DE102009039375A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Energiespeichers vorgeschlagen, wobei der Energiespeicher abwechselnd exotherm (401, 402) und endotherm (403) betrieben wird, wobei zum Erreichen eines Temperatursollwerts (408) während des exothermen Betriebs eine Erwärmung oder während des endothermen Betriebs eine Abkühlung durchgeführt wird. Weiterhin werden ein entsprechender Energiespeicher sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung oder mit einem solchen Energiespeicher vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Energiespeichers, einen Energiespeicher sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung oder einem solchen Energiespeicher.
  • Elektrische Batterien, insbesondere elektrochemische Energiespeicher, werden zunehmend in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen eingesetzt. Dabei ist ein für die Batterie günstiger Temperaturbereich zu gewährleisten. So erzeugt die Batterie selbst Wärme in Form eines elektrischen Verlustanteils und einer Reaktionswärme. Der elektrische Verlustanteil ist unabhängig von der Belastungsrichtung (Laden bzw. Entladen) der Batterie und ist immer exotherm. Die Reaktionswärme enthält neben irreversibel exothermen Anteilen auch reversible Anteile, die exotherm oder endotherm sein können. Bei diesen reversiblen Anteilen bestimmen eine Belastungsrichtung und eine Belastungsstärke das Vorzeichen und die Quantität der Wärmemenge.
  • Die reversiblen Anteile müssen nicht einer chemischen Reaktion entstammen, sondern können durch Entropie-, Konzentrationsänderungen, etc. verursacht sein (wie dies z. B. bei Doppelschichtkondensatoren bekannt ist).
  • Bei Anwendungen mit hoher spezifischer Leistung werden die Batterien mit zusätzlichen Einrichtungen gekühlt bzw. an Kälte- und/oder Wärmekreisläufe (Klimaanlagen) angeschlossen und somit konditioniert.
  • Existierende Lösungen haben den Nachteil, dass die Wärmeleistung der Kühl- oder Konditioniereinrichtung nicht direkt im Inneren der Batteriezelle angreift. Somit limitiert ein Wärmeübergang zwischen dem Ort der Wärmeerzeugung und der konditionierenden Einrichtung erheblich den Einsatzbereich (Belastungshöhe und -dauer) der Batterie. Die zulässige Zeitdauer von Hochleistungsphasen der Batterie wird dabei von der Wärmeaufnahmefähigkeit (Wärmekapazität) der Batterie wesentlich bestimmt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung anzugeben, anhand derer eine effiziente Nutzung eines elektrischen Energiespeichers ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers vorgeschlagen,
    • – bei dem der Energiespeicher abwechselnd exotherm und endotherm betrieben wird,
    • – wobei zum Erreichen eines Temperatursollwerts während des exothermen Betriebs eine Erwärmung oder während des endothermen Betriebs eine Abkühlung durchgeführt wird.
  • Hierbei ist es von Vorteil, dass eine Abkühlung oder Erwärmung des Energiespeichers in Richtung des Temperatursollwerts durchgeführt werden kann, um insbesondere die Temperatur des Energiespeichers in einem vorgegebenen Bereich zu halten bzw. einen solchen vorgegebenen Temperaturbereich zu erreichen. Entsprechend kann der Temperatursollwert einem Temperaturbereich entsprechen oder durch eine Mehrzahl von Temperatursollwerten vorgegeben sein. Der Temperatursollwert muss hierbei nicht notwendigerweise durch den exothermen und/oder endothermen Betrieb (allein) erreicht werden. Das Verfahren erlaubt eine Temperaturerhöhung oder -reduzierung in Richtung des Temperatursollwerts.
  • Insbesondere kann der Temperatursollwert des Energiespeichers in Verbindung mit zusätzlichen Mitteln, z. B. einer externen Kühlung oder einer Heizung, eingestellt werden.
  • Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um einen in einem Fahrzeug, z. B. einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzten Energiespeicher (z. B. Batterie oder Akkumulator). Entsprechend können eine Vielzahl von Energiespeichern vorgesehen sein und nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden. Auch ist es möglich, dass der Energiespeicher eine Zelle oder mehrere Zellen umfasst. Weiterhin kann der Energiespeicher eine Vielzahl gleicher oder unterschiedlicher Energiespeicher umfassen.
  • Vorteilhaft wird durch einen geringen Innenwiderstand des Energiespeichers erreicht, dass der endotherme Betrieb z. B. mit einem geringen Ladestrom den Energiespeicher kühlt. Die Kühlung erfolgt hierbei effizient im Inneren des Energiespeichers. Eine solche Kühlung kann effizient kombiniert werden mit exothermen Reaktionen derart, dass möglichst der Temperatursollwert nicht überschritten wird. Entsprechend bestehen aufgrund dieser Art der Kühlung (endotherme Reaktion in dem Energiespeicher) verminderte Anforderungen an eine zusätzliche Kühlung, d. h. eine womöglich für bestimmte Betriebsarten notwendige externe Kühlung benötigt im Mittel weniger Energie, wenn der Energiespeicher entsprechend oft und lange endotherm betrieben wird bzw. wenn der Energiespeicher immer wieder (zu geeigneten Zeitpunkten) gezielt endotherm reagieren kann.
  • Insofern kann eine geeignete Betriebsstrategie in einem Fahrzeug genutzt werden, um z. B. während der Fahrt immer wieder den endothermen Betrieb zu nutzen und so den Energiespeicher abzukühlen. Dies kann z. B. bei langen Bergabfahrten oder im Bremsbetrieb erfolgen. Auch kann gezielt aus einer weiteren Energiequelle Energie in den Energiespeicher transferiert werden und dieser Transfer als endothermer Betrieb genutzt werden. Beispielsweise in Abwechslung mit einem stark exothermen Betrieb kann gezielt der endotherme Betrieb genutzt werden, um einer signifikanten Temperaturerhöhung des Energiespeichers entgegenzuwirken.
  • Eine Weiterbildung ist es, dass der Energiespeicher zyklisch exotherm und endotherm betrieben wird.
  • Insbesondere können gleichmäßige oder unterschiedlich lange Zyklen genutzt werden, um den Energiespeicher exotherm und/oder endotherm zu betreiben.
  • Eine andere Weiterbildung ist es, dass in dem exothermen Betrieb der Energiespeicher geladen und/oder entladen wird.
  • Beispielsweise kann der Energiespeicher mit einem hohen Ladestrom exotherm und mit einem niedrigen Ladestrom endotherm betrieben werden.
  • Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass in dem endothermen Betrieb der Energiespeicher mit einem geringen Strom geladen wird.
  • Auch ist es eine Weiterbildung, dass der geringe Strom in etwa einem Stromwert entspricht, bei dem eine Überlagerung aus einem irreversiblen Wärmestrom und einem reversiblen Wärmestrom des Energiespeichers einen negativen Wert, insbesondere ein Minimum, aufweist.
  • Zusätzlich ist es eine Weiterbildung, dass in dem endothermen Betrieb der Energiespeicher mit einem geringen Strom entladen wird.
  • Ferner ist es eine Weiterbildung, dass eine Zeitdauer für den exothermen Betrieb und für den endothermen Betrieb des Energiespeichers kürzer ist als eine durch einen äußeren Wärmeausgleich bestimmte Zeitdauer.
  • Insbesondere kann hierdurch die Dauer eines Zyklus für den endothermen und/oder exothermen Betrieb vorgegeben sein.
  • Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird der Energiespeicher vorgewärmt durch den exothermen Betrieb, insbesondere durch eine Ladephase mit einem hohen Strom oder durch eine Entladephase.
  • Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der exotherme Betrieb wiederkehrende, insbesondere periodische, Ladepulse oder Entladepulse aufweist.
  • Eine Ausgestaltung ist es, dass der Energiespeicher für einen nachfolgenden endothermen oder exothermen Betrieb konditioniert wird.
  • Insbesondere kann der Energiespeicher bei niedriger Umgebungstemperatur während der Fahrt aufgeladen werden, so dass nach einer mit einer Abkühlung verbundenen Abstellzeit des Energiespeichers durch die in ihm vorhandene Energie (z. B. durch einen (gepulsten) Entladevorgang mit hohem Strom) zügig erwärmt werden kann. Entsprechend ist es im umgekehrten Fall möglich, den aufgeheizten Energiespeicher z. B. durch eine fortgesetzte endotherme Reaktion zu kühlen oder vorzukühlen. In beiden Fällen kann erreicht werden, dass der Energiespeicher bereits eine Solltemperatur erreicht hat bevor die Fahrt mit dem Fahrzeug fortgesetzt wird. Insbesondere kann erreicht werden, dass sich die Temperatur des Energiespeichers zumindest in Richtung der Solltemperatur verändert hat (wenn diese vielleicht auch nicht ganz erreicht wurde).
  • Diese Art der Konditionierung kann in Form einer Erwärmung oder einer Abkühlung erfolgen.
  • Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Energiespeicher mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:
    • – eine Batterie;
    • – eine Lithium-Ionen-Batterie;
    • – eine Brennstoffzelle;
    • – eine NiMH-Batterie;
    • – einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator;
    • – einen Supercap.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Energiespeicher und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass das hier beschriebene Verfahren durchführbar ist.
  • Bei der Verarbeitungseinheit kann es sich um eine Steuer- oder Regeleinheit handeln. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit einen Prozessor oder eine festverdrahtete Logik aufweisen oder mit einer solchen assoziiert sein, so dass die Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführbar sind.
  • Auch wird die vorstehend genannte Aufgabe gelöst mittels eines Energiespeichers, wobei der Energiespeicher abwechselnd exotherm und endotherm betreibbar ist, wobei zum Erreichen eines Temperatursollwerts während des exothermen Betriebs eine Erwärmung oder während des endothermen Betriebs eine Abkühlung des Energiespeichers durchführbar ist.
  • Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Fahrzeugs umfassend einen Energiespeicher wie hierin beschrieben oder umfassend eine Vorrichtung wie hierin beschrieben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Ersatzschaltbild eines elektrochemischen Speicherelements (Batterie oder Zelle einer Batterie) umfassend eine Reihenschaltung aus einer elektrochemischen Spannungsquelle und einem Innenwiderstand;
  • 2 schematisch einen beispielhaften Belastungszyklus umfassend eine Selbstkühlung für eine Lithium-Ionen-Batterie;
  • 3 schematisch ein Diagramm mit Arbeits- bzw. Betriebsbereichen für eine Lithium-Ionen-Batterie;
  • 4 beispielhaft schematisch Auswirkungen eines Belastungszyklus auf eine Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie.
  • Es wird vorgeschlagen, eine Reaktionswärme einer Batterie für ein erweitertes Einsatzgebiet der Batterie derart zu nutzen, dass zwischen exothermen Phasen und endothermen Phasen abgewechselt wird und somit eine Betriebstemperatur der Batterie niedrig gehalten wird. Insbesondere können die exothermen und die endothermen Phasen zyklisch gemischt werden.
  • Es ist von Vorteil, wenn sich die exothermen und die endothermen Phasen in einem Zeitraum abwechseln, der kleiner ist als eine durch den äußeren Wärmeausgleich bestimmte Zeitkonstante.
  • Beispielsweise kann eine Lithium-Ionen-Batterie, die eine überwiegend endotherme elektrochemische Reaktion während des Ladens aufweist, nach einer Phase mit einer hohen Entladeleistung bzw. nach einer Phase mit einer hohen Ladeleistung mit einer geringen Leistung nachgeladen werden, um für die Dauer dieses Nachladens über eine endotherme Reaktion die noch in der Batterie befindliche Wärme zumindest teilweise zu resorbieren. Somit wird ein Teil der Wärme nicht an den äußeren Kühlkreislauf abgegeben, sondern wird zwischen elektrochemischer und wärmekapazitiver Speicherung verschoben. Entsprechend muss dieser Teil der Wärme nicht mittels des äußeren Kühlkreislaufs abgebaut werden bzw. erfolgt keine diesbezügliche Belastung des äußeren Kühlkreislaufs.
  • Nachfolgend wird beispielhaft eine Lithium-Ionen-Batterie beschrieben. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist entsprechend auf andere Batterien, Akkumulatoren oder Energiespeicher anwendbar.
  • Die für die endotherme Phase der Batterie notwendige elektrische Energie kann entweder von einem anderen elektrischen Speicher (z. B. einem Bordnetz eines Fahrzeuges, einem weiteren Speicher bei einem dualen System) oder von einer anderen elektrischen Quelle und/oder Senke gedeckt werden (z. B. Generator, Brennstoffzelle, Elektromotor, Widerstand).
  • Insbesondere kann ein kalter elektrischer Speicher derart betrieben werden, dass durch Ausnutzung einer überwiegend exothermen Reaktion die Speichererwärmung beschleunigt wird. So kann bei der oben genannten Lithium-Ionen-Batterie mit überwiegend exothermer Reaktion während des Entladens die Batterie mit Entladepulsen gezielt im Inneren erwärmt werden. Während der Dauer der Erwärmung kann auf ein Nachladen entweder verzichtet werden oder das Nachladen kann weitgehend exotherm durchgeführt werden, indem eine Ansteuerung so durchgeführt wird, dass die irreversible Wärme auch bei dieser Reaktionsrichtung überwiegt.
  • Durch die Konditionierung der Batterie wird beschleunigt ein für die Batterie günstiger Temperaturbereich erreicht bzw. eingestellt. Dies ist z. B. von Vorteil, wenn ein Kraftfahrzeug in einer kalten Umgebung abgestellt wurde und die Batterie entsprechend unterhalb ihrer bevorzugten Arbeitstemperatur abgekühlt ist. In diesem Fall kann durch eine gezielte Ansteuerung der Batterie beschleunigt der günstige Arbeitsbereich erreicht werden. Dies wirkt sich u. a. positiv auf die Lebensdauer der Batterie aus.
  • Eine Alternative ist es, dass die Batterietemperatur mit einer Ladezustandsregelung derart verknüpft wird, dass ein energetischer Puffer für die zukünftig gewünschte Reaktionsrichtung (endotherm bzw. exotherm) geschaffen wird. Beispielsweise wird die Lithium-Ionen-Batterie bei niedrigen Umgebungstemperaturen bevorzugt während der Fahrt geladen, um nach einer mit einer Abkühlung verbundenen Abstellzeit des Fahrzeugs die Batterie zügig konditionieren zu können.
  • Die für die Li-Ionen-Batterie beschriebene Verfahrensweise ist sinngemäß auf andere Systeme mit endothermen Phasen im Lade-Entlade-Zyklus (z. B. NiMH-Batterien, Doppelschichtkondensatoren, Brennstoffzellen, etc.) anwendbar, auch wenn die Zuordnung dieser Phasen umgekehrt zur Belastungsrichtung ist (z. B. Supercap mit endothermer Phase beim Entladen).
  • Das beschriebene Verfahren kann sowohl als vorrangiges Kühl- und/oder Konditionierverfahren (bei seltenen kurzen Hochlastphasen) als auch in Verbindung mit den bekannten Kühl- und Konditioniereinrichtungen eingesetzt werden.
  • 1 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines elektrochemischen Speicherelements 101 (Batterie oder Zelle einer Batterie) umfassend eine Reihenschaltung aus einer elektrochemischen Spannungsquelle 102 und einem Innenwiderstand 103. Diese Reihenschaltung stellt über Anschlüsse 104, 105 eine Klemmenspannung u und einen Strom i bereit.
  • Aufgrund des Innenwiderstands 103 kommt es zu elektrischen Verlusten, die in Form von Wärme 106 an die Umgebung abgegeben wird. Hierbei handelt es sich um eine Funktion der elektrischen Leistung, die als Wärme abgegeben wird und von dem Strom i abhängig ist, d. h. Pw,el(i2).
  • Die elektrochemische Spannungsquelle 102 erzeugt eine irreversible exotherme Reaktionswärme 107 in Abhängigkeit von dem Betrag des Stroms i, d. h. Pw,irr(|i|) sowie einen reversiblen Reaktionswärmeanteil 108 in Abhängigkeit von dem Strom i, d. h. Pw,rev(i).
  • Der reversible Anteil der Reaktionswärme 108 kann effizient für eine Betriebsstrategie des Speicherelements 101 genutzt werden.
  • 2 zeigt schematisch einen beispielhaften Belastungszyklus umfassend eine Selbstkühlung für eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Ein zeitlicher Verlauf eines Stroms 201 umfasst eine Phase 202 einer Entladung mit einer hohen Last (entsprechend resultierend in einem hohen positiven Strom), gefolgt von einer Phase 203 eines Ladevorgangs für eine Wärmeresorption der Batterie. Weiterhin gezeigt sind eine Phase 204 eines Ladevorgangs mit hoher Last und eine sich anschließende Phase 205 eines Ladevorgangs für eine Wärmeresorption der Batterie.
  • Entsprechend zeigt 2 einen zu diesem Stromverlauf 201 gehörigen
    • – zeitlichen Verlauf 206 elektrischer Verluste Pw,el(i2),
    • – zeitlichen Verlauf 207 einer irreversiblen Reaktionswärme Pw,irr(|i|),
    • – zeitlichen Verlauf 208 einer reversiblen Reaktionswärme Pw,rev(i),
    • – zeitlichen Verlauf 209 einer gesamten Wärme Pw(i2,|i|, i).
  • Der Verlauf 209 zeigt, dass im Hinblick auf die gesamte Wärme die Phasen 203 und 205 insgesamt endotherm verlaufen, also während dieser Phasen 203, 205 eine Kühlung der Batterie erfolgt.
  • 3 zeigt schematisch ein Diagramm mit Arbeits- bzw. Betriebsbereichen für eine Lithium-Ionen-Batterie. Diesbezüglich ist ein elektrischer Strom I in Abhängigkeit von einem Wärmestrom Q dargestellt. Ist der Strom I negativ, wird die Batterie aufgeladen; entsprechend wird bei einem positiven Strom I die Batterie entladen.
  • Insbesondere durch Batterien mit einem niedrigen Innenwiderstand ist es möglich, dass die in Wärme umgewandelten ohmschen Verluste gering sind und eine endotherme Reaktion in der Batterie für bestimmte Lade- bzw. Entladesituationen einen überwiegenden Beitrag zur Wärmebilanz liefert. Sofern kann z. B. ein endothermer Arbeitsbereich genutzt werden, um z. B. im Rahmen einer Betriebsstrategie für die Batterie diese über bestimmte Zeitabschnitte hinweg zu kühlen.
  • Ein Verlauf 301 zeigt einen irreversiblen Wärmestrom bei einer Batterie alter Technologie mit einem entsprechend hohen Innenwiderstand gemäß Qinnen,alt = Rinnen,alt·I2 + kinnen,alt·|I| (1), wobei k einen Wärmewiderstand bezeichnet.
  • Entsprechend zeigt ein Verlauf 302 einen irreversiblen Wärmestrom bei einer Lithium-Ionen-Batterie mit einem deutlich reduzierten Innenwiderstand gemäß Qinnen,neu = Rinnen,neu·I2 + kinnen,neu·|I| (2).
  • Weiterhin zeigt eine Kurve 303 einen reversiblen Wärmestrom der Lithium-Ionen-Batterie gemäß Qrev,neu = krev,neu·I (3).
  • Durch Überlagerung 304 der beiden Kurven 302 und 303 ergibt sich ein wirksamer Wärmestrom für die Lithium-Ionen-Batterie gemäß Qwirksam,neu = Qirrev,neu + Qrev,neu (4).
  • Somit gibt es für den Verlauf 304 des resultierenden Wärmestroms einen exothermen Arbeitsbereich 305 bis zu einem Stromwert 306, einen endothermen Arbeitsbereich 307 bis zu einem Strom I = 0 und einen exothermen Arbeitsbereich 308 ab dem Strom I = 0. Der beispielhaft parabelähnliche Verlauf 304 hat bei einem Stromwert 309 ein Minimum. Somit ist der Stromwert 309 ein optimaler Ladestrom für die Wärmeresorption der Lithium-Ionen-Batterie.
  • 4 zeigt beispielhaft schematisch Auswirkungen eines Belastungszyklus auf eine Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie.
  • In 4 sind ein Stromverlauf und ein Temperaturverlauf für unterschiedliche Betriebsphasen der Lithium-Ionen-Batterie dargestellt.
  • Von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 wird die Batterie (teilweise) entladen. Ein Graph 401 zeigt den Stromverlauf und ein Graph 405 zeigt den Temperaturverlauf während dieser Entladephase (bis zu dem Zeitpunkt t2).
  • Ab dem Zeitpunkt t2 wird die Batterie beispielsweise exotherm geladen bis zu einem Zeitpunkt t3, und ab dem Zeitpunkt t3 erfolgt keine weitere Aufladung oder Entladung der Batterie. Ein Graph 402 zeigt den Stromverlauf der exothermen Ladephase und ein Graph 406 zeigt den zugehörigen Temperaturverlauf in der Batterie.
  • Alternativ wird ab dem Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt t4 die Batterie optimiert geladen, d. h. optimiert im Hinblick auf eine Kühlung bzw. einen Wärmeentzug. Ab dem Zeitpunkt t4 erfolgt keine weitere Aufladung oder Entladung der Batterie. Ein Graph 403 zeigt den Stromverlauf während der optimierten Ladephase und ein Graph 407 zeigt den zugehörigen Temperaturverlauf in der Batterie.
  • Schließlich ist beispielhaft noch ab dem Zeitpunkt t2 der Fall ohne Ladung bzw. Entladung der Batterie gezeigt. Ein Graph 404 zeigt den Stromverlauf ohne Ladephase und ein Graph 408 zeigt den zugehörigen Temperaturverlauf in der Batterie.
  • Hierbei ist festzustellen, dass die optimierte Ladephase gemäß der Graphen 403, 407 eine niedrigere Temperatur der Batterie ermöglicht als bei einem vollständigen Verzicht auf eine Ladephase (siehe Graphen 404, 408).
  • Der hier vorgeschlagene Ansatz bietet insbesondere die folgenden Vorteile:
    • – Eine Kühl- bzw. Heizleistung wird direkt im Inneren der Zelle und ohne zeitliche Verzögerung erzeugt.
    • – Die maximal zulässige Intensität und eine Wiederholrate von Belastungsphasen werden erhöht.
    • – Die thermische Belastung des elektrischen Energiespeichers wird reduziert.
    • – Eine inhomogene Belastung des Energiespeichers, z. B. durch Hotspots, wird reduziert.
    • – Die Leistungsanforderung an die Kühleinrichtungen und/oder Konditioniereinrichtungen wird reduziert. Hieraus resultieren ein verminderter Aufwand, geringere Kosten und/oder niedrigere Kühlmitteldurchsätze.
    • – Der elektrische Energiespeicher wird besser ausgenutzt. Dies bedingt ein verbessertes Einsatzprofil, einen verminderten Aufwand sowie eine höhere Lebensdauer.
    • – Die Umsetzung der Selbstkühlung ist mit geringem Aufwand möglich; dies kann z. B. durch Softwaremaßnahmen im Rahmen einer Betriebsstrategie vorgegeben werden.
  • Der vorliegende Ansatz kann insbesondere als Betriebsstrategie eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Dabei kann es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein mit einem Verbrennungsmotor betriebenes Fahrzeug, um ein mit (mindestens) einem Elektromotor betriebenes Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
  • Durch die Betriebsstrategie ist es möglich, den elektrischen Energiespeicher so zu betreiben, dass z. B. eine notwendige Kühlung reduziert werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Energiebilanz aus. Auch ist es von Vorteil, dass durch die wiederholte Nutzung des z. B. endothermen Betriebsmodus des Energiespeichers dieser während solcher Zeitabschnitte wieder gekühlt werden kann. Insbesondere kann zwischen endothermen und exothermen Betriebsmodi so abgewechselt werden, dass in der Summe eine deutliche Annäherung an den für den Energiespeicher günstigen Temperaturbereich erfolgt.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    elektrochemisches Speicherelement
    102
    elektrochemische Spannungsquelle
    103
    Innenwiderstand
    104
    Anschluss
    105
    Anschluss
    106
    Wärme (aufgrund elektrischer Verluste)
    107
    irreversible exotherme Reaktionswärme
    108
    reversible Reaktionswärme
    201
    Stromverlauf
    202
    Phase einer Entladung mit hoher Last
    203
    Phase eines Ladevorgangs für eine Wärmeresorption
    204
    Phase eines Ladevorgangs mit hoher Last
    205
    Phase eines Ladevorgangs für eine Wärmeresorption
    206
    zeitlicher Verlauf elektrischer Verluste
    207
    zeitlicher Verlauf der irreversiblen Reaktionswärme
    208
    zeitlicher Verlauf der reversiblen Reaktionswärme
    209
    zeitlicher Verlauf der gesamten Wärme
    301
    irreversibler Wärmestrom (Batterie alter Technologie)
    302
    irreversibler Wärmestrom einer Lithium-Ionen-Batterie
    303
    reversibler Wärmestrom der Lithium-Ionen-Batterie
    304
    Überlagerung der Kurven 302 und 303
    305
    exothermer Arbeitsbereich
    306
    Stromwert
    307
    endothermer Arbeitsbereich
    308
    exothermer Arbeitsbereich
    309
    Stromwert für optimalen Ladestrom

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Energiespeichers, – bei dem der Energiespeicher abwechselnd exotherm (401, 402) und endotherm (403) betrieben wird, – wobei zum Erreichen eines Temperatursollwerts (408) während des exothermen Betriebs eine Erwärmung oder während des endothermen Betriebs eine Abkühlung durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Energiespeicher zyklisch exotherm und endotherm betrieben wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem exothermen Betrieb der Energiespeicher geladen und/oder entladen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem endothermen Betrieb der Energiespeicher mit einem geringen Strom geladen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der geringe Strom in etwa einem Stromwert entspricht, bei dem eine Überlagerung aus einem irreversiblen Wärmestrom und einem reversiblen Wärmestrom des Energiespeichers einen negativen Wert, insbesondere ein Minimum, aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem endothermen Betrieb der Energiespeicher mit einem geringen Strom entladen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Zeitdauer für den exothermen Betrieb und für den endothermen Betrieb des Energiespeichers kürzer ist als eine durch einen äußeren Wärmeausgleich bestimmte Zeitdauer.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher vorgewärmt wird durch den exothermen Betrieb, insbesondere durch eine Ladephase mit einem hohen Strom oder durch eine Entladephase.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der exotherme Betrieb wiederkehrende, insbesondere periodische, Ladepulse oder Entladepulse aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher für einen nachfolgenden endothermen oder exothermen Betrieb konditioniert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Temperatursollwert ein Temperatursollwert des Energiespeichers ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – eine Batterie; – eine Lithium-Ionen-Batterie; – eine Brennstoffzelle; – eine NiMH-Batterie; – einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator; – einen Supercap.
  13. Vorrichtung mit einem Energiespeicher und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist.
  14. Energiespeicher, – wobei der Energiespeicher abwechselnd exotherm und endotherm betreibbar ist, – wobei zum Erreichen eines Temperatursollwerts während des exothermen Betriebs eine Erwärmung oder während des endothermen Betriebs eine Abkühlung durchführbar ist.
  15. Fahrzeug mit mindestens einem Energiespeicher gemäß Anspruch 14 oder mit mindestens einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13.
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