CH692831A5

CH692831A5 - Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, Energiespeichervorrichtung und Verwendung der Energiespeichervorrichtung.

Info

Publication number: CH692831A5
Application number: CH01633/97A
Authority: CH
Inventors: Vinzenz V Haerri
Original assignee: Hochschule Fuer Technik & Arch
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2002-11-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Energiespeichervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 und eine Verwendung der Energiespeichervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.

Der Bedarf an Vorrichtungen zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie steigt seit langem aus verschiedenen Gründen und in verschiedenen Bereichen der Technik kontinuierlich an. Ein Beispiel für die wachsende Verwendung von Energiespeichervorrichtungen ist der Fahrzeugbau, wo zur Einsparung von nur langfristig erneuerbaren fossilen Brennstoffen und zur Verminderung von durch Verbrennungskraftmaschinen verursachten Schadstoffen Fahrzeuge konstruiert werden, die als Antrieb Elektromotoren besitzen. Allerdings stehen bis heute keine Energiespeicher zur Verfügung, die es erlauben würden, Explosionsmotoren in auch nur annähernd befriedigender Weise durch Elektromotoren zu ersetzen. Reine Elektrofahrzeuge haben eine verhältnismässig geringe Reichweite und sind im Hinblick auf gelegentlich erforderliche Leistungsspitzen problematisch.

Daher wurde versucht, Strassenfahrzeuge als Hybridfahrzeuge zu gestalten und sie mit einem verbrennungsmotorischen wie auch mit einem elektromotorischen Antrieb auszurüsten. Hybridfahrzeuge können als Parallelhybriden oder als Seriehybriden ausgebildet sein. Bei Parallelhybriden wirken jeweils einer oder beide Antriebe direkt auf das Radsystem. Seriehybriden sind dagegen typischerweise so konzipiert, dass ein Aggregat, welches beispielsweise durch einen mit einem Generator zu einem Kleinstkraftwerk gekoppelten Verbrennungsmotor oder durch eine Brennstoffzelle gebildet ist, dazu benutzt wird, einen dem Antrieb des Fahrzeuges dienenden Elektromotor anzutreiben.

Eine Einsparung an Treibstoff erzielt man bei einer solchen Anordnung, weil das Aggregat auf optimale Betriebsbedingungen ausgelegt werden kann, permanent in Betrieb ist und stets unter optimalen Betriebsbedingungen läuft, sodass sein Wirkungsgrad hoch ist und nur minimale Schadstoffmengen ausgestossen werden. Für den Ausgleich von Leistungsspitzen kann zusätzlich Energie aus einem Energiespeicher entnommen bzw. dem Energiespeicher zugeführt werden. Die Energiezufuhr zum Energiespeicher bzw. dessen Aufladung kann intern oder extern erfolgen. Insbesondere ergibt sich dadurch die Möglichkeit, im Stadtverkehr in verhältnismässig dicht besiedelten Gebieten über kürzere Distanzen den elektromotorischen und bei Überlandfahrten in schwach besiedelten Gebieten über längere Distanzen den verbrennungsmotorischen Antrieb zu benutzen.

Im Fahrzeugbau werden Energiespeichervorrichtungen auch bei herkömmlichen, mittels Verbrennungsmotoren getriebenen Fahrzeugen in Form von Bordbatterien benötigt.

Auch in anderen Bereichen werden Energiespeicher, welche ein bestimmtes Leistungsvermögen aufweisen, für zahlreiche Zwecke verwendet, sei es für einen netzunabhängigen Betrieb von Geräten zum Überbrücken von Netzausfällen. Beispielsweise werden Energiespeicher für Datenspeicher, Uhren, Taschenlampen, für Geräte der Unterhaltungselektronik und weitere elektrische/elektronische Geräte verwendet, ausserdem für netzunabhängig betreibbare Werkzeuge aller Art, Notstromgruppen und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme.

Da sich, wie weiter oben erwähnt, herkömmliche Batterien, wie beispielsweise Pb-Batterien, nur bedingt als Energiespeicher eignen, werden neuerdings auch Kondensatoren mit hoher Kapazität, für welche auch die Bezeichnung SCAP (Supercapacitor) verwendet wird, als Energiespeicher eingesetzt. Allerdings eignen sich auch SCAPs nicht uneingeschränkt als Energiespeicher.

In der folgenden Tabelle werden verschiedene relevante Eigenschaften einerseits einer Pb-Batterie und anderseits eines SCAP einander gegenübergestellt.
<tb><TABLE> Columns=3
<tb>Head Col 2 AL=L: Herkömml.
Pb-Batterie
<tb>Head Col 1: SCAP
<tb><SEP>Spezifische
Energiedichte<SEP>hoch
(ca. 50 Wh/kg)<SEP>tief
(ca. 2,5-7 Wh/kg)
<tb><SEP>Spezifische
Leistungsdichte beim Laden<SEP>sehr tief
(ca. 50 W/kg)<SEP>hoch
(ca. 350 W/kg)
<tb><SEP>Spezifische
Leistungsdichte beim Entladen<SEP>tief
(ca. 200 W/kg)<SEP>hoch
(ca. 350 W/kg)
<tb><SEP>\kobilanz<SEP>schlecht<SEP>gut (organische Elektrolyten)
<tb><SEP>Lebensdauer<CEL AL=L>eher schlecht, vor allem bei Spitzenbetrieb<SEP>sehr hoch
<tb><SEP>Wartung<SEP>unterschiedlich<CEL AL=L>keine
<tb><SEP>Kosten<SEP>tief<SEP>vorläufig noch
relativ hoch
<tb></TABLE>

Obwohl die Eigenschaften der Batterien und SCAPs je nach Typ variieren können, zeigt die obige Tabelle deutlich deren unterschiedlichen Eigenschaften; Batterien weisen unter anderem eine hohe Energiedichte, jedoch eine geringe Leistungsdichte auf, während SCAPs im Gegensatz dazu eine geringe Energiedichte, aber eine hohe Leistungsdichte besitzen. Bei der Beurteilung der Leistungsdichte der Batterien muss in Betracht gezogen werden, dass zwar die angegebenen Werte nicht allzu tief sind, dass aber der Wirkungsgrad der Batterien bei diesen Werten sehr schlecht und ihre Lebensdauer tief sind, was beim SCAP nicht zutrifft, sodass in Wirklichkeit die SCAPs noch günstiger zu beurteilen sind.

Energiespeicher, die in der oben beschriebenen Weise für Fahrzeuge, insbesondere zu deren Antrieb, oder elektrische/elektronische Geräte verwendet werden, sollten sowohl eine hohe Leistungsdichte wie auch eine hohe Energiedichte haben. Im Hinblick auf die entsprechenden Eigenschaften gelangt man zu der theoretischen Erwägung, dass ein kombinierter Energiespeicher mit einer Batterieeinheit und einer Kondensatoreinheit optimale Eigenschaften aufweisen muss, da sich Batterien und Kondensatoren bezüglich ihrer Leistungsdichten und ihrer Energiedichten gewissermassen komplementär verhalten;

weil nämlich Batterien bei tiefer Leistungsdichte hohen Anforderungen an die Energiedichte genügen, eignen sie sich als Lieferanten einer im Wesentlichen konstanten, nicht allzu hohen Grundleistung, während Kondensatoren bei tiefer Energiedichte hohen Anforderungen an die Leistungsdichte genügen und sich daher zur Lieferung von Spitzenleistungen eignen.

In der Praxis findet allerdings die kombinierte Verwendung von Batterien und Kondensatoren kaum statt, da diese nicht in Form kombinierter kompakter Energiespeicher angeboten werden und SCAPS noch wenig verbreitet sind. Batterien und SCAPS werden nach unterschiedlichen Technologien hergestellt, wobei sich sowohl für Batterien wie für Kondensatoren im Allgemeinen spezifische Herstellungsprozesse eingespielt haben. Batterien werden in grossen Mengen und in automatisierter Weise hergestellt, und infolge des hart umkämpften Marktes werden kostspielige Weiterentwicklungen gemieden bzw. sie gelangen nicht zum Durchbruch. SCAPs dagegen werden, im Gegensatz zu den bekannten, jedoch langsameren Goldcaps, nur in geringen Stückzahlen verwendet und nach kaum automatisierten Verfahren hergestellt.

Die derart entstandenen Batterien und Kondensatoren sind daher nicht aufeinander abgestimmt und lassen sich schlecht zu einem kombinierten Energiespeicher zusammenstellen.

Auf dem Gebiet der Speicherung und Lieferung von elektrischer Energie, das im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung betrachtet wird, sind nur praktisch realisierte Verfahren bekannt, welche sich entweder zur Lieferung einer langzeitlichen Grundleistung oder einzelner kurzzeitlicher Leistungsspitzen eignen. Entsprechend sind keine kombinierten Energiespeicher mit abgestimmten Eigenschaften und Abmessungen von Batterieeinheit und Kondensatoreinheit bekannt, welche sich zur Herstellung und Verwendung in grossen Stückzahlen eignen würden.

Die erste Aufgabe der Erfindung wird somit darin gesehen, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit welchem sowohl langzeitliche Grundleistungen als auch kurzzeitliche Leistungsspitzen erbracht werden können, wobei eine Ausrichtung auf die jeweiligen Anforderungen möglich sein soll.

Diese erste Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens wird durch den von dem Patentanspruch 1 abhängigen Patentanspruch 2 umschrieben.

Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art zur Durchführung des neuen Verfahrens zu schaffen, welche eine Batterieeinheit und eine Kondensatoreinheit umfasst, wobei die Eigenschaften der Batterieeinheit und der Kondensatoreinheit entsprechend den jeweiligen Anforderungen auf die Anwendung ausgelegt sein sollen.

Diese zweite Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Energiespeichervorrichtung sind durch die von dem Patentanspruch 3 abhängigen Patentansprüche 4 bis 14 umschrieben.

Die dritte Aufgabe der Erfindung befasst sich damit, geeignete Verwendungen der neuen Vorrichtung vorzuschlagen.

Diese dritte Aufgabe wird durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 15 gelöst. Vorteilhafte Beispiele der erfindungsgemässen Verwendung werden durch die von dem Patentanspruch 15 abhängigen Patentansprüche 16 bis 19 umschrieben.

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf, von denen im Folgenden die wichtigsten erläutert werden.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird eine Batterieeinheit in Kombination mit einer Kondensatoreinheit zur Abgabe von Energie benutzt; die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass ein breites Spektrum unterschiedlicher Leistungen, die erbracht werden können, abgedeckt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, das neue Verfahren so zu steuern, dass die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit stets entsprechend ihren spezifischen vorteilhaften Eigenschaften einzusetzen, sodass sowohl die Batterieeinheit als auch die Kondensatoreinheit mit gutem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer arbeiten.

Mit der erfindungsgemässen kombinierten Energiespeichervorrichtung, in welcher eine Batterieeinheit und eine Kondensatoreinheit kombiniert sind, lassen sich Batterien und SCAPs in einer Weise verwenden, aus der beträchtliche Synergien resultieren. Grundsätzlich liefert dabei die Batterieeinheit die Grundleistung und die Kondensatoreinheit die Leistungsspitzen. Dadurch ist es nicht nur möglich, mittels der Kondensatoreinheit höhere Leistungsspitzen abzudecken, sondern die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit werden, wie schon erwähnt, jeweils nur in Bereichen belastet, in denen sie mit relativ gutem Wirkungsgrad und bei langer Lebensdauer arbeiten. Sowohl die Batterieeinheit wie auch die Kondensatoreinheit arbeiten also nur in einem Bereich, auf den sie spezifisch zugeschnittenen sind.

Dies erlaubt es, die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit verhältnismässig klein und leicht auszulegen, sodass der kombinierte Energiespeicher bezüglich Wirkungsgrad, Lebensdauer, Abmessungen, Gewicht und Preis als optimal bezeichnet werden kann.

In Bezug auf eine optimale Verteilung der Leistungsabgabe und -aufnahme durch die Batterieeinheit einerseits und die Kondensatoreinheit anderseits erhält man eine besonders vorteilhafte Anordnung, wenn die erfindungsgemässe Energiespeichervorrichtung mit einer Schnittstelle zur Verbindung mit einem Management versehen oder um eine Managementeinheit zu einem Gesamtmodul erweitert wird.

Vorzugsweise werden die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit sowie ggfs. ein Management nicht nur zu einer kombinierten Energiespeichervorrichtung zusammengestellt, sondern gemeinsam vergossen, sodass ein kompaktes und sehr handliches Energiespeichermodul entsteht.

Besonders günstig ist es, die Energiespeichervorrichtung bzw. das Energiespeichermodul in Abmessungen und mit Schnittstellen herzustellen, die den Abmessungen und Schnittstellen herkömmlicher, nicht kombinierter Energiespeicher entsprechen, sodass die kom binierte Energiespeichervorrichtung problemlos an Stelle herkömmlicher Energiespeicher, wie zum Beispiel Batterien, verwendet werden kann.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemässe Energiespeichervorrichtung eine MMI-Schnittstelle (Mensch-Maschine-Interface) auf, damit ihr Zustand auch von aussen überwacht werden kann. Diese Schnittstelle dient beispielsweise den Zwecken der Bedienung, der Information, der Diagnose, dem Schutz und der Konfiguration.

Denkbar ist für gewisse Anwendungen eine geeignete parallele und/oder serielle Zusammenschaltung zu Grossmodulen, wobei bei Bedarf zusätzlich erforderliche Steuerelemente angeordnet sein können.

Bei einigen geplanten Verwendungszwecken der erfindungsgemässen Energiespeichervorrichtung kommt es vor, dass gelegentlich kurzzeitig ein aussergewöhnlich hoher Strom benötigt wird; dies ist beispielsweise der Fall bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, Anlassern, zum Beispiel von Notstromgruppen, IR-Sendedioden in Fernbedienungen sowie portablen und anderen Computern mit HDD (Harddisk-Drive) und/oder FDD (Floppydisk-Drive) und/oder ähnlichen Teilsystemen wie CD-Rom. Dies bedingt, dass die Batterieeinheit entsprechend dieser Stromspitzen ausgelegt wird, derart, dass die Batterieerwärmung und die Leistungsspitzen keine Defekte verursachen.

Zu diesem Zweck kann die Batterieeinheit über ein entsprechendes Lade-Steuergerät so mit der Kondensatoreinheit verbunden werden, dass die Batterieeinheit dauernd einen kleinen Strom liefert, um die leistungsstarke aber energiearme Kondensatoreinheit zu laden. Auf diese Weise entsteht eine Energiespeichervorrichtung, die als Superspeicher bezeichnet werden kann und die nach dem Energiebedarf und nicht nach dem Leistungsbedarf ausgelegt werden kann. Dies erlaubt es, auch in Extremalfällen die Energiespeichervorrichtung leistungsmässig kleiner auszulegen, wodurch Gewicht, Raum und Kosten reduziert werden und gleichzeitig die zulässige Leistung zu erhöhen.

Bei der Lösung dieses Problems müssen insbesondere die folgenden Einzelheiten beachtet werden: Verlustenergie im elektronischen SCAP-Lader/Entlader, wobei ggfs. eine Kühlung vorzusehen ist, die Spannungsreduktion in den Anschlussklemmen bei konstanter Abgabe einer hohen Leistung und die beim Betrieb vorkommenden Spannungsvariationen an den Anschlussklemmen; die Lösungen dieser Probleme an sich sind im Einzelnen jedem Fachmann geläufig.

Je nach der Auslegung und der Verwendung der neuen Energiespeichervorrichtung kann es in gewissen Fällen vorkommen, dass die Batterieeinheit weit vor dem Erreichen ihrer vollständigen Ladung zu gasen beginnt, wobei sich infolge des Verlusts an Elektrolyt auch ihre Kapazität verringert. Um zu verhindern, dass die Batterieeinheit in den Bereich ihrer Gasungsspannung gerät, gibt es verschiedene Möglichkeiten; entweder wird die Batterie kurz abgetrennt, bis ihre Spannung wieder den Wert der Spannung des SCAP erreicht hat, oder der Strom in der Batterieeinheit wird so beschränkt, dass man knapp unter der Gasungsspannung bleibt. In jedem Fall sollten die Kondensatoreinheiten bzw. SCAPs als äusserst dynamische Energiespeichereinheiten verwendet werden, um die zusätzliche Energie von der Batterieeinheit fern zu halten.

Auf diese Weise wird das Gasen verhindert und gleichzeitig bleibt ein grosser Teil der Energie, nämlich die Energie des SCAP, nutzbar. In Fällen, in denen die Kondensatoreinheit in dieser Beziehung stark beansprucht wird, empfiehlt es sich, die Spannung in der Kondensatoreinheit zu überwachen und vorzugsweise auch die Verlustenergie im Steuerelement wegzuführen, wozu man sich ggfs. einer forcierten Kühlung, evtl. auch eines Kühlmittelflusses, bedient.

Die Verlustleistung in der Batterieeinheit wächst zunächst quadratisch mit dem Strom, sodass bei hohen Stromspitzen entsprechend hohe Verlustleistungen auftreten. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur der Batterieeinheit und ihr innerer Widerstand erhöhen, was eine lineare Erhöhung der Verlustleistung zur Folge hat. Allerdings wachsen bis zu einer Grenztemperatur, bedingt durch die Beschleunigung der chemischen Reaktionen infolge der steigenden Temperatur, die Kapazität und die Leistungsfähigkeit der Batterieeinheit. Wird diese Grenztemperatur überschritten, so überwiegen die nachteiligen Effekte.

Aus diesem Grunde wird vorzugsweise eine Temperaturüberwachung zur Überwachung der Temperatur der Batterie vorgesehen, mit welcher einerseits die Batterie möglichst auf ihrer optimalen Betriebstemperatur gehalten und anderseits die Leistung so begrenzt wird, dass eine zu hohe Temperatur vermieden wird.

Erfindungsgemäss wird die neue Energiespeichervorrichtung an Stelle einer herkömmlichen Batterie oder an Stelle eines anderen Energiespeichers verwendet.

Insbesondere eignet sie sich für netzunabhängige Geräte der Unterhaltungselektronik, für Computer wie zum Beispiel Laptops und Notebooks, für Medizinalgeräte und generell für elektrische/elektronische Geräte verschiedenster Art, wobei als Beispiel nur Taschenlam pen genannt sein sollen. Ferner eignet sie sich besser als die herkömmlichen Batterien für den Antrieb von leistungsstarken Akkuwerkzeugen aller Art. Weitere Einsatzgebiete sind Notstromanlagen, wartungsfreie Notbeleuchtungen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Im Fahrzeugbau kann die neue Energiespeichervorrichtung mit interner Aufladung als Bordbatterie verwendet werden, wo sie einen stark verbesserten Ersatz für die herkömmliche 12-Volt-Batterie bildet.

Ganz besonders eignet sich die neue Energiespeichervorrichtung, vorzugsweise mit interner und externer Auflademöglichkeit, zur Verwendung in der Fahrzeugtraktion, und zwar sowohl für reine Elektrofahrzeuge wie auch für Hybridfahrzeuge.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1A eine Energiespeichervorrichtung nach der Erfindung, in einem Schaubild;
Fig. 1B ein mehrere Batterieeinheiten und mehrere Kondensatoreinheiten umfassendes Grossmodul, in einem Schaubild;
Fig. 2 eine Energiespeichervorrichtung nach der Erfindung zur Verwendung in Fällen, in denen kurzzeitig hohe Ströme benötigt werden, in einem schematischen Schaltbild;
Fig. 3 eine Energiespeichervorrichtung nach der Erfindung zur Verwendung in Fällen, in welchen eine Gasung zu erwarten ist, in gleicher Darstellung wie Fig. 2;
Fig. 4 eine Energiespeichervorrichtung nach der Erfindung zur Verwendung in Fällen, in denen hohe Temperaturen in der Batterieeinheit zu erwarten sind;

und
Fig. 5 einen Seriehybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, mit einer Energiespeichervorrichtung nach der Erfindung, in einer schematischen Darstellung.

Fig. 1A zeigt eine Energiespeichervorrichtung 10 nach der Erfindung, welche die Form und die Abmessungen einer üblichen 12-Volt-Bordbatterie eines Fahrzeuges hat und auch die beiden üblichen Klemmen 11.1, 11.2 aufweist, die mit "plus" (+) bzw. "minus" (-) bezeichnet sind. Die Energiespeichervorrichtung 10 umfasst eine Batterieeinheit 12 und eine Kondensatoreinheit 14, wobei die Batterieeinheit 12 und/oder die Kondensatoreinheit 14 durch mehrere Batterie- bzw. Kondensatorzellen gebildet sein können. Die Batterieeinheit 12 und die Kondensatoreinheit 14 sind bezüglich ihrer Eigenschaften aufeinander abgestimmt; die Abstimmung richtet sich nach dem Verwendungszweck der Energiespeichereinheit 10, sodass sowohl die Batterieeinheit 12 und die Kondensatoreinheit 14 und dadurch auch die ganze Energiespeichervorrichtung 10 jeweils unter optimalen Betriebsbedingungen arbeiten.

Im Weiteren weist die Energiespeichereinheit 10 eine Managementeinheit 16 sowie entsprechende Schnittstellen 18 auf; der Zweck der Managementeinheit 16 besteht im Wesentlichen darin, bei einem bestimmten Leistungsbedarf festzulegen, ob die Energie von der Batterieeinheit 12 oder der Kondensatoreinheit 14 zu liefern ist bzw. ob eine Aufladung erforderlich ist und ob dabei die Batterieeinheit 12 und/oder die Kondensatoreinheit 14 aufzuladen ist. Die Batterieeinheit 12, die Kondensatoreinheit 14 und die Managementeinheit 16 sind beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1A gemeinsam vergossen, sodass die Energiespeichervorrichtung 10 ein kompaktes Energiespeichermodul bildet. Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Energiespeichermodule denkbar, in welchen die Batterieeinheit und die Kondensatoreinheit anders angeordnet sind.

Die Ausbildung der Schnittstellen entspricht im Einzelnen dem jeweiligen Verwendungszweck.

Fig. 1B zeigt ein Grossmodul 11, welches aus mehreren zusammengeschalteten Energiespeichervorrichtungen 10, im Wesentlichen gemäss Fig. 1A, aufgebaut ist und welches somit zusätzlich zur Batterieeinheit 12 weitere Batterieeinheiten 12 min und zusätzlich zur Kondensatoreinheit 14 weitere Kondensatoreinheiten 14 min sowie vorzugsweise ein gemeinsames Management 17 umfasst.

In Fig. 2 ist ein Schaltschema einer Energiespeichervorrichtung 20 dargestellt, die sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn kurzzeitig sehr hohe Ströme benötigt werden. Die Energiespeichervorrichtung 20 weist eine Batterieeinheit 12 und eine Kondensatoreinheit 14 auf. Über der Batterieeinheit 12 und der Kondensatoreinheit 14 liegt eine Steuerung 22 mit einer Stromüberwachung 24 angeordnet, wobei die Batterieeinheit 12 und die Kondensatoreinheit 14 zusammen einen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Superspeicher bezeichnete Energiespeichervorrichtung bilden.

Fig. 3 zeigt als weitere Variante ein Schaltschema einer Energiespeichervorrichtung 30, welche dann verwendet wird, wenn die Gefahr der Gasung besteht. Wie die mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Energiespeichervorrichtungen 10 und 20 umfasst auch die Energiespeichervorrichtung 30 eine Batterieeinheit 12 und eine Kondensatoreinheit 14 sowie eine Steuerung 32 und eine Gasungsüberwachung 34.

Fig. 4 stellt ein Schaltschema einer Energiespeichervorrichtung 40 dar, welche eine Batterieeinheit 12 und eine Kondensatoreinheit 14 umfasst und sich für Fälle eignet, in denen die Temperatur der Batterieeinheit 12 zu überwachen ist. Die Energiespeichervorrichtung 40 weist dazu eine Steuerung 42 und eine Temperaturüberwachung 44 auf.

Zwei oder drei der genannten Überwachungen, also der Stromüberwachung 24, der Gasungsüberwachung 34 und der Temperaturüberwachung 44 und ggfs. weitere, nicht dargestellte Überwachungen können, ebenso wie die zugehörigen Steuerungen 22, 32, 42 und ggfs. weitere, nicht dargestellte Steuerungen, jeweils in einer Einheit zusammengefasst sein.

In Fig. 5 ist ein Seriehybrid-Antrieb 50 für ein nicht abgebildetes Fahrzeug dargestellt, das zwei Triebräder 52 besitzt, von welchen jedes über einen Elektromotor 54 antreibbar ist. Der Seriehybrid-Antrieb 50 enthält ein Aggregat 56, das alternativ durch ein Kleinstkraftwerk mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator oder durch eine Brennstoffzelleneinrichtung gebildet ist. Das Aggregat 56 dient zur Versorgung der Elektromotoren 54, wobei zwischen dem Aggregat 56 und den Elektromotoren eine Verteileinheit 58 geschaltet ist.

Die Verteileinheit 58 ist über eine erste Verbindung 62 mit einer Batterieeinheit 12 und über eine zweite Verbindung 64 mit einer Kondensatoreinheit bzw. einem SCAP 14 verbunden, wobei die Batterieeinheit 12 und die Kondensatoreinheit 14 eine Energiespeichervorrichtung 10 nach der Erfindung bilden. Eine Managementeinheit 70 ist über eine erste Steuerleitung 72 mit der Energiespeichervorrichtung 10, über eine zweite Steuerleitung 74 mit dem Aggregat 56 und über eine dritte Steuerleitung 76 mit der Verteileinheit 58 verbunden. Im Weiteren ist die Managementeinheit 70 über eine vierte Steuerleitung 78 mit einer Bedienungseinheit 80 und über eine fünfte Steuerleitung 82 mit einer Einheit 84 eines Global Positioning Systems verbunden. Die Steuerleitung kann als BUS-System, insbesondere als CAN-Bussystem, ausgebildet sein.

Die Wirkungsweise dieses Seriehybrid-Antriebs 50 ist wie folgt: Das Aggregat 56 liefert die Antriebsenergie, wobei die Leistung des Aggregats 56 unabhängig vom jeweiligen Bedarf mindestens annähernd konstant ist. Über die Verteileinheit 58 werden die Elektromotoren 54 versorgt, welche ihrerseits die Räder 52 antreiben. Wenn nicht die gesamte vom Aggregat 56 gelieferte Energie unmittelbar zum Antrieb des Fahrzeuges benötigt wird, so werden damit die Batterieeinheit 12 und die Kondensatoreinheit 14 der erfindungsgemässen Energiespeichervorrichtung 10 aufgeladen. Ist die zum Antreiben des Fahrzeuges erforderliche Leistung zeitweilig höher als die vom Aggregat 56 lieferbare Leistung, so wird die Energiespeichervorrichtung 10 angezapft und die fehlende Leistung von ihr bezogen.

Dabei wird ein länger dauernder, mässiger Energiebedarf durch die Batterieeinheit 12 und ein kurzzeitiger Spitzenbedarf durch die Kondensatoreinheit 14 befriedigt. Die Energiespeichervorrichtung 10 kann nicht nur durch das Aggregat 56, sondern auch beim Bremsen des Fahrzeuges durch Rekuperation aufgeladen werden. Die Optimierung all dieser Vorgänge und ihre Durchführung wird durch die Managementeinheit 70 veranlasst bzw. gesteuert.

Claims

1. Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, wobei eine einen Langzeitspeicher bildende Batterieeinheit (12) eine Grundenergie und eine einen Kurzzeitspeicher bildende Kondensatoreinheit (14) temporäre, die Grundenergie übersteigende Spitzenenergien abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) und die Kondensatoreinheit (14) funktional so aufeinander abgestimmt sind, dass sowohl die Batterieeinheit (12), als auch die Kondensatoreinheit (14) einzeln in ihren optimalen Betriebsbereichen benutzt werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl zwischen der Batterieeinheit (12) und der Kondensatoreinheit (14) selbsttätig gesteuert wird.

3.

Energiespeichervorrichtung (10, 11, 20, 30, 40) zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zur Speicherung von Energie und zur Abgabe einer zeitlich schwankenden Energie, mit einer, einen Langzeitspeicher bildenden, Batterieeinheit (12) zur Abgabe einer mindestens annähernd kontinuierlichen Grundenergie, und mit einer, einen Kurzzeitspeicher bildenden, Kondensatoreinheit (14) zur temporären Abgabe von die Grundenergie übersteigenden Spitzenenergien, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) und die Kondensatoreinheit (14) funktional aufeinander abgestimmt sind und eine kombinierte Energiespeichervorrichtung bilden, bei welcher sowohl die Batterieeinheit (12) als auch die Kondensatoreinheit (14) in ihren optimalen Betriebsbereichen benutzbar sind, und dass vorzugsweise eine Manage menteinheit (16, 17, 70) angeordnet ist,

um den Betrieb der Energiespeichervorrichtung (10, 11, 20, 30 40) zu steuern.

4. Energiespeichervorrichtung (10, 11) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) und die Kondensatoreinheit (14) und vorzugsweise auch die Managementeinheit (16) in konstruktiver Kombination angeordnet sind.

5. Energiespeichervorrichtung (10, 11) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) und die Kondensatoreinheit (14) und vorzugsweise auch die Managementeinheit (16) gemeinsam zu einem Energiespeichermodul vergossen sind.

6. Energiespeichervorrichtung (10, 11) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul Abmessungen und/oder Schnittstellen aufweist, die Normen herkömmlicher Energiespeicher entsprechen.

7.

Energiespeichervorrichtung (10) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsbereich des Energiespeichermoduls bezüglich Leistungsspektrum und Lebensdauer demjenigen eines herkömmlichen Energiespeichers mindestens gleich ist.

8. Energiespeichervorrichtung (10) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwecks externer Überwachung ihres Zustandes eine MMI-Schnittstelle aufweist.

9. Energiespeichervorrichtung (11) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine weitere Batterieeinheit (12 min ) oder mindestens eine weitere Kondensatoreinheit (14 min ) aufweist, mit welchen sie ein paralleles und/oder serielles Grossmodul (11), vorzugsweise mit einer Managementeinheit (17), bildet.

10.

Energiespeichervorrichtung (11) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine weitere Batterieeinheit (12 min ) und mindestens eine weitere Kondensatoreinheit (14 min ) aufweist, mit welchen sie ein paralleles und/oder serielles Grossmodul (11), vorzugsweise mit einer Managementeinheit (17), bildet.

11. Energiespeichervorrichtung (11) nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Kondensatoreinheit (14 min ) mit der weiteren Batterieeinheit (12 min ) eine weitere Energiespeichervorrichtung bildet.

12.

Energiespeichervorrichtung (20) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) mit der leistungsstarken, energiearmen Kondensatoreinheit (14) über eine an eine Stromüberwachung (24) angeschlossene Steuerung (22) verbunden und zur permanenten Aufladung der Kondensatoreinheit (14) mittels eines kleinen Stromes bestimmt ist, zur Vermeidung einer schädlichen Erwärmung bei kurzzeitigen hohen Strömen.

13. Energiespeichervorrichtung (30) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) mit der Kondensatoreinheit (14) über eine an eine Gasüberwachung (34) angeschlossene Steuerung (22) verbunden ist, um die Batterieeinheit (12) zur Vermeidung von Gasung bei Überschreitung einer Gasungsspannung temporär abzutrennen oder ihren Strom zu begrenzen.

14.

Energiespeichervorrichtung (40) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (12) mit der Kondensatoreinheit (14) über eine an eine Temperaturüberwachung (44) angeschlossenen Steuerung (42) verbunden ist, um die Temperatur der Batterieeinheit (12) zu überwachen und zu steuern.

15. Verwendung der Energiespeichervorrichtung (10, 11, 20, 30, 40) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie extern aufgeladen und/oder intern aufladbar und an Stelle von beliebig konstruierten anderen Energiespeichern eingesetzt wird.

16. Verwendung der Energiespeichervorrichtung (10, 11, 20, 30, 40) nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Computern, netzunabhängigen elektrischen/elektronischen Geräten, leistungsstarken Akkuwerkzeugen, Notstromanlagen, Notbeleuchtungen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen eingesetzt wird.

17.

Verwendung der Energiespeichervorrichtung (10) nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Bordbatterie eines Fahrzeuges eingesetzt wird.

18. Verwendung der Energiespeichervorrichtung (10) nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusammen mit einer Managementeinheit (70) in einem Elektrofahrzeug angeordnet ist, welches durch mindestens einen Elektromotor (54) antreibbar ist, der über eine Verteileinheit (58) mit der intern und/oder extern und vorzugsweise auch durch Rekuperation aufladbaren Energiespeichervorrichtung (10) verbunden ist.

19.

Verwendung der Energiespeichervorrichtung (10) nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrofahrzeug ein Seriehybridfahrzeug ist, dessen mindestens einer Elektromotor (54) über die Verteileinheit (58) von einem Aggregat (56) gespiesen wird, durch welches auch die Energiespeichervorrichtung (10) aufladbar ist.