CN108376751A - 能量储存系统、用于操作能量储存系统的方法和用于制造能量储存系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量储存系统、一种用于操作所述能量储存系统的方法以及一种用于制造能量储存系统的方法。所述能量储存系统(100)包括壳体(110)，所述壳体具有层叠的能量储存结构(130)；以及至少一个安排在所述壳体(110)中的用于能量储存元件(122，124，126)或能量储存元件组的连接装置(121，123，125)。

Description

能量储存系统、用于操作能量储存系统的方法和用于制造能 量储存系统的方法
技术领域
本发明涉及一种电能储存系统、尤其一种用于载具制造的电能储存系统，尤其用于飞行器制造或航空，或者用在载具中、尤其在飞行器或航天器中。本发明还涉及一种用于操作电能储存系统的方法以及一种用于制造电能储存系统的方法。
背景技术
在许多载具中，尤其在航天器或航空器中，对能量储存器的能量储存密度提出了很高要求，也就是说，每能量储存器的重量单位应当能够储存尽可能多的电能。能量储存器可以例如理解为电池、且优选理解为可再充电蓄电池，例如用于电动载具或混合动力载具中。能量储存密度(或能量密度，英文为“energy density”)例如以每千克的瓦特小时数(Wh/kg)来计量。
文件US 9,276,240B2描述了一种平坦的层叠的电池安排，其侧表面小于其正表面。
此外，还对载具的结构元件提出了要求，例如这些元件可以承载某一重量、必须承受住某一压力等等。结构元件例如是壳体，该壳体被设计为用于保护处于壳体之内的元件(例如像能量储存元件)免受外界影响(如碰撞)。此类的结构元件通常占相应载具重量的很大比例。
在US 2002/0004167 A1中描述了一种整合有电池的外壳。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种改进的能量储存系统，尤其一种具有更高能量密度的能量储存系统。
在一个方面，本发明涉及一种能量储存系统，所述能量储存系统具有壳体，所述壳体具有层叠的能量储存结构，以及至少一个安排在所述壳体中的用于电能储存元件或电能储存元件组的连接装置。
壳体应尤其理解为牢固的外壳，该外壳保护连接装置以及在适当时连接在连接装置处的电能储存元件例如免受撞击或免受外界的侵蚀性或腐蚀性流体影响。壳体可以完全包围连接装置。
壳体可以完全或部分地由层叠的能量储存结构组成。层叠的能量储存结构应理解为尤其如下结构：该结构由至少两个、优选至少三个组合的层形成并且适合于储存电能。
壳体优选具有至少一个电接头，借助于该电接头能够使层叠的能量储存结构充入电能和/或借助于该电接头能够从层叠的能量储存结构取出电能。
连接装置被设计为或适配为用于电连接和/或机械连接能量储存元件或能量储存元件组。能量储存系统另外还可以包括一个或多个连接在该至少一个连接装置处的电能储存元件或电能储存元件组。
电能储存元件或电能储存元件组可以牢固地和/或永久地电连接和机械连接在连接装置处。
因此提供了具有特别高的能量储存密度的能量储存系统，因为替代于单纯形成为结构元件的壳体，使用了同时用作能量储存结构的壳体。因此总体上改进了最大可储存能量的量与系统重量的比率。
由此，一方面可以在能量储存系统的总重量保持不变的情况下储存更多的能量的量。替代地可以在保持不变的能量储存量下有利地减轻重量。另外可以实现较高的可储存能量的量与较小的能量储存系统的重量的平衡，这可以依据能量储存系统的具体的应用领域来进行匹配。
在形成为能量储存结构的壳体中还可以有利地整合信号处理功能和/或传感器功能。
根据另一个方面，本发明涉及一种用于制造能量储存系统的方法，所述方法具有以下步骤：制备壳体，所述壳体具有层叠的能量储存结构；以及将至少一个用于能量储存元件或能量储存元件组的连接装置安排在所述壳体中。所述制造方法可以包括以下步骤：将至少一个能量储存元件或能量储存元件组连接到所述至少一个连接装置。
有利的构型和改进方案从其他从属权利要求以及从参考附图的说明得出。
根据若干实施方式，所述层叠的能量储存结构具有：阴极层，至少一个阳极层，以及在所述阴极层与所述至少一个阳极层之间安排的隔离物层。
根据若干实施方式，至少一个阳极层具有碳纤维和/或合成树脂或者具有碳纤维增强的合成树脂或者由碳纤维增强的合成树脂组成。
根据若干实施方式，所述阴极层具有铁素体或由铁素体组成。阴极层可以具有铁素体、碳纤维和/或合成树脂。根据若干实施方式，阴极层具有带有由铁素体型氧化物形成的纤维覆盖层的碳纤维增强的合成树脂或者由带有由铁素体型氧化物形成的纤维覆盖层的碳纤维增强的合成树脂组成。
根据若干实施方式，所述隔离物层具有玻璃纤维和/或合成树脂或者具有玻璃纤维增强的合成树脂或者由玻璃纤维增强的合成树脂组成。
根据若干实施方式，能量储存系统包括开关装置，借助于所述开关装置，所述至少一个连接装置能够与所述层叠的能量储存结构电并联以及电串联地连接。于是可以高效且可靠地改变通过能量储存系统输出的电流或通过能量储存系统输出的电压。
根据若干实施方式，能量储存系统包括控制装置，借助于所述控制装置能够基于可以指示电流需求和/或电压需求的输入信号来控制所述开关装置。于是可以通过能量储存系统尽可能准确且高效地满足现有的电流和/或电压需求。
上面的构型和改进方案在有意义的情况下可以任意地彼此组合。本发明的其他可行的构型、改进方案和实现方式还包括本发明的先前或随后参照实施例描述的特征的没有明确提及的组合。在此，本领域技术人员尤其还可将单独的方面作为改进内容或补充内容添加到本发明的相应的基础形式中。
附图说明
下面借助于在示意性附图中给出的实施例来详细解说本发明。附图中：
图1示出根据本发明的一个实施方式的能量储存系统的示意图；
图2示出根据本发明的另一个实施方式的能量储存系统的示意性框图；以及
图3示出示意性流程图，以解说根据本发明的另一个实施方式的用于制造能量储存系统的方法。
具体实施方式
附图应当提供对本发明实施方式的进一步理解。它们展示实施方式并用于与说明书相关地解说本发明的原理和概念。其他的实施方式和上述优点中的许多都从查看附图而得出。图中的元素并不一定是按相互比例显示的。关于方向给出的术语，例如像“上”、“下”、“左”、“右”、“之上”、“之下”、“水平”、“竖直”、“之前”、“之后”及类似内容仅仅用于解释性目的并且不用于将一般性限制于如在图中所示的特定构型。
在附图中，相同的、功能相同的和以相同方式起作用的元件、特征和部件，只要没有另外详细说明，就相应地设置有相同的参考符号。
图1是根据本发明的一个实施方式的能量储存系统100的示意图，其中在图1中左侧示出一个总体视图，而在图1中右侧展示了一个细节视图。能量储存系统100包括由层叠的电能储存结构130形成的壳体110。换言之，壳体110有利地仅仅由层叠的能量储存结构130构成。
层叠的电能储存结构130优选成形为具有朝向壳体110的至少一个拐角和/或边和/或弯曲部。
在图1的右侧的细节视图示出了壳体110的拐角之一，以解说能量储存结构130，其中示意性地部分剖开地展示了能量储存结构130的独立的层。
在壳体110中，根据图1安排、尤其安置或安装了三个连接装置121、123、125。应理解的是，在壳体110中，替代于正好三个连接装置121、123、125，还可以安排、尤其安置或安装仅一个、或两个、或四个或更多个连接装置121、123、125。
每个连接装置121、123、125可以被设计或适配为用于电连接和/或机械连接各一个能量储存元件122、124、126或者各一个能量储存元件组。还可以在壳体中安排、尤其安置或安装若干连接装置用于连接独立的能量储存元件以及若干连接装置用于连接各一个能量储存元件组。
如在图1的右侧部分所示，层叠的能量储存结构130有利地具有阴极层131、至少一个阳极层133、134、135以及在阴极层131与至少一个阳极层133、134、135之间安排的隔离物层132。优选地，所有所设置的阳极层133、134、135通过隔离物层132与阴极层131间隔开。
阴极层131优选具有铁素体(或铁氧体，英文“ferritic oxide”)或者由铁素体(或铁氧体)组成，尤其以纺织或编织的形式或以网格的形式(“mesh”)。
隔离物层132用作电介质将阴极层131与至少一个阳极层133、134、135电绝缘。优选地，隔离物层132具有玻璃纤维和/或合成树脂，或者由玻璃纤维和/或合成树脂组成。隔离物层132可以例如由玻璃纤维增强的合成树脂(英文“glass fibre reinforced epoxy”)组成或者具有玻璃纤维增强的合成树脂。玻璃纤维在此可以是电子不可透过的并且以此方式实现电绝缘。
在能量储存结构130中，根据图1右侧，包含有三个阳极层133、134、135。应理解的是，在能量储存结构130中，替代于正好三个阳极层133、134、135，还可以安排仅一个、或两个、或四个或更多个阳极层133、134、135。
至少一个阳极层133、134、135，优选所有的阳极层133、134、135可以具有碳纤维和/或合成树脂。在优选实施方式中，至少一个阳极层133、134、135(或者所有阳极层)由碳纤维增强的合成树脂组成或者具有碳纤维增强的合成树脂。该至少一个阳极层133、134、135的合成树脂，尤其碳纤维增强的合成树脂，可以尤其形成为具有锂离子传导特性，即形成为电解质。
壳体110可以尤其成形为长方体形的或柱形的，例如圆柱形的。连接装置121、123、125可以有利地如下形成，即，可以将板状的能量储存元件122、124、126连接到壳体110中的连接装置121、123、125。板状的能量储存元件122、124、126可以尤其平行于长方体形的壳体110的侧壁来安排，如在图1中左半部展示的。
板状的能量储存元件122、124、126可以例如是层叠的能量储存结构，这些结构可以如上文中相对于层叠的能量储存结构130所描述地形成。在此，可以根据与层叠的能量储存结构130自身相同的所描述的变体或者根据另外的所描述的变体来形成板状的能量储存元件122、124、126。例如，层叠的能量储存结构130可以包括与板状的能量储存元件122、124、126相比更多或更少的、或者不同地形成的阳极层133、134、135。
独立的能量储存元件122、124、126可以形成为全都相同的，或者彼此不同的。独立的能量储存元件的能量储存容量可以彼此不同。
优选地，层叠的能量储存结构130形成为倾向于比板状能量储存元件122、124、126更稳健的、也就是说更有阻力的，并且因而更接近于纯粹的结构元件，板状能量储存元件相比之下可以形成为更接近于纯粹的能量储存元件，也就是具有更高能量储存密度。以此方式，不仅壳体110的层叠的能量储存结构130还有安排在其中的能量储存元件122、124、126对最大的可储存能量的量做出贡献，其中层叠的能量储存结构130与壳体110相比实现了对安排在内部的能量储存元件122、124、126的额外的保护功能和/或作为结构元件的额外功能。
连接装置121、123、125自身也可以形成为板状或基本上板状的，其中连接装置121、123、125可以彼此平行地安置在壳体110中。有利地，板状的连接装置121、123、125平行于长方体形的壳体110的侧壁安排，尤其另外还平行于板状的能量储存元件122、124、126安排。以此方式，连接装置121、123、125可以被看作是结构元件的凸缘并且长方体形的壳体110的侧壁可以被看作是结构元件的接片，并且总体上可以实现壳体110的更高的结构强度。
壳体110可以具有电接头或与电接头相连以便对层叠的电能储存结构130和/或能量储存元件122、124、126或能量储存元件组(通过连接装置121、123、125)充电和/或放电。在层叠的电能储存结构130与一个、多个或所有的连接装置121、123、125之间可以形成电导体。替代地，连接装置121、123、125的电流回路也可以形成为在能量储存系统之内与层叠的能量储存结构130的电流回路完全分离，使得在能量储存元件122、124、126中的一个或多个出现故障时层叠的能量储存结构130可以用作紧急电流源，或反之亦然。
图2示出根据本发明的另一个实施方式的能量储存系统200的示意性框图。能量储存系统200有利地包括根据图1的能量储存系统100的所有元件。另外，能量储存系统还可以包括开关装置240和控制装置250。
开关装置240如下地形成，使得借助于开关装置240不仅能够将该至少一个连接装置121、123、125与层叠的能量储存结构130电并联而且还可以电串联(即串接)地连接。在图1和图2中所示的示例性地具有三个连接装置121、123、125的实施例中，例如可以将开关装置240设计为用于实现以下的开关位置：
-层叠的能量储存结构130与所有连接装置121、123、125独立地彼此并联；
-层叠的能量储存结构130与所有三个连接装置121、123、125串联；
-层叠的能量储存结构130与所有三个连接装置121、123、125的串联电路并联；
-层叠的能量储存结构130与第一连接装置121串联，而这两个元件与第二连接装置123并且与第三连接装置125都并联连接；
-层叠的能量储存结构130与第一连接装置121串联，而这两个元件与第二连接装置123和第三连接装置125的串联电路并联连接；
-层叠的能量储存结构130与第一和第二连接装置121、123串联，而这三个元件与第三连接装置125并联连接；
-具有第一、第二和第三连接装置121、123、125的所有可能排列的三个上述的开关位置。
还可以提出的是，开关装置240可以仅实现所述开关位置中的若干种，例如仅两种开关位置：要么是层叠的能量储存结构130和所有能量储存元件122、124、126的完全并联连接，要么是层叠的能量储存结构130与所有能量储存元件122、124、126的完全串联连接(串接连接)。
开关装置240可以例如形成为具有功率电子元件、开关器、晶体管、中继器等等的开关网络。开关装置240还可以形成为集成电路，尤其形成为专用集成电路(ASIC)。
开关装置240可以通过开关信号252来控制，以便在开关装置240的可能的开关位置之间进行转换。开关信号252可以由外部的控制单元发出并且例如经由数据总线到达开关装置240。如果能量储存系统200例如安装在载具中，如飞行器或航天器中，则开关信号252可以由载具的数据总线接收。
能量储存系统200还可以具有控制装置250，借助于该控制装置能够基于优选指示电流需求和/或电压需求的输入信号251来控制开关装置240。输入信号251可以由外部的控制单元发出并且例如经由数据总线到达控制装置250。如果能量储存系统200例如安装在载具中，如飞行器或航天器中，则输入信号251可以由载具的数据总线接收并且指示载具的电流需求和/或电压需求，例如电机、空调系统的电流需求和/或电压需求和/或载具的总电流需求和/或电压需求。
控制装置250可以被设计为用于基于所接收的输入信号251来产生开关信号252并用开关信号252来控制开关装置240。控制装置可以例如形成为计算机、微控制器、控制器，形成为现场可编程门阵列(FPGA)或者形成为其他的可编程或经编程的逻辑电路。
开关信号252优选如下地通过控制装置250来产生，使得在开关装置240基于此开关信号252所采取的开关位置中，通过层叠的能量储存结构130和所有的能量储存元件122、124、126的总体来输出电流和/和电压，该电流和/或电压对应于或超过由控制信号251指示的电流需求和/或电压需求。
用于操作能量储存系统100；200的方法可以包括以下步骤：如下地连接开关装置240，使得开关装置240采取任意的所希望的开关位置，例如上述的开关位置。该方法尤其可以包括对开关装置240的这样的连接，使得至少一个连接装置121、123、125(或者所有的连接装置121、123、125)与层叠的能量储存结构130电并联地连接，并且另外包括对开关装置240的这样的连接，使得该至少一个连接装置121、123、125与该层叠的能量储存结构130电串联地连接，其中可以例如依赖于输入信号251来进行这一种或另一种连接。
操作能量储存系统100；200的方法另外可以提供对放电模式的设定，其中从层叠的能量储存结构130和/或从连接在至少一个连接装置121、123、125处的电能储存元件122、124、126取出电能。该方法可以任选地另外提供对充电模式的设定，其中对层叠的能量储存结构130和/或连接在至少一个连接装置121、123、125处的电能储存元件122、124、126供应电能，以便对层叠的能量储存结构130或电能储存元件122、124、126充电。控制装置250可以被形成为或适配为用于设定放电模式和/或充电模式，例如基于输入信号251。
图3示出示意性流程图，以解说根据本发明的另一个实施方式的用于制造能量储存系统100；200的方法。在步骤S01中，提供了壳体110，该壳体具有层叠的能量储存结构130，如上文中所描述的。在步骤S02中，在壳体110中或壳体110处安排或安置至少一个用于能量储存元件122、124、126或能量储存元件组的连接装置121、123、125，例如具有先前描述的特征。该制造方法可以包括任选的步骤S03，其中将至少一个能量储存元件122、124、126或能量储存元件组电连接和/或机械连接到至少一个连接装置121、123、125。
在上面的详细说明中，在一个或多个实例中总结了用于改进图示的严谨性的各种特征。然而在此应当清楚的是，上面的说明仅仅是展示性的而绝不是限制性的。该说明用于涵盖不同特征和实施例的所有替代方案、修改和等效物。在查阅上文说明的情况下，本领域技术人员基于其专业知识将立即且直接地明了许多其他的实例。
选出并说明这些实施例以便能够尽可能最好地展现本发明所基于的原理及其在实践中的应用可能性。由此，本领域技术人员可以参照预期的使用目的来最优地修改和使用本发明及其不同的实施例。在权利要求书以及说明书中，术语“包含”和“具有”用作对应术语“包括”的中性语言的概念化(neutralsprachliche Begrifflichkeiten)。此外，术语“一个”的使用原则上应当不排除多数个所描述的特征和部件。

Claims (10)

1.一种能量储存系统(100；200)，具有：
壳体(110)，所述壳体具有层叠的能量储存结构(130)；以及
至少一个安排在所述壳体(110)中的用于能量储存元件(122，124，126)或能量储存元件组的连接装置(121，123，125)。
2.根据权利要求1所述的能量储存系统(100；200)，
其中所述层叠的能量储存结构(130)具有
阴极层(131)、
至少一个阳极层(133，134，135)、以及
在所述阴极层(131)与所述至少一个阳极层(133，134，135)之间安排的隔离物层(132)。
3.根据权利要求1或2之一所述的能量储存系统(100；200)，
其中至少一个阳极层(133，134，135)具有碳纤维和/或合成树脂。
4.根据权利要求1至3之一所述的能量储存系统，
其中所述阴极层(131)具有铁素体或由铁素体组成。
5.根据权利要求1至4之一所述的能量储存系统，
其中所述隔离物层(132)具有玻璃纤维和/或合成树脂。
6.根据权利要求1至5之一所述的能量储存系统(200)，具有：
开关装置(240)，借助于所述开关装置，所述至少一个连接装置(121，123，125)能够与所述层叠的能量储存结构(130)电并联以及电串联地连接。
7.根据权利要求6所述的能量储存系统(200)，
具有控制装置(250)，借助于所述控制装置能够基于指示电流需求和/或电压需求的输入信号(251)来控制所述开关装置(240)。
8.一种用于操作根据权利要求6或7之一所述的能量储存系统(200)的方法，具有以下步骤：
连接所述开关装置(240)以便将所述至少一个连接装置(121，123，125)与所述层叠的能量储存结构(130)电并联地连接；
和/或
连接所述开关装置(240)以便将所述至少一个连接装置(121，123，125)与所述层叠的能量储存结构(130)电串联地连接。
9.一种用于制造能量储存系统(100；200)的方法，具有以下步骤：
制备(S01)壳体(110)，所述壳体具有层叠的能量储存结构(130)；以及
将至少一个用于能量储存元件(122，124，126)或能量储存元件组的连接装置(121，123，125)安排(S02)在所述壳体(110)中。
10.根据权利要求9所述的方法，具有以下步骤：
将至少一个能量储存元件(122，124，126)或能量储存元件组连接(S03)到所述至少一个连接装置(121，123，125)。
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