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WO2008031640A1 - Energiespeichersystem für ein kraftfahrzeug und verfahren zum steuern eines energiespeichersystems - Google Patents

Energiespeichersystem für ein kraftfahrzeug und verfahren zum steuern eines energiespeichersystems Download PDF

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Publication number
WO2008031640A1
WO2008031640A1 PCT/EP2007/055318 EP2007055318W WO2008031640A1 WO 2008031640 A1 WO2008031640 A1 WO 2008031640A1 EP 2007055318 W EP2007055318 W EP 2007055318W WO 2008031640 A1 WO2008031640 A1 WO 2008031640A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy storage
storage device
state
motor vehicle
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/055318
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Bücken
Carsten GÖTTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Continental Automotive GmbH
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Continental Automotive GmbH
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Continental Automotive GmbH, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2008031640A1 publication Critical patent/WO2008031640A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage system for a motor vehicle and a method for controlling such an energy storage system.
  • the energy supply of motor vehicles with internal combustion engines has hitherto been realized at least with a lead-acid battery as part of the energy storage system.
  • Such Energyspei ⁇ storage systems with at least one lead-acid battery are 0876554 Bl and EP 360 090 Bl known from 1 publications EP.
  • a lead-acid battery has disadvantages in terms of fuel consumption due to its size and weight.
  • the lead battery is disadvantageous because it has egg ⁇ ne low energy density with respect to its weight and its volume or.
  • An object of the present invention is therefore to increase the reliability of an energy storage ⁇ system for a motor vehicle.
  • Another object is to provide a more reliable and environmentally friendly ⁇ energy storage system for a motor vehicle.
  • At least one of the objects is achieved by an energy storage system with the features of patent ⁇ claim 1 and / or by a method for controlling an energy storage system with the features of claim 8.
  • an energy storage system for a motor vehicle which comprises: a) a first lead-free energy storage device which has an energy density of at least 30 Wh / kg, preferably of at least 40 Wh / kg, more preferably of at least 100
  • a second lead-free energy storage device which provides a predetermined power in particular of at least 1000 W a starter motor for starting an internal combustion engine of the motor vehicle for a predetermined number of start cycles and is configured such that it maintains its radio ⁇ tion capability over its lifetime substantially beibe ⁇ ; and c) a control device which is in an off state of
  • the first energy storage device or a further power supply device controls such that it loads the second energy storage device, so that the second energy storage device has at least a predetermined state of charge, and in an on state of the internal combustion engine, the state of charge of the first energy ⁇ storage device and / or the state of charge second energy storage device monitors and depending on a Loading the first energy storage device and / or the second energy storage device controls.
  • a method for controlling an energy storage system for a motor vehicle comprising the following steps: a) Provision of a first lead-free energy storage device which has an energy density of at least 30 Wh / kg, preferably 40 Wh / kg, particularly preferably 100 Wh / kg, for an energy supply of a vehicle electrical system of the motor vehicle on ⁇ points; b) providing a second lead-free energy storage device, which provides a predetermined power of at least 1000 W a starter motor for starting a combustion engine of the motor vehicle for a predetermined number of start cycles and is designed such that it retains its functionality over its lifetime substantially ⁇ ; and c) controlling the first energy storage device or another energy supply device in an off state of the internal combustion engine such that the second energy ⁇ storage device has at least a predetermined state of charge, and monitoring the state of charge of the first energy ⁇ storage device and / or the state of charge of the second energy storage device in an on state of the internal combustion engine and depending on the monitoring controlling a charging of the first energy storage device
  • the lead-free first Energyspei ⁇ cher is designed in terms of their energy density such that it is capable of supplying the electrical system of the motor vehicle for at least as long or a longer period as a lead battery used conventionally with energy.
  • the second lead-free energy storage device used to provide high performance, especially for the engine start.
  • the energy distribution between the first energy storage device and the second energy storage device is controlled by the control device.
  • Another advantage of the present invention is that the energy storage system according to the invention with the first lead-free energy storage device and the second lead-free energy storage device completely dispenses with lead and thus significantly more environmentally friendly than energy storage systems with at least one lead-acid battery.
  • the predetermined state of charge of the second energy storage device is suitable for starting the internal combustion engine.
  • the second energy storage device is is purchased from a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a container containing a high high current resistance of example ⁇ example 750A and can work in a wide temperature range from -2O 0 C to + 6O 0 C.
  • the second energy storage device is designed as a double-layer capacitor unit with a capacitance of 300 F, which is designed in particular as a series circuit of six double ⁇ layer capacitors with a capacity of 1800 F each.
  • the first energy storage device is designed as a parallel connection of three NiMH battery units, wherein a NiMH battery unit is a series circuit of eleven NiMH batteries, each having a voltage of 1.2 V and a capacity of 15 Ah, in particular, the NiMH battery has a weight of 250 g and a dimension of 88.8 mm * 32.5 mm.
  • the first energy storage device is a series circuit of three Lithium-ion batteries is formed, each providing a voltage of 4.2 V and have a capacity of 45 AH, a lithium-ion battery in particular a Ge ⁇ weight of 1007 g and a dimension of 222 mm * 54, 3 mm.
  • the further energy supply device is designed as a thermogenerator, in particular as a Peltier element, or as a fuel cell, in particular as a direct methanol fuel cell.
  • the second energy supply device has a power density of at least 2000 W / kg.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a first embodiment of erfindungsge ⁇ bau built energy storage system
  • Figure 2 is a schematic block diagram of a second embodiment of the erfindungsge ⁇ bau built energy storage system.
  • Figure 3 is a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the inventions ⁇ inventive method.
  • FIGS 1 and 2 each show a schematic block ⁇ circuit diagram of an embodiment of the invention Energy storage system 1 for a motor vehicle.
  • the dung OF INVENTION ⁇ proper energy storage system 1 comprises a first lead- ⁇ free energy storage means 2, a second lead-free energy storage means 4, and a controller. 6
  • the second lead-free energy storage device 4 is configured such that it provides a predetermined power of at least 1000 W ⁇ a starter motor 5 for starting an internal combustion engine of the motor vehicle for a predetermined number of starting cycles. Further, the second lead- ⁇ free energy storage device 4 configured such that it retains its functionality over its lifetime in the Wesent ⁇ union. This means that the second unleaded energy storage device 4, unlike a lead-acid battery, undergoes substantially no hysteresis of aging and thus can maintain its operability over its lifetime.
  • the first lead-free energy storage device 2 has an energy density of at least 30 Wh / kg, preferably of at least 40 Wh / kg, particularly preferably of at least 100 Wh / kg, for an energy supply of a vehicle electrical system 3 of the motor vehicle.
  • the first energy storage device 2 is beispielswei ⁇ se designed as a parallel connection of three NiMH battery units, wherein a NiMH battery unit is a series ⁇ circuit of eleven NiMH batteries.
  • a NiMH battery provides a voltage of 1.2 V and has a capacity of 15 Ah.
  • the NiMH battery also has the special ⁇ a weight of 250 grams and a dimension as a round cell of 88.8 mm * 32.5 mm.
  • Another example of the energy storage device 2 is a series circuit of three lithium-ion batteries, each providing a voltage of 4.2 V and having a capacity of 45 Ah, with a lithium-ion battery as a round cell in particular a weight of 1007 g and has a dimension of 222 mm * 54.3 mm.
  • the predetermined state of charge of the second energy storage device 4 is particularly suitable for starting the Verbrennungsmo ⁇ sector.
  • the second energy supply device 4 preferably has a power density of at least 1000 W / kg.
  • the second energy storage device 4 is designed as a double-layer capacitor unit with a capacitance of 300 F, which is designed in particular as a series circuit of six double-layer capacitors with a capacity of 1800 F each.
  • the control device 6 controls the first energy storage device 2 by means of the control signal S such that the first Ener ⁇ gie appointment Marie 2 charges the second power storage device 4, so that the second power storage device 4 comprises at least the predetermined state of charge.
  • the control device 6 monitors the charge state of the first Energyspei ⁇ cher worn 2 by means of a state of charge signal LZl and / or the state of charge of the second energy storage device 4 by means of a charge state signal LZ2 and controls ⁇ dependent of the first state of charge signal LZL and / or in an on state of the internal combustion engine the second charge state signal LZ2 loading the first energy ⁇ storage device 2 and / or the second energy storage device.
  • control device 6 can also control a generator 8 or alternator such that the generator 8 controls the first lead-free energy storage device 2 and / or the electrical system 3 by means of the line L8 and / or the second lead-free energy storage device 4 by means of the line L9.
  • the second lead-free energy storage device 4 provides the starter motor 5 with the necessary energy by means of the line L3.
  • the control device can also control the second lead-free Energyspei ⁇ cher worn 4 by means of the second control signal S2 in such a way 6 that the second lead-free energy storage device 4 loads the first lead-free energy storage device 2 by the line L2.
  • the control device 6 in response to the state of charge signals LZL and LZ2, the first lead-free energy storage device 2 also control such that it supplies the starter motor 5 by means of the line L4 with e- nergy.
  • the second Energyversor ⁇ restriction device 4 is by the control device 6 is also controlled such that it supplies the electrical system of the motor vehicle 3 with ⁇ means of the line L5 with energy.
  • the ERS te energy storage means 2 is controllable by the control device 6 in that it provides in the off state, the on-board network 3 with ⁇ means of the line L6 with energy.
  • the second embodiment of the power storage system 1 according to Figure 2 differs from the first execution ⁇ example according to Figure 1 in that the second energy ⁇ storage device 4 is loaded in the on-state of the Verbrennungsmo ⁇ tors from the first energy storage device 2 and not the generator 8 , This power supply can be carried out by means of the line LIl.
  • the energy stored in the first energy storage device 2 exceeds a predetermined state of charge, it can be dissipated to the vehicle electrical system 3 by means of the line L10 even when it is switched on.
  • FIG. 3 shows a schematic flow diagram of a preferred exemplary embodiment of the method according to the invention for controlling an energy storage system 1 for a motor vehicle.
  • the method according to the invention will be explained below with reference to the block diagram in FIG.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted method has the following method steps a to c: Process step a:
  • a first lead-free energy storage device 2 be ⁇ provided, which has an energy density of at least 30 Wh / kg, preferably of at least 40 Wh / kg, more preferably of at least 100 Wh / kg, for a power supply of a vehicle electrical system 3 of a motor vehicle.
  • a second lead-free energy storage means 4 which is a predetermined power insbesonde ⁇ re of at least 1000 W / kg a starter motor 5 provides for starting an internal combustion engine of the motor vehicle for asammlung ⁇ infinite number of starting cycles and so from ⁇ designed to its Maintains functionality over their life essentially.
  • the first energy storage device 2 or another E- nergiemakerss favorable is controlled in an off state of the engine in such a way so that the second Ener ⁇ gie appointment issued 4 has at least a predetermined state of charge.
  • the charge state of the first energy storage device 2 and / or the state of charge of the second energy storage device 4 is monitored and depending on the monitoring, charging of the first energy storage device 2 and / or the second energy storage device 4 is controlled.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug weist auf: - einer ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von zumindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeuges aufweist; - einer zweiten bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest 1000 W einem Startermotor zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesentlichen beibehält; und - eine Steuervorrichtung, welche in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors die erste Energiespeichereinrichtung oder eine weitere Energieversorgungseinrichtung derart steuert, dass diese die zweite Energiespeichereinrichtung lädt, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors den Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder den Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung überwacht und abhängig davon ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung steuert.

Description

Beschreibung
Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Steuern eines Energiespeichersystems
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Steuern eines solchen E- nergiespeichersystems .
Die Energieversorgung von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wird bisher zumindest mit einer Bleibatterie als Teil des Energiespeichersystems realisiert. Solche Energiespei¬ chersysteme mit zumindest einer Bleibatterie sind aus den Druckschriften EP 0 876 554 Bl und EP 1 360 090 Bl bekannt. Energiespeichersysteme mit einer Bleibatterie verursachen ei¬ ne Vielzahl von Problemen und Nachteilen, insbesondere hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, ihrer Umweltverträglichkeit, ihrem Gewicht oder auch ihrer Größe. Im Folgenden sollen diese Probleme und Nachteile der bekannten Energiespeichersyste- me mit zumindest einer Bleibatterie dargestellt werden.
Um dem Kundenwunsch nach möglichst hoher Zuverlässigkeit nachzukommen, bemühen sich die Automobilhersteller um eine Erhöhung der Ausfallsicherheit aller Fahrzeugkomponenten. Ge- maß einer Statistik des Autoclub Europas aus dem Jahr 2005 ist ein Defekt an der Autobatterie mit 24,75 % die häufigste Ursache von PKW-Pannen in Deutschland. Die hohe Ausfallrate einer Blei-Säure-Batterie ist durch ihre physikalischen Eigenschaften begründet. Die Blei-Säure-Batterie, wie jedes E- nergiespeichersystem im Kraftfahrzeug, ist hohen elektrischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, welche sich insbesondere bei der Blei-Säure-Batterie negativ auf ihre Kapazität und somit auf ihre Lebensdauer auswirken. Die durchschnittli¬ che Lebensdauer einer Autobatterie beträgt zum Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung drei bis vier Jahre, während für das Kraftfahrzeug herkömmlicherweise eine zehnjährige Nutzung im Mittel veranschlagt wird. Besonders bei niedrigen Umge¬ bungstemperaturen und/oder nach einer langen Standzeit des Kraftfahrzeuges können ältere oder teil-entladene Batterien nicht mehr die zum Motorstart notwendige Energie liefern.
Hinsichtlich der Umweltverträglichkeit einer Blei-Batterie sei angeführt, dass das gesteigerte Umweltbewusstsein der Be¬ völkerung zu dem Kundenwunsch nach Verwendung von umweltfreundlicheren Materialien führt. Die Verwendung von umweltbelastenden Stoffen wie Blei wird außerdem durch den Gesetzgeber immer stärker restriktiert . So verbietet die RoHS- Richtlinie der Europäischen Union unter anderem die Verwendung von Blei in Elektro- und Elektronikgeräten ab dem 1. Juli 2006. Obwohl Geräte für den Einsatz im Automobil hiervon bislang ausgenommen sind, wird auch in diesem Bereich langfristig ein Verzicht auf bleihaltige Komponenten angestrebt. Dabei rückt in den Vordergrund, dass die Autobatterie der mit Abstand bleihaltigste Teil eines Kraftfahrzeuges ist.
Außerdem besitzt eine Bleibatterie infolge ihrer Größe und ihres Gewichtes Nachteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrau- ches. Außerdem ist die Bleibatterie unvorteilhaft, da sie ei¬ ne geringe Energiedichte bezüglich ihres Gewichtes und ihres Volumens oder aufweist.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- steht daher darin, die Zuverlässigkeit eines Energiespeicher¬ systems für ein Kraftfahrzeug zu erhöhen. Dabei soll eine er¬ höhte Zuverlässigkeit des Energiespeichersystems längere Standzeiten des Kraftfahrzeuges und/oder eine erhöhte Lebens¬ dauer des Energiespeichersystems und/oder eine ausreichende Energieversorgung einer Vielzahl von Verbrauchern des Kraftfahrzeuges im Aus-Zustand des Verbrennungsmotors für eine längere Zeitdauer und/oder eine erhöhte Verkehrssicherheit beispielsweise durch einen energiesichereren und insbesondere längeren Einsatz der Warnblinkanlage des Kraftfahrzeuges beinhalten. Eine weitere Aufgabe ist es, ein zuverlässigeres und umwelt¬ freundlicheres Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen .
Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gewichtreduziertes und insbesondere kleineres, zuverläs¬ sigeres Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug bereitzu¬ stellen .
Erfindungsgemäß wird zumindest eine der gestellten Aufgaben durch ein Energiespeichersystem mit den Merkmalen des Patent¬ anspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Steuern eines Energiespeichersystems mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst.
Demnach wird ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das aufweist: a) eine erste bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von zu- mindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100
Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraft¬ fahrzeuges aufweist; b) eine zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung, welche eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest 1000 W einem Startermotor zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass sie ihre Funk¬ tionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesentlichen beibe¬ hält; und c) eine Steuervorrichtung, welche in einem Aus-Zustand des
Verbrennungsmotors die erste Energiespeichereinrichtung oder eine weitere Energieversorgungseinrichtung derart steuert, dass diese die zweite Energiespeichereinrichtung lädt, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors den Ladezustand der ersten Energie¬ speichereinrichtung und/oder den Ladezustand der zweiten E- nergiespeichereinrichtung überwacht und abhängig davon ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung steuert.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Steuern eines Energie- Speichersystems für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt 40 Wh/kg, besonders bevorzugt 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeuges auf¬ weist; b) Bereitstellen einer zweiten bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine vorbestimmte Leistung von zumindest 1000 W einem Startermotor zum Starten eines Verbrennungsmo- tors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesent¬ lichen beibehält; und c) Steuern der ersten Energiespeichereinrichtung oder einer weiteren Energieversorgungseinrichtung in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors derart, so dass die zweite Energie¬ speichereinrichtung zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und Überwachen des Ladezustands der ersten Energie¬ speichereinrichtung und/oder des Ladezustandes der zweiten Energiespeichereinrichtung in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors und abhängig von dem Überwachen Steuern eines Ladens der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung.
Vorteilhafterweise ist die bleifreie erste Energiespei¬ chereinrichtung hinsichtlich ihrer Energiedichte derart ausgestaltet, dass sie dazu geeignet ist, das Bordnetz des Kraftfahrzeuges für einen zumindest so langen oder einen längeren Zeitraum wie eine herkömmlich verwendete Bleibatterie mit Energie zu versorgen. Des Weiteren kann vorteilhafterwei¬ se die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung zur Bereitstellung hoher Leistungen, insbesondere für den Motorstart verwendet werden. Die Energieverteilung zwischen der ersten Energiespeichereinrichtung und der zweiten Energiespeichereinrichtung wird durch die Steuervorrichtung gesteuert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Energiespeichersystem mit der ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung und der zweiten bleifreien Energiespeichereinrichtung vollständig auf Blei verzichtet und somit deutlich umweltverträglicher als Energiespeichersysteme mit zumindest einer Bleibatterie ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der vorbestimmte Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung zum Starten des Verbrennungsmotors geeignet. Außerdem ist die zweite Energiespeichereinrichtung derart ausgestal¬ tet, dass sie eine große Hochstromfestigkeit von beispiels¬ weise 750A besitzt und in einem großen Temperaturbereich von -2O0C bis +6O0C arbeiten kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Energiespeichereinrichtung als eine Doppelschichtkondensatoreinheit mit einer Kapazität von 300 F ausgebildet, welche insbesondere als eine Serienschaltung von sechs Doppel¬ schichtkondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 1800 F ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Energiespeichereinrichtung als eine Parallelschaltung von drei NiMH-Batterieeinheiten ausgebildet, wobei eine NiMH- Batterieeinheit eine Serienschaltung von elf NiMH-Batterien ist, die jeweils eine Spannung von 1,2 V und eine Kapazität von 15 Ah haben, wobei die NiMH-Batterie insbesondere ein Ge- wicht von 250 g und eine Abmessung von 88,8 mm * 32,5 mm hat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Energiespeichereinrichtung als eine Serienschaltung von drei Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet ist, die jeweils eine Spannung von 4,2 V bereitstellen und eine Kapazität von 45 AH haben, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie insbesondere ein Ge¬ wicht von 1007 g und eine Abmessung von 222 mm * 54,3 mm auf- weist .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die weitere Energieversorgungseinrichtung als ein Thermogenerator, insbesondere als ein Peltier-Element , oder als eine Brenn- Stoffzelle, insbesondere als eine Direkt-Methanol- Brennstoffzelle, ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Energieversorgungseinrichtung eine Leistungsdichte von zumindest 2000 W / kg auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati¬ schen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsge¬ mäßen Energiespeichersystems;
Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsge¬ mäßen Energiespeichersystems; und
Figur 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens .
In allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsglei¬ che Elemente und Einrichtungen - sofern nichts anderes ange- geben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils ein schematisches Block¬ schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 für ein Kraftfahrzeug. Das erfin¬ dungsgemäße Energiespeichersystem 1 weist eine erste blei¬ freie Energiespeichereinrichtung 2, eine zweite bleifreie E- nergiespeichereinrichtung 4 und eine Steuervorrichtung 6 auf.
Die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 ist derart ausgestaltet, dass sie eine vorbestimmte Leistung von zumin¬ dest 1000 W einem Startermotor 5 zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine bestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt. Des Weiteren ist die zweite blei¬ freie Energiespeichereinrichtung 4 derart ausgestaltet, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesent¬ lichen beibehält. Das bedeutet, dass die zweite bleifreie E- nergiespeichereinrichtung 4 im Gegensatz zu einer Bleibatte- rie im Wesentlichen keiner Hysterese einer Alterung unterliegt und somit ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer beibehalten kann.
Die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 weist eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg bevorzugt von zumindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes 3 des Kraftfahrzeuges auf. Die erste Energiespeichereinrichtung 2 ist beispielswei¬ se als eine Parallelschaltung von drei NiMH-Batterieeinheiten ausgebildet, wobei eine NiMH-Batterieeinheit eine Serien¬ schaltung von elf NiMH-Batterien ist. Eine NiMH-Batterie stellt insbesondere eine Spannung von 1,2 V bereit und hat eine Kapazität von 15 Ah. Die NiMH-Batterie hat außerdem ins¬ besondere ein Gewicht von 250 g und eine Abmessung als Rund- zelle von 88,8 mm * 32,5 mm.
Ein weiteres Beispiel für die Energiespeichereinrichtung 2 ist eine Serienschaltung von drei Lithium-Ionen-Batterien, die jeweils eine Spannung von 4,2 V bereitstellen und eine Kapazität von 45 Ah haben, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie als Rundzelle insbesondere ein Gewicht von 1007 g und eine Abmessung von 222 mm * 54,3 mm aufweist. Der vorbestimmte Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 ist insbesondere zum Starten des Verbrennungsmo¬ tors geeignet. Dabei weist die zweite Energieversorgungsein¬ richtung 4 vorzugsweise eine Leistungsdichte von zumindest 1000 W / kg auf.
Beispielsweise ist die zweite Energiespeichereinrichtung 4 als eine Doppelschichtkondensatoreinheit mit einer Kapazität von 300 F ausgebildet, welche insbesondere als eine Serien- Schaltung von sechs Doppelschichtkondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 1800 F ausgebildet ist.
Gemäß der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 steuert die Steuervorrichtung 6 die erste Energiespeichereinrichtung 2 mittels des Steuersignals Sl derart, dass die erste Ener¬ giespeichereinrichtung 2 die zweite Energiespeichereinrichtung 4 lädt, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung 4 zumindest den vorbestimmten Ladezustand aufweist. Außerdem überwacht die Steuervorrichtung 6 in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors den Ladezustand der ersten Energiespei¬ chereinrichtung 2 mittels eines Ladezustandsignals LZl und/oder den Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 mittels eines Ladezustandsignals LZ2 und steuert ab¬ hängig von dem ersten Ladezustandsignal LZl und/oder dem zweiten Ladezustandsignal LZ2 das Laden der ersten Energie¬ speichereinrichtung 2 und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung 4.
Des Weiteren kann die Steuervorrichtung 6 auch einen Genera- tor 8 oder Lichtmaschine derart steuern, dass der Generator 8 die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 und/oder das Bordnetz 3 mittels der Leitung L8 und/oder die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 mittels der Leitung L9 steuert. Den Ladezustand des Generators 8 kann die Steuervor- richtung 6 mittels des dritten Ladezustandsignals LZ3 überwa¬ chen. Zum Starten des Verbrennungsmotors stellt die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 dem Startermotor 5 die dafür notwendige Energie mittels der Leitung L3 bereit. In Abhängigkeit des zweiten Ladezustandsignals LZ2 kann die Steuervorrichtung 6 auch die zweite bleifreie Energiespei¬ chereinrichtung 4 mittels des zweiten Steuersignals S2 derart steuern, dass die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 mittels der Leitung L2 lädt. Außerdem kann die Steuervorrichtung 6 in Abhängigkeit der Ladezustandsignale LZl und LZ2 die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 auch derart steuern, dass diese den Startermotor 5 mittels der Leitung L4 mit E- nergie versorgt. Des Weiteren ist die zweite Energieversor¬ gungseinrichtung 4 durch die Steuervorrichtung 6 auch derart steuerbar, dass sie das Bordnetz 3 des Kraftfahrzeuges mit¬ tels der Leitung L5 mit Energie versorgt. Ferner ist die ers- te Energiespeichereinrichtung 2 durch die Steuervorrichtung 6 derart steuerbar, dass sie im Aus-Zustand das Bordnetz 3 mit¬ tels der Leitung L6 mit Energie versorgt.
Das zweite Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems 1 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungs¬ beispiel gemäß Figur 1 dahingehend, dass die zweite Energie¬ speichereinrichtung 4 auch im Ein-Zustand des Verbrennungsmo¬ tors aus der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und nicht dem Generator 8 geladen wird. Diese Energieversorgung kann mittels der Leitung LIl durchgeführt werden.
Sollte die in der ersten Energiespeichereinrichtung 2 gespeicherte Energie einen vorbestimmten Ladezustand überschreiten, so kann diese mittels der Leitung LlO auch im eingeschalteten Zustand an das Bordnetz 3 abgeleitet werden.
Figur 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Energiespeichersystems 1 für ein Kraftfahr- zeug. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbildes in Figur 3 erläutert. Das erfindungsge¬ mäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte a bis c auf: Verfahrensschritt a:
Es wird eine erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 be¬ reitgestellt, welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von zumindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes 3 eines Kraftfahrzeuges aufweist.
Verfahrensschritt b:
Es wird eine zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 bereitgestellt, welche eine vorbestimmte Leistung insbesonde¬ re von zumindest 1000 W/kg einem Startermotor 5 zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbe¬ stimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart aus¬ gestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Le- bensdauer im Wesentlichen beibehält.
Verfahrensschritt c:
Die erste Energiespeichereinrichtung 2 oder eine weitere E- nergieversorgungseinrichtung wird in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors derart gesteuert, so dass die zweite Ener¬ giespeichereinrichtung 4 zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist. In einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors wird der Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und/oder der Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrich- tung 4 überwacht und abhängig von dem Überwachen wird ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 gesteuert.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevor- zugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modi¬ fizierbar. Beispielsweise sind die in Figuren 1 und 2 darge¬ stellten Leitungen nur beispielhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichersystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit: a) einer ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung (2), welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von zumindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes (3) des Kraftfahrzeuges aufweist; b) einer zweiten bleifreien Energiespeichereinrichtung (4), welche eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest
1000 W einem Startermotor 5 zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesent- liehen beibehält; und c) eine Steuervorrichtung (6), welche in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors die erste Energiespeichereinrichtung
(2) oder eine weitere Energieversorgungseinrichtung (7) derart steuert, dass diese die zweite Energiespeichereinrichtung (4) lädt, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung (4) zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors den Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung (2) und/oder den Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung (4) überwacht und abhängig davon ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung (2) und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung (4) steuert.
2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der vorbestimmte Ladezustand der zweiten Energiespei¬ chereinrichtung (4) zum Starten des Verbrennungsmotors geeignet ist.
3 . Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Energiespeichereinrichtung (4) als eine Doppelschichtkondensatoreinheit mit einer Kapazität von 300 F ausgebildet ist, welche insbesondere als eine Serienschaltung von sechs Doppelschichtkondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 1800 F ausgebildet ist.
4. Energiespeichersystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Energiespeichereinrichtung (2) als eine Parallelschaltung von drei NiMH-Batterieeinheiten ausgebildet ist, wobei eine NiMH-Batterieeinheit eine Serienschaltung von elf NiMH-Batterien ist, die jeweils eine Spannung von 1,2 V bereitstellen und eine Kapazität von 15 Ah haben, wobei die NiMH-Batterie insbesondere ein Gewicht von 250 g und eine Ab¬ messung als Rundzelle von 88,5 mm x 32,5 mm hat.
5. Energiespeichersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Energiespeichereinrichtung (2) als Serien- Schaltung von drei Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet ist, die jeweils eine Spannung von 4,2 V bereitstellen und eine Kapazität von 45 Ah haben, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie insbesondere ein Gewicht von 1007 g und eine Abmessung als Rundzelle von 222 mm x 54,3 mm aufweist.
6. Energiespeichersystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die weitere Energieversorgungseinrichtung (7) als ein Thermogenerator, insbesondere als ein Peltier-Element , oder als eine Brennstoffzelle, insbesondere als eine Direkt- Methanol-Brennstoffzelle, ausgebildet ist.
7. Energiespeichersystem nach einem oder mehreren der vorste- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Energieversorgungseinrichtung (4) eine Leistungsdichte von zumindest 2000 W/kg aufweist.
8. Verfahren zum Steuern eines Energiespeichersystems (1) für ein Kraftfahrzeug mit den Schritten: a) Bereitstellen einer ersten bleifreien Energiespeicherein- richtung (2), welche eine Energiedichte von zumindest 30
Wh/kg, bevorzugt 40 Wh/kg, besonders bevorzugt 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines Bordnetzes (3) des Kraftfahrzeu¬ ges aufweist; b) Bereitstellen einer zweiten bleifreien Energiespeicherein- richtung (4), welche eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest 1000 W einem Startermotor (5) zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesentlichen beibehält; und c) Steuern der ersten Energiespeichereinrichtung (2) oder einer weiteren Energieversorgungseinrichtung (7) in einem Aus- Zustand des Verbrennungsmotors derart, so dass die zweite E- nergiespeichereinrichtung (4) zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und Überwachen des Ladezustands der ersten Energiespeichereinrichtung (2) und/oder des Ladezustandes der zweiten Energiespeichereinrichtung (4) in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors und abhängig von dem Über¬ wachen Steuern eines Ladens der ersten Energiespeicherein- richtung (2) und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung (4) .
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