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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung
elektrischer Energie und umfasst einen primären Energiespeicher, einen sekundären Energiespeicher
und eine Steuer-/Regeleinheit.
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Der
Betrieb von mobilen Geräten
wie Fernbedienungen, kabellosen Kopfhörern, schnurlosen Telefonen
oder anderen Kleingeräten
in Kraftfahrzeugen erfordert einen elektrischen Energiespeicher,
der in einem weiten Temperaturbereich zuverlässig elektrische Energie liefert.
Zusätzlich
sind Eigenschaften wie schnelle Betriebsbereitschaft, eine lange
Lebensdauer, kurze Ladezeiten und für ein möglichst geringes Gewicht und
Volumen des Stromspeichers eine hohe spezifische Energiedichte von
Bedeutung.
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Derzeit
werden hauptsächlich
Lithium basierte Akkumulatoren wie Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren
eingesetzt, um diese Anforderungen zu erfüllen. Für mobile Kleingeräte, die
den Temperaturbereich von –10°C bis 60°C nicht über- oder
unterschreiten ist diese Technologie sehr gut geeignet. Werden diese
Geräte
jedoch für
einen zuverlässigen
Betrieb ausschließlich
in einem Kraftfahrzeug verwendet, ist eine Erweiterung des Temperaturbereichs
erforderlich. Dies gilt insbesondere für Temperaturen, die –10°C unterschreiten.
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Ein
genereller Nachteil derzeit eingesetzter Akkumulatoren sind zudem
vergleichsweise lange Ladezeiten. Höhere Lade- und auch Entladeströme jedoch
verkürzen
die Lebensdauer eines Akkumulators erheblich. Des Weiteren wird
die Zyklenfestigkeit durch die Erhöhung der spezifischen Energiespeicherdichte
verringert. Wird also eine hohe Zyklenfestigkeit gefordert, ist
dies unumgänglich
mit einem höheren
Gewicht und Volumen des Akkumulators verbunden.
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Daher
ergibt sich die Aufgabe eine Vorrichtung für die Speicherung elektrischer
Energie in Kleingeräten,
die ausschließlich
in Kraftfahrzeugen verwendet werden, zu entwickeln, die in einem
Temperaturbereich von –40°C bis 85°C zuverlässig elektrischen
Strom liefert, zugleich kurze Ladezeiten und auch bei zeitweise
hohen Entladeströmen
eine lange Lebensdauer aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen
der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Vorrichtung einen primären
Energiespeicher, einen sekundären Energiespeicher
und eine Steuer-/Regeleinheit, wobei der primäre Energiespeicher ausgebildet
ist zur Energieentnahme und zum Laden in einem ersten Temperaturbereich
und der sekundäre
Energiespeicher mit geringerer Leistungsfähigkeit als der primäre Energiespeicher
ausgebildet ist zur Energieentnahme in einem zweiten Temperaturbereich,
der größer ist
als der erste Temperaturbereich und diesen überdeckt, wobei die Steuer-/Regeleinheit
die Energieentnahme beider Energiespeicher abhängig von der Temperatur steuert.
Durch diese Anordnung kann mit einem entsprechenden Verfahren eine
Versorgung mit elektrischer Energie in einem Temperaturbereich von –40°C bis 85°C sichergestellt
werden.
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Der
primäre
Energiespeicher ist als lithiumbasierter Akkumulator und der sekundäre Energiespeicher
als mindestens ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator ausgeführt. Lithium
basierte Akkumulatoren stellen auf der Basis von Lithium-Ionen oder
Lithium-Polymer den derzeit leistungsstärks ten elektrochemischen Speicher
für elektrische Energie
dar und elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren sind nach einer
Ladezeit von nur einer Minute in der Lage über vier bis fünf Minuten
elektrische Energie zu liefern.
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Die
Steuer-/Regeleinheit ist in der Lage, den Ladezustand des sekundären Energiespeichers
zu erfassen, so dass dieser vor Eintreten einer vollständigen Entladung
umgehend wieder mit elektrischer Energie aus dem primären Energiespeicher
aufgeladen wird.
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Des
Weiteren ist die Steuer-/Regeleinheit ausgebildet, vorrangig den
sekundären
Energiespeicher zu laden. Hierdurch ist sichergestellt, dass der sekundäre Energiespeicher
stets für
eine Energieentnahme zur Verfügung
steht.
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Zudem
ist die Steuer-/Regeleinheit ausgebildet, den sekundären Energiespeicher
gegebenenfalls durch Umladen der Energie aus dem primären Speicher
geladen zu halten. Da der sekundäre
Energiespeicher in sehr kurzer Zeit geladen werden kann, steht er
auch nach einer nahezu vollständigen
Entladung und daraufhin erfolgter Umladung von Energie aus dem primären Speicher
schnell wieder für
eine Energieentnahme zur Verfügung.
Die Steuer-/Regeleinheit ist ausgelegt, den sekundären Energiespeicher,
insbesondere bei Temperaturen unter 0°, bereits bei einem Ladezustand
unter 80% wieder aufzuladen.
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Die
Steuer-/Regeleinheit ist mit einem Temperatursensor verbunden. Hierdurch
kann schnell ermittelt werden, welcher Energiespeicher bei einer
gegebenen Temperatur für
eine Energieentnahme vorrangig oder ausschließlich angesteuert wird.
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Die
Steuer-/Regeleinheit ist ausgebildet, bei Temperaturen, die –10°C unterschreiten
oder 60°C überschreiten,
den sekundären
Energiespeicher zu veranlassen, Energie zu liefern. Da der sekundäre Energiespeicher
auch in einem Bereich von –40°C bis 85°C schnell
und sicher elektrische Energie liefert, ist auch für diesen
Temperaturbereich eine zuverlässige
Energieversorgung sichergestellt.
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Dadurch,
dass die Steuer-/Regeleinheit ausgebildet ist, bei kurzen Nutzzyklen,
die durch Auswertung des Nutzungsprofils von einem Prozessor der Steuer-/Regeleinheit
erkannt werden, vorrangig den sekundären Energiespeicher für eine Energieentnahme
anzusteuern, ist der primäre
Energiespeicher nur noch für
eine nach einem kurzen Nutzzyklus langsam und schonend erfolgende
Umladung von Energie auf den sekundären Energiespeicher heranzuziehen, wodurch
die Lebensdauer des primären
Energiespeichers erheblich verlängert
wird.
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Die
Steuer-/Regeleinheit ist ausgebildet, erst nach einer Entladung
des sekundären
Energiespeichers den primären
Energiespeicher für
eine Energieentnahme anzusteuern. Beispielweise ist die Steuer-/Regeleinheit
ausgelegt, bei spätestens
nur noch 10% vorhandener Ladung im sekundären Energiespeicher den primären Energiespeicher
für eine fortgeführte Bereitstellung
von elektrischer Energie anzusteuern. Tritt eine Bedien- oder Benutzungspause
ein, wird der sekundäre
Energiespeicher mit der elektrischen Energie aus dem primären Energiespeicher
wieder aufgeladen. Diese Voreinstellung der Steuer-/Regeleinheit
ermöglicht
eine besonders schonende Betriebsweise des primären Energiespeichers, der dadurch
eine längere
Lebensdauer erreicht.
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Nach
einer Entladung wird der sekundäre Energiespeicher
von der Steuer-/Regeleinheit entweder durch einen angelegten Ladestrom
oder mit der im Primärspeicher
gespeicherten elektrischen Energie umgehend wieder aufgeladen. So
können
auch während
des Betriebs kurzzeitig erforderliche Spitzenströme von dem sekundären Energiespeicher
bereitgestellt werden, wodurch die Lebensdauer des Akkumulators
zusätzlich
erhöht
wird.
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Mit
einer gewichtsspezifischen Energiedichte von mehr als 4 Wh/kg stellt
der elektrochemische Doppelschicht-Kondensator einen Speicher für elektrischen
Strom zur Verfügung,
der eine Zyklenfestigkeit von mehr als 200.000 Lade- und Entladezyklen und
mit 90.000 Betriebsstunden eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren
aufweist. Aufgrund dieser sehr hohen Lebensdauer können die
Doppelschicht-Kondensatoren fest in das mobile Gerät eingebaut
werden. Zusätzlich
arbeitet der elektrochemische Doppelschicht-Kondensator in einem
Temperaturbereich von –40°C bis 85°C sicher
und zuverlässig.
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In
Kombination mit einem lithiumbasierten Akkumulator und einer auf
einen optimierten Betrieb der beiden Speichereinheiten ausgelegten
Steuer-/Regeleinheit kann in einen Temperaturbereich von –40°C bis –10°C eine zuverlässige Strom-
und Spannungsversorgung erfolgen, da der Akkumulator bei Temperaturen
unterhalb von –10°C nach Erreichen
einer höheren
Temperatur durch die im Betrieb entstehende Wärme im Gerät die Bereitstellung von elektrischer
Energie fortsetzt.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
erklärt.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bereitstellung elektrischer Energie mit einem primären Energiespeicher,
einem sekundären
Energiespeicher, einer Steuer-/Regeleinheit
und einem Spannungswandler.
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In 1 ist
eine als vorzugsweise mobiles Spannungsversorgungsgerät ausgebildete
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bereitstellung elektrischer Energie 1 mit einem primären Energiespeicher 2,
einem sekundären
Energiespeicher 4, einer Steuer-/Regeleinheit 3 und
einem Spannungswandler 5 schematisch dargestellt. Die genannten
Bauelemente sind in einem Gehäuse
aufgenommen.
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Die
Vorrichtung umfasst einen primären
Energiespeicher und einen sekundären
Energiespeicher 4, wobei der primäre Energiespeicher 2 als
lithiumbasierter Akkumulator und der sekundäre Energiespeicher 4 als
mindestens ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator ausgeführt sind.
Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuer-/Regeleinheit 3 und
einen Spannungswandler 5, der einen oder mehrere Konverter 6 und 7 enthält.
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Die
Steuer-/Regeleinheit 3 ist mit dem primären Energiespeicher 2,
mit dem sekundären
Energiespeicher 4 und dem Spannungswandler 5 verbunden.
Zusätzlich
kann die Vorrichtung 1 bei Bedarf mit einer Ladestromversorgungseinheit 8 verbunden werden.
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Über die
Ladestromversorgungseinheit 8 wird der Steuer-/Regeleinheit 3 elektrische
Energie zugeführt.
Die Steuer-Regeleinheit 3 leitet
die zugeführte
elektrische Energie zunächst
an den sekundären
Energiespeicher 4 weiter. Ist eine vollständige Aufladung
des sekundären
Energiespeichers 4 abgeschlossen, leitet die Steuer-/Regeleinheit 3 die über die
Ladestromversorgungseinheit 8 zugeführte elektrische Energie an
den primären
Energiespeicher 2 weiter. Befindet sich auch der primäre Energiespeicher 2 in
einem vollständig
aufgeladenen Zustand, ist der Ladevorgang der Vorrichtung 1 abgeschlossen.
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Wird
eine Bereitstellung von elektrischer Energie erforderlich, leitet
die Steuer-/Regeleinheit 3 zunächst die elektrische Energie
aus dem sekundären
Energiespeicher 4 an den Spannungswandler 5 weiter.
Im Spannungswandler 5 enthaltene Konverter 6 und 7 stellen
die elektrische Energie dann für
ein anwendungsspezifisch erforderliches Spannungsniveau zur Verfügung.
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Die
Steuer-/Regeleinheit 3 ist mit einem Temperatursensor verbunden
und ausgebildet, bei Temperaturen, die –10°C unter schreiten oder 60°C überschreiten,
zunächst
ausschließlich
den sekundären
Energiespeicher 4 zu veranlassen, Energie zu liefern. Für Temperaturen,
die unterhalb von –10°C liegen,
wird nach Erreichen einer höheren
Temperatur durch die im Betrieb entstehende Wärme im Gerät die Bereitstellung von elektrischer
Energie durch den primären
Energiespeicher 2 fortsetzt.
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Zusätzlich ist
die Steuer-/Regeleinheit 3 in der Lage, den Ladezustand
des sekundären
Energiespeichers 4 zu erfassen, damit dieser vor Eintreten einer
vollständigen
Entladung umgehend mit elektrischer Energie aus dem primären Energiespeicher 2 wieder
aufgeladen wird.
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Registriert
die Steuer-/Regeleinheit 3 ein Auftreten hoher Entladespitzenströme, wird
der primäre
Energiespeicher 2 zur Bereitstellung einer kontinuierlichen
Stromentnahme zugeschaltet und der sekundäre Energiespeicher 4 übernimmt
nur noch die Bereitstellung der auftretenden Spitzenströme. Sobald
eine geringe, kontinuierliche Stromentnahme eintritt, veranlasst
die Steuer-/Regeleinheit 3 den primären Energiespeicher 2 elektrische
Energie auch an den bereits teilentladenen sekundären Energiespeicher 4 weiter
zu leiten, damit der sekundäre
Energiespeicher 4 bei einem erneuten Auftreten von Spitzenströmen in der
Lage ist diese Last zu übernehmen.
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Bei
einer längeren
kontinuierlichen Stromentnahme wird zunächst der sekundäre Energiespeicher 4 entladen.
Erst nach einer nahezu vollständigen
Entladung des sekundären
Energiespeichers 4 veranlasst die Steuer-/Regeleinheit 3 den
primären Energiespeicher 2 elektrische
Energie zu liefern. Die von dem primären Energiespeicher 2 bereitgestellte Energie
wird dann sowohl dem Spannungswandler 5 für eine Versorgung
der damit verbundenen Verbraucher wie auch für ein Wiederaufladen dem sekundären Energiespeicher 4 zugeführt.
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Bei
welchem Entladezustand des Sekundarspeichers 4 umgeschaltet
wird, hängt
davon ab, wie die Energieentnahme verläuft. Wird das Gerät eingeschaltet
und kontinuierlich benutzt, muss spätestens bei 10% DLC Energie
auf den Betrieb mit dem Primärspeicher 2 umgeschaltet
werden. Da der Betrieb der zu versorgenden Geräte ein ständiges Wechseln zwischen Stromentnahme
und Stromsparmodus bedeutet, kann in den Bedien/Benutzungspausen
die Energie vom Primärspeicher 2 (Akku)
in den Sekundärspeicher 4 umgeladen
werden, bis dieser wieder voll ist. Eine andere Möglichkeit
ist, dass gewartet wird bis nach der letzten Benutzung eine längere Pause
eintritt, z. B. größer als
eine Stunde, und das Gerät
nicht in eine Ladestation gesteckt wird und der Ladezustand unter
30% liegt. Schließlich
kann ein Umladen veranlasst werden, und dies insbesondere bei Temperaturen
unter 0°,
wenn der Ladezustand des Sekundärspeichers 4 (DLC's) unter 80% liegt.
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Bei
kurzen Nutzzyklen, d. h. bei nur kurzzeitiger Stromentnahme wird
die Energie zuerst aus den DLC's,
dem sekundären
Energiespeicher 4, entnommen und eine Zuschaltung des primären Energiespeichers 2 ist
nicht erforderlich. Dabei werden kurze Nutzzyklen dadurch definiert,
dass vorhergehende Benutzungsprofile ausgewertet werden und eine durchschnittliche
Zyklenlänge
ermittelt wird, die als ”Prognose” für den Betrieb
benutzt wird. Die Steuer-/Regeleinheit 3 veranlasst nach
Beenden der Stromentnahme den primären Energiespeicher 2 ebenfalls,
den teilentladenen sekundären
Energiespeicher 4 wieder vollständig aufzuladen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
durch diese Anordnung eine schonende Betriebsweise von Akkumulatoren
in Systemen zur Speicherung elektrischer Energie, die dadurch eine
erheblich höhere
Lebensdauer erreichen und durch den Einsatz elektrochemischer Doppelschichtkondensatoren
in Kombination mit einer erfindungsgemäß optimierten Steuer-/Regeleinheit
in einem für
automobile Anwendungen relevanten Temperaturbereich von –40°C bis 85°C in der
Lage sind sicher und zuverlässig
elektrische Energie zu liefern.