DE10225962B4

DE10225962B4 - Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10225962B4
Application number: DE10225962.3A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Miller
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: DE10225962A1; WO2003104016A1; AU2003237676A1

Abstract

Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, wobei a) die Stromschiene in den Fahrbahnbelag (7) der Straßenfahrbahn integriert ist, b) die Stromschiene in einzelne zu- und abschaltbare Segmentabschnitte entlang der Straßenfahrbahn unterteilt ist, und c) die Stromschiene mehrere Steuergeräte (8, 10) aufweist, mit denen jeweilige Segmentabschnitte zu- und abschaltbar sind, wobei d) jeder der Segmentabschnitte ein mit einem Massepotential (3) verbundenes Stromschienensegment (1) und ein zu diesem parallel verlaufendes, mit einem Wechselstromversorgungspotential verbundenes Stromschienensegment (2) aufweist, das durch einen Stromabnehmer (18) eines Kraftfahrzeugs abgreifbar ist, e) wobei jeweils nach jedem zweiten Segmentabschnitt Steuergeräte (8, 10) angeordnet sind, mit denen die Versorgungsspannung eines zurück- und eines vorausliegenden Stromschienensegments (2) zu- und abschaltbar und überwachbar ist, und f) die Segmentabschnitte zum Datenaustausch mit den Kraftfahrzeugen verwendbar sind, wobei die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge sowie der Abstand zwischen den Kraftfahrzeugen ermittelbar und steuerbar sind.

Description

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 A1 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.
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.
Die Stromzuführung wird dadurch realisiert, dass eine Stromschiene in die Fahrbahnoberfläche eingebracht wird, wie es in den Druckschriften FR 27 62 810 A1 , US 5 134 254 A oder US4 476 947 A offenbart ist.
Im Gegensatz zur oben erwähnten Offenlegungsschrift DE 44 17 065 A1 ist es mit einer in die Fahrbahn integrierten Stromschiene möglich, mehrere parallele Fahrspuren auf Autobahnen mit einer Stromschiene auszurüsten. Der bei Autobahnen übliche seitliche Pannenstreifen ist hierdurch ebenfalls weiterhin nutzbar.
So ist aus der FR 27 62 810 A1 ist A1 bekannt, dass eine in der Fahrbahn integrierte Stromschiene als Stromeinspeisung für elektrisch betriebene Fahrzeuge verwendet werden kann.
Aus der US 5 134 254 A ist eine in eine Fahrbahn integrierte Stromschiene als Stromeinspeisung für elektrisch betriebene Fahrzeuge bekannt, bei der einzelne Stronschienensegmente in Abhängigkeit der Fahrzeugbelegung fortgeschaltet werden können, wobei an Masse angeschlossene Schienensegmente sich in Fahrtrichtung des Fahrzeuges mit spannungsführenden Schienensegmenten abwechseln.
Aus der US 4 476 947 A ist eine in eine Fahrbahn integrierte Stromschiene als Stromeinspeisung für elektrisch betriebene Fahrzeuge bekannt, bei der einzelne Stronschienensegmente in Abhängigkeit der Fahrzeugbelegung fortgeschaltet werden können, wobei jeder der Segmentabschnitte ein mit einem Massepotential verbundenes Stromschienensegment und ein zu diesem parallel verlaufendes, mit einem Wechselstromversorgungspotential verbundenes Stromschienensegment aufweist, die bei Passieren eines Fahrzeuges Kontakt mit einem Stromabnehmer eines Kraftfahrzeugs zugeschaltet werden, wobei die Aktivierung der Stromschienensegmente durch ein von dem Fahrzeug ausgehendes Stromsignal an das jeweilige Stromschienensegment bewirkt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen derart weiterzuentwickeln, dass eine Optimierung des Verkehrsflusses ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Stromschiene ist die Stromschiene in den Fahrbahnbelag der Straßenfahrbahn integriert, wobei die Stromschiene in einzelne zu- und abschaltbare Segmentabschnitte entlang der Straßenfahrbahn unterteilt ist, und die Stromschiene mehrere Steuergeräte aufweist, mit denen jeweilige Segmentabschnitte zu- und abschaltbar sind, wobei jeder der Segmentabschnitte ein mit einem Massepotential verbundenes Stromschienensegment und ein zu diesem parallel verlaufendes, mit einem Wechselstromversorgungspotential verbundenes Stromschienensegment aufweist, das durch einen Stromabnehmer eines Kraftfahrzeugs abgreifbar ist, wobei jeweils nach jedem zweiten Segmentabschnitt Steuergeräte angeordnet sind, mit denen die Versorgungsspannung eines zurück- und eines vorausliegenden Stromschienensegments zu- und abschaltbar und überwachbar ist, und die Segmentabschnitte zum Datenaustausch mit den Kraftfahrzeugen verwendbar sind, wobei die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge sowie der Abstand zwischen den Kraftfahrzeugen ermittelbar und steuerbar sind
Durch Verwendung einer abschaltbaren Stromschiene wird die Versorgungsspannung 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 Straßenbahnen verwendet werden, können die Spannung notfalls im Millisekundenbereich abschalten.
Eine durch das Schienensystem gesteuerte Optimierung des Verkehrsflusses ermöglicht die deutliche Energie- und Schadstoffreduzierung, verbunden mit der zentralen Energieerzeugung (und Abgasentgiftung) in Kraftwerken und/oder der Nutzung regenerativen Energien.
Detaillierte Beschreibung
Zu den Zeichnungen:
In 1 ist in einer Schnittzeichnung eine in die Fahrbahn eingelassene Stromschiene dargestellt.
2 zeigt in einer räumlichen Schnittdarstellung eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung.
3 zeigt ebenfalls wie in 2 in Draufsicht eine Stromschiene im Bereich einer Abzweigung.
4 zeigt in einer Schnittzeichnung eine Stromschiene mit einem fahrzeugseitig angelegten Stromabnehmer. Diese Stromschiene besteht lediglich aus den beiden Stromschienensegmenten (Masse- und Versorgungspotential).
5 zeigt in einer Seitenansicht einen Stromabnehmer mit Strömungsdüse.
Um eine Stromschiene direkt in der Fahrbahn anbringen zu können, bedarf es einiger Maßnahmen, welche die 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 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, 2 dargestellt.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schienensegmente mit einer ebenen Oberfläche auszuführen und dafür eine separate rillenartige Vertiefung oder Steg für eine Seitenführung des Stromabnehmers vorzusehen.
Die Versorgungsspannung sollte ungefähr 2–5 kV betragen um die Ströme am Stromabnehmer für LKWs 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 Stromschienensegmenten 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 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 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 (26) der beiden Stromschienenüberkreuzungen sind die Stromschienen unterbrochen (siehe 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 Hochfrequenzmodulation 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.
Bezugszeichenliste

1: Stromschienensegment Massepotential (z. B. 20 m Länge)
2: Stromschienensegment Versorgungspotential (z. B. 20 m Länge)
3: Durchgehende Hauptzuleitung Massepotential
4: Durchgehende Hauptzuleitung Versorgungspotential
5: Isolierung für Hauptzuleitungen
6: Außengehäuse der Stromschiene
7: Fahrbahnbelag
8: Steuergerät für Stromsegmentzuschaltung, Fehlerstromerkennung, Spannungsüberschlagerkennung, FZ-Kommunikation etc.
9: Signalleitung zur Vernetzung der einzelnen SG (8) mit einem externen Leitrechner
10: Leistungsschalter (elektronisch) zur Zuschaltung des Stromschienensegments (2)
11: Hochisolierende, schmutzabweisende und wasserdichte Abdeckung
12: Elektrische Beheizung der Stromschienensegmente zur Verhinderung von Eisbildung
13: Isolierende tragfähige Zwischenschicht
14: Stromschienensegment abbiegend Massepotential
15: Stromschienensegment abbiegend Versorgungspotential
16: Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung links
17: Kraftrichtung der Anpresskraft des Stromabnehmers bei Abbiegung rechts
18: Stromabnehmer
19: Kontaktelemente des Stromabnehmers in Form von Schleifern oder Rollen
20: Isolierende Abdeckung zwischen Massestromsegment und Gehäuse
21: Düse zur Umlenkung des Fahrtwindes um Stromschienensegmente (1, 2) zu Reinigen
22: Pflugähnliche Vorrichtung zum Räumen der Schiene von Gegenständen oder Schnee
23: Befestigungsschraube zum Austauschen der Stromschienensegmente bei Verschleiß
24: Umlaufende Dichtung zum Abdichten bei Austausch der Stromschienensegmente
25: Elektromagnetische Abschirmung der Hauptleitungen (Minimierung von Elektrosmog)
26: Unterbrechung des Stromschienensegments

Claims

Stromschiene entlang der Straßenfahrbahn zur Stromversorgung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, wobei a) die Stromschiene in den Fahrbahnbelag (7) der Straßenfahrbahn integriert ist, b) die Stromschiene in einzelne zu- und abschaltbare Segmentabschnitte entlang der Straßenfahrbahn unterteilt ist, und c) die Stromschiene mehrere Steuergeräte (8, 10) aufweist, mit denen jeweilige Segmentabschnitte zu- und abschaltbar sind, wobei d) jeder der Segmentabschnitte ein mit einem Massepotential (3) verbundenes Stromschienensegment (1) und ein zu diesem parallel verlaufendes, mit einem Wechselstromversorgungspotential verbundenes Stromschienensegment (2) aufweist, das durch einen Stromabnehmer (18) eines Kraftfahrzeugs abgreifbar ist, e) wobei jeweils nach jedem zweiten Segmentabschnitt Steuergeräte (8, 10) angeordnet sind, mit denen die Versorgungsspannung eines zurück- und eines vorausliegenden Stromschienensegments (2) zu- und abschaltbar und überwachbar ist, und f) die Segmentabschnitte zum Datenaustausch mit den Kraftfahrzeugen verwendbar sind, wobei die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge sowie der Abstand zwischen den Kraftfahrzeugen ermittelbar und steuerbar sind.
Stromschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienensegmente (1, 2) zur Verhinderung von Eisbildung im Winter mit einer Heizung ausgestattet sind.
Stromschiene nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienensegmente (1, 2) mit einer elektrischen Begleitheizung ausgestattet sind.
Stromschiene nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Stromschienensegmenten (1, 2) verbundene Hauptversorgungsleitungen (3, 4) in der Stromschiene mitgeführt sind.
Stromschiene nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene Abzweigungen enthält.
Stromschiene nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigungen ohne mechanisch bewegbare Teile betreibbar sind.