CN117999183A - 带有电蓄能器的车辆 - Google Patents
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Abstract
带有电蓄能器(12)的车辆(10)，包括用于电能的第一子储能器(14)和用于电能的第二子储能器(16)，其中，第一子储能器(14)与第二子储能器(16)借助于电路结构相互电气连接。第一子储能器(14)和第二子储能器(16)分别包括至少一个电化学储能单体，其中，第一子储能器(14)的至少一个电化学储能单体具有稳定性优化的单体化学，且第二子储能器(16)的至少一个电化学储能单体具有功率优化的单体化学，且第一子储能器(14)的至少一个电化学储能单体(18)布置在车辆(10)的碰撞结构(24)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有电蓄能器的车辆。
背景技术
电蓄能器是以电化学为基础的蓄能器，其是可再充电的且适配用以存储电能且将其提供给负载、特别是车辆中的负载、例如车辆的电马达。
电蓄能器通常包括多个电化学储能单体，其串联和/或并联地相互电气连接。
在现有技术中已知具有至少部分电动的驱动器的车辆，其使用蓄能器以用于给电马达供电。这种车辆的功率特征基本上通过在电蓄能器中应用的单体化学(Zellchemie)确定。
术语“单体化学”表示在电化学储能单体内材料的所选择的组合、特别是在阴极和阳极中应用的材料的类型以及必要时电化学储能单体的电解液的类型。
在选择适合的单体化学中的决定性参数是可实现的能量密度，亦即电化学蓄能器相对于电蓄能器的体积或重量而言可实现的容量。
然而在设计电蓄能器中越来越多地引入另外的参数以及要求，以便可以提供针对相应考虑的应用情况所优化的电蓄能器。
就此而论特别重要的是电蓄能器的可靠性、循环稳定性、寿命和运行安全性以及对化学元素的限制，该化学元素可以节约资源地且以低生态足迹方式获得。
然而，关于这些另外的参数的改善经常地伴随可实现的能量密度的降低。此外，在一些类型的单体化学的情况下表现出关于确定运行相关的参数、例如充电状态、也称为SoC(英语：“State of Charge”)的问题。
由文献DE 10 2014 018 445 A1已知一种电池，其包括至少两个相互电气连接的单体组，单体组具有不同类型的单体化学，此外还已知一种用于运行该电池的方法。单体组特别是具有不同的电压水平，且根据出现的温度特征和/或功率需求接通或关断所述单体组。因此仅仅在出现的热负荷方面实现对电池特性的优化。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种具有性能卓越且可灵活应用的电蓄能器的车辆。
该任务通过带有电蓄能器的车辆解决，所述车辆包括用于电能的第一子储能器和用于电能的第二子储能器，其中，第一子储能器与第二子储能器借助于电路结构相互电气连接。第一子储能器和第二子储能器分别包括至少一个电化学储能单体，其中，第一子储能器的至少一个电化学储能单体具有稳定性优化的单体化学且第二子储能器的至少一个电化学储能单体具有功率优化的单体化学。
按照本发明的车辆因此具有电蓄能器，其通过稳定性优化和功率优化的单体化学的组合适配于在运行车辆中不同的应用情况和状况。
术语“稳定性优化的单体化学”在此和在下文中表示如下单体化学，其特征在于高循环稳定性和高固有安全性。特别是具有稳定性优化的单体化学的电化学储能单体至少降低热失控(英语：“thermal run-away”)的风险，即使在这样的电化学储能单体发生机械损坏的情况下。优选地，利用稳定性优化的单体化学排除电化学储能单体的热失控。
单体化学是否是稳定性优化的单体化学可以借助于所谓的针刺测试(英语：“nailpenetration test”)来检查。其中，使得具有例如3毫米直径的钉子以例如8厘米/秒的速度沿着Z方向运动穿过要测试的储能单体，其中，沿Z方向完全穿透储能单体。
术语“功率优化的单体化学”在此和在下文中表示如下单体化学，其特征在于高能量密度和/或如下可能性，即在短时间中可以提供高的能量量，特别是通过高能量密度来提供。
电蓄能器特别是锂离子电池。术语“锂离子电池”在此和在下文中同义地用于所有在现有技术中常用的用于包含锂的电流(galvanisch)元件和单体(例如锂电池、锂单体、锂离子单体、锂聚合物单体和锂离子蓄电池)的名称。特别是包含可再充电的电池(二次电池)。
第一子储能器和第二子储能器可以分布地布置在车辆中。换言之，第一子储能器和第二子储能器不必须具有一个共同的电池壳体。
子储能器中的每个还可以包括子单元，其分别具有相应的单体化学的至少一个电化学储能单体。
子储能器的子单元可以同样分布地布置在车辆中。通过这种方式可以优化地充分利用在车辆中可用的结构空间，从而在车辆保持不变的设计的情况下可以进一步提高电蓄能器的总容量。
电路结构在该情况下设立为，将子储能器的子单元相互电气连接。
电路结构特别是能实现第一和第二子储能器的串联和/或并联连接。换言之，借助于电路结构判定：电蓄能器的哪些电化学储能单体提供电能以及这些电化学储能单体如何相互作用。
第一子储能器的至少一个电化学储能单体可以布置在车辆的碰撞结构中。
术语“碰撞结构”表示车辆的一个构件，其如此布置，使得在发生事故的情况下可预期该构件的变形。这样的构件也称为碰撞相关的构件。
通过应用稳定性优化的单体化学，能实现电化学储能单体应用在这种构件中，而在发生事故的情况下不会提高热失控的危险。通过这种方式，可以相比于在仅使用第二子储能器的情况下所能实现的进一步提高电蓄能器的总容量。换言之，借助于第一子储能器在车辆的之前不可用于布置电化学储能单体的结构空间中开发出附加的容量。
这样的构件可以是例如车顶、车轮罩、车尾下侧上的构件和/或在车辆的前围板(Spritzwand)附近的构件。
例如碰撞结构具有空腔或中间空间，第一子储能器的至少一个电化学储能单体布置在所述空腔或中间空间中。
在一个变型中，碰撞结构是第二子储能器的电池壳体的侧护板。这样的侧护板(也称为碰撞框)布置在电池壳体的外侧上且例如设计为空心型材或蜂窝状结构。这样的侧护板应该在发生事故的情况下代替原本的电池壳体变形，从而最高限度地减小的、特别是没有机械负荷作用于在电池壳体内部中的电化学储能单体。在侧护板中存在的空腔可以按照本发明填充第一子储能器的电化学储能单体，因为在出现变形的情况下所述储能单体本身不引起热失控。因此可以提高电蓄能器的可实现的总容量。
在一个变型中，稳定性优化的单体化学同时是成本优化的单体化学。换言之，在该变型中，第一子储能器的电化学储能单体相比于第二子储能器的电化学储能单体更成本有利。通过这种方式可能的是，在发生事故的情况下只有更成本有利的储能单体被其在碰撞结构中的布置影响，而同时更昂贵的功率优化的单体化学可以得到保护且不经受或至少仅仅经受更小的机械负荷。
优选地，第一子储能器的至少一个电化学储能单体具有带有阴极活性材料的电极，阴极活性材料包括带有橄榄石结构的化合物。
这种橄榄石化合物具有用于储存锂离子的快速和可逆的动力学特性，由此产生电蓄能器的高电流负载能力和有利的低温行为。特别有利的是，带有橄榄石结构的化合物是非常稳定的，具有高循环稳定性且能实现电蓄能器的高固有安全性。
带有橄榄石结构的化合物例如是磷酸铁、磷酸铁锰、磷酸铁钴、磷酸铁锰钴、磷酸锰钴、磷酸钴、磷酸镍、磷酸钴镍、磷酸铁镍、磷酸铁锰镍、磷酸锰镍、磷酸镍、或者其组合。带有橄榄石结构的化合物也可以是上述任何一种物质与锂结合。
特别是，带有橄榄石结构的化合物是磷酸铁锂(也称为“LFP”)。LFP具有出色的循环稳定性和稳定性。特别是利用LFP作为阴极活性材料的电化学储能单体在机械损坏的情况下不遭受热失控。
第二子储能器的至少一个电化学储能单体具有带有阴极活性材料的电极，阴极活性材料包括层状氧化物。
层状氧化物可以包含镍和钴，特别是层状氧化物是镍锰钴化合物和/或镍钴铝化合物。
层状氧化物也可以包含如在现有技术中已知的另外的金属。特别是层状氧化物可以包含掺杂金属，例如镁、铝、钨、铬、钛或者其组合。
锂镍锰化合物也可以已知为缩写NMC，有时也备选地为技术缩写NCM。NMC作为阴极活性材料具有值得期望的特征的有利的组合，例如高比容量、降低的钴含量和高的大电流能力。
NMC可以用一般的公式单位LiαNixMnyCozO2(其中，x+y+z＝1)描述，其中，α表示锂的化学计量比例的说明且通常位于0.8与1.15之间。特定化学计量在文献中作为三位数说明，例如NMC 811、NMC 622、NMC 532和NMC 111。三位数分别说明镍：锰：钴的相对含量。换言之，例如NMC 811是如下阴极活性材料，一般的公式单位为Li Ni0.8Mn0.1Co0.1O2，亦即α＝1。
此外也可以使用所谓的富含锂和锰的NMC，其中，一般的公式单位Li1+ε(NixMnyC0z)1-εO2，其中，ε特别是位于0.1与0.6之间、优选地在0.2与0.4之间。该富含锂的层状氧化物也作为过锂化(Overlithitated)的(层状)氧化物(OLO)是已知的。
对于第二子储能器的至少一个电化学储能单体可以使用锂镍钴铝化合物，其作为缩写NCA是已知的且可以通过一般的公式单位LiαNixCoyAlzO2描述，其中，x+y+z＝1，α表示锂的化学计量比例的说明且通常位于0.80与1.15之间。
第一子储能器的容量与第二子储能器的容量的比例处于1:1.5至1:15的范围中。换言之，具有功率优化的单体化学的第二子储能器相比于具有稳定性优化的单体化学的第一子储能器具有更高的容量。通过这种方式可以通过使用稳定性优化的单体化学降低在体积或重量方面的容量损耗，而电蓄能器的总容量保持得高。
还可以给已知车辆——其仅仅具有按照第二子储能器的电蓄能器——补充第一子储能器。
特别是，第一子储能器的容量如此设计，使得纯通过利用第一子储能器车辆可以驶过车辆的用户在一天驶过的平均距离，例如在20至60公里范围中的距离。
为了实现这种续航里程，第一子储能器的容量处于10至50千瓦小时的范围中。
车辆的总重量越高，那么第一子储能器容量可以被选择为越高，以便实现足够的续航里程。
为了充分利用稳定性优化的单体化学的循环稳定性，如果电路结构处于第一运行模式，那么第二子储能器可以是第一子储能器的增程器。
作为增程器——也称为“Range Extender”——第二子储能器在电路结构的第一运行模式下给车辆的负载不直接提供其功率。取而代之地，第二子储能器仅仅用于给第一子储能器充电。通过这种方式可以减少第二子储能器经历的完整的充电放电循环的数量，因为优选地利用第一子储能器。
电蓄能器可以设立为，如果电路结构处于第二运行模式，那么由电蓄能器提供的功率仅仅由第一子储能器或第二子储能器提供。
换言之，在第二运行模式下可以在第一子储能器与第二子储能器的功率特性之间彼此无关地选择。例如利用第二子储能器，只要存在高的功率需求，例如在车辆的加速过程期间，而否则动用第一子储能器，以便充分利用其高循环稳定性。
此外，如果电路结构处于第三运行模式，那么电蓄能器可以具有复合充电放电曲线，其中，复合充电放电曲线具有第一充电范围和第二充电范围，在第一充电范围中电蓄能器的功率由第一子储能器预定，在第二充电范围中电蓄能器的功率由第二子储能器预定。
附图说明
本发明另外的优点和特征从对优选实施形式——其不应在限制的意义上理解——的如下描述以及附图中产生。附图示出：
图1示出按照本发明的带有电蓄能器的车辆的示意图的透视图；
图2示出图1的电蓄能器的第二子储能器的示意截面图；
图3示出图1的电蓄能器的电路结构的原理电路图，其描述电路结构的第一运行模式；
图4示出图1的电蓄能器的电路结构的原理电路图，其描述电路结构的第二运行模式；
图5示出在电路结构运行在第二运行模式的情况下电蓄能器的充电曲线；
图6示出图1的电蓄能器的电路结构的原理电路图，其描述电路结构的第三运行模式；以及
图7示出在电路结构运行在第三运行模式的情况下电蓄能器的充电曲线。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的车辆10，其是电动车辆，也称为“BEV”(英文：“BatteryElectric Vehicle”)。原则上，车辆10但也可以是仅部分或暂时电气驱动的车辆。
车辆10具有电蓄能器12，所述电蓄能器包括用于电能的第一子储能器14和用于电能的第二子储能器16。
不仅第一子储能器14而且第二子储能器16具有至少一个电化学储能单体18或20(参见图3)。然而，为了实现电蓄能器12的期望的总容量以及期望的电压，第一子储能器14和/或第二子储能器16通常包括多个储能单体18或20(参见图6)，其相互串联和/或并联连接。
储能单体18或20中的单体化学、亦即在储能单体18或20中使用的组件的化学成分相互不同。
第一子储能器14的储能单体18具有稳定性优化的单体化学，亦即如下单体化学，其特征在于高循环稳定性和高固有安全性。
在示出的实施形式中，储能单体18具有利用磷酸铁锂(LiFePO4，也称为“LFP”)作为阴极活性材料的电极。LFP的特征在特别的程度上在于其固有安全性，从而即使在利用LFP作为阴极活性材料的储能单体18发生机械损坏的情况下也不会出现所谓的“热失控”。
基本上，第一子储能器14的储能单体18也可以具有其他稳定性优化的单体化学，例如阴极活性材料可以是另一带有橄榄石结构的化合物。
第二子储能器16的储能单体20相比之下具有功率优化的单体化学，亦即如下单体化学，其特征在于高能量密度。
在示出的实施形式中，储能单体20具有带有镍锰钴氧化物(也称为“NMC”)的电极。NMC具有特别高的能量密度且对于在车辆的电蓄能器中的应用是广泛的并且在全球范围可用。
第二子储能器16的储能单体20然而也可以具有其他功率优化的单体化学，例如使用另一层状氧化物作为阴极活性材料，如镍钴铝氧化物(也称为“NCA”)。
在示出的实施形式中，第一子储能器14包括多个子单元22。子单元22在空间上分布地布置在车辆10内。
不言而喻，子单元22备选地也可以在空间上相互接近地布置在车辆内，例如可以存在于一个共同的壳体中。
第一子储能器14的在图1中示出的子单元22中的两个布置在车辆10的碰撞结构24中，其中，第一子单元22设定为接近车辆10的前部26，且第二子单元22设定为接近车辆10的尾部28。
换言之，第一子储能器14的子单元22安装在车辆10的构件中，所述构件在发生事故时使得预期机械变形。这种构件因此也称为碰撞相关的构件。
然而，由于应用在第一子储能器14的储能单体18中的稳定性优化的单体化学，在这样的情况下也可能不出现储能单体18的热失控。
另一方面，第二子储能器16靠近车辆底部30地布置在部段32中，即使在发生事故时该部段也不应遭受机械变形。
在图2中示出沿着车辆横向方向Q第二子储能器16的横截面。
第二子储能器16具有多个子单元34，其分别具有第二子储能器16的多个储能单体20且设计成单体模块。
子单元34布置在第二子储能器16的电池壳体36内。
电池壳体36还具有侧护板38，侧护板构成为空心型材且在电池壳体36的相对的侧面上平行于车辆纵向方向L延伸在电池壳体36的基本上整个长度上。
侧护板38用作附加的碰撞结构24，其在出现事故的情况下可能遭受机械变形，而机械负荷不会作用于第二子储能器16的储能单体20上。
在侧护板38内设有第一子储能器14的另外的子单元22，亦即第一子储能器14的多个储能单体18布置在侧护板38的空心型材中。
原则上，第一子储能器14的储能单体18可以布置在车辆10的碰撞结构24的不同的空腔或中间空间中。
因此，按照本发明的车辆10可以实现对现有结构空间对电蓄能器12的可实现的总容量而言优化的充分利用，而不会负面地影响其固有安全性。
第一子储能器和第二子储能器借助于电路结构40相互电气连接，其中，在图3中示出电路结构40的原理电路图，其描述电路结构40的第一运行模式。
电路结构40包括第一开关装置42、第二开关装置44以及DC/DC转换器46。
第一开关装置42用于接通和关断第一子储能器14(参见图1)的储能单体18，且第二开关装置44用于接通和关断第二子储能器16的储能单体20。
在图3中为了简化图示分别仅示出单个储能单体18或20。不言而喻，分别也可以存在多个储能单体18或20，其相互串联和/或并联连接。
此外设有负载48、在图3中是电马达M，其设立为，驱动车辆10；并且还设有充电源50(在图3中为示意示出的充电连接端)。
如果接通第一开关装置42，那么要么将电流从储能单体18导出至电马达M、亦即对储能单体18放电，要么将电流经由充电源50供给给储能单体18、亦即给储能单体18充电。
如果借助于第二开关装置44接通第二子储能器16的储能单体20，那么将其电压水平借助于DC/DC转换器46转换至第一储能单体18的电压水平。由此可能的是，第二子储能器16用作第一子储能器14的增程器。
原则上，在该变型中然而也可以考虑的是，经由第一开关装置42关断第一子储能器14的储能单体18，且经由第二开关装置44接通第二子储能器16的储能单体20。
在图4中示出电路结构40的原理电路图，其描述电路结构40的第二运行模式。
在该变型中，第一开关装置42和第二开关装置44经由第三开关装置47与负载48或充电源50连接，其中，要么第一子储能器14的储能单体18要么第二子储能器16的储能单体20与负载48或充电源50连接。
换言之，由电蓄能器12提供的功率在电路结构40的第二运行模式下仅由第一子储能器14或第二子储能器16提供。
在图5中示出示例性的充电曲线，如其利用按照图4的电路结构40的设计方案可以实现的那样。
充电曲线表示根据充电状态(SoC)的开路电压OCV的走向。可以看出，在第一充电范围L1中仅仅给第一子储能器14的储能单体18充电，而在第二充电范围L2中仅仅给第二子储能器16的储能单体20充电。
充电范围L1与充电范围L2的区别在图5中附加地通过如下标明，即，SoC在由0至200％的范围中显示，其中，在SoC为100％的情况下只有储能单体18完全充电，且只有在SoC为200％的情况下储能单体20完全充电。
从图5还清楚的是，在第一充电范围L1中使用LFP的情况下产生平坦的充电曲线，亦即在充电范围L1的大部分上只能观察出电压根据SoC的小的变化，如特别是相比于在第二充电范围L2中充电曲线的更陡峭的走向可以看出那样。
通过充电曲线的平坦的走向使得当前SoC的可靠确定变得困难。稳定性优化和功率优化的单体化学的组合允许：在第一与第二充电范围L1或L2之间的过渡中或者在第二充电范围L2中进行对用于充电状态确定(未示出)的估计器的校准。
在图6中示出电路结构40的原理电路图，其描述电路结构40的第三运行模式。
在该变型中，第一子储能器14与第二子储能器16相互并联连接。此外，第一子储能器14和第二子储能器16具有多个相互串联连接的储能单体18或20，其中，相应的多个储能单体18或20被如此选择，使得两个子储能器14和16的充电放电曲线相交。
这在图7中示例性示出，其示出基于LFP的六个相互串联连接的储能单体18的充电曲线的走向以及基于NMC的五个相互连接的储能单体20的充电曲线的走向。在充电曲线之间的电压差随着SoC增大首先下降直至交叉点且紧接着又增大，如通过图7中的箭头阐明的那样。交叉点位于大约89％的SoC处。
因此可以根据复合充电放电曲线运行电蓄能器12，其中，产生的充电放电曲线在充电范围L1中由第一子储能器14的储能单体18预定且在充电范围L2中由第二子储能器16的储能单体20预定。
通过在图7中示出的充电曲线的走向明显的是，第一子储能器14仅仅预定产生的充电曲线的开始，但不预定其结束，而第二子储能器16仅仅预定产生的充电曲线的结束，但不预定其开始。通过这种方式可以减少如下阶段过渡的数量，在重复的充电和放电过程中，第一子储能器14或第二子储能器16的相应单体化学经历所述阶段过渡，因为每个单体化学在每个充电/放电循环最多经历一次阶段过渡是可预期的。
在图6中示出的电路结构40附加地具有第四开关装置52，该第四开关装置可以将第一子储能器14的储能单体18的串联电路与负载48或充电源50相连接以及与并联连接的第二子储能器16相连接或者与之断开。
备选地，借助于第一开关装置42也可以仅仅接通单个储能单体18。
不言而喻，相互串联连接的储能单体18(其可以借助于第一开关装置42接通)的数量也可以高于在图6中所示那样。
Claims (9)
1.带有电蓄能器(12)的车辆，所述车辆包括用于电能的第一子储能器(14)和用于电能的第二子储能器(16)，其中，第一子储能器(14)与第二子储能器(16)借助于电路结构(40)相互电气连接，第一子储能器(14)和第二子储能器(16)分别包括至少一个电化学储能单体(18、20)，第一子储能器(14)的所述至少一个电化学储能单体(18)具有稳定性优化的单体化学且第二子储能器(16)的所述至少一个电化学储能单体(20)具有功率优化的单体化学，且第一子储能器(14)的所述至少一个电化学储能单体(18)布置在车辆(10)的碰撞结构(24)中。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述碰撞结构(24)具有空腔或中间空间，第一子储能器(14)的所述至少一个电化学储能单体(18)布置在所述空腔或中间空间中。
3.根据权利要求1或3所述的车辆，其中，所述碰撞结构(24)是第二子储能器(16)的电池壳体(36)的侧护板(38)。
4.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，所述第一子储能器(14)的所述至少一个电化学储能单体(18)具有带有阴极活性材料的电极，所述阴极活性材料包括带有橄榄石结构的化合物、特别是磷酸铁锂。
5.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，所述第二子储能器(16)的所述至少一个电化学储能单体(20)具有带有阴极活性材料的电极，所述阴极活性材料包括带有层状结构的化合物、特别是镍锰钴氧化物和/或镍钴铝氧化物。
6.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，所述第一子储能器(14)的容量与第二子储能器(16)的容量的比例处于1:1.5至1:15的范围中。
7.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，如果所述电路结构(40)处于第一运行模式，那么第二子储能器(16)是第一子储能器(14)的增程器。
8.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，所述电蓄能器(12)设立为，如果电路结构(40)处于第二运行模式，那么由电蓄能器(12)提供的功率仅仅由第一子储能器(14)或第二子储能器(16)提供。
9.根据上述权利要求之一所述的车辆，其中，如果所述电路结构(40)处于第三运行模式，那么电蓄能器(12)具有复合充电放电曲线，其中，所述复合充电放电曲线具有第一充电范围L1和第二充电范围L2，在所述第一充电范围中电蓄能器(12)的功率由第一子储能器(14)预定，在所述第二充电范围中电蓄能器(12)的功率由第二子储能器(16)预定。
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