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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und/oder Erzeugung
von elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1
näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung
einer solchen Vorrichtung.
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Bei
Vorrichtungen zur Speicherung von Energie, wie beispielsweise Batterien,
gilt es stets einen Zielkonflikt zu lösen. Einerseits soll
ein hoher Energieinhalt bereitgestellt werden, andererseits wird
eine hohe Leistungsabgabe gewünscht. Nun ist es jedoch so,
dass eine Batterie, welche im ständigen Betrieb mit maximalen
Lade- und Entladeströmen bei gleichzeitig maximalem Ladehub
belastet wird, eine sehr geringe Lebensdauer aufweist. Um dieser
Problematik zu entgehen, ist es üblich, einen Energiespeicher entsprechend überzudimensionieren,
sodass dieser, trotz des häufig unvermeidbaren dynamischen
Betriebs, welcher hohe Lade- und Entladeströme bei entsprechend
hohem Ladehub erfordert, eine marktgerechte Lebensdauer erreicht.
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Aus
dem weiteren Stand der Technik sind beispielsweise vom Einsatz in
U-Booten entsprechende Batteriesysteme bekannt, welche wenigstens zwei
Batterien aufweisen. Dieser beispielsweise durch die
DE 10 2006 051 831 B4 beschriebene
Aufbau dient dazu, beim Ausfall der einen Batterie eine zweite Batterie
als Redundanz vorzuhalten. Auch diese Batterien werden entsprechend überdimensioniert,
um eine marktgerechte Lebensdauer zu erreichen, wie es oben bereits
beschrieben wurde.
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Ausgehend
von dieser Problematik, ist es die Aufgabe der hier vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung zur Speicherung und/oder zur Erzeugung von
elektrischer Energie zu schaffen, welche eine hohe Leistung bereitstellen
kann, über einen großen Energieinhalt verfügt,
und welche mit verhältnismäßig geringer
Baugröße eine marktgerechte Lebensdauer erzielt.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Durch die Kopplung zweier unterschiedlicher
elektrochemischer Module mit unterschiedlichen Funktionalitäten
wird der eingangs genannte Zielkonflikt gelöst. Das eine
Modul dient als „Speichermodul” zur Speicherung
eines hohen Energieinhalts oder der Erzeugung von Energie. Das andere
Modul ist als Traktionsmodul auf eine hohe Leistung ausgelegt. Dieses
Modul kann dynamisch die erforderlichen Leistungen kurzzeitig bereitstellen
und verträgt dabei entsprechend hohe Lade- bzw. Entladeströme
mit hohem Ladehub.
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Durch
diese funktionale Aufteilung in zwei Module wird eine höhere
Lebensdauer erreicht, da jedes Modul seiner Auslegung entsprechend
optimal belastet wird. Außerdem können über
das jeweils zweite Modul gegebenenfalls noch Notlaufeigenschaften
erreicht werden, sodass auch beim Ausfall eines der Module noch
ein Notlauf möglich ist. Sollte es zu einem Ausfall eines
der Module kommen, so kann außerdem jedes Modul entsprechend
den allgemein bekannten Vorteilen einer modularen Bauweise für
sich allein ausgetauscht und/oder repariert werden, was wiederum
die Wartungskosten entsprechend senkt. Außerdem bietet
der Aufbau in mehreren Modulen eine bessere Integrationsmöglichkeit des
Systems in enge Bauräume, wie sie z. B. in einem Fahrzeug
vorliegen. Auch dadurch, dass keine Überdimensionierung
der einzelnen Module notwendig ist, um marktgerechte Lebensdauern
zu erreichen, kann der Bauraum des Gesamtsystems gegenüber
herkömmlichen Systemen verringert werden. Auch dies prädestiniert
den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Transportmittel, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug.
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Dementsprechend
ist die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die in einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug,
einem Schiff, einem Flugzeug, einem Lastkraftwagen, einem Flurfördersystem
oder dergleichen. Hier können die oben genannten Vorteile
besonders gut umgesetzt werden, da hier ein entsprechend hoher Energieinhalt
gleichbedeutend mit einer entsprechend hohen Reichweite bzw. langen
Funktionalität des Systems ist. Außerdem sind
bei derartigen Systemen hohe dynamische Anforderungen an die Leistung
gestellt, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch hier ihre oben genannten Vorteile besonders gut ausspielen
kann.
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Außerdem
erlaubt der Aufbau mit einem Modul, welches vergleichsweise hohe
Ladeströme mit hohem Ladehub verträgt, ein sehr
effizientes Einspeichern von zurückgewonnener Bremsenergie,
welche beim Abbremsen eines derartigen Transportmittels über
die Elektromaschine in ihrem generatorischen Betrieb anfällt.
Diese Energie kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
optimal gespeichert werden.
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Die
beiden Module der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
prinzipiell sind dabei auch mehr als zwei Module denkbar, sind untereinander
entsprechend gekoppelt, sodass bei Energieüberschuss und
Energiebedarf ein Ausgleich unter den einzelnen Modulen stattfinden
kann. Auch dieser Ausgleich kann entsprechend den bestmöglichen
Bedingungen für die Module realisiert werden. So kann beispielsweise das
Einspeichern von im Bremsbetrieb zurückgewonnener Energie
aus dem Traktionsmodul in das Speichermodul entsprechend langsam
und gleichmäßig erfolgen, um der Charakteristik
des Speichermoduls entsprechend entgegen zu kommen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden
anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend
anhand der Figuren näher erläutert wird.
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Dabei
zeigen:
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1 den
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer
schematischen Darstellung;
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2 ein
Funktionsbeispiel zum Einsatz der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs;
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3 beispielhafte
Lade- und Entladekurven der beiden Module; und
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4 die
Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Fahrzeug.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 zur Speicherung und/oder Erzeugung von
elektrischer Energie dargestellt. Die Darstellung der 1 ist,
wie auch die Darstellungen der folgenden Figuren, dabei anhand eines
beispielhaften Aufbaus mit einer Speicherbatterie 2 und
einer Traktionsbatterie 3 dargestellt. Prinzipiell ist
die Erfindung nicht auf die Anzahl von exakt zwei Modulen eingeschränkt.
Es sind selbstverständlich auch mehr als zwei Module denkbar.
Außerdem müssen die Module nicht zwingend eine
Speicherbatterie 1 enthalten. Es wäre auch denkbar,
anstelle der Speicherbatterie 1 eine Brennstoffzelle oder
einen Aufbau aus Brennstoffzelle und Batterie einzusetzen. Auch
anstelle der Traktionsbatterie 3 könnte ein Hochleistungskondensator
bzw. Supercap eingesetzt werden, oder auch die Kombination aus einem
derartigen Hochleistungskondensator mit einer Batterie.
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In
der Darstellung der 1 sind die beiden Module 2, 3 über
einen Spannungswandler 4, im hier dargestellten Fall ein
DC/DC-Wandler gekoppelt. Anstelle der Kopplung über einen
derartigen Spannungswandler 4 wäre selbstverständlich
auch eine Kopplung über entsprechende mechanische und/oder
elektrische bzw. elektronische Schaltelemente, beispielsweise einen
pulsweitenmodulierten elektronischen Schalter, denkbar.
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Der
Aufbau in 1 zeigt außerdem einen Traktionsspannungsbus 5,
welcher die Traktionsspannung aus der Traktionsbatterie 3 den
verschiedenen Verbrauchern zur Verfügung stellt. Derartige Verbraucher
wären insbesondere eine elektrische Maschine 6,
welche mit der eigentlichen Antriebsaufgabe, beispielsweise den
Rädern eines Fahrzeugs, gekoppelt ist. Die Ansteuerung
der elektrischen Maschine 6 erfolgt in an sich bekannter
und üblicher Weise über eine Leistungselektronik
bzw. einen Umrichter 7. Über den Traktionsspannungsbus 5 können außerdem
weitere elektrische Verbraucher angekoppelt sein. Diese sind in 1 beispielhaft
mit den Bezugszeichen 8, 9 und 10 bezeichnet.
Sie können beispielsweise eine elektrische Heizung, einen
elektrischen Kältemittelverdichter und weitere in Fahrzeugen übliche
elektrische Verbraucher umfassen. Außerdem ist in der Darstellung
der 1 zu erkennen, dass am Traktionsspannungsbus 5 über
einen weiteren Spannungswandler 11 ein 12 V Bordnetz 12 sowie
eine 12 V Batterie 13 angekoppelt ist. Dieser Aufbau mit
zwei verschiedenen Spannungen ist dabei allgemein bekannt und üblich.
Er ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch nicht zwingend relevant, sodass auf diesen 12 V Zweig auch
verzichtet werden könnte.
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Außerdem
ist in der Darstellung der 1 ein Ladegerät 14 mit
einem symbolisierten Stecker 15 zu erkennen. Auch dieser
Aufbau ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung
je nach Systemaufbau nicht zwingend notwendig. Beim dargestellten
Aufbau einer reinen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise für
ein Elektrofahrzeug, symbolisiert das Ladegerät 14 und
der Stecker 15 das Laden der Energiespeicher über
z. B. einen Netzanschluss. Beim entsprechenden Einsatz in Hybridfahrzeugen
oder Brennstoffzellenfahrzeugen könnte dieser Aufbau unter
Umständen auch entfallen.
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Die
Funktionalität der Vorrichtung 1 ist dabei die
Folgende: Die Vorrichtung 1 ist in zwei funktional getrennte
Module aufgeteilt. Das Speichermodul, in diesem Fall die Speicherbatterie 2 und
das Traktionsmodul, in diesem Fall die Traktionsbatterie 3.
Die Speicherbatterie 2 wird beispielsweise über
das Ladegerät 14 und den Netzanschluss 15 entsprechend geladen.
Sie ist dabei auf einen hohen Energieinhalt ausgelegt. Das Laden
sollte deshalb in großen Hüben vergleichsweise
gleichmäßig erfolgen. Ebenso das Entladen der
Speicherbatterie 2. Hinsichtlich ihres Aufbaus kann die
Speicherbatterie 2 beispielsweise aus Batterieeinzelzellen
aufgebaut sein, welche eine maximale Ladung von 5 C (Coulomb) aufweisen.
Die Speicherbatterie 2 steht als Speichermodul dabei nicht
direkt mit dem Traktionsspannungsbus 5 in Verbindung, sondern
ist nur über die entsprechende Kopplung zur Traktionsbatterie 3 in
diesen Teil des Systems integriert. Die Traktionsbatterie 3, welche
das zweite Teilsystem bildet, ist entsprechend auf Leistung ausgelegt.
Hierfür kann sie beispielsweise mit Zellen aufgebaut sein,
welche eine Ladung von bis zu 30 C aufweisen. Aus dieser Batterie 3 wird der
Traktionsspannungsbus 5 mit entsprechender Leistung versorgt,
sodass die kurzzeitigen dynamischen Lade- bzw. Entladevorgänge über
diese Traktionsbatterie 3 abgewickelt werden.
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In
der Darstellung der 2 ist nun beispielhaft ein solcher
Betrieb dargestellt. Aus der Traktionsbatterie 3 wird die
elektrische Maschine 6 über die Leistungselektronik
bzw. den Umrichter 7 für den Antrieb bzw. die
Beschleunigung mit einer vergleichsweise großen Leistung
versorgt. Dies ist in 2 durch den mit A bezeichneten
Pfeil angedeutet. Kommt es nun zu einem Abbremsen des Systems, so
wird die elektrische Maschine 6 als Generator eingesetzt,
um Bremsenergie zurückzugewinnen. Bei diesem als Rekuperation
bezeichneten Vorgang, fällt eine vergleichsweise hohe Leistung
an, welche wiederum in die Traktionsbatterie 3 eingespeichert werden
muss. Dies ist in 2 durch den mit R bezeichneten
Pfeil symbolisiert. In 2 ist außerdem die
Speicherbatterie 2 sowie der Spannungswandler 4 zu
erkennen. Über die Speicherbatterie 2 und den Spannungswandler 4 kommt
es nun bei abnehmendem Energieinhalt in der Traktionsbatterie 3 zu
einem langsamen und gleichmäßigen Nachladen der
Traktionsbatterie 3 aus der Speicherbatterie 2.
Dies ist in 2 durch den mit N bezeichneten
Pfeil symbolisiert.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird
also die Traktionsbatterie 3 für den Antrieb und ein
Beschleunigung A, die Rekuperation R und gegebenenfalls ein kurzzeitiges Schnellladen
aus dem öffentlichen Netz, wie es beim Nachladen bei nicht mehr
ausreichender Reichweite eines Elektrofahrzeugs vorkommen kann,
verwendet. Die Traktionsbatterie 3 wird dabei stark zyklisch
betrieben. Um eine maximale Lebensdauer der Traktionsbatterie 3 zu
erreichen ist es dabei sinnvoll, entsprechend geringe Lade-/Endladehübe
einzusetzen, beispielsweise ca. 50% der entsprechenden Kapazität.
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Das
andere Teilsystem mit der Speicherbatterie 2 wird im Gegensatz
dazu mit einem möglichst großen Hub bevorzugt
vollständig geladen bzw. entladen. Dies kann beispielsweise
durch eine vollständige Ladung aus dem öffentlichen
Netz erfolgen. Eine solche vollständige Ladung wird typischerweise beim
Abstellen eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ausgestatteten
Fahrzeugs über Nacht erfolgen. Die Energie aus der Speicherbatterie 2 wird dann
wie durch den Pfeil N in 2 symbolisiert entsprechend
auf die Traktionsbatterie 3 übertragen, wenn sie
dort benötigt wird. Durch diese gleichmäßige
Belastung mit hohem Lade- bzw. Entladehub und niedrigem Strom wird
auch bei der Speicherbatterie 2 eine entsprechend lange
Lebensdauer erzielt. Beispielhafte Lade- bzw. Entladevorgänge
der beiden Batterien 2, 3 sind in 3 dargestellt.
Die Diagramme zeigen dabei jeweils den Ladezustand (SOC) über
der Zeit (t) oder der Fahrstrecke in km. Dabei ist links oben ein
entsprechendes Entladen der Speicherbatterie 2 zu erkennen.
Dies ist typisch für ein reines Elektrofahrzeug, bei dem über
die entsprechende Fahrstrecke hinweg die Speicherbatterie 2 von
einem annähernd voll geladenen Zustand in einen annähernd
leeren Zustand wechselt. Da zwischenzeitlich über Rekuperation
R Energie in die Traktionsbatterie 3 zurückgespeist
wird, wird das Nachladen N nicht vollkommen gleichmäßig,
sondern typischerweise in der hier dargestellten Art erfolgen. Darunter
ist das Laden der Speicherbatterie 2 dargestellt, wie es
beispielsweise bei einem Nachladen über Nacht am öffentlichen
Netz vollkommen gleichmäßig erfolgt.
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Auf
der rechten Seite der 3 ist der Betrieb der Traktionsbatterie 3 dargestellt.
Der Ladezustand über der Zeit ist hier vergleichsweise
dynamisch, da Antrieb und Beschleunigung A sowie Rekuperation R
einander beim Betrieb eines Fahrzeugs dynamisch abwechseln.
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In 4 ist
der in 1 bereits beschriebene Aufbau nochmals in der
Integration in ein Transportmittel, insbesondere ein Fahrzeug 16,
beispielsweise einen Personenkraftwagen, dargestellt. Dabei ist
das Fahrzeug 16 mit seinen vier Rädern 17beispielhaft
angedeutet. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zeigt
wiederum die Komponenten, die im Rahmen der 1 bereits
beschrieben wurden. Sie sind dementsprechend mit den Selben Bezugszeichen
versehen. Auch hier ist über den weiteren Spannungswandler 11 ein
12 V Bordnetz 12 sowie eine 12 V Batterie 13 integriert.
Der Traktionsspannungsbus 5 ist als solcher nicht dargestellt.
Jedoch ist die Traktionsbatterie 3 entsprechend mit der Leistungselektronik
bzw. dem Umrichter 7 und der elektrischen Maschine 6 gekoppelt.
Auch die weiteren Verbraucher 8, 9, beispielsweise
eine Heizung 8 und ein elektrischer Klimamittelverdichter 9,
sind entsprechend dargestellt. Ferner ist das Ladegerät 14 für
die Speicherbatterie 2 zu erkennen. Anstelle des in 1 symbolisch
angedeuteten Steckers 15 ist hier lediglich ein entsprechendes
Modul 15 symbolisch dargestellt.
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Wie
bereits erwähnt, kann der Aufbau des Speichermoduls nicht
lediglich mit einer Speicherbatterie 2, sondern auch mit
einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzelle und einer Speicherbatterie 2 realisiert
werden. Vergleichbares gilt für den Aufbau des Traktionsmoduls,
welches anstelle oder zusätzlich zur Traktionsbatterie 3 einen
entsprechenden Hochleistungskondensator aufweisen kann. Außerdem
bietet der modulare Aufbau, wie in 4 prinzipiell
zu erkennen ist, ideale Möglichkeiten, um das System in
die baulich beengten Räume eines Fahrzeugs 16 zu
integrieren. Ferner erlaubt die funktionale Aufteilung der Module
in Speichermodule und Traktionsmodule den Einsatz unterschiedlicher
Zelltypen. Dabei sind nicht nur verschiedene Zellgeometrien, Leistungen
und Kapazitäten denkbar, sondern auch vollkommen unterschiedliche
Systeme. Beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku als Speicherbatterie 2 und
ein Nickel-Metallhydrid-Akku als Traktionsbatterie 3. Ebenso
ist es denkbar, die beiden Module entsprechend bedarfsorientiert
unabhängig voneinander zu kühlen, um den jeweiligen
Anforderungen an die Funktionalität des Moduls gerecht
zu werden, und die maximale Lebensdauer für das entsprechende
Modul zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006051831
B4 [0003]
