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.
The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1, an energy storage device according to the preamble of patent claim 3 and a use of the energy storage device according to the preamble of patent claim 15.
The need for devices for storing and delivering electrical energy has been increasing for a long time for various reasons and in different areas of technology. An example of the growing use of energy storage devices is vehicle construction, where vehicles are used to drive the use of fossil fuels that are only renewable in the long term and to reduce pollutants caused by internal combustion engines. To date, however, there are no energy stores available that would allow explosion motors to be replaced by electric motors in even the most satisfactory manner. Pure electric vehicles have a relatively short range and are problematic with regard to occasionally required power peaks.
Therefore, attempts were made to design road vehicles as hybrid vehicles and to equip them with an internal combustion engine as well as an electric motor drive. Hybrid vehicles can be designed as parallel hybrids or as series hybrids. In parallel hybrids, one or both drives act directly on the wheel system. Series hybrids, on the other hand, are typically designed in such a way that an aggregate, which is formed, for example, by an internal combustion engine coupled to a generator for a small power station or by a fuel cell, is used to drive an electric motor that drives the vehicle.
Such an arrangement saves fuel because the unit can be designed for optimal operating conditions, is permanently in operation and always runs under optimal operating conditions, so that its efficiency is high and only minimal amounts of pollutants are emitted. To compensate for power peaks, additional energy can be taken from an energy store or supplied to the energy store. The energy supply to the energy store or its charging can take place internally or externally. In particular, this results in the possibility of using the electromotive drive in relatively densely populated areas over short distances in city traffic and over longer distances when driving overland in weakly populated areas.
In vehicle construction, energy storage devices are also required in the case of conventional vehicles powered by internal combustion engines in the form of on-board batteries.
In other areas as well, energy storage devices that have a certain capacity are used for numerous purposes, be it for a network-independent operation of devices for bridging network failures. For example, energy storage devices are used for data storage devices, watches, flashlights, for consumer electronics devices and other electrical / electronic devices, as well as for all types of tools that can be operated independently of the mains, emergency power groups and uninterruptible power supply systems.
Since, as mentioned above, conventional batteries, such as Pb batteries, are only suitable to a limited extent as energy stores, capacitors with high capacitance, for which the term SCAP (supercapacitor) is also used, have recently been used as energy stores. However, SCAPs are also not suitable as energy stores without restrictions.
The following table compares various relevant properties of a Pb battery on the one hand and a SCAP on the other.
<tb> <TABLE> Columns = 3
<tb> Head Col 2 AL = L: Conventional.
Pb battery
<tb> Head Col 1: SCAP
<Tb> <September> Specific
Energy density <September> high
(approx. 50 Wh / kg) <SEP> deep
(approx. 2.5-7 Wh / kg)
<Tb> <September> Specific
Power density when loading <SEP> very low
(approx. 50 W / kg) <SEP> high
(approx. 350 W / kg)
<Tb> <September> Specific
Power density when unloading <SEP> deep
(approx. 200 W / kg) <SEP> high
(approx. 350 W / kg)
<tb> <SEP> \ balance <SEP> bad <SEP> good (organic electrolytes)
<tb> <SEP> Service life <CEL AL = L> rather bad, especially at peak operation <SEP> very long
<tb> <SEP> Maintenance <SEP> different <CEL AL = L> none
<tb> <SEP> costs <SEP> deep <SEP> for the time being
quite high
<Tb> </ TABLE>
Although the properties of the batteries and SCAPs can vary depending on the type, the table above clearly shows their different properties; Batteries have, among other things, a high energy density but a low power density, whereas SCAPs, in contrast, have a low energy density but a high power density. When assessing the power density of the batteries, it must be taken into account that although the values given are not too low, the efficiency of the batteries is very poor at these values and their service life is low, which is not the case with the SCAP, so that in reality the SCAPs are even cheaper to assess.
Energy stores that are used in the manner described above for vehicles, in particular for driving them, or electrical / electronic devices should have both a high power density and a high energy density. With regard to the corresponding properties, one comes to the theoretical consideration that a combined energy store with a battery unit and a capacitor unit must have optimal properties, since batteries and capacitors behave to a certain extent complementarily with regard to their power densities and their energy densities;
Because batteries with high power density meet high energy density requirements, they are suitable as suppliers of an essentially constant, not too high basic power, while capacitors with low energy density meet high power density requirements and are therefore suitable for delivering top performance.
In practice, however, the combined use of batteries and capacitors hardly takes place, since these are not offered in the form of combined compact energy stores and SCAPS are still not widely used. Batteries and SCAPS are manufactured using different technologies, and specific manufacturing processes have generally become established for both batteries and capacitors. Batteries are manufactured in large quantities and in an automated manner, and as a result of the highly competitive market, expensive further developments are avoided or they do not break through. In contrast to the known, but slower gold caps, SCAPs, on the other hand, are only used in small quantities and manufactured using hardly any automated processes.
The batteries and capacitors created in this way are therefore not matched to one another and are difficult to combine to form a combined energy store.
In the field of storage and delivery of electrical energy, which is considered in the context of the present patent application, only practically implemented methods are known which are suitable either for the delivery of a long-term basic power or individual short-term power peaks. Accordingly, no combined energy storage devices with coordinated properties and dimensions of the battery unit and capacitor unit are known which would be suitable for production and use in large numbers.
The first object of the invention is thus seen in proposing a method of the type mentioned at the outset with which both long-term basic services and short-term power peaks can be provided, with an alignment to the respective requirements being possible.
This first object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1. An advantageous further development of the method according to the invention is described by patent claim 2, which is dependent on patent claim 1.
The second object of the invention is to provide an energy storage device of the type mentioned at the outset for carrying out the new method, which comprises a battery unit and a capacitor unit, the properties of the battery unit and the capacitor unit being designed for the application in accordance with the respective requirements.
This second object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 3. Advantageous exemplary embodiments of the energy storage device according to the invention are described by claims 4 to 14 which are dependent on patent claim 3.
The third object of the invention is to propose suitable uses of the new device.
This third object is achieved by the features of the characterizing parts of patent claims 15. Advantageous examples of the use according to the invention are described by claims 16 to 19, which are dependent on claim 15.
The invention has numerous advantages over the prior art, the most important of which are explained below.
In the method according to the invention, a battery unit in combination with a capacitor unit is used to deliver energy; the battery unit and the capacitor unit are matched to one another in such a way that a broad spectrum of different services that can be provided can be covered.
It is particularly advantageous to control the new method in such a way that the battery unit and the capacitor unit are always used in accordance with their specific advantageous properties, so that both the battery unit and the capacitor unit work with good efficiency and a long service life.
With the combined energy storage device according to the invention, in which a battery unit and a capacitor unit are combined, batteries and SCAPs can be used in a manner that results in considerable synergies. Basically, the battery unit delivers the basic power and the capacitor unit the power peaks. As a result, it is not only possible to cover higher power peaks by means of the capacitor unit, but, as already mentioned, the battery unit and the capacitor unit are each only loaded in areas in which they work with relatively good efficiency and have a long service life. Both the battery unit and the capacitor unit therefore only work in an area to which they are specifically tailored.
This allows the battery unit and the capacitor unit to be designed to be relatively small and light, so that the combined energy store can be described as optimal in terms of efficiency, service life, dimensions, weight and price.
With regard to an optimal distribution of the power output and consumption by the battery unit on the one hand and the capacitor unit on the other hand, a particularly advantageous arrangement is obtained if the energy storage device according to the invention is provided with an interface for connection to a management or is expanded by a management unit to form an overall module.
The battery unit and the capacitor unit and possibly a management are preferably not only put together to form a combined energy storage device, but cast together, so that a compact and very handy energy storage module is produced.
It is particularly favorable to produce the energy storage device or the energy storage module in dimensions and with interfaces that correspond to the dimensions and interfaces of conventional, non-combined energy stores, so that the combined energy storage device can be used in place of conventional energy stores, such as batteries, for example.
The energy storage device according to the invention preferably has an MMI interface (human-machine interface) so that its status can also be monitored from the outside. This interface is used, for example, for the purposes of operation, information, diagnosis, protection and configuration.
A suitable parallel and / or serial interconnection to form large modules is conceivable for certain applications, it being possible, if necessary, for additional control elements to be arranged.
With some planned uses of the energy storage device according to the invention, it happens that an exceptionally high current is occasionally required for a short time; this is the case for example with electric and hybrid vehicles, starters, e.g. emergency power groups, IR transmit diodes in remote controls as well as portable and other computers with HDD (hard disk drive) and / or FDD (floppy disk drive) and / or similar subsystems such as CD-ROM. This means that the battery unit is designed in accordance with these current peaks in such a way that the battery heating and the power peaks do not cause any defects.
For this purpose, the battery unit can be connected to the capacitor unit via a corresponding charging control device such that the battery unit continuously delivers a small current in order to charge the powerful but low-energy capacitor unit. In this way, an energy storage device is created which can be referred to as super storage and which can be designed according to the energy requirement and not according to the power requirement. This makes it possible to design the energy storage device to be smaller in terms of performance even in extreme cases, as a result of which weight, space and costs are reduced and at the same time the permissible output is increased.
When solving this problem, the following details must be observed in particular: Loss energy in the electronic SCAP charger / discharger, whereby cooling may have to be provided, the voltage reduction in the connection terminals with constant output of high power and the voltage variations occurring during operation at the connection terminals ; the solutions to these problems per se are familiar to any person skilled in the art.
Depending on the design and use of the new energy storage device, it may in certain cases occur that the battery unit begins to gas well before it is fully charged, and its capacity is also reduced as a result of the loss of electrolyte. There are various ways of preventing the battery unit from reaching its gassing voltage range; either the battery is briefly disconnected until its voltage has reached the value of the SCAP voltage again, or the current in the battery unit is limited so that one remains just below the gassing voltage. In any case, the capacitor units or SCAPs should be used as extremely dynamic energy storage units in order to keep the additional energy away from the battery unit.
In this way the gassing is prevented and at the same time a large part of the energy, namely the energy of the SCAP, remains usable. In cases in which the condenser unit is subjected to a great deal of stress in this regard, it is advisable to monitor the voltage in the condenser unit and preferably also to dissipate the energy loss in the control element, for which purpose forced cooling, possibly also a coolant flow, is used ,
The power loss in the battery unit initially increases quadratically with the current, so that correspondingly high power losses occur at high current peaks. As a result, the temperature of the battery unit and its internal resistance increase, which results in a linear increase in the power loss. However, the capacity and performance of the battery unit grow up to a limit temperature due to the acceleration of the chemical reactions due to the rising temperature. If this limit temperature is exceeded, the adverse effects outweigh.
For this reason, a temperature monitor is preferably provided for monitoring the temperature of the battery, with which the battery is kept at its optimum operating temperature as much as possible and the power is limited so that an excessive temperature is avoided.
According to the invention, the new energy storage device is used in place of a conventional battery or in the place of another energy store.
In particular, it is suitable for network-independent consumer electronics devices, for computers such as laptops and notebooks, for medical devices and generally for various types of electrical / electronic devices, with only pocket lamps being mentioned as an example. Furthermore, it is more suitable than the conventional batteries for driving high-performance cordless tools of all kinds. Other areas of application are emergency power systems, maintenance-free emergency lighting and uninterruptible power supplies.
In vehicle construction, the new energy storage device with internal charging can be used as an on-board battery, where it is a greatly improved replacement for the conventional 12-volt battery.
The new energy storage device, preferably with an internal and external charging facility, is particularly suitable for use in vehicle traction, both for pure electric vehicles and for hybrid vehicles.
Further details of the invention are explained below using examples and with reference to the drawing. It shows:
1A shows an energy storage device according to the invention, in a diagram;
1B shows a large module comprising several battery units and several capacitor units, in a diagram;
2 shows an energy storage device according to the invention for use in cases in which high currents are required for a short time in a schematic circuit diagram;
3 shows an energy storage device according to the invention for use in cases in which gassing is to be expected, in the same representation as FIG. 2;
4 shows an energy storage device according to the invention for use in cases in which high temperatures are to be expected in the battery unit;
and
Fig. 5 shows a series hybrid drive for a vehicle, with an energy storage device according to the invention, in a schematic representation.
Fig. 1A shows an energy storage device 10 according to the invention, which has the shape and dimensions of a conventional 12-volt on-board battery of a vehicle and also has the two usual terminals 11.1, 11.2, with "plus" (+) and "minus "(-) are designated. The energy storage device 10 comprises a battery unit 12 and a capacitor unit 14, wherein the battery unit 12 and / or the capacitor unit 14 can be formed by a plurality of battery or capacitor cells. The properties of the battery unit 12 and the capacitor unit 14 are matched to one another; the coordination depends on the intended use of the energy storage unit 10, so that both the battery unit 12 and the capacitor unit 14 and thereby the entire energy storage device 10 each work under optimal operating conditions.
Furthermore, the energy storage unit 10 has a management unit 16 and corresponding interfaces 18; The purpose of the management unit 16 is essentially to determine, for a specific power requirement, whether the energy is to be supplied by the battery unit 12 or the capacitor unit 14 or whether charging is required and whether the battery unit 12 and / or the capacitor unit 14 is to be charged in the process is. The battery unit 12, the capacitor unit 14 and the management unit 16 are cast together in the exemplary embodiment according to FIG. 1A, so that the energy storage device 10 forms a compact energy storage module. Energy storage modules in which the battery unit and the capacitor unit are arranged differently are also conceivable within the scope of the present invention.
The design of the interfaces corresponds in detail to the respective purpose.
1B shows a large module 11, which is constructed from a plurality of interconnected energy storage devices 10, essentially according to FIG. 1A, and which thus, in addition to the battery unit 12, further battery units 12 min and, in addition to the capacitor unit 14, further capacitor units 14 min and preferably a common management 17 includes.
FIG. 2 shows a circuit diagram of an energy storage device 20 which has proven to be advantageous when very high currents are required for a short time. The energy storage device 20 has a battery unit 12 and a capacitor unit 14. A controller 22 with a current monitor 24 is arranged above the battery unit 12 and the capacitor unit 14, the battery unit 12 and the capacitor unit 14 together forming an energy storage device referred to in the context of the present invention as a super store.
3 shows, as a further variant, a circuit diagram of an energy storage device 30 which is used when there is a risk of gassing. Like the energy storage devices 10 and 20 described with reference to FIGS. 1 and 2, the energy storage device 30 also includes a battery unit 12 and a capacitor unit 14 as well as a controller 32 and a gassing monitor 34.
FIG. 4 shows a circuit diagram of an energy storage device 40, which comprises a battery unit 12 and a capacitor unit 14 and is suitable for cases in which the temperature of the battery unit 12 is to be monitored. For this purpose, the energy storage device 40 has a controller 42 and a temperature monitor 44.
Two or three of the monitoring devices mentioned, that is to say the current monitoring device 24, the gassing monitoring device 34 and the temperature monitoring device 44 and possibly further monitoring devices (not shown), as well as the associated controls 22, 32, 42 and possibly further control devices not shown, can each be shown in be combined in one unit.
5 shows a series hybrid drive 50 for a vehicle, not shown, which has two drive wheels 52, each of which can be driven by an electric motor 54. The series hybrid drive 50 contains an assembly 56, which is alternatively formed by a small power plant with an internal combustion engine and a generator driven by the internal combustion engine or by a fuel cell device. The unit 56 serves to supply the electric motors 54, a distribution unit 58 being connected between the unit 56 and the electric motors.
The distribution unit 58 is connected to a battery unit 12 via a first connection 62 and to a capacitor unit or a SCAP 14 via a second connection 64, the battery unit 12 and the capacitor unit 14 forming an energy storage device 10 according to the invention. A management unit 70 is connected to the energy storage device 10 via a first control line 72, to the unit 56 via a second control line 74 and to the distribution unit 58 via a third control line 76. Furthermore, the management unit 70 is connected to a control unit 80 via a fourth control line 78 and to a unit 84 of a global positioning system via a fifth control line 82. The control line can be designed as a BUS system, in particular as a CAN bus system.
The mode of operation of this series hybrid drive 50 is as follows: The unit 56 supplies the drive energy, the output of the unit 56 being at least approximately constant regardless of the respective requirement. The electric motors 54, which in turn drive the wheels 52, are supplied via the distribution unit 58. If not all of the energy delivered by the unit 56 is required directly to drive the vehicle, the battery unit 12 and the capacitor unit 14 of the energy storage device 10 according to the invention are thus charged. If the power required to drive the vehicle is temporarily higher than the power that can be supplied by the unit 56, the energy storage device 10 is tapped and the missing power is obtained from it.
A longer, moderate energy requirement is satisfied by the battery unit 12 and a short-term peak requirement by the capacitor unit 14. The energy storage device 10 can be charged not only by the unit 56, but also by recuperation when the vehicle brakes. The optimization of all these processes and their implementation is initiated or controlled by the management unit 70.