verschiedenen Epoxydharzlagen als Dielektrikum eine regelmäßige Wabenanordnung von überlappenden HF-Spulen.
Die Spulen werden von der Leistungselektronik einzeln angesteuert. Man kann sich die Wabenanordnung grundsätzlich vorstellen wie einzeln adressierbare Pixel in einem CMOS-Sensor, nur viel größer.
Auf der Unterseite des Fahrzeugs befindet sich das Gegenstück zu den Spulen im Power Carpet, nämlich das Oberteil des Spulensystems, das nur einmal vorhanden ist und mit jeder Spule im Power Carpet in Interaktion treten kann. Hier wird ausdrücklich der Begriff der Interaktion gewählt, denn so wie die Nieder- oder Hochfrequenzenergie aus der Straße in die Fahrzeugspule fließt, können in beide Richtungen auch Daten übertragen werden. Denkbar ist dabei eine Variante, bei der auch die am Auto angebrachte Spule in vertikaler Richtung nach unten abgesenkt werden kann oder angehoben, um beim Einparken, im unebenen Gelände oder bei Verwerfungen der Farbahn eine Beschädigung des Fahrzeugspulensatzes zu verhindern.
Die Leistungselektronik leitet die Nieder- oder Hochfrequenzenergie immer jeweils nur in die Spule/Spulen, die der Fahrzeugspule am nächsten ist/sind. Das Einhalten dieser Positionierung wird von mehreren Systembestandteilen überwacht: Das Spulenpaar Fahrzeugspule – aktive Wicklung im Power Carpet überträgt neben dem Energiefluss zusätzlich aufmodulierte Datenpakete, die zum Informationsaustausch zwischen Fahrzeugelektronik und Steuerung/Leistungselektronik für die primäre Spule im Power Carpet benötigt wird. Dabei werden mindestens folgende Informationen ausgetauscht:

– ”Kann das Triggersignal aus der Fahrzeugspule in rückwärtiger Richtung empfangen werden?” als Vorbedingung für Durchschaltung der richtigen Wicklung im Power Carpet
– Identifikation des Verbrauchers (also Fahrzeugs oder Fahrzeughalters) zur Abrechnung des Energiebezugs aus dem Netz
– Überwachung des Übertragungsverlustes während der Übertragung, um eventuelle Deplazierung der beiden Spulen zu überwachen

Außerdem können übermittelt werden:

– Übertragung weiterer Daten zwischen Fahrzeug und Netzbetreiber
– Internetverbindung (Übertragung aufgelaufener Emails sowie weitere Nutzungsmöglichkeiten in diesem Zusammenhang zwischen Fahrzeug und Netz)

Die Entscheidung, ob ein Fahrzeug geladen werden kann oder soll, treffen dabei der fahrzeugeigene On-Board-Rechner in Zusammenspiel mit dem jeweiligen Rechner, der den jeweiligen Power Carpet steuert. Dabei werden Größen wie Fließgeschwindigkeit des Verkehrs, aktueller Ladezustand der Fahrzeugenergiespeicher, Witterung und weitere Größen herangezogen.
Als Varianten könnten statt Spulen auch Antennen, Hochfrequenz-Hohlleiter, elektromagnetisch oder -statisch wirksame Halbleiter oder Elektronenröhren, Kathodenstrahler, Ionenemmitoren oder vergleichbare Techniken sowie weitere bereits bekannte oder noch für den spezifischen Bedarf auszuentwickelnde Bauelemente, die berührungslos Energie übertragen können, heran gezogen werden.
Möglich ist auch die Unterbringung der Leistungsendstufen direkt im Power Carpet: Dies erleichtert die Adressierung der Spulen vom Steuerrechner aus, jeder Power Carpet benötigt dann nur noch eine Energiezuführung und eben die Schnittstelle für die Steuerung.

Claims

Folgende Eigenheiten des hier zur Patentanmeldung vorgestellten Verfahrens zum Nachladen von Bordbatterien für elektrischen oder Hybridantrieb durch AULE (Automatische Unterflur-Ladeeinrichtung) formulieren die Patentansprüche: – Energieübertragung auf das in Bewegung befindliche bereifte bzw. mit Gleisketten oder Vergleichbarem versehene (nicht schienengeführte) Straßen-Fahrzeug ohne galvanische elektrische Verbindung (Anspruch Nr. 1) – Realisierung eines Wanderfeldes, das heißt, das elektromagnetische oder elektrostatische oder elektrische Feld folgt dem Fahrzeug (Anspruch Nr. 2) – Nichtfestlegung auf induktionsbasierte Energieübertragung über Spulen, sondern technologische Offenheit für anderer Energieübertragungsverfahren, z. B. vermittels Antennen, Hochfrequenz-Hohlleiter, elektromagnetisch oder -statisch wirksame Halbleiter oder Elektronenröhren, Kathodenstrahler, Ionenemmitoren oder vergleichbare Techniken (Anspruch Nr. 3) – Idee des Power Carpets als in sich zwar abgeschlossene jedoch lokal beliebig kaskadierbare Energieübertragungseinheit (Anspruch Nr. 4); der grundsätzliche Aufbau eines Power Carpets soll dabei in den Patentschutz einbezogen werden; wesentlich ist dabei die Verwendung einer Vielzahl von Primärspulen statt (wie bei bisherigen induktiven Ladeverfahren) von nur einer Primärspule; auch nichtinduktiv wirkende technologische Varianten des Power Carpet, die statt Primärspulen beispielsweise regelmäßig angeordnete HF-Hohlleiteröffnungen aufweisen sollen ebenfalls unter Patentschutz gestellt werden (Anspruch Nr. 5) – durch die Möglichkeit der Verwendung anderer als spulenbasierter/induktionsbasierender Übertragungsverfahren erweitert sich Anspruch Nr. 5 wie folgt: Verwendung einer Vielzahl von Sendern/Emmitoren statt (wie bei bisherigen induktiven Ladeverfahren) von nur eines Senders/Emmitoren – auch eine Kombination verschiedener Übertragungstechnologien ist denkbar (z. B. HF-Energieübertragung zum Fahrzeug mittels Hohlleiter, die Daten-/Triggersignalübertragung vom Fahrzeug zurück zum Power Carpet mittels Induktion) und soll ebenfalls unter Patentschutz gestellt werden (Anspruch Nr. 6) – Verwendung eines in Gegenrichtung mitübertragenen Triggersignals zur Lokalisierung des Fahrzeuges (Anspruch Nr. 7) – Bidirektionaler Datenfluss, der neben der Ortung des Fahrzeuges auch die Übermittlung weiterer Daten ermöglicht, z. B. Daten zur Abrechnung des Energieverbrauches, Internetdaten (Internetzugang, E-Mails) sowie, des Verkehrsgeschehens (z. B. Staumeldungen), Status- und Lokalisierungsmeldungen für Rettungsfahrzeuge, Identifikation gestohlener Fahrzeuge usw. (Anspruch Nr. 8) – Verwendung dezentraler Rechner/dezentraler Leistungsendstufen zur Ansteuerung der einzelnen Power Carpets (Anspruch Nr. 9) – die technisch sicher realisierbare Integration der Rechner und/oder der Leistungselektronik direkt in die Power Carpets soll dabei ebenfalls in diesem Anspruch Nr. 9 mit unter Schutz gestellt werden – Anspruch Nr. 10 bezieht sich auf die Konstruktion des Sekundärspulensatzes/der HF-Empfangsantenne unten am Fahrzeug. Unter Schutz gestellt werden soll die Absenkbarkeit des Sekundärspulensatzes/der HF-Antenne sowie die Möglichkeit, den Sekundärspulensatz/die HF-Antenne anzuheben, um sie z. B. in unebenem Gelände vor Beschädigung zu schützen; dieser Vorgang kann automatisiert sein.