Diese Erfindung löst die Normungsprobleme bei Batteriewechselsystemen für die großtechnische Energieversorgung mobiler Technik, insbesondere Elektrofahrzeuge unterschiedlicher Leistungsklassen.

Beschreibung

Batteriewechselsysteme für elektrisch betriebene Handgeräte sind hinlänglich bekannt, Akkuschrauber, Handys und Laptops werden meist mit einer wiederverwendbaren und auswechselbaren elektrischen Batterie geliefert. Die Leistung dieser Geräte ist klein genug, dass die Wechselbatterien manuell leicht gehandhabt werden können. Anders ist dies bei Geräten größerer Leistung, Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ist die Antriebsbatterie nicht wie bei z.B. einem Akkuschrauber mit wenigen Handgriffen zu wechseln, weil diese dazu viel zu groß und zu schwer ist. Es ist daher üblich, die Batterie eines Elektrofahrzeuges in allen Betriebszuständen, auch während des Aufladens, in dem Fahrzeug zu belassen. Jedoch die Leistungsanforderungen an ein modernes Elektrofahrzeug zwingen dazu, neben dem Laden an privaten und öffentlichen Ladestationen, auch über praktikable Batteriewechselsysteme nach zu denken. Batteriewechsel Systeme für Elektrofahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. DE 10 2007 032 210, DE 196 21 668 und US 59 98 963 beschreiben Vorrichtungen, bei denen die Batterie an der Unterseite eines Fahrzeuges maschinell montiert und demontiert werden sollen.

Nachteilig an dem Stand der Technik ist die Tatsache, dass die Batterie als zusammenhängender Block getauscht werden muss. Das hat zur Folge, dass praktisch für jede Fahrzeugklasse eine spezielle Wechselbatterie vorgesehen werden muss. Jede Sorte Wechselbatterie muss dann aber auch in ausreichender Menge von der Wechselstation bevorratet werden, was einen erhöhten und kostspieligen Lagerbedarf zur Folge hat, Die großen Lagerbestände vergrößern zu dem die Menge der nicht in Gebrauch befindlichen Batterien, was dazu führt, dass allgemein mehr Batterien gefertigt werden müssen, als es bei einem effizienteren System der Fall wäre. Insgesamt lösen die bekannten Batteriewechselsysteme zwar leidlich das mobile Energieproblem, sie erzeugen aber zu große Kosten und einen zu großen Standardisierungsaufwand. Wünschenswert wäre ein Batteriewechselsystem, welches dynamisch und sinnvoll auf die unterschiedlichen Leistungsklassen von mobiler Technik insbesondere von unterschiedlichen Leitungsklassen bei Fahrzeugen eingehen kann, ohne dabei für jede Fahrzeugklasse eine spezielle Batterie bevorraten zu müssen. Des weiteren ist es wünschenswert, mit einer einfacheren und kostengünstigeren Technik den Austauschvorgang von großen Batterien zu bewältigen, als dies im Stand der Technik beschieben ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren gemäß des Anspruchs 9 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß existiert die Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeuges nicht mehr als zusammen hängender Block, sondern aus einer Vielzahl von sogenannten Energiezellen. Der Begriff Energiezelle beschreibt hierbei allgemein einen mechanischen Körper, welcher mit elektrischen Energiespeicherelementen ausgestattet ist oder aus diesen besteht. Die Energiezelle umfasst, falls diese zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen ist, ebenfalls elektrische Kontakte, mittels derer sie geladen und entladen werden kann. Die mechanische Ausbildung der Energiezellen ist vorzugsweise standardisiert, und wiederholt sich gleichförmig in großer Zahl. Die Größe und damit der Energieinhalt einer Batterie wird durch die Anzahl der Energiezellen bestimmt, aus welchen die Batterie besteht. Je nach Größe der Energiezellen kann so eine Batterie in ihrer Größe und Leistung in feinen Stufen verändert und an die jeweiligen technischen Erfordernisse angepasst werden. Die Energiezellen werden zur Bildung einer Batterie in einem Behälter aufgenommen, welcher sich in der mobilen Technik befindet oder für diese bestimmt ist. Wenn die Energiezellen in dem Behälter entladen sind, können diese durch geladene Energiezellen ausgetauscht werden. Während des Austauschvorganges sind die Energiezellen in mindestens einer Raumdimension beweglich. Das bedeutet, dass die Energiezellen während des normalen Betriebes der mobilen Technik in dem Behälter festgesetzt sind und mit dem Energiesystem der mobilen Technik verbunden sind. Für einen erfindungsgemäßen Austauschvorgang müssen die Energiezellen jedoch beweglich sein. Um dies zeitweise für den Austauschvorgang zu ermöglichen, sind zur mechanischen Festsetzung der Energiezellen, so wie zur elektrischen Kontaktierung der Energiezellen betätigbare Vorrichtungen vorgesehen, welche die Energiezellen in dem Behälter der mobilen Technik nach Bedarf mechanisch festsetzen bzw. mechanisch frei geben und welche die Energiezellen nach Bedarf elektrisch mit der Bordtechnik verbinden bzw. lösen. Es ist ggf. auch vorgesehen ein und dieselbe Vorrichtung für beide Aufgaben, nämlich mechanisches Festsetzen bzw. Lösen und elektrisches Verbinden und Lösen zu verwenden.

Das mechanische Festsetzen der Energiezellen geschieht beispielsweise durch die Begrenzungswände des Behälter selbst, wobei zum mechanischen Freigeben der Energiezellen z.B. eine Klappe im Behälter geöffnet, oder eine Wand des selben entfernt wird (siehe erstes Ausfuhrungsbeispiel), oder durch mechanische Bauteile, die durch eine betätigbare Vorrichtung in den Behälter eingebracht werden oder in dem Behälter in ihrer Lage verändert werden, (siehe zweites Ausführungsbeispiel).

Das elektrische Verbinden und Lösen der Energiezellen mit der Bordtechnik geschieht beispielsweise mit einzeln oder in Gruppen an ein oder mehrerer beweglicher Bauteile montierter elektrischer Kontakte, wobei die beweglichen Bauteile zum Verbinden bzw. Lösen der elektrischen Verbindungen durch eine betätigbare Vorrichtung an die elektrischen Kontakte der Energiezellen herangeführt bzw. von diesen wieder entfernt werden. Aber auch andere Vorrichtungen, welche durch Betätigung elektrische Kontakte schließen und lösen können, sind mit vorgesehen.

Vorzugsweise wird so eine Vorrichtung zu mehrere Energiezellen gleichzeitig elektrischen Kontakt herstellten. Diese elektrischen Verbindungen werden hergestellt und gelöst, in dem z.B. ein Bauteil, dass mit mehreren elektrischen Kontakten für mehrere Zellen ausgestattet ist, mechanisch an diese herangeführt oder entfernt wird. Die Anordnung der elektrischen Kontakte von besagtem Bauteil orientiert sich vorzugsweise an der vorhergesehenen Anordnung der Energiezellen in dem Behälter. Wenn nötig, können so auch Vorrichtungen zum mechanischen Festsetzen der Energiezellen vorgesehen werden. Es ist wichtig, dass die oben genannten Vorrichtungen betätigbar sind, soll heißen, dass sie die Fähigkeit besitzen, die mechanischen und oder elektrischen Verbindungen zu den Energiezellen mittels manueller oder automatischer Betätigung, zu erzeugen und auch wieder zu lösen.

Denn das Lösen der elektrischen und mechanischen Verbindungen der mobilen Technik zu den Energiezellen, ermöglicht diesen ihre vorbestimmte Bewegungsfreiheit, welche vorzugsweise während des Austausch Vorganges bestehen soll. Denn während eines Austauschvorganges werden die Energiezellen nicht einzeln sondern als lose Menge gehandhabt. Der Begriff„lose Menge" beschreibt hierbei eine Anzahl von Energiezellen, die gemeinsam gehandhabt werden, wobei die einzelnen Energiezellen dieser Menge ihre relative Lage zueinander mit mindestens einem Freiheitsgrad verändern können. Das bedeutet, es ist vorgesehen, dass z.B. die Energiezellen keine mechanische Verbindung zueinander haben und sich prinzipiell, solange dies nicht durch die Handhabungsvorrichtungen begrenzt ist, frei gegen einander verschieben können, ähnlich wie die Molekühle einer Flüssigkeit. Dabei können sich die Energiezellen gegenseitig berühren, müssen es aber nicht. Eine gegenseitige Berührung der Zellen wird jedoch ggf. zu ihrem gegenseitigen Vorrantreiben genutzt. Es ist ggf. aber auch vorgesehen, die Energiezellen mechanisch beweglich miteinander zu verbinden, so dass die Menge von Energiezellen wie eine bewegliche Kette gehandhabt werden kann. Eine solche Kette kann durch Zug oder Druck manuell oder maschinell in Bewegung gesetzt werden.

Damit ist es möglich die Menge durch unterschiedlich begrenzte Räume hin und her zu schieben, zu ziehen, zu pumpen, oder durch die Erdbeschleunigung in Bewegung zu setzen und quasi zum fließen zu bringen. Die Bewegung der Energiezellen ist durch entsprechende Gleit- und Rollvorrichtungen insbesondere an der mobilen Technik, an den Energiezellen selbst, und an allen anderen an dem Austauschvorgang beteiligten Vorrichtungen erleichtert.

In dem Behälter, welcher die Energiezellen aufnimmt, befindet sich mindestens eine verschließbare Öffnung, durch welche die Energiezellen ein- bzw. ausgebracht werden. Eine solche Öffnung kann von ihrer Querschnittsfläche her kleiner sein als die kleinste Fläche einer Behälterwand. Sie ist jedoch mindesten so groß, dass mindestens eine Energiezelle diese Öffnung passieren kann, so dass der Austausch einer Batterie in Form eines Teilestromes von Energiezellen stattfindet. Auf diese Weise können auch sehr große Batterien durch eine kleine Öffnung in der Karosserie z.B. eines Fahrzeuges ausgetauscht werden.

Bezüglich der Anordnung der Energiezellen in dem Behälter wird vorzugsweise von der dichtesten Packung ausgegangen, welche vorzugsweise durch die Verengung des Raumes in dem Behälter herbeigeführt wird. Aber auch alternative Einrichtungen, wie z.B. bestimmte Formgebungen in dem Behälter (Ausbuchtungen und Erhebungen), in welchen sich die Energiezellen automatisch oder mit mechanisch maschineller Hilfe einfinden, sind mit vorgesehen. Für den Fall, dass die Energiezellen eine eindimensionale Bewegungsfreiheit besitzen, werden sich diese in der mobilen Technik in einer Reihe anordnen. Für den Fall, dass die Energiezellen eine zweidimensionale Bewegungsfreiheit besitzen, werden sich diese in einer Art anordnen, die einem 2- dimensionalen Kristallgitter ähnlich ist. Auf diese Weise ist die Anordnung der Zellen in dem Behälter entsprechend ihrer vorbestimmten Bewegungsfreiheit vorhersehbar, so dass an den entsprechenden Stellen in der mobilen Technik bzw. in dem Behälter Vorrichtungen für die Erzeugung von elektrischen Verbindungen zu den Energiezellen vorgesehen werden können. Es handelt sich dabei um eine der oben besagten betätigbaren Vorrichtungen.

Vorzugsweise nach der Beendigung des Austauschvorganges werden von den betätigbaren Vorrichtungen die Energiezellen mechanisch festgesetzt, und die elektrischen Kontakte zwischen Bordtechnik und Energiezellen geschaffen. Danach ist die mobile Technik wieder betriebsbereit.

Es ist vorgesehen, den Befüllungsgrad des Behälters mit Energiezellen zu variieren und z.B. an die jeweiligen Reichweitenansprüche eines Fahrzeugbenutzers anzupassen. Hierzu ist es vorgesehen den Raum des Behälters z.B. durch verschiebbare Bauteile, wie z.B. Schieber (zweites Ausführungsbei spiel) oder eine oder mehrere verschiebbare Wände künstlich zu verkleinern, damit auch in einem nur teilweise befullten Behälter die Energiezellen festgesetzt werden können. Erfolgt die Festsetzung der Energiezellen mit anderen Mitteln sind aber auch hier alternative Vorrichtungen, welche z.B. die Energiezellen einzeln festsetzen, denkbar.

Es ist vorgesehen, den Behälter in mindestens zwei Partitionen von veränderbarer Größe zu unterteilen, welche ggf. einzeln und unabhängig voneinander befüllt werden können. Auch dies soll z.B. mit verschiebbaren Wänden erfolgen. Kann aber auch mit alternativen Methoden, wie z.B. mit Vorrichtungen zur einzelnen bedarfsabhängigen Festsetzung einzelner Energiezellen oder Energiezellengruppen stattfinden. Eine solche Partionierung kann z.B. einen Raum für eine Menge von Energiezellen umfassen, welche in dem Fahrzeug verbleibt und an privaten und öffentlichen Ladestationen geladen werden, und einen zweiten Raum, welcher nach Bedarf mit gemieteten Energiezellen z.B. vom Energielieferanten befullt wird, wenn z.B. längere Fahrten anstehen. Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass in den Wechsel Stationen (den Orten, an denen die Batterie ausgetauscht wird) nun keine speziellen Batteriegrößen mehr bevorratet werden müssen, weil das Austauschsystem von sich aus die unterschiedlichsten Batteriegrößen erzeugen kann, indem für eine spezielle Batteriegröße eben die passende Anzahl von Energiezellen vorgesehen werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es mechanisch sehr viel leichter ist eine größere Anzahl von kleineren Zellen maschinell zu bewegen, als einen einzelnen zusammenhängenden Block. Auch lässt sich über die Anzahl der Energiezellen der Befüllungsgrad des Behälters regulieren, so dass der Benutzer der mobilen Technik nicht gezwungen ist mit einer immer gleich großen Batterie unterwegs zu sein. So kann er die Batteriegröße seines Fahrzeuges an seine aktuellen Reichweitenansprüche anpassen und spart damit Gewicht und Energie.

Da die Batterie in Form eines Teilestroms von Energiezellen ausgetauscht wird, kann die Öffnung in der Karosserie des betreffenden Gerätes viel kleiner ausfallen, als dies bisher möglich war. Dies stellt einen Vorteil bei der Gestaltung von Karosserien dar. Die Ausnutzung der Erdbeschleunigung für den Austauschvorgang hat zusätzlich den Vorteil, dass weder im Elektrofahrzeug noch in den Austauschvorrichtungen aufwendige Antriebe zur Handhabung der Energiezellen vorgesehen werden müssen, denn die Zufuhrung von potentieller Höhenenergie in die Energiezellen kann zentral und maschinell an den Ladevorrichtungen der Wechsel Stationen erfolgen.

Aber auch aus der Sicht des Herstellers von mobiler Technik hat die Erfindung Vorteile, denn dieser kann z.B. Elektrofahrzeuge mit großen Reichweiten bewerben, ohne die entsprechend große und kostspielige Batterie sofort mit liefern zu müssen, weil die kleine Batterie an einer öffentlichen Wechselstation kurzfristig bedarfsgerecht ergänzt werden kann. Auf diese Weise relativiert sich der Anschaffungspreis für ein Elektrofahrzeug erheblich, ohne dass auf eine mögliche große Reichweite verzichtet werden muss. Dadurch ergibt sich allgemein ein ähnlicher Komfort wie es der durchschnittliche Autofahrer von dem herkömmlichen Verbrennersystem und den Tankstellen gewohnt ist, wie z.B. die sofortige Verfügbarkeit der Energie, denn die an Bord genommenen Energiezellen sind vorzugsweise geladen und können sofort verwendet werden. Dies wird es einem Autofahrer erleichtern das neue elektrische System zu akzeptieren.

Durch die Tatsache, dass mit dieser Erfindung viele Fahrzeuge mit einer kleineren Batterie ausgestattet sind, als es für eine maximale Reichweite notwendig ist, werden allgemein die hergestellten Batterien viel besser ausgenutzt. Das schont die Ressourcen an teuren Materialien, wie z.B. Lithium, und hilft damit allgemein die Kosten für die Einführung der Elektromobilität in Grenzen zu halten.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird im Folgenden an beispielhaften Ausfuhrungsformen beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichen in den Figuren.

Fig. 1 zeigt schematisch einen waagerechten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23,

Fig. 2 zeigt schematisch einen längs vertikalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23 mit eindimensionaler Bewegungsfreiheit,

Fig. 3 zeigt schematisch einen längs vertikalen Schnitt durch ein erfindungs gemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23, während die entladenen Energiezellen 20 aus dem Fahrzeug 25 auf die Austauschvorrichtung 25 rollen,

Fig. 4 zeigt schematisch einen längs vertikalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23, während die geladenen Energiezellen 21 von der Austausch Vorrichtung in das Elektrofahrzeug 25 rollen,

Fig. 5 zeigt einen waagerechten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23 mit zwei-dimensionaler Bewegungsfreiheit,

Fig. 6 zeigt einen waagerechten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austausch Vorrichtung für Energiezellen 23, während die entladenen Energiezellen 15 das Elektrofahrzeug verlassen,

Fig. 7 zeigt einen waagerechten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 25 mit einer Austauschvorrichtung für Energiezellen 23, während die geladenen Energiezellen 15 in das Fahrzeug 25 gedrückt werden,

Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine zylinderförmige Energiezelle 15 mit elektrischen Kontakten, Fig. 9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Batteriebehälter 6 mit fünf zylindrischen Energiezellen 15 und einer betätigbaren Vorrichtung zur Schaffung von elektrischen Verbindunen, wobei die elektrischen Verbindungen zu den Energiezellen 15 gelöst sind,

Fig. 10 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Batteriebehälter 6 mit fünf zylindrischen Energiezellen 15 und einer betätigbaren Vorrichtung zur Schaffung von elektrischen Verbindungen, wobei die elektrischen Verbindungen zu den Energiezellen geschlossen sind,

Fig. 11 zeigt eine quaderförmige Energiezelle mit Rollkugeln 17, für ein- bis zweidimensionale Bewegungsfreiheit,

Fig. 12 zeigt eine rautenförmige Energiezelle mit Rollkugeln, für zweidimensionale Bewegungsfreiheit,

Fig. 13 zeigt eine zylinderförmige Energiezelle mit Rollkugeln, für zweidimensionale Bewegungsfreiheit,

Fig. 14 zeigt eine Energiezelle in Form einer selbstrollenden Walze, für eindimensionale Bewegungsfreiheit,

Fig. 15 zeigt eine quaderförmige Energiezelle mit Rädern, für ein-dimensionale Bewegungsfreiheit,

Fig. 16 zeigt eine walzenförmige Zelle mit walzenförmigen Enden zum Rollen auf Schienen, für ein-dimensionale Bewegungsfreiheit.

Erfindungsgemäß bestehen die Batterien von mobilen technischen Geräten bestehen aus einer Vielzahl von Energiezellen (kurz: Zellen). In dem mobilen Gerät ist ein Behälter vorgesehen, welcher die Zellen aufnimmt. Da die Größe der Batterie veränderbar ist, muss dieser Behälter nicht notwendigerweise komplett mit Zellen angefüllt sein. Es ist ggf. vorgesehen die Batterie in mindestens zwei Bereiche zu unterteilen (siehe Fig. 5-7). Ein Teil könnte z.B. für die Eignerbatterie vorgesehen sein. Mit Eignerbatterie sind jene Energiezellen 14 in dem mobilen Gerät gemeint, welche das Eigentum des Geräteeigners sind. In dem Fall, dass es sich bei der mobilen Technik um ein Elektrofahrzeug handelt, ist die Eignerbatterie 14 der Energiespeicher der vorzugsweise für die tägliche Reichweite vorgesehen ist, und an öffentlichen oder privaten Ladestationen geladen wird. Der zweite meist größere Teil der Batterie ist für gemietete Zellen 15 vorgesehen. Bei einem Elektrofahrzeug wird dieser Teil befüllt, wenn eine besonders große Reichweite gewünscht ist. Grundsätzlich können jedoch die Größe beider Teile frei gewählt werden. So kann ein Kunde den gesamten Raum für die Eignerbatterie 14 vorsehen und ein anderer Kunde die Eignerbatterie 14 ganz weglassen, so dass dieser nur mit gemieteten Zellen unterwegs ist. Sowohl die Eignerbatterie wie auch die gemieteten Zellen 15 sind grundsätzlich austauschbar, um die Energie der mobilen Technik insbesondere bei einem Eiektrofahrzeug in kurzer Zeit zu erneuern, ohne die Dauer der Ladezeit der Energiezellen abwarten zu müssen.

Die Zellen sind sich in ihrer Gehäuseform ähnlich. Diese werden vorzugsweise geräteübergreifend bzw. fah zeugtypüber greifend verwendet. Besonders begrüßenswert wäre es, wenn man sich sogar unternehmensübergreifend auf eine Norm einigen könnte, da dies die kosteneffiziente Wirksamkeit des Systems steigern würde. Vorstellbar wäre eine Norm ähnlich der CD, der Videokassette oder allgemein wie ein Pfandflaschensystem.

Allgemein ist die Form der Zellen so gewählt, dass die für den Austauschvorgang notwendige Fortbewegung der Zellen mit Hilfe von Gleit- oder Rollreibung erleichtert ist. In den Ausführungsbeispielen wird vorzugsweise von Rollreibung ausgegangen. Hierzu ist z.B. eine zylindrische Form der Zellen an sich, (siehe Fig. 14) oder Teile einer Zelle (siehe Fig. 16) für eine rollenden Fortbewegung der Zellen in einer Dimension besonders vorteilhaft, weil so keine speziellen Vorrichtungen zum Rollen vorgesehen werden müssen, weil die Zellen wie eine Walzen z.B. eine schiefe Ebene oder Schienen herunterrollen können. Es sind auch Zellenformen vorgesehen, die ebene Flächen besitzen, z.B. Quader (Fig. 1 1 u. 15), Raute (Fig. 12) und Zylinder (Fig. 13) mit ebenen Endflächen. Eine oder mehrere Flächen dieser Zellen sind mit Rollvorrichtungen z.B. Räder 16 oder Kugeln 17 ausgestattet, um ein Rollen der Zellen entlang einer oder mehrere ihrer ebenen Flächen zu ermöglichen, (siehe Fig. 1 1, 12, 13, 15).

Es ist vorgesehen die Energiezellen (kurz, Zellen) während des Austauschvorganges vorzugsweise unsortiert zu handhaben. Dabei sind sie in begrenztem Rahmen beweglich. Die konkrete Platzierung der Zellen in dem mobilen Gerät geschieht, in Grenzen der jeweiligen Bewegungsfreiheit, vorzugsweise zufällig. Je nach dem, wie groß die prinzipielle Bewegungsfreiheit der Zellen bei ihrer Handhabung ist, existiert eine 1-dimensionale, 2-dimensionale oder 3-dimensionale Verteilungsfreiheit in dem Behälter. Es ist vorgesehen die Form der Zellen dahingehend zu optimieren, dass diese vor dem Festsetzen im Behälter, z.B. durch mechanische Verengung des Raumes im Behälter, sich die Zellen automatisch in einer sich gleichförmig wiederholenden Anordnung einfinden, wobei die Anordnung der vorgesehen elektrischen Kontakte in der mobilen Technik auf die zu erwartende Anordnung der Zellen und ihrer elektrischen Kontakte abgestimmt ist. Danach werden vorzugsweise alle Zellen maschinell im mobilen Gerät festgesetzt und die vorgesehenen elektrischen Verbindungen hergestellt. Natürlich weisen auch die Zellen entsprechende elektrische Kontakte auf. Ggf sind an den Zellen Vorrichtungen zur Übermittlung von Daten vorgesehen z.B. über Sorte der Zellen, Spannung, Kapazität, Alter, Ladungszustand der betreffenden Zelle u.s.w. für die im zu betreibenden Gerät natürlich auch entsprechende Rezeptoren vorgesehen sind.

Die Zellen werden durch mindestens eine dafür bestimmte Öffnung in das mobile Gerät eingeführt, wobei eine Mehrzahl von Zellen diese Öffnung passieren, was einem Teilestrom von Energiezellen entspricht.

Die Bewegung der Zellen wird verursacht durch maschinelle Kraftein Wirkung auf einige Zellen, wobei sich die Kraftwirkung über gegenseitige Berührung von Zelle zu Zelle auf alle zu bewegenden Zellen fortsetzt. Eine bewegliche Verbindung der Zellen untereinander ist ggf. auch vorgesehen, so dass die Zellenmenge als Kette durch Ziehen an derselben in Bewegung gesetzt werden kann. Es ist auch vorgesehen die Bewegung der Zellen durch die Wirkung der Erdanziehung zu bewirken, in dem die Zellen über eine schiefe Ebene 18 bzw. 19 rollen oder gleiten (siehe Fig. 3 u. 4). In der mobilen Technik, und vor allem bei großen Batterien, ist auch eine maschinelle Krafteinwirkung auf die Zellen in dem Behälter vorgesehen.

Im Folgenden werden, zum besseren Verständnis, drei Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen die Figuren schematisch das Prinzip der Vorrichtung und stellen keine maßstabsgetreuen Konstruktionen dar.

Die erste Ausfuhrungsform ist ein Beispiel für eine Austauschvorrichtung für Energiezellen, bei der die Zellen eine 1 -dimensionale Bewegungsfreiheit besitzen (siehe Fig. 1-4). Die Zellen 20 besitzen die Form von langen Walzen beispielsweise mit einer Länge von 600mm und einem Durchmesser von 150mm. Diese Zellen 20/21 können nur in eine Richtung vor und zurück rollen. Soll heißen, sie können nicht seitwärts nach links und rechts und nicht nach oben und unten rollen. Da in diesem Beispiel nur eine einzige Reihe von Zellen in dem mobilen Gerät, hier ein Elektrofahrzeug, vorgesehen ist und die Zellen in den Lade- und Austauschstationen vorzugsweise unsortiert gehandhabt werden, ergibt sich hier eine zufällige Verteilung der Zellen entlang einer Linie nämlich entlang der Bewegungsrichtung der Zellen (eine Dimension). Die Bewegungsrichtung der Zellen 20/21 entspricht der Längsachse des Fahrzeuges, also der X-Achse. Die Rotationsachse der Zellen liegt im wesentlichen senkrecht zur Längsachse (x) des Fahrzeugs.

Am Heck des Fahrzeuges, vorzugsweise unterhalb des Kofferraumes, ist eine verschließbare Öffnung 22 vorgesehen, durch welche eine Zelle rollender Weise hindurch passt. Beim Austausch Vorgang passieren alle beim Austauschvorgang beteiligten Zellen 20/21 diese Öffnung 22, was einem Teilestrom an Energiezellen entspricht. Die Bewegung der Zellen 20/21 geschieht durch Rollen. Um die Rollbewegung der betreffenden Zellen 20/21 auszulösen, werden die betreffenden Ebenen 18, 19, auf der sich die zu bewegenden Zellen befinden, schief gestellt.

Seitens der Austauschstation besteht die Austauschvorrichtung nur aus einem mit geladenen Zellen 21 bestückten Wagen 23, der beispielsweise von Hand, wie ein Einkaufswagen über eine glatte Fläche 24 bewegt wird. Selbstverständlich sind aufwendigere und automatisierte Vorrichtungen ebenfalls vorgesehen, diese sind jedoch teilweise in US 59 98 963 und DE 10 2007 032 210 bereits beschrieben, so dass dies nicht wiederholt werden muss. Die dort beschriebenen Vorrichtungen, so wie allgemein Vorrichtungen zum automatisierten maschinelle Austauschen von Energiezellen, werden jedoch in diese Anmeldung mit aufgenommen. Für die anfängliche Etablierung des Systems ist der Handwagen 23 sicher eine kostengünstige Alternative. Die Hebearbeit, die zuvor geleistet werden muss, um im weiteren Verlauf des Austauschvorganges die Erdbeschleunigung aus zu nutzen wird maschinell und ggf. zentral innerhalb der Austauschstation (oben auch„Wechselstation" genannt) verrichtet, so dass weitere maschinell angetriebene Vorrichtungen an den Geräten, die für den Austauschvorgang am Fahrzeug zuständig sind, nicht mehr vorgesehen werden müssen. Im Folgenden wird beispielhaft ein Austauschvorgang aller im Fahrzeug befindlichen Zellen 20 beschrieben:

Nach dem das Fahrzeug 25 geparkt und abgeschaltet ist, werden in dem Behälter des Fahrzeuges alle elektrischen Verbindungen zu den Zellen 20 gelöst. Dies geschieht mit Hilfe einer Vorrichtung, die manuell oder automatisch betätigt wird. Vorzugsweise besteht sie aus einem verschiebbaren Bauteil, welches die elektrischen Kontakte für die Kontaktierung von einer oder mehreren Zellen enthält. Bei Betätigung fährt dieses Bauteil auf die Zellen zu bzw. von den Zellen weg und schießt bzw. löst dabei die elektrischen Kontakte zu den Zellen. Die elektrische Kontaktierung kann auch eine ausreichende mechanische Festsetzung bewirken. In diesem Beispiel ist dafür jedoch eine eigene betätigbare Vorrichtung vorgesehen:

So werden in diesem Beispiel alle Zellen 20 im Fahrzeug mechanisch gelöst, so dass diese rollen können, in dem die hintere Öffnung 22 entriegelt und geöffnet wird. Da sich hier die Öffnung über die gesamte Behälterbreite erstreckt, entspricht dies im übertragenen Sinne dem Wegfall einer Behälterwand.

Nun wird der Handwagen 23 in x- und Y-Achse passend zur Öffnung 22 platziert. Die Z- Achse wird entweder über eine Höhenverstellung am Handwagen 23, beispielsweise mit Hilfe einer fußbetriebenen Hydraulik oder über eine Höhenverstellung im Fahrzeug 25, beispielsweise mit Hilfe einer mechanischen, hydraulischen oder magnetischen (Bose-Fahrwerk) Niveauregulierung, entsprechend angepasst. Da sich beim Wechseln der Zellen das Gesamtgewicht des Fahrzeugs 25 stark ändert, ist es sinnvoll, das Fahrwerk des Fahrzeugs während des Austauschvorgangs fest zu setzen, damit Fahrzeug 25 und Handwagen 23 stets in passender Höhe zueinander bleiben. Der Handwagen 23 besitzt zwei Ebenen 19, 26 auf denen Zellen gelagert werden. Eine obere Ebene 19 auf der die geladenen Zellen 21 liegen und eine untere Ebene 26 auf der die entladenen Zellen 20 abtransportiert werden sollen. Jetzt, bei Beginn des Austauschvorganges, ist die untere Ebene 26 des Handwagens 23 leer und die obere Ebene 19 mit geladenen Zellen 21 besetzt. Wenn Fahrzeug 25 und Handwagen 23 in Position sind, werden zunächst die entladenen Zellen 20 aus dem Falirzeug 25 entfernt und auf dem Handwagen 23 gelagert. Dies geschieht, in dem die Ebene 18 im Fahrzeug 25 auf der die Zellen 21 lagern, einseitig abgesenkt und schief gestellt wird. Die Drehachse 27 dieser Ebene 18 befindet sich möglichst weit entfernt von der Öffnung 22, also hier im vorderen Teil des Wagens. Die andere Seite der Ebene 18 wird so weit herabgesenkt, dass sie etwa auf Höhe der unteren Ebene 26 des Handwagens 23 ankommt. Durch dieses Absenken entsteht eine schiefe Ebene 18 im Fahrzeug 25, welche die Zellen 20 herabrollen (siehe Fig.3). Die Zellen 20 rollen durch die Öffnung 22 aus dem Fahrzeug 25 heraus und landen direkt auf der unteren Ebene 26 des Handwagens 23. Wenn alle entladenen Zellen 20 auf dem Handwagen 23 angekommen sind, wird die Ebene 18 im Fahrzeug 25 wieder auf ihr normales Maß angehoben und arretiert. Da die Ebene 18 zu diesem Zeitpunkt nicht mit Zellen 20 besetzt ist, ist die Kraft um die Ebene 18 wieder anzuheben vergleichsweise gering. Als nächstes wird die obere Ebene 19 des Handwagens 23 auf Seiten der Öffnung 22 einseitig auf das Niveau der Fahrzeugebene 18 abgesenkt. Hierdurch entsteht wiederum eine schiefe Ebene 9 (siehe Fig. 4). Diesmal jedoch rollen die geladenen Zellen 21 von der Ebene 19 des Handwagens 23 herab auf die Ebene 18 im Fahrzeug 25. Wenn alle geladenen Zellen 21 in dem Fahrzeug 25 sind, wird die Öffnung 22 geschlossen und verriegelt. Damit sind die Zellen 21 im Fahrzeug mechanisch fest gesetzt. Danach werden die elektrischen Verbindungen zwischen dem Fahrzeug 25 und den Zellen 21 hergestellt. Damit ist der Austauschvorgang beendet. Der Handwagen 23 wird entfernt und das Fahrzeug 25 kann seinen Betrieb wieder aufnehmen.

Man beachte, dass die Energie um die Zellen zu bewegen im wesentlichen aus Höhenenergie besteht, welche den Zellen in der Ladestation maschinell zugeführt wird. Denn die entladenen Zellen werden in der Austauschstation aus dem Handwagen 23 entfernt und zum Laden maschinell auf eine Ebene gehoben, welche mindestens geringfügig höher ist als die obere Ebene 19 des Handwagens 23, So können danach alle anderen Bewegungen der Zellen zum Beladen des Handwagens 23 und die des Austauschvorganges ohne zusätzliche Antriebstechnik bewältigt werden.

Die zweite Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Austauschvorrichtung für aufrecht stehende, zylindrische Energiezellen 15, die eine 2-dimensionale Bewegungsfreiheit besitzen (siehe Fig.5-7). Eine solche Vorrichtung kann sinnvoll sein, wenn man den Raum in dem Boden des Fahrzeuges effizienter nutzen möchte, und gleichzeitig das gewohnte Design eines Straßenfahrzeuges erhalten möchte, bzw. allgemein freier bei der Gestaltung des Designs vorgehen möchte. Beispielsweise ist es denkbar, dass zwischen Vorderachse 28 und Hinterachse 29 eines Fahrzeuges 25 ein großer Behälter 30 für Energiezellen zur Verfügung steht, aber ein rückwärtiger Eingang 22 in diesen Behälter 30 beispielsweise durch den Fahrschemel 31 im Heck verengt ist. In dem oben beschriebenen Beispiel ist die Eingangsöffnung 22 in den Behälter 30 genauso breit wie die Behälter 30 selbst. Das ist in diesem Beispiel nicht mehr der Fall. Hier ist es vorgesehen, dass sich die Zellen 15 nicht nur auf einer Line sondern auf einer Fläche bewegen und verteilen können. Dadurch kann die Eingangsöffnung 22 schmaler sein als der Behälter 30. Im Folgenden können sich die Zellen 15 im Wesentlichen nach links und nach rechts (x- Achse) und vor und zurück (Y-Achse) bewegen.

In diesem Beispiel haben die Gehäuse der Zellen 15 eine Form, die auf eine 2- dimensionale Verteilungsfreiheit optimiert ist. Hierzu wird die aufrechte Zylinderform vorgeschlagen. Die Zellen bewegen sich gleitend oder rollend entlang der ebenen Zylinderendflächen 32 der Zellen. Um das Rollen zu ermöglichen sind in den Zylinderendflächen 32 z.B. Kugeln 17 vorgesehen, welche eine Bewegung in zwei Dimensionen zulassen (siehe Fig.13). Genauso gut können aber auch die Flächen, auf denen sich die Zellen bewegen (im Behälter 18 u. z.B. auf den Handwagen 19) mit entsprechenden Rollvorrichtungen ausgestattet sein. Die Zellen 15 haben z.B. einen Durchmesser von 200mm und eine Höhe von 140mm, und sind an den Zylinderendflächen 32 mit elektrischen Kontakten ausgestattet, wobei sich in diesem Beispiel beide Pole (Plus und Minus) jeweils konzentrisch auf der oberen Zylinderendfläche befindet (siehe Fig. 8 und 13). Fig. 8 zeigt, wie die beiden Pole konzentrisch zueinander angeordnet sind, so dass sich die Zelle im Behälter in einem beliebigen Winkel ihrer Drehachse einfinden kann, wobei trotzdem immer ein sicherer elektrischer Kontakt zum Bordnetz gewährleistet ist.

Die Zellen 15 werden vorzugsweise beim Wechseln nicht einzeln gehandhabt, sondern als Menge verschoben. Dabei berühren sich die Zellen 15 gegenseitig an ihren Zylinderflächen und schieben sich gegenseitig in eine durch die Begrenzungsflächen der Austauschvorrichtungen vorbestimmte Richtung.

Fig. 5-7 stellten schematisch einen waagerechten Schnitt durch ein Straßenfahrzeug 25 dar. Der Behälter 30 zwischen den Achsen ist breiter als die Eingangsöffhung 22, obwohl diese so breit und hoch ist, dass mindestens eine Zelle 15 hindurch passt.

Der Behälter 30 ist von seiner Form und seinen Abmaßen her so gestaltet, dass unter Verengung des selben sich die in ihm befindlichen Zellen 15 automatisch in eine sich gleichförmig wiederholende Anordnung einfinden. Die Verengung des Behälters 30 geschieht beispielsweise mechanisch mit Hilfe eines oder mehrerer Schieber 33, 34. In diesem Beispiel sind im Fahrzeug zwei entlang der x-Achse verschiebbare Schieber 33, 34 vorgesehen, von denen einer, nämlich der Schieber 34, welcher die Eignerzellen 14 von der Leihzellen 15 trennt, zusätzlich klappbar ist, um ggf. auch die Eignerzellen 14 freizugeben, falls, wie in diesem Beispiel, nur eine, nämlich die hintere Öffnung, zur Verfügung steht. Die Verschiebung der Schieber 33, 34 reguliert die Größe des Behälters 30, bzw. die Größe seiner Partitionen.

Der Austauschvorgang geht im Wesendlichen ähnlich vonstatten wie im ersten Beispiel, nur dass hier die Zellen 15 mit Hilfe der Schieber 33, 34, 35 mechanisch geschoben werden oder dass Rollvorrichtungen in den Gleitebenen des Behälters, der Austauschvorrichtungen oder der Zellen selbst aktiv an dem Transport der Zellen 15 teilnehmen oder diesen erleichtern.

Das Fahrzeug 25 wird geparkt und das Fahrwerk in der Höhe (Z-Achse) arretiert. Um die Bewegungen der Zellen in dem Fahrzeug zu ermöglichen, müssen zuerst die elektrischen Verbindungen der Zellen zur Bordtechnik gelöst und die Zellen mechanisch frei gesetzt werden. Das Lösen der elektrischen Kontakte geschieht mit Hilfe einer betätigbaren Vorrichtung, die beispielhaft im Folgenden anhand der Figuren 8 bis 10 genauer beschrieben wird. Die zylinderförmigen Energiezellen (siehe Fig. 13) gleiten auf ihren unteren Zylinderendflächen 32. Die obere Zylinderendfläche ist mit zwei elektrischen Kontakten 12/13 ausgestattet (siehe Fig. 8). Da sich die zylindrischen Zellen während des Austausch Vorganges frei um ihre eigene Achse 1 1 drehen können, ist nicht festgelegt, in welchem Drehwinkel sie im Behälter 6 elektrisch kontaktiert und mechanisch fest gesetzt werden. Die elektrische Kontaktierung muss also unabhängig von diesem Drehwinkel erfolgen. Um dies zu ermöglichen sind die elektrischen Kontakte kreisförmig ausgeformt, wobei alle Kontakte einen gemeinsamen Mittelpunkt nämlich auf der Achse 1 1 besitzen, ohne einander zu berühren. Fig. 8 zeigt eine Zelle 15 in der Draufsicht mit zwei Kontakten 12/13, wobei ein Kontakt 12 als Kreis ausgeführt ist, und ein weiterer als Ring 13 um den ersten angeordnet ist. Hätte die Zelle 15 noch weitere Kontakte würde auch diese als Ring ausgeführt werden. Von der dichtesten Packung der Zellen 15 in dem Behälter 6 ausgehend, ist die Anordnung der Symmetrieachsen 11 der Zellen und damit ihre genaue Lage in dem Behälter 6 vorhersehbar. Hierzu entsprechend sind elektrische Kontakte 10 in dem Behälter 6 vorgesehen. Diese Kontakte 10 können genauso ausgeführt sein, wie die der Zellen. Sie können aber auch, wie in Fig. 9 und 10 dargestellt von dieser Form abweichen. Die Kontaktierung der Zellen erfolgt einzeln oder Gruppenweise, letzteres ist in den Figuren dargestellt. Hier sind eine Mehrzahl von Kontakten 10 des Behälters 6 gemeinsam an einem beweglichen Bauteil 8 montiert, welches von Spiralfedern 9 von den Zellen weg gedrückt wird. Dennoch bestimmt ein verschiebbares Bauteil 7 die Lage des Bauteils 8. Betätig man das Bauteil 7 und schiebt es nach links, werden die elektrischen Kontakte zu den Zellen 15 im Behälter 6 gelöst (siehe Fig. 9). Betätig man das Bauteil 7 und schiebt es nach rechts werden die elektrischen Kontakte zu den Zellen 15 im Behälter 6 geschlossen (siehe Fig. 10).

Das mechanische Lösen der Zellen 15 erfolgt ebenfalls durch eine betätigbare Vorrichtung, welche hier, wie in dem ersten Beispiel, aus einer hinteren Öffnung 22 besteht. Ist die Öffnung 22 geschlossen, sind die Zellen durch die Enge des Raumes gefangen und können sich nicht mehr verschieben. Wird die Öffnung geöffnet, können die Zellen sich verschieben und aus dem Behälter austreten. Es sind aber, wie oben schon erwähnt, auch andere Lösungen vorgesehen.

Ein Handwagen 23, der mit geladenen Zellen 15 bestückt ist, wird passend an dem Fahrzeug 25 platziert, wenn das Fahrzeug nicht schon an einer automatischen Austauschvorrichtung geparkt wurde. Dieser Handwagen hat wie in dem ersten Beispiel zwei Ebenen, wobei von einer Ebene die entladenen Zellen aufgenommen werden und vor der anderen die geladenen Zellen an das Fahrzeug abgegeben werden. Die Schieber 33, 34 im Fahrzeug bewegen sich in Richtung der hinteren Öffnung 22 und drücken die entladenen Zellen 15 aus dem Fahrzeug 25 heraus. Die entladenen Zellen 15 werden von dem Handwagen 23 oder von der automatischen Austauschvorrichtung aufgenommen. Danach werden die seitlichen Führungsteile 36 am Handwagen 23 oder an der automatischen Wechselvorrichtung an die Breite der hinteren Öffnung 22 des Fahrzeuges 25 angepasst, ggf. wird dabei auch die Höhe der Ebene des Handwagens, welche die geladenen Zellen enthält, entsprechend angepasst. Die Schieber 33, 34 im Fahrzeug fahren zurück in Richtung Vorderachse. Mit Hilfe des Schiebers 35 werden nun die geladenen Zellen 15 vom Handwagen 23 bzw. der automatischen Austauschvorrichtung in das Fahrzeug 25 gedrückt. Dann wird die hintere Öffnung 22 des Fahrzeugs 25 geschlossen. Ggf. fährt ein weiterer, nicht dargestellter Schieber hinter der hinteren Öffnung 22 in den Behälter 30 hinein und schiebt die Zellen 15 weiter ins Innere des Behälters 30. Dabei verengt sich der Behälter 30 und die Zellen 15 finden sich automatisch in der vorbestimmten dichtesten Packung ein. Dies entspricht auch einer mechanischen Festsetzung der Zellen. Durch entfernen dieses Schiebers werden die Zellen wieder frei gegeben. Die elektrischen Kontakte zu den Zellen 14 u. 1 werden im Fahrzeug 25 durch die betätigbare Vorrichtung hergestellt und das Fahrzeug ist nun wieder betriebsbereit.

Falls eine geringere Menge als die maximale Menge an Zellen im Fahrzeug an Bord genommen werden, sorgt eine entsprechende Verschiebung der Schieber im Behälter 30 für eine gewichtstechnisch günstige Verteilung der Batteriemasse im Fahrzeug.

Um noch komplexere Formen von Behältern zu realisieren ist eine 3-dimensionale Bewegungsfreiheit der Zellen vorgesehen. Dies stellt ein drittes Ausführungsbeispiel dar. Auch hierzu sind die Zellen in ihrer Form optimiert. Die Form der Zellen kann z.B. kugelförmig sein oder wie ein 3-dimensional symmetrischer Kristall sein, so dass sich die Zellen unter Verengung des Raumes automatisch in die dichteste Packung einfinden. Elektrische Kontakte finden ggf. nun auch zwischen den Zellen statt, um die Energie zu den Grenzen des Behälters zu leiten, wo diese dann durch weitere Kontakte aufgenommen und zur Bordtechnik weitergeleitet wird. Während des Austauschvorganges können sich die Zellen in drei Dimensionen in den dafür vorgesehenen begrenzten Räumen bewegen. Die Bewegung der Zellen wird durch die Veränderung der Räume oder der Raumgestalt bzw. durch Bewegungen an den Raumbegrenzungsflächen ausgelöst.

Bezugszeichenliste

7 betätigbares Bauteil

8 verschiebbares Bauteil mit elektrischen Kontakten

9 Spiralfeder

10 elektrische Kontakte

11 Symmetrieachse einer Zelle

12 kreisförmiger elektrischer Kontakt einer Zelle

13 ringförmiger elektrischer Kontakt einer Zelle

14 Zellen der Eignerbatterie

15 Leihzellen für zweidimensionale Bewegungsfreiheit

16 Rad an einer Zelle

17 Rollkugel an einer Zelle

18 Ebene im Elektrofahrzeug auf der sich Zellen bewegen

19 obere Ebene auf dem Handwagen, auf der die geladenen Zellen transportiert werden

20 walzenförmige Zelle

21 geladene walzenförmige Zelle

22 Öffnung durch welche die Zellen das Elektrofahrzeug verlassen

23 Handwagen als Austauschvorrichtung für Energiezellen

24 Boden bzw. Parkplatz

25 Elektrofahrzeug

26 untere Ebene des Handwagens, auf welcher die entladnen Zellen transportiert werden

27 Drehachse der Ebene 18 im Fahrzeug

28 Vorderachse des Elektrofahrzeuges

29 Hinterachse des Elektrofahrzeuges

30 Behälter im Elektrofahrzeug, welcher Zellen aufnimmt

31 Fahr schemel des Elektrofahrzeuges

32 ebene Gleitfläche einer Zelle

33 vorderster Schieber im Behälter des Elektrofahrzeuges

34 Schieber, welcher Eignerzellen von Leihzellen trennt

35 Schieber, welcher Zellen in das Elektrofahrzeug drückt