DE102009037725A1

DE102009037725A1 - Energiespeichervorrichtung mit einer Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102009037725A1
Application number: DE102009037725A
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24
Also published as: EP2467896A1; CN102484296A; WO2011020547A1; JP2013502673A; BR112012003778A2; WO2011020547A8; US20120176081A1; KR20120083318A

Abstract

Energiespeichervorrichtung, welche wenigstens eine erste Energiespeichereinrichtung und eine zweite Energiespeichereinrichtung aufweist, welche wenigstens zur Abgabe, vorzugsweise auch zur Aufnahme, eines elektrischen Stroms vorgesehen sind. Vorzugsweise ist wenigstens die zweite Energiespeichereinrichtung als elektrochemische Energiespeichereinrichtung ausgebildet. Die Energiespeichervorrichtung weist auch eine Steuereinrichtung auf, welche vorgesehen ist, wenigstens die Abgabe eines elektrischen Stroms durch wenigstens eine der Energiespeichereinrichtungen zu steuern. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung auch die Aufnahme eines elektrischen Stroms durch wenigstens eine der Energiespeichereinrichtungen. Die Energiespeichervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichte der zweiten Energiespeichereinrichtung höher ist, als die Energiedichte der ersten Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiedichte als Verhältnis aus der in der Energiespeichereinrichtung in geladenem Zustand speicherbarer Energie und dem Gewicht der Energiespeichereinrichtung bestimmt ist. Die Steuereinrichtung ist vorgesehen, zur Abgabe eines elektrischen Stroms vorzugsweise die erste Energiespeichereinrichtung anzusteuern, wenn der elektrische Strom einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwet überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit galvanischen Zellen und der Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Bauart der galvanischen Zellen oder unabhängig von der Art des versorgten Verbrauchers Verwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Energiespeichervorrichtungen insbesondere mit galvanischen Zellen zur Versorgung von KFZ-Antrieben bekannt. Einigen Bauarten ist gemein, dass die im praktischen Einsatz erzielbare Betriebsdauer der galvanischen Zellen hinter der Betriebsdauer unter idealen Betriebsbedingungen erheblich zurückbleibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die nutzbare Betriebsdauer der Energiespeichervorrichtung bzw. deren galvanischer Zellen zu erhöhen.
Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche betreffend eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Energiespeichervorrichtung, welche eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen und eine oder mehrere zweite, insbesondere elektrochemische Energiespeichereinrichtungen aufweist. Die Energiespeichereinrichtungen sind zur Abgabe und zur Aufnahme eines elektrischen Stroms vorgesehen. Die Energiespeichervorrichtung weist auch eine Steuereinrichtung auf, welche vorgesehen ist, die Abgabe und die Aufnahme eines elektrischen Stroms durch wenigstens eine der Energiespeichereinrichtungen zu steuern. Die Energiespeichervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichte einer zweiten Energiespeichereinrichtung höher ist, als die Energiedichte einer ersten Energiespeichereinrichtung. Die Energiedichte ist vorliegend als Verhältnis aus der in der Energiespeichereinrichtung in vollständig geladenem Zustand abgespeicherter Energie und dem Gewicht der Energiespeichereinrichtung bestimmt. Die Steuereinrichtung ist vorgesehen, zur Abgabe eines elektrischen Stroms überwiegend eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtung anzusteuern, falls die Stärke eines elektrischen Stroms einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwert überschreitet.
Unter einer Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche zur Abgabe, zur Aufnahme und zum Abspeichern von Energie an einen Verbraucher dient. Vorzugsweise wird die Energie von der Energiespeichervorrichtung als elektrischer Strom abgegeben. Erfindungsgemäß weist die Energiespeichervorrichtung eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen, eine oder mehrere zweite Energiespeichereinrichtungen und eine Steuereinrichtung auf. Diese Einrichtungen sind insbesondere elektrisch und/oder mechanisch miteinander verbunden. Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung mehrere erste und zweite Energiespeichereinrichtungen auf, wobei die Anzahl der ersten Energiespeichereinrichtungen von der Anzahl der zweiten Energiespeichereinrichtungen abweichen kann.
Unter einer ersten Energiespeichereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zur Abgabe, zur Aufnahme und zum Abspeichern von Energie, insbesondere eines elektrischen Stroms geeignet ist. Vorzugsweise ist die erste Energiespeichereinrichtung als elektrische oder elektrochemische Energiespeichereinrichtung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die erste Energiespeichereinrichtung als galvanische Zelle, Spule oder Kondensator ausgebildet. Eine erste, als galvanische Zelle ausgebildete Energiespeichereinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Anode, eine Kathode und einen Separator auf. Der Separator nimmt einen Elektrolyt auf und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Vorzugsweise weist der Elektrolyt Lithium-Ionen auf. Vorzugsweise weist die erste Energiespeichereinrichtung eine dünnwandige Umhüllung auf, insbesondere zur Trennung des Inhalts von atmosphärischen Einflüssen. Vorzugsweise erstrecken sich zwei Stromableiter der ersten Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise aus deren Umhüllung. Vorzugsweise ist eine erste Energiespeichereinrichtung ausgebildet, dauerhaft und ohne kumulierte Schädigung einen höheren elektrischen Strom aufnehmen und/oder abgeben zu können, als eine zweite Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise ist der Innenwiderstand einer ersten Energiespeichereinrichtung geringer, als der Innenwiderstand einer zweiten Energiespeichereinrichtung.
Unter einer zweiten Energiespeichereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zur Abgabe, zur Aufnahme und zum Abspeichern von Energie, insbesondere eines elektrischen Stroms geeignet ist. Vorzugsweise ist die zweite Energiespeichereinrichtung als elektrische oder elektrochemische Energiespeichereinrichtung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die zweite Energiespeichereinrichtung als galvanische Zelle mit wenigstens einer Anode, einer Kathode und einem Separator ausgebildet. Der Separator nimmt einen Elektrolyt auf und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet. Vorzugsweise weist der Elektrolyt Lithium-Ionen auf. Vorzugsweise weist die zweite Energiespeichereinrichtung eine dünnwandige Umhüllung auf, insbesondere zur Trennung des Inhalts von atmosphärischen Einflüssen. Vorzugsweise erstrecken sich zwei Stromableiter der zweiten Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise aus deren Umhüllung.
Unter einer Steuereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche vorgesehen ist, die Abgabe und die Aufnahme von Energie, insbesondere eines elektrischen Stroms, durch wenigstens eine der Energiespeichereinrichtungen zu steuern. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung die der Energiespeichervorrichtung zugehörigen Energiespeichereinrichtungen derart, dass insbesondere höhere Leistungen bzw. elektrische Ströme bevorzugt mit einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen ausgetauscht werden. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, sämtliche vorhandene Energiespeichereinrichtungen zu steuern. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung mehrere Steuereinheiten auf, welche jeweils insbesondere einer ersten Energiespeichereinrichtung und einer zweiten Energiespeichereinrichtung zugeordnet sind. Vorzugsweise sind der Steuereinrichtung Leistungsschalter bzw. Leistungsregler zugeordnet, welche die elektrischen Ströme aus den ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen durchleiten bzw. schalten, besonders bevorzugt auch den Summenstrom. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung vorgesehen, die Leistungsschalter bzw. Leistungsregler zu steuern. Bevorzugt sind die Steuereinrichtung bzw. die Steuerelemente und die Leistungsschalter bzw. Leistungsregler einstückig ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung und/oder sind die Steuerelemente mit einem Signalbus verbunden.
Erfindungsgemäß weist die Energiespeichervorrichtung eine oder mehrere Messeinrichtungen auf. Unter einer Messeinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche zeitweise einen Messwert insbesondere zu wenigstens einer der Energiespeichereinrichtungen erfasst. Vorzugsweise ist dieser Messwert repräsentativ für den Innenwiderstand einer Energiespeichereinrichtung, deren Ladezustand, deren Temperatur und/oder den elektrischen Strom, welcher der Energiespeichereinrichtung zugeführt oder entnommen wird. Die Messeinrichtung stellt der Steuereinrichtung zeitweise einen oder mehrere Messwerte zur Verfügung. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen oder mehrere Messfühler auf, welche insbesondere den einzelnen Energiespeichereinrichtungen, der Steuereinrichtung, Leistungsschaltern bzw. Leistungsreglern, der Wärmeleiteinrichtung, den Anschlusseinrichtungen und/oder anderen Einrichtungen zugeordnet sind. Vorzugsweise sind die wenigstens eine Messeinrichtung und/oder deren Messfühler an einen Signalbus angeschlossen. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung wenigstens ein Thermoelement, eine Strommesseinrichtung und/oder eine Spannungsmesseinrichtung auf.
Erfindungsgemäß unterscheiden sich eine erste und eine zweite Energiespeichereinrichtung durch deren Energiedichten. Unter Energiedichte im Sinne der Erfindung ist das Verhältnis aus der im vollständig geladenen Zustand in einer Energiespeichereinrichtung abgespeicherten Energie und dem Gewicht dieser Energiespeichereinrichtung zu verstehen. Unter dem vollständig geladenen Zustand im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die Ladung einer Energiespeichereinrichtung so groß wie möglich bemessen ist, ohne dabei den Zustand einer Überladung zu erreichen, welche insbesondere dauerhaft zu einer Schädigung bzw. vorzeitigem Altern der Energiespeichereinrichtung führen könnte. Erfindungsgemäß ist die Energiedichte einer zweiten Energiespeichereinrichtung höher, als die Energiedichte einer ersten Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise beträgt der Quotient aus der Energiedichte einer ersten Energiespeichereinrichtung und der Energiedichte einer zweiten Energiespeichereinrichtung weniger als 1, vorzugsweise weniger als 0,9, vorzugsweise weniger als 0,8, vorzugsweise weniger als 0,7, vorzugsweise weniger als 0,6, vorzugsweise weniger als 0,5, vorzugsweise weniger als 0,4, vorzugsweise weniger als 0,3, vorzugsweise weniger als 0,2, besonders bevorzugt weniger als 0,1. Vorzugsweise beträgt der vorgenannte Quotient mehr als 0,01. Sofern die Energiespeichervorrichtung über eine Vielzahl erster und zweiter Energiespeichereinrichtungen verfügt, gelten die genannten Werte des Quotienten der Energiedichten auch für die sortenrein gemittelten Energiedichten der ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen.
Die Steuereinrichtung ist vorgesehen, zeitweise einen erfassten Messwert und/oder dessen zeitlichen Verlauf zu verarbeiten, insbesondere unter Berücksichtigung von vorbestimmten Vergleichswerten und/oder deren vorbestimmten zeitlichen Verläufen. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung vorgesehen, einen Messwert zu der Temperatur einer Energiespeichereinrichtung und/oder zu einer elektrischen Stromstärke zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung zu verarbeiten. Dazu bestimmt die Steuereinrichtung zeitweise einen oder mehrere Differenzwerte d aus einem oder mehreren erfassten Messwerten zu einer oder mehreren Stromstärken I₁ oder I₂ (in der nachfolgenden Formel als I_n zusammengefasst) und wenigstens einem vorbestimmten Stromstärkegrenzwert I_g (in der folgenden Formel um eine weiteren Index für eine erste oder zweite Energiespeichereinrichtung ergänzt): d = I_n – I_g,n
Die Differenzwerte d dienen insbesondere zur Ansteuerung der Energiespeichereinrichtungen. Zumeist, insbesondere während der Abdeckung einer Grundlast durch die Energiespeichervorrichtung, ist ein Differenzwert d zu einer Energiespeichereinrichtung negativ. Sofern in einem ersten Fall eine erfasste Stromstärke zu insbesondere einer zweiten Energiespeichereinrichtung einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwert erreicht oder überschreitet, so begrenzt die Steuereinrichtung den von dieser zweiten Energiespeichereinrichtung abzugebenden oder aufzunehmenden Strom. Sofern in einem zweiten Fall die erfasste Temperatur zu insbesondere einer zweiten Energiespeichereinrichtung einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwert erreicht oder überschreitet, so begrenzt die Steuereinrichtung den von dieser zweiten Energiespeichereinrichtung abzugebenden oder aufzunehmenden Strom. Zur Erfüllung der Strombedarfs oder der Stromaufnahme steuert die Steuereinrichtung in diesem ersten Fall überwiegend eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen zur Aufnahme oder Abgabe an. Der Quotient „q” aus einem von einer ersten Energiespeichereinrichtung abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms I₁ und einem von einer zweiten Energiespeichereinrichtung abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms I₂ schwankt insbesondere abhängig vom Strombedarf bzw. dem Betriebszustand des versorgten Verbrauchers:
Der Quotient q schwankt insbesondere zeitlich. Vorzugsweise beträgt q zeitweise zwischen 0,01 und 1000, vorzugsweise zwischen 0,1 und 100, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10. Diese Berechnung von q und die genannten Grenzwerte gelten auch für mehrere erste und zweite Energiespeichereinrichtungen. Vorzugsweise werden die Differenzen d bedarfweise insbesondere für jede zweite Energiespeichereinrichtung berechnet. Besonders bevorzugt werden
Erfindungsgemäß steuert die Steuereinrichtung abhängig von der Differenz d überwiegend die eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen und/oder die eine oder mehrere zweite Energiespeichereinrichtungen zur Abgabe oder Aufnahme eines elektrischen Stroms an. Sofern der Betrag der Leistung bzw. die Stärke des elektrischen Stroms einen vorbestimmten Grenzwert, insbesondere einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwert überschreitet, ist die Steuereinrichtung vorgesehen, die Energie überwiegend einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen zu entnehmen oder zuzuführen. Die Steuereinrichtung ist vorgesehen, bei Leistungswerten bzw. elektrischen Strömen, welche einen vorbestimmten Grenzwert bzw. Stromstärkegrenzwert unterschreiten, die Energie überwiegend einer oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtung zu entnehmen oder zuzuführen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung vorgesehen, die Energie ausschließlich ersten Energiespeichereinrichtungen oder zweiten Energiespeichereinrichtungen zuzuführen oder zu entnehmen, abhängig vom Betrag der Leistung bzw. der Stromstärke des elektrischen Stroms. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung vorgesehen, einen oder mehrere der Energiespeichervorrichtung zugeordneten elektrische Widerstände mit einem elektrischen Strom aus einer oder mehreren ersten und/oder einer oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtungen anzusteuern.
Unter einem Stromstärkegrenzwert im Sinne der Erfindung ist ein Grenzwert zu verstehen, den die Stromstärke eines elektrischen Stroms, welcher einer Energiespeichereinrichtung zugeführt oder entnommen wird, in der Regel nicht überschreiten soll. Ein Überschreiten dieses Stromstärkegrenzwerts kann ein vorzeitiges Altern der belasteten Energiespeichereinrichtung bewirken und/oder zu einer ernsten Schädigung der belasteten Energiespeichereinrichtung führen. Vorzugsweise ist ein Stromstärkegrenzwert in Abhängigkeit von der Bauart, dem Alter und/oder der Temperatur der jeweiligen Energiespeichereinrichtung gewählt. Vorzugsweise stehen der Steuereinrichtung für eine erste bzw. eine zweite Energiespeichereinrichtung jeweils eine Vielzahl von Grenzwerten bzw. Stromstärkegrenzwerten zur Berücksichtigung zur Verfügung. Es ist insbesondere ein Ziel der Einhaltung der Stromstärkegrenzwerte, dass eine Überhitzung einer oder mehrerer Energiespeichereinrichtungen vermieden wird. Vorzugsweise beträgt der Stromstärkegrenzwert einer ersten Energiespeichereinrichtung rund 500, 200, 150, 100, 50, 20 Ampere, je nach Bauart, Alterung und/oder Temperatur. Vorzugsweise beträgt der Stromstärkegrenzwert einer zweiten Energiespeichereinrichtung rund 250, 150, 100, 50, 20 Ampere, je nach Bauart, Alterung und/oder Temperatur. Je nach Bauart, Alterung und Temperatur können die Stromstärkegrenzwerte aber auch darüber liegen. Vorzugsweise ist der Stromstärkegrenzwert einer zweiten Energiespeichereinrichtung geringer, als der Stromstärkegrenzwert einer ersten Energiespeichereinrichtung, insbesondere bauartbedingt.
Elektrische Ströme, welche einer Energiespeichereinrichtung zugeführt oder entnommen werden, bewirken auch eine elektrische Heizleistung. Diese Heizleistung kann bei unzureichender Wärmeabfuhr zu einem Temperaturanstieg in der mit dem elektrischen Strom belasteten Energiespeichereinrichtung führen. Elektrochemische Energiespeichereinrichtungen altern allgemein schneller mit zunehmenden Temperaturen, wohl infolge unumkehrbarer chemischer Reaktionen. Indem die Steuereinrichtung vorgesehen ist, höhere Leistungen bzw. stärkere elektrische Ströme überwiegend einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtung zu entnehmen oder zuzuführen, wird eine zweite Energiespeichereinrichtung vorteilhaft geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt. So wird insbesondere die Alterung einer zweiten Energiespeichereinrichtung verringert, die nutzbare Betriebsdauer der Energiespeichervorrichtung erhöht und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine Halteeinrichtung, eine Anschlusseinrichtung und/oder eine Wärmeleiteinrichtung auf. Vorzugsweise sind mit der Halteeinrichtung zumindest die Wärmeleiteinrichtung und die Energiespeichereinrichtungen verbunden. Bevorzugt ist die Halteeinrichtung als Grundplatte, Rahmen oder Gehäuse ausgebildet. Vorzugsweise sind die Energiespeichereinrichtungen in der Halteeinrichtung mit elastischen bzw. schwingungsdämpfenden Elementen aufgenommen. So können vorteilhaft schädigende Wirkungen mechanischer Beanspruchungen oder Schwingungen auf die Energiespeichereinrichtungen verringert werden. Vorzugsweise sind von der Halteeinrichtung die Wärmeleiteinrichtung und die Energiespeichereinrichtungen so aufgenommen, dass diese die Wärmeleiteinrichtung wärmeleitend berühren.
Die Anschlusseinrichtung dient insbesondere der elektrischen Verbindung mit dem versorgten Verbraucher. Dazu ist eine Anschlusseinrichtung mit einer oder mehreren Stromleiteinrichtungen, vorzugsweise mit zumindest einem Anschlusskabel oder einer Stromschiene verbunden. Vorzugsweise weist die Anschlusseinrichtung eine oder mehrere Anschlussklemmen auf. Besonders bevorzugt weise die Anschlusseinrichtung zwei Anschlussklemmen unterschiedlicher Polarität auf.
Die Wärmeleiteinrichtung ist bevorzugt wärmeleitend mit der wenigstens einen ersten Energiespeichereinrichtung verbunden, besonders bevorzugt mit sämtlichen Energiespeichereinrichtungen der Energiespeichervorrichtung. Vorzugsweise sind auch wärmeempfindliche Bauteile der Steuereinrichtung mit dieser Wärmeleiteinrichtung wärmeleitend verbunden. Bei diesen wärmeempfindlichen Bauteilen der Steuereinrichtung handelt es sich insbesondere um Leistungsschalter oder Leistungsregler, welche die elektrischen Ströme aus den Energiespeichereinrichtungen durchleiten bzw. schalten, ggf. auch den Summenstrom. Vorzugsweise wird die Wärmeleiteinrichtung von einem Kühlmittel angeströmt oder durchströmt. Dazu weist die Wärmeleiteinrichtung bevorzugt oberflächenvergrößerte Bereiche, besonders bevorzugt Kühlrippen und/oder wenigstens einen Kanal für das Kühlmittel auf. Vorzugsweise sind die Energiespeichereinrichtungen im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und berühren die Wärmeleiteinrichtung jeweils mit einer Begrenzungsfläche. Vorzugsweise ist die Wärmeleiteinrichtung mit mehreren Wärmeleitkörpern ausgebildet. Vorzugsweise sind diese Wärmeleitkörper in dieser Halteeinrichtung jeweils zwischen zwei Reihen im Wesentlichen quaderförmige Energiespeichereinrichtungen, angeordnet und weisen wenigstens einen Kanal und/oder wenigstens einen oberflächenvergrößerten Bereich auf. Vorzugsweise ist ein Wärmeleitkörper von einem Kühlmittel angeströmt oder durchströmt. Vorzugsweise weist der Wärmeleitkörper oberflächenvergrößerte Bereiche, besonders bevorzugt Kühlrippen und/oder wenigstens einen Kanal für das Kühlmittel auf.
Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung weiter zumindest eine Strommesseinrichtung auf, welche bevorzugt zwischen der Anschlusseinrichtung und den Energiespeichereinrichtungen angeordnet ist. Besonders bevorzugt weist die Energiespeichereinrichtung eine zentrale Strommesseinrichtung auf, welche Aufschluss über den der Energiespeichervorrichtung entnommenen Summenstrom gibt.
Vorteilhaft ist die Energiespeichervorrichtung mit einer Wärmeleiteinrichtung ausgebildet. Vorteilhaft sind die Energiespeichereinrichtungen mit der Wärmeleiteinrichtung wärmeleitend verbunden. Bevorzugt ist die erste Energiespeichereinrichtung zwischen der Wärmeleiteinrichtung und der zweiten Energiespeichereinrichtung angeordnet. Die Energiespeichereinrichtungen sind bevorzugt im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. So kann eine insbesondere raumsparende Anordnung der Einrichtungen erreicht werden, wobei eine erste Energiespeichereinrichtung Wärme sowohl an die Wärmeleiteinrichtung als auch an die zweite Energiespeichereinrichtung abgeben kann. Eine erste Energiespeichereinrichtung nutzt so bei Bedarf die Wärmekapazität einer wärmeleitend berührenden zweiten Energiespeichereinrichtung. So können vorteilhaft Spitzen im Temperaturverlauf einer ersten Energiespeichereinrichtung verringert werden.
Vorteilhaft ist die Steuereinrichtung vorgesehen, bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen wenigstens zwei der Energiespeichereinrichtungen einzuleiten. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung vorgesehen, bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtung und einer oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtung einzuleiten. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung vorgesehen, bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen einer ersten Energiespeichereinrichtung und einer zweiten Energiespeichereinrichtung einzuleiten. Vorbestimmte Bedingungen liegen insbesondere vor, wenn einer ersten Energiespeichereinrichtung eine größere Menge Energie entnommen wurde. Das ist insbesondere der Fall, wenn der von der Energiespeichervorrichtung versorgte Antrieb eines Kraftfahrzeugs dieses über einen mindesten Zeitraum beschleunigt oder bergauf getrieben hat. Sofern der zur Versorgung des Kfz-Antriebs erforderliche Strom den vorbestimmten Stromstärkegrenzwert überschritten hat, ist der Antrieb überwiegend von wenigstens einer ersten Energiespeichereinrichtung versorgt worden. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt vorgesehen, insbesondere nach Auswertung von Messwerten, insbesondere einer Stromstärke und/oder eines Strom-Zeit-Integrals, und Vergleich mit einem Stromstärkegrenzwert und/oder einer vorbestimmten Ladungsmenge, einen merklich verringerten Ladezustand einer ersten Energiespeichereinrichtung anzunehmen. Zur Anhebung des Ladezustands und insbesondere zur Vorbereitung auf eine neuerliche Beschleunigung des Kraftfahrzeugs oder Bergfahrt, leitet die Steuereinrichtung einen Strom von wenigstens einer zweiten Energiespeichereinrichtung zu wenigstens einer ersten Energiespeichereinrichtung ein, bis insbesondere ein erwünschter Ladezustand der wenigstens einen ersten Energiespeichereinrichtung erreicht ist. Vorbestimmte Bedingungen liegen auch vor, wenn einer ersten Energiespeichereinrichtung vom generatorisch betriebenen Antriebsmotor Energie zugeführt wurde, insbesondere bei Verzögerung eines Kraftfahrzeugs und/oder dessen Schubbetrieb. In diesem Fall könnte die überwiegend in wenigstens einer ersten Energiespeichereinrichtung abgespeicherte Bremsenergie zu einer unerwünscht hohen Ladung der ersten Energiespeichereinrichtung führen. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung vorgesehen, einen Strom von der ersten Energiespeichereinrichtung zu einer zweiten Energiespeichereinrichtung einzuleiten, insbesondere zur Verringerung der Ladung der wenigstens einen ersten Energiespeichereinrichtung.
Vorteilhaft ist die Ladekapazität einer ersten Energiespeichereinrichtung an die Ladekapazität einer zweiten Energiespeichereinrichtung angepasst. Vorzugsweise ist die Ladekapazität einer ersten Energiespeichereinrichtung geringer bemessen, als die Ladekapazität einer zweiten Energiespeichereinrichtung. Besonders bevorzugt beträgt die Ladekapazität einer ersten Energiespeichereinrichtung weniger als zwei Drittel der Ladekapazität einer zweiten Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise ist summierte Ladekapazität aller ersten Energiespeichereinrichtungen geringer bemessen, als die summierte Ladekapazität aller zweiten Energiespeichereinrichtungen. Vorzugsweise ist die Energiespeichervorrichtung mit mehr zweiten Energiespeichereinrichtungen als ersten Energiespeichereinrichtungen ausgerüstet. Die Anpassung der Ladekapazitäten erfolgt insbesondere zur Berücksichtigung von zugrunde liegenden Betriebsprofilen des Kraftfahrzeugs. Vorteilhaft trägt die summierte Ladekapazität der ersten Energiespeichereinrichtungen einem geringeren Zeitanteil von Betriebszuständen mit hoher Leistungsabgabe an den Antriebsmotor, insbesondere eines Kfz, Rechnung. Vorzugsweise ist eine Energiespeichervorrichtung in Erwartung eines Betriebs mit einem größeren Anteil von Beschleunigungsfahrten und/oder höheren Belastungen mit einer insgesamt höheren Ladekapazität in Form von ersten Energiespeichereinrichtungen ausgerüstet. Vorzugsweise beträgt diese summierte Ladekapazität der ersten Energiespeichereinrichtung weniger als ein Drittel der gesamten Ladekapazität der Energiespeichervorrichtung, bevorzugt weniger als ein Viertel dieser gesamten Ladekapazität, vorzugsweise weniger als ein Fünftel der gesamten Ladekapazität, besonders bevorzugt weniger als ein Zehntel der gesamten Ladekapazität, wenigstens aber mehr als ein Fünfzigstel der gesamten Ladekapazität. Vorzugsweise wird der Anteil der Ladekapazität der ersten Energiespeichereinrichtungen an der gesamten Ladekapazität der Energiespeichervorrichtung durch das Verhältnis der Anzahlen der ersten bzw. der zweiten Energiespeichereinrichtungen gebildet.
Vorteilhaft ist die Steuereinrichtung mit einer übergeordneten Steuerung, insbesondere des Kraftfahrzeugs bzw. der versorgten Maschine oder Anlage, signalverbunden. Die Steuereinrichtung ist vorgesehen, mit der übergeordneten Steuerung wenigstens zeitweise wenigstens ein vorbestimmtes Signal auszutauschen. Vorzugsweise werden Signale ausgetauscht, welche Aufschluss über Betriebszustände der Energiespeichervorrichtung geben, über den Fortschritt verschiedener Vorgänge, wie Lade- oder Entladevorgänge, betreffend Energiespeichereinrichtungen, Fehlermeldungen etc.. Vorzugsweise übermittelt die übergeordnete Steuerung der Steuereinrichtung Signale, die Aufschluss über die maximal zulässige Leistungsaufnahme der Nebenaggregate des Kraftfahrzeugs, der Nebenaggregate der betriebenen Anlage oder der Nebenaggregate der Maschine geben. Vorzugsweise ist der Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet. Diese Speichereinrichtung ist insbesondere zum Abspeichern von Betriebsdaten, vorbestimmten Grenzwerten, vorbestimmten Stromstärkegrenzwerten, vorbestimmten Temperaturgrenzwerten, Parameterprofilen, Meldungen betreffend erwünschte und unerwünschte Betriebszustände der Energiespeichervorrichtung und/oder Fehlermeldungen bestimmt. Vorzugsweise ist der Inhalt der Speichereinrichtungen von einer übergeordneten Steuerung lesbar und/oder überschreibbar, insbesondere bei Wartungsvorgängen.
Vorteilhaft sind wenigstens eine erste Energiespeichereinrichtung und wenigstens eine zweite Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise, vorzugsweise überwiegend, besonders bevorzugt gänzlich, von einem Gehäuse umgeben. Vorzugsweise sind genau eine erste Energiespeichereinrichtung und eine zweite Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise von einem Gehäuse umgeben. Vorzugsweise sind wenigstens drei Energiespeichereinrichtungen wenigstens teilweise von einem Gehäuse umgeben. Bevorzugt ist das Gehäuse mehrteilig, insbesondere mit einem ersten Formteil und einem zweiten Formteil ausgebildet. Die Formteile sind vorgesehen, miteinander insbesondere stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig um die Energiespeichereinrichtungen verbunden zu werden. Vorzugsweise ist das zweite Formteil insbesondere wärmeleitend mit der ersten Energiespeichereinrichtung, besonders bevorzugt mit sämtlichen Energiespeichereinrichtungen, verbunden. Vorzugsweise ist das zweite Formteil wenigstens teilweise mit einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Vorzugsweise ist das zweite Formteil mit der Wärmeleiteinrichtung der Energiespeichervorrichtung insbesondere wärmeleitend verbunden. Mit Anlegen eines Temperaturgefälles wird den Energiespeichereinrichtungen bevorzugt Wärmeenergie zugeführt oder entnommen, abhängig von der Richtung des Temperaturgefälles. Vorzugsweise ist das zweite Formteil wenigstens teilweise mit einem elektrisch isolierenden Werkstoff beschichtet, insbesondere auf der den Energiespeichereinrichtungen zugewandten Seite. Vorzugsweise weist das Gehäuse zwei Anschlusseinrichtungen und/oder eine Steuereinrichtung bzw. ein Steuerelement auf. Vorzugsweise ist das zweite Formteil als Behälter und das erste Formteil als zugehöriger Deckel ausgebildet. Vorzugsweise ist wenigstens das zweite Formteil an die Gestalt der aufzunehmenden Energiespeichereinrichtungen angepasst. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil mittels einer Formgebungsverfahrens, insbesondere eines Umformverfahrens gestaltet.
Vorteilhaft weist wenigstens eine Elektrode einer Energiespeichereinrichtung, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LiMPO₄ auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe ist. Das Übergangsmetallkation ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist eine übergeordnete Olivinstruktur auf.
Erfindungsgemäß weist wenigstens eine Energiespeichereinrichtung vorzugsweise einen Separator auf, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, vorzugsweise mit einem Polymer und besonders bevorzugt mit Polyethylenterephthalat (PET) ausgebildet, ist mit einem anorganischen, ionenleitenden Material beschichtet, welches vorzugsweise in einem Temperarturbereich von 40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische, ionenleitende Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikei mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
Vorteilhaft wird eine Energiespeichervorrichtung mit wenigstens einer ersten Energiespeichereinrichtung, einer zweiten Energiespeichereinrichtung und einer Steuereinrichtung derart betrieben, dass die Steuereinrichtung zur Abgabe eines elektrischen Stroms, insbesondere mit einer Stromstärke oberhalb eines vorbestimmten Stromgrenzwertes, vorzugsweise wenigstens eine erste Energiespeichereinrichtung ansteuert. Vorzugsweise verarbeitet die Steuereinrichtung wenigstens ein Signal wenigstens einer Messeinrichtung, insbesondere eines Strommessers, wobei das Signal Aufschluss insbesondere über die Stromstärke des der Energiespeichervorrichtung entnommenen elektrischen Summenstroms gibt. Sofern der gemessene Summenstrom einen vorbestimmten Stromgrenzwert überschreitet, steuert die Steuereinrichtung die Energiespeichereinrichtungen derart, dass der Strom überwiegend der wenigstens einen ersten Energiespeichereinrichtung entnommen wird. Der zweiten Energiespeichereinrichtung wird in diesem Betriebszustand elektrische Leistung bzw. elektrischer Strom nur bis zur Höhe der für die zweite Energiespeichereinrichtung zulässigen maximalen Stromstärke entnommen. Sofern der der Energiespeichervorrichtung abverlangte elektrische Strom einen vorbestimmten Stromstärkegrenzwert unterschreitet, steuert die Steuereinrichtung überwiegend die zweite Energiespeichereinrichtung zur Abgabe dieses Stroms an. Vorteilhaft wird die der Energiespeichervorrichtung abverlangte Grundlast überwiegend von der wenigstens einen zweiten Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellt, wohingegen Belastungsspitzen unter erheblichem Beitrag der wenigstens einen ersten Energiespeichereinrichtung bedient werden. So werden die elektrische Heizleistung in Folge einer Stromentnahme aus einer zweiten Energiespeichereinrichtung und somit deren Temperatur begrenzt. Dadurch kann die Alterung einer zweiten Energiespeichereinrichtung insbesondere durch unumkehrbare chemische Reaktionen verringert und die Betriebsdauer einer zweiten Energiespeichereinrichtung erhöht werden.
Vorteilhaft wird die Energiespeichervorrichtung so betrieben, dass die Steuereinrichtung bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen wenigstens zwei der Energiespeichereinrichtungen einleitet. Vorzugsweise leitet die Steuereinrichtung einen Strom zwischen einer ersten Energiespeichereinrichtung und einer zweiten Energiespeichereinrichtung ein. Vorbestimmte Bedingungen liegen vor, wenn eine erste Energiespeichereinrichtung bedeutsam entladen ist, insbesondere wenn die gegenwärtige Ladung der ersten Energiespeichereinrichtung weniger als die Hälfte der zulässigen Ladung beträgt. Vorzugsweise verarbeitet die Steuereinrichtung dazu wenigstens ein Signal wenigstens einer Messeinrichtung, insbesondere eines Strommessers, wobei das Signal im Vergleich mit vorbestimmten Grenzwerten Aufschluss insbesondere auf den Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung gibt. In diesem Fall wird der ersten Energiespeichereinrichtung Energie bzw. elektrischer Strom aus einer zweiten Energiespeichereinrichtung zugeführt. So wird die erste Energiespeichereinrichtung für eine spätere, höhere Belastung, insbesondere eine Beschleunigungsfahrt oder Bergfahrt eines Kraftfahrzeugs vorbereitet. Eine vorbestimmte Bedingung liegt auch vor, wenn einer ersten Energiespeichereinrichtung Energie und/oder Schubbetrieb, insbesondere von einem generatorisch betriebenen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs bei einem Verzögerungsvorgang zugeführt wird. Mit dem Einleiten eines Stroms von dieser ersten Energiespeichereinrichtung zur zweiten Energiespeichereinrichtung durch die Steuereinrichtung, kann eine Überladung der ersten Energiespeichereinrichtung verringert werden. So wird eine Schädigung bzw. ein Altern einer ersten Energiespeichereinrichtung verringert. Vorzugsweise ist der Energiespeichervorrichtung ein Widerstand zugeordnet. Dieser dient insbesondere zur Verringerung der Ladung einer Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung zur teilweisen Entladung einer Energiespeichereinrichtung diesen Widerstand an.
Vorteilhaft wird eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung derart betrieben, dass insbesondere während eines Ladevorgangs einer insbesondere zweiten Energiespeichereinrichtung deren elektrische Spannung, insbesondere deren Klemmenspannung überwacht wird. Dazu erfasst eine Messeinrichtung zeitweise die elektrische Spannung U_n einer oder mehrerer, insbesondere zweiter Energiespeichereinrichtungen, insbesondere während eines Ladevorgangs. Weiter stellt die Messeinrichtung die erfassten Messwerte, insbesondere erfasste Klemmenspannungen der Steuerungseinrichtung zur Verfügung. Unter Verwendung dieser Messwerte und vorbestimmter Spannungsgrenzwerte U_g ermittelt die Steuerungseinrichtung eine oder mehrere zweite Differenzwerte d₂. d₂ = U_n – U_g
Während eines Ladevorgangs einer Energiespeichereinrichtung ist ein zweiter Differenzwert d₂ zumeist negativ. Die Steuerungseinrichtung ist vorgesehen, einen Ladevorgang einer Energiespeichereinrichtung in Abhänigkeit von diesem Differenzwert d₂ zu steuern. Sofern sich ein zweiter Differenzwert d₂ dem Wert 0 nähert oder positiv wird, unterbricht die Steuerungseinrichtung vorzugsweise die weitere Energiezufuhr. Ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert U_g ist insbesondere in Abhängigkeit von Bauart, Alterung und/oder Temperatur einer Energiespeichereinrichtung gewählt. Vorzugsweise ist der Spannungsgrenzwert U_g geringfügig höher als die Nennspannung oder die elektrochemische Spannung einer Energiespeichereinrichtung gewählt. Bevorzugt beträgt der Spannungsgrenzwert U_g bis 120%, 115%, 110%, 105% der Nennspannung der Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise wird zur Verlängerung der Lebensdauer einer Energiespeichereinrichtung ein geringerer Spannungsgrenzwert U_g zum Anschluss eines Ladevorgangs gewählt.
Vorzugsweise wird einer oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtungen zumindest zeitweise, insbesondere während eines Ladevorgangs je ein zeitlich veränderlicher, insbesondere gepulster elektrischer Strom zugeführt. Vorzugsweise wird einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen zumindest zeitweise, insbesondere während eines Ladevorgangs je ein elektrischer Strom von im Wesentlichen konstanter Stromstärke zugeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung mit ergänzenden Einrichtungen,
2 schematisch weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Energiespeichervorrichtungen mit mehrteiligen Gehäusen.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 mit einigen ergänzenden Einrichtungen. Darin sind Steuerleitungen 21, 21a, 21b, 22, 24, 24a, 27, 27a gestrichelt gezeichnet.
Die Energiespeichervorrichtung 1 weist mehrere erste Energiespeichereinrichtungen 2 und mehrere zweite Energiespeichereinrichtungen 3 auf, welche die Wärmeleiteinrichtung 7 wärmeleitend berühren. Die Energiespeichereinrichtungen sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und berühren jeweils mit einer Begrenzungsfläche die Wärmeleiteinrichtung 7. Sowohl die Wärmeleiteinrichtung als auch die erste Energiespeichereinrichtung 2 weisen je ein Thermoelement 8, 8a auf. Diese sind nur stellvertretend für eine Vielzahl von Thermoelementen und weiteren Messeinrichtungen dargestellt. Diese sind über Steuerleitungen 21, 21a mit der Steuereinrichtung 4 verbunden. Der Steuereinrichtung 4 ist eine Speichereinrichtung 9 zugeordnet, in welcher Daten, Stromstärkegrenzwerte, Betriebsprofile, Fehlermeldungen etc. abgespeichert sind. Die Steuereinrichtung 4 ist über eine Verbindungsleitung 22 mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuerung signalverbunden. Die einzelnen Energiespeichereinrichtungen 2, 3 sind über Stromkabel 25, 25a und über Leistungsschalter 26, 26a mit zentralen Stromleitungen 23, 23a verbunden. Diese Leistungsschalter 26, 26a werden von der Steuereinrichtung 4 über nicht dargestellte Steuerleitungen betätigt. Die zentralen Stromleitungen 23, 23a münden in die Anschlusseinrichtungen 6, 6a, welche zumindest mittelbar mit dem elektrischen Verbraucher verbunden sind. Nicht dargestellt sind eine Vielzahl von Strommesseinrichtungen, welche den Strom auch in den Anschlusskabeln 25, 25a erfassen und der Steuereinrichtung 4 zur Verfügung stellen. Je nach Bauart können diese Strommesseinrichtungen auch einstückig mit den Leistungsschaltern 26, 26a ausgebildet sein. Die zentrale Stromleitung 23a weist einen zentralen Strommesser 8b zur Erfassung des dem Verbraucher zur Verfügung gestellten Summenstroms auf. Über die Signalleitung 21b stellt der zentralen Strommesser 8b der Steuereinrichtung 4 wenigstens einen Messwert zur Verfügung. Die Steuereinrichtung 4 verarbeitet die Signale verschiedener Messeinrichtungen 8, 8a, 8b und betätigt die Leistungsschalter 26, 26a über Steuerleitungen 27, 27a. Vorzugsweise sind diese Leistungsschalter 26, 26a als Leistungsregler ausgebildet, welche die Durchleitung eines begrenzten Stroms ermöglichen.
Vorliegend sind die zweiten Energiespeichereinrichtungen als elektrochemische Zellen ausgebildet. Vorliegend sind auch die ersten Energiespeichereinrichtungen als elektrochemische Zellen ausgebildet. Vorzugsweise sind die ersten Energiespeichereinrichtungen 2 als Kondensatoren oder Spulen ausgebildet, deren Energiedichten geringer, als die Energiedichten der zweiten Energiespeichereinrichtungen 3 sind. Vorteilhaft sind die als Spulen oder Kondensatoren ausgebildeten ersten Energiespeichereinrichtungen 2 zur Abgabe bzw. zur Aufnahme bedeutsam größerer Ströme in der Lage. So können dem Verbraucher zeitlich begrenzt vorteilhaft deutlich größere Ströme zur Verfügung gestellt werden, als wenn die Energiespeichervorrichtung 1 ausschließlich zweite Energiespeichereinrichtungen 3 aufweisen würde.
2 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Energiespeichervorrichtungen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass eine erste Energiespeichereinrichtung 2 und eine zweite Energiespeichereinrichtung 3 von einem Gehäuse 10 aufgenommen sind. Dabei berührt das Gehäuse 10 bevorzugt die Energiespeichereinrichtungen 2, 3 insbesondere wärmeleitend, obwohl in der Figur nicht dargestellt. Besonders bevorzugt sind die Energiespeichereinrichtungen 2, 3 in das Gehäuse 10 zur Verbesserung des thermischen Kontakts gezwängt. Sämtliche Ausführungsformen der 2 weisen eine Steuereinrichtung 4 bzw. zumindest ein Steuerelement auf, welche/welches wenigstens zeitweise mit anderen Steuereinrichtungen bzw. Steuerelementen Signale austauscht/austauschen. Vorzugsweise sind die Steuereinrichtung 4 und nicht dargestellte Leistungsschalter bzw. Leistungsregler einstückig ausgebildet. Eine Energiespeichervorrichtung gemäß 2 stellt quasi eine kleinste Einheit dar, welche in beliebiger Anzahl miteinander insbesondere elektrisch verknüpft und geometrisch zueinander angeordnet werden können.
2a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Diese weist eine erste Energiespeichereinrichtung 2, eine zweite Energiespeichereinrichtung 3, eine Steuereinrichtung 4, ein Gehäuse 10 bzw. dessen zweites Formteil 10b sowie zwei Anschlussklemmen 6, 6a auf. Nicht dargestellt sind die Leistungsschalter bzw. Leistungsregler sowie das erste, als Deckel ausgebildetes Formteil des Gehäuses 10. Das zweite Formteil 10b des Gehäuses 10 ist aus Metallblech ausgebildet und umschließt die Energiespeichereinrichtungen 2, 3 derart, dass die Einrichtungen gegeneinander vorgespannt sind. So ist die Wärmeleitung durch die Begrenzungsflächen der Energiespeichereinrichtungen 2, 3 verbessert.
2b zeigt schematisch eine Seitenansicht der Ausführungsform nach 2a. Die Steuereinrichtung 4 ist einstückig mit den nicht dargestellten Leistungsreglern bzw. Leistungsschaltern und den Anschlussklemmen 6, 6a ausgebildet. Die Bauteile können aber auch diskret aufgebaut sein. Vorzugsweise sind die nicht dargestellten Leistungsschalter bzw. Leistungsregler wärmeleitend mit dem zweiten Formteil 10b verbunden.
2c zeigt schematisch eine Abwandlung der Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung nach den 2a und 2b mit einer Wärmeleiteinrichtung 7. Die Wärmeleiteinrichtung 7 ist zwischen den Energiespeichereinrichtungen 2, 3 so angeordnet, dass die Wärmeleiteinrichtung 7 auch das zweite Formteil 10b des Gehäuses 10 wärmeleitend berührt. Wieder umgibt das zweite Formteil 10b die enthaltenden Einrichtungen derart, dass diese gegeneinander vorgespannt sind. Die Steuereinrichtung 4 ist einstückig mit den nicht dargestellten Leistungsreglern bzw. Leistungsschaltern und den Anschlussklemmen 6, 6a ausgebildet. Vorzugsweise sind die nicht dargestellten Leistungsschalter bzw. Leistungsregler wärmeleitend mit dem zweiten Formteil 10b verbunden.
2d zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Die Energiespeichereinrichtungen 2, 3 sind übereinander angeordnet. Das zweite Formteil 10b des Gehäuses 10 weist rechts auf der Innenseite des zweiten Formteils 10b elektrisch gegen dessen metallische Wandung isolierte Leiterbahnen auf, welche nicht dargestellt sind. Diese Leiterbahnen dienen der Kontaktierung der Energiespeichereinrichtungen 2, 3. Die Leiterbahnen führen über die nicht dargestellten Leistungsschalter bzw. Leistungsregler und die Steuereinrichtung 4 zu den Anschlussklemmen 6, 6a. Vorzugsweise sind die Steuereinrichtung 4 und die nicht dargestellten Leistungsregler zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst. Vorzugsweise sind die Energiespeichereinrichtung 2, 3 mit Anschlüssen auf einer den Leisterbahnen zugewandten Mantelfläche ausgebildet. Vorzugsweise sind die nicht dargestellten Leistungsschalter bzw. Leistungsregler wärmeleitend mit dem zweiten Formteil 10b verbunden.

Claims

Energiespeichervorrichtung (1), welche aufweist: eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen (2), eine oder mehrere zweite, insbesondere elektrochemische Energiespeichereinrichtungen (3), welche jeweils zur Abgabe und zur Aufnahme eines elektrischen Stroms vorgesehen sind, eine Steuereinrichtung (4), welche vorgesehen ist, die Abgabe und die Aufnahme eines elektrischen Stroms durch diese eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen (2, 3) zu steuern, eine Messeinrichtung (8, 8a, 8b), welche vorgesehen ist, einen oder mehrere Messwerte zu erfassen, insbesondere die Stärke des von diesen Energiespeichereinrichtungen (2, 3) jeweils abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms, und welche weiter vorgesehen ist, der Steuereinrichtung (4) diesen einen oder mehrere Messwerte zu Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichten dieser einen oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtungen (3) höher sind, als die Energiedichten dieser einen oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen (2), dass die Steuereinrichtung (4) vorgesehen ist, einen oder mehrere Differenzwerte aus der einen oder mehreren erfassten Stromstärken und einem oder mehreren vorbestimmten Stromstärkegrenzwerten zu bestimmt, und dass die Steuereinrichtung (4) vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dem einen oder mehreren Differenzwerten überwiegend diese eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen (2) zur Abgabe eines elektrischen Stroms anzusteuern.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Halteeinrichtung (5), welche diese eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen (2, 3) aufnimmt, einer Anschlusseinrichtung (6, 6a), welche mit einer oder mehreren Anschlusseinrichtungen verbunden ist, und einer Wärmeleiteinrichtung (7), welche insbesondere wärmeleitend mit dieser einen oder mehreren Energiespeichereinrichtungen (2, 3) verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Wärmeleiteinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Energiespeichereinrichtung (2), eine zweite Energiespeichereinrichtung (3) und die Wärmeleiteinrichtung (7) miteinander insbesondere wärmeleitend verbunden sind, wobei die erste Energiespeichereinrichtung (2) zwischen der Wärmeleiteinrichtung (7) und der zweiten Energiespeichereinrichtung (3) angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) vorgesehen ist, bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtung (2) und einer oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtung (3) einzuleiten.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekapazitäten der einen oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen (2) an die Ladekapazitäten der einen oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtungen (3) angepasst sind.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) mit einer übergeordneten Steuerung signalverbunden ist, dass die Steuereinrichtung (4) zeitweise mit der übergeordneten Steuerung ein oder mehrere vorbestimmte Signale austauscht, und dass der Steuereinrichtung (4) eine Speichereinrichtung (9) zugeordnet ist, welche zum Abspeichern von Daten vorgesehen ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Gehäuse (10), welches die erste Energiespeichereinrichtung (2) und die zweite Energiespeichereinrichtung (3) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) ein erstes Formteil (10a) und ein insbesondere wärmeleitendes zweites Formteil (10b) aufweist, welche miteinander insbesondere bereichsweise, stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden sind, und dass das zweite Formteil mit der einen oder mehreren der Energiespeichereinrichtungen (2, 3) insbesondere wärmeleitend verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen (2, 3) als galvanische Zelle mit jeweils zwei oder mehreren Elektroden ausgebildet sind, dass die eine oder mehreren insbesondere als Kathode ausgebildete Elektroden eine Verbindung mit der Formel LiMPO₄ aufweisen, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe ist, wobei dieses Übergangsmetallkation aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt ist und wobei die Verbindung eine übergeordnete Olivinstruktur aufweist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Energiespeichereinrichtung (2, 3) als galvanische Zelle mit wenigstens einem Separator ausgebildet ist, wobei der Separator nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, wobei der Träger vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als zumindest teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET) aufweist, wobei das organische Material mit einem ionenleitenden, anorganischen Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das ionenleitende, anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate wenigstens eines der Elemente Zr, Al, Li ist, insbesondere Zirkonoxid und wobei das ionenleitende, anorganische Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung (1) mit: einer oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen (2), einer oder mehreren zweiten, insbesondere elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (3), wobei die Energiedichten dieser einen oder mehreren zweiten Energiespeichereinrichtungen (3) höher sind, als die Energiedichten dieser einen oder mehreren ersten Energiespeichereinrichtungen (2), einer Steuereinrichtung (4), welche die Abgabe und die Aufnahme eines elektrischen Stroms durch diese eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen (2, 3) steuert, und einer Messeinrichtung (8, 8a, 8b), welche zeitweise einen oder mehrere Messwerte erfasst, insbesondere die Stärke des von diesen Energiespeichereinrichtungen (2, 3) jeweils abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms, und der Steuereinrichtung (4) zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) einen oder mehrere Differenzwerte aus der einen oder mehreren erfassten elektrischen Stromstärken und einem oder mehreren vorbestimmten Stromstärkegrenzwerten bestimmt, und dass die Steuereinrichtung (4) in Abhängigkeit von dem einen oder mehreren Differenzwerten überwiegend diese eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen (2) zur Abgabe eines elektrischen Stroms ansteuert.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) bei vorbestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom zwischen zwei oder mehreren Energiespeichereinrichtungen (2, 3) einleitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (8, 8a, 8b), während dieser einen oder mehreren Energiespeichereinrichtungen (2, 3) elektrische Energie zugeführt wird, zeitweise einen Messwert, vorzugsweise die elektrische Spannung, zu dieser einen oder mehreren Energiespeichereinrichtungen (2, 3) erfasst und der Steuereinrichtung (4) zur Verfügung stellt, dass die Steuereinrichtung (4) einen oder mehrere zweite Differenzwerte aus dem erfassten Messwert, insbesondere aus der erfassten elektrischen Spannung und einem oder mehreren vorbestimmten Spannungsgrenzwerten bestimmt, und dass die Steuereinrichtung (4) in Abhängigkeit von dem einen oder mehreren zweiten Differenzwerten überwiegend diese eine oder mehrere erste Energiespeichereinrichtungen (2) zur Abgabe eines elektrischen Stroms ansteuert, und dass die Steuereinrichtung (4), in Abhängigkeit von diesem einen oder mehreren zweiten Differenzwerten, die Zufuhr von Energie in diese eine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen (2, 3) unterbricht.