DE102008036595A1

DE102008036595A1 - Sustained traffic system is provided with batteries that are exchanged in short time in battery exchange stations, where electrical energy is fed back into power grid by direct current to alternating current converter

Info

Publication number: DE102008036595A1
Application number: DE102008036595A
Authority: DE
Inventors: Edgar Löhr
Original assignee: CARBIKE GmbH
Current assignee: CARBIKE GmbH
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-02-11
Also published as: AT507275A2

Abstract

The sustained traffic system is provided with batteries that are exchanged in short time in battery exchange stations, where the electrical energy is fed back into the power grid by direct current to alternating current converter. A sine wave inverter module and corresponding power line are also provided. The batteries are removed and the loads partially charge the vehicles.

Description

Der steigende Ölpreis und die Klimadiskussion führen zu verstärkten Anstrengungen auch den Verkehr, der den weltweit am stärksten wachsende Sektor hinsichtlich Energieverbrauch und Emissionen darstellt, in ein nachhaltiges System zu überführen. Trotz der Rückschläge der Wasserstofftechnik, die lange Zeit als die Zukunftslösung gesehen wurde, aber energetisch wenig Sinn macht, scheint ein emissionsfreier Antrieb dank der großen Fortschritte bei der Batterietechnik unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Viele große Fahrzeughersteller haben das Elektrofahrzeug wieder auf die Agenda genommen. Hier sind aber noch große Hüden technischer, infrastruktureller und ökonomischer Art zu nehmen. Der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors durch den Elektroantrieb stellt aus energetischer und klimapolitischer Sicht noch keinen wesentlichen Fortschritt dar, da Elektroautos deutlich schwerer als ihre konventionellen Pendants sind und auf die gesamte Energiekette (well to wheel) bezogen nur ein kleiner Vorteil erreichbar ist. Hinzu kommen bislang ungelöste Probleme bei der Fahrzeugheizung und -klimatisierung, die die Batterien zusätzlich belasten. Ferner sind die erreichbaren Zyklenzahlen und die Energiedichte den zulässigen Ladeströmen entgegengesetzt. Für Elektroautos konventioneller Bauart, die etwa 20 kWh auf 100 km benötigen und die aus Akzeptanzgründen über mindestens 200 km Reichweite verfügen müssen, würden Zeiten für die volle Ladung an 16 A – Steckdosen von ca. 10-15 Stunden resultieren, was kaum akzeptabel ist. Die ökonomische Schwierigkeit liegt darin, dass die erforderlichen 40 kWh Batteriekapazität derzeit über 80.000 $ kosten, wobei schnelladefähige Akkutypen meist noch teurer sind. Batterieexperten hoffen diesen Wert mittelfristig auf ¼ reduzieren zu können (0,5 $/Wh), was immer noch mehr als der heutige durchschnittliche Fahrzeugpreis wäre. Um dieses Problem zu lösen, werden Batterie-Leasing-Systeme diskutiert, die den Anschaffungspreis der Batterie also nicht im Fahrzeugpreis, sondern im Kilometerpreis enthalten. Dies würde bei einer Lebensdauer der Batterie von 100.000 km derzeit 0,80 $/km Batteriekosten zuzüglich Stromkosten und Leasinggebühren bedeuten, was wohl niemand bezahlen will. Auch wird die Möglichkeit der Doppelnutzung der Fahrzeugbatterien vorgeschlagen, zum einen für die Fahrenergie, zum anderen für die Rückspeisung von Strom ins Netz, um Schwankungen zwischen Nachfrage und Erzeugung des Stroms ausgleichen zu können. Wenn also mit dem Bezug von Grundlaststrom Geld gespart und mit der Erzeugung von Spitzenlaststrom Geld verdient werden kann, reduziert sich die ökonomische Hürde etwas. In US 2008/0052145 A1 und auch in US 5 642 270 ist ein solches System (vehicle-to-grid) ausführlich beschrieben. Obwohl dieser Ansatz auf den ersten Blick attraktiv erscheint, hat er doch eine Reihe von Nachteilen: Ungünstig ist, dass nur Garagen- und Stellplatzbesitzer davon profitieren und dass die Fahrzeuge zu den Spitzenlastzeiten (morgens, mittags, abends) selbst unterwegs sind, also nicht ins Netz einspeisen können. Auch kann der Mittagspeak der Solarenergie kaum aufgefangen werden, so dass die energetischen und ökonomischen Möglichkeiten dieser Variante sehr beschränkt sind. Ferner muss der Fahrzeugbesitzer die Kosten des Rückspeisegerätes übernehmen. Am gravierendsten aber ist, dass die allermeisten privaten Stromanschlüsse nicht auf die für die Spitzenlast erforderlichen Ströme ausgelegt, sondern meist nur mit 10 oder 16 A abgesichert sind, woraus sich bei 230 V relativ geringe Einspeiseleistungen von 2,3 bzw 3,7 kW ergeben. Dies ist unbefriedigend, da die Batterien das 10- bis 20-fache leisten könnten.The rising price of oil and the climate debate are leading to increased efforts to transform transport, which is the world's fastest-growing sector in terms of energy consumption and emissions, into a sustainable system. Despite the setbacks of hydrogen technology, which for a long time was seen as the solution of the future, but makes little energy sense, emission-free propulsion seems possible thanks to the great advances in battery technology under certain conditions. Many large vehicle manufacturers have put the electric vehicle back on the agenda. But there are still big dogs of a technical, infrastructural and economic nature to take. The mere replacement of the internal combustion engine by the electric drive is from an energetic and climate policy perspective is not a significant step forward, because electric cars are significantly heavier than their conventional counterparts and based on the entire energy chain (well to wheel) related only a small advantage can be achieved. Added to this are unsolved problems in vehicle heating and air conditioning, which put additional strain on the batteries. Furthermore, the achievable number of cycles and the energy density are opposite to the permissible charging currents. For electric cars of conventional design, which need about 20 kWh per 100 km and for reasons of acceptance must have at least 200 km range, would give times for the full charge of 16 A - outlets of about 10-15 hours, which is hardly acceptable. The economic difficulty lies in the fact that the required 40 kWh of battery capacity currently cost over $ 80,000, with fast-charging battery types usually being even more expensive. Battery experts hope to reduce this value in the medium term to ¼ ($ 0.5 / Wh), which would still be more than today's average vehicle price. To solve this problem, battery leasing systems are discussed that do not include the purchase price of the battery in the vehicle price, but in the price per kilometer. With a battery life of 100,000 km, this would currently cost $ 0.80 / km battery plus electricity and leasing fees, which no one wants to pay. The possibility of dual use of the vehicle batteries is proposed, on the one hand for the driving energy, on the other hand for the return of electricity into the grid to compensate for fluctuations between demand and generation of electricity. So if money can be saved with the purchase of base load current and money can be earned with the generation of peak load current, the economic hurdle is reduced somewhat. In US 2008/0052145 A1 and also in US 5 642 270 Such a system (vehicle-to-grid) is described in detail. Although this approach seems attractive at first glance, it has a number of drawbacks: It is unfavorable that only garage and parking lot owners benefit from it, and that the vehicles are on their own during peak periods (morning, noon, evening), ie not into the night Can feed in the grid. Also, the Mittagspeak solar energy can hardly be collected, so that the energetic and economic possibilities of this variant are very limited. Furthermore, the vehicle owner must take over the costs of the regenerative power unit. Most of all, however, most of the private power connections are not designed for the currents required for the peak load, but are usually only fused with 10 or 16 A, resulting in relatively low feed-in power of 2.3 or 3.7 kW at 230 V. This is unsatisfactory because the batteries could do 10 to 20 times.

Ein weiterer Ansatz, um das ökonomische Problem zu mildern, mehr aber noch, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, hat man vorgeschlagen, die Fahrzeugbatterien leicht austauschbar zu machen, so dass sie in Batteriewechselstationen, sogenannten Akkutankstellen, rasch und automatisiert gewechselt werden können. Beispiele hierfür sind in DE 10 2008 047 654 A1 und EP 1 810 869 A1 gezeigt. Shai Agassi, ehemaliger Vorstand von SAP will in naher Zukunft ein weltweites Netz von Akkutankstellen aufbauen ( www.betterplace.com ), was in der gezeigten Version mit einem unterflurigen Austausch der Batterien und Induktionsladestationen neben erheblichen Investitionen auch neue Autos mit anderem Package und Design notwendig macht. Drei Gründe sprechen dafür, dass auch dies nicht genügen wird, die ökonomische Hürde zu nehmen. Erstens ist der Ersatz der Batterien eines Elektroautos wegen der hohen Batteriemasse von ca. 450 kg technisch aufwändig, zweitens müssen auf die Batteriekosten noch die Infrastrukturkosten und der Gewinn des Tankstellenbetreibers aufgeschlagen werden, was den elektrischen „Spriti” wieder sehr teuer macht und drittens bedeutet der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor nur die Fortschreibung der Energieverschwendung mit anderen Mitteln. Das kann sich eine Weltbevölkerung, deren Energiebedarf noch auf viele Jahrzehnte über dem Angebot an regenerativen Energien liegen wird, nicht leisten.Another approach to mitigating the economic problem, but more so as to increase the acceptance of electric vehicles, has been to make the vehicle batteries easily replaceable, so that they can be quickly and automatically changed in battery changing stations, so-called battery charging stations. Examples of this are in DE 10 2008 047 654 A1 and EP 1 810 869 A1 shown. Shai Agassi, former CEO of SAP, plans to build a worldwide network of battery charging stations in the near future ( www.betterplace.com ), which in the version shown with an underfloor replacement of the batteries and induction charging stations in addition to considerable investments also makes new cars with different package and design necessary. There are three reasons why this too will not be enough to take the economic hurdle. First, the replacement of the batteries of an electric car because of the high battery mass of about 450 kg technically complex, secondly, the infrastructure costs and the profit of the gas station operator must be added to the battery costs, which makes the electric "Spriti" again very expensive and thirdly means mere replacement of the internal combustion engine by the electric motor only the continuation of energy waste by other means. This can not be done by a world population whose energy needs will be many more than the supply of regenerative energies for many decades to come.

Ein nachhaltiges und umweltfreundliches Verkehrssystem fusst fraglos auf dem Elektroantrieb einerseits und regenerativen Energien andererseits, doch wie seine Komponenten aussehen müssen, ist nach wie vor unklar. Klar ist allerdings, dass ein solches System einen hohen Effizienzfortschritt bringen und in globalem Maßstab rasch umsetzbar sein muss, denn die Zeit drängt. Es ist dem Fachmann auch offenkundig, dass nur ein Denken im Gesamtsystem „Verkehr” weiterführend ist und der Weg der Modifizierung des jetzigen Systems (conversion design) nicht möglich ist. Dies zeigt sich z. B. in der oben erwähnten Patentschrift DE 10 2008 047 654 A1 , da das dort gezeigte Beispielfahrzeug keinesfalls mit der beschriebenen Art und Weise des seitlichen Batterieaustausches kompatibel ist. Es fehlt das dazu notwendige seitliche Karosseriefenster, das erforderliche Batterievolumen ist viel zu klein dargestellt und der Schwerpunkt ist zu hoch. Nachhaltige Mobilität erfordert die optimale Anpassung der Fahrzeugflotte sowohl an die tatsächliche Nutzung, die heute schon überwiegend auf der Kurzstrecke stattfindet, als auch an die besonderen Eigenschaften der regenerativen Antriebstechniken.A sustainable and environmentally friendly transport system is undoubtedly based on the electric drive on the one hand and regenerative energies on the other, but how its components must look is still unclear. It is clear, however, that such a system must bring a high degree of efficiency and must be quickly implemented on a global scale, because time is short. It is also obvious to the person skilled in the art that only a thinking in the overall system "traffic" is continuing and the way of modifying the current system (conversion design) is not possible. This is shown for. B. in the above-mentioned patent DE 10 2008 047 654 A1 since the example vehicle shown there is by no means compatible with the described manner of lateral battery replacement. It lacks the necessary side body windows, the required battery volume is much too small and the focus is too high. Sustainable mobility requires the optimal adaptation of the vehicle fleet both to the actual use, which today already predominantly takes place on short-haul routes, and to the special characteristics of regenerative propulsion technologies.

Im Stand der Technik ist bislang kein praktikabler Weg für die breite Einführung eines Verkehrssystems auf der Basis von Elektrofahrzeugen beschrieben, die gleichermaßen energieeffizient wie kostengünstig sind.in the Prior art is not yet a viable option for the broad introduction of a transport system based described by electric vehicles that are equally energy efficient how inexpensive are.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten zu überwinden und ein nachhaltiges, hocheffizientes und ökonomisch günstiges Verkehrssystem zu entwickeln, das den Einsatz regenerativ erzeugten Stroms für den Straßenverkehr optimal und auf praktikable Weise nutzt.task The invention is therefore to overcome these difficulties and a sustainable, highly efficient and economically favorable one To develop transport systems that generated the use of renewable energy Electricity optimally and on the road utilizes practical way.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen:

1. Einsatz von Elektrofahrzeugen spezieller Bauart, deren Batterien leicht und schnell ausgetauscht werden können,
2. Einsatz von Akkutankstellen (AT), die es erlauben die Batterien aus den Fahrzeugen zu entnehmen, zu lagern und mit Energie aus dem Stronetz (SN) zu laden,
3. Nutzung der den Fahrzeugen entnommenen und geladenen oder zumindest teilgeladenen Batterien zur Rückspeisung von Energie ins Netz mittels DC/AC-Wandler, z. B. Sinuswechselrichter (DC/AC).

To solve this problem, the invention proposes:

1. use of electric vehicles of a special design whose batteries can be easily and quickly replaced,
2. use of battery charging stations (AT), which allow the batteries to be removed from the vehicles, stored and charged with energy from the Stronetz (SN),
3. Use of the vehicles taken and charged or at least partially charged batteries for the return of energy into the network by means of DC / AC converter, z. B. Sine Wave Inverter (DC / AC).

Erfindungsgemäß werden überwiegend hocheffiziente Elektrofahrzeuge (EEV) verwendet, die sich nicht nur im Antrieb vom konventionellen Auto deutlich unterscheiden, sondern durch folgende Eigenschaften charakterisierbar sind:

1. Extremer Leichtbau mit einem überwiegenden Anteil an Leichtmetallen, Faserverbundwerkstoffen und Kunststoffen,
2. Leichtlaufreifen mit einem Gasdruck über 4 bar und relativ geringer Breite,
3. gegenüber dem heutigen Durchschnittsauto erheblich reduzierte Höchstgeschwindigkeit und Motorleistung,
4. auf die schwerpunktsnahe Unterbringung der Batterien und deren leichten Austausch ausgerichtete Karosseriestruktur (kein Conversion Design).

According to the invention, predominantly highly efficient electric vehicles (EEVs) are used, which not only differ significantly from the conventional car in terms of their drive, but can be characterized by the following properties:

1. Extremely lightweight construction with a predominance of light metals, fiber composites and plastics,
2. low-rolling-resistance tires with a gas pressure above 4 bar and a relatively small width,
3. significantly reduced top speed and engine power compared to today's average car,
4. body structure oriented toward the close proximity of the batteries and their easy exchange (no conversion design).

Da in naher Zukunft 70% der Menschheit in Städten und Ballungsgebieten leben werden, wird außerdem vorgeschlagen, speziell für den urbanen Raum optimierte, sehr kompakte, 2 oder 2 + 2 sitzige Leichtfahrzeuge, wie sie z. B. in DE 10 2007 050 552 und in DE 198 55 585 beschrieben sind, zu verwenden, die unter 300 kg schwer sind, die EU-weit als „vierrädriges Kleinkraftfahrzeug” zugelassen werden können und die aufgrund der geringen Masse und ihrer geringen Komplexität äußerst kostengünstig herzustellen und zu betreiben sind. Nur sehr preiswerte Fahrzeuge können im globalen Maßstab ausreichend viele Käufer finden, um das System überall schnell etablieren und die für den raschen Aufbau der regenerativen Energieanlagen notwendigen Speicherkapazitäten aufbauen zu können.Since in the near future 70% of humanity will live in cities and metropolitan areas, it is also proposed, especially for the urban space optimized, very compact, 2 or 2 + 2-seater light vehicles, such as. In DE 10 2007 050 552 and in DE 198 55 585 heavier than 300 kg, which can be registered throughout the EU as a "four-wheeled small motor vehicle" and which are extremely inexpensive to produce and operate due to their low mass and low complexity. Only very cheap vehicles can find a sufficient number of buyers on a global scale in order to be able to establish the system quickly everywhere and to build up the storage capacities necessary for the rapid development of regenerative energy systems.

Die Erfindung sieht auch vor, in den Elektrofahrzeugen ein oder mehrere Batterieeinheiten (BE) unter den Sitzen (30) von Fahrer und Beifahrer in einem seitlich zugänglichen Quertunnel (20) unterzubringen und sie beim Wechsel seitlich herauszufahren. Dabei wird vorgeschlagen, ein automatisches Kuppeln/Entkuppeln der Stromkontakte in der Endlage vorzusehen und die Batteriemodule mit Rollen oder Rädern zu versehen. So können die Batteriemodule manuell oder automatisch ohne großen Kraftaufwand über Schienen oder Flächen bewegt werden. Dabei wird der Quertunnel vorzugsweise so mit der übrigen Karosseriestruktur verbunden, dass er Torsinns- und Seitenkräfte aufnehmen kann.The invention also provides, in the electric vehicles, one or more battery units (BE) under the seats ( 30 ) of the driver and front passenger in a laterally accessible transverse tunnel ( 20 ) and move them out laterally when changing. It is proposed to provide an automatic coupling / uncoupling of the current contacts in the end position and to provide the battery modules with wheels or wheels. Thus, the battery modules can be moved manually or automatically without much effort on rails or surfaces. In this case, the transverse tunnel is preferably connected to the rest of the body structure so that it can absorb Torsinns- and lateral forces.

Es wird ferner vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) mit Informationen über die aktuelle Stromproduktion und Nachfrage zu versorgen und mit einem Energiemanagementsystem auszustatten, das zwischen Strombezug und Stromeinspeisung je nach Lage umschalten kann. Dieses System kann auf Softwarebasis autonom entscheidend oder ferngesteuert, z. B. durch den Netzbetreiber, arbeiten. Auch ist vorgesehen, die in den Batterien enthaltene Energie für die Notstromversorgung zu verwenden. Dazu wird vorgeschlagen, den Behörden von Landkreisen, Städten und Gemeinden, Zugriff auf die Batteriekapazität zu geben, indem sie per Funk oder Datenleitung 13 fernsteuernd ins Energiemanagmentsystem (EMS) der Akkutankstelle (AT) eingreifen können. Da die den Fahrzeugen entnommenen Batterien rund um die Uhr geladen werden können, ist es auch möglich, tagsüber Strom aus Sonnenkraftwerken zu verwenden.It is also proposed to provide the battery charging stations (AT) with information about the current power production and demand and to equip it with an energy management system that can switch between power supply and power supply depending on the situation. This system can be software-based autonomously decisive or remotely controlled, for. B. by the network operator, work. It is also intended to use the energy contained in the batteries for the emergency power supply. To this end, it is proposed to give the authorities of counties, towns and municipalities access to the battery capacity by radio or data line 13 remote control into the energy management system (EMS) of the battery charging station (AT) can intervene. Since the batteries taken from the vehicles can be charged around the clock, it is also possible to use electricity from solar power stations during the day.

Eine weitere Verbesserung dieser Erfindung sieht vor, die Akkutankstellen (AT) mit einem Messgerät für die Batteriekapazität und den -zustand auszustatten oder ein mit den Batterien stets verbundenes Gerät zur Batteriezustandserkennung auszulesen und Batterien, deren Kapazität zu weitgesunken ist, um wieder im Fahrzeug verwendet zu werden, nur noch für die Rückspeisung von Energie zu verwenden. Sie erhalten damit eine Art „zweites Leben” bevor sie endgültig entsorgt werden müssen. Es ist vorteilhaft, diese Batterien aus dem fahrzeugnahen und in stetem Umschlag befindlichen Batteriemagazin zu entfernen und in ein separates Lager einzubringen. Es kann, z. B. aus Platzgründen, sinnvoll sein, dieses Lager nicht auf dem Gelände der Akkutankstelle (AT) aufzustellen, sondern an einem anderen Ort, und die entsprechenden Batterien dorthin zu transportieren. Dann wird es auch günstig sein, Batterien aus verschiedenen Akkutankstellen (AT) dort zu versammeln. In dieser Variante der Erfindung befindet sich der DC-AC-Wandler nicht mehr oder zumindest nicht mehr allein an der Akkutankstelle (AT) sondern in einem zentralen Rückspeisemagazin.A further improvement of this invention provides to equip the battery charging stations (AT) with a battery capacity and condition meter, or to read a battery status detection device connected to the batteries and batteries whose capacity has become too low to be used in the vehicle again be used only for the recovery of energy. You get a kind of "second life" be before they finally have to be disposed of. It is advantageous to remove these batteries from the battery near the vehicle and in a constant envelope and insert it into a separate warehouse. It can, for. B. for reasons of space, be useful to set up this camp not on the site of Akkutankstelle (AT), but at a different location, and to transport the appropriate batteries there. Then it will also be convenient to collect batteries from different battery charging stations (AT) there. In this variant of the invention, the DC-AC converter is no longer or at least not alone at the battery charging station (AT) but in a central regenerative magazine.

Ferner ist vorgesehen, stets einen Teil der Batterien von der Rückspeisung auszunehmen, damit sie vollgeladen in die nächsten Fahrzeuge überführt werden können. Die von den Fahrzeugen übernommenen, weitgehend leeren Batterien werden zunächst vorgeladen, z. B. auf 75% der Nennkapazität, bevor sie zur Netzeinspeisung verwendet werden. Dazu wird ein Energiemanagementsystem (EMS) verwendet, das über den Ladezustand der einzelnen Batterien informiert ist und das mit Informationen zu den kurzfristig erwarteten Fahrzeugzahlen und der erwarteten Stromsituation versorgt wird.Further is provided, always a part of the batteries from the return feed to be fully loaded in the next vehicles can be. The ones inherited from the vehicles, largely empty batteries are first pre-charged, z. B. to 75% of the rated capacity, before going to the grid feed be used. For this purpose, an energy management system (EMS) is used, that informs about the state of charge of the individual batteries is and this with information on the expected short-term vehicle numbers and the expected electricity situation is supplied.

Es wird auch vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) an ein leistungsfähiges Stromnetz (SN), z. B. Mittelspannungsnetz mit 10 kV, anzuschließen.It It is also proposed that the battery charging stations (AT) to a powerful Power grid (SN), z. B. medium voltage network with 10 kV, to connect.

Um eine möglichst breite Fahrzeugpalette versorgen zu können, wird vorgeschlagen, die Batterien in standardisierte und relativ kleine Batterieeinheiten (BE), z. B. 48 V 40 Ah, aufzuteilen, die bezüglich Gewicht und Abmessungen relativ leicht handhabbar sind und die in Reihen- oder Parallelschaltung zu größeren Modulen unterschiedlicher Spannung und Kapazität im jeweiligen Fahrzeug auf einfache Weise kombiniert werden können. Aus Gründen des Wärmemanagements der Zellen im Fahrzeug und innerhalb der Batteriemagazine und um die Fahrzeuge nicht unnötig hoch zu machen, ist ferner vorgesehen, die Batterieeinheiten (BE) relativ flach auszuführen, indem man die Höhe auf nicht mehr als etwa 1/2 der größten Seitenlänge bemisst. Eine Batterieeinheit (BE) mit obigen Kennwerten und integriertem Batteriemanagmenstsystem (BMS) hätte bei Verwendung von LiFePo4-Zellen und ausreichend Kühlluftkanälen Maße von ca. L × B × H = 0,40 m × 0,35 m × 0,18 m, was einem Volumen von 25 Litern entspricht.Around to provide the widest possible range of vehicles, It is suggested that the batteries be standardized and relative small battery units (BE), z. B. 48 V 40 Ah, split, the relatively easy to handle in terms of weight and dimensions are and in series or parallel to larger Modules of different voltage and capacity in each Vehicle can be easily combined. Out For reasons of thermal management of cells in the vehicle and within the battery magazines and around the vehicles not unnecessary It is also intended to make the battery units (BE) To perform relatively flat by looking at the height to no more than about 1/2 of the largest side length measured. A battery unit (BE) with the above characteristics and integrated Battery Management System (BMS) would have been used with LiFePo4 cells and sufficient cooling air channels Dimensions of approx. L × W × H = 0.40 m × 0.35 m × 0.18 m, which corresponds to a volume of 25 liters.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, für Transporter, leichte Lkw und Busse erheblich größere Batterieeinheiten (BE) zu wählen und über separate Wechselstationen (6, 7) auszutauschen. Entsprechend kann auch für Elektrofahrräder (5) eine eigene Wechselstation (8) mit einer kleinen Batterieeinheit (BE) vorgesehen werden.A further embodiment of the invention provides, for vans, light trucks and buses to select considerably larger battery units (BE) and via separate exchange stations ( 6 . 7 ). Accordingly, also for electric bicycles ( 5 ) own changing station ( 8th ) with a small battery unit (BE).

Ferner wird vorgeschlagen, sogenannte Lithium Power Cells zu verwenden, die hohe Entladeströme von über 5 C bis derzeit max. 10 C vertragen, da der Ausgleich der Stromschwankungen hohe Leistungen erfordert, aber auch, weil dieser Akkutyp besonders schnell geladen werden kann. Dies wiederum verkleinert die Anzahl der Batterien in der jeweiligen Akkutankstelle (AT), die aus oben genannten Gründen nicht an der Rückspeisung teilnehmen können, was zu einer insgesamt höheren spezifschen Rückspeiseleistung führt.Further it is proposed to use so-called lithium power cells the high discharge currents of over 5 C up to now Max. 10 C tolerate, since the compensation of the current fluctuations high performances requires, but also because this battery type charged particularly quickly can be. This in turn reduces the number of batteries in the respective Akkutankstelle (AT), for the reasons mentioned above can not participate in the feedback, what to an overall higher specific recovery power leads.

Schließlich wird vorgeschlagen, die bei der Batterieladung und -entladung entstehende Abwärme in Batterien, Ladegeräten, Gleich- und Wechselrichtern mittels Wärmetauscher für Heizzwecke oder zur Brauchwassererwärmung zu verwenden.After all It is proposed that the resulting during battery charging and discharging Waste heat in batteries, chargers, DC and Inverters by means of heat exchangers for heating purposes or to use for domestic water heating.

Vorteile der Erfindung: Gegenüber dem Stand der Technik werden eine ganze Reihe erheblicher Vorteile erzielt:
Die Kombination von hocheffizienten Elektrofahrzeugen einerseits und regenerativ erzeugter Energie andererseits erlaubt einen Effizienzsprung gegenüber dem heutigen System um mindestens den Faktor 3 bis 5. Der Energiebedarf der individuellen Mobilität wird erheblich gesenkt, die wertvollen und knappen regenerativen Energiequellen also effektiv genutzt und die CO2-Emission drastisch reduziert.Advantages of the Invention: Compared with the prior art, a number of significant advantages are achieved:
The combination of highly efficient electric vehicles on the one hand and renewable energy on the other hand allows a leap in efficiency over the current system by at least a factor of 3 to 5. The energy requirement of individual mobility is significantly reduced, the valuable and scarce renewable energy sources used effectively and the CO2 emission drastically reduced.

Der Energietransfer über Akkutankstellen, die auch für die Strompufferung verwendet werden können, bietet nicht nur ein praktisches und zeitsparendes System für jedermann, sondern senkt die Kosten des Gesamtsystems durch Doppelnutzung der Batterien und durch die Größendegression der elektrotechnischen Anlagekosten. Ein solches System erlaubt es auch, die Fahrzeuge ohne die Batterie zu kaufen, was die Anschaffungskosten erheblich senkt.Of the Energy transfer via battery charging stations, which also for the stream buffering can be used does not provide just a practical and time-saving system for everyone, but reduces the cost of the entire system by double use of the Batteries and by the size degression of electrotechnical Equipment costs. Such a system also allows the vehicles without buying the battery, which significantly lowers the acquisition costs.

Im Gegensatz zum Vehicle-to-Grid-System kann es jederzeit erhebliche Stromleistungen bereitstellen und dem tatsächlichen Strombedarf weit besser folgen. Beispielsweise kann eine Tankstelle mit 1000 kWh für die Rückspeisung verfügbarer Batteriekapazität eine Rückspeiseleistung von über 5000 kW erreichen. Bereits 200 solcher Tankstellen können zusammen die Leistung eines Großkraftwerks von 1 Gigawatt liefern. Zum Vergleich: In Deutschland sind derzeit ca. 7 GW Regelleistung in Pumpspeicherkraftwerken installiert. Die durch eine verstärkte Nutzung regenerativer Energiequellen notwendige zusätzliche Speicherkapazität kann bei einem flächendeckenden Einsatz dieses Verkehrssystems ohne weiteres gedeckt werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die einfache Einbindung der Akkutankstellen (AT) in die Notstromversorgung von Gemeinden und Städten, da das System rund um die Uhr zur Verfügung steht und nur relativ wenig Einheiten zur Rückspeisung angesteuert werden müssen. Auch bei großflächigen Netzzusammenbrüchen ist dieser Notbetrieb zumindest für einige Stunden möglich.In contrast to the vehicle-to-grid system, it can provide significant power at any time and follow the actual power requirements far better. For example, a refueling station with 1000 kWh can achieve a regenerative power of over 5000 kW for regenerating available battery capacity. Already 200 gas stations can deliver the power of one gigawatt of power plants. For comparison, in Germany there are currently about 7 GW of regulated power installed in pumped storage power plants. The additional storage capacity required by increased use of regenerative energy sources can be readily covered in a nationwide deployment of this transport system. Another great advantage is the simple integration of the battery charging stations (AT) in the emergency power supply of communities and Cities, because the system is available around the clock and only relatively few units have to be controlled for energy recovery. Even with large-scale network collapses this emergency operation is possible for at least a few hours.

Der seitliche Austausch der unter den Fahrersitzen befindlichen Batterien erlaubt ebenerdig aufgestellte und daher kostengünstige Batteriemagazine und Wechselvor richtungen. Teure unterirdische Systeme sind nicht notwendig. Die Aufteilung der Batterien in relativ kleine, standardisierte Einheiten ergibt ein äußerst flexibles und auf viele Fahrzeugtypen anwendbares System. Dies bietet auch den Vorteil, dass nicht jeder Fahrzeughersteller sein eigenes Batteriesystem entwickeln muss, so dass sich nochmals ganz erhebliche Kosteneinsparungen ergeben werden. Natürlich bleibt es weiterhin möglich und je nach den Umständen sinnvoll, die Fahrzeugbatterien an der heimischen Steckdose aufzuladen, um sich den Weg zur Tankstelle zu sparen. Auch eine private Rückspeisung kann für einen bestimmten Personenkreis Sinn machen. Für die meisten Menschen aber wird die Akkutankstelle, die sich z. B. auch an Einkaufszentren oder an Parkplätzen großer Firmen befinden kann, der bequemere und meist auch einzig mögliche Weg sein. Wegen der großen Kostenvorteile und der breiten Anwendbarkeit kann dieses nachhaltige Verkehrssystem vergleichsweise rasch realisiert werden, was ein entscheidender Vorteil gegenüber den anderen diskutierten Lösungen ist.Of the lateral replacement of the batteries located under the driver's seats allows at ground level and therefore cost-effective Battery magazines and Wechselvor directions. Expensive underground systems are not necessary. The division of the batteries into relatively small, standardized units gives a very flexible and system applicable to many vehicle types. This also offers the advantage that not every vehicle manufacturer has its own battery system has to develop, so that again very significant cost savings be surrendered. Of course it remains possible and depending on the circumstances makes sense, the vehicle batteries to charge the domestic outlet to find their way to the gas station to save. Also a private feedback can for make sense to a certain group of people. For the most But people will the Akkutankstelle, z. B. also at shopping centers or in parking lots of large companies, be the more comfortable and usually only possible way. Because of the great cost advantages and the wide applicability This sustainable transport system can be implemented comparatively quickly which is a decisive advantage over the others is discussed solutions.

Das hier entwickelte elektrische Verkehrssystem ergänzt in idealer Weise den sicher auch in Zukunft verbrennungsmotorisch betriebenen Pkw-, Bus- und Lkw-Fernverkehr, für den man die nachwachsenden, aber immer nur begrenzt verfügbaren Biotreibstoffe, z. B. BtL, reservieren sollte.The here developed electric transport system supplemented in Ideally, it will certainly continue to be powered by combustion engines in the future Car, bus and truck long-distance traffic, for which the renewable, but only limited available biofuels, z. B. BtL, should reserve.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile gehen aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor. Die Ausführungsbeispiele sind im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further inventive features and advantages go out the description and the drawings. The embodiments are described below with reference to the drawings. It demonstrate:

1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verkehrssystems 1 a diagram of the traffic system according to the invention

2 eine typische Angebotskurve an Solarstrom im Vergleich zu typischen Stromverbrauchkurven im Tagesgang. 2 a typical supply curve of solar power in comparison to typical power consumption curves in the daily cycle.

3 ein Schema einer Akkutankstelle 3 a scheme of a battery charging station

4 den Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtfahrzeugs 4 the battery change in front view on the example of an urban light vehicle

5 den Größenvergleich zwischen Mittelklasse-Pkw und einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug 5 the size comparison between middle-class cars and a light vehicle optimized for urban traffic

6 ein hocheffizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen Merkmalen 6 a highly efficient light vehicle in side view with its essential features

7 das gleiche Fahrzeug in Draufsicht ohne Dach 7 the same vehicle in top view without a roof

8 ein effizientes Elektrofahrzeug mit 3 × 2 Batterieeinheiten 8th an efficient electric vehicle with 3 × 2 battery units

9 die modulare Zusammenstellung der Batteriemodule aus Batterieeinheiten 9 the modular composition of the battery modules from battery units

10 eine Kurve des Energieinhalts einer Batterie im Verlauf des gesamten Prozesses 10 a curve of the energy content of a battery throughout the process

1 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Verkehrssystems. Dargestellt ist die elektrisch betriebene, hocheffiziente Fahrzeugflotte EEV einerseits, die regenerativen Kraftwerke RE und die vorerst noch mit dem Netz verbundenen fossilen Kraftwerke FE andererseits und dazwischen die Verknüpfung über Stromnetz SN, Akkutankstellen AT und austauschbare Batteriemodule BM. Gestrichelt angedeutet ist auch die Möglichkeit, die Fahrzeuge EV an der Steckdose der Garage G aufzuladen und sie nach dem Vehicle-to-Grid-Prinzip für die Rückspeisung von Energie zu benutzen. Daneben ist das über Energiepflanzen nachhaltig betriebene System des Straßenfernverkehrs gezeigt, bei dem nach wie vor Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor CV verwendet werden, wobei vorwiegend Biomass-to-Liquid BtL, Biodiesel BD, Bioethanol BET und Biogas BG eingesetzt werden. Der von den Kraftwerken RE und FE erzeugte Strom wird über das Stromnetz SN als Mittelspannung von 10 kV an die Akkutankstelle AT geliefert, dort auf Niederspannung heruntertransformiert und über einen als Ladegerät ausgelegten AC/DC-Wandler in die Batteriemodule BM geleitet. Natürlich können mehrere solcher Geräte parallel betrieben werden und auch die AC/DC-Wandlung und die I/U-gesteuerte Ladung in verschiedenen durch einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Gehäusen untergebracht werden. Übersteigt die Stromnachfrage das kraftwerksseitige Angebot wird aus einem Teil der Batterien Strom entnommen und über einen DC/AC-Sinuswechselrichter in das Netz zurückgespeist. Die strichpunktierte Linie deutet an, dass Batteriewechselstationen BW und Zapfsäulen für Biotreibstoffe auch gemeinsam auf dem Gelände einer Tankstelle angeboten werden können, allerdings nur mit ausreichendem Sicherheitsabstand wegen der Gefahr der Funkenexplosion. Aus dem Stromnetz SN beziehen die übrigen Stromverbraucher SV ebenfalls Energie. 1 shows a schematic of the traffic system according to the invention. Shown is the electrically operated, highly efficient vehicle fleet EEV on the one hand, the regenerative power plants RE and the first connected to the network fossil power plants FE on the other hand and in between the link via power grid SN, battery charging stations AT and replaceable battery modules BM. Dashed lines also suggest the possibility to charge the vehicles EV at the socket of the garage G and to use them according to the vehicle-to-grid principle for the recovery of energy. In addition, the sustainable energy system of long-distance transport is shown, in which still vehicles with internal combustion engine CV are used, mainly biomass-to-liquid BtL, biodiesel BD, bioethanol BET and biogas BG are used. The electricity generated by the power plants RE and FE is supplied via the power grid SN as a medium voltage of 10 kV to the battery charging station AT, down-converted there to low voltage and passed through a designed as a charger AC / DC converter in the battery modules BM. Of course, several such devices can be operated in parallel and also the AC / DC conversion and the I / U controlled charge can be accommodated in different cases connected by a DC intermediate circuit. If the electricity demand exceeds the supply on the power plant, electricity is taken from one part of the batteries and fed back into the grid via a DC / AC sine wave inverter. The dot-dashed line indicates that battery change stations BW and fuel dispensers for biofuels can also be offered together on the grounds of a gas station, but only with sufficient safety distance because of the risk of sparking. The remaining power consumers SV also draw energy from the power grid SN.

2 zeigt mit der gestrichelten Linie eine typische Angebotskurve an Solarstrom im Vergleich zu typischen Stromverbrauchkurven im Tagesgang. Schraffiert sind die Stoßverkehrszeiten, in denen die wenigsten Fahrzeuge am Netz hängen können. Man sieht hier sehr deutlich den Vorteil des erfindungsgemäßen Systems gegenüber der Stromeinspeisung durch im Fahrzeug befindliche Batterien, die nur zu einem Bruchteil wirklich für die Spitzenlastabdeckung oder für die Verwendung von Solarstrom genutzt werden könnten. Das erfindungsgemäße System bietet demgegenüber eine viel höhere Zahl an mit dem Stromnetz SN verbundenen Batterien, insbesonder auch wegen der Zweitnutzung derjenigen Batterien, die aufgrund zu geringer Restkapazität aus dem Fahrbetrieb ausgesondert worden sind. Man kann erwarten, dass sie etwa noch einmal soviele Zyklen wie im Fahrzeug durchlaufen können, bevor sich ihre Verwendung nicht mehr lohnt. 2 shows with the dashed line a typical supply curve of solar power compared to typical power consumption curves in the daily cycle. Hatching is the rush hour, in which the fewest vehicles can hang on the net. you sees very clearly the advantage of the system according to the invention over the power supply by in-vehicle batteries, which could be used only to a fraction really for peak load coverage or for the use of solar power. In contrast, the system according to the invention offers a much higher number of connected to the power grid SN batteries, especially because of the secondary use of those batteries that have been discarded due to low residual capacity from driving. One can expect that they can go through as many cycles as in the vehicle, before their use is no longer worthwhile.

3 zeigt beispielhaft eine Akkutankstelle AT in Draufsicht mit den drei verschiedenen Fahrzeugtypen Elektrobus 1, Elektrofahrzeug 2, Stadtfahrzeug 3, 4 und Elektrofahrrad 5, die einen Akkutausch an verschiedenen Batteriewechselstationen 6, 7, 8 mit den jeweiligen, dem Fahrzeugleistungsbedarf angepassten Batterieeinheiten BE vornehmen. Außer beim Elektrofahrrad 5 werden die Batterien durch automatisierte Wechseleinrichtungen seitlich entnommen bzw. zugeführt. Gezeigt sind auch die zugeordneten Batteriemagazine. Mit den gestrichelten Pfeilen ist dargestellt, dass die von der Abwärme der Batterien, Ladegeräte und Wechselrichtern erwärmte Luft mittels Gebläse 12 abgesaugt und über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher zu Heizzwecken verwendet wird. Das elektronische Energiemanagmentsystem EMS wird über eine Datenleitung 13 mit den notwendigen Informationen über die Stromlage versorgt und gegebenenfalls durch den Stromversorger oder die Behörden angesteuert. Es ist mit einer Signalleitung mit dem oder den DC-AC-Invertern verbunden und entscheidet auf Softwarebasis über den Zeitpunkt, die Leistung und die Menge des zurückzuspeisenden und des für die Ladung zu verwendenden Stroms. Ein geeichter Stromzähler erfasst zeitgenau den Strombezug, bzw. die Stromlieferung bei Rückspeisung. Es ist möglich jede Batterieeinheit BE einzeln oder in Gruppen zu laden. Dazu sind entsprechende Leistungsschaltelemente vorgesehen. An jeder Wechseleinrichtung kann eine Testmessung an den Batterien vorgenommen werden, die den aktuellen Lade- und Leistungszustand der Batterie erfasst und eventuelle Defekte feststellt. Batterien, die defekt sind, werden aussortiert, und solche, deren Kapazität zu weit abgesunken ist, um im Fahrzeug verwendet werden zu können, werden in das Rückspeisemagazin 9 überführt. Die übrigen Batterien werden nach der Messung zunächst auf mindestens 75% der Kapazität aufgeladen und erst danach für die Rekuperation verwendet. Die Batterien des jeweiligen Magazins, die bereits am längsten im Zyklus sind, werden für den bevorstehenden Austausch in ein Fahrzeug von der Rückspeisung ausgenommen und voll geladen. Etwa 1/3 der Batterien nehmen jeweils an der Rückspeisung teil. Es ist auch möglich, ausschließlich die Batterien des Rückspeisemagazins 9 für die Rückspeisung zu verwenden. Die einzelnen Batterien sind über elektronische Leistungsschaltelemente mit dem DC/AC-Konverter verbunden und können nach Aufschaltung durch des Energiemanagmentsystem EMS ins Netz zurückspeisen. Das Energiemanagmentsystem EMS protokolliert den Energiefluss und wacht auch darüber, dass keine Batterie zu stark oder zu tief entladen wird oder sich zusehr erhitzt. Die Batteriemagazine sind in Etagenbauweise ausgeführt, wobei wegen der geringen Bauhöhe der Batterieeinheiten BE 10–20 Etagen ohne Schwierigkeit möglich sind. Das Einlagern und Entnehmen der Batterieeinheiten BE oder auch ganzer Batteriemodule BM erfolgt über einen automatischen Zuführroboter. 3 shows by way of example a Akkutankstelle AT in plan view with the three different types of vehicles electric bus 1 , Electric vehicle 2 , City vehicle 3 . 4 and electric bicycle 5 having a battery replacement at different battery change stations 6 . 7 . 8th with the respective, adapted to the vehicle power requirements battery units BE make. Except for the electric bicycle 5 the batteries are removed laterally or fed by automated changing devices. Shown are also the associated battery magazines. The dashed arrows show that the air warmed by the waste heat from the batteries, chargers and inverters is blown 12 is sucked off and used over an air-water heat exchanger for heating purposes. The electronic energy management system EMS is connected via a data line 13 supplied with the necessary information about the current situation and optionally controlled by the electricity supplier or the authorities. It is connected to a signal line to the DC-AC inverter (s) and decides software-based the timing, power and amount of current to be fed back and used for the charge. A calibrated electricity meter records the electricity purchase in real time, or the power supply when regenerated. It is possible to charge each battery unit BE individually or in groups. For this purpose, corresponding power switching elements are provided. At each change device, a test measurement on the batteries can be made, which detects the current state of charge and performance of the battery and detects any defects. Batteries that are defective will be sorted out, and those whose capacity has fallen too low to be used in the vehicle will be returned to the feed-back magazine 9 transferred. The remaining batteries are initially charged to at least 75% of the capacity after the measurement and only then used for recuperation. The batteries of the respective magazine, which are already the longest in the cycle, are excluded from the return feed for the upcoming replacement in a vehicle and fully charged. About 1/3 of the batteries each take part in the return feed. It is also possible to use only the batteries of the regenerative magazine 9 to use for the recovery. The individual batteries are connected to the DC / AC converter via electronic power switching elements and can feed back into the grid after being connected up by the EMS energy management system. The energy management system EMS records the flow of energy and also monitors that no battery is being over-discharged, over-discharged or too hot. The battery magazines are designed in multi-level construction, whereby 10-20 floors are possible without difficulty due to the low height of the battery units BE. The storage and removal of the battery units BE or even entire battery modules BM via an automatic feed robot.

4 zeigt den Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtfahrzeugs. In diesem sind die Batterien in einem Quertunnel 20 untergebracht, der sich unter den Sitzen 30 von Fahrer und Beifahrer befindet. Dieser Quertunnel 20 ist mit der übrigen Karosserie solide verbunden und trägt in erheblichem Maß zur Torsionssteifigkeit der Karosserie und zur Aufnahme von seitlichen Stoßkräften bei. Auf ihm sind Fahrer- und Beifahrersitz montiert. Die Batterien werden über Be- und Entladeschienen 17 in das Batteriemagazin nahezu höhengleich überführt. Dazu kuppelt ein servomotorisch betriebener Teleskoparm 34, der seitlich an den Batterien vorbei geführt wird, am hinteren Ende des aus zwei Batterieeinheiten BE bestehenden Batteriemoduls BM. Dargestellt ist ein einfaches, rotierendes Trommelmagazin 21 mit 6 × 2 Ladeplätzen. Die in 2 gezeigten Etagenmagazine mit einem Zuführroboter können erheblich mehr Batteriemodule BM im gleichen Volumen einlagern, sind aber auch teurer. Die Batterieeinheiten BE werden im Fahrzeug nach Fixierung in der Endposition durch automatische Kontakte 35 auf 48 V 80 Ah verschaltet. Auch im Trommelmagazin 21 werden automatische Kontakte 35 verwendet. 4 shows the battery change in front view on the example of an urban light vehicle. In this the batteries are in a cross tunnel 20 housed under the seats 30 located by driver and front passenger. This cross tunnel 20 is solidly connected to the rest of the body and contributes significantly to the torsional rigidity of the body and to absorbing lateral impact forces. The driver and front passenger seats are mounted on it. The batteries are charged via loading and unloading rails 17 transferred to the battery magazine almost level. To do this, a servo motor driven telescopic arm couples 34 , which is guided laterally past the batteries, at the rear end of the battery unit consisting of two battery units BE BM. Shown is a simple, rotating drum magazine 21 with 6 × 2 loading places. In the 2 shown floor magazines with a feed robot can store considerably more battery modules BM in the same volume, but are also more expensive. The battery units BE are in the vehicle after fixation in the end position by automatic contacts 35 interconnected to 48 V 80 Ah. Also in the drum magazine 21 become automatic contacts 35 used.

5 zeigt den Größenvergleich zwischen Mittelklasse-Pkw und einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug. Neben der gezeigten drastischen Verkürzung des Fahrzeugs sinkt auch die Fahrzeugbreite um etwa 25%. Dies wird vor allem durch einen im Ellenbogenbereich sehr schmalen Türaufbau erreicht. Damit wird nur etwa 40% des Parkraums benötigt. 5 shows the size comparison between middle-class cars and a light vehicle optimized for urban traffic. In addition to the drastic shortening of the vehicle shown, the vehicle width also drops by about 25%. This is achieved mainly by a very narrow door frame in the elbow area. This only requires about 40% of the parking space.

6 zeigt ein hocheffizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen Merkmalen. Es misst 2,4 × 1,35 × 1,45 m und wiegt etwa 200 kg. Seine Karosserie besteht im unteren Teil aus einer selbststragenden Struktur 22 aus hochfesten Aluminiumblechen. Im oberen Teil wird ein Spaceframe 23 aus Alumiumprofilen verwendet, an dem eine Kunststoffverkleidung 25 abgebracht ist. Lediglich der Bereich der Frontscheibe, der vom Scheibenwischer überstrichen wird, besteht aus Sicherheitsglas, alle anderen Scheiben aus kratzfest beschichtetem Polycarbonat. Das Fahrzeug rollt auf 6 cm schmalen Hochdruckgürtelreifen mit einem c_r von 0,007. Die Nennleistung der beiden Elektromotoren 26 beträgt zusammen 4 kW, die Kurzzeitspitzenleistung 10 kW. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt 45 km/h. Es kann sowohl vollkommen geschlossen als auch weitgehend offen gefahren werden, was eine Klimaanlage in vielen Fällen unnötig macht. Die Motorsteuerung erfolgt über die Tretkurbel 28 des Fahrers ähnlich wie bei Pedelecs. Durch eine gewisse körperliche Aktivität des Fahrers wird innere Wärme frei, so dass die Heizanlage wesentlich kleiner dimensioniert werden kann und im wesentlichen der Scheibendefrostung oder -trocknung dient. Beim Bremsen wird elektrische Energie zurückgewonnen. Das Batteriemodul (BM) befindet sich sich in einem Quertunnel 20 unter dem Fahrer- und Beifahrersitz. Eine Seitenklappe 16 erlaubt den horizontalen Batteriewechsel. Das Batteriemodul BM besteht aus zwei Batterieeinheiten BE von je 48 V/40 Ah. Sie besitzen auf jeder Längsseite vier kugelgelagerte Rollen, die ein sehr leichtes Verfahren und die Überbrückung eines geringen Spaltes oder Höhenunterschiedes zwischen Batteriewechselstation und Fahrzeug erlauben. Die Batterieeinheiten BE können auch wegen des geringen Gewichts von unter 25 kg mittels eines ausziehbaren Handgriffs auf den Rollen wie ein Reisekoffer von Hand bewegt wenden, was ein großer Vorteil bei der Einführung der Fahrzeuge ist, da sich automatisierte Batteriewechselstationen 6, 7, 8 erst bei einer höheren Fahrzeugzahl lohnen. Die Anzahl der elektrischen Verbraucher an Bord und deren Leistungsaufnahme ist auf ein Minimum beschränkt. Schiebedach und Seitenfenster werden von Hand betätigt. Durch das geringe Gewicht und die schmalen Reifen mit geringem Reifenlatsch ist keine Servolenkung notwendig. Zudem kann wegen der geringen Höchstgeschwindigkeit auf ein ABS und ESP verzichtet werden. Als Cabrio benötigt es zudem keine Klimaanlage. 6 shows a highly efficient light vehicle in side view with its essential features. It measures 2.4 × 1.35 × 1.45 m and weighs about 200 kg. Its body consists in the lower part of a self-supporting structure 22 made of high-strength aluminum sheets. In the upper part becomes a spaceframe 23 made of aluminum profiles, on which a plastic cladding 25 is dissuaded. Only the area of the windshield, the Scheibenwi It is made of safety glass, all other windows are made of scratch-resistant coated polycarbonate. The vehicle rolls on 6 cm narrow high-pressure belt tires with a c _r of 0.007. The rated power of the two electric motors 26 together amounts to 4 kW, the short-term peak power 10 kW. Its top speed is 45 km / h. It can be both fully closed and largely open, which makes an air conditioner unnecessary in many cases. The engine control takes place via the crank 28 of the driver similar to pedelecs. By a certain physical activity of the driver inner heat is released, so that the heating system can be dimensioned much smaller and essentially serves the disc defrosting or drying. When braking, electrical energy is recovered. The battery module (BM) is located in a transverse tunnel 20 under the driver and passenger seats. A side flap 16 allows horizontal battery change. The battery module BM consists of two battery units BE of 48 V / 40 Ah each. They have on each longitudinal side four ball-bearing rollers, which allow a very easy process and the bridging of a small gap or height difference between battery replacement station and vehicle. The battery units BE can also be moved by hand due to the light weight of less than 25 kg by means of an extendable handle on the rollers such as a suitcase, which is a great advantage in the introduction of vehicles, since automated battery changing stations 6 . 7 . 8th only worthwhile with a higher number of vehicles. The number of electrical consumers on board and their power consumption is kept to a minimum. Sunroof and side windows are operated by hand. The low weight and the narrow tires with low tire noise no power steering is necessary. In addition, can be dispensed with ABS and ESP because of the low top speed. As a convertible, it also requires no air conditioning.

7 zeigt das gleiche Fahrzeug in Draufsicht ohne Dach. Der Quertunnel 20 und die mit ihm solide verbundenen Elemente der selbsttragenden Karosseriestruktur sind fett hervorgehoben. Der Quertunnel 20 bildet mit Mittelkasten 32, Bodenblech 33 und den beiden Seitenkästen 31 durch großflächige Verklebung eine verwindungssteife Einheit, die auch hohe Querkräfte aufnehmen kann. Der Quertunnel bildet für die Batterien ein geschlossenes, vom Fahrgastraum getrenntes Gehäuse. Bei Bedarf wird er von Gebläseluft durchströmt, um die Batterien zu temperieren oder zu kühlen. 7 shows the same vehicle in plan view without a roof. The cross tunnel 20 and the solidly connected elements of the self-supporting body structure are highlighted in bold. The cross tunnel 20 makes up with center box 32 , Floor panel 33 and the two side boxes 31 by large-area bonding a torsion-resistant unit that can absorb high lateral forces. The transverse tunnel forms a closed housing for the batteries, separate from the passenger compartment. If necessary, it is flowed through by forced air to temper the batteries or to cool.

8 zeigt ein effizientes Elektrofahrzeug EEV mit 3 × 2 Batterieeinheiten BE, die alle im Fahrzeugboden und ebenfalls in einem Quertunnel 20 untergebracht sind. Es hat eine entsprechend hohe Reichweite (bis 200 km), Motorleistung (15/30 kW) und Höchstgeschwindigkeit (80 km/h). Es besitzt ebenfalls Hochdruckgürtelreifen. 8th shows an efficient electric vehicle EEV with 3 × 2 battery units BE, all in the vehicle floor and also in a cross tunnel 20 are housed. It has a correspondingly high range (up to 200 km), engine power (15/30 kW) and maximum speed (80 km / h). It also has high-pressure belt tires.

9 zeigt die modulare Zusammenstellung der Batteriemodule BM aus Batterieeinheiten BE mit den darin enthaltenen Power Cells. Jede Batterieeinheit BE verfügt über ein normiertes Gehäuse und ein Batteriemanagmentsystem BMS, das die gleichmäßige Ladung aller Zellen steuert und überwacht und deren Zustand abspeichert, so dass sowohl der Bordcomputer 27 des Fahrzeugs als auch das Energiemanagmentsystem EMS der Akkutankstelle AT diese Daten lesen kann. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass es von einem Kühlluftstrom, der jede einzelne Zelle erreicht, durchflossen werden kann. Dargestellt sind Batteriemodule BM aus zwei, vier und sechs Batterieeinheiten BE, die jeweils die gleiche Kapazität aber unterschiedliche Spannungsniveaus besitzen. Fahrzeuge höherer Leistung benutzen vorzugsweise höhere Spannungen, um die Ströme beherrschbar zu halten. 9 shows the modular composition of the battery modules BM from battery units BE with the power cells contained therein. Each battery unit BE has a standardized housing and a battery management system BMS, which controls the uniform charge of all cells and monitors and stores their condition, so that both the on-board computer 27 of the vehicle as well as the energy management system EMS of the battery charging station AT can read this data. The housing is designed so that it can be flowed through by a cooling air flow that reaches each individual cell. Shown are battery modules BM of two, four and six battery units BE, each having the same capacity but different voltage levels. Higher power vehicles preferably use higher voltages to keep the currents manageable.

10 zeigt eine Kurve des Energieinhalts einer Batterie im Verlauf des gesamten Prozesses. Abschnitt A: Die vom Fahrzeug übernommene, weitgehend entleerte Batterie wird zunächst auf 75% vorgeladen. Abschnitt B: Ab diesem Ladezustand kann sie für die Stromeinspeisung verwendet werden. Im Beispiel wird fünfmal Strom mit relativ hohen Entladeraten entnommen. Dazwischen wird die Batterie stets weiter aufgeladen. Abschnitt C: Nach einer gewissen Zeit wird sie von der Netzeinspeisemöglichkeit abgekoppelt und fertig geladen, um als volle Batterie ins Fahrzeug zu kommen. Abschnitt D: Im Fahrzeug wird sie fahrzeugtypisch entladen. Die Abschnitte C und D entfallen bei denjenigen Batterien, die ins Rückspeisemagazin überführt worden sind, der Abschnitt B wird hingegen vielfach durchlaufen. 10 shows a curve of the energy content of a battery throughout the process. Section A: The largely depleted battery taken over by the vehicle is initially precharged to 75%. Section B: From this state of charge it can be used for power supply. In the example, power with relatively high discharge rates is taken five times. In between, the battery will continue to charge. Section C: After a certain period of time, it is disconnected from the grid feed option and fully charged to get into the vehicle as a full battery. Section D: In the vehicle, it is unloaded according to the type of vehicle. The sections C and D are omitted for those batteries that have been transferred to the return feeder, however, the section B is passed through many times.

AC/DCAC / DC: GleichspannungsnetzteilDC power supply
ALAL: Abluftexhaust
ATAT: Akkutankstellebattery Petrol Station
BDBD: Biodieselbiodiesel
BEBE: Batterieeinheitbattery unit
BETBET: Bioethanolbioethanol
BGBG: Biogasbiogas
BMBM: Batteriemodulbattery module
BMSBMS: BatteriemanagementsystemBattery Management System
BtLBtL: Biomass-to-LiquidBiomass-to-Liquid
BFTBFT: Tankstelle für BiotreibstoffeGas station for biofuels
CVCV: KFZ m. Verbrennungsmotormotor vehicle m. internal combustion engine
DC/ACDC / AC: SinuswechselrichterSine wave inverters
EEVEEV: effizientes Elektrofahrzeugefficient electric vehicle
EMSEMS: EnergiemanagementsystemEnergy Management System
FEFE: fossile Energiefossil energy
GG: Garagegarage
RERE: regenerative Energieregenerative energy
SNSN: Stromnetzpower grid
SVSV: Stromverbraucherelectricity consumers
ZLZL: Zuluftsupply air
11: Elektrobuselectric bus
22: Elektrofahrzeugelectric vehicle
3, 43, 4: Stadtfahrzeugecity vehicles
55: Elektrofahrradelectric bicycle
66: Batteriewechselstation BusBattery change station bus
77: Batteriewechselstation PkwBattery change station car
88th: Batteriewechselstation FahrradBattery change station bicycle
99: RückspeisemagazinRegenerative Magazine
1010: Verkaufsraum Tankstellesalesroom Gas station
1111: Luft/Wasser-WärmetauscherAir / water heat exchanger
1212: Gebläsefan
1313: Datenleitungdata line
1414: GleichstromzwischenkreisDC link
1515: Lade- und Bedieneinheitloading and control unit
1616: Seitenklappeside flap
1717: Be- und Entladeschieneloading and unloading rail
1818: RadführungskörperRadführungskörper
1919: Rollenroll
2020: Quertunnelcross tunnel
2121: rotierendes Trommelmagazinrotating drum magazine
2222: selbsttragende Struktur aus Aluminiumblechenself-supporting Structure made of aluminum sheets
2323: SpaceframeSpace frame
2424: KunststoffscheibenPlastic discs
2525: KunststoffverkleidungPlastic cladding
2626: Elektromotorelectric motor
2727: Bordcomputerboard computer
2828: Tretkurbelcrank
2929: HochdruckgürtelreifenHigh pressure radial tires
3030: Sitzeseats
3131: Seitenkastenpage box
3232: Mittelkastencenter box
3333: Bodenblechfloor panel
3434: Teleskoparmtelescopic arm
3535: automatischer Stromkontaktautomatic current contact

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2008/0052145 A1 [0001]
US 5642270 [0001]
- DE 102008047654 A1 [0002, 0003]
- EP 1810869 A1 [0002]
- DE 102007050552 [0008]
- DE 19855585 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- www.betterplace.com [0002]

Claims

Sustainable transport system based on electric vehicles whose batteries in battery changing stations, so-called battery charging stations (AT), can be replaced in a short time, characterized in that the electrical energy contained in the batteries via DC / AC converter, z. As sinusoidal inverters (DC / AC), and corresponding power lines in the power grid (SN) can be fed back after the batteries are removed from the vehicles and loaded or at least partially charged.

Traffic system according to Claim 1, characterized that as electric vehicles, in addition to electric bicycles, electric buses public transport and light electric vehicles, especially developed especially for urban traffic, particularly efficient light vehicles (EEVs), whose Construction features - an extreme lightweight construction with a predominant share on light metals, fiber composites and plastics, - Low rolling resistance tires with a gas pressure over 4 bar and relatively small width, - across from the today's average car significantly reduced top speed and engine power, and - one on the focal point Housing of the batteries and their easy exchange aligned body structure are.

Traffic system according to claim 2, characterized in that the batteries of light vehicles (EEV) under the driver and passenger seats in a transverse tunnel ( 20 ) are placed and can be pulled out laterally for replacement, the transverse tunnel ( 20 ) is preferably solidly connected to the bodywork and can absorb torsional and lateral forces.

Traffic system according to one of the claims 1 to 3, characterized in that for the urban space Optimized, very compact, used 2 or 2 + 2-seater light vehicles weighing less than 300 kg and preferably of the European vehicle class "four-wheeled Small vehicle "correspond.

Traffic system according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the Akkutankstellen (AT) a Energy Management System (EMS), which has information about the current electricity situation in terms of supply, demand and price used to between the receipt of electricity from the grid and the feed switch to this, with the charging of the batteries preferably in times of peak supply of renewable electricity and that the battery charging stations via electricity meters have a timely settlement of the fed into the network Enable current, preferably also the current drawn.

Traffic system according to one of the claims 1 to 5, characterized in that only a part of the in the respective battery charging station (AT) located batteries for mains supply is used and another part for the full Charge reserved with subsequent use in the vehicle remains and that the batteries taken over by the vehicle initially at least up to a certain value of their Capacity, e.g. 75%, to be summoned before going to Regenerating be used in the power grid.

Traffic system according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the Akkutankstellen (AT) a System for detecting the current battery capacity and that for feeding back to the network preferably those Batteries are used, their battery capacity through the use in the vehicle already below a certain percentage, z. B. 70%, the nominal capacity have dropped and not more to be exchanged back into the vehicles.

Traffic system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the batteries in standardized and relatively small battery units (BE), z. B. 48 V 40 Ah, which are easy to handle in terms of weight and dimensions and which can be combined in series or parallel to larger battery modules (BM) of different voltage and capacity, preferably for buses, delivery vehicles and light trucks much larger and for electric bicycles significantly smaller battery units (BE) are provided and wherein the respective varieties in their own battery changing stations ( 6 . 7 . 8th ) Tobe offered.

Traffic system according to one of the claims 1 to 8, characterized in that as cell units of the batteries so-called lithium power cells are used, the high discharge currents of over 5 C, and that the cell units are relatively shallow Battery units (BE) are compiled whose height not more than half of the largest Dimensioned side length.

Traffic system according to one of the claims 1 to 9, characterized in that in the battery charge and discharge resulting waste heat in batteries, chargers and rectifiers and inverters by means of heat exchangers for Heating is used.

Traffic system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the authorities of districts, towns and municipalities in case of power failure, the energy management system (EMS) of the battery charging station (AT) by radio or data line ( 13 ) remotely control and can switch to regenerative power.