DE202011004219U1

DE202011004219U1 - Device for battery replacement of electric vehicles

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Publication number: DE202011004219U1
Application number: DE202011004219U
Authority: DE
Original assignee: Pfuetzner Helmut Univ Prof Dr
Current assignee: Pfuetzner Helmut Univ Prof Dr
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2021-03-22

Abstract

Vorrichtung zum Wechseln der Batterien von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, bei welchen eine die entladenen Batterien aufnehmende und eine die geladenen Batterien einsetzende Wechselvorrichtung vorgesehen ist, wobei das Elektrofahrzeug einen von außen zugänglichen, quer zur Fahrtrichtung verlaufenden und über in den Fahrzeugseitenwänden vorgesehene Öffnungen beschickbaren Aufnahmeraum für die Batterien aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Seite des Fahrzeuges (5) parallel zu dessen Längsachse eine Wechselvorrichtung (1,2) mit mehreren Aufnahmeplätzen vorgesehen sind, wobei die Batterien (4) lanzettförmig sind und eine Längserstreckung aufweisen, die geringfügig geringer als die Breite des Fahrzeuges (5) ist, und der Abstand zwischen Seitenöffnung des Fahrzeuges (5) und der Wechselvorrichtung (1, 2) geringer ist als die halbe Länge der Batterie (4).Device for changing the batteries of battery-operated electric vehicles, in which a changing device is provided for receiving the discharged batteries and a changing device is used for the charged batteries, the electric vehicle having an accommodation space for the batteries that is accessible from the outside and runs transversely to the direction of travel and can be loaded via openings provided in the vehicle side walls characterized in that on each side of the vehicle (5) parallel to its longitudinal axis there is a changing device (1, 2) with a plurality of receiving places, the batteries (4) being lanceolate and having a longitudinal extent which is slightly less than the width of the vehicle (5), and the distance between the side opening of the vehicle (5) and the changing device (1, 2) is less than half the length of the battery (4).

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Wechseln der Batterien von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, bei welchen eine die entladenen Batterien aufnehmende und eine die geladenen Batterien einsetzende Wechselvorrichtung (im Folgenden auch Wechsler genannt) vorgesehen ist, wobei das Elektrofahrzeug einen von außen zugänglichen, quer zur Fahrtrichtung verlaufenden und über in den Fahrzeugseitenwänden vorgesehene Öffnungen beschickbaren Aufnahmeraum für die Batterien aufweist.The invention relates to apparatus for changing the batteries of battery-powered electric vehicles, in which a discharged the batteries receiving and the charged batteries changing device (hereinafter referred to as changer) is provided, wherein the electric vehicle from the outside accessible, transverse to the direction of travel and over Having provided in the vehicle side walls openings storable receiving space for the batteries.

Durch elektrische Batterien betriebene Fahrzeuge im speziellen PKWs oder LKWs-stehen in rascher Entwicklung und teilweise schon im Zuge der Serienreife. Andererseits ist ihre Attraktivität dadurch reduziert, dass befriedigende Systeme der Aufladung bzw. Auswechslung der Batterie nicht zur Verfügung stehen. Die meisten entsprechenden Patente beziehen sich auf verschiedene Varianten rascher Aufladung, wobei hier davon ausgegangen wird, dass die kurze, nur Minuten dauernde Auftankzeit eines benzinbetriebenen Fahrzeugs kaum je erzielt werden kann. Somit verbleibt als Alternative der rasche Austausch einer entleerten Batterie durch eine voll gefüllte. Eine kritische Randbedingung ist dabei die hohe Batteriemasse, die auch mit modernsten Batterietypen die Größenordnung von hundert Kilogramm erreichen wird. Dies macht weitgehende Standardisierung der Batterieabmessungen notwendig, aber auch des im Fahrzeug vorzusehenden Schachts zur stabilen Verankerung der hohen Masse.By electric batteries powered vehicles in the special cars or trucks are in rapid development and in some cases already in the course of mass production. On the other hand, their attractiveness is reduced by the fact that satisfactory systems of charging or replacing the battery are not available. Most of the corresponding patents relate to various variants of rapid charging, assuming that the short, only minutes refueling time of a gasoline powered vehicle can hardly ever be achieved. Thus, as an alternative, the rapid replacement of a depleted battery by a fully filled remains. A critical boundary condition is the high battery mass, which will reach the order of magnitude of one hundred kilograms, even with state-of-the-art battery types. This requires extensive standardization of the battery dimensions, but also of the shaft to be provided in the vehicle for stable anchoring of the high mass.

Entsprechende Wechselstationen – Exchange stations, oder Swap stations – werden in zahlreichen Patentschriften beschrieben. In seiner praktischen Realisierung am weitesten fortgeschritten ist ein aus Japan kommendes Konzept, das als ”Better Place” bezeichnet wird. Die Batterie befindet sich dabei in einem Schacht am Fahrzeugboden. Das Fahrzeug fährt auf eine Rampe auf, sodass der Schacht von unten zugänglich wird. Auf automatische Weise wird die verbrauchte Batterie durch die Wechselanlage nach unten abgesenkt, zur Seite abgezogen und durch eine von unten eingebrachte voll aufgeladene Batterie ersetzt. Vor allem Letzteres fordert eine präzise arbeitende Robotik zur Einführung der hohen Batteriemasse. Entsprechend hoch sind die Erstehungskosten einer derartigen Tankstation, wobei die Literatur die Größenordnung von US $ 500.000 angibt.Corresponding exchange stations - exchange stations, or swap stations - are described in numerous patents. The most advanced in its practical implementation is a concept from Japan called the "Better Place". The battery is located in a shaft on the vehicle floor. The vehicle drives onto a ramp so that the shaft is accessible from below. The used battery is lowered automatically by the exchange system, pulled off to the side and replaced by a fully charged battery from below. Especially the latter requires a precise working robotics for the introduction of high battery mass. The cost of acquiring such a refueling station is correspondingly high, the literature indicating the order of magnitude of US $ 500,000.

Weniger aufwendig sind Konzepte, die auf einem seitlich zugänglichen Batterieschacht basieren, wie z. B. in US 7201384 , US 4102273 , US 5542488 , DE 2422960 , EP 0620135 , US 2009/198372 A1 , AU 2008200543 A1 , WO 1994/08814 A1 , FR2335961 A1 , DE 2444711 A1 , DE 7525197 U , FR 2270195 A1 und DE 2114962 B beschrieben. Dabei fallen aber Transportgeräte an, die knapp an das Fahrzeug heran gebracht werden müssen, da es dem Fahrzeuglenker nicht zumutbar ist, sein Fahrzeug unmittelbar an das Batterielager knapp und präzise heran zu lenken. Nach Entfernen der leeren Batterie hat die volle Batterie an den Schacht präzise heran bewegt zu werden, was bei allen Ausfertigungsvarianten hohen Aufwand bedeutet.Less expensive are concepts that are based on a laterally accessible battery well, such. In US 7201384 . US 4102273 . US 5542488 . DE 2422960 . EP 0620135 . US 2009/198372 A1 . AU 2008200543 A1 . WO 1994/08814 A1 . FR2335961 A1 . DE 2444711 A1 . DE 7525197 U . FR 2270195 A1 and DE 2114962 B described. But this fall on transport equipment, which must be brought close to the vehicle, as it is not reasonable for the driver to direct his vehicle directly to the battery storage close and precise approach. After removing the empty battery, the full battery has to be moved precisely to the shaft, which means high costs for all versions.

Mehr im Detail betrachtet beschreibt das Patent DE 2114962 ein System, bei dem – wie im hier vorliegenden Fall – ein quer zur Fahrtrichtung angeordneter, durchgehender Batterietunnel zum Einsatz kommt. Die leere Batterie wird z. B. vom rechten Tunnelende entnommen, die volle am linken Ende eingebracht. Die Verholung der Batterien zur Wiederaufladung und Zwischenlagerung erfolgt vertikal nach dem Prinzip zweier Paternosteraufzüge (wie auch in FR 2270195 A1 eingesetzt). Mit dem turmartigen Aufbau (wie auch in US 2009/198372 A1 ) fällt hoher konstruktiver Aufwand an. Vielschichtig fällt auch die gesamte Logistik aus – der Antransport von Batterien zur Wechselstation, das Einfügen und Ausscheiden von Batterien in das drehbare System, sowie das Aufladen im selbigen. In AU 2008200543 A1 wird das Transportproblem dadurch reduziert, als zehn bis dreißig kleine Batterien eingeführt werden, die an das Fahrzeug unter Einsatz eines faltbaren Supports mit einem Transportwagen (Trolley) heran gefördert werden. DE 2444711 A1 konzentriert sich auf die Ausführung von Laufschienen, die in Verbindung mit Rollen und Haken zum Einbringen der Batterie dienen. Auch die übrigen weiter oben angeführten Patentschriften bieten kein Konzept, das den aus Konstruktion und Arbeit resultierenden Gesamtaufwand akzeptabel macht. Im speziellen aber beinhaltet keine der oben angeführten Patentschriften den wesentlichen Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, quasi „einfädelbare” Batterien von Lanzettform einzusetzen. Aus diesem spezifischen Merkmal resultieren die eigentlichen Vorteile des hier beschriebenen umfassenden Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtungen.More in detail, the patent describes DE 2114962 a system in which - as in this case - a transversely arranged to the direction of travel, continuous battery tunnel is used. The empty battery is z. B. taken from the right end of the tunnel, the full introduced at the left end. The recovery of the batteries for recharging and intermediate storage takes place vertically according to the principle of two paternoster lifts (as well as in FR 2270195 A1 used). With the tower-like structure (as well as in US 2009/198372 A1 ) is a high design effort. The entire logistics are also complex - the transport of batteries to the exchange station, the insertion and removal of batteries into the rotatable system, as well as the charging in the same. In AU 2008200543 A1 the transport problem is reduced by introducing ten to thirty small batteries which are conveyed to the vehicle using a foldable support with a trolley. DE 2444711 A1 focuses on the design of rails, which are used in conjunction with rollers and hooks for inserting the battery. The other patents cited above do not offer a concept which makes the overall effort resulting from construction and work acceptable. In particular, however, none of the abovementioned patents contains the essential basic idea of the present invention to use quasi "threadable" batteries of lancet form. From this specific feature, the actual advantages of the comprehensive method described here and the corresponding devices result.

Die hier vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die weiter oben angeführten Nachteile zu vermeiden, d. h. den hohen konstruktiven und zeitlichen Aufwand, wie er sich aus dem Ein- und Ausbringen der Batterie aus nächster Nähe ergibt. Sie zielt aber auch darauf ab, ein Konzept für die Gesamtlogistik des Batteriewechsels anzugeben. Es ist davon auszugehen, dass sie durch eine für eine größere Region verantwortliche Zentralstation erfolgt, welche die Einrichtung von Wechselstationen, die Bereitstellung und Verholung verschiedener Batterietypen bzw. auch den Austausch defekter Batterien besorgt.The present invention aims to avoid the above-mentioned disadvantages, d. H. the high constructional and temporal effort, as it results from the insertion and removal of the battery up close. However, it also aims to provide a concept for the overall logistics of battery replacement. It is expected to be provided by a central station responsible for a larger region, which will provide for the installation of change stations, the provision and recovery of various types of batteries and the replacement of defective batteries.

Ziel der Erfindung ist es, ein für all diese Aspekte konsistentes Konzept anzugeben, das sich durch Einfachheit und Flexibilität auszeichnet. Letzteres ist zu fordern, da die flächendeckende stationäre, baulich aufwendige Einrichtung von Wechselstationen wohl erst dann ökonomisch attraktiv sein kann, wenn Elektrofahrzeuge in grosser Umfang bereits im Einsatz sein werden. Breiter Einsatz wird andererseits zurzeit durch fehlende Verfügbarkeit rascher Auflade- oder Wechseleinrichtungen behindert, was eine die Entwicklung verzögernde Pattsituation ergibt. Ein Erfindungsziel ist ein Konzept, das eine kontinuierliche Verdichtung des Versorgungsnetzes begünstigt, in Verbindung mit kontinuierlicher Vergrößerung und Komfortverbesserung der Wechselstationen – mit manuellem Wechselvorgang beginnend, bis hin zum vollautomatisierten. Vorausgesetzt wird dabei ein systeminterner Standard der Batterieunterbringung: ein durchgehender Batterietunnel, der im Falle eines PKWS beispielsweise unmittelbar über dem Fahrzeugboden, unter der Rückbank vorgesehen sein kann. Dank geringer Schwankungen der Bodenfreiheit kommt die Batterie für den Großteil der PKWs damit auf weitgehend einheitlicher Höhe zu liegen.The aim of the invention is to provide a consistent concept for all these aspects, which is characterized by simplicity and flexibility. The latter is to be demanded, since the nationwide stationary, structurally complex installation of change stations can probably only be economically attractive if electric vehicles are already in use on a large scale. On the other hand, widespread use is currently hampered by the lack of availability of rapid charging or changing facilities, which results in a delaying development stalemate. A goal of the invention is a concept that favors a continuous densification of the supply network, in conjunction with continuous enlargement and comfort improvement of the changing stations - starting with manual changing, up to the fully automated. In this case, an internal system standard of battery storage is required: a continuous battery tunnel, which in the case of a car, for example, can be provided directly above the vehicle floor, under the rear seat. Thanks to low fluctuations in ground clearance, the battery for most of the cars comes to a largely uniform level.

Die oben formulierten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an jeder Seite des Fahrzeuges parallel zu dessen Langsachse eine Wechselvorrichtung mit mehreren Aufnahmeplätzen vorgesehen sind, wobei die Batterien lanzettförmig sind und eine Längserstreckung aufweisen, die geringfügig geringer als die Breite des Fahrzeuges ist und der Abstand zwischen Seitenöffnung des Fahrzeuges und der Wechselvorrichtung etwas geringer ist als die halbe Länge der Batterie.The above-formulated objects are achieved according to the invention in that on each side of the vehicle parallel to the longitudinal axis of a changing device are provided with multiple receiving locations, the batteries are lancet-shaped and have a longitudinal extent that is slightly smaller than the width of the vehicle and the distance between Side opening of the vehicle and the changing device is slightly less than half the length of the battery.

Ein sehr wesentliches Element der Erfindung ist durch den schon erwähnten Einsatz von lanzettförmigen Batterien gegeben. Eine stabförmige Ausführung mit zugespitzten Enden ermöglicht es, die Batterie in den Tunnel des Fahrzeuges aus beträchtlicher Entfernung einzubringen, wobei mangelnde Präzision der Ausrichtung quasi durch ”Einfädelung” ausgeglichen wird. Damit entfällt die Forderung knapper Annäherung zwischen Wechsler und Fahrzeug. Vielmehr kann auch einem wenig geschulten Fahrer zugemutet werden, sein Fahrzeug zwischen ein Wechslerpaar in geeigneter Weise einzulenken. Lanzettbatterien annähernd der Breite des Fahrzeuges entsprechender Länge erbringen aber auch den Vorteil, diese Breite mit günstiger Gewichtsverteilung voll zu nutzen. Durch die Maßnahme, dass der Abstand zwischen der Seitenöffnung des Fahrzeuges und der Wechseleinrichtung geringer ist als der Länge der Batterie, wird erreicht, dass ein Herabfallen der Batterie beim Herausnehmen verhindert wird, da die Batterie bereits auf der Wechseleinrichtung aufliegt, bevor es zu einem Herauskippen kommt. Außerdem wird die Batterie immer durch die Aufstandsflächen gestützt, so dass die Manipulationskräfte minimiert werden, da keine Hubarbeit geleistet werden muß Bei vollständigem Herausziehen der Batterie liegt dann bereits mehr als die Hälfte der Länge der Batterie auf der Wechseleinrichtung auf, so dass auch dann ein Herabkippen der Batterie von der Wechseleinrichtung verhindert ist. Auch die Breite von Versorgungswechslern wird – mit der für Straßentransporte allgemein üblichen Begrenzung von etwa 2,5 Meter – bei zueinander parallel gelagerten Batterien weitgehend genutzt, was eine konsistente Übergabe-Kette von Parallellagerung innerhalb der Zentralstation, über Versorgungswechsler zum Wechsler und letztlich zum tankenden Fahrzeug in attraktiver Weise realisierbar macht.A very important element of the invention is given by the already mentioned use of lancet-shaped batteries. A rod-shaped design with pointed ends makes it possible to introduce the battery into the tunnel of the vehicle from a considerable distance, whereby lack of precision of the alignment is quasi balanced by "threading". This eliminates the requirement of close rapprochement between changer and vehicle. Rather, even a less trained driver can be expected to deflect his vehicle between a pair of change in a suitable manner. Lancet batteries approximately the width of the vehicle of appropriate length but also provide the advantage of making full use of this width with a favorable weight distribution. By the measure that the distance between the side opening of the vehicle and the changing device is less than the length of the battery, it is achieved that a drop of the battery when removing is prevented because the battery already rests on the changing device before it tilts comes. In addition, the battery is always supported by the contact surfaces, so that the manipulation forces are minimized because no lifting work must be done with complete withdrawal of the battery is then already more than half the length of the battery on the removable device, so that even then tipping down the battery is prevented from changing device. The width of supply exchangers is - with the usual for road transport limit of about 2.5 meters - widely used with batteries mounted in parallel, resulting in a consistent transfer chain of parallel storage within the central station, via supply changer to the changer and ultimately to tanker vehicle makes it attractive in an attractive way.

In flexibler Weise kann das obige Konzept die Zurverfügungstellung von schrittweise verdichteten und vergrößerten Wechselstationen ermöglichen. Der Anfang kann mit tankwartbedienten, kleinen, fahrbaren Wechslerpaaren des wichtigsten Batterietyps – etwa jenes für Kompakt-PKWs – an neuralgischen Positionen beginnen, z. B. im Bereich stark frequentierter konventioneller Tankstellen. In einem späten Stadium sind vollautomatisierte, stationäre Aufbauten denkbar, die unterschiedliche Fahrzeugtypen – wie PKW-Limousinen, Geländefahrzeuge oder Busse (mit hoch gelegenem Batterietunnel gesteigerter Batteriegröße) – in spezifischer Weise bedienen.In a flexible manner, the above concept may allow the provision of incrementally compressed and enlarged change stations. The beginning can begin with Tankwartbedienten, small, changeable pairs of the most important battery type - such as that for compact cars - at neuralgic positions, z. B. in the area of heavily frequented conventional gas stations. In a late stage, fully automated, stationary structures are conceivable that serve different types of vehicles - such as car sedans, off-road vehicles or buses (with high-altitude battery tunnel increased battery size) - in a specific way.

Zur Erleichterung des Auswechseln der Batterien kann der Boden des Aufnahmeraumes im Fahrzeug durch Gleit- oder Rollelager gebildet sein. Weiters können für diesen Zweck die Ladeflächen der Wechseleinrichtungen vorzugsweise über ihre gesamte Breite reichende zueinander parallel angebrachte Wechselrollenlager gebildet sein. Damit die lanzettförmige Ausbildung der Batterien noch bessere Wirkung zeigen kann, können die Wechselrollenlager beidseitig konisch enden bzw. vorzugsweise elastisch gelagerte Rollenlager vorgesehen sein, deren Rollen gegenüber der Rollenlängsachse verkürzt sind.To facilitate the replacement of the batteries, the bottom of the receiving space in the vehicle may be formed by sliding or roller bearings. Furthermore, for this purpose, the loading surfaces of the changing devices can preferably be formed over each other across their entire width extending parallel mounted roller bearings. In order for the lancet-shaped design of the batteries to have even better effect, the alternating roller bearings can end conically on both sides or preferably be provided with elastically mounted roller bearings whose rollers are shortened relative to the roller longitudinal axis.

Im Zentrum des Wechselrollenlagers bzw. des Rollenlagers im Aufnahmeraum im Fahrzeug können Verklinkungen für die Verankerung und Kontaktschließung der Batterie vorgesehen sein. Weiters ka die Höhe der Wechseleinrichtungen, insbesondere motorisch, verstellbar sein, womit ein Austauschen der Batterien in einer Ebene erfolgen kann, was bei dem Gewicht der Batterien ein wesentliches Kriterium ist.In the center of the roller bearing or the roller bearing in the receiving space in the vehicle can be provided for the anchorage and contact closure of the battery latching. Furthermore, the height of the exchangeable devices, in particular by means of a motor, can be adjustable, with which the batteries can be exchanged in one plane, which is an essential criterion with regard to the weight of the batteries.

Zur Vollautomatisierung des Wechsels können motorisch vertikal und horizontal verschiebbare Wechslerrollenlager (7) vorgesehen sein, wobei zur Steuerung die Abweichung zwischen Batterieende und Rollenlager (8) im Aufnahmeraum des Fahrzeuges (5) Sensoren bzw. visuelle Überwachungseinrichtungen vorgesehen sind. Das Einweisen des Fahrzeuges kann in besonders effizienter Weise erzielt werden, wenn die Abstellfläche für das Fahrzeug mit Sensoren ausgestattet ist, die mit Sensoren des Fahrzeuges kommunizieren.To fully automate the change, changeable motor roller bearings ( 7 ), whereby the deviation between battery end and roller bearing ( 8th ) in the receiving space of the vehicle ( 5 ) Sensors or visual monitoring devices are provided. The vehicle can be instructed in a particularly efficient way achieved when the parking space for the vehicle is equipped with sensors that communicate with sensors of the vehicle.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in der folgenden Beschreibung erörtert.Further features according to the invention are discussed in the following description.

1 veranschaulicht die Erfindung am Beispiel einer möglichen Variante einer entsprechenden Gesamtanordnung für die Versorgung von Kompakt-PKWs. Skizziert sind zwei kleine, fahrbare Wechsler 1 und 2, deren Ladefläche 3 für zwölf Batterien 4 von zumindest 1,5 Meter Länge ausgelegt ist. Positioniert sind die Wechsler in einem Abstand von etwa 3 Meter. Sie resultieren aus einer mit ca. 1,7 Meter angesetzten Fahrzeugbreite. Bei annähernd mittigem Anhalten eines Fahrzeuges 5, das mit systemkompatiblem Batterietunnel 6 ausgerüstet ist, ergeben sich beidseitige freie Abstände von ca. 0,65 Meter, was ein bequemes Anhalten bedeutet. Vor allem aber erfüllt es die Forderung, dass eine frei aus einem Wechslerrollenlager 7 bzw. einem Tunnelrollenlager 8 heraus stehende Batterie nicht zum Kippen kommt, indem der Batterieschwerpunkt im Endbereich des Lagers verbleibt. Im skizzierten Fall sind die Wechsler mit je zwölf Wechselrollenlagern 7 ausgestattet, die bis an den Wechslerrand heran reichen. Letzteres gilt auch für das Tunnelrollenlager 8 des Fahrzeuges. 1 illustrates the invention using the example of a possible variant of a corresponding overall arrangement for the supply of compact cars. Sketched are two small, mobile changer 1 and 2 whose cargo area 3 for twelve batteries 4 of at least 1.5 meters in length is designed. The changers are positioned at a distance of about 3 meters. They result from a vehicle width of approx. 1.7 meters. When approaching the middle of a vehicle 5 Coming with system compatible battery tunnel 6 equipped, resulting in both sides free distances of about 0.65 meters, which means a comfortable stop. But above all, it meets the requirement that a free from a changeover roller bearing 7 or a tunnel roller bearing 8th battery does not tip over, leaving the battery center in the end area of the bearing. In the case outlined, the changers are each with twelve roller bearings 7 equipped, which reach up to the changer edge. The latter also applies to the tunnel roller bearing 8th of the vehicle.

Zur Veranschaulichung der Funktionsvorgänge sei nun angesetzt, dass ein Fahrzeug 5 mit entleerter Batterie 9 zwischen die Wechsler 1 und 2 mittig einfährt. Zwischen ihnen könnte – als eine in der Einführungsphase von Elektrofahrzeugen denkbare, einfache Variante – auf die Abstellfläche 10 eine Matte aufgelegt sein, die den zweimal zwölf Wechslerrollenlagerpositionen entsprechende Positionsdetektoren – etwa in Form von kleinen, elastisch hochstehenden Pollern – enthält, die mit herkömmlichen Parksensoren des Fahrzeuges kommunizieren. Auch können an den Fahrzeugseiten definiert angebrachte Sensoren auf die zwischen den einzelnen Wechslerrollenlagern gelegenen Wechslerseitenwandflächen reagieren. Damit wird der Fahrer über ihm vertraute Piepsignale so eingelotst, dass sein Batterietunnel 6 zwischen das für ihn bestimmte Wechslerrollenlagerpaar zu liegen kommt. Im skizzierten Fall ist dies das vierte Paar von unten, ein Fall, in dem eine volle Batterie 11 am linken Wechslerrollenlager 12 verfügbar ist. In gewohnter Weise betätigt der Fahrer die Tankdeckelöffnung, wobei nun beidseitige Deckeln wegklappen, die – je nach Querschnitt der Batterie – z. B. 30 cm × 20 cm groß sein könnten, also deutlich größer als bei herkömmlichen PKWs.To illustrate the functional processes is now assumed that a vehicle 5 with deflated battery 9 between the changers 1 and 2 enters the center. Between them could - as a conceivable in the introductory phase of electric vehicles, a simple variant - on the parking area 10 a mat may be laid up which contains the position detectors, which correspond to two times twelve changer roller bearing positions, for example in the form of small elastically elevated bollards, which communicate with conventional parking sensors of the vehicle. Also, sensors mounted on the vehicle sides can react to the changer side wall surfaces located between the individual changer roller bearings. Thus, the driver is introduced via his familiar beep signals so that his battery tunnel 6 comes to rest between him for certain changer roller bearing pair. In the case outlined, this is the fourth pair from below, a case in which a full battery 11 on the left changer roller bearing 12 is available. In the usual way, the driver operates the tank lid opening, now fold away on both sides lids, which - depending on the cross section of the battery - z. B. 30 cm × 20 cm could be large, so much larger than conventional cars.

Zunächst ist nun die Leerbatterie 9 auf das rechte Wechslerrollenlager 13 zu fördern. Bei manuellem Betrieb besorgt dies der ”Tankwart”, indem er die Batterie z. B. mittels eines an ihrem Ende angebrachten Handgriffs ohne größere Kraftanstrengung aus dem Tunnel 6 in Richtung des rechten Wechslerrollenlagers 13 zieht. Bei guter Ausrichtung der Batterie wird der Tankwart dieselbe unmittelbar weiter auf das Lager schieben, bis zu ihrer dortigen zentralen Verriegelung durch Verklinkungen 14 und 15, die in der Skizze nur für das Wechslerrollenlager 13 angedeutet sind, tatsächlich aber bei allen Lager vorgesehen sind. Bei mangelnder Ausrichtung wird der Tankwart durch horizontale oder vertikale Kraftanwendung auf das Batterieende eine Korrektur vornehmen. Dabei wird das ”Einfädeln” erfindungsgemäß erleichtert, indem die Berandung des Lagerendes in geringem Maße trichterförmig aufgeweitet ist, eine zusätzlich zur Lanzettform der Batterie getroffene Maßnahme, die das Einlenken begünstigt – ein Moment, dem vor allem bei automatisiertem Betrieb Bedeutung zukommt. Die nächste Aufgabe des Tankwarts ist es, die volle Batterie 11 des Wechslerrollenlagers 12 an den Batterietunnel 6 von links heran zu ziehen und in ihn nach allfälligen Korrekturen zur Mitte einzuschieben, bis eine Verklinkung erfolgt.First, now is the empty battery 9 on the right changer roller bearing 13 to promote. For manual operation, this worries the "gas station attendant" by the battery z. B. by means of a handle attached to its end without much effort from the tunnel 6 in the direction of the right-hand changer roller bearing 13 draws. If the battery is well aligned, the gas station attendant will immediately push it further onto the warehouse, up to its central locking by latches 14 and 15 in the sketch only for the changer roller bearing 13 are indicated, but are actually provided in all camps. If misaligned, the gas station attendant will correct by applying horizontal or vertical force to the end of the battery. In this case, the "threading" is inventively facilitated by the boundary of the bearing end is widened funnel-shaped to a small extent, in addition to the lancet form of the battery taken action, which favors the Einlenken - a moment, especially important in automated operation meaning. The next task of the tank warden is to use the full battery 11 of the changer roller bearing 12 to the battery tunnel 6 to pull from the left and insert into it after any corrections to the middle, until a latching occurs.

Bezüglich der für die Korrektur der Ausrichtung anfallenden Kraftanwendung ist es ein sehr wesentliches Merkmal der Erfindung, dass die Korrektur in jenem Stadium anfällt, in dem die Batterie zu nicht ganz 50% ausgezogen ist, wie für den Fall der Batterie 16 angedeutet. Der Schwerpunkt liegt damit im Endbereich des Rollenlagers. Damit resultieren minimale Kräfte für eine vertikale Korrektur des Batterieendes nach unten. Aus der Hebelwirkung ergeben sich aber auch geringe Kräfte für eine horizontale Korrektur, die erfindungsgemäß dadurch erleichtert wird, als die Rollenlager zumindest in ihrem Endbereich – wie schon erwähnt – mit gegenüber der Batteriebreite vergrößerter Breite, d. h. mit deutlicher Toleranz angesetzt werden. Beträchtliche Kraftwerte können sich zur vertikalen Korrektur nach oben ergeben. Sie fallen aber nur kurzzeitig für den dynamischen Vorgang des „Einfädelns” an. Als Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rollenlager selbst elastisch gelagert ist, also z. B. auf einer dicken Gummimatte ruht, welche eine geringe vertikale Verkippung begünstigt.With respect to the force application for correcting the alignment, it is a very significant feature of the invention that the correction occurs at the stage when the battery is not fully extended 50%, as in the case of the battery 16 indicated. The focus is thus in the end of the roller bearing. This results in minimal forces for a vertical correction of the battery end down. However, the leverage also results in low forces for a horizontal correction, which is facilitated according to the invention, as the roller bearings - at least in their end - as already mentioned - with respect to the battery width enlarged width, ie be recognized with a clear tolerance. Considerable force values may result in upward vertical correction. But they are only for a short time for the dynamic process of "threading" on. As a variant, the invention provides that the roller bearing itself is elastically mounted, so z. B. rests on a thick rubber mat, which favors a small vertical tilt.

Als Lager können prinzipiell auch bekannte Varianten von Bandlagern eingesetzt werden. Für kleine, leichte Batterien sind sogar einfache Gleitlager denkbar. Die Verwendung von Rollenlagern hat allerdings den Vorteil, dass sie die oben erwähnte Korrektur des Ausrichtens begünstigen. Erfindungsgemäß werden horizontale Korrekturen erleichtert, indem die Rollen im Lager-Endbereich mit axialem Spiel ausgeführt sind. Für automatisierte Ausführungen der Station werden Wechslerrollenlager 7 mit mechanisch verkoppelten Rollen verwendet, um einen motorischen Antrieb zu gewährleisten. Analoges gilt für das Tunnelrollenlager 8 des Fahrzeuges 5.In principle, known variants of band bearings can also be used as bearings. For small, light batteries even plain bearings are conceivable. However, the use of roller bearings has the advantage of favoring the above-mentioned alignment correction. According to the invention horizontal corrections are facilitated by the rollers are executed in the bearing end region with axial play. For automated versions of the station, changeover roller bearings 7 used with mechanically coupled rollers to ensure a motorized drive. The same applies to the tunnel roller bearing 8th of the vehicle 5 ,

Im Falle von PKWs sollte die oben erwähnte vertikale Korrektur des Ausrichtens ausreichend sein, Höhenunterschiede auszugleichen, die sich aus – tendenziell geringen – Unterschieden der Bodenfreiheit oder der Fahrzeugbeladung ergeben. Für die Versorgung von höher gestellten Geländefahrzeugen oder SUVs ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen entsprechend kleineren Teil der Lager z. B. durch Unterlagen etwas höher zu montieren bzw. höhenverstellbar auszuführen. Als Variante sind die Ladeflächen 3 der Wechsler – bzw. die Abstellfläche 10 der Fahrzeuge; an großen Wechslern können mehrere PKWs gleichzeitig tanken leicht geneigt ausgelegt, womit hoch gelegene Batterietunnel 6 z. B. durch vordere Lager bedient werden, und umgekehrt. Für halbautomatischen Betrieb kann die Höhenverstellung der Wechslerrollenlager 7 motorisch erfolgen. Letztlich ist erfindungsgemäß für vollautomatischen Betrieb vorgesehen, dass die Ausrichtung des Batterieendes durch Sensoren, vorzugsweise aber durch eine Videokamera erfasst wird und eine motorische Korrektur der Lagerposition sowohl horizontal als auch vertikal erfolgt. Generell sollte damit die Gesamtdauer des Batteriewechsels unter der eines herkömmlichen Benzintankvorganges zu liegen kommen, was die für Batteriebetrieb zu erwartende kürzere Reichweite weitgehend kompensieren sollte. In the case of passenger cars, the above-mentioned vertical correction of the alignment should be sufficient to compensate for differences in height resulting from - usually slight - differences in ground clearance or vehicle load. For the supply of higher off-road vehicles or SUVs according to the invention, a correspondingly smaller part of the stock z. B. mount through documents slightly higher or height adjustable. As a variant, the loading areas 3 the changer - or the storage area 10 the vehicles; At large changers, multiple cars can simultaneously refuel slightly inclined, making high-altitude battery tunnels 6 z. B. be served by front bearings, and vice versa. For semi-automatic operation, the height adjustment of the changer roller bearings 7 motorized. Finally, it is provided according to the invention for fully automatic operation that the orientation of the battery end is detected by sensors, but preferably by a video camera, and a motor correction of the storage position takes place both horizontally and vertically. In general, the total duration of the battery replacement should therefore come to lie below that of a conventional gasoline tank operation, which should largely compensate for the expected shorter battery life for battery operation.

Die schon mehrmals erwähnten vorzugsweise voneinander örtlich distanzierten Verklinkungen 14 und 15 haben zwei Aufgaben: Sie sorgen für eine mechanische Arretierung der Batterie, was vor allem während der Fahrt des versorgten Fahrzeuges bzw. jener eines mobilen Wechslers von Bedeutung ist – z. B. in Bezug auf plötzliches Bremsen, oder mit Hinblick auf Unfälle. Vorzugsweise erfolgen die Verklinkungen durch in zwei Mulden der Batteriedeckfläche einklinkende, massive Metallbolzen, wobei sich nach oben verjüngende, konisch ausgebildete Mulden den Nebeneffekt erbringen, die Batterie in zentraler Sollposition zu verankern. Mit der mechanischen Verklinkung ist eine elektrische verknüpft. Zur Batterie werden – nach bekannten Vorgangsweisen, etwa über stiftförmige Kontaktteile, die zwischen beidseitig federnd anpressende Gegen-Kontaktteile einfahren – zwei Kontakte hergestellt. Im Fahrzeug besorgen sie die Verbindung der Batterie 9 mit der Stromversorgung des Antriebs, im Wechsler 1 bzw. 2 mit einer in ihm vorgesehenen Batterieladeeinrichtung 17. Die letztere wird aus einem übergeordneten, meist allgemeinen Stromversorgungsnetz gespeist, das auch andere Einrichtungen des Wechslers, wie z. B. Temperierung 18 mit Energie versorgt.The already mentioned several times preferably spaced from each other locally latching 14 and 15 have two tasks: they ensure a mechanical locking of the battery, which is especially important during the journey of the vehicle or that of a mobile changer - z. As with respect to sudden braking, or with regard to accidents. The latches preferably take place by means of massive metal bolts latching into two depressions of the battery top surface, with conically shaped troughs tapering upwards having the side effect of anchoring the battery in the central setpoint position. An electrical link is linked to the mechanical latch. To the battery are - after known procedures, such as via pin-shaped contact parts, which retract between both sides resiliently pressing counter-contact parts - made two contacts. In the vehicle they get the connection of the battery 9 with the power supply of the drive, in the changer 1 respectively. 2 with a battery charging device provided in it 17 , The latter is fed from a parent, usually general power supply network, which also includes other facilities of the changer, such. B. tempering 18 energized.

Zum An- bzw. Abtransport von Batterien zur logistischen Zentralstation ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass speziell umfassend (also mit Eigenantrieb und Ladeeinrichtungen versehene) und vergrößert ausgeführte Versorgungswechsler 19 an die Außenseiten der Wechsler 1 bzw. 2 heranfahren, um beidseitig mögliche Batterieübergaben über eigene, kompatibel angebrachte Rollenlager vorzunehmen. Neben der konsistenten Vorgangsweise hat das Konzept den Vorteil, dass die Funktion des Versorgungswechslers den eigentlichen Wechselbetrieb, der ja zwischen den Wechslern stattfindet, nicht stört. Zur Erzielung einer einheitlichen Logistik ist letztlich auch für das Service der Batterien an der Zentralstation vorgesehen, dass die Batterien auf Rollenlagern ruhen, die mit jenen der Versorgungswechsler nach den oben beschriebenen Vorgangsweisen kompatibel sind, was den Vorteil rascher und einfacher Ladevorgänge ergibt.For the supply and removal of batteries to the logistical central station according to the invention is provided that specially comprehensive (ie self-propelled and charging devices provided) and enlarged running supply changer 19 to the outsides of the changer 1 respectively. 2 approach to make possible on both sides possible battery transfers on their own, compatible mounted roller bearings. In addition to the consistent procedure, the concept has the advantage that the function of the supply changer does not interfere with the actual alternating operation, which indeed takes place between the changers. Finally, in order to achieve uniform logistics, the batteries at the central station are ultimately provided for the batteries to rest on roller bearings which are compatible with those of the supply changers according to the procedures described above, giving the advantage of quick and easy loading.

Aus der geringen Bodenfreiheit moderner PKWs resultiert eine sehr tiefe Lage des Batterietunnels 6. Daraus ergibt sich die Forderung entsprechend niedriger Ladeflächen 3 der Wechsler 1 und 2, aber auch der Versorgungswechsler 19. In der Anfangsphase der Einrichtung kleiner Wechselstationen – und auch kleiner Versorgungswechsler – mag dies akzeptabel sein. Für spätere Phasen ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Abstellfläche 10 etwas erhöht auszuführen, um den Einsatz unspezifischer und somit kostengünstiger Transportmittel zu ermöglichen.The low ground clearance of modern cars results in a very low position of the battery tunnel 6 , This results in the requirement correspondingly lower loading areas 3 the changer 1 and 2 , but also the supply changer 19 , In the initial phase of setting up small change stations - and also small supply switches - this may be acceptable. For later phases, the storage space is provided according to the invention 10 to do something elevated to allow the use of unspecific and thus cost-effective means of transport.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims

Device for changing the batteries of battery-powered electric vehicles, in which a discharge device receiving and the charged batteries changing device is provided, wherein the electric vehicle from the outside accessible, transversely to the direction of travel and provided over provided in the vehicle side walls openings charging space for the batteries characterized in that on each side of the vehicle ( 5 ) parallel to the longitudinal axis of a changing device ( 1 . 2 ) are provided with a plurality of recording locations, wherein the batteries ( 4 ) are lancet-shaped and have a longitudinal extent which is slightly smaller than the width of the vehicle ( 5 ), and the distance between side opening of the vehicle ( 5 ) and the changing device ( 1 . 2 ) is less than half the length of the battery ( 4 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the bottom of the receiving space ( 6 ) in the vehicle ( 5 ) by sliding or roller bearings ( 8th ) is formed.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the loading areas ( 3 ) of the changing devices ( 1 ) respectively. ( 2 ) preferably over its entire width reaching each other in parallel mounted changer roller bearings ( 7 ) are formed.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the changer roller bearings ( 7 ) Conically ends on both sides or preferably provided elastically mounted roller bearings whose roles are shortened relative to the roller axis length.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that in the center of the changer roller bearing ( 7 ) or roller bearing ( 8th ) in the recording room ( 6 ) Verklinkungen ( 14 ) and ( 15 ) for the anchoring and contact closure of the battery ( 4 ) are provided.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the changing devices ( 1 . 2 ) a slightly inclined loading area ( 3 ) or storage area ( 10 ) exhibit.

Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the height of the changer roller bearings ( 7 ), in particular motor, are adjustable.

Apparatus according to claim 1, characterized in that to avoid low changer loading surfaces ( 3 ) the storage area ( 10 ) is slightly raised.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that for manual implementation of the change or for general logistical supply at the end regions of the batteries ( 4 ) Handles are provided.

Device according to one of claims 3 to 9, characterized in that for partial automation of the change motor-driven changeover roller bearings ( 7 ) or roller bearings ( 8th ) in the recording room ( 6 ) are provided.

Apparatus according to claim 10, characterized in that to fully automate the change motor vertically and horizontally displaceable changer roller bearings ( 7 ) are provided, wherein for controlling the deviation between the battery end and roller bearings ( 8th ) in the receiving space of the vehicle ( 5 ) Sensors or visual monitoring devices are provided.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that for central turning of the vehicle ( 5 ) between the exchangeable devices ( 1 ) and ( 2 ) the storage area ( 10 ) for the vehicle ( 5 ) is equipped with sensors that communicate with sensors of the vehicle.

Device according to one of claims 1 12, characterized in that for the supply of the changing devices ( 1 . 2 ) by a logistic center these changing devices as a truck trailer or. are designed with self-propelled.

Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that an additional supply changer ( 19 ) is used, which the changing devices ( 1 . 2 ) with batteries ( 4 ), possibly different sizes, from the outer sides or dispose of.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the changing devices ( 1 . 2 ) or the supply changer ( 19 ) via battery charger ( 17 ), Temperature control devices ( 18 ), Control electronics and self-propelled.