DE102005062515A1

DE102005062515A1 - Vorrichtung zum Speichern von Energie sowie Verwendung einer derartigen Vorrichtung zum Speichern von Energie

Info

Publication number: DE102005062515A1
Application number: DE102005062515A
Authority: DE
Inventors: Robert Goldner
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-05
Also published as: WO2007073726A3; WO2007073726A2; EP1966869A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten, wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit zumindest eine Leiterplatine aufweist, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, die über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack und/oder zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie sowie die Verwendung einer derartige Vorrichtung zum Speichern von Energie. Eine derartige Vorrichtung zum Speichern von Energie ist zwischen einem Energieerzeuger, der die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie versorgt, und einem Energieverbraucher, der bei Energieengpässen von der Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie versorgt wird, angeordnet. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie dient als Energiepuffer für Verbraucher. Insbesondere wenn bei einem Verbraucher kurzfristig viel Energie benötigt wird, die die eigentliche Stromquelle des Verbrauchers nicht bereitstellen kann, kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie entsprechende Energiereserven liefern.
So sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Speichern von Energie bekannt, die Kraftfahrzeuge wirtschaftlicher machen und deren Fahrleistungen verbessern sollen. Hierbei werden die Vorrichtungen zum Speichern von Energie beispielsweise mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Wird das Kraftfahrzeug beschleunigt, bringt der Energieschub aus der Vorrichtung zum Speichern von Energie zusätzliche Leistung. Die Vorrichtungen zum Speichern von Energie können Batterien bzw. Akkus sein, die aber mit der Zeit verschleißen und dadurch an Speicherkraft verlieren.
Es sind Hybridkraftfahrzeuge bekannt, die gleichzeitig von einem Elektro- und einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, der sowohl den Elektromotor mit Strom versorgt, als auch einen leistungsstarken Akku, die so genannte Vorrichtung zum Speichern von Energie, lädt. Durch ein geschicktes Motormanagement kann bei einem solchen Hybridsystem ein sehr geringer Gesamtverbrauch ermöglicht werden. Der Clou eines solchen Fahrzeugs ist, dass über die im Akku gepufferte Energie kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zur Verfügung steht, als der eingebaute Verbrennungsmotor eigentlich liefern kann. So lassen sich die Fahrleistungen des Fahrzeugs extrem steigern.
Der Nachteil eines solchen Systems liegt in den Akkus. Da in elektrochemischen Reaktionen chemische Verbindungen umgesetzt werden, unterliegen Akkus bei den ständigen Lade- und Entladevorgängen einem Verschleiß, so dass die Leistung irgendwann nachlässt.
Alternativ zu den Akkus können Kondensatoren, insbesondere Hochleistungs-Kondensatoren, als Vorrichtungen zum Speichern von Energie eingesetzt werden. Kondensatoren ermöglichen eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer dieser Pufferspeicher, denn in Kondensatoren laufen keine elektrochemischen Reaktionen ab, sondern es werden lediglich Ladungen getrennt. Ein einfacher Kondensator besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Auf der einen Metallplatte herrscht ein Überschuss an Elektronen, auf der anderen Metallplatte ein Mangel an Elektronen. Werden beide Metallplatten elektrisch leitend verbunden, fließt ein Strom und die im Kondensator gespeicherte Energie kann genutzt werden.
Je größer die Oberfläche der Metallplatten ist und je näher die beiden Metallplatten zusammen liegen, desto größer ist die Kapazität des Kondensators und desto mehr Energie kann durch ihn gespeichert werden. Herkömmliche Kondensatoren die Energien von etwa 200 Wattstunden speichern können, was für Kraftfahrzeuge notwendig ist, sind jedoch sehr groß und damit auch sehr schwer. Der Einsatz solcher herkömmlicher Kondensatoren ist somit in vielen Fällen unwirtschaftlich.
Moderne Doppelschicht-Kondensatoren, auch Ultra-Kondensatoren genannt, deren Oberfläche nach den Regeln der fraktalen Geometrie um einen Faktor von mehreren Zehntausend größer ist als bei normalen Kondensatoren, ermöglichen deutlich kleiner Geometrien bei hoher Leistung. Derartige Ultra-Kondensatoren weisen winzige Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten, dreidimensionalen Oberfläche auf. Pro Gramm des Materials sind so Oberflächen von etwa 2000 und mehr Quadratmetern und damit eine extrem hohe Speicherkapazität möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Speichern von Energie zu schaffen, deren Speicherkapazität schnell und kostengünstig auf die Notwendigkeiten unterschiedlicher Verbraucher einstellbar ist, wobei die räumlichen Abmaße und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglichst gering sind, bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß den Patentansprüchen 17 und 18 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten, wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit zumindest eine Leiterplatine aufweist, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, die über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist, stellt eine Vorrichtung zum Speichern von Energie dar, deren Speicherkapazität schnell und kostengünstig auf die Notwendigkeiten unterschiedlicher Verbraucher einstellbar ist, wobei die räumlichen Abmaße und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglichst gering sind, bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität der Vorrichtung.

Dadurch, dass jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie lösbar verbunden ist, wird eine Vorrichtung zum Speichern von Energie geschaffen, die modular aufgebaut ist. D.h., je nach Notwendigkeit der Energieversorgung des an die Anschlusseinrichtung der Vorrichtung zum Speichern von Energie angeschlossenen Energieverbrauchers, kann die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie schnell und einfach verändert werden. Die Energiespeichereinheiten stellen einzelne Speichermodule dar. Je nach Bedarf der Energieversorgung des Verbrauchers können die Energiespeichereinheiten modular an die Vorrichtung zum Speichern von Energie hinzugefügt oder entfernt werden. Hierdurch kann die Größe und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie für jeden möglichen Bedarf minimal gehalten werden. Es können genau so viele Energiespeichereinheiten an der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigt werden, wie im Einzelfall benötigt werden.

Die Größe der einzelnen Energiespeichereinheiten ist ebenfalls frei wählbar. Eine Energiespeichereinheit weist zumindest eine Leiterplatine auf, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen. Die Energiespeicher sind die kleinste Speichereinheit bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie. Sie können Akkus oder Kondensatoren darstellen. Gegenüber einem Akku weist ein Kondensator die Vorteile auf, das er schnell geladen und entladen, sehr hohen Be- und Entladestromstärken ausgesetzt werden kann, praktisch keine Materialveränderungen und dadurch hohe Zyklendauern sowie einen langen Betriebszeitraum aufweist. Allerdings ist die in einem Kondensator gespeicherte Energie W ist im Vergleich zu einem Akku bei gleicher Ladung Q und Spannung U nur halb so groß.

Je nach vorhandenem Platz in der Vorrichtung zum Speichern von Energie können die Energiespeichereinheiten mal mit mehr oder mal mit weniger Energiespeichern bestückt sein. Die einzelnen Energiespeicher sind über elektrische Leitungen miteinander verbunden. Diese elektrischen Leitungen laufen an einer Stelle jeder Energiespeichereinheit zusammen, die dann mit dem zumindest einen Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie elektrisch verbunden werden. Das Leitungselement weist zumindest eine Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher auf, um die in den Energiespeichereinheiten gespeicherte Energie an den Energeiverbraucher abzugeben.

Vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Energiespeichereinheit der Vorrichtung zum Speichern von Energie eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Über das Verbindungselement und die Leistungselektronik können die Energiespeichereinheiten geladen werden. Die Leistungselektronik sorgt dafür, dass die Energiespeichereinheiten geladen, aber nicht von dem Energieerzeuger entladen werden können. Es kann vorgesehen sein, dass jede Energiespeichereinheit eine eigene Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Es ist aber auch möglich, dass alle Energiespeichereinheiten der Vorrichtung zum Speichern von Energie eine gemeinsame Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweisen. Die Leistungselektronik weist vorteilhafterweise einen Überspannungsschutz auf, um die Energiespeicher der Energiespeichereinheiten vor zu großen Spannungen zu schützen.

Durch den modularen Aufbau der Vorrichtung zum Speichern von Energie können für jeden Energieverbraucher exakt dimensionierte Vorrichtung zum Speichern von Energie schnell und kostengünstig angepasst werden. Die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie lässt sich durch das Hinzufügen von modularen Energiespeichereinheiten leicht erhöhen und durch das Entfernen von modularen Energiespeichereinheiten leicht verringern.

Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Energiespeicher Doppelschichtkondensatoren sind. Doppelschichtkondensatoren sind sehr effiziente Energiespeicher, die elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben können. Sie eignen sich deshalb insbesondere für die kurzfristige Überbrückung von Stromausfällen und das Abdecken von Lastspitzen. Die Doppelschichtkondensatoren können elektrostatische bzw. elektrochemische Doppelschichtkondensatoren sein. Diese werden auch als Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Ultracaps oder Supercaps bezeichnet.

Bei elektrostatischen Doppelschichtkondensatoren findet die Ladungsspeicherung durch Ladungstrennung und Ausrichtung von Solvartionsdipolen an einer Doppelschicht statt. Hierbei tritt kein Ladungsdurchtritt auf, so dass die chemische Zusammensetzung konstant bleibt. Erst bei Überspannungen würde ein unerwünschter Ladungsdurchtritt erfolgen. Das Laden der Doppelschichtkondensatoren ist genauso schnell wie das Entladen in nur wenigen Sekunden möglich. Eine Ladeüberwachung ist in der Regel nicht notwendig.

Die gespeicherte Energie eines elektrostatischen Doppelschichtkondensators hängt von der Spannung, dem Elektrodenabstand sowie der zur Verfügung stehenden Oberfläche ab. Besonders geeignet sind Doppelschichtkondensatoren mit Kohlenstoffkontaktflächen. Die Oberfläche kann durch den Einsatz von Aktivkohlevliesen gegenüber einem normalen Kondensator extrem vergrößert werden. Hierbei schaffen winzige Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten, dreidimensionalen Oberfläche sehr große Oberflächen, so dass pro Gramm des Kohlenstoffpartikel-Materials Oberflächen von über 2000 Quadratmetern und damit eine extrem hohe Kapazität möglich sind.

Derartige Doppelschichtkondensatoren sind sehr leicht, bei gleichzeitig hoher Energiespeicherfähigkeit. So können Supercaps bei einem Gewicht um die 300g Energiemengen von über einer Wattstunde speichern.

Durch die Verwendung von zuvor erwähnten Doppelschichtkondensatoren kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie in Ihren äußeren Abmaßen sehr klein und im Gewicht niedrig gehalten werden. Gleichzeitig ermöglichen derartige Doppelschichtkondensatoren eine hohe Speicherkapazität. Die Energiespeichereinheiten stellen kleine Speichermodule dar, die einfach und schnell an das Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigt oder entfernt werden können, um die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie zu variieren.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der eine Energiespeichereinheit zwei parallel zueinander verlaufende Leiterplatinen aufweist, wobei auf den der jeweils anderen Leiterplatine abgewandten Seite einer Leiterplatine jeweils eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, ist besonders geeignet, da sowohl die Befestigung der Energiespeicher an den Leiterplatinen, als auch die Leiterplatinen selbst einfach ausgebildet sein kann. Bei derartigen Energiespeichereinheiten können die elektrischen Leitungen, die die Energiespeicher miteinander verbinden, zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet sein. Bevorzugt sind die zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen lösbar aneinander befestigt. Die Leiterplatinen können kraftschlüssig aneinander befestigt sein. So können sie beispielsweise miteinander verschraubt sein. Die Platine kann einfache Kupferleitungen und Kupferbohrungen als elektrische Leitungen aufweisen.

Vorteilhaft ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der das Leitungselement Befestigungselemente zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zumindest zweier Energiespeichereinheiten aufweist. Hierdurch lassen sich die Energiespeichereinheiten, die so genannten modularen Speichermodule, einfach und schnell an dem zumindest einem Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigen. Je nach Bedarf kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energiespeichereinheiten bestückt werden. Ideal ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Befestigungselemente elektrisch leitende Steckverbindungen sind. Derartige Steckverbindungen sorgen neben einem sicheren Halt der Energiespeichereinheiten an dem Leitungselement für eine schnelle Befestigung der Energiespeichereinheiten an dem Leitungselement. Je nach Energiebedarf des Verbrauchers kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie einfach mit einer entsprechenden Anzahl von Energiespeichereinheiten bestückt werden.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, ist besonders geeignet, da hierdurch die Leistungselektronik besonders gut geschützt ist vor äußeren Einflüssen. Ferner ist eine Energiespeichereinheit, bei der Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, sehr leicht und kostengünstig herzustellen. Die Leiterplatinen können relativ einfach ausgebildet sein, da die Leistungselektronik zwischen ihnen sitzt. Die Leiterplatinen weisen einfache Leitungen und Bohrungen aus Kupfer auf, um die Energiespeicher und die Leistungselektronik elektronisch miteinander zu verbinden. Eine Energiespeichereinheit, bei der Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, ist auch ihn Ihren äußeren Abmaßen gering, wodurch eine Bauraumoptimierung der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglich ist.

Vorteilhaft ist ferner eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektronik zumindest einen Thyristor, eine Sicherung, einen Schalter und/oder ein elektronisches Halbleiterbauteil aufweist. Der Thyristor, die Sicherung, der Schalter und das elektronische Halbleiterbauteil dienen zum Schutz der Energiespeichereinheit bzw. der Energiespeicher. Vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger und einer Energiespeichereinheit ein Thyristor, eine Sicherung, ein Schalter und ein elektronisches Halbleiterbauteil sitzen. Wenn die an den Energiespeichern anliegende Spannung zu groß wird, zündet der Thyristor, was zu einem großen Stromfluss aus dem Energieerzeuger und zum Auslösen der Sicherung führt. Ein Thyristor ist ein elektronisches Bauteil, ein so genannter Mehrschichthalbleiter. Ein Thyristor hat drei Anschlüsse. Neben einem Anoden- und einem Kathodenanschluss weist ein Thyristor einen Gate-Anschluss auf. Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Durchlassrichtung sperrt er bis zu einer Durchbruchspannung. In Durchlassrichtung kann er durch einen Stromimpuls am Gate-Anschluss in einen leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode. Die Diode ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Polen, das eine unsymmetrische und nichtlineare Kennlinie besitzt. Eine Diode ist für Strom, der in eine Richtung fließt, durchlässig und für Strom, der entgegengesetzt durch den Leiter fließt, unterhalb der Durchbruchspannung ein Isolator. Der Thyristor wird als steuerbare Diode eingesetzt. Durch eine Strominjektion in die dritte Schicht, wobei die Ansteuerung am Gate-Anschluss erfolgt, kann der Thyristor gezündet, d.h. leitfähig geschaltet, werden. Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode, sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Gelöscht, d.h. in den Sperrzustand versetzt, wird der Thyristor durch Unterschreiten des Haltestroms, im Allgemeinen durch Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis.

Der Schalter ist zwischen dem elektronischen Halbleiterbauteil auf der einen Seite und der Sicherung sowie dem Thyristor auf der anderen Seite angeordnet. Wenn der Energieerzeuger die Vorrichtung zum Speichern von Energie aufladen soll, wird der Schalter geschlossen, so dass es zu einem Stromfluss von dem Energieerzeuger über das elektronische Halbleiterbauteil, über den Schalter, über die Sicherung und den Thyristor zu den Energiespeichern der Energiespeichereinheit kommt. Das elektronische Halbleiterbauteil verhindert, dass Strom von den Energiespeichern der Energiespeichereinheit zu dem Energieerzeuger fließt. Energieerzeuger, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, verträgt es nicht Energiesenke zu sein. Das elektronische Halbleiterbauteil kann beispielsweise als Diode ausgebildet sein. Da eine Diode jedoch verlustbehaftet sein kann, ist besonders bevorzugt, das dass elektronische Halbleiterbauteil ein Transistor, insbesondere ein MOSFET (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ist. Durch einen MOSFET können Energieverluste an den Energiespeichern reduziert werden.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektroniken zweier nebeneinander angeordneter Energiespeichereinheiten miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht, dass die Leistungselektronik der einzelnen Energiespeichereinheiten nochmals vereinfacht werden können. Die Kopplung der Leistungselektroniken sorgt für eine Einsparung an benötigter Elektronik. So kann nur eine Verbindung zu dem Energieerzeuger vorgesehen sein, anstelle einer Verbindung von jeder Energiespeichereinheit zu dem Energieerzeuger. Durch die Kopplung der Leistungselektroniken können beispielsweise alle Thyristor einer jeden Leistungselektronik zünden, wenn eine Überlastung an einem Energiespeicher vorliegt.

Das Leitungselement dient der Weiterleitung der Energie, d.h. des Stroms, an den Energieverbraucher. Hierzu sollte das Leitungselement zumindest zwei Leitungsschienen, einen Plusleiter und einen Minusleiter, aufweisen, um einen Stromfluss zu gewährleisten. Bevorzugt ist jedoch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der das Leitungselement drei Leitungsschienen aufweist. Die dritte Leitungsschiene dient als Schutzleiter. Dieser Schutzleiter führt direkt auf Erde und dient dazu, gefährliche Berührungsspannungen an leitfähigen Gehäuse- oder Bedienteilen zu verhindern.

Ganz besonders vorteilhaft ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der zwei nebeneinander angeordnete Energiespeichereinheiten versetzt zueinander verlaufen. Hierdurch können die äußeren Abmaße der Vorrichtung zum Speichern von Energie reduziert werden. Die Energiespeichereinheiten können dabei ineinander verschachtelt angeordnet sein.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Energiespeicher einer Energiespeichereinheit an einer Leiterplatinenseite in zumindest einer Reihe angeordnet sind, ist besonders Platz sparend und konstruktiv einfach. Hierdurch lassen sich die Energiespeicher besonders einfach an der Leiterplatine befestigen. Beispielsweise ist eine Energiespeichereinheit, die auf jeder Seite zwei Reihen mit je sechs Energiespeichern aufweist, gut als so genanntes Speichermodul geeignet. Die Energiespeichereinheit ist auf diese Weise kompakt ausgebildet und verfügt durch die Vielzahl der Energiespeicher, hier 24 Energiespeicher, über eine relativ hohe Speicherkapazität.

Bevorzugt ist ferner eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der zwischen dem Leitungselement und dem Energieverbraucher eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil und eine Sicherung vorgesehen sind. Die Stromquelle erlaubt in Sperrrichtung des elektronischen Halbleiterbauteils, insbesondere eine Diode oder ein MOSFET, lediglich einen kleinen Stromfluss, während zum Energieverbraucher ein unbegrenzter Stromfluss möglich ist.

Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Vorrichtung zum Speichern von Energie eine Steuereinrichtung aufweist, ist besonders zur Steuerung des Energiebedarfs des Energieverbrauchers geeignet. Die Steuereinrichtung steuert den Übergang der in der Vorrichtung zum Speichern von Energie gespeicherten Energie zu dem Energieverbraucher. Ferner kann die Steuereinrichtung den Ladevorgang der Vorrichtung zum Speichern von Energie steuern. Ist die Speicherkapazität der Energiespeichereinheiten nicht ausgeschöpft, so schließt die Steuereinheit den oder die Schalter der Leistungselektronik(en) der Energiespeichereinheit(en), so dass der oder die Energieerzeuger die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie beladen kann bzw. können.

Die Vorrichtung zum Speichern von Energie kann aus dem Leitungselement, den Energiespeichereinheiten, dem Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher sowie der Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger bestehen. Bevorzugt ist aber eine Vorrichtung zum Speichern von Energie die ein Gehäuse aufweist. Hierdurch sind die zuvor genannten Bauteile vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher sowie das Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger können in das Gehäuse integriert sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Leitungselement an dem Gehäuse lösbar befestigt ist. Je nach benötigter Größe der Vorrichtung zum Speichern von Energie kann das Leitungselement kleiner oder größer ausgebildet sein. Je größer das Leitungselement ist, desto mehr Anschlussmöglichkeiten, insbesondere Steckverbindungen, zur Aufnahme von Energiespeichereinheiten weist dieses auf. Bei Bedarf kann ein Leitungselement einfach und schnell durch ein anderes, beispielsweise größeres, Leitungselement ersetzt werden.

Die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack stellt einen möglichen Einsatzbereich der Vorrichtung zum Speichern von Energie dar. So kann als Energieerzeuger ein Brennstoffzellenstack genutzt werden.

Ferner ist die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor vorteilhaft. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie können künftige Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher gemacht und deren Fahrleistungen verbessert werden. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie wird mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Beim Beschleunigen bringt der Energieschub aus der Vorrichtung zum Speichern von Energie zusätzliche Leistung, die der Brennstoffzelle des Autos fehlt.

Die Verbrennungsmotoren beispielsweise gewöhnlicher Kraftfahrzeuge sind häufig um den Faktor zwei überdimensioniert. Die maximale Motorleistung wird nur während eines Bruchteils der Betriebszeit benötigt, etwa beim Beschleunigen aus dem Stand oder bei einem Überholmanöver. Die meiste Zeit würde ein derartiger Verbrennungsmotor mit wesentlich geringerer Leistung völlig ausreichen. Überdimensionierte Verbrennungsmotoren sind jedoch nicht nur teurer und schwerer, sie verbrauchen insgesamt auch mehr Kraftstoff, da der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im unteren Bereich seiner Leistungskurve deutlich geringer ist. Durch die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie kann durch den Zugriff auf die gespeicherte Energie kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zur Verfügung gestellt werden, als der Verbrennungsmotor eigentlich liefern kann. So lassen sich die Fahrleistungen eines Kraftfahrzeuges extrem steigern.

Durch den modularen Aufbau der Vorrichtung zum Speichern von Energie kann diese schnell und kostengünstig auf den jeweiligen zusätzlichen Energiebedarf eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs angepasst werden.

Gleiches gilt für künftige Brennstoffzellenautos. Statt des Verbrennungsmotors mit Generator liefert eine Brennstoffzelle die elektrische Energie. Über die Vorrichtung zum Speichern von Energie kann die Leistung der Brennstoffzelle kurzfristig gesteigert werden, so dass die Dimensionierung der Brennstoffzelle effizient angebildet sein kann. Die einfache individuelle Anpassung der Vorrichtung zum Speichern von Energie durch deren modularen Aufbau der Energiespeichereinheiten schafft eine sehr einfache und vielfältige Verwendungsmöglichkeit der zum Speichern von Energie.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie angeordnet zwischen einem Energieerzeuger und einem Energieverbraucher;
2 eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit einem Gehäuse;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zum Speichern von Energie;
4 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie;
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 angeordnet zwischen einem Energieerzeuger 9 und einem Energieverbraucher 3. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist eine Leistungselektronik 8 mit einem elektronischen Halbleiterbauteil 14, einem Thyristor 10, einer Sicherung 11 und einem Schalter 13 in Richtung zum Energieerzeuger 9 auf. Der Energieerzeuger 9 kann eine Brennstoffzelle sein.
Der Thyristor 10, die Sicherung 11, der Schalter 13 und das elektronische Halbleiterbauteil 14 dienen zum Schutz der Energiespeichereinheit 4 bzw. der Energiespeicher 6 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1. Wird die an den Energiespeichern 6 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 anliegende Spannung zu groß, zündet der Thyristor 10, was zu einem großen Stromfluss aus dem Energieerzeuger 9 und zum Auslösen der Sicherung 11 führt. Der Thyristor 10 sperrt in Durchlassrichtung bis zu einer bestimmten Durchbruchspannung. In Durchlassrichtung kann er durch einen Stromimpuls am Gate-Anschluss in einen leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode.
Der Schalter 13 ist zwischen dem elektronischen Halbleiterbauteil 14 auf der einen Seite und der Sicherung 11 sowie dem Thyristor 10 auf der anderen Seite angeordnet. Wenn der Energieerzeuger 9 die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 aufladen soll, wird der Schalter 13 geschlossen, so dass es zu einem Stromfluss von dem Energieerzeuger 9 über das elektronische Halbleiterbauteil 14, über den Schalter 13, über die Sicherung 11 und den Thyristor 10 zu den Energiespeichern 6 der Energiespeichereinheit 4 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 kommt. Das elektronische Halbleiterbauteil 14 verhindert, dass Strom von den Energiespeichern 6 der Energiespeichereinheit 4 zu dem Energieerzeuger 9 fließt, da Energieerzeuger, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, es nicht vertragen Energiesenke zu sein. Das elektronische Halbleiterbauteil 14 ist bevorzugt als MOSFET ausgebildet.
Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist in Richtung des Energieverbrauchers 3 eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil 15 und einer Sicherung 12 auf. Die Stromquelle erlaubt in Sperrrichtung des elektronischen Halbleiterbauteils 15, insbesondere ein MOSFET, einen kleinen Stromfluss, während zum Energieverbraucher 3 hin ein unbegrenzter Stromfluss möglich ist.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist ein Gehäuse 16 auf, in welchem ein Leitungselement 2 angeordnet ist. An dem Leitungselement 2 sind fünf Energiespeichereinheiten 4 lösbar elektrisch leitend befestigt. Jede Energiespeichereinheit 4 weist zwei Leiterplatinen 5 auf die parallel zueinander verlaufen. An jeder Leiterplatine 5 sind zwölf Energiespeicher 6 befestigt, wobei diese in zwei Reihen von je sechs Energiespeicher 6 ausgebildet sind. Die Energiespeicher 6 sind über elektrische Leitungen 7 untereinander elektrisch leitend verbunden.
In den 3 und 4 sind Schnitte durch eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 dargestellt. Das Leitungselement 2 ist an dem Gehäuse 16 fest angeordnet. Die Energiespeichereinheiten 4 sind untereinander an dem Leitungselement 2 lösbar befestigt. Die Befestigung kann insbesondere eine formschlüssige Steckverbindung sein. Die Energiespeicher 6 sitzen direkt auf den Leiterplatinen 5 der Energiespeichereinheiten 4. Über die elektrischen Leitungen 7 sind die Energiespeicher 6 miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weisen die Energiespeichereinheiten 4 jeweils zwei Leiterplatinen 5 auf. Zwischen den Leiterplatinen 5 ist die Leistungselektronik 8 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 vorgesehen. Die Energiespeicher 6 sind insbesondere Doppelschichtkondensatoren, so genannte Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Ultracaps oder Supercaps. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 17 auf, die insbesondere zur Steuerung des Energiebedarfs des Energieverbrauchers 3 geeignet. D.h., die Steuereinrichtung 17 steuert den Übergang der in der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 gespeicherten Energie zu dem Energieverbraucher 3. Die Steuereinrichtung 17 kann ebenfalls den Ladevorgang der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 steuern. Ist die Speicherkapazität der Energiespeichereinheiten 4 nicht ausgeschöpft, so schließt die Steuereinheit 17 den oder die Schalter 13 der Leistungselektronik(en) 8 der Energiespeichereinheit(en) 4, so dass der oder die Energieerzeuger 9 die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 mit Energie beladen kann bzw. können.

1: Vorrichtung zum Speichern von Energie
2: Leitungselement
3: Energieverbraucher
4: Energiespeichereinheit(en)
5: Leiterplatine
6: Energiespeicher
7: elektrische Leitungen
8: Leistungselektronik
9: Energieerzeuger
10: Thyristor
11: Sicherung
12: Sicherung
13: Schalter
14: elektronisches Halbleiterbauteil
15: elektronisches Halbleiterbauteil
16: Gehäuse
17: Steuereinrichtung

Claims

Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement (2) mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher (3), aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten (4), wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten (4) elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement (2) lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit (4) zumindest eine Leiterplatine (5) aufweist, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern (6) sitzen, die über elektrische Leitungen (7) miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit (4) eine Leistungselektronik (8) mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger (9) aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (6) Doppelschichtkondensatoren sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiespeichereinheit (4) zwei parallel zueinander verlaufende Leiterplatinen (5) aufweist, wobei auf den der anderen Leiterplatine (5) abgewandten Seite einer Leiterplatine (5) jeweils eine Vielzahl von Energiespeichern (6) sitzen.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen (5) lösbar aneinander befestigt sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (2) Befestigungselemente zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zumindest zweier Energiespeichereinheiten (4) aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente elektrisch leitende Steckverbindungen sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (8) zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen (5) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (8) zumindest einen Thyristor (10), eine Sicherung (11, 12), einen Schalter (13) und/oder zumindest ein elektronisches Halbleiterbauteil (14, 15) aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektroniken (8) zweier nebeneinander angeordneter Energiespeichereinheiten (4) miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (2) zumindest eine Leitungsschiene aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander angeordnete Energiespeichereinheiten (4) versetzt zueinander verlaufen.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (6) einer Energiespeichereinheit (4) an einer Leiterplatinenseite in zumindest einer Reihe angeordnet sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitungselement (2) und dem Energieverbraucher eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil (15) und eine Sicherung (12) vorgesehen sind.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Vorrichtung zum Speichern von Energie (1) eine Steuereinrichtung (17) aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Speichern von Energie ein Gehäuse (16) aufweist.
Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (2) an dem Gehäuse (16) lösbar befestigt ist.
Verwendung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16 zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack.
Verwendung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16 zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor.