WO2003104016A1 - Stromschiene in stassenbelag als antrieb für elektrofahrzeuge - Google Patents

Stromschiene in stassenbelag als antrieb für elektrofahrzeuge Download PDF

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Definitions

  • Vehicles have been known for years, which are guided in their steering. This guidance is carried out via guide cables which are integrated into the roadway and are scanned by sensors (Robert Bosch). Buses are also known in which a video camera scans and evaluates the road markings (Irisbus Civis). DB uses duo-operated buses in Essen, which use mechanical guidance along side concrete walls. Some of these buses follow the rail network of tram lines. A diesel engine or an electric motor, which is fed from batteries or two overhead lines, is usually used to drive such vehicles.
  • These vehicles can be operated both by an internal combustion engine and with an electric drive along the rail.
  • the basic idea of this invention is to operate various vehicles (cars, buses, trucks) electrically with an externally supplied current.
  • the power supply is realized by inserting a busbar into the road surface. This is made possible by using a switchable
  • L0 busbar L0 busbar, d. that is, the supply voltage is switched on immediately before passing a vehicle. This voltage is switched off immediately after passing through.
  • Modern power semiconductor switches such as z. B. for the operation of
  • L5 trams can be used to switch off the voltage in the millisecond range if necessary.
  • the conductor rail embedded in the carriageway can thus be integrated much better into the existing road infrastructure and thus far less expensive and easier to implement.
  • the supply voltage should be approximately 2 - 5 kV in order to limit the currents at the pantograph for trucks to an acceptable maximum value. It is known from high-voltage investigations that ' at voltages of 2 - 5 kV AC in this described application, no problems with flashovers are to be expected even in poor environmental conditions. In the event of a fault, it is still necessary to enable the busbar to be disconnected quickly and safely.
  • the live busbar (2) is divided into small, individually switchable segment sections of approx. 10-30 m in length, this segment can be switched on directly before passing a vehicle via the respective busbar segment (2) and immediately after passing the vehicle be switched off.
  • the power rail can be switched on or off at zero crossing to avoid interference voltages.
  • a segment length of approx. 20 m is sufficient to switch on the power rail in less than 1 second before passing a vehicle.
  • the control device (8) and the circuit breaker (10) for connecting the voltage can be integrated in the busbar or can be accommodated as an external device on the edge of the road.
  • the supply lines (3, 4, 9) can also be carried along outside the conductor rail along the edge of the carriageway. This can be particularly advantageous if the conductor rail is retrofitted into an existing pavement.
  • the mass supply is also divided into segment sections. As a result, a residual current circuit can be implemented for further protection against contact. To the busbar before voltage flashovers
  • Flashovers allow quick detection and shutdown. If necessary, by Lowering the supply voltage can prevent further flashovers.
  • a busbar branching can be implemented in a simple manner without moving switch parts.
  • Such a rail segment is shown in FIG. 2 with a branch. If a vehicle happens to B. a point with a turn to the right, but would like to continue driving straight ahead, then the vehicle presses the pantograph (18) down to the left (16). The pantograph thus slides along the left sloping wall of the busbar segments (1, 2) and thus selects another straight-ahead drive. If the vehicle is to turn to the right, the pantograph (18) is pressed down to the right (17). The pantograph thus follows the right sloping wall of the busbar segments (1, 2) and thus turns to the right. It is sufficient if one of the two pantographs (19) has a vertical or horizontal guide in the switch area.
  • the busbars are interrupted (26) (see FIG. 3).
  • a rechargeable battery (somewhat larger starter battery) bridges the short-term supply failure.
  • high-frequency modulation can provide various information be exchanged between the rail system and the vehicle.
  • the busbar system can transmit information such as the current vehicle position, target speed, energy consumption, distance to the vehicle in front and the vehicle behind it.
  • Vehicle data such as the desired destination, vehicle length, vehicle type, weight and general information can be sent from the vehicle to preceding or following vehicles.
  • An air stream of the airstream is deflected by a nozzle (21) and directed onto the busbar segments (1, 2). This allows any accumulation of water or dirt to be blown away and the contact surfaces of the busbar segments to be cleaned. Similar to a snow plow (22) attached to the pantograph, larger items can be cleared from the rail.
  • an optical lane detection system can be used, which detects the track with a camera. This optical system can also be used as redundancy for vehicle distance control of the busbar.
  • FIG. 5 shows a busbar in the area of a branch in a spatial sectional illustration.
  • FIG. 3 also shows, as in FIG. 2, a top view of a busbar in the region of a branch.
  • Figure 4 shows a sectional view of a busbar with a
  • FIG. 1 shows a side view of a pantograph with flow nozzle.
  • circuit breakers for connecting the busbar segment (2) Highly insulating, dirt-repellent and waterproof cover. Electrical heating of the busbar segments to prevent ice formation Cover between the mass flow segment and the housing Nozzle for deflecting the airstream to clean the busbar segments (1, 2) Plow-like device for clearing the rail of objects or snow Fixing screw for replacing the busbar segments in the event of wear All-round seal for sealing when replacing the busbar segments Electromagnetic shielding of the main lines (minimization from electrosmog)
  • conductor rail along the roadway for the power supply of electrically operated motor vehicles characterized in that this conductor rail is assigned to the road surface, in particular is integrated into it.
  • Busbar according to claim 1 characterized in that with the aid of a pantograph (18) attached in the area of the underbody of vehicles, these vehicles are driven with current from the busbar L5.
  • Busbar according to one of the preceding claims, characterized in that the electric drive units of the vehicle recover the braking energy generated in the downhill region and feed it back into the network via the busbar.
  • Busbar according to one of the preceding claims, characterized in that the busbar is used for 5 steering guidance of the vehicle.
  • Busbar according to one of the preceding claims, characterized in that the two busbar segments (1, 2) for data exchange between

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)
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Abstract

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Stromschiene in die Fahrbahnoberfläche zu integrieren. Mit Hilfe eines Stromabnehmers welcher am Unterboden eines Fahrzeugs angebracht ist, können elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einer externen Versorgungsspannung betrieben werden. Gleichzeitig kann die Stromschiene als Lenkungsführung verwendet werden. Durch eine Kommunikation zwischen Schienensystem und dem jeweiligen Fahrzeug können Geschwindigkeit und Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug automatisch gesteuert werden. Der Einbau einer Stromschiene in die Fahrbahn wird ermöglicht durch Verwendung einer schnell abschaltbaren Stromschiene. Die Versorgungsspannung wird unmittelbar vor dem Passieren eines Fahrzeuges zugeschaltet und sofort nach dem Passieren des Fahrzeugs wieder abgeschaltet.

Description

Stromschiene in Straßenbelag als Antrieb für Elektrofahrzeuge
1. Bekanntes
Seit Jahren sind Fahrzeuge bekannt, welche in ihrer Lenkung spurgeführt werden. Diese Lenkungsführung erfolgt über Leitkabel welche in die Fahrbahn integriert sind und von Sensoren abgetastet werden (Fa. Robert Bosch) . Auch sind Busse bekannt, bei denen eine Videokamera die Fahrbahnmarkierungen abtastet und auswertet (Irisbus Civis) . Von DB sind in Essen duobetriebene Busse im Einsatz, welche eine mechanische Führung entlang seitlicher Betonwände nutzen. Teilweise folgen diese Busse dem Schienennetz von Straßenbahnlinien. Als Antrieb solcher Fahrzeuge dient üblicherweise ein Dieselmotor oder ein Elektromotor, welcher aus Batterien oder zwei Oberleitungen gespeist wird.
Aus einer Offenlegungsschrift DE 44 17 065 AI ist desweiteren bekannt, dass eine Stromschiene seitlich der Fahrbahn als Stromeinspeisung für elektrisch betriebene Fahrzeuge verwendet werden kann.
Diese Fahrzeuge können sowohl von einem Verbrennungsmotor als auch mit einem Elektroantrieb entlang der Schiene betrieben werden.
2. Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
Der Grundgedanke dieser Erfindung besteht darin, verschiedene Fahrzeuge (PKW, Busse, LKW) elektrisch mit einem extern zugeführten Strom zu betreiben.
Damit kann eine deutliche Erhöhung des Komforts und der Verkehrssicherheit (LKW-Unfälle) erreicht werden bei gleichzeitig erheblicher Energieeinsparung und Schadstoffentlastung. Laut einer Untersuchung der Uni Aachen sollen damit Fahrzeuge mit umgerechnet weniger als 1 Liter pro 100 km betrieben werden können (Basis FZ- Gewicht: 700 kg). Duobetriebene Fahrzeuge (z. B. Verbrennungs- und Elektromotor) können auf das Mitführen von Akkus verzichten. Elektrofahrzeuge können während der Fahrt ihre Akkus aufladen. Im Bereich von Gefällstrecken kann frei werdende Bremsenergie wieder in das Stromnetz zurückgespeist werden. Eine durch das Schienensystem gesteuerte Optimierung des Verkehrsflusses ermöglicht die deutliche Energie- und Schadstoffreduzierung, verbunden mit der zentralen Energieerzeugung (und Abgasentgiftung) in Kraftwerken 5 und/oder der Nutzung regenerativen Energien.
Die Stromzuführung wird dadurch realisiert, dass eine Stromschiene in die Fahrbahnoberfläche eingebracht wird. Dies wird ermöglicht durch Verwendung einer abschaltbaren
L0 Stromschiene, d. h., die Versorgungsspannung wird unmittelbar vor dem Passieren eines Fahrzeuges zugeschaltet. Sofort nach dem Passieren wird diese Spannung wieder abgeschaltet. Moderne Leistungshalbleiterschalter wie sie z. B. zum Betrieb von
L5 Straßenbahnen verwendet werden, können die Spannung notfalls im Millisekundenbereich abschalten.
Im Gegensatz zur oben erwähnten Offenlegungsschrift ist es, mit einer in die Fahrbahn integrierten 0 Stromschiene möglich, mehrere parallele Fahrspuren auf Autobahnen mit einer Stromschiene auszurüsten. Der bei Autobahnen übliche seitliche Pannenstreifen ist hierdurch ebenfalls weiterhin nutzbar.
5 Schließlich vereinfacht sich der mechanische Schutz im Falle eines Unfalles, da die seitliche Stromschiene eine sehr hohe mechanische Stabilität aufbringen muss, während die in der Fahrbahn integrierte Stromschiene keine abstehenden Teile besitzt und somit keine Angriffspunkte 0 liefert. Desweiteren ist es bei einer in die Fahrbahn integrierten Stromschiene möglich, auf einfache Art Abzweigungen der Schiene ohne bewegte Teile zu realisieren was bei einer seitlich der Fahrbahn angebrachten Stromschiene nicht 5 möglich ist.
Die in die Fahrbahn eingelassene Stromschiene lässt sich damit wesentlich besser in die bestehende Straßeninfrastruktur integrieren und damit weit L0 kostengünstiger und einfacher realisieren.
3. Detaillierte Beschreibung
Um eine Stromschiene direkt in der Fahrbahn anbringen zu können, bedarf es einiger Maßnahmen, welche die 5 Sicherheit vor Berührung spannungsführender Teile sowie eine allwettertaugliche zuverlässige Funktion des Systems gewährleisten. Eine in einer Vertiefung vor Berührung geschützte Stromschiene würde zu einem größeren Realisierungsaufwand und zu weiterführenden 0 Probleme bei Nässe und Eisbildung führen. Daher wird eine Lösung vorgeschlagen, welche lediglich eine kleine Vertiefung zur Lenkungsführung des Stromabnehmers beinhaltet. Diese rillenförmige Vertiefung wurde im ausgeführten Beispiel in den Stromschienensegmenten (1, 5 2) dargestellt.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schienensegmente mit einer ebenen Oberfläche auszuführen und dafür eine separate rillenartige Vertiefung oder Steg für eine 0 Seitenführung des Stromabnehmers vorzusehen. Die Versorgungsspannung sollte ungefähr 2 - 5 kV betragen um die Ströme am Stromabnehmer für LKW' s auf einen akzeptablen Maximalwert zu begrenzen. Aus Hochspannungsuntersuchungen ist bekannt, 'dass bei Spannungen von 2 - 5 kV AC in diesem beschriebenen Anwendungsfall auch bei schlechten Umweltbedingungen keine Probleme mit Spannungsüberschlägen zu erwarten sind. Im Fehlerfall ist die Möglichkeit einer schnellen und sicheren Netzfreischaltung der Stromschiene trotzdem notwendig.
Wird die spannungsführende Stromschiene (2) in kleine, jeweils einzeln zuschaltbare Segmentabschnitte von ca. 10-30 m Länge unterteilt, so kann direkt vor dem Passieren eines Fahrzeugs über dem jeweiligen Stromschienensegment (2) dieses Segment zugeschaltet und sofort nach dem Passieren des Fahrzeugs wieder abgeschaltet werden. Bei Verwendung einer Wechselspannung kann zur Vermeidung von Störspannungen die Zu- bzw. Abschaltung der Stromschiene jeweils im Nulldurchgang erfolgen.
Da ein Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von z. B. 100 km/h eine Wegstrecke von 28 m pro Sekunde zurücklegt, genügt eine Segmentlänge von ca. 20 m um die Stromschiene in weniger als 1 Sekunde vor dem Passieren eines Fahrzeugs einzuschalten.
Dabei genügt es, jeweils nach zwei Stromschienen- Segmenten Steuergeräte (8, 10) anzubringen um die
Spannung an der Schiene des jeweils zurück- und vorausliegenden Stromschienensegments zu schalten und zu überwachen.
Aus Sicherheitsgründen kann die Ansteuerung und Überwachung der einzelnen Stromschienensegmente redundant ausgeführt werden. Damit wäre bei einer Stromsegmentlänge von z. B. 20 m lediglich alle 40 m eine Steuereinheit (8, 10) notwendig.
Das Steuergerät (8) sowie der Leistungsschalter (10) zur Zuschaltung der Spannung kann in der Stromschiene integriert sein oder als externes Gerät am Fahrbahnrand untergebracht werden.
Um eine möglichst geringe Einbaugröße für die Stromschiene zu ermöglichen, können, wie in Figur 4 dargestellt, neben dem Steuergerät (8) auch die Versorgungsleitungen (3, 4, 9) außerhalb der Stromschiene am Fahrbahnrand entlang mitgeführt werden. Dies kann vor allem bei nachträglicher Einbringung der Stromschiene in einen bereits vorhandenen Fahrbahnbelag vorteilhaft sein.
Die Masseversorgung ist ebenfalls in Segmentabschnitte aufgeteilt. Dadurch kann zum weiteren Schutz vor Berührung eine Fehlerstromschutzschaltung realisiert werden. Um die Stromschiene vor Spannungsüberschlägen
(bei extremer Witterung) zu schützen, sind ebenfalls
Schaltungen bekannt, welche im Falle von beginnenden
Spannungsüberschlägen eine schnelle Erkennung und Abschaltung ermöglichen. Gegebenenfalls kann durch Absenkung der Versorgungsspannung der Bildung weiterer Spannungsüberschläge vorgebeugt werden.
An Straßenabgängen kann eine Stromschienenverzweigung ohne bewegte Weichenteile auf einfache Weise realisiert werden. In Figur 2 wird ein solches Schienensegment mit einer Abzweigung dargestellt. Passiert ein Fahrzeug z. B. eine Stelle mit einer Abzweigung nach rechts, möchte jedoch weiterhin geradeaus fahren, dann drückt das Fahrzeug den Stromabnehmer (18) nach unten links (16) . Damit schleift der Stromabnehmer an der linken schrägen Wand der Stromschienensegmente (1, 2) entlang und wählt somit eine weitere Geradeausfahrt. Soll das Fahrzeug nach rechts abbiegen, dann wird der Stromabnehmer (18) nach unten rechts (17) gedrückt. Damit folgt der Stromabnehmer der rechten schrägen Wand der Stromschienensegmente (1, 2) und biegt somit nach rechts ab. Dabei genügt es, wenn eine der beiden Stromabnehmer (19) im Weichenbereich eine vertikale bzw. horizontale Führung hat.
Im kurzen Bereich der beiden Stromschienenüberkreuzungen sind die Stromschienen unterbrochen (26) (siehe Figur 3) . Ein Akku (etwas größere Starterbatterie) überbrückt den kurzzeitigen Versorgungsausfall. Bei Beaufschlagung der mittigen Schienensegmente (27) im Bereich der Weiche mit wahlweise Masse- oder Versorgungspotential kann die Länge der Versorgungsunterbrechung der Schiene minimiert werden.
Mit Hilfe der Stromabnehmer können mittels Hochf equenzmodulation verschiedene Informationen zwischen dem Schienensystem und dem Fahrzeug ausgetauscht werden. Das Stromschienensystem kann Informationen wie momentane Fahrzeugposition, Sollgeschwindigkeit, Energieverbrauch, Abstand zum vorausfahrenden und nachfolgenden Fahrzeug an das Fahrzeug übermitteln. Vom Fahrzeug wiederum können Fahrzeugdaten wie gewünschtes Fahrtziel, Fahrzeuglänge, Fahrzeugart, Gewicht sowie allgemeine Infos an voraus- oder nachfolgende Fahrzeuge gesendet werden.
Durch eine Düse (21) wird ein Luftstrom des Fahrtwindes umgelenkt und auf die Stromschienensegmente (1, 2) geleitet. Damit können eventuelle Ansammlungen von Wasser oder Verschmutzung weggeblasen und damit die Kontaktflächen der Stromschienensegmente gereinigt werden. Ähnlich einem Schneeräumschild (22) , angebracht am Stromabnehmer können größere Gegenstände von der Schiene geräumt werden.
Als Redundanz für die mechanische Spurführung kann z. B. ein optisches Spurerkennungssystem verwendet werden, welches mit einer Kamera die Stromschiene erfasst. Dieses optische System kann gleichzeitig auch als Redundanz zur Fahrzeugabstandssteuerung der Stromschiene verwendet werden.
Während des Andockens des Stromabnehmers an die Stromschiene kann die richtige Fahrzeugposition über der Stromschiene durch den Fahrer oder mit Hilfe des optischen Spurführungssystems angesteuert werden. Zeichnungen:
In Figur 1 ist in einer Schnittzeichnung eine in die Fahrbahn eingelassene Stromschiene dargestellt. Figur 2
5 zeigt in einer räumlichen Schnittdarstellung eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung. Figur 3 zeigt ebenfalls wie in Figur 2 in Draufsicht eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung. Figur 4 zeigt in einer Schnittzeichnung eine Stromschiene mit einem
0 fahrzeugseitig angelegten Stromabnehmer. Diese Stromschiene besteht lediglich aus den beiden Stromschienensegmenten (Masse- und Versorgungspotential) . Figur 5 zeigt in einer Seitenansicht einen Stromabnehmer mit Strömungsdüse.
5
Legende:
1 Stromschienensegment Massepotential (z. B. 20 m Länge)
2 Stromschienensegment Versorgungspotential .0 (z. B. 20 m Länge)
3 Durchgehende Hauptzuleitung Massepotential
4 Durchgehende Hauptzuleitung Versorgungspotential
5 Isolierung für Hauptzuleitungen
6 Außengehäuse der Stromschiene _5 7 Fahrbahnbelag
8 Steuergerät für Stromsegmentzuschaltung, Fehlerstromerkennung, Spannungsüberschlagerkennung, FZ-Kommunikation etc.
9 Signalleitung zur Vernetzung der einzelnen SG (8) mit 0 einem externen Leitrechner
10 Leistungsschalter (elektronisch) zur Zuschaltung des Stromschienensegments (2) Hochisolierende, schmutzabweisende und wasserdichte Abdeckung Elektrische Beheizung der Stromschienensegmente zur Verhinderung von Eisbildung Isolierende tragfähige Zwischenschicht Stromschienensegment abbiegend Massepotential Stromschienensegment abbiegend Versorgungspotential Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung links Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung rechts Stromabnehmer Kontaktelemente des Stromabnehmers in Form von Schleifern oder Rollen Isolierende Abdeckung zwischen Massestromsegment und Gehäuse Düse zur Umlenkung des Fahrtwindes um Stromschienensegmente (1, 2) zu Reinigen Pflugähnliche Vorrichtung zum Räumen der Schiene von Gegenständen oder Schnee Befestigungsschraube zum Austauschen der Stromschienensegmente bei Verschleiß Umlaufende Dichtung zum Abdichten bei Austausch der Stromschienensegmente Elektromagnetische Abschirmung der Hauptleitungen (Minimierung von Elektrosmog)
Unterbrechung des Stromschienensegments P A T E N T AN S P R Ü C H E
5 1. Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschiene dem Fahrbahnbelag zugeordnet, insbesondere in diesen integriert ist.
0
2. Stromschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines im Bereich des Unterbodens von Fahrzeugen angebrachten Stromabnehmers (18) diese Fahrzeuge mit Strom aus der Stromschiene angetrieben L5 werden.
3. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gefällebereich die elektrischen Antriebsaggregate des Fahrzeugs die 0 entstehende Bremsenergie zurückgewinnen und über die Stromschiene wieder ins Netz zurückspeisen.
4. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene zur 5 Lenkungsführung des Fahrzeugs verwendet wird.
5. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromschienensegmente (1, 2) zum Datenaustausch zwischen

Claims

Fahrzeug und Schienensystem verwendet werden und, dass damit die Fahrzeugposition entlang der Schiene sowie das Fahrzeug in seiner Geschwindigkeit und seinem Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug ermittelt und gesteuert wird.
6. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienensegmente zur Verhinderung von Eisbildung im Winter mit einer L0 Heizung (z. B. elektrischer Begleitheizung) ausgestattet sind.
7. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptversorgungsleitung
L5 (3, 4) ebenfalls in der Schiene mitgeführt wird.
8. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschiene auch Abzweigungen enthält (z.B. an Autobahnausfahrten). 0
9. Stromschiene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Stromschienenabzweigungen auch ohne mechanisch bewegten Teile betrieben werden. 5
10. Stromabnehmer für den elektrischen Abgriff einer Spannung aus einer Stromversorgungsschiene (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromabnehmer im Bereich der Stromschienenverzweigung (Weiche) zum Zwecke 0 des gezielten Richtungswunsches wahlweise mit einer Seitenkraft der Art beaufschlagt wird, so dass der Stromabnehmer an die rechte oder linke Seitenwand des Stromschienensegments (1, 2) angedrückt wird und dadurch das Fahrzeug entsprechend der geraden (1, 2) oder 5 abbiegenden Stromschiene (14, 15) folgt.
11. Stromabnehmer (18) für den elektrischen Abgriff einer Spannung aus einer Stromversorgungsschiene (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer aus dem L0 Fahrtwind umgelenkten Luftströmungsdüse, welche mit dem Stromabnehmer (18) verbunden ist, Luft in die Rinne der Stromschienensegmente (1, 2) geblasen wird um damit eventuelle Ansammlungen von Wasser oder Verschmutzung wegzublasen und diese Rinne damit gereinigt wird. 5
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