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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit,
insbesondere eine netzunabhängige
elektrische Energiespeichereinheit auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien.
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Sowohl
im Stationär-Bereich
als auch im portablen Sektor, wie etwa bei einer mobilen Verwendung
von Handwerkmaschinen, sind netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheiten
bzw. Versorgungseinheiten, wie beispielsweise netzunabhängige Notstromaggregate,
bekannt.
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Ebenso
ist ein Verwenden von Batterien und/oder Sekundärzellen bei netzunabhängigen Anwendungen
weit verbreitet.
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Jedoch
kann bei einer solchen Anwendung ein bedarfsgerechtes zur Verfügung stehen
von benötigter Energie,
zum Beispiel aufgrund von Unterbrechungen zum Laden bzw. Betanken
der Energiespeichereinheiten bzw. Versorgungseinheiten, nicht immer
gewährleistet
sein.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte
netzunabhängige
elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eine netzunabhängige elektrische
Energiespeichereinheit auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien, bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine gemäß Patentanspruch
1 definierte netzunabhängige
elektrische Energiespeichereinheit gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die
erfindungsgemäße netzunabhängige elektrische
Energiespeichereinheit umfasst mindestens drei Batterieeinheiten,
die jeweils mehrere parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen aufweisen,
eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer
Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Hilfsversorgungsschaltung
zum Unterstützen
der Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens
einer der Batterieeinheiten, eine Ladeschaltung zum Laden von mindestens
einer der Batterieeinheiten durch einen externen Ladestrom und eine
Steuerung zum Verbinden und Abtrennen von jeweiligen Batterieeinheiten
mit/von der Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung
oder der Ladeschaltung.
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Durch
einen entsprechenden Betrieb der Steuerung können die aus parallel verschalteten
Sekundärzellen
bestehenden Batterieeinheiten gleichzeitig auf Versorgung eines
(oder mehreren) Verbrauchers, Reserve (Hilfsversorgung des Verbrauchers)
oder Aufladen geschaltet werden.
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Weiterhin
kann in der Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung
und der Ladeschaltung ein Umrichter vorgesehen sein, um die gewünschte Energieausgabe
bzw. Ladeeinspeisung entsprechend anzupassen.
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Ebenso
stimmen die Nennspannung der Energiespeichereinheit und die Nennspannung
der verwendeten Li-Ionen-Zellen im Wesentlichen überein.
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Aufgrund
der Parallelschaltung von einzelnen Sekundärzellen, die im Wesentlichen
die gleiche Nennspannung aufweisen, weist die Energiespeichereinheit
ebenso diese Nennspannung auf. Dadurch können aufwendige Überwachungseinrichtungen
eingespart werden.
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Jede
der mindestens drei Batterieeinheiten kann aus 4–20 parallel geschalteten Li-Ionen-Zellen
aufgebaut sein, wobei jede der Li-Ionen-Zellen, die parallel geschaltet
jeweils eine Batterieeinheit bilden, eine Nominalkapazität von 6–500 Ah
aufweist.
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Weiterhin
können
die verwendeten Li-Ionen-Zellen als elektrochemisch aktive Kathodenschicht
Liinterkalierbare Schwermetalloxide und/oder LiFe- oder LiV phosphate
und als elektrochemisch aktives Anodenmaterial Liinterkalierbaren
synthetischen oder natürlichen
Graphit enthalten.
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Als
Separator zwischen Kathode und Anode können in den verwendeten Li-Ionen-Zellen
poröse
Polyolefin-, Polyfluor- oder
keramische Schichten verwendet werden.
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Weiterhin
gilt, dass die mit dem Verbraucher verbundene/n Batterieeinheit/en
von dem Verbraucher galvanisch entkoppelt ist/sind.
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Dadurch
können
eventuell auftretende Störgrößen minimiert
werden.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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1 zeigt
ein Schaltschema der erfindungsgemäßen netzunabhängigen elektrischen
Energiespeichereinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Das
Ausführungsbeispiel
zeigt spezielle Lithum-Ionen-Batterien,
die entsprechend dem in 1 gezeigten Schema aufgebaut
sind und als netzunabhängige
Energiespeichereinheit genutzt werden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
enthält
die Energiespeichereinheit die Batterieeinheiten I, II und III, die
aus miteinander parallel geschalteten Lithium-Batterien bzw. Lithium-Zellen
aufgebaut sind.
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Weiterhin
ist eine Versorgungsschaltung anhand einer durchgezogenen Linie
dargestellt, die über
einen Schalter 1 die Batterieeinheit I mit einem Verbraucher 7 verbindet.
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In 1 gilt,
dass die Schalterstellung der Schalter 1, 2 und 3a eine
Verbindung zu der Batterieeinheit I, b eine Verbindung zu der Batterieeinheit
II und c eine Verbindung zu der Batterieeinheit III herstellen bzw. unterbrechen.
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Es
sei Angemerkt, dass das Ausführungsbeispiel
drei Batteriespeicher I–III
umfasst, die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist. So können auch
jeweils mehrere Batterieeinheiten mit der Versorgungsleitung, der Hilfsversorgungsschaltung
und/oder der Ladeschaltung verbunden sein.
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In
dem Ausführungsbeispiel
sind die Schalter 1, 2 und 3 Kontaktschalter
mit den jeweiligen Schaltebenen a, b und c. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf Kontaktschalter beschränkt,
sondern es können
jegliche Steuerungs- bzw. Schaltelemente verwendet werden, die dazu
geeignet sind, Batterieeinheiten mit der Versorgungsleitung, der
Hilfsversorgungsschaltung und/oder der Ladeschaltung zu verschalten.
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Weiterhin
ist in 1 eine Hilfsversorgungsschaltung anhand einer
gestrichelten Linie und eine Ladeschaltung anhand einer gepunkteten
Linie dargestellt.
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An
der Versorgungsschaltung ist ein Verbraucher 7 angeschlossen,
der – je
nach Schalterstellungen – von
einer oder mehreren der Batterieeinheiten mit elektrischer Energie
versorgt werden kann.
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Weiterhin
kann der Verbraucher 7 ebenso über die Hilfsversorgungsschaltung
versorgt werden, beispielsweise wenn der Schalter 4 geschlossen
ist, d. h. sich auf der Position d befindet.
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Eine
oder mehrere Batterieeinheiten, die über die entsprechenden Schalterstellungen
mit der Ladeschaltung verbunden sind, können über eine an der Ladeschaltung
angeschlossene Ladeeinrichtung 8 mit Energie versorgt werden,
um aufgeladen zu werden.
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Durch
einen Schaltrhythmus der Steuerung 6, die die Schalter 1, 2, 3 und 4 umfasst,
kann über
die Kontaktschalter 1, 2, 3 eine Entladung,
ein Aufladen sowie eine Reserve ab- und/oder zugeschaltet werden.
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Ebenso
sind in dem in 1 gezeigten Schema entsprechend
ausgelegte Umrichter 5 vorgeschaltet, z. B. zwischen I
und 1a, II und 2b und III und 3c.
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Das
Schema zeigt die Batterie-Einheiten I, II, III, das sind Lithium-Ionen-Batterien,
basierend auf z. B. je 4 Li-Ionen-Zellen
(60 Ah, 3,6 V) die in Parallelschaltung zu I, II und III gekoppelt
wurden und parallel zum Laden, Verbrauch und Reserve beladen werden.
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Jede
Batterieeinheit I, II und III kann aus mindestens 4 Lithium-Ionen-Zellen
(LiC) bestehen, die in Parallelschaltung die Batterieeinheit I,
II bzw. III bilden.
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Als
LiC kommen in Frage z. B. 6 Ah HP, 7,5 Ah UHP, 9 Ah HP, 10 Ah He,
20 Ah HP, 27 Ah HP, 33 Ah HP, 45 Ah HP, 60 Ah HP, 6 Ah HE, 485 Ah
HE (der Firma GAIA Akkumulatorenwerke GmbH, Nordhausen) oder ähnliche
Li-Ionen-Zellen anderer Firmen. HP = High Power, HE = High Energy,
UHP = Ultra High Power. Die oben angeführten Zellen werden jeweils
parallel geschaltet, vorzugsweise in Mengen von 4–10 LiC
und bilden dann die Batterieeinheit I, II und III.
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Das
Laden der Batterieeinheiten, die über die Ladeschaltung mit einer
Ladevorrichtung verbunden sind, erfolgt vorzugsweise mit alternativen
Energiegewinnungsanlagen (basierend auf Solar-Wind und/oder Wasserkraft).
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Durch
die konsequente Parallelschaltung aller verwendeten Lithium-Ionen-Zellen
(LiC) in den Batterieeinheiten I, II und III kann der Nachteil von Überladungen
und auch die Möglichkeit
von Kurzschlussströmen in
den Einzelzellen (LiC) minimiert werden. Die Nennspannung der jeweiligen
Baterieeinheit I, II und III ist mit der Nennspannung der jeweils
verwendeten Einzelzelle (LiC) identisch.
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Die
Einzelzellen sind Lithium-Ionen-Zellen (LiC), bei denen die Kathode
aus der elektrochemisch aktiven Kathodenschicht basierend auf LiCo-Oxid,
LiNi-Oxid, LiFephosphat, LiVphosphat, LiMnOxid, LiMoOxid, LiCrOxid
(oder Gemischen hiervon) besteht. Kathodenableiter ist eine Al-Folie.
Die elektrochemisch aktive Anodenschicht (auf der Cu-Folie als Anodenableiter
besteht aus Li interkalierbarem natürlichem oder synthetischem
Graphit.
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Der
Separator ist zwischen Anode und Kathode als poröse Trennschicht angebracht
und besteht aus Polyolefinen, Polyflurpolymeren oder Polymergelen
auf keramischer Basis. Die für
die Batterieeinheiten verwendeten Einzelzellen (LiC) liegen von
wenigen Ah Kapazität
bis zu ca. 500 Ah, mit spezifischen Energien z. B. von 64 Wh/kg
bis zu 150 Wh/kg.
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Bei
entsprechenden Leistungsdaten (vgl. nachstehende Tabelle 1) sind
Anwendungen für
einen Antrieb von Automobilen und anderen oder ähnlichen mobilen Systemen möglich.
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Die
nachstehende Tabelle 1 zeigt eine Übersicht von in einer Batteriespeichereinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzten Li-Ionen-Zellen.
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Es
ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die in Tabelle 1 aufgelisteten
Li-Ionen-Zellen beschränkt
ist. Die in Tabelle 1 gezeigten Typen haben lediglich einen exemplarischen
Charakter. Tabelle 1: Übersicht
von Li-Ionen-Zellen, die im Parallelverbund in den Batteriespeichereinheiten
I, II und III eingesetzt werden*
| Typ | Kathode | Volt
V nominal | Kapazität Ah | Zyklen** | Spez.
Energie Wh/kg |
| 6
Ah-HP | LiFePo4 | 3,2 | 6 | >500
>2000*** | 64 |
| 7,5
Ah-VHP | LiNiCoOxid | 3,6 | 7 | 400
1000*** | 84
(9370
W/kg) |
| 9
Ah-HP | LiNCoOxid | 3,6 | 9 | >600 | 90 |
| 10
Ah-HE | LiNiCoOxid | 3,6 | 10 | 400
1000*** | 118 |
| 20
Ah-HP | LiFePO4 | 3,2 | 20 | >500
>2000*** | 69 |
| 27
Ah-HP | LiNiCoOxid | 3,6 | 27 | 400
1000*** | 99 |
| 33
Ah-HP | LiFePO4 | 3,2 | 33 | >500
>2000*** | 73 |
| 45
Ah-HP | LiNiCoOxid | 3,6 | 45 | 400
1000*** | 105 |
| 60
Ah-HE | LiNiCoOxid | 3,6 | 60 | 400
1000*** | 144 |
| 485
Ah-HE | LiNiCoOxid | 3,6 | 485 | 400
1000*** | 134**** |
- * Die Li-Ionen-Zellen Übersicht ist eine zufällige Auswahl
verschiedener Zell-Typen, die für
den erfindungsgemäßen Einsatz
geeignet sind
- ** Die Zyklen werden bei 20°C
und 100% DOD, bis 80% Nominalkapazität gemessen. DOD = DEPTH OF
DISCHARGE
- *** Die Zyklenbestimmung erfolgt bei 0,2 C Entladung und 60%
Nominalkapazität
- **** Die Bestimmung der Spez. Energie Wh/kg erfolgt hier bei
0,1 C in allen übrigen
Fällen
bei 0,2 C.
- C ist die C Rate, ein pro Zeiteinheit fließender (Lade- oder Entlade)
Strom.
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Im
Stationärbereich
sind Puffer- und Speicheranlagen in Kombination mit Alternativenergie-Lieferanten
ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung, wie z. B. auch netzunabhängige Notstromaggregate.
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Im
portablen Sektor sind Antriebe für
Geräte,
Pumpen, Handwerk-Maschinen u. ä.
ein weites Anwendungsgebiet.
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Für eine Versorgung
mit elektrischer Energie von den Batterieeinheiten zum Verbraucher
kann eine galvanische Entkoppelung vorgesehen sein, die beispielsweise
durch vorgeschaltete elektronische Bauelemente erfolgen kann, so
dass bedarfsgerecht verbraucherseitig Spannungsebene und auch Spannungsart verfügbar sind.
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Die
Batterieeinheit I, die mit 4 × 60
Ah Li-Ionenzellen parallel geschaltet (3,6 V) ist, beispielsweise
zum Betrieb einer Förderpumpe,
z. B. Ama-Drainer 301, eine Tauchmotorpumpe der Firma KSB (50 Hz,
230 V ~, 7,5 KW) dienen.
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Gleichzeitig
kann die Batterieeinheit III, ebenfalls bestehend aus 4 × 60 Ah
parallel geschalteten Li-Ionen-Zellen,
mit einem Solargenerator aufgeladen werden. Die Batterieeinheit
II, die ebenfalls 4 × 60
Ah parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen besteht, dient als Reserve
und kann nach Bedarf zur Verbraucherseite (Batterieeinheit I) zugeschaltet
werden. Zum Betrieb der Förderpumpe
dient ein Umrichter, der den für
den Pumpenbetrieb erforderlichen Drehstrom (400 V) liefert.
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Wie
oben beschrieben kann die erfindungsgemäße Anordnung analog zum Betrieb
eines Fahrzeugs mit Elektromotor genutzt werden. Statt des Solargenerators
lädt in
diesem Fall ein fahrzeugübliches
Ladegerät bzw.
ein Generator die Batterieeinheit III auf.
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Als
Ladungseinheiten bzw. Ladevorrichtung 8 kommen Autoladegeräte, Windkraft
und/oder Photovoltaic-Generatoren od. ä. in Frage. Möglich ist
auch das Vorschalten eines Umrichters 5, so dass das Batteriesystem
auch als Puffer und Speicher wirksam sein kann.
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Eine
netzunabhängige
elektrische Energiespeichereinheit umfasst mindestens drei Batterieeinheiten, die
jeweils mehrere parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen aufweisen,
eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer
Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Hilfsversorgungsschaltung
zum Unterstützen
der Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens
einer der Batterieeinheiten, eine Ladeschaltung zum Laden von mindestens
einer der Batterieeinheiten durch einen externen Ladestrom und eine
Steuerung zum Verbinden und Abtrennen von jeweiligen Batterieeinheiten
mit/von der Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung
oder der Ladeschaltung.